Мистецтво експерименту

Експеримент поряд із теорією — один із двох стовпів фізичної науки. Це не просте споглядання довколишніх явищ, а спосте­реження за процесом, що відбувається в певних, заданих експе­риментатором умовах. Експеримент, як стверджував російський фізик-теоретик Аркадій Мігдал, «випробовує теоретичне перед­бачення на міцність. Коли теорія, нарешті, не витримує, ство­рюється нова, з урахуванням старих фактів і тих, які з'явилися під час перевірки».

Існують як великі теорії, так і великі експерименти. Вони не тільки залишаються в лабораторних звітах і наукових жур­налах, але й змінюють, прямо або опосередковано, наше повсяк­денне життя. За них одержують премії, про них розповідають іс­торії й складають легенди. Мабуть, перший великий експеримент був проведений Архімедом із Сиракуз. Історія з короною царя Гієрона не тільки зробила Архімеда «батьком криміналістики», але й показала, як дослідник у ході пошуків відповіді на одне питання може знайти вирішення зовсім іншої проблеми. Важливо й інше: Архімед був, напевно, першим ученим, який спирався і на теорію, і на експеримент.

Кожне відкриття з'являється на світ по-своєму — у резуль­таті пошуку або з волі випадку. Прогнозовані відкриття можна буквально перерахувати на пальцях, зате в цьому ряду є така яскрава подія, як створення лазера. У 1953 році навчилися ви­користовувати ефект, що його прогнозував Альберт Ейнштейн ще в 1916 році.

126

Однак відкриттів випадкових, які виникають наче «на по­рожньому місці», у фізиці значно більше. Утім, великий фран­цузький біолог Луї Пастер якось сказав, що випадок допомагає лише підготовленому розуму. Експериментатор шукає відповіді там, де інші не бачать питання. Ісаак Ньютон відкрив складний характер білого світла тому, що поставив питання, які раніше нікому не спадали на думку.

Проте відповідь не тільки необхідно отримати, її ще й необ­хідно зрозуміти, адже результат може виявитися парадоксаль­ним, таким, що не «вписується» у сформовану систему науко­вих уявлень, і тоді дослідникові потрібно мати сміливість, щоб визнати його, і тверду впевненість у його правильності. Такі експерименти змінюють наші уявлення про світ і вигляд циві­лізації.

Динаміка Ньютона

У 1684 році Ньютон пообіцяв астрономові Едмунду Галлею викласти свої погляди щодо руху тіл, які, за його словами, «ціл­ком достатні для пояснення всіх рухів небесних тіл і моря». До нього нікому не вдавалося пояснити закони руху планет на основі чітких математичних принципів.

Ньютон, розпочавши з невеликих «нотаток про рух», посту­пово захопився, і невдовзі скромний твір став перетворюватися на головну книгу його життя. Робота над книгою буквально змінила Ньютона. Ще жодного разу він не відчував такого на­тхнення, коли раптом зрозумів, що йому вдалося знайти ту мі­німальну кількість фундаментальних законів природи, на основі яких можна пояснити всі явища, пов'язані з рухом тіл, почи­наючи від маленького камінчика й закінчуючи гігантськими небесними тілами. У нього змінився навіть почерк, настільки величезним було враження від того, що він зумів зробити.

У 1686 році, через два роки після початку дослідження, Нью­тон повністю закінчив роботу над рукописом, і в наступному році його книга була видана на гроші Едмунда Галлея. Основне завдання природознавства, згідно із Ньютоном, полягає в тому, щоб за «явищами руху розпізнати сили природи, а потім за цими силами пояснити інші явища», окрім того, «описати явища при­роди за допомогою законів математики».

Щоб назавжди покінчити з існуючою досі термінологічною плутаниною, Ньютон розпочав свою книгу з визначень осно­вних понять механіки: маси, сили тощо. Під масою Ньютон мав

127

на увазі «тілоо або «кількість матерії». Остання, згідно з ученням Ньютона, «є мірою, що походить від густоти й об'єму матерії*. Силу вчений, на відміну від багатьох своїх попередників, роз­глядав як щось зовнішнє стосовно тіла, на яке вона діє, а не як притаманну йому внутрішню властивість. Результатом дії сили, за Ньютоном, є зміна стану спокою або рівномірного прямоліній­ного руху. Про величину сили він судив за переміщенням, що його здійснювало тіло після удару іншим тілом, за певний час. Чим більша сила, тим більша швидкість передається тілу при ударі, і тому тим довший шлях воно пройде потім за певний час.

Перший закон Ньютона

Згідно з першим законом Ньютона, будь-яке тіло зберігає свій стан спокою або рівномірного прямолінійного руху доти, доки воно залишається ізольованим. По суті кажучи, ізольова­них тіл у природі не існує. Тому перший закон Ньютона описує не реальну, а уявну ситуацію.

Другий закон Ньютона

Другий закон Ньютона описує рух тіла, з огляду на його вза­ємодію з іншими тілами. Згідно з ним, зміна розташування тіла дорівнює добутку сили, з якою на нього діють навколишні тіла, та часу їхнього впливу.

Третій закон Ньютона

Третій закон Ньютона описує ситуацію, коли у взаємодії беруть участь два тіла: сили взаємодії двох будь-яких тіл рівні за величиною й спрямовані в протилежні боки вздовж прямої, що їх з'єднує. Третій закон Ньютона ще називають законом дії і протидії. «Якщо хтось тисне пальцем на камінь,— писав Ньютон,— то і на його палець також; тисне камінь. Якщо кінь тягне каміння, прив'язане до каната, то й назад (якщо можна так сказати) він з такою самою силою відтягується до каменя...» Цей закон Ньютона залишається справедливим для всіх систем відліку. Наприклад, сила притягання Землі й Місяця, або сила взаємодії двох нерухомих стосовно одна одної частинок, буде од­наковою. Водночас у ньому йдеться не про будь-які сили, а про сили взаємодії двох тіл.

Епітафія на надгробку Ньютона

Тут спочиває сер Ісаак Ньютон, який з майже божественною силою розуму перший пояснив за допомогою свого математичного

128