Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Несколько лет назад солнечным зимним утром я поднимался на машине на горку, на которой расположен колледж Святого Иоанна, чтобы поиграть с электронами. Незадолго до того я познакомился с президентом этого учебного заведения, расположенного в предгорьях Санта-Фе. Признаться, я был поражен, узнав, что студентов гуманитарных факультетов тут учили, как повторить знаменитый эксперимент, проведенный в 1909 году Робертом Милликеном, в котором ему удалось изолировать и измерить электрон, а также показать, что он является переносчиком электричества.

Этот колледж, как и аналогичный колледж в Аннаполисе, строит обучение на основе классической программы — изучение физики начинается с VI века до н. э., с трудов философов-досократиков. Именно тогда Фалес Милетский заложил первый камень в Теорию Великого Объединения, заявив: «Всё сотворено из воды». Будь он жив сегодня, наверняка работал бы над теорией суперструн.

Фалес также отметил, что порода, называемая магнетит, — та, что находят в Магнезии, — невидимой силой притягивает металлы, а если кусочек янтаря, который древние греки называли электроном, обо что-нибудь потереть, то он приобретает чудесное свойство: начинает притягивать к себе мелкую солому и чешуйки зерна. Пройдет еще более двух тысяч лет, и врач королевы Елизаветы I по имени Уильям Гилберт заметит, что, если шелком потереть стекло, оно «наянтарится», то есть наэлектризуется (Гилберт оказался первым, кто использовал этот термин), и более того — другие материалы тоже можно «оживить» подобным образом! Трение, рассуждал Гилберт, нагревает некую содержащуюся в телах жидкость, которая начинает источать липкий, газообразный заряд. Французский физик Шарль Франсуа де Систерне Дюфе пошел еще дальше. Он обнаружил, что натертый янтарь отталкивает те предметы, которые натертое стекло притягивает, и сделал вывод: электричество бывает двух видов — «смоляное» и «стекольное». Однако только Милликену удалось найти разумное объяснение всем этим явлениям.

Физическая лаборатория колледжа располагалась в цоколе окруженного соснами двухэтажного дома в стиле территорий[1]. Занятий не было, жалюзи были опущены, и в помещении царил полумрак. В противоположном конце аудитории директор лаборатории Ханс фон Бризен собирал на деревянном лабораторном столе экспериментальную установку. В колледже существует традиция, согласно которой студенты и преподаватели должны обращаться друг к другу, используя вежливое «мистер», — мистер фон Бризен, мистер Джонсон, — поэтому даже разговоры в коридоре по стилю напоминают колонку светских новостей в респектабельной «Нью-Йорк тайме».

Идея эксперимента Милликена, пояснял мистер фон Бризен, заключается в следующем: используя пульверизатор для духов, впрыскивать мельчайшие капельки масла в пространство между двумя металлическими пластинами, одна из которых заряжена «смоляным» электричеством, а вторая — «стекольным». Некоторые капельки, натираемые воздухом так же, как натирал янтарь Фалес, электризуются. Меняя напряжение на пластинах, можно заставить капельки подниматься, опускаться или зависать в определенном положении.

По массе капли и напряжению, необходимому для того, чтобы предупредить ее падение, легко рассчитать ее заряд. Проведя измерения на достаточном количестве капель, можно определить, ведет ли себя заряд как жидкость, накапливаясь в любом количестве, или он дискретен, как мелочь в кармане. Если последнее утверждение справедливо, то самый маленький заряд и будет элементарной единицей электричества, т. е. зарядом электрона.

Когда экспериментальная установка была собрана, начался сам эксперимент. После нескольких пробных пусков мистер фон Бризен пригласил меня посмотреть на происходящее. Заглянув в камеру через увеличительное оптическое устройство, похожее на маленький телескоп, я увидел капли. При задней подсветке они сияли, как созвездие или даже галактика. Сам Милликен описывал эту картину так: «Капля казалась звездой-бриллиантом».

Наука в XXI веке превратилась в индустрию. Открытия, о которых то и дело пишут газеты, — расшифровка генома, доказательство существования топ-кварков, открытие новой планеты по анализу колебаний далекой звезды, — стоят миллионы долларов. Они порождают терабайты информации, для изучения которых необходимы суперкомпьютеры, превратившиеся в фабрики по производству расчетов и излучающие столько тепловой энергии, что для их охлаждения требуются установки, потребляющие не меньше электричества, чем небольшие города. Эксперименты проводятся исследовательскими группами, по своим размерам не уступающие корпорациям.