Опыт ньютона с призмой. Опыты с призмой

Ложность подобных выводов нетрудно было дока­зать, поставив соответствующие опыты с теми же призмами. Однако до Ньютона никто этого не сде­лал.

1.4. Опыты Ньютона с призмами . Ньютоновская теория возникновения цветов

Великий английский ученый Исаак Ньютон выполнил целый комплекс оптических экспериментов с призмами, подробно описав их в «Оптике», «Новой теории света и цветов», а также в «Лекциях по оптике». Ньютон убедительно доказал ложность представлений о возникновении цветов из смешения темноты и белого света. На основании про­деланных опытов он смог заявить: «Никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вме­сте, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета». Ньютон показал, что белый свет не является основным, его надо рассматривать как составной (по Ньютону, «неоднородный»; по со­временной терминологии, «немонохроматический»); основными же являются различные цвета («однород­ные» лучи или, иначе, «монохроматические» лучи). Возникновение цветов в опытах с призмами есть ре­зультат разложения составного (белого) света на основные составляющие (на различные цвета). Это разложение происходит по той причине, что каждому цвету соответствует своя степень преломляемости. Таковы основные выводы, сделанные Ньютоном; они прекрасно согласуются с современными научными представлениями.

Выполненные Ньютоном оптические исследования представляют большой интерес не только с точки зре­ния полученных результатов, но также и с методиче­ской точки зрения. Разработанная Ньютоном мето­дика исследований с призмами (в частности, метод скрещенных призм) пережила века и вошла в арсе­нал современной физики.

Приступая к оптическим исследованиям, Ньютон ставил перед собой задачу «не объяснять свойства света гипотезами, но изложить и доказать их рассуж­дениями и опытами». Проверяя то или иное положе­ние, ученый обычно придумывал и ставил несколько различных опытов. Он подчеркивал, что необходимо использовать разные способы «проверить то же са­мое, ибо испытующему обилие не мешает».

Рассмотрим некоторые наиболее интересные опы­ты Ньютона с призмами и те выводы, к которым при­шел ученый на основании полученных результатов. Большая группа опытов была посвящена проверке соответствия между цветом лучей и степенью их пре­ломляемости (иначе говоря, между цветом и величи­ной показателя преломления). Выделим три таких опыта.

Опыт 1. Прохождение света через скрещенные призмы. Перед отверстием А, пропускающим в затем­ненную комнату узкий пучок солнечных лучей, поме­щают призму с горизонтально ориентированным пре­ломляющим ребром (рис. 4.3,а).

На экране возни­кает вытянутая по вертикали цветная полоска КФ, крайняя нижняя часть которой окрашена в красный цвет, а крайняя верхняя - в фиолетовый. Обведем карандашом контуры полоски на экране. Затем поместим между рассматриваемой призмой я экраном еще одну такую же призму, но при этом преломляю­щее ребро второй призмы должно быть ориентиро­вано вертикально, т. е. перпендикулярно к прелом­ляющему ребру первой призмы. Световой пучок, вы­ходящий из отверстия А, проходит последовательно через две скрещенные призмы. На экране возникает полоска спектра К"Ф", смещенная относительно кон­тура КФ по оси Х. При этом фиолетовый конец поло­ски оказывается смещенным в большей мере, нежели красный, так что полоска спектра выглядит наклонен­ной к вертикали. Ньютон приходит к выводу: если опыт с одиночной призмой позволяет утверждать, что лучам с разной степенью преломляемости соответ­ствуют разные цвета, то опыт со скрещенными призма­ми доказывает также и обратное положение - лучи разного цвета обладают разной степенью преломляе­мости. Действительно, луч, наиболее преломляющийся в первой призме, есть фиолетовый луч; проходя затем через вторую призму, этот фиолетовый луч испыты­вает наибольшее преломление. Обсуждая результаты опыта со скрещенными призмами, Ньютон отмечал: «Из этого опыта следует также, что преломления отдельных лучей протекают по тем же законам, находят­ся ли они в смеси с лучами других родов, как в белом свете, или преломляются порознь или предваритель­ном обращении света в цвета».

На рис. 4.4 представлен еще один вариант опыта со скрещенными призмами: через призмы проходят два одинаковых световых пучка. Оба пучка формируют на экране одинаковые полоски спектра, несмот­ря на то, что в первой призме лучи одного и того же цвета (но из разных пучков) проходят пути разной длины.

Тем самым опровергалось отмеченное выше предположение, что цвет зависит от длины пути луча внутри призмы.

Опыт 3. Прохождение света через систему, со­стоящую из двух призм и отражающего зеркала.

Пучок солнечных лучей, выходя из отвер­стия А, проходит через призму 1 и затем попадает на зеркало 2. Ориентируем зеркало таким образом, чтобы послать на призму 3 только ту часть лучей, которые преломляются в наибольшей степени. Пре­ломившись в призме 3, эти лучи попадают на экран в районе точки В. Затем передвинем зеркало 2, по­местив его теперь так, чтобы оно посылало на призму 3 те лучи, которые преломляются в наименьшей степени (см. штриховое изображение). Испытав преломление в призме 3, эти лучи попадут на экран в районе точки С. Ясно видно, что те лучи, которые преломляются в наибольшей степени в первой приз­ме, будут наиболее сильно преломляться и во второй призме.

Все эти опыты позволили Ньютону сделать уве­ренное заключение: «Опытами доказывается, что лу­чи, различно преломляемые, имеют различные цвета; доказывается и обратное, что лучи, разно окрашен­ные, есть лучи, разно преломляемые».

Далее Ньютон ставит вопрос: «Возможно ли из­менить цвет лучей какого-либо рода в отдельности преломлением?» Выполнив серию тщательно проду­манных опытов, ученый приходит к отрицательному ответу на поставленный вопрос. Рассмотрим один из таких опытов.

Опыт 4. Прохождение света через призмы и эк­раны со щелями

Пучок солнечных лучей разлагается на цвета призмой 1. Через отверстие В в экране, поставленном за призмой, проходит часть лучей некоторого определенного цвета. Эти лучи за­тем проходят через отверстие С во втором экране, после чего попадают на призму 2. Поворачивая приз­му 1, можно при помощи экранов с отверстиями вы­делять из спектра лучи того или иного цвета и иссле­довать их преломление в призме 2. Опыт показал, что преломление в призме 2 не приводит к измене­нию цвета лучей.

Игорь Сокальский,
кандидат физико-математических наук
«Химия и жизнь» №12, 2006

В пяти предыдущих статьях цикла «Вселенная: материя, время, пространство», использовав аналогию театра, мы рассказали о том, как устроен наш мир. Время и пространство образуют сцену, на которой разыгрывают сложнейшие и запутанные сюжетные линии главные и второстепенные действующие лица, а также невидимые актеры. Осталось поговорить о нас с вами — о зрителях. Мы не успели к началу спектакля, который начался 14 миллиардов лет назад, а появились в зрительном зале совсем недавно по космическим масштабам времени — прошло всего несколько тысяч лет. Но нам многое удалось понять в театральном действии, хотя еще больше предстоит выяснить. Не все представители рода человеческого посвящают свои жизни познанию законов природы. Только небольшая часть, ученые. О том, как они это делают, — две последние статьи цикла. Сначала поговорим о самых красивых физических экспериментах прошлого.
(Продолжение. Начало см. в №7, №№9- , 2006)

Плюнь тому в глаза, кто скажет, что можно обнять необъятное.
Козьма Прутков

Земля — шар радиусом около 6400 км. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Сила гравитационного притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними. В нашей Галактике примерно 100 миллиардов звезд. Температура поверхности Солнца около 6 тысяч градусов. Эти простые физические факты складываются с десятками тысяч других, самых разных, — таких же простых для понимания, или не слишком простых, или совсем сложных, — образуя физическую картину мира.

У человека, начинающего знакомиться с физикой, неизбежно возникает как минимум два серьезных вопроса.

Чтобы понять, нужно запомнить всё?

Вопрос первый: неужели для того, чтобы понять устройство Вселенной и законы, по которым она существует, нужно узнать и запомнить все накопленные до сих пор физические факты?! Конечно, нет. Это невозможно. Фактов слишком много. Неизмеримо больше, чем могло бы уместиться не только в человеческом мозгу, но даже на магнитном диске самого современного суперкомпьютера. Только объем информации о размерах, температуре, спектральном классе и местоположении всех звезд нашей Галактики составляет 2-3 терабайта. Если добавить сюда другие характеристики звезд, то этот объем вырастет в несколько десятков или даже сотен раз. Еще в миллионы раз увеличится количество данных, если рассматривать и звезды в других галактиках. А еще сведения о планетах, газово-пылевых туманностях. А еще информация об элементарных частицах, их свойствах и распределении по объему Вселенной. А еще... А еще... А еще...

Совершенно невозможно запомнить или даже просто записать куда-нибудь такое количество цифр. К счастью, это и не нужно. В том и заключается невыразимо гармоничная красота нашего мира, что бесконечное многообразие фактов вытекает из очень небольшого количества базовых принципов. Поняв эти принципы, можно не только понять, но и предсказать громадное множество физических фактов. Например, система уравнений электродинамики, предложенная 150 лет назад Джеймсом Максвеллом, включает в себя всего четыре уравнения, занимающих от силы 1/10 страницы учебника. Но из этих уравнений можно вывести всю кажущуюся на первый взгляд необъятной совокупность явлений, связанных с электромагнетизмом.

В принципе, современная физика как раз и ставит себе целью построить единую теорию, которая включала бы в себя всего несколько уравнений (в идеале — одно), описывающих все известные и правильно предсказывающих новые физические факты.

Откуда мы знаем?

Вопрос второй: а откуда мы знаем и почему мы уверены в том, что всё это действительно так? Что Земля имеет форму шара. Что в ядре гелия два протона и два нейтрона. Что сила притяжения между двумя телами прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояний. Что уравнения Максвелла правильно описывают электромагнитные явления. Мы знаем это из физических экспериментов. Когда-то, давным-давно, люди от простого созерцания природных явлений постепенно перешли к их изучению с помощью осознанно поставленных экспериментов, результаты которых выражаются числами. Примерно к XVI-XVII векам сложился тот принцип физического познания природы, который до сих пор состоит на вооружении у науки и который можно схематически проиллюстрировать вот так:

Явление → Гипотеза → Предсказание → Эксперимент → Теория.

Для объяснения какого-либо природного явления физики формулируют гипотезу, которая могла бы это явление объяснить. На основании гипотезы делают предсказание, которое, в общем случае, представляет собой некоторое число. Последнее проверяют экспериментально, производя измерения. Если число, полученное в результате эксперимента, согласуется с предсказанным, гипотеза получает ранг физической теории. В противном случае всё возвращается на вторую стадию: формулируется новая гипотеза, делается новое предсказание и ставится новый эксперимент.

Эксперимент — ключ к пониманию мироздания

Несмотря на кажущуюся простоту схемы, процесс, описанный пятью словами и четырьмя стрелками, на деле занимает порой тысячелетия. Хорошим примером служит модель мира, эволюцию которой мы уже прослеживали в одной из предыдущих статей. В начале нашей эры утвердилась геоцентрическая модель Птолемея, согласно которой в центре мира располагалась Земля, а вокруг нее вращались Солнце, Луна и планеты. Эта модель, которая была общепризнанна в течение полутора тысяч лет, сталкивалась, однако, со всё более серьезными сложностями. Наблюдаемое положение на небе Солнца, Луны и планет не соответствовало предсказаниям геоцентрической модели, и такое противоречие становилось всё более непреодолимым, поскольку точность наблюдений росла. Это заставило Николая Коперника предложить в середине XVI века гелиоцентрическую модель, согласно которой в центре находится не Земля, а Солнце. Гелиоцентрическая гипотеза получила блестящее подтверждение благодаря беспрецедентным по точности (для того времени) наблюдениям Тихо Браге, результаты которых совпали с предсказаниями гелиоцентрической модели. Последняя стала общепринятой, получив, таким образом, статус теории.

Этот пример, равно как и рассмотренная нами схема, показывает ключевую роль эксперимента в процессе научного познания окружающего мира. Только с помощью эксперимента можно проверить физическую модель. Чрезвычайно важен тот факт, что результаты эксперимента, так же как и предсказания физической модели, не качественные, а количественные. То есть представляют собой набор самых обыкновенных чисел. Поэтому сравнение вычисленных и измеренных результатов — вполне однозначная процедура. Только благодаря этому физический эксперимент смог стать ключом, открывающим путь к пониманию мироздания.

Десять самых красивых

Десятки и сотни тысяч физических экспериментов были поставлены за тысячелетнюю историю науки. Непросто отобрать несколько «самых-самых», чтобы рассказать о них. Каков должен быть критерий отбора?

Четыре года назад в газете «The New York Times » была опубликована статья Роберта Криза и Стони Бука. В ней рассказывалось о результатах опроса, проведенного среди физиков. Каждый опрошенный должен был назвать десять самых красивых за всю историю физических экспериментов. На наш взгляд, критерий красоты ничем не уступает другим критериям. Поэтому мы расскажем об экспериментах, вошедших в первую десятку по результатам опроса Криза и Бука.

1. Эксперимент Эратосфена Киренского

Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эратосфеном Киренским. Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет около 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров. Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами.

2. Эксперимент Галилео Галилея

В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это. Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту.

Итальянец Галилео Галилей усомнился в правильности выводов Аристотеля и нашел способ их проверить. Для этого он сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму, поэтому и для ядра, и для пули силы сопротивления воздуха были пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения. Галилей выяснил, что оба предмета достигают земли в один и тот же момент, то есть скорость их падения одинакова.

Результаты, полученные Галилеем, — следствие закона всемирного тяготения и закона, в соответствии с которым ускорение, испытываемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально массе.

3. Другой эксперимент Галилео Галилея

Галилей замерял расстояние, которое шары, катящиеся по наклонной доске, преодолевали за равные промежутки времени, измеренные автором опыта по водяным часам.

Ученый выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше. Эта квадратичная зависимость означала, что шары под действием силы тяжести движутся ускоренно, что противоречило принимаемому на веру в течение 2000 лет утверждению Аристотеля о том, что тела, на которые действует сила, движутся с постоянной скоростью, тогда как если сила не приложена к телу, то оно покоится. Результаты этого эксперимента Галилея, как и результаты его эксперимента с Пизанской башней, в дальнейшем послужили основой для формулирования законов классической механики.

4. Эксперимент Генри Кавендиша

После того как Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: сила притяжения F между двумя телами с массами М и m , удаленных друг от друга на расстояние r , равна F = γ(mM /r 2), оставалось определить значение гравитационной постоянной γ. Для этого нужно было измерить силу притяжения между двумя телами с известными массами. Сделать это не так просто, потому что сила притяжения очень мала. Мы ощущаем силу притяжения Земли. Но почувствовать притяжение даже очень большой оказавшейся поблизости горы невозможно, поскольку оно очень слабо.

Нужен был очень тонкий и чувствительный метод. Его придумал и применил в 1798 году соотечественник Ньютона Генри Кавендиш. Он использовал крутильные весы — коромысло с двумя шариками, подвешенное на очень тонком шнурке. Кавендиш измерял смещение коромысла (поворот) при приближении к шарикам весов других шаров большей массы. Для увеличения чувствительности смещение определялось по световым зайчикам, отраженным от зеркал, закрепленных на шарах коромысла. В результате этого эксперимента Кавендишу удалось довольно точно определить значение гравитационной константы и впервые вычислить массу Земли.

5. Эксперимент Жана Бернара Фуко

Французский физик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 году экспериментально доказал вращение Земли вокруг своей оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Плоскость качания маятника сохраняет неизменное положение по отношению к звездам. Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с ней, видит, что плоскость вращения медленно поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения Земли.

6. Эксперимент Исаака Ньютона

В 1672 году Исаак Ньютон проделал простой эксперимент, который описан во всех школьных учебниках. Затворив ставни, он проделал в них небольшое отверстие, сквозь которое проходил солнечный луч. На пути луча была поставлена призма, а за призмой — экран. На экране Ньютон наблюдал «радугу»: белый солнечный луч, пройдя через призму, превратился в несколько цветных лучей — от фиолетового до красного. Это явление называется дисперсией света.

Сэр Исаак был не первым, наблюдавшим это явление. Уже в начале нашей эры было известно, что большие монокристаллы природного происхождения обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой еще до Ньютона выполнили англичанин Хариот и чешский естествоиспытатель Марци.

Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались серьезному анализу, а делавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. И Хариот, и Марци оставались последователями Аристотеля, который утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к белому свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный — при наименьшем. Ньютон же проделал дополнительные опыты со скрещенными призмами, когда свет, пропущенный через одну призму, проходит затем через другую. На основании совокупности проделанных опытов он сделал вывод о том, что «никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вместе, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета». Он показал, что белый свет нужно рассматривать как составной. Основными же являются цвета от фиолетового до красного.

Этот эксперимент Ньютона служит замечательным примером того, как разные люди, наблюдая одно и то же явление, интерпретируют его по-разному и только те, кто подвергает сомнению свою интерпретацию и ставит дополнительные опыты, приходят к правильным выводам.

7. Эксперимент Томаса Юнга

До начала XIX века преобладали представления о корпускулярной природе света. Свет считали состоящим из отдельных частиц — корпускул. Хотя явления дифракции и интерференции света наблюдал еще Ньютон («кольца Ньютона»), общепринятая точка зрения оставалась корпускулярной.

Рассматривая волны на поверхности воды от двух брошенных камней, можно заметить, как, накладываясь друг на друга, волны могут интерферировать, то есть взаимогасить либо взаимоусиливать друг друга. Основываясь на этом, английский физик и врач Томас Юнг проделал в 1801 году опыты с лучом света, который проходил через два отверстия в непрозрачном экране, образуя, таким образом, два независимых источника света, аналогичных двум брошенным в воду камням. В результате он наблюдал интерференционную картину, состоящую из чередующихся темных и белых полос, которая не могла бы образоваться, если бы свет состоял из корпускул. Темные полосы соответствовали зонам, где световые волны от двух щелей гасят друг друга. Светлые полосы возникали там, где световые волны взаимоусиливались. Таким образом была доказана волновая природа света.

8. Эксперимент Клауса Йонссона

Немецкий физик Клаус Йонссон провел в 1961 году эксперимент, подобный эксперименту Томаса Юнга по интерференции света. Разница состояла в том, что вместо лучей света Йонссон использовал пучки электронов. Он получил интерференционную картину, аналогичную той, что Юнг наблюдал для световых волн. Это подтвердило правильность положений квантовой механики о смешанной корпускулярно-волновой природе элементарных частиц.

9. Эксперимент Роберта Милликена

Представление о том, что электрический заряд любого тела дискретен (то есть состоит из большего или меньшего набора элементарных зарядов, которые уже не подвержены дроблению), возникло еще в начале XIX века и поддерживалось такими известными физиками, как Майкл Фарадей и Герман Гельмгольц. В теорию был введен термин «электрон», обозначавший некую частицу — носитель элементарного электрического заряда. Этот термин, однако, был в то время чисто формальным, поскольку ни сама частица, ни связанный с ней элементарный электрический заряд не были обнаружены экспериментально. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген во время экспериментов с разрядной трубкой обнаружил, что ее анод под действием летящих из катода лучей способен излучать свои, Х-лучи, или лучи Рентгена. В том же году французский физик Жан Батист Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, электрон оставался гипотетической частицей, поскольку не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны.

Американский физик Роберт Милликен разработал метод, ставший классическим примером изящного физического эксперимента. Милликену удалось изолировать в пространстве несколько заряженных капелек воды между пластинами конденсатора. Освещая рентгеновскими лучами, можно было слегка ионизировать воздух между пластинами и изменять заряд капель. При включенном поле между пластинами капелька медленно двигалась вверх под действием электрического притяжения. При выключенном поле она опускалась под действием гравитации. Включая и выключая поле, можно было изучать каждую из взвешенных между пластинами капелек в течение 45 секунд, после чего они испарялись. К 1909 году удалось определить, что заряд любой капельки всегда был целым кратным фундаментальной величине е (заряд электрона). Это было убедительным доказательством того, что электроны представляли собой частицы с одинаковыми зарядом и массой. Заменив капельки воды капельками масла, Милликен получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до 4,5 часа и в 1913 году, исключив один за другим возможные источники погрешностей, опубликовал первое измеренное значение заряда электрона: е = (4,774 ± 0,009) × 10 -10 электростатических единиц.

10. Эксперимент Эрнста Резерфорда

К началу XX века стало понятно, что атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и какого-то положительного заряда, благодаря которому атом остается в целом нейтральным. Однако предположений о том, как выглядит эта «положительно-отрицательная» система, было слишком много, в то время как экспериментальных данных, которые позволили бы сделать выбор в пользу той или иной модели, явно недоставало. Большинство физиков приняли модель Джозефа Джона Томсона: атом как равномерно заряженный положительный шар диаметром примерно 10 -8 см с плавающими внутри отрицательными электронами.

В 1909 году Эрнст Резерфорд (ему помогали Ганс Гейгер и Эрнст Марсден) поставил эксперимент, чтобы понять действительную структуру атома. В этом эксперименте тяжелые положительно заряженные α-частицы, движущиеся со скоростью 20 км/с, проходили через тонкую золотую фольгу и рассеивались на атомах золота, отклоняясь от первоначального направления движения. Чтобы определить степень отклонения, Гейгер и Марсден должны были с помощью микроскопа наблюдать вспышки на пластине сцинтиллятора, возникавшие там, где в пластину попадала α-частица. За два года было сосчитано около миллиона вспышек и доказано, что примерно одна частица на 8000 в результате рассеяния изменяет направление движения более чем на 90° (то есть поворачивает назад). Такого никак не могло происходить в «рыхлом» атоме Томсона. Результаты однозначно свидетельствовали в пользу так называемой планетарной модели атома — массивное крохотное ядро размерами примерно 10 -13 см и электроны, вращающиеся вокруг этого ядра на расстоянии около 10 -8 см.

Современные физические эксперименты значительно сложнее экспериментов прошлого. В одних приборы размещают на площадях в десятки тысяч квадратных километров, в других заполняют объем порядка кубического километра. В третьих... Но давайте подождем следующего номера. Современные физические эксперименты — тема следующей (и последней) статьи цикла.

к.т.н. Академик МИА

ООО ИКЦ "Системы и технологии"

Главный научный сотрудник

Аннотация:

В статье на основе анализа оптических опытов Ньютона и новых опытов выявлена неточность выводов Ньютона относительно цветных составляющих светового потока и обосновано, что свет состоит из трех материальных носителей, индивидуальное и совместное воздействие которых на зрительный аппарат животного организма вызывает соответствующие ассоциации головного мозга, отображающие цветовое многообразия природы.

The article based on the analysis of optical experiments of Newton and new experiments revealed the inaccuracy of Newton"s insights regarding color components of light and proved that light consists of three physical media, individual and joint impact on the visual apparatus of the animal organism calls the appropriate Association of the brain that shows the color diversity of nature.

Ключевые слова:

Ньютон; призма; дисперсия; носители цветных составляющих.

Newton; prism; dispersion; carriers of non-ferrous components.

УДК 535.1, 535.6

Опыты Ньютона (1642-1727) по дисперсии света доложены им в 1672 г. Лондонскому Королевскому Обществу . И именно с этого момента результаты опытов подвергались критике известными учеными. Острота складывавшихся в то время отношений между Ньютоном и оппонентами была почти такой же, как и между Бруно и отправившими его на костер членами ученого сообщества Италии. Тем не менее, на сегодняшний день в виду как бы очевидности результатов этих опытов, часть которые легко проверяются при соблюдении условий проведения опытов по описанию Ньютона, выводы великого физика признаны современной наукой в качестве знаний, полученных опытным путем. Для понимания замеченных в экспериментах Ньютона неточностей приводим на рис.1 его схему опытов с двумя призмами.

Рис.1 ([Рисунок 118 из «Оптики» Ньютона (год издания 1721 год). «Пояснение. Пусть S представляет Солнце, F - отверстие в окне, ABC - первую призму, DH - вторую призму, Y - круглое изображение Солнца, образуемое непосредственно пучком света, когда призмы убраны, РТ - удлинённое изображение Солнца, образуемое тем же пучком при прохождении только через первую призму, когда вторая призма убрана, pt - изображение, получаемое при перекрестных преломлениях обеих призм вместе»]

Как известно, Ньютон полученную картину цветных полос назвал дисперсией. В полученной им дисперсии он выделил цвета КРАСНЫЙ, ОРАНЖЕВЫЙ, ЖЕЛТЫЙ, ЗЕЛЕНЫЙ, ГОЛУБОЙ, СИНИЙ, ФИОЛЕТОВЫЙ. Эти цвета он назвал монохроматическими цветами и полагал, что "Все цвета относятся безучастно к любым границам тени, и поэтому различие цветов одного от другого не происходит от различных границ тени, вследствие чего свет видоизменялся бы различным образом, как думали до сих пор философы".

Пропустив разложенный первой призмой световой поток через вторую призму Ньютон полагал, что для всех выделенных им цветовых составляющих соблюдается закономерность - эти цветные составляющие имеют разный коэффициент преломления.

При отмеченных Ньютоном обстоятельствах, которые как бы проявляются в повторяемых кем-либо указанных опытах, необходимо было бы согласиться с его выводами:

Световой поток состоит из семи монохроматических составляющих, включая красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый;

Каждая из перечисленных составляющих имеет свой коэффициент преломления.

При этом отметим, что Ньютон с особой категоричностью отмечал, что полученную им дисперсию он осуществлял на весьма узком отверстии (вероятно, не больше диаметра булавки).

Данные экспериментов Ньютона с призмой интерпретировались физиками вплоть до середины 19 века как доказательства корпускулярной гипотезы светового потока. В 20 веке ученые пересмотрели свое отношение к этим опытам в связи с экспериментами Френеля, Юнга и гипотезой Максвелла об электромагнитной природе светового потока. Но, как отмечал Эйнштейн, «…иистория поисков теории света никоим образом не окончена. Приговор XIX столетия не был последним и окончательным. Для современных физиков вся проблема выбора между корпускулами и волнами существует вновь, теперь уже в гораздо более глубокой и сложной форме. Примем поражение корпускулярной теории света до тех пор, пока мы не обнаружим, что характер победы волновой теории проблематичен» .

Результаты новых экспериментов с призмой создают непреодолимые препятствия для их объяснения с позиций волновой гипотезы светового потока, но вполне легко объясняются с позиций корпускулярной гипотезы.

В новых экспериментах вместо круглого отверстия была использована вертикальная щель по рис.2.

Рис. 2. Новая схема опытов

Ширину щели можно изменять с помощью подвижных непрозрачных створок «а» и «б» черного (темного) цвета. Створки размещаются вертикально на стекле окна. Наблюдая эту щель днем через одну часть (левую или правую, показано штриховой и сплошной стрелками) горизонтально расположенной призмы, мы пронаблюдаем любопытное явление .

Это явление заключается в том, что у образующих щель внутренних граней створок образуется по паре цветных полос. Одну пару составляют вертикальные полосы красного и желтого цвета. Другую пару составляют полосы бирюзового и фиолетового цвета. При этом с увеличением расстояния между призмой и щелью, ширина цветных полос увеличивается, а границы между желтой полосой и бирюзовой сближаются. Сближение границ желтой и бирюзовой полос можно осуществить поворотом призмы вокруг вертикальной оси. При достаточном удалении створок друг от друга между желтой и бирюзовой полосами явно наблюдается полоса белого светового потока (рис.3 слева).

При сдвигании створок «а» и «б» границы между полосами желтого и бирюзового цвета приближаются друг к другу, что ведет к уменьшению ширина полосы белого цвета вплоть до нуля при некоторой ширине щели. Дальнейшее сужение щели приводит к пересечению (наложению) желтой и бирюзовой полос. При этом площадь пересечения желтой и бирюзовой полос окрашивается в зеленый цвет (рис.3, виды II и IV).

Рис.3. Наблюдаемая картина по схеме опыта по рис.2

При изменении угла обзора (со сплошной стрелки на штриховую стрелку) пары цветных полос меняются местами. Но при этом по-прежнему в средней части пересечения желтой и бирюзовой полос имеет место быть полоса зеленого цвета.

Из приведенных на рис. 3 результатов экспериментов следует, что дисперсионная картины содержит полосу зеленого цвета, который не является монохроматическим. Его возникновение определяется пересечением полос желтого и бирюзового цвета. Т.е. зеленый цвет в световом потоке не является монохроматическим. Вводя понятие «носитель цветов» в световом потоке, результат эксперимента позволяет утверждать - возникновение в мозгу человека образа зеленого цвета является следствием одновременного воздействия на чувствительные элементы глаз носителей желтого и бирюзового цвета.

Но если в образование зеленого цвета участвуют два носителя, то он является бихроматическим. Это должно влиять на результаты опытов с двумя призмами П1 и П2 (рис. 4). И это было получено в точном соответствии с ожиданием.

Рис.4. Результаты опытов с двумя призмами

Необходимо отметить, что на рис. 4 при изменении обзора через второе крыло второй призмы окраска участков на концах красной, зеленой и фиолетовой полосок меняются местами.

Из этих опытов следует:

Цвет зеленой полосы не является монохроматическим. Зеленый цвет является следствием образования в головном мозге одновременного воздействия на чувствительные элементы глаз носителей желтого и бирюзового цветов;

Цвет красной полосы не является монохроматическим. Красный цвет является следствием одновременного воздействия на чувствительные элементы глаз носителей желтого и лилового цветов (на рис. 4 - нижняя полоса дисперсионной картины);

Цвет фиолетовой полосы не является монохроматическим. Фиолетовый цвет является следствием одновременного воздействия на чувствительные элементы глаз носителей лилового и бирюзового цветов (на рис. 4 - верхняя полоса дисперсионной картины);

Цвет желтой полосы, как и цвет бирюзовой полосы, является монохроматическим.

Полоски красного, зеленого и фиолетового цветов от первой призмы при пропускании через втору призму уменьшаются по длине на линейную величину соответствующих двух цветов, образующихся на концах этих полосок.

1. Гипотеза Нютона о цветных составляющих светового потока, по которой солнечный свет состоит из семи монохроматических цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый) не соответствует действительности.

2. Индивидуальных (моно) носителей красного, зеленого и фиолетового цветов в природе не существует. Эти цвета являются следствием воздействия на чувствительную систему глаз не менее двух носителей.

3.В природе существуют три носителя - носитель бирюзового, носитель желтого и носитель лилового цветов. Многообразие цветных оттенков определяется комбинацией соответствующих количеств носителей бирюзового, лилового и желтого цветов (Бог Любит Жизнь).

4. Ограничение числа носителей светового потока числом 3 позволяет утверждать, что белый цвет светового потока определяется одновременным воздействием на глаз равных долей носителей бирюзового, лилового и желтого цветов.

Библиографический список:

1. Ньютон И. Оптика, или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. Серия: Классики естествознания, кн. 17, М.-Л. ГИЗ, 1927 г., 374 с.
2. Альберт Эйнштейн. Собрание научных трудов. Т. IV. М.: Наука, 1967. – С 357 - 543.
3. Скворцов В. Молодой Ньютон и солнечный свет/Республика Башкортостан. № 230, 2.12.2009.

Рецензии:

22.06.2017, 15:44 Сухарев Илья Георгиевич
Рецензия : Рецензия на статью ОПЫТЫ НЬЮТОНА С ПРИЗМОЙ: СУЩНОСТЬ И СЛЕДСТВИЯ (автор Тарханов Олег Владимирович к.т.н. Академик МИА, ООО ИКЦ "Системы и технологии", Главный научный сотрудник). Главное следствие опытов Ньютона есть вывод, что белый свет Солнца содержит в себе спектр волн различных частот. Для опыта использовалось свойство зависимости угла преломления от частоты волны, проходящей через границу раздела двух сред с разной плотностью. Пропуская свет через призму, где имело место двойное лучепреломление, на экране можно было видеть цветовую гамму. Он, как признанный автор этого опыта, выделил 7 основных цветов. К слову сказать, будь он дальтоником, их было бы меньше. Но это совершенно неважно для смысла опыта, названного дисперсией, то есть разложением светового пучка волн на частотные составляющие. Подобный опыт может быть произведен, например, в диапазоне СВЧ с диэлектрической радиопрозрачной призмой и смысл его останется прежним без выделения каких-либо цветовых гамм. Опыты автора статьи можно условно разделить условно на 2 темы. Первую можно условно назвать наблюдением калйдоскопических эффектов, а вторую - свойством зрения воспринимать смешанные цвета как цвет, отличающийся от исходных. Первый опыт весьма положительно влияет как на детей, так и на взрослых, а вторым опытом профессионально пользуются художники и изготовители систем сведения лучей кинескопов. То есть, речь идет об эффектах известных. Публикацию не рекомендую.

5.07.2017, 17:24
Рецензия : Если большую часть ответов автора на рецензии и отзывы адаптировать к формату статьи в виде ли обсуждения и дискуссии, в другом виде, то рецензент выражает положительную реакцию на статью и рекомендует её к опубликованию. С уважением к автору!

Комментарии пользователей:

2.07.2017, 14:06 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич Отзыв : Уважаемый Олег Владимирович! Возможно, Вы просто хотели обосновать некую фундаментальность формулы RGB в IT и эту триаду спараллелить с нашими палочками и колбочками? А замахнулись-то вначале на дуализм. С т.н. "дуализмом" то всё просто. Вы любитель бильярда? Упругие, обтекающие, подкручивающие удары в шероховатом и гладком поле. Поставьте на место шаров из слоновой кости гидродинамический сферообразный (шарообразный) объект. Вот вам и дифракция, и дуализм, и всяческие квантовые с туннельными переходами барьеров. Пока нет времени разобраться в смысле фундаментальности Вашей статьи. Может, дискуссия здесь с сомнениями Ильи Георгиевича этому поспособствует! А пока в рецензируемый формат ничего написано не будет, дабы возможного ребёнка из ванны не выкинуть.

3.07.2017, 9:12 Тарханов Олег Владимирович Отзыв : ОТВЕТ НА КОММЕНТАРИЙ Мирмович-Тихомирова Эдуарда Григорьевича Уважаемый Эдуард Григорьевич! Спасибо за прочтение статьи и мысль «А пока в рецензируемый формат ничего написано не будет, дабы возможного ребёнка из ванны не выкинуть». Судя по вопросам, вероятно, Вас интересует движимые мною мои желания в отношении «RGB, IT, колбочек и палочек» перед проведением описанного в статье опыта? Ответ на вопрос: «Такого желания у меня не было». Относительно истории желания опубликовать статью в журнале 1. В 2009 г. я продемонстрировал опыт, проведенный мной несколько десятков лет до того, заместителю редактора «Советской Башкирии». Он оказался выпускником технического вуза и хорошо был знаком с опытами Ньютона. Усмотрев разные результаты в двух реальных опытах, В. Скворцов счел возможным опубликовать в газете продемонстрированный ему опыт. С тех пор прошло восемь лет. Вполне естественно, что я отдавал себе отчет о следствиях результатов опыта с изменяемым линейным размером отверстия. Новый опыт, в котором этот размер можно было изменять от любых больших размеров до много меньших, чем у иголочного отверстия Ньютона, свидетельствовал – молодой Ньютон ошибся в определении количества цветов. Но главное, что и не могло быть определено в опыте Ньютона, это характер зеленой составляющей спектра. Этому мешал малый размер отверстия, при котором нельзя было исследовать сведение желтой и изумрудной составляющей до приграничного соприкосновения и последующего постепенного их пересечения. Новый опыт, опровержения мне неизвестно, демонстрирует, что эта «зеленая» составляющая не является монохроматической. Расширяя эксперимент уже по найденному Ньютоном пути (использование второй призмы), удалось исключить монохроматизм красной и фиолетовой составляющей. В статье это также описано. Остальное изложено в статье не в виде утверждений, а в виде описания опытов и следствий эксперимента. Естественно, что я неоднократно демонстрировал самой разной аудитории опыт с призмой и регулируемой, так сказать, щелью. При этом, как ученики школы, так и студенты Вузов и преподаватели, подтверждали, что они (на вопрос – «какие цветные полосы видите?») не видят иных цветов, кроме легко наблюдаемых (по паре у краев разных створок и зеленого после перекрытия желтой и бирюзовой полос). Т.е. среднее зрение участников рассмотрения эксперимента, как и автора опыта, было вполне «здоровым» - без «дальтонических» отклонений. Мнение Ньютона о неприемлемости гипотез и мнение Эйнштейна о шаткости дуализма стало решающим для написания статьи. Да и возраст подпирает. Конечное, я знал и знаю силу «любви» убежденных в дуализме. Но, как говорится, «шила в мешке не утаишь» и «Платон мне друг, но истина дороже». 2. Относительно шаров. К сожалению, эффект Комптона не подтверждает дуализм фотона. 3. Учитывая изложенное, полагаю, что мною, как выпускником инженерно-физического факультета, двигало и движет простое желание – через сорок лет после проведения эксперимента представить этот эксперимент на суд читателя и физической общественности. При этом я учитывал, что живой Гук довел Ньютона до крайней степени осторожности – «Оптику» Ньютон опубликовал после смерти Гука, который тридцать лет «ел» Ньютона живьем. Но мы, как сообщество ученых, играем роль, так сказать, коллективного «ГУКА». К сожалению, это факт. Последователей Ньютона, Планка и Эйнштейна не хватает. Это же надо – Ньютону хлопали за эксперимент, который не вполне корректен, а тут – закапывают очевидное при весьма легковесных намеках. Конечное, «тяжесть» дуализма – весьма и весьма неподъемная. Описанный эксперимент – всего лишь веха.

3.07.2017, 14:04 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич Отзыв : Продолжая диспут вокруг Ваших опытов... 1. В IT цвета RGB, как Вам известно (и всем), считаются фундаментальными, не фрактально аддитивными, и их сложение или суперпозиция порождает все другие цвета. Но сами цвета - это результат взаимодействия как минимум трёх элементов природы: частоты f с её разной для разных f дисперсией df + взаимодействие с собственными частотами наших очей + нервные и мозговые преобразования в наши ощущения (где и редкое место дальтонизму, не изученным пока цветовым вариациям аутистического спектра и т.д.). Вы же утверждаете своими опытами, что первичным, фундаментальным и "универсальной константой" в нашей вселенной являются не эти три частоты, и не частота (микродиапазон) жёлтого цвета (величину приводить не буду), а зелёного. Это так? 2. Целиком согласен. И это отдельный разговор. Есть такие удары в бильярде, когда биток полностью обтекает шар-мишень и движется против любых законов Ньютона и дуализма. А уж о способных к деформации частицах типа мыльных пузыриков и говорить нечего. Непрерывность и волновая природа - это проекция наших интерпретаций на основе наших "недознаний" чего-то. К непрерывности и вечности относится только всеобщее вращение и эффекты квазитурбулентности, порождающие более мелкие структуры вращения вплоть до микро и т.н. элементарных частиц. 3. В спорах Р. Гука, Г. Лейбница и даже Дж. Беркли, я на их стороне, а не на стороне И. Ньютона. Если Вы про мои "весьма легковесные намёки", то я именно не закапываю ни свои глаза на материал, ни его самого в какую-нибудь яму, а проявляю к нему интерес перед рецензией.

4.07.2017, 15:34 Тарханов Олег Владимирович Отзыв : ОТВЕТ НА ОТЗЫВ от 3.07.2017 Мирмович-Тихомирова Эдуарда Григорьевича Уважаемый Эдуард Григорьевич! 1. Позвольте очередное разъяснение по статье начать с части Вашего третьего пункта. Ваше отношение к статье мне представляется вполне логичным и …правильным, учитывая «тяжесть дуализма». К «намекам» в виде утверждений без обоснований и не имеющим места быть я описал свое отношение в ответе на рецензию Сухарева Ильи Георгиевича. 2. Относительно «IT цвета RGB» и Вашего мнения относительно частот носителей. 2.1. Приходится согласиться с тем, что у носителей светового потока гипотетичным (не могу обосновать другого) и пока единственным признаком их отличий друг от друга является частота. Не могу выдвигать обоснованных на практике утверждений и о природе частоты световых составляющих. 2.2. Касательно взаимодействия выявленных в опыте носителей, отвечающих за цветные реакции головного мозга, то относительно Ваших размышлений о следствиях взаимодействия выявленных носителей с нашими органами оптических преобразований, то с этим, за неимением другого, приходится согласиться. 2.3. Касательно фундаментальности "универсальной константы" в опоре на некие параметры носителя желтого цвета или носителя зеленого цвета, то я полагаю, что если и есть такая «универсальная константа», то ее природа связана с тремя носителями, а не с одним из них. Причем, природу связи (в неформальном смысле, как, например, у Планка) предстоит еще определить. Прямо из проведенных опытов, на мой взгляд, эта природа не следует. Весьма важны сведения о веществах в чувствительных элементах глаз и сущности взаимодействия носителей с этими веществами. Но этих сведений у меня пока нет. В тоже время, индивидуальных носителей Green, Red и Blue, как следует из описанного в статье опыта, в природе нет. В этом и есть ошибочность теории и несовершенство практики ргбистов. 3. Полагаю, что у нас достаточно оснований считаться с мнениями трех, указанных Вами ученых. Возможно, Ньютону больше «повезло» в плане его сугубо изобретательских «откровений» (отверстие малого диаметра), применение второй призмы и молчания на протяжении тридцати лет. На отверстии большего диаметра (около трех диаметров отверстия по Ньютону и близком размещении призмы от отверстия) его ждало бы разочарование – непрерывного спектра он не получил бы. Но имел бы всего четыре цветных полосы, по две пары которых (красный – желтый и бирюзовый – фиолетовый) были бы разделены полосой белого света, а не зеленого. Тарханов О.В.

Сотни тысяч физических экспериментов было поставлено за тысячелетнюю историю науки. Непросто отобрать несколько «самых-самых»

Изменить размер текста: A A

Среди физиков США и Западной Европы был проведен опрос. Исследователи Роберт Криз и Стони Бук просили их назвать самые красивые за всю историю физические эксперименты. Об экспериментах, вошедших в первую десятку по результатам опроса Криза и Бука, рассказал научный сотрудник Лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий, кандидат физико-математических наук Игорь Сокальский. 1. Эксперимент Эратосфена Киренского Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эрастофеном Киренским. Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан ) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии , находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет около 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров. Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами, сообщает сайт . 2. Эксперимент Галилео Галилея В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это. Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту.

Итальянец Галилео Галилей усомнился в правильности выводов Аристотеля и нашел способ их проверить. Для этого он сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму, поэтому и для ядра, и для пули силы сопротивления воздуха были пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения. Галилей выяснил, что оба предмета достигают земли в один и тот же момент, то есть скорость их падения одинакова.

Результаты, полученные Галилеем , - следствие закона всемирного тяготения и закона, в соответствии с которым ускорение, испытываемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально массе. 3. Другой эксперимент Галилео Галилея Галилей замерял расстояние, которое шары, катящиеся по наклонной доске, преодолевали за равные промежутки времени, измеренный автором опыта по водяным часам. Ученый выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше. Эта квадратичная зависимость означала, что шары под действием силы тяжести движутся ускоренно, что противоречило принимаемому на веру в течение 2000 лет утверждению Аристотеля о том, что тела, на которые действует сила, движутся с постоянной скоростью, тогда как если сила не приложена к телу, то оно покоится. Результаты этого эксперимента Галилея, как и результаты его эксперимента с Пизанской башней, в дальнейшем послужили основой для формулирования законов классической механики. 4. Эксперимент Генри Кавендиша После того как Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: сила притяжения между двумя телами с массами Мит, удаленных друг от друга на расстояние r, равна F=γ(mM/r2), оставалось определить значение гравитационной постоянной γ- Для этого нужно было измерить силу притяжения между двумя телами с известными массами. Сделать это не так просто, потому что сила притяжения очень мала. Мы ощущаем силу притяжения Земли. Но почувствовать притяжение даже очень большой оказавшейся поблизости горы невозможно, поскольку оно очень слабо.

Нужен был очень тонкий и чувствительный метод. Его придумал и применил в 1798 году соотечественник Ньютона Генри Кавендиш. Он использовал крутильные весы - коромысло с двумя шариками, подвешенное на очень тонком шнурке. Кавендиш измерял смещение коромысла (поворот) при приближении к шарикам весов других шаров большей массы. Для увеличения чувствительности смещение определялось по световым зайчикам, отраженным от зеркал, закрепленных на шарах коромысла. В результате этого эксперимента Кавендишу удалось довольно точно определить значение гравитационной константы и впервые вычислить массу Земли.

5. Эксперимент Жана Бернара Фуко

Французский физик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 году экспериментально доказал вращение Земли вокруг своей оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Плоскость качания маятника сохраняет неизменное положение по отношению к звездам. Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с ней, видит, что плоскость вращения медленно поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения Земли. 6. Эксперимент Исаака Ньютона В 1672 году Исаак Ньютон проделал простой эксперимент, который описан во всех школьных учебниках. Затворив ставни, он проделал в них небольшое отверстие, сквозь которое проходил солнечный луч. На пути луча была поставлена призма, а за призмой - экран. На экране Ньютон наблюдал «радугу»: белый солнечный луч, пройдя через призму, превратился в несколько цветных лучей - от фиолетового до красного. Это явление называется дисперсией света.

Сэр Исаак был не первым, наблюдавшим это явление. Уже в начале нашей эры было известно, что большие монокристаллы природного происхождения обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой еще до Ньютона выполнили англичанин Хариот и чешский естествоиспытатель Марци.

Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались серьезному анализу, а делавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. И Хариот, и Марци оставались последователями Аристотеля, который утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к белому свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный - при наименьшем. Ньютон же проделал дополнительные опыты со скрещенными призмами, когда свет, пропущенный через одну призму, проходит затем через другую. На основании совокупности проделанных опытов он сделал вывод о том, что «никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вместе, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета». Он показал, что белый свет нужно рассматривать как составной. Основными же являются цвета от фиолетового до красного. Этот эксперимент Ньютона служит замечательным примером того, как разные люди, наблюдая одно и то же явление, интерпретируют его по-разному и только те, кто подвергает сомнению свою интерпретацию и ставит дополнительные опыты, приходят к правильным выводам. 7. Эксперимент Томаса Юнга До начала XIX века преобладали представления о корпускулярной природе света. Свет считали состоящим из отдельных частиц - корпускул. Хотя явления дифракции и интерференции света наблюдал еще Ньютон («кольца Ньютона»), общепринятая точка зрения оставалась корпускулярной. Рассматривая волны на поверхности воды от двух брошенных камней, можно заметить, как, накладываясь друг на друга, волны могут интерферировать, то есть взаимогасить либо взаимоусиливать друг друга. Основываясь на этом, английский физик и врач Томас Юнг проделал в 1801 году опыты с лучом света, который проходил через два отверстия в непрозрачном экране, образуя, таким образом, два независимых источника света, аналогичных двум брошенным в воду камням. В результате он наблюдал интерференционную картину, состоящую из чередующихся темных и белых полос, которая не могла бы образоваться, если бы свет состоял из корпускул. Темные полосы соответствовали зонам, где световые волны от двух щелей гасят друг друга. Светлые полосы возникали там, где световые волны взаимоусиливались. Таким образом была доказана волновая природа света.

8. Эксперимент Клауса Йонссона

Немецкий физик Клаус Йонссон провел в 1961 году эксперимент, подобный эксперименту Томаса Юнга по интерференции света. Разница состояла в том, что вместо лучей света Йонссон использовал пучки электронов. Он получил интерференционную картину, аналогичную той, что Юнг наблюдал для световых волн. Это подтвердило правильность положений квантовой механики о смешанной корпускулярно-волновой природе элементарных частиц. 9. Эксперимент Роберта Милликена Представление о том, что электрический заряд любого тела дискретен (то есть состоит из большего или меньшего набора элементарных зарядов, которые уже не подвержены дроблению), возникло еще в начале XIX века и поддерживалось такими известными физиками, как М.Фарадей и Г.Гельмгольц . В теорию был введен термин "электрон", обозначавший некую частицу - носитель элементарного электрического заряда. Этот термин, однако, был в то время чисто формальным, поскольку ни сама частица, ни связанный с ней элементарный электрический заряд не были обнаружены экспериментально. В 1895 году К.Рентген во время экспериментов с разрядной трубкой обнаружил, что ее анод под действием летящих из катода лучей способен излучать свои, Х-лучи, или лучи Рентгена. В том же году французский физик Ж.Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи - это поток отрицательно заряженных частиц. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, электрон оставался гипотетической частицей, поскольку не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны. Американский физик Роберт Милликен разработал метод, ставший классическим примером изящного физического эксперимента. Милликену удалось изолировать в пространстве несколько заряженных капелек воды между пластинами конденсатора. Освещая рентгеновскими лучами, можно было слегка ионизировать воздух между пластинами и изменять заряд капель. При включенном поле между пластинами капелька медленно двигалась вверх под действием электрического притяжения. При выключенном поле она опускалась под действием гравитации. Включая и выключая поле, можно было изучать каждую из взвешенных между пластинами капелек в течение 45 секунд, после чего они испарялись. К 1909 году удалось определить, что заряд любой капельки всегда был целым кратным фундаментальной величине е (заряд электрона). Это было убедительным доказательством того, что электроны представляли собой частицы с одинаковыми зарядом и массой. Заменив капельки воды капельками масла, Милликен получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до 4,5 часа и в 1913 году, исключив один за другим возможные источники погрешностей, опубликовал первое измеренное значение заряда электрона: е = (4,774 ± 0,009)х10-10 электростатических единиц. 10. Эксперимент Эрнста Резерфорда К началу XX века стало понятно, что атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и какого-то положительного заряда, благодаря которому атом остается в целом нейтральным. Однако предположений о том, как выглядит эта «положительно-отрицательная» система, было слишком много, в то время как экспериментальных данных, которые позволили бы сделать выбор в пользу той или иной модели, явно недоставало. Большинство физиков приняли модель Дж.Дж.Томсона : атом как равномерно заряженный положительный шар диаметром примерно 108 см с плавающими внутри отрицательными электронами. В 1909 году Эрнст Резерфорд (ему помогали Ганс Гейгер и Эрнст Марсден) поставил эксперимент, чтобы понять действительную структуру атома. В этом эксперименте тяжелые положительно заряженные а-частицы, движущиеся со скоростью 20 км/с, проходили через тонкую золотую фольгу и рассеивались на атомах золота, отклоняясь от первоначального направления движения. Чтобы определить степень отклонения, Гейгер и Марсден должны были с помощью микроскопа наблюдать вспышки на пластине сцинтиллятора, возникавшие там, где в пластину попадала а-частица. За два года было сосчитано около миллиона вспышек и доказано, что примерно одна частица на 8000 в результате рассеяния изменяет направление движения более чем на 90° (то есть поворачивает назад). Такого никак не могло происходить в "рыхлом" атоме Томсона. Результаты однозначно свидетельствовали в пользу так называемой планетарной модели атома - массивное крохотное ядро размерами примерно 10-13 см и электроны, вращающиеся вокруг этого ядра на расстоянии около 10-8 см. Современные физические эксперименты значительно сложнее экспериментов прошлого. В одних приборы размещают на площадях в десятки тысяч квадратных километров, в других заполняют объем порядка кубического километра. А третьи вообще скоро будут проводить на других планетах. Кстати, а вы знаете,