Когда мы думаем о физике, эксперименты часто сильно недооцениваются. Но большинство физиков принадлежат к одному из двух типов: теоретики и экспериментаторы.
Теоретики, такие как Альберт Эйнштейн, Вернер Гейзенберг или Макс Планк, склонны работать с математикой. Разрабатывая новые концептуальные идеи о том, как устроен мир.
У экспериментаторов более тонкая работа. Хотя они понимают математику, они должны быть готовы выйти за ее пределы. Эксперименты полагаются на практические навыки, физическую проницательность и большую настойчивость. Они важны, потому что без экспериментов мы вообще ничего не можем знать о реальном мире.
Теоретики и экспериментаторы
Это то, что Томсон сделал в 1897 году, когда пытался выяснить, состоят ли светящиеся лучи, которые он и другие видели в стеклянных трубках, называемых “электронно-лучевыми трубками”, из частиц или света.
Его теория заключалась в том, что это частицы. Поэтому он разработал эксперименты, чтобы выяснить, несут ли лучи электрический заряд и имеют ли они массу. С помощью ряда экспериментов он установил, что катодные лучи на самом деле были крошечными заряженными частицами. Первыми субатомными частицами, которые мы теперь называем электронами.
Гораздо более свежим примером является предсказание бозона Хиггса. Впервые предсказанное в 1964 году тремя теоретиками: Браутом, Энглертом и Хиггсом.
Потребовались десятилетия, тысячи людей и миллиарды долларов, чтобы провести эксперимент. Большой адронный коллайдер, который смог открыть бозон Хиггса в 2012 году. Трое человек, предсказавших это, почти сразу же получили Нобелевскую премию. А экспериментаторы? Ну, можно поспорить, вы не сможете назвать ни одного из них.
Второй способ, которым эксперименты могут дать нам новое знание – это случай. Когда эксперименты дают результаты, которые нельзя предсказать заранее.
Как в 1896 году, когда Вильгельм Рентген, увидел краем глаза светящийся экран в своей лаборатории. И решил провести расследование, что привело к открытию рентгеновских лучей. Он даже сделал первое рентгеновское изображение руки своей жены.
Проведение экспериментов требует умения задавать хорошие вопросы и настойчивости, чтобы довести их до конца.
Результаты исследований, основанных на любопытстве
Новые открытия делают возможным новое воображение и могут привести к новым творческим и инновационным предприятиям. Исследования, движимые любопытством, обычно приводят к принципиально новым идеям, которые со временем становятся все более полезными.
Через пару лет после открытия электрона Томсон объяснил, как электроны вытекают из электродов в стеклянные вакуумные трубки. Что оказалось именно тем знанием, которое было необходимо для создания вакуумных клапанов, усилителей и других устройств. Это породило всю электронную промышленность, радио, телекоммуникации и компьютеры.
А рентген? Всего две недели спустя художники уже исследовали новую среду, делая рентгеновские снимки игуаны. А врачи начали использовать рентгеновские лучи, чтобы заглянуть внутрь пациентов. Со временем рентгеновские лучи стали еще более мощными, поскольку они были объединены с другими идеями. От астрофизики до больниц и промышленности, рентгеновские лучи находили все больше и больше применений.
Иногда самые большие прорывы приходят с неожиданных направлений. Как, например, камера Вильсона Чарльза Уилсона. Первоначально разработанный для изучения метеорологии, она стала первым детектором частиц. Позволившим нам увидеть, невидимое иначе, прохождение крошечных частиц.
Физики путешествовали с этими камерами в горах, что позволило открыть новые частицы, такие как позитроны и мюоны. Навсегда изменившие наше понимание того, что такое материя и как устроена наша Вселенная.
Этот путь к новым идеям часто бывает нелинейным, случайным. Здесь важно не то, что мы заранее знаем, куда приведет наше исследование. Здесь ценно просто желание знать и готовность сделать работу, чтобы выяснить это.
Наука может быть объективной, ученые – нет
На рубеже 20-го века многие физики считали, что их работа “сделана”. В 1894 году Альберт Майкельсон сказал: “Кажется вероятным, что большинство великих основополагающих принципов уже твердо установлены”. А в 1901 году лорд Кельвин провозгласил: “Будущие истины физических наук следует искать в шестом десятичном знаке”. Они не могли ошибаться сильнее.
То, что произошло потом, было полной революцией в нашем понимании. От нестабильной природы и присущей атомам пустоты к квантовой механике. И все же трудно предсказать будущее, потому что наше воображение ограничено нашими текущими теоретическими идеями и технологическими возможностями.
Физики не застрахованы от группового мышления, эгоизма, предубеждений или любого другого порока!
Сначала случай привел к тому, что физики работали вне дисциплинарных границ. У одного физика был брат, который был врачом. Другой нашел сотрудника в своем новом университете. Позже возникло более преднамеренное сотрудничество. Например, физики, которые использовали технологию мощных радаров, чтобы уменьшить ускорители частиц. Теперь мы находим их в больницах, лечащих рак, по всему миру.
Но еще более мощным оказалось то, как физики научились сотрудничать через международные границы. После Второй мировой многие европейские страны были опустошены. И жившие там ученые поняли, что они не могут конкурировать в решении важных научных вопросов с небольшими доступными ресурсами.
Они также поняли, что общий проект, направленный на достижение мирных научных целей, может привести к преодолению разрыва между странами.
В 1954 году была подписана конвенция, ратифицировавшая ЦЕРН. В которой сейчас находится Большой адронный коллайдер, родина Всемирной паутины и многих других изобретений. Очаг открытий и любопытства.
В заключении
Проблемы, с которыми мы сталкиваемся сегодня, слишком велики, чтобы их могли решить несколько человек, компаний или даже одна страна. В попытке понять фундаментальную природу материи и сил, сформировавших нашу Вселенную.
Возможно, самое замечательное, чему научили нас физики, касается гораздо более человеческой силы. Силы сотрудничества и умения работать вместе для достижения чего-то большего.
