Експерименти зі світлом ньютона. Досліди з призмою. Спектральний склад світла

Хибність подібних висновків неважко було довести, поставивши відповідні досліди з тими ж призмами. Однак до Ньютона ніхто цього не зробив.

1.4. Досліди Ньютона з призмами. Ньютоновская теорія виникнення квітів

Великий англійський учений Ісаак Ньютон виконав цілий комплекс оптичних експериментів з призмами, докладно описавши їх у «Оптиці», « нової теорії світла і квітів », а також в« Лекціях з оптики ». Ньютон переконливо довів хибність уявлень про виникнення квітів зі змішання темряви і білого світла. На підставі проведених дослідів він зміг заявити: «Ніякого кольору не виникає з білизни і чорноти, змішаних разом, крім проміжних темних; кількість світла не змінює вигляду кольору ». Ньютон показав, що біле світло не є основним, його треба розглядати як складової (по Ньютону, «неоднорідний»; за сучасною термінологією, «немонохроматичним»); основними ж є різні кольори ( «однорідні» промені або, інакше, «монохроматические» промені). Виникнення квітів в дослідах з призмами є результат розкладання складного (білого) світла на основні складові (на різні кольори). Це розкладання відбувається з тієї причини, що кожному кольору відповідає свій ступінь заломлення. Такі основні висновки, зроблені Ньютоном; вони прекрасно узгоджуються з сучасними науковими уявленнями.

Виконані Ньютоном оптичні дослідження становлять великий інтерес не тільки з точки зору отриманих результатів, але також і з методичної точки зору. Розроблена Ньютоном методика досліджень з призмами (зокрема, метод схрещених призм) пережила століття і увійшла в арсенал сучасної фізики.

Приступаючи до оптичним дослідженням, Ньютон ставив перед собою завдання «не пояснювати властивості світла гіпотезами, але викласти і довести їх міркуваннями і дослідами». Перевіряючи те чи інше положення, вчений зазвичай придумував і ставив кілька різних дослідів. Він підкреслював, що необхідно використовувати різні способи «перевірити те ж саме, бо випробовує велику кількість не заважає».

Розглянемо деякі найбільш цікаві досліди Ньютона з призмами і ті висновки, до яких прийшов учений на підставі отриманих результатів. Велика група дослідів була присвячена перевірці відповідності між кольором променів і ступенем їх преломляемости (інакше кажучи, між кольором і величиною показника заломлення). Виділимо три таких досвіду.

Досвід 1. Проходження світла через схрещені призми. Перед отвором А, пропускає в затемнену кімнату вузький пучок сонячних променів, поміщають призму з горизонтально орієнтованим заломлюючим ребром (рис. 4.3, а).

На екрані виникає витягнута по вертикалі кольорова смужка КФ, крайня нижня частина якої пофарбована в червоний колір, а крайня верхня - в фіолетовий. Обведемо олівцем контури смужки на екрані. Потім помістимо між розглянутої призмою я екраном ще одну таку ж призму, але при цьому заломлюючої ребро другий призми має бути орієнтоване вертикально, т. Е. Перпендикулярно до заломлюючої ребро першої призми. Світловий пучок, що виходить з отвору А, проходить послідовно через дві схрещені призми. На екрані виникає смужка спектру К "Ф", зміщена щодо контуру КФ по осі Х. При цьому фіолетовий кінець смужки виявляється зміщеним в більшій мірі, ніж червоний, так що смужка спектру виглядає нахиленою до вертикалі. Ньютон приходить до висновку: якщо досвід з одиночної призмою дозволяє стверджувати, що променям з різним ступенем преломляемости відповідають різні кольори, то досвід зі схрещеними призмами доводить також і зворотне становище - промені різного кольору мають різний ступінь преломляемости. Дійсно, промінь, найбільш переломлюються в першій призмі, є фіолетовий промінь; проходячи потім через другу призму, цей фіолетовий промінь зазнає найбільше заломлення. Обговорюючи результати досвіду зі схрещеними призмами, Ньютон зазначав: «З цього досвіду слід також, що заломлення окремих променів протікають по тим же законам, чи знаходяться вони в суміші з променями інших родів, як в білому світі, або переломлюються порізно або попередньому зверненні світла в кольору".

На рис. 4.4 представлений ще один варіант досвіду зі схрещеними призмами: через призми проходять два однакових світлових пучка. Обидва пучка формують на екрані однакові смужки спектра, незважаючи на те, що в першій призмі промені одного і того ж кольору (але з різних пучків) проходять шляхи різної довжини.

Тим самим спростовувалося зазначене вище припущення, що колір залежить від довжини шляху променя всередині призми.

Досвід 3. Проходження світла через систему, що складається з двох призм і відображає дзеркала.

Пучок сонячних променів, виходячи з отвору А, проходить через призму 1 і потім потрапляє на дзеркало 2. взаємозалежності професій дзеркало таким чином, щоб послати на призму 3 тільки ту частину променів, які переломлюються в найбільшою мірою. Поламав в призмі 3, ці промені потрапляють на екран в районі точки В. Потім пересунемо дзеркало 2, помістивши його тепер так, щоб воно посилало на призму 3 ті промені, які переломлюються в найменшій мірі (Див. Штрихове зображення). Зазнавши переломлення в призмі 3, ці промені потраплять на екран в районі точки С. Ясно видно, що ті промені, які переломлюються в найбільшою мірою в першій призмі, будуть найбільш сильно переломлюватися і в другій призмі.

Всі ці досліди дозволили Ньютону зробити впевнене висновок: «Дослідами доводиться, що промені, по-різному ламаємо, мають різні кольори; доводиться і зворотний, що промені, різно забарвлені, є промені, різно ламаємо ».

Далі Ньютон ставить питання: «Чи можливо змінити колір променів якого-небудь роду окремо заломленням?» Виконавши серію ретельно продуманих дослідів, вчений приходить до негативної відповіді на поставлене запитання. Розглянемо один з таких дослідів.

Досвід 4. Проходження світла через призми та екрани зі щілинами

Пучок сонячних променів розкладається на кольори призмою 1. Через отвір В в екрані, поставленому за призмою, проходить частина променів деякого певного кольору. Ці промені потім проходять через отвір С у другому екрані, після чого потрапляють на призму 2. Повертаючи призму 1, можна за допомогою екранів з отворами виділяти із спектру промені того чи іншого кольору і досліджувати їх переломлення в призмі 2. Досвід показав, що заломлення в призмі 2 не призводить до зміни кольору променів.

к.т.н. Академік МІА

ТОВ ІКЦ "Системи і технології"

Головний науковий співробітник

анотація:

У статті на основі аналізу оптичних дослідів Ньютона і нових дослідів виявлена \u200b\u200bнеточність висновків Ньютона щодо кольорових складових світлового потоку і обгрунтовано, що світло складається з трьох матеріальних носіїв, індивідуальне і спільне вплив яких на зоровий апарат тваринного організму викликає відповідні асоціації головного мозку, що відображають колірне різноманіття природи.

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.

Ключові слова:

ньютон; призма; дисперсія; носії кольорових складових.

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

УДК 535.1, 535.6

Досліди Ньютона (1642-1727) по дисперсії світла повідомлені їм у 1672 р Лондонському Королівському Товариству. І саме з цього моменту результати дослідів раніше жорстко критикували відомими вченими. Гострота складалися в той час відносин між Ньютоном і опонентами була майже такою ж, як і між Бруно і відправити його на вогнище членами вченої спільноти Італії. Проте, на сьогоднішній день на увазі як би очевидності результатів цих дослідів, частина які легко перевіряються при дотриманні умов проведення дослідів по опису Ньютона, висновки великого фізика визнані сучасною наукою в якості знань, отриманих дослідним шляхом. Для розуміння помічених в експериментах Ньютона неточностей наводимо на рис.1 його схему дослідів з двома призмами.

Рис.1 ([Малюнок 118 з «Оптики» Ньютона (рік видання 1721 рік). «Пояснення. Нехай S являє Сонце, F - отвір у вікні, ABC - першу призму, DH - другу призму, Y - кругле зображення Сонця, утворене безпосередньо пучком світла, коли призми прибрані, РТ - подовжене зображення Сонця, утворене тим же пучком при проходженні тільки через першу призму, коли друга призма прибрана, pt - зображення, що отримується при перехресних заломлення обох призм разом »]

Як відомо, Ньютон отриману картину кольорових смуг назвав дисперсією. В отриманій їм дисперсії він виділив кольору ЧЕРВОНИЙ, ПОМАРАНЧЕВИЙ, ЖОВТИЙ, ЗЕЛЕНИЙ, ГОЛУБОЙ, СИНІЙ, ФІОЛЕТОВИЙ. Ці кольори він назвав монохроматичними квітами і вважав, що "Все кольору відносяться байдуже до будь-яких кордонів тіні, і тому відмінність квітів одного від іншого не походить від різних кордонів тіні, внаслідок чого світло видозмінювався б по-різному, як думали до цих пір філософи".

Пропустивши розкладений першої призмою світловий потік через другу призму Ньютон вважав, що для всіх виділених їм колірних складових дотримується закономірність - ці кольорові складові мають різний коефіцієнт заломлення.

При зазначених Ньютоном обставин, які як би виявляються в повторюваних ким-небудь зазначених дослідах, необхідно було б погодитися з його висновками:

Світловий потік складається з семи монохроматичних складових, включаючи червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий;

Кожна з перерахованих складових має свій коефіцієнт заломлення.

При цьому відзначимо, що Ньютон з особливою категоричністю відзначав, що отриману ним дисперсію він здійснював на вельми вузькому отворі (ймовірно, не більше діаметра шпильки).

Дані експериментів Ньютона з призмою інтерпретувалися фізиками аж до середини 19 століття як докази корпускулярної гіпотези світлового потоку. У 20 столітті вчені переглянули своє ставлення до цих дослідів в зв'язку з експериментами Френеля, Юнга і гіпотезою Максвелла про електромагнітну природу світлового потоку. Але, як зазначав Ейнштейн, «... іісторія пошуків теорії світла жодним чином не закінчена. Вирок XIX століття ні останнім і остаточним. Для сучасних фізиків вся проблема вибору між корпускулами і хвилями існує знову, тепер вже в набагато більш глибокої і складної формі. Приймемо поразку нової теорії світла до тих пір, поки ми не виявимо, що характер перемоги хвильової теорії проблематичний ».

Результати нових експериментів з призмою створюють непереборні перешкоди для їх пояснення з позицій хвильової гіпотези світлового потоку, але цілком легко пояснюються з позицій корпускулярної гіпотези.

У нових експериментах замість круглого отвору була використана вертикальна щілина по рис.2.

Мал. 2. Нова схема дослідів

Ширину щілини можна змінювати за допомогою рухливих непрозорих стулок «а» і «б» чорного (темного) кольору. Стулки розміщуються вертикально на склі вікна. Спостерігаючи цю щілину днем \u200b\u200bчерез одну частину (ліву чи праву, показано штриховий і суцільний стрілками) горизонтально розташованої призми, ми поспостерігаємо цікаве явище.

Це явище полягає в тому, що у утворюють щілину внутрішніх граней стулок утворюється по парі кольорових смуг. Одну пару складають вертикальні смуги червоного і жовтого кольору. Іншу пару складають смуги бірюзового та фіолетового кольору. При цьому зі збільшенням відстані між призмою і щілиною, ширина кольорових смуг збільшується, а кордони між жовтою смугою і бірюзовою зближуються. Зближення кордонів жовтої і блакитної смуг можна здійснити поворотом призми навколо вертикальної осі. При достатньому видаленні стулок один від одного між жовтою і бірюзовою смугами явно спостерігається смуга білого світлового потоку (рис.3 ліворуч).

При зрушуванні стулок «а» і «б» кордону між смугами жовтого і бірюзового кольору наближаються одна до одної, що веде до зменшення ширина смуги білого кольору аж до нуля при деякій ширині щілини. Подальше звуження щілини призводить до перетину (накладення) жовтої і блакитної смуг. При цьому площа перетину жовтої і блакитної смуг забарвлюється в зелений колір (рис.3, види II і IV).

Рис.3. Спостерігається картина по схемі досвіду по рис.2

При зміні кута огляду (із суцільною стрілки на штриховую стрілку) пари кольорових смуг міняються місцями. Але при цьому, як і раніше в середній частині перетину жовтої і блакитної смуг має місце бути смуга зеленого кольору.

З наведених на рис. 3 результатів експериментів випливає, що дисперсійна картини містить смугу зеленого кольору, який не є монохроматичним. Його виникнення визначається перетином смуг жовтого і блакитного кольору. Тобто зелений колір в світловому потоці не є монохроматичним. Вводячи поняття «носій квітів» в світловому потоці, результат експерименту дозволяє стверджувати - виникнення в мозку людини образу зеленого кольору є наслідком одночасного впливу на чутливі елементи очей носіїв жовтого і бірюзового кольору.

Але якщо в освіту зеленого кольору беруть участь два носія, то він є біхроматичним. Це повинно впливати на результати дослідів з двома призмами П1 і П2 (рис. 4). І це було отримано в точній відповідності з очікуванням.

Рис.4. Результати дослідів з двома призмами

Необхідно відзначити, що на рис. 4 при зміні огляду через друге крило другий призми забарвлення ділянок на кінцях червоною, зеленою і фіолетовою смужок міняються місцями.

З цих дослідів слід:

Колір зеленої смуги не є монохроматичним. Зелений колір є наслідком освіти в головному мозку одночасного впливу на чутливі елементи очей носіїв жовтого і блакитного кольорів;

Колір червоної смуги не є монохроматичним. Червоний колір є наслідком одночасного впливу на чутливі елементи очей носіїв жовтого і лілового кольорів (на рис. 4 - нижня смуга дисперсионной картини);

Колір фіолетовою смуги не є монохроматичним. Фіолетовий колір є наслідком одночасного впливу на чутливі елементи очей носіїв лілового і блакитного кольорів (на рис. 4 - верхня смуга дисперсионной картини);

Колір жовтої смуги, як і колір бірюзовою смуги, є монохроматичним.

Смужки червоного, зеленого і фіолетового кольорів від першої призми при пропущенні через втору призму зменшуються по довжині на лінійну величину відповідних двох кольорів, що утворюються на кінцях цих смужок.

1. Гіпотеза Нютона про кольорових складових світлового потоку, по якій сонячне світло складається з семи монохроматичних кольорів (червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий) не відповідає дійсності.

2. Індивідуальних (моно) носіїв червоного, зеленого і фіолетового кольорів в природі не існує. Ці кольори є наслідком впливу на чутливу систему очей не менше двох носіїв.

3.В природі існують три носія - носій бірюзового, носій жовтого і носій лілового кольорів. Різноманіття кольорових відтінків визначається комбінацією відповідних кількостей носіїв бірюзового, фіолетового і жовтого кольорів (Бог Любить Життя).

4. Обмеження числа носіїв світлового потоку числом 3 дозволяє стверджувати, що білий колір світлового потоку визначається одночасним впливом на око рівних часток носіїв бірюзового, фіолетового і жовтого кольорів.

Бібліографічний список:

1. Ньютон І. Оптика, або трактат про відображеннях, заломлення, згинання та кольорах світла. Серія: Класики природознавства, кн. 17, М.-Л. ГИЗ, 1927 р 374 с.
2. Альберт Ейнштейн. збори наукових праць. Т. IV. М .: Наука, 1967. - З 357 - 543.
3. Скворцов В. Молодий Ньютон і сонячне світло / Республіка Башкортостан. № 230, 2.12.2009.

рецензії:

22.06.2017, 15:44 Сухарєв Ілля Георгійович
рецензіяРецензія на статтю ДОСВІДИ Ньютона з призмою: СУТНІСТЬ І СЛІДСТВА (автор Тарханов Олег Володимирович к.т.н. Академік МІА, ТОВ ІКЦ "Системи і технології", Головний науковий співробітник). Головний наслідок дослідів Ньютона є висновок, що біле світло Сонця містить в собі спектр хвиль різних частот. Для досвіду використовувалася властивість залежності кута заломлення від частоти хвилі, що проходить через кордон розділу двох середовищ з різною щільністю. Пропускаючи світло через призму, де можна говорити про подвійне променезаломлення, на екрані можна було бачити кольорову гаму. Він, як визнаний автор цього досвіду, виділив 7 основних кольорів. До слова сказати, будь він дальтоником, їх було б менше. Але це зовсім неважливо для сенсу досвіду, названого дисперсією, тобто розкладанням світлового пучка хвиль на частотні складові. Подібний досвід може бути проведений, наприклад, в діапазоні СВЧ з діелектричної радиопрозрачной призмою і сенс його залишиться колишнім без виділення будь-яких кольорових гам. Досліди автора статті можна умовно розділити умовно на 2 теми. Першу можна умовно назвати наглядом калйдоскопіческіх ефектів, а другу - властивістю зору сприймати змішані кольору як колір, що відрізняється від вихідних. Перший досвід вельми позитивно впливає як на дітей, так і на дорослих, а другим досвідом професійно користуються художники і виробники систем відомості променів кінескопів. Тобто, мова йде про ефекти відомих. Публікацію не рекомендую.

5.07.2017, 17:24
рецензія: Якщо більшу частину відповідей автора на рецензії та відгуки адаптувати до формату статті у вигляді чи обговорення і дискусії, в іншому вигляді, то рецензент висловлює позитивну реакцію на статтю і рекомендує її до опублікування. З повагою до автора!

Коментарі користувачів:

2.07.2017, 14:06 Мірмовіч-Тихомиров Едуард Григорович відгук: Шановний Олег Володимирович! Можливо, Ви просто хотіли довести якусь фундаментальність формули RGB в IT і цю тріаду спараллеліть з нашими паличками і колбочками? А замахнулися-то спочатку на дуалізм. З т.зв. "Дуалізмом" то все просто. Ви любитель більярду? Пружні, оточуючі, підкручують удари в шорсткою і гладкому полі. Поставте на місце куль з слонової кістки гідродинамічний сферообразних (кулястий) об'єкт. Ось вам і дифракція, і дуалізм, і всілякі квантові з тунельними переходами бар'єрів. Поки немає часу розібратися в сенсі фундаментальності Вашої статті. Може, дискусія тут з сумнівами Іллі Георгійовича цьому посприяє! А поки в рецензованої формат нічого написано не буде, щоб можливого дитини з ванни не викинути.

3.07.2017, 9:12 Тарханов Олег Володимирович відгук: ВІДПОВІДЬ НА КОМЕНТАР Мірмовіч-Тихомирова Едуарда Григоровича Шановний Едуард Григорович! Спасибі за прочитання статті і думка «А поки в рецензованої формат нічого написано не буде, щоб можливого дитини з ванни не викинути». Судячи з питань, ймовірно, Вас цікавить рухомі мною мої бажання щодо «RGB, IT, колб і паличок» перед проведенням описаного в статті досвіду? Відповідь на питання: «Такого бажання у мене не було». Щодо історії бажання опублікувати статтю в журналі 1. У 2009 р я продемонстрував досвід, проведений мною кілька десятків років до того, заступнику редактора «Радянської Башкирії». Він виявився випускником технічного вузу і добре був знайомий з дослідами Ньютона. Угледівши різні результати в двох реальних дослідах , В. Скворцов вважав за можливе опублікувати в газеті продемонстрований йому досвід. З тих пір пройшло вісім років. Цілком природно, що я усвідомлював наслідки результатів досвіду із змінним лінійним розміром отвору. Новий досвід, в якому цей розмір можна було змінювати від будь-яких великих розмірів до багато менших, ніж у голкового отвори Ньютона, свідчив - молодий Ньютон помилився у визначенні кількості квітів. Але головне, що і не могло бути визначено в досвіді Ньютона, це характер зеленої складової спектра. Цьому заважав малий розмір отвору, при якому не можна було дослідити зведення жовтої і смарагдовою складової до прикордонного зіткнення і подальшого поступового їх перетину. Новий досвід, спростування мені невідомо, демонструє, що ця «зелена» складова не є монохроматичної. Розширюючи експеримент уже по знайденому Ньютоном шляху (використання другої призми), вдалося виключити монохроматізм червоною і фіолетовою складової. У статті це також описано. Решта викладено в статті не у вигляді тверджень, а у вигляді опису дослідів і наслідків експерименту. Природно, що я неодноразово демонстрував найрізноманітнішої аудиторії досвід з призмою і регульованою, так би мовити, щілиною. При цьому, як учні школи, так і студенти ВУЗів і викладачі, підтверджували, що вони (на питання - «які кольорові смуги бачите?») Не бачать інших квітів, крім легко спостережуваних (по парі у країв різних стулок і зеленого після перекриття жовтої і бірюзовою смуг). Тобто середнє зір учасників розгляду експерименту, як і автора досвіду, було цілком «здоровим» - без «дальтоніческіх» відхилень. Думка Ньютона про неприйнятність гіпотез і думка Ейнштейна про хиткість дуалізму стало вирішальним для написання статті. Та й вік підпирає. Кінцеве, я знав і знаю силу «любові» переконаних в дуалізм. Але, як то кажуть, «шила в мішку не сховаєш» і «Платон мені друг, але істина дорожче». 2. Щодо куль. На жаль, ефект Комптона не підтверджує дуалізм фотона. 3. З огляду на викладене, вважаю, що мною, як випускником інженерно-фізичного факультету, рухало і рухає просте бажання - через сорок років після проведення експерименту представити цей експеримент на суд читача і фізичної громадськості. При цьому я враховував, що живий Гук довів Ньютона до крайнього ступеня обережності - «Оптику» Ньютон опублікував після смерті Гука, який тридцять років «їв» Ньютона живцем. Але ми, як спільнота вчених, граємо роль, так би мовити, колективного «ГУКА». На жаль, це факт. Послідовників Ньютона, Планка і Ейнштейна не вистачає. Це ж треба - Ньютону плескали за експеримент, який не цілком коректний, а тут - закопують очевидне при досить легковажних натяках. Кінцеве, «тяжкість» дуалізму - вельми і вельми непідйомна. Описаний експеримент - всього лише віха.

3.07.2017, 14:04 Мірмовіч-Тихомиров Едуард Григорович відгук: Продовжуючи диспут навколо Ваших дослідів ... 1. В IT кольору RGB, як Вам відомо (і всім), вважаються фундаментальними, чи не фрактально аддитивними, і їх складання або суперпозиція породжує всі інші кольори. Але самі кольори - це результат взаємодії як мінімум трьох елементів природи: частоти f з її різною для різних f дисперсією df + взаємодію з власними частотами наших очей + нервові і мозкові перетворення в наші відчуття (де і рідкісне місце дальтонізму, що не вивченим поки колірним варіаціям аутистичного спектру і т.д.). Ви ж стверджуєте своїми дослідами, що первинним, фундаментальним і "універсальної константою" в нашій всесвіту не є ці три частоти, і не частота (мікродіапазон) жовтого кольору (величину наводити не буду), а зеленого. Це так? 2. Цілком згоден. І це окрема розмова. Є такі удари в більярді, коли биток повністю обтікає куля-мішень і рухається проти будь-яких законів Ньютона і дуалізму. А вже про здатних до деформації частинках типу мильних пухирців і говорити нема чого. Безперервність і хвильова природа - це проекція наших інтерпретацій на основі наших "недознаній" чогось. До безперервності і вічності відноситься тільки загальне обертання і ефекти квазітурбулентності, які породжують більш дрібні структури обертання аж до мікро і т.зв. елементарних частинок. 3. У суперечках Р. Гука, Г. Лейбніца і навіть Дж. Берклі, я на їхньому боці, а не на боці І. Ньютона. Якщо Ви про мої "вельми легковажні натяки", то я саме не закопувати ні свої очі на матеріал, ні його самого в якусь яму, а проявляю до нього інтерес перед рецензією.

4.07.2017, 15:34 Тарханов Олег Володимирович відгук: ВІДПОВІДЬ НА ВІДГУК від 3.07.2017 Мірмовіч-Тихомирова Едуарда Григоровича Шановний Едуард Григорович! 1. Дозвольте чергове роз'яснення за статтею почати з частини Вашого третього пункту. Ваше ставлення до статті мені видається цілком логічним і ... правильним, враховуючи «тяжкість дуалізму». До «натяків» у вигляді тверджень без обгрунтувань і не мають місця бути я описав своє ставлення у відповіді на рецензію Сухарева Іллі Георгійовича. 2. Щодо «IT кольору RGB» і Вашої думки щодо частот носіїв. 2.1. Доводиться погодитися з тим, що у носіїв світлового потоку гіпотетичним (не можу обгрунтувати іншого) і поки єдиною ознакою їх відмінностей один від одного є частота. Не можу висувати обґрунтованих на практиці тверджень і про природу частоти світлових складових. 2.2. Відносно взаємодії виявлених в досвіді носіїв, що відповідають за кольорові реакції головного мозку, то щодо Ваших роздумів про наслідки взаємодії виявлених носіїв з нашими органами оптичних перетворень, то з цим, через брак іншого, доводиться погодитися. 2.3. Відносно фундаментальності "універсальної константи" в опорі на якісь параметри носія жовтого кольору або носія зеленого кольору, то я вважаю, що якщо і є така «універсальна константа», то її природа пов'язана з трьома носіями, а не з одним з них. Причому, природу зв'язку (в неформальному сенсі, як, наприклад, у Планка) має бути ще визначити. Прямо з проведених дослідів, на мій погляд, ця природа не слід. Дуже важливі відомості про речовини в чутливих елементах очей і сутності взаємодії носіїв з цими речовинами. Але цих відомостей у мене поки немає. У той же час, індивідуальних носіїв Green, Red і Blue, як випливає з описаного в статті досвіду, в природі немає. В цьому і є помилковість теорії і недосконалість практики ргбістов. 3. Вважаю, що у нас достатньо підстав зважати на думки трьох, зазначених Вами вчених. Можливо, Ньютону більше «пощастило» в плані його суто винахідницьких «одкровень» (отвір малого діаметру), застосування другої призми і мовчання протягом тридцяти років. На отворі більшого діаметра (близько трьох діаметрів отвору по Ньютону і близькому розміщенні призми від отвору) його чекало б розчарування - безперервного спектра він не отримав би. Але мав би всього чотири кольорових смуги, по дві пари яких (червоний - жовтий і бірюзовий - фіолетовий) були б розділені смугою білого світла, а не зеленого. Тарханов О.В.

Сотні тисяч фізичних експериментів було поставлено за тисячолітню історію науки. Непросто відібрати декілька «най-най»

Змінити розмір тексту: A A

Серед фізиків США і Західної Європи було проведено опитування. Дослідники Роберт Криз і Стоні Бук просили їх назвати найкрасивіші за всю історію фізичні експерименти. Про експерименти, які увійшли в першу десятку за результатами опитування Криза і Бука, розповів науковий співробітник Лабораторії нейтринної астрофізики високих енергій, Кандидат фізико-математичних наук Ігор Сокальський. 1. Експеримент Ератосфена Киренського Один з найдавніших відомих фізичних експериментів, в результаті якого було виміряно радіус Землі, був проведений в III столітті до нашої ери бібліотекарем знаменитої Александрійської бібліотеки Ерастофеном Кіренським. Схема експерименту проста. Опівдні, в день літнього сонцестояння, в місті Сієні (нині Асуан) Сонце перебувало в зеніті і предмети не відкидали тіні. У той же день і в той же час в місті Александрії, розташованому в 800 кілометрах від Сієна, Сонце відхилялося від зеніту приблизно на 7 °. Це становить близько 1/50 повного кола (360 °), звідки виходить, що окружність Землі становить 40 000 км, а радіус 6300 км. Майже неймовірним видається те, що виміряний настільки простим методом радіус Землі виявився всього на 5% менше значення, Отриманого найточнішими сучасними методами, повідомляє сайт. 2. Експеримент Галілео Галілея У XVII столітті панувала точка зору Аристотеля, який учив, що швидкість падіння тіла залежить від його маси. Чим важче тіло, тим швидше воно падає. Спостереження, які кожен з нас може зробити в повсякденному житті, Здавалося б, підтверджують це. Спробуйте одночасно випустити з рук легку зубочистку і важкий камінь. Камінь швидше торкнеться землі. Подібні спостереження привели Арістотеля до висновку про фундаментальну властивість сили, з якою Земля притягує інші тіла. Насправді на швидкість падіння впливає не тільки сила тяжіння, а й сила опору повітря. Співвідношення цих сил для легких предметів і для важких різне, що і призводить до спостережуваного ефекту.

Італієць Галілео Галілей засумнівався в правильності висновків Арістотеля і знайшов спосіб їх перевірити. Для цього він скидав з Пізанської вежі в один і той же момент гарматне ядро \u200b\u200bі значно легшу мушкетну кулю. Обидва тіла мали приблизно однакову обтічну форму, тому і для ядра, і для кулі сили опору повітря були пренебрежимо малі в порівнянні з силами тяжіння. Галілей з'ясував, що обидва предмети досягають землі в один і той же момент, тобто швидкість їх падіння однакова.

Результати, отримані Галілеєм, - наслідок закону всесвітнього тяжіння і закону, відповідно до якого прискорення тіла прямо пропорційне силі, що діє на нього, і обернено пропорційно масі. 3. Інший експеримент Галілео Галілея Галілей заміряв відстань, яку кулі, що котяться по похилій дошці, долали за рівні проміжки часу, який вимірюється автором досвіду по водяним годинах. Учений з'ясував, що якщо час збільшити в два рази, то кулі проїдуться в чотири рази далі. Ця квадратична залежність означала, що кулі під дією сили тяжіння рухаються з прискоренням, що суперечило приймається на віру протягом 2000 років твердженням Аристотеля про те, що тіла, на які діє сила, рухаються з постійною швидкістю, Тоді як якщо сила не прикладена до тіла, перебувають у стані спокою. Результати цього експерименту Галілея, як і результати його експерименту з Пізанської вежею, надалі послужили основою для формулювання законів класичної механіки. 4. Експеримент Генрі Кавендіша Після того як Ісаак Ньютон сформулював закон всесвітнього тяжіння: сила тяжіння між двома тілами з масами Міт, віддалених один від одного на відстань r, дорівнює F \u003d γ (mM / r2), залишалося визначити значення гравітаційної постійної γ- Для цього потрібно було виміряти силу тяжіння між двома тілами з відомою масою. Зробити це не так просто, тому що сила тяжіння дуже мала. Ми відчуваємо силу тяжіння Землі. Але відчути тяжіння навіть дуже великий опинилася поблизу гори неможливо, оскільки воно дуже слабо.

Це мала бути дуже тонкий і чутливий метод. Його придумав і застосував в 1798 році співвітчизник Ньютона Генрі Кавендіш. Він використовував крутильні ваги - коромисло з двома кульками, підвішене на дуже тонкому шнурку. Кавендіш вимірював зміщення коромисла (поворот) при наближенні до кульок ваги інших кульок більшої маси. Для збільшення чутливості зміщення визначалося за світловими зайчиками, відбитими від дзеркал, закріплених на кулях коромисла. В результаті цього експерименту Кавендишу вдалося досить точно визначити значення гравітаційної константи і вперше обчислити масу Землі.

5. Експеримент Жана Бернара Фуко

Французький фізик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 році експериментально довів обертання Землі навколо своєї осі за допомогою 67-метрового маятника, підвішеного до вершини купола паризького Пантеону. Площина коливання маятника зберігає незмінне положення по відношенню до зірок. Спостерігач же, що знаходиться на Землі і обертається разом з нею, бачить, що площина обертання повільно повертається в бік, протилежний напрямку обертання Землі. 6. Експеримент Ісаака Ньютона У 1672 році Ісаак Ньютон проробив простий експеримент, описаний у всіх шкільних підручниках. Зачинивши віконниці, він зробив у них невеликий отвір, крізь який проходив сонячний промінь. На шляху променя була поставлена \u200b\u200bпризма, а за призмою - екран. На екрані Ньютон спостерігав «веселку»: білий сонячний промінь, пройшовши через призму, перетворився на кілька кольорових променів - від фіолетового до червоного. Це явище називається дисперсією світла.

Сер Ісаак був не першим, хто спостерігав це явище. Вже на початку нашої ери було відомо, що великі монокристали природного походження мають здатність розкладати світло на кольори. Перші дослідження дисперсії світла в дослідах зі скляною трикутною призмою ще до Ньютона виконали англієць Харіот і чеський природодослідник Марці.

Однак до Ньютона такі спостереження не піддавалися серйозному аналізу, а робилися на їх основі висновків не перевірялися додатковими експериментами. І Харіот, і Марці залишалися послідовниками Арістотеля, який стверджував, що відмінність в кольорі визначається різницею в кількості темноти, «домішується» до білого світу. Фіолетовий колір, за Арістотелем, виникає при найбільшому додаванні темноти до світла, а червоний - при найменшому. Ньютон же виконав додаткові досліди зі схрещеними призмами, коли світло, пропущене через одну призму, проходить потім через іншу. На підставі проведених дослідів він зробив висновок про те, що «ніякого світла не виникає з білизни і чорноти, змішаних разом, крім проміжних темних; кількість світла не змінює вигляду кольору ». Він показав, що біле світло треба розглядати як складову. Основними ж є кольори від фіолетового до червоного. Цей експеримент Ньютона слугує чудовим прикладом того, як різні люди, Спостерігаючи одне і те ж явище, інтерпретують його по-різному, але тільки ті, хто ставить під сумнів свою інтерпретацію і ставить додаткові досліди, приходять до правильних висновків. 7. Експеримент Томаса Юнга До початку XIX століття переважали уявлення про корпускулярну природу світла. Вважали, що світло складається з окремих частинок - корпускул. Хоча явища дифракції та інтерференції світла спостерігав ще Ньютон ( «кільця Ньютона»), загальноприйнятим поглядом залишався корпускулярної. Розглядаючи хвилі на поверхні води від двох кинутих каменів, можна помітити, як, накладаючись один на одного, хвилі можуть интерферировать, тобто взаємогасити або взаємопідсилювати одна одну. Грунтуючись на цьому, англійський фізик і лікар Томас Юнг проробив у 1801 р досліди з променем світла, який проходив через два отвори в непрозорому екрані, утворюючи, таким чином, два незалежних джерела світла, аналогічних двом кинутим у воду каміння. В результаті він спостерігав інтерференційну картину, що складається з чергуються темних і білих смуг, яка не могла б утворитися, якби світло складалося з корпускул. Темні смуги відповідали зонам, де світлові хвилі від двох щілин гасять один одного. Світлі смуги виникали там, де світлові хвилі взаємопідсилювалися. Таким чином було доведено хвильову природу світла.

8. Експеримент Клауса Йонссона

Німецький фізик Клаус Йонссон провів в 1961 році експеримент, подібний до експерименту Томаса Юнга з інтерференції світла. Різниця полягала в тому, що замість променів світла Йонссон використав пучки електронів. Він отримав інтерференційну картину, аналогічну тій, що Юнг спостерігав для світлових хвиль. Це підтвердило правильність положень квантової механіки про змішану корпускулярно-хвильову природу елементарних частинок. 9. Експеримент Роберта Міллікена Уявлення про те, що електричний заряд будь-якого тіла дискретний (тобто складається з більшого чи меншого набору елементарних зарядів, які вже не підлягають дробленню), виникло ще в початку XIX століття і підтримувалося такими відомими фізиками, як М. Фарадей і Г. Гельмгольц. У теорію було введено термін "електрон", що позначав якусь частинку - носій елементарного електричного заряду. Цей термін, проте, був у той час чисто формальним, оскільки ні сама частинка, ні пов'язаний з нею елементарний електричний заряд не були виявлені експериментально. У 1895 році К. Рентген під час експериментів з розрядною трубкою виявив, що її анод під дією летять з катода променів здатний випромінювати свої, Х-промені, або промені Рентгена. У тому ж році французький фізик Ж. Перрен експериментально довів, що катодні промені - це потік негативно заряджених частинок. Але, незважаючи на колосальний експериментальний матеріал, електрон залишався гіпотетичною частинкою, оскільки не було жодного досвіду, в якому були б задіяні окремі електрони. Американський фізик Роберт Міллікен розробив метод, що став класичним прикладом вишуканого експерименту. Міллікену вдалося ізолювати в просторі кілька заряджених крапельок води між пластинами конденсатора. Висвітлюючи рентгенівськими променями, можна було злегка іонізувати повітря між пластинами та змінювати заряд крапель. При включеному полі між пластинами крапля повільно рухалася вгору під дією електричного тяжіння. При вимкненому полі вона опускалася під дією гравітації. Включаючи і вимикаючи поле, можна було вивчати кожну з підвішених між пластинами крапель протягом 45 секунд, після чого вони випаровувалися. До 1909 року вдалося визначити, що заряд будь крапельки завжди був цілим кратним фундаментальній величині е (заряд електрона). Це було переконливим доказом того, що електрони являють собою частинки з однаковими зарядом і масою. Замінивши краплі вони краплями масла, Міллікен отримав можливість збільшити тривалість спостережень до 4,5 години і в 1913 році, виключивши один за іншим можливі джерела похибок, опублікував перше виміряне значення заряду електрона: е \u003d (4,774 ± 0,009) х10-10 електростатичних одиниць. 10. Експеримент Ернста Резерфорда До початку XX століття стало зрозуміло, що атоми складаються з негативно заряджених електронів і якогось позитивного заряду, завдяки якому атом залишається в цілому нейтральним. Однак припущень про те, як виглядає ця «позитивно-негативна» система, було занадто багато, в той час як експериментальних даних, які дозволили б зробити вибір на користь тієї або іншої моделі, явно бракувало. Більшість фізиків прийняли модель Дж.Дж.Томсона: атом як рівномірно заряджена позитивна куля діаметром приблизно 108 см з плаваючими всередині негативними електронами. У 1909 році Ернст Резерфорд (йому допомагали Ганс Гейгер і Ернст Марсден) поставив експеримент, щоб зрозуміти дійсну структуру атома. В цьому експерименті важкі позитивно заряджені а-частинки, які рухаються зі швидкістю 20 км / с, проходили через тонку золоту фольгу і розсіювалися на атомах золота, відхиляючись від первинного напряму руху. Щоб визначити ступінь відхилення, Гейгер і Марсден повинні були за допомогою мікроскопа спостерігати спалахи на пластині сцинтилятора, що виникали там, де в пластину потрапляла а-частинка. За два роки було підраховано близько мільйона спалахів і доведено, що приблизно одна частинка на 8000 в результаті розсіювання змінює напрям руху більш ніж на 90 ° (тобто повертає назад). Такого ніяк не могло відбуватися в "рихлому" атомі Томсона. Результати однозначно свідчили на користь так званої планетарної моделі атома - масивне крихітне ядро \u200b\u200bрозмірами приблизно 10-13 см і електрони, що обертаються навколо цього ядра на відстані близько 10-8 см. Сучасні фізичні експерименти значно складніше експериментів минулого. В одних прилади розміщують на площах в десятки тисяч квадратних кілометрів, в інших заповнюють об'єм порядку кубічного кілометра. А треті взагалі скоро будуть проводити на інших планетах. До речі, а ви знаєте,

Пропускаючи сонячне світло через скляну призму, Ньютон знайшов, що сонячне світло має складний склад. Він складається з випромінювань різної преломляемости і різного кольору. Ступінь преломляемости і колір випромінювання пов'язані взаємно однозначно. Ньютон писав: "Найменш ламаємо промені здатні породжувати тільки червоний колір і, навпаки, все промені, що здаються червоними, мають найменшої преломляемость". Схема одного з дослідів відображена на старовинній гравюрі.

Виділяючи випромінювання одного будь-якого кольору з спектра і вдруге пропускаючи їх через призму, Ньютон знайшов, що вони більше не розщеплюються в спектр, так як є простими, або однорідними за складом.

Ньютон піддавав однорідні випромінювання всіляких перетворень: переломленню, фокусування, відображенню від різному пофарбованих поверхонь. Він показав, що дане однорідне випромінювання не може змінити свого початкового кольору, яким би перетворенням воно не піддавалося. Все розмаїття кольорів складається з квітів однорідних випромінювань сонячного спектра і квітів їх сумішей. Крім них не існує будь-яких нових кольорів, одержуваних від будь-яких перетворень світла, тому що будь-які перетворення суть тільки різні перетворення тих же самих випромінювань. "... Якби сонячне світло складався з одного тільки сорти променів, то у всьому світі був би тільки один колір ..." - стверджував Ньютон.

У Ньютона ми вперше знаходимо розподіл науки про колір на дві частини: об'єктивну - фізичну і суб'єктивну, Пов'язану з чуттєвим сприйняттям. Ньютон пише: "... промені, якщо висловлюватися точно, не пофарбовані. У них немає нічого іншого, крім певної сили або схильності до порушення того чи іншого кольору". Далі Ньютон проводить аналогію між звуком і кольором. "Подібно до того як коливальні рухи повітря, діючи на вухо, викликають відчуття звуку, дія світла на око виробляє відчуття кольору ".

Ньютон дав правильне пояснення квітам природних тіл, поверхонь предметів. Його пояснення можна привести дослівно. "Ці кольори походять від того, що деякі природні тіла відображають одні сорти променів, інші тіла - інші сорти рясніше, ніж інші. Сурик відображає найбільш рясно найменш ламаємо промені, що створюють червоний колір, і тому здається червоним. Фіалки відображають найрясніше найбільш ламаємо промені , завдяки чому мають цей колір; так само й інші тіла. Будь-яке тіло відображає промені свого власного кольору рясніше, ніж інші, і завдяки надлишку і верховенства їх у відбитому світлі має своїм забарвленням ".

Ньютону належать перші досліди по оптичному змішання квітів, А також по класифікації та кількісного їх висловом.

Ньютон писав: "За допомогою змішування кольорів можуть виходити кольору, подібні квітам однорідного світла по видимості, але не щодо незмінності кольорів і будови світу". Тут цілком виразно вказується на те, що різні по спектральному складу випромінювання можуть сприйматися як однакові за кольором. У сучасному кольорознавства це явище називається незалежністю кольору від спектрального складу випромінювання. Воно дає підставу визначати колір суміші випромінювань за кольорами змішуються випромінювань, не беручи до уваги їх спектральний склад.

Ми ще повернемося до цього питання і побачимо, що явище незалежності квітів пояснюється будовою очі. Але за часів Ньютона це не було відомо. Він відкрив це явище досвідченим шляхом і використовував його в подальшому для відшукання квітів суміші випромінювань за кольорами змішуються випромінювань.

Ньютон вважав, що існує сім основних кольорів, змішанням яких можна отримати всі існуючі в природі кольору. Це червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий кольори спектра сонячного світла. Розподіл спектра на сім кольорів до певної міри умовно. З цього приводу Вільгельм Освальд (1853-1932, німецький фізико-хімік, організував в Німеччині спеціальний інститут з вивчення проблем кольору) зазначає, що холодна морська і темна листяна зелень різні за зоровому сприйняттю приблизно так само, як червоний і фіолетові кольори. Але по Ньютону всі зелені кольори представлені тільки одним кольором. Крім того, Ньютон помилково вважав, що отримання всіх кольорів можливо змішанням семи основних. Зараз ми знаємо, що для цього достатньо трьох основних кольорів. Проте і в даний час в російській мові, як і в багатьох інших, для позначення цих семи кольорів використовуються прості слова. Інші кольори ми або називаємо складними словами, похідними від цих семи, наприклад синьо-зелений, або використовуємо для цього не власне назви кольорів, а назви предметів (тел), наприклад, цегляний, бірюзовий, смарагдовий і т.п.

Ньютон вперше ввів колірної графік, який отримав назву колірного кола Ньютона. Він використовував його для систематизації різноманітних кольорів і для визначення по змішувати кольори кольору їх суміші. В основу графічного додавання квітів Ньютон поклав правило знаходження центру ваги. Це правило широко використовується і зараз для колірних розрахунків на колірних діаграмах і для кількісної характеристики кольорів.

На основі колірного графіка і графічного додавання квітів логічно напрошується висновок, що будь-який колір може бути отриманий змішуванням всього трьох кольорів. Однак потрібно більше ста років після смерті Ньютона, щоб цей основний закон кольорознавства був остаточно встановлений і знайшов своє пояснення в припущенні про триколірної природі зору.

Ігор Сокальський,
кандидат фізико-математичних наук
«Хімія і життя» №12, 2006

У п'яти попередніх статтях циклу «Всесвіт: матерія, час, простір», використавши аналогію театру, ми розповіли про те, як влаштований наш світ. Час і простір утворюють сцену, на якій розігрують найскладніші й заплутані сюжетні лінії головні і другорядні діючі лиця, А також невидимі актори. Залишилося поговорити про нас з вами - про глядачів. Ми не встигли до початку вистави, який почався 14 мільярдів років тому, а з'явилися в залі для глядачів зовсім недавно за космічними масштабами часу - пройшло всього кілька тисяч років. Але нам багато чого вдалося зрозуміти в театральній дії, хоча ще більше належить з'ясувати. Не всі представники роду людського присвячують свої життя пізнанню законів природи. Тільки невелика частина, вчені. Про те, як вони це роблять, - дві останні статті циклу. Спочатку поговоримо про найкрасивіших фізичних експериментах минулого.
(Продовження. Початок див. У №7, №№9-, 2006)

Плюнь тому в очі, хто скаже, що можна обійняти неосяжне.
Козьма Прутков

Земля - \u200b\u200bкуля радіусом близько 6400 км. Ядро атома гелію складається з двох протонів і двох нейтронів. Сила гравітаційного тяжіння між двома тілами прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. У нашій Галактиці приблизно 100 мільярдів зірок. Температура поверхні Сонця близько 6 тисяч градусів. Ці прості фізичні факти складаються з десятками тисяч інших, самих різних, - таких же простих для розуміння, або не дуже простих, або дуже складних, - утворюючи фізичну картину світу.

У людини, що починає знайомитися з фізикою, неминуче виникає як мінімум два серйозні питання.

Щоб зрозуміти, потрібно запам'ятати все?

Питання перше: невже для того, щоб зрозуміти будову Всесвіту і закони, за якими вона існує, потрібно дізнатися і запам'ятати всі накопичені до цього часу фізичні факти ?! Звичайно, ні. Це неможливо. Фактів дуже багато. Незмірно більше, ніж могло б вміститися не тільки в людському мозку, але навіть на магнітному диску найсучаснішого суперкомп'ютера. Тільки обсяг інформації про розміри, температурі, спектральний клас і місцезнаходження всіх зірок нашої Галактики становить 2-3 терабайта. Якщо додати сюди інші характеристики зірок, то цей обсяг зросте в кілька десятків або навіть сотень разів. Ще в мільйони разів збільшиться кількість даних, якщо розглядати і зірки в інших галактиках. А ще відомості про планети, газово-пилових туманностях. А ще інформація про елементарних частинках, Їх властивості та розподілі за обсягом Всесвіту. А ще ... А ще ... А ще ...

Абсолютно неможливо запам'ятати або навіть просто записати абикуди таку кількість цифр. На щастя, це і не потрібно. В тому і полягає невимовно гармонійна краса нашого світу, що нескінченне різноманіття фактів випливає з дуже невеликої кількості базових принципів. Зрозумівши ці принципи, можна не тільки зрозуміти, а й передбачити величезне безліч фізичних фактів. Наприклад, система рівнянь електродинаміки, запропонована 150 років тому Джеймсом Максвеллом, включає в себе всього чотири рівняння, що займають від сили 1/10 сторінки підручника. Але з цих рівнянь можна вивести всю позірну на перший погляд неосяжної сукупність явищ, пов'язаних з електромагнетизмом.

В принципі, сучасна фізика якраз і ставить собі за мету побудувати єдину теорію, яка включала б у себе всього кілька рівнянь (в ідеалі - одне), що описують всі відомі і правильно пророкують нові фізичні факти.

Звідки ми знаємо?

Питання друге: а звідки ми знаємо і чому ми впевнені в тому, що все це дійсно так? Що Земля має форму кулі. Що в ядрі гелію два протони і два нейтрони. Що сила тяжіння між двома тілами прямо пропорційна їх масам і обернено пропорційна квадрату відстаней. Що рівняння Максвелла правильно описують електромагнітні явища. Ми знаємо це з фізичних експериментів. Колись, давним-давно, люди від простого споглядання природних явищ поступово перейшли до їх вивчення за допомогою усвідомлено поставлених експериментів, результати яких виражаються числами. Приблизно до XVI-XVII століть склався той принцип фізичного пізнання природи, який до цих пір перебуває на озброєнні у науки і який можна схематично проілюструвати ось так:

Явище → Гіпотеза → Передбачення → Експеримент → Теорія.

Для пояснення будь-якого природного явища фізики формулюють гіпотезу, яка могла б це явище пояснити. На підставі гіпотези роблять прогноз, який, в загальному випадку, є деяке число. Останнє перевіряють експериментально, проводячи вимірювання. Якщо число, отримане в результаті експерименту, узгоджується з передбаченим, гіпотеза отримує ранг фізичної теорії. В іншому випадку все повертається на другу стадію: формулюється нова гіпотеза, робиться новий прогноз і ставиться новий експеримент.

Експеримент - ключ до розуміння світобудови

Незважаючи на гадану простоту схеми, процес, описаний п'ятьма словами і чотирма стрілками, на ділі займає часом тисячоліття. Хорошим прикладом служить модель світу, еволюцію якої ми вже простежували в одній з попередніх статей. На початку нашої ери утвердилась геоцентрична модель Птолемея, згідно з якою в центрі світу розташовувалася Земля, а навколо неї оберталися Сонце, Місяць і планети. Ця модель, яка була загальновизнана протягом півтори тисячі років, стикалася, однак, зі все більш серйозними труднощами. Спостережуване становище на небі Сонця, Місяця і планет не відповідало прогнозам геоцентрической моделі, і таке протиріччя ставало все більш непереборним, оскільки точність спостережень росла. Це змусило Миколи Коперника запропонувати в середині XVI століття геліоцентричну модель, згідно з якою в центрі знаходиться не Земля, а Сонце. Геліоцентрична гіпотеза отримала блискуче підтвердження завдяки безпрецедентним по точності (для того часу) спостереженнями Тихо Браге, результати яких збіглися з прогнозами геліоцентричної моделі. Остання стала загальноприйнятою, отримавши, таким чином, статус теорії.

Цей приклад, так само як і розглянута нами схема, показує ключову роль експерименту в процесі наукового пізнання навколишнього світу. Тільки за допомогою експерименту можна перевірити фізичну модель. Надзвичайно важливим є той факт, що результати експерименту, так само як і передбачення фізичної моделі, що не якісні, а кількісні. Тобто є набором самих звичайних чисел. Тому порівняння обчислених і виміряних результатів - цілком однозначна процедура. Тільки завдяки цьому фізичний експеримент зміг стати ключем, який відкриває шлях до розуміння світобудови.

Десять найкрасивіших

Десятки і сотні тисяч фізичних експериментів було поставлено за тисячолітню історію науки. Непросто відібрати декілька «най-най», щоб розповісти про них. Якою має бути критерій відбору?

Чотири роки тому в газеті « The New York Times»Була опублікована стаття Роберта Криза і Стоні Бука. У ній розповідалося про результати опитування, проведеного серед фізиків. Кожен опитаний мав назвати десять найкрасивіших за всю історію фізичних експериментів. На наш погляд, критерій краси нічим не поступається іншим критеріям. Тому ми розповімо про експерименти, які увійшли в першу десятку за результатами опитування Криза і Бука.

1. Експеримент Ератосфена Киренського

Один з найдавніших відомих фізичних експериментів, в результаті якого було виміряно радіус Землі, був проведений в III столітті до нашої ери бібліотекарем знаменитої Александрійської бібліотеки Ератосфеном Кіренським. Схема експерименту проста. Опівдні, в день літнього сонцестояння, в місті Сієні (нині Асуан) Сонце перебувало в зеніті і предмети не відкидали тіні. У той же день і в той же час в місті Александрії, розташованому в 800 кілометрах від Сієна, Сонце відхилялося від зеніту приблизно на 7 °. Це становить близько 1/50 повного кола (360 °), звідки виходить, що окружність Землі становить 40 000 км, а радіус 6300 км. Майже неймовірним видається те, що виміряний настільки простим методом радіус Землі виявився всього на 5% менше значення, отриманого найточнішими сучасними методами.

2. Експеримент Галілео Галілея

У XVII столітті панувала точка зору Аристотеля, який учив, що швидкість падіння тіла залежить від його маси. Чим важче тіло, тим швидше воно падає. Спостереження, які кожен з нас може зробити в повсякденному житті, здавалося б, підтверджують це. Спробуйте одночасно випустити з рук легку зубочистку і важкий камінь. Камінь швидше торкнеться землі. Подібні спостереження привели Арістотеля до висновку про фундаментальну властивість сили, з якою Земля притягує інші тіла. Насправді на швидкість падіння впливає не тільки сила тяжіння, а й сила опору повітря. Співвідношення цих сил для легких предметів і для важких різне, що і призводить до спостережуваного ефекту.

Італієць Галілео Галілей засумнівався в правильності висновків Арістотеля і знайшов спосіб їх перевірити. Для цього він скидав з Пізанської вежі в один і той же момент гарматне ядро \u200b\u200bі значно легшу мушкетну кулю. Обидва тіла мали приблизно однакову обтічну форму, тому і для ядра, і для кулі сили опору повітря були пренебрежимо малі в порівнянні з силами тяжіння. Галілей з'ясував, що обидва предмети досягають землі в один і той же момент, тобто швидкість їх падіння однакова.

Результати, отримані Галілеєм, - наслідок закону всесвітнього тяжіння і закону, відповідно до якого прискорення тіла прямо пропорційне силі, що діє на нього, і обернено пропорційно масі.

3. Інший експеримент Галілео Галілея

Галілей заміряв відстань, яку кулі, що котяться по похилій дошці, долали за рівні проміжки часу, виміряні автором досвіду по водяним годинах.

Учений з'ясував, що якщо час збільшити в два рази, то кулі проїдуться в чотири рази далі. Ця квадратична залежність означала, що кулі під дією сили тяжіння рухаються з прискоренням, що суперечило приймається на віру протягом 2000 років твердженням Аристотеля про те, що тіла, на які діє сила, рухаються з постійною швидкістю, тоді як якщо сила не прикладена до тіла, перебувають у стані спокою. Результати цього експерименту Галілея, як і результати його експерименту з Пізанської вежею, надалі послужили основою для формулювання законів класичної механіки.

4. Експеримент Генрі Кавендіша

Після того як Ісаак Ньютон сформулював закон всесвітнього тяжіння: сила тяжіння F між двома тілами з масами М і m, Віддалених один від одного на відстань r, дорівнює F = γ( mM/r 2), залишалося визначити значення гравітаційної постійної γ. Для цього потрібно було виміряти силу тяжіння між двома тілами з відомими масами. Зробити це не так просто, тому що сила тяжіння дуже мала. Ми відчуваємо силу тяжіння Землі. Але відчути тяжіння навіть дуже великий опинилася поблизу гори неможливо, оскільки воно дуже слабо.

Це мала бути дуже тонкий і чутливий метод. Його придумав і застосував в 1798 році співвітчизник Ньютона Генрі Кавендіш. Він використовував крутильні ваги - коромисло з двома кульками, підвішене на дуже тонкому шнурку. Кавендіш вимірював зміщення коромисла (поворот) при наближенні до кульок ваги інших кульок більшої маси. Для збільшення чутливості зміщення визначалося за світловими зайчиками, відбитими від дзеркал, закріплених на кулях коромисла. В результаті цього експерименту Кавендишу вдалося досить точно визначити значення гравітаційної константи і вперше обчислити масу Землі.

5. Експеримент Жана Бернара Фуко

Французький фізик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 році експериментально довів обертання Землі навколо своєї осі за допомогою 67-метрового маятника, підвішеного до вершини купола паризького Пантеону. Площина коливання маятника зберігає незмінне положення по відношенню до зірок. Спостерігач же, що знаходиться на Землі і обертається разом з нею, бачить, що площина обертання повільно повертається в бік, протилежний напрямку обертання Землі.

6. Експеримент Ісаака Ньютона

У 1672 році Ісаак Ньютон проробив простий експеримент, описаний у всіх шкільних підручниках. Зачинивши віконниці, він зробив у них невеликий отвір, крізь який проходив сонячний промінь. На шляху променя була поставлена \u200b\u200bпризма, а за призмою - екран. На екрані Ньютон спостерігав «веселку»: білий сонячний промінь, пройшовши через призму, перетворився на кілька кольорових променів - від фіолетового до червоного. Це явище називається дисперсією світла.

Сер Ісаак був не першим, хто спостерігав це явище. Вже на початку нашої ери було відомо, що великі монокристали природного походження мають здатність розкладати світло на кольори. Перші дослідження дисперсії світла в дослідах зі скляною трикутною призмою ще до Ньютона виконали англієць Харіот і чеський природодослідник Марці.

Однак до Ньютона такі спостереження не піддавалися серйозному аналізу, а робилися на їх основі висновків не перевірялися додатковими експериментами. І Харіот, і Марці залишалися послідовниками Арістотеля, який стверджував, що відмінність в кольорі визначається різницею в кількості темноти, «домішується» до білого світу. Фіолетовий колір, за Арістотелем, виникає при найбільшому додаванні темноти до світла, а червоний - при найменшому. Ньютон же виконав додаткові досліди зі схрещеними призмами, коли світло, пропущене через одну призму, проходить потім через іншу. На підставі проведених дослідів він зробив висновок про те, що «ніякого світла не виникає з білизни і чорноти, змішаних разом, крім проміжних темних; кількість світла не змінює вигляду кольору ». Він показав, що біле світло треба розглядати як складову. Основними ж є кольори від фіолетового до червоного.

Цей експеримент Ньютона слугує чудовим прикладом того, як різні люди, спостерігаючи одне і те ж явище, інтерпретують його по-різному, але тільки ті, хто ставить під сумнів свою інтерпретацію і ставить додаткові досліди, приходять до правильних висновків.

7. Експеримент Томаса Юнга

До початку XIX століття переважали уявлення про корпускулярну природу світла. Вважали, що світло складається з окремих частинок - корпускул. Хоча явища дифракції та інтерференції світла спостерігав ще Ньютон ( «кільця Ньютона»), загальноприйнятим поглядом залишався корпускулярної.

Розглядаючи хвилі на поверхні води від двох кинутих каменів, можна помітити, як, накладаючись один на одного, хвилі можуть интерферировать, тобто взаємогасити або взаємопідсилювати одна одну. Грунтуючись на цьому, англійський фізик і лікар Томас Юнг проробив у 1801 р досліди з променем світла, який проходив через два отвори в непрозорому екрані, утворюючи, таким чином, два незалежних джерела світла, аналогічних двом кинутим у воду каміння. В результаті він спостерігав інтерференційну картину, що складається з чергуються темних і білих смуг, яка не могла б утворитися, якби світло складалося з корпускул. Темні смуги відповідали зонам, де світлові хвилі від двох щілин гасять один одного. Світлі смуги виникали там, де світлові хвилі взаємопідсилювалися. Таким чином було доведено хвильову природу світла.

8. Експеримент Клауса Йонссона

Німецький фізик Клаус Йонссон провів в 1961 році експеримент, подібний до експерименту Томаса Юнга з інтерференції світла. Різниця полягала в тому, що замість променів світла Йонссон використав пучки електронів. Він отримав інтерференційну картину, аналогічну тій, що Юнг спостерігав для світлових хвиль. Це підтвердило правильність положень квантової механіки про змішану корпускулярно-хвильову природу елементарних частинок.

9. Експеримент Роберта Міллікена

Уявлення про те, що електричний заряд будь-якого тіла дискретний (тобто складається з більшого чи меншого набору елементарних зарядів, які вже не підлягають дробленню), виникло ще на початку XIX століття і підтримувалося такими відомими фізиками, як Майкл Фарадей і Герман Гельмгольц. У теорію було введено термін «електрон», який означав деяку частинку - носій елементарного електричного заряду. Цей термін, проте, був у той час чисто формальним, оскільки ні сама частинка, ні пов'язаний з нею елементарний електричний заряд не були виявлені експериментально. У 1895 році Вільгельм Конрад Рентген під час експериментів з розрядною трубкою виявив, що її анод під дією летять з катода променів здатний випромінювати свої, Х-промені, або промені Рентгена. У тому ж році французький фізик Жан Батист Перрен експериментально довів, що катодні промені - це потік негативно заряджених частинок. Але, незважаючи на колосальний експериментальний матеріал, електрон залишався гіпотетичною частинкою, оскільки не було жодного досвіду, в якому були б задіяні окремі електрони.

Американський фізик Роберт Міллікен розробив метод, що став класичним прикладом вишуканого експерименту. Міллікену вдалося ізолювати в просторі кілька заряджених крапельок води між пластинами конденсатора. Висвітлюючи рентгенівськими променями, можна було злегка іонізувати повітря між пластинами та змінювати заряд крапель. При включеному полі між пластинами крапля повільно рухалася вгору під дією електричного тяжіння. При вимкненому полі вона опускалася під дією гравітації. Включаючи і вимикаючи поле, можна було вивчати кожну з підвішених між пластинами крапель протягом 45 секунд, після чого вони випаровувалися. До 1909 року вдалося визначити, що заряд будь крапельки завжди був цілим кратним фундаментальній величині е (Заряд електрона). Це було переконливим доказом того, що електрони являють собою частинки з однаковими зарядом і масою. Замінивши краплі вони краплями масла, Міллікен отримав можливість збільшити тривалість спостережень до 4,5 години і в 1913 році, виключивши один за іншим можливі джерела похибок, опублікував перше виміряне значення заряду електрона: е \u003d (4,774 ± 0,009) × 10 -10 електростатичних одиниць.

10. Експеримент Ернста Резерфорда

До початку XX століття стало зрозуміло, що атоми складаються з негативно заряджених електронів і якогось позитивного заряду, завдяки якому атом залишається в цілому нейтральним. Однак припущень про те, як виглядає ця «позитивно-негативна» система, було занадто багато, в той час як експериментальних даних, які дозволили б зробити вибір на користь тієї або іншої моделі, явно бракувало. Більшість фізиків прийняли модель Джозефа Джона Томсона: атом як рівномірно заряджена позитивна куля діаметром приблизно 10 -8 см з плаваючими всередині негативними електронами.

У 1909 році Ернст Резерфорд (йому допомагали Ганс Гейгер і Ернст Марсден) поставив експеримент, щоб зрозуміти дійсну структуру атома. В цьому експерименті важкі позитивно заряджені α-частинки, які рухаються зі швидкістю 20 км / с, проходили через тонку золоту фольгу і розсіювалися на атомах золота, відхиляючись від первинного напряму руху. Щоб визначити ступінь відхилення, Гейгер і Марсден повинні були за допомогою мікроскопа спостерігати спалахи на пластині сцинтилятора, що виникали там, де в пластину потрапляла α-частинка. За два роки було підраховано близько мільйона спалахів і доведено, що приблизно одна частинка на 8000 в результаті розсіювання змінює напрям руху більш ніж на 90 ° (тобто повертає назад). Такого ніяк не могло відбуватися в «пухкому» атомі Томсона. Результати однозначно свідчили на користь так званої планетарної моделі атома - масивне крихітне ядро \u200b\u200bрозмірами приблизно 10 -13 см і електрони, що обертаються навколо цього ядра на відстані близько 10 -8 см.

Сучасні фізичні експерименти значно складніше експериментів минулого. В одних прилади розміщують на площах в десятки тисяч квадратних кілометрів, в інших заповнюють об'єм порядку кубічного кілометра. По-третє ... Але давайте почекаємо наступного номера. Сучасні фізичні експерименти - тема наступної (і останньої) статті циклу.