ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА
Физика — экспериментальная наука. В трудах Галилея, Ньютона и других исследователей утвердился ее основной метод: любое предсказание теории должно быть подтверждено опытом. В XVII, XVIII и даж.е XIX вв. одни и те же люди и проводили теоретический анализ, и сами проверяли свои выводы на опыте. Но в XX в. стремительное накопление знаний, развитие техники, все, что носит название научно-технической революции, привели к тому, что одному человеку стало не под силу и создавать теории, и ставить эксперименты.
Произошло разделение физиков на теоретиков и экспериментаторов (см. Теоретическая физика). Конечно, нет правил без исключений, и иногда теоретики ставят опыты, а экспериментаторы занимаются теорией. Но с каждым годом таких исключений становится все меньше.
Сейчас в руках экспериментаторов имеется сложная и мощная техника: ускорители, ядерные реакторы, техника сверхвысокого вакуума, глубокого охлаждения и, конечно, электроника. Она совершенно преобразила возможности опыта, и это можно проиллюстрировать на таком примере.
В начале нашего века Э. Резерфорд и его сотрудники регистрировали в своих экспериментах альфа-частицы с помощью экрана из сернистого цинка и микроскопа (см. Ядро атомное). При попадании каждой частицы на экран последний давал слабую вспышку света, которую можно было разглядеть в микроскоп. Перед началом опыта исследователям приходилось часами сидеть в темноте для обострения чувствительности глаз. Максимальное число импульсов, которое удавалось сосчитать,— было два-три в секунду. Через несколько минут глаза уставали.
А сейчас специальные электронные приборы — фотоумножители — в состоянии различить и превратить в электрические импульсы гораздо более слабые световые вспышки. Они успевают сосчитать десятки и сотни тысяч импульсов в секунду. И не только сосчитать. Специальные схемы, используя форму электрического импульса (повторяющего световой), дают информацию об энергии, заряде, даже о типе частицы. Эта информация запоминается и обрабатывается быстродействующими вычислительными машинами.
Следует отметить, что у экспериментальной физики двоякие отношения с техникой. С одной стороны, физика, открывая неизвестные еще области, такие, как электричество, атомная энергия, лазеры, постепенно осваивает их и передает в руки инженеров. С другой стороны, после того как техника создала соответствующие приборы и даже новые отрасли промышленности, экспериментальная физика начинает использовать эти приборы при постановке опытов. И это позволяет ей все глубже проникать в тайны материи.
Современные средства проведения эксперимента требуют участия уже целого коллектива экспериментаторов.
Экспериментальное исследование можно условно разбить на три части: подготовка, измерение, обработка разультатов.
Когда рождается идея опыта, на повестку дня становится возможность его осуществления, создания новой установки или переделки старой. На этой стадии необходимо проявить максимальную предусмотрительность.
«Я всегда придавал очень большое значение тому, как был задуман и поставлен опыт. Конечно, надо исходить из определенной, заранее продуманной идеи; но каждый раз, когда это только возможно, опыт должен оставлять максимальное число открытых окон для того, чтобы можно было наблюдать непредусмотренное явление»,— писал выдающийся французский физик Ф. Жолио-Кюри.
При конструировании и изготовлении установки на помощь эскпериментатору приходят специализированные конструкторские бюро, мастерские, иногда и большие заводы. Широко используются готовые приборы и блоки. Тем не менее на долю физиков выпадает самая ответственная работа: создание тех узлов, которые являются уникальными и которые порой никогда и нигде еще не применялись. Поэтому выдающиеся физики-экспериментаторы всегда были и очень хорошими инженерами.
Когда установка собрана, приходит время проведения контрольных экспериментов. Их результаты служат для проверки работоспособности аппаратуры и снятия ее характеристик.
А потом начинаются основные измерения, которые иногда могут продолжаться очень долго. Своеобразный рекорд был поставлен при регистрации солнечных нейтрино — измерения продолжались 15 лет.
Обработка результатов тоже далеко не простое дело. Существуют области экспериментальной физики, в которых на обработке сосредоточен центр тяжести всего опыта, например на обработке снимков, полученных в пузырьковой камере. Камеры установлены на пути пучков крупнейших в мире ускорителей. В них на следе пролетевшей частицы образуется цепочка пузырьков. След становится видным и может быть сфотографирован. Камера «выдает» десятки тысяч фотографий в сутки. Еще недавно (сейчас и здесь на помощь пришла автоматика) сотни лаборантов сидели у просмотровых столиков за проекционными микроскопами, производя первичный отбор фотографий. Затем в действие вступали автоматизированные установки и ЭВМ. И уже после всего этого исследователи получали нужную информацию, могли строить графики, производить расчеты.
Советским экспериментаторам есть чем гордиться. Перед революцией в России насчитывалось всего несколько десятков серьезно работающих физиков. Большинство из них проводили исследования в неприспособленных помещениях и с самодельными приборами. Поэтому открытия мирового класса, сделанные П. Н. Лебедевым (давление света), А. Г. Столетовым (исследования фотоэффекта), можно назвать настоящим подвигом.
Наша экспериментальная физика была заложена в трудных условиях первых лет Советской власти. Она создавалась усилиями таких ученых, как А. Ф. Иоффе, С. И. Вавилов и ряд других. Они были экспериментаторами, учителями, организаторами науки. Их ученики и ученики их учеников прославили отечественную физику. Излучение Вавилова — Черенкова (см. Вавилова—Черенкова эффект), сверхтекучесть, комбинационное рассеяние света, лазеры — перечисление только крупнейших открытий советских ученых может занять много страниц.
Развитие экспериментальной физики не похоже на гладкую и накатанную дорогу. Трудом многих людей накапливаются наблюдения, производятся опыты и расчеты. Но вот рано или поздно постепенный рост наших знаний претерпевает резкий скачок. Происходит открытие. Многое из того, к чему все так привыкли, представляется совсем в ином свете. И надо дополнять, переделывать, иногда создавать заново теорию, спешно производить новые эксперименты.
Поэтому многие выдающиеся ученые сравнивали путь науки с дорогой в горах. Она идет далеко не по прямой, заставляет путников подниматься по крутым склонам, иногда отступать назад, чтобы в конце концов достигнуть вершины. И тогда с побежденной высоты открываются новые вершины и новые пути.
