Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Один из моих собственных кандидатов на первые места в списке красивых экспериментов – эксперимент 1956–1957 годов по несохранению четности, среди организаторов которого была Ву Цзяньсюн. Эксперимент продемонстрировал, что при определенных условиях элементарные частицы и ядра атомов в процессе распада излучают электроны в определенных, предпочтительных, направлениях относительно их спина. Этот эксперимент убедительно опроверг один из фундаментальных и давно устоявшихся стереотипов в физике [18] 165.

Я бы также включил в свой список эксперимент Мориса Гольдхабера 1957 года, в ходе которого были установлены спиральности нейтрино и антинейтрино, то есть проекции их спина на направления движения. Эксперимент Гольдхабера был невероятно изощренным (он подразумевал многоступенчатую ядерную реакцию, в которой были бы известны свойства и квантовые состояния всех участвующих в ней частиц, а спиральность нейтрино оказывалась бы точно равна спиральности образующихся в ходе реакции фотонов, что было возможно лишь в одной единственной из примерно трех тысяч реакций), поэтому многие физики в то время считали такой эксперимент принципиально невыполнимым166.

Для большинства научных открытий верно утверждение, что если бы данный конкретный исследователь не сделал его, то открытие обязательно совершил бы кто-нибудь другой, однако о данном эксперименте сказать подобного нельзя. Один физик как-то заметил, что если бы Мориса Гольдхабера не существовало, то «нет уверенности, что спиральность нейтрино когда-либо была бы измерена»167.

А о том эксперименте, которому лично я дал бы самое первое место, читайте дальше.

Почти все эксперименты в первой десятке были выполнены тем или другим исследователем в одиночку или с помощью небольшого числа помощников за относительно короткое время. Однако за последние полвека характер и масштаб экспериментальной работы существенно изменились. В настоящее время физические эксперименты, как правило, имеют междисциплинарный и многонациональный характер, в их проведении участвуют десятки научных учреждений и сотни сотрудников. Порой они длятся по несколько лет или даже десятилетий. Возникает вопрос: будут ли эксперименты в эпоху Большой Науки столь же красивы, как и прежде?

Вне всякого сомнения, да.

Мой личный кандидат на звание самого красивого научного эксперимента – эксперимент с мюоном g-2 – за последние пятьдесят лет был проведен четыре раза, и каждый раз – все более крупными объединениями. Первые три раза эксперимент проводили в международной лаборатории ЦЕРН в Женеве, а совсем недавно – в Брукхейвенской национальной лаборатории. В самом последнем воплощении данного эксперимента участвовали более сотни ученых из нескольких стран, создавшие грандиозное оборудование, частью которого стала самая большая в мире сверхпроводящая катушка индуктивности, установленная в помещении размером с небольшой авиационный ангар. Мне следует сразу же признаться, что часть моего восхищения упомянутым экспериментом объясняется чисто личными причинами. Он проводился в здании, расположенном неподалеку от моего дома, и я наблюдал за его проведением в течение нескольких лет. Но мое близкое знакомство с этим экспериментом, как это бывает в случае с каким-либо особо сложным музыкальным произведением, только еще больше усиливает мое восхищение им.

В описываемом эксперименте исследовалось то, что известно под названием «аномальный магнитный момент мюона». В нем была сделана попытка выяснить, какова прецессия спина частицы, время жизни которой было впервые измерено Конверси и Пиччони, в магнитном поле168. Измерение прецессии требует чрезвычайной точности, каковая, в свою очередь, нуждается в разработке весьма сложного эксперимента169.

С целью измерения прецессии спина мюонов ученые исследуют электроны и позитроны, возникающие при их распаде, используя при этом феномен нарушения четности, открытый Ву и ее коллегами, по которому определяется направление спина мюонов170. Когда данные о распаде миллиардов мюонов представляют в виде графика, то возникает потрясающая структура: последовательность максимумов, постоянно уменьшающихся по величине, что отражает частоту, с которой мюоны «колеблются» внутри камеры.

Рис. 25. Этот график колебаний фактора g-2, показывающего изменение четности в потоке позитронов, обладающих высокой энергией, как функции времени, стал первым свидетельством определенной частоты прецессии мюонов, полученным в Брукхейвенской лаборатории. Все присутствующие были настолько воодушевлены открытием, что поставили на графике свои подписи

Первые данные Брукхейвенского эксперимента были получены в мае 1997 года. Присцилла Кушман, физик из университета Миннесоты – первый исследователь, обработавший собранные за несколько дней данные и представивший их в виде графика, – сразу же обратила внимание на красноречивый рисунок. Позднее Кушман вспоминала, что, когда в комнату вошел Джерри Банс, еще один член команды g-2 , она «сунула ему под нос листок и воскликнула: „Посмотри! Кривая g-2!“ Он невозмутимо ответил: „Значит, сегодня вечером мы будем праздновать!“ Джерри был прав. Мы так долго ждали, искали финансирование, терпели нападки скептиков, утверждавших, что у нас никогда ничего не получится, потом запустили оборудование и две недели не получали никаких результатов, и внезапно этот прекрасный график как будто явился из ничего, и мы увидели на нем g-2!»

Спустя несколько лет, проведенных за сбором данных, исследователи совершили одно из самых точных измерений в физике элементарных частиц за все время ее существования и получили возможность сравнить полученную величину с теоретической, одной из самых точных величин в науке171. Результаты свидетельствовали о наличии расхождения с величиной, предсказанной теоретически, что говорит о возможности возникновения в недалеком будущем новой физики и, разумеется, вызывает сильнейший ажиотаж среди специалистов.

Эксперимент g-2 демонстрирует три важнейших элемента красоты, с которыми мы встречались в других экспериментах, упомянутых в нашей книге: глубину, то есть фундаментальность результатов; эффективность или экономичность, воплощенную в каждой из составляющих его частей; и определенность, означающую, что если в результате эксперимента возникают какие-то вопросы, то они относятся к структуре Вселенной (или к теории), а не к самому эксперименту.Несмотря на свою масштабность, эксперимент g-2 сравним по широте с экспериментом Эратосфена, так как соединяет различные масштабы Вселенной (явления, невероятно различающиеся по своим энергиям) в ходе измерения одной микроскопической величины – «качания» мюона. Он отличается и суровой красотой эксперимента Кавендиша по «взвешиванию» Земли, в котором экспериментатор фанатически преследовал одну цель – достижение возможно более высокой точности. Он обладает и энциклопедичностью эксперимента Милликена, так как в целях достижения результата объединяет множество различных законов Вселенной – от электромагнетизма и квантовой механики до принципов теории относительности172. При намеке на еще не исследованные измерения Вселенной в нем присутствует и нечто от высшей красоты эксперимента с маятником Фуко.

Во введении я поставил два вопроса относительно красоты научного эксперимента. Во-первых, что означает красота в контексте эксперимента? И во-вторых, как красота научного эксперимента влияет на сам концепт прекрасного?

Критерий ответа на первый вопрос – это способность эксперимента воздействовать на нас. Многие участники моего опроса упоминали эксперименты и демонстрации, виденные ими в детстве и юности. Более того, из всего объема информации, полученного на уроках естественных наук, только эти эксперименты и остались у них в памяти. Луна, в первый раз увиденная в телескоп; пульсирующие капилляры в плавниках золотой рыбки под микроскопом; ощущение сопротивления при попытке повернуть, держа его за втулку оси, вращающееся велосипедное колесо; мячик, удерживающийся на весу под воздействием сильного вертикального потока воздуха; консервная банка, сминающаяся словно сама по себе, когда из нее откачан воздух, – эти эпизоды надолго сохраняют способность пробуждать наше воображение.

Но эксперименты способны завораживать не только школьников, но и опытных ученых. Восторг открытия невозможно сравнить ни с какими другими переживаниями. Достаточно вспомнить реакцию шотландского инженера Джона Скотта Расселла, который в 1834 году впервые увидел в Эдинбургском канале солитон (структурно устойчивую уединенную волну, то есть такую отдельную волну, которая не рассеивается, в отличие от обычных волн). Он назвал этот день «самым счастливым днем своей жизни». В истории науки подобных примеров бесчисленное множество.