Внаслідок самоусунення керівних органів нашої держави від належної фінансової підтримки фундаментальних досліджень фактично попираються права науковців на повноцінну плідну роботу, а молодь, на жаль, не висловлює палкого бажання долучитися до захоплюючої і всепоглинаючої діяльності – мета якої пізнання. Більше того, коли правлять бал «їх величність» гроші, а основні особистості цінності, на які спирається світогляд, – культура, мораль, мистецтво, освіта, наука – відступають на другий план, то все, що вимагає розумової роботи, стає непотрібним, і вже ніщо не може утримати людей від занурювання в темряву.
Такі думки ненавмисно виникають, коли дізнаєшся, що за новим, нещодавно запропонованим у Росії, освітнім стандартом фізика (а разом з нею всі інші природничі предмети, крім математики, – і за це треба дякувати!) вилучені з списку обов’язкових шкільних дисциплін. Так, добре відомо, «Україна не Росія», але водночас ми знаємо, як часто, навіть вже майже два десятиліття незалежні та вільні, ми дивимось на колишню «старшу сестру», обираючи її за приклад і повторюючи її помилки. Одна з них – небезпечне для майбутнього нерозуміння лідерами країни, що фізика займає особливе місце серед інших наук, оскільки вивчає найосновніші, найфундаментальніші закони нашого світу.
Будучи універсальними, вони з успіхом працюють на різних просторових і часових масштабах, пояснюючи властивості зір і атомів, кристалів і живих клітин, політ супутників і роботу комп’ютерів тощо. Причому фізичні закони загальні, тобто на Землі вони тотожні тим, що визначають еволюцію далеких галактик. І кожний новий відкритий закон або явище надавали і надають додатковий імпульс для розвитку людства.
Тому вірю в наших керманичів і сподіваюсь, що подібного стандарту у нас не введуть, хоча оприлюднений Проект Концепції про середню освіту великих підстав для оптимізму не дає. А щоб нагадати молодим читачам «Країни знань», багато з яких знаходиться у хвилюючому стані вибору майбутньої головної справи життя, що дала фізика, хочу ще і ще раз наголосити: без фізики зокрема і фундаментальної науки взагалі годі й думати, що Україна може надіятись на повагу з боку інших країн і народів.
Лише освічена держава, що приймає активну участь у створенні засад для подальшого прогресу, тобто вирощує і пестить фахівців, які спроможні здобувати і переробляти нові знання про Природу і Всесвіт, відчуватиме свою потрібність для решти населення Землі, буде для нього необхідною для власного існування одиницею, а не просто територією.
Багато передових країн настільки глибоко усвідомили роль нових знань на сучасному етапі розвитку, що ООН стала оголошувати той чи інший рік роками наук. Згадаймо – 2005-й був як раз роком Фізики, 2009-й – роком Астрономії, 2011-й –роком Хімії. Безумовно, це свідчить про підвищення інтересу суспільства до пізнання як процесу, і, хотів би думати, наші можновладці також звернуть увагу і зрозуміють, що без науки нема майбутнього. Якщо таке станеться, ситуація радикально зміниться, і школярі масово прагнутимуть дослідницької діяльності не менше, ніж тепер так званої фінансово-економічної або юридичної. Тоді вже на шкільній лаві молодь цікавитиметься науковою і освітньою сферами як такими, де можна і треба прикласти власних зусиль, знаючи, що попереду не тільки прекрасне, повне емоцій і радощів, а й нормальне за побутовими умовами життя.
Одночасно життя складне, бо наука вимагає повної, 100-відсоткової, віддачі, сумління, неперервного професійного навчання і стального характеру, бо без часом гірких розчарувань, коли щось не вдалося, а ще гірше, коли хтось виявився вправнішим і знайшов відповідь на досліджуване питання раніше, не обійтись. Тому, попри згадані складнощі, спробую хоч трохи загітувати тих, хто вагається, бо час від часу кількість і глибина вже отриманих і відомих фактів, трошки лякає навіть найздібніших і найспроможніших.
Почну з того, що чи дійсно в фізиці треба знати і пам’ятати, що накопичено попередниками? Справді, з різних популярних і учбових книжок ми багато чого знаємо. Ну, наприклад, що Земля не плоска, як ми начебто бачимо навкруги, а куляста з радіусом біля 6,5 тис. км. На іншому «кінці» розмірів ніколи не бачені людиною ядра атомів, які, як нам відомо, складаються з протонів і нейтронів, а їх радіус складає мізерну, з побутової точки зору, величину 10-13 см. Гравітаційна або кулонівська взаємодії згасають обернено пропорційно квадрату відстаней між тілами або зарядами. В нашій Галактиці приблизно 1011 зір, а температура на поверхні Сонця оцінюється в 6000о . Ці прості, здавалося б, відомості лише мала частина тисяч інших, причому абсолютно різних – простих і складних для усвідомлення. А всі вони разом утворюють впорядковану для розуміючих їх мозаїку, що зветься фізичною картиною світу.
Але навіть найбільш знані вчені неспроможні вмістити в пам’яті всю накоплену інформацію про Всесвіт – це неможливо для утримання в голові. Відповідні дані в усій сукупності неспроможний вмістити й жодний існуючий суперкомп’ютер, бо інформація тільки про розміри, температуру, спектральний клас і координати розташування в просторі лише щодо зір нашої Галактики складає десь 2-3 терабайта, що більше, ніж ємність найбільш містких сьогодні магнітних дисків. Якщо ж додати інші важливі характеристики зір, то обсяг інформації зросте в десятки і сотні разів.
І це тільки астрономічні дані, а є ще частинки, молекули, речовини і сполуки, матеріали та велика кількість їх властивостей. Далі – хімія, біологія, жива матерія… Остання, між іншим, набагато різноманітніша і, за всіма ознаками, складніша, ніж так звана неживі природа і явища. Її розгадки ждуть нас попереду. Проте, повернемося до нашої теми про вже накопичені дані.
Стає зрозумілим: не тільки запам’ятати, а й записати куди-небудь відому кількість букв і цифр неможливо. Але, на щастя, робити таке й не потрібно! В цьому й полягає інколи незбагнена гармонія оточуючої нас природи, коли нескінчена різноманітність спостережуваних і принципово дозволених для реалізації природних і штучних ефектів базується на скінченій і досить невеликій кількості основоположних принципів, що звуться законами. Розкрив зміст останніх, вдається не тільки зрозуміти і описати безліч явищ, а передбачити нові, раніше невідомі. Візьмемо хоча б відому систему рівнянь Джеймса Максвелла, що започатковані півтора століття тому, які дали змогу об’єднати розрізнену, на перший погляд, і неосяжну сукупність електричних і магнітних явищ, а також поставити їх на службу людям.
В принципі, основна задача фізики не змінилася – побудувати єдину теорію, яка б в ідеалі містила декілька фундаментальних рівнянь, що описують всі відомі факти, і правильно передбачала б нові. В разі успіху можна було б стверджувати, що фізика неживої матерії створена, але коли це відбудеться і чи відбудеться коли-небудь взагалі, ніхто сказати не в змозі, принаймні тепер. А отже, розгадувати фізичні закони живої природи треба по суті паралельно з побудовою, як кажуть, теорії всього (theory of everything).
Допитливу людину цікавить і інше: а звідки ми це знаємо і чому так впевнені, що все відбувається саме так, як приписує фізика? Скажімо, що в ядрі гелію два протони і два нейтрони, що Земля близька до кулі, що сила тяжіння двох об’єктів пропорційна їх масам, що рівняння Максвелла описують електромагнітні хвилі і багато чого ще. Кожний відповість – з експериментів, які людство давно почало виконувати, відмовившись від простого споглядання природних явищ і замінивши їх спеціально поставленими, свідомими лабораторними дослідами. Вже на рубежі XVI-XVII століть, тобто всього 300-350 років тому, люди прийшли до висновку, що пізнання природи можна і треба робити за приблизною схемою:
спостережуване явище → можливе пояснення → висновки і передбачення → лабораторний експеримент → повна теорія.
Дійсно, після спостереження того чи іншого процесу виникає бажання його пояснити, або висловити припущення/гіпотезу щодо причини появи; потім йдуть висновки і аналіз можливих наслідків, перевірка яких вимагає нових експериментів; якщо передбачення справдилось, наступним є побудова більш-менш повної теорії із застосуванням найбільш сучасної на відповідний момент математики і можливі узагальнення, максимально вільні від конкретики здійсненого. Що стосується передбачень, то це можуть бути і розмірні числа для перевірки вимірюваних величин, і невідомі раніше залежності останніх від тих чи інших зовнішніх параметрів або, нарешті, інколи несподівані зв’язки між ними. Проте не так рідко буває, коли передбачення не справджуються і необхідно повернутися на другий етап, запропонувати чи знайти інше пояснення і ще раз пройти по тому ж шляху, повторюючи це, поки все не стане зрозумілим, а висновки – прогнозованими.
Здавалося б, усе просто, і ланцюжок послідовних дій зрозумілий і виконуваний. Але це так лише на перший погляд, і існує немало прикладів, коли час від його (ланцюжка) початку до кінця забирав століття. Найвідоміший – загальний устрій Всесвіту, схему якого деякі мислителі почали пропонувати задовго до нової ери літочислення, відколи стала панівною Птоломеєва, або геоцентрична, система світобудови. За нею центром світу вважалася нерухома наша рідна планета Земля, а навколо неї «літали» Сонце, інші планети і Місяць.
(1473-1543)
Як це не дивно, але таке уявлення, можна сказати, безтурботно проіснувало більше півтора тисячоліття, але під напором незаперечних спостережень, які поступово удосконалювалися і уточнювалися, все ж почало стикатися з серйозними складнощами, коли передбачення про положення небесних тіл на сферично-подібному небосхилі не узгоджувалися з їх реальним місцеположенням. Саме це примусило польського астронома Ніколя Коперніка у середині XVI-го століття відмовитись від геоцентричної моделі і висунути принципово іншу – геліоцентричну, за якою центром обиралося Сонце, а Земля визначалася лише як одна з планет, що відрізняються розмірами, умовами існування і орбітами.
Ця система, спочатку жорстко заборонена церквою, не тільки вижила, а й стала єдино вірною завдяки блискучим вимірюванням Тихо Браге, які повністю їй відповідали. І тепер геліоцентрична система є загальноприйнятою. В її становленні вирішальну роль зіграв експеримент, який тепер вважається не тільки необхідною складовою, а й критерієм істини, коли йдеться про пізнання. При цьому він стає визначальним, коли призводить не тільки до якісного знання, а і встановлює кількісні співвідношення, тому порівняння обчислень з вимірюваннями – цілком однозначна і при цьому, до деякої міри, рутинна і водночас ключова процедура будь-якого чергового заглиблення в природу речей.
За роки розвитку науки було проведено багато тисяч, якщо не десятки тисяч, експериментів. Про них розповісти неможливо навіть при великому на то бажанні. Але серед них завжди є так звані experimentum cricis – вирішальні (лат.), постановка яких і проведення дали відповіді на глибинні питання свого часу. Визначити їх не тільки не просто, а непосильна задача для будь-кого, включаючи фахівців. Але відповідний відбір може бути здійснений колективно, що для фізичних експериментів фактично було зроблено п’ять років тому однією з найвідоміших світових газет «New York Times», яка провела опитування кількох тисяч фізиків в різних країнах. Кожний з них мав назвати 10 найбільш красивих і важливих для подальшого прогресу експериментів фізичного спрямування. Тому вважаю потрібним для розширення ерудиції кожного читача розповісти про ті експерименти, які таким чином потрапили до чільної десятки.
1. Експеримент Ератосфена Кіренського
Цей експеримент найдревніший з відомих, проведений у ІІІ-му столітті до н.е. бібліотекарем знаменитої Олександрійської бібліотеки, а присвячений був вимірюванню радіусу Землі. По суті тоді не було вимірювальних засобів, але схема експерименту до геніальності проста. Опівдні, в день літнього сонцестояння, у місті Сієні (нині Асуан у Єгипті) Сонце знаходилось у зеніті, а отже предмети не відкидали тінь. Точно в той же час в місті Олександрії, що віддалено на 800 км від Сієну, Сонце вже було відхилено від вертикалі приблизно на 7о, що складає біля 0,02 від повного кола (або 360о). Звідси можна легко обрахувати, що окружність Землі дорівнює 40000 км, а її радіус, відповідно, – 6300 км. Просто неймовірно, що знайдений таким простим способом радіус всього на 5% менше за відомий сьогодні і виміряний найсучаснішими приладами.
2. Експеримент Галілео Галілея
З історії відомо, що до середини XVII-го століття правильною вважалася точка зору Аристотеля, що швидкість падіння тіла залежить від його маси, причому важкіші тіла падають швидше. Ми можемо самі проекспериментувати і пересвідчитися, що дослід начебто відповідає цьому. Спираючись на подібні спостереження, Аристотель і прийшов до висновку, що Земля сильніше притягає більш важкі тіла, тобто й падати вони мають швидше. У дійсності ж, на падіння, як ми тепер знаємо, впливає не тільки сила тяжіння, але і опір повітря, причому співвідношення обох факторів для різних тіл, звичайно, різне, що, врешті решт, і обумовлює невірні висновки з простих, непроаналізованих спостережень.
Галілей вирішив акуратно перевірити припущення Аристотеля, для чого з Пізанської башти кидав гарматне ядро і більш легку мушкетну кулю. А оскільки обидва предмети мали схожу опуклу форму, то опір повітря був для них практично однаковим. Тим самим досліднику вдалося встановити, що, на відміну від твердження Аристотеля, обидва тіла досягають Землі одночасно. Іншою мовою, було експериментально, або однозначно, встановлено: швидкість падіння від маси не залежить, що стало одним з найфундаментальніших факторів для майбутнього розвитку механіки і теорії тяжіння.
3. Ще один експеримент Галілео Галілея
До десятки як третій за рейтингом потрапив і дослід Галілея по вимірюванню інертних сил. Дослідник вимірював відстані, які кулі, що котяться по похилій площині, долали за рівні проміжки часу. Він з’ясував, що якщо час збільшується вдвічі, то кулі проходять вчетверо більшу відстань. Це, в свою чергу, свідчило, що під дією сили тяжіння кулі рухаються прискорено. А це також прямо суперечило відомому і такому, що приймалось на віру майже два (!) тисячоліття, твердженню того ж Аристотеля, про те, що тіла, на які діє сила, рухаються з постійною швидкістю, а якщо діючої сили нема, то вони покояться. Ці результати Галілея пізніше використав Ісаак Ньютон при побудові класичної механіки.
4. Експеримент Генрі Кавендіша
Як відомо закон всесвітнього тяжіння гласить, що сила притягання між двома тілами прямо пропорційна їх масам і обернено пропорційна відстані між ними. Але в цьому законі невідомою залишалася величина гравітаційної константи γ, яка є розмірною. Щоб визначити її треба було виміряти силу притягання між двома тілами з визначеними масами і відомою відстанню між ними. Таке вимірювання надзвичайно складна проблема, бо відповідна сила дуже мала. Так, ми знаходимося в полі тяжіння Землі, відчуваємо його, але, наприклад, як ми притягаємось наповненим самоскидом або ще важчим залізобетонним будинком, абсолютно не знаємо, бо ніякого впливу на нас від такого ефекту немає.
Тонкий чутливий метод вимірювання сили притягання і запропонував співвітчизник Ньютона лорд Кавендіш у 1798 р. Він взяв крутильні ваги, або коромисло з двома кульками, що висить на тонкій легкій нитці. Далі вимірювався зсув цих кульок при наближенні до них більш важких предметів, головним чином, важких куль. Так, ваги реагували на таке збурення, але внаслідок малості прямо виміряти його було також важко. Тому Кавендіш зробив спеціальні дзеркальця, приєднав їх до кульок і спостерігав за світловими зайчиками від них на спеціальній площині, що суттєво підняло чутливість таким чином зробленого пристрою. Цим самим вдалося достатньо точно встановити шукану величину константи і вперше дати досить точне значення маси Землі.
5. Маятник Фуко
Французький фізик-експериментатор Жан Бернар Леон Фуко у 1851 р. зумів запропонувати експеримент, який наочно продемонстрував добове обертання Землі навколо своєї вісі. Для цього, виходячи з положення, що площина фізичного маятника під час його коливного руху залишається у системі відліку, пов’язаною з зорями, постійною, він за допомогою 67-метрового маятника, підвішеного під куполом паризького Пантеону, зумів довести спостерігачу, який стоїть на Землі і обертається разом з нею, як площина коливань поступово відходить від вихідного свого положення в сторону, протилежну напрямку обертання Земної кулі. З цього часу подібні маятники, що повсюдно стали зватися маятниками Фуко, були побудовані у багатьох країнах, а церква вимушена була відмовитись від заборони щодо правильності геліоцентричною будови нашої планетної системи і визнати рухомість Землі. До речі, додам, що нещодавно перший такий маятник запущено в Україні – в НТУУ «КПІ», про що журнал «Країна знань» вже повідомляв.
6. Експеримент Ісаака Ньютона
У 1672 р. Ньютон здійснив просте спостереження, яке описане майже в усіх шкільних підручниках. Зачинивши ставні, тобто затемнивши приміщення, він зробив в них отвір так, щоб сонячний луч був видний, мав окреслену чітку форму, і поставив на його шляху скляну призму, за якою знаходився екран. В результаті, на екрані виникла «райдуга», що свідчила про перетворення так званого білого, або сонячного, світла на декілька кольорових – від червоного до фіолетового. Такий розклад білого пучка світла на декілька інших отримав назву дисперсії.
Насправді, сер Ньютон був не першим, хто побачив це явище. Вже на початку н.е. було відомо, що великі природні кристали, будучи якісними, можуть перетворювати світло на кольорові складові, створюючи щось подібне до райдуги, також до Ньютона деякі дослідники проводили вимірювання дисперсії світла, але це були нерегулярні спостереження без глибоких висновків. Більше того, до Ньютона вважався вірним вислів Аристотеля про домішування до білого світла темряви, коли її більший внесок дає фіолетову гаму, а менший – червоний. Ньютон же серією дослідів з схрещеними призмами довів, що ніяка темрява до світла не додається і ніякого світла не виникає з білості і темності і що кількість світла не перетворюється в якість – колір. Нарешті, основним висновком Ньютона був такий: біле світло є складеним, а складові – всі кольори від червоного до фіолетового. Ми ж можемо лише констатувати, як різні люди, спостерігаючи одне і те ж явище, по-різному його інтерпретують. Ті, хто ставить правильні питання і проводить додаткові, перевірочні експерименти, може прийти до правильних висновків.
7. Експеримент Томаса Юнга
Впродовж багатьох століть, аж до XVII-го, існували уявлення, що світло є нічим іншим, як потоком окремих частинок – так званих корпускул. І хоча явища дифракції та інтерференції спостерігав ще Ньютон (відомі «кільця Ньютона»), загальноприйнятою була точка зору про корпускулярну природу світла.
Водночас, для хвиль було добре відоме явище інтерференції, яке полягає в періодичному підсиленні або послабленні амплітуди коливань двох хвиль, що одночасно існують в просторі. Так, коли хвилі води розходяться від двох кинутих в неї камінців, то там, де ці хвилі зустрічаються, з’являються місця як з амплітудою, меншою за вихідні, так і більшою за них. Але це стосувалося хвиль. Англійський фізик і лікар Юнг у 1801 р. вирішив перевірити, чи притаманне явище інтерференції світлу. Для цього він розпочав експериментувати з його променем, який направлявся на непрозору площину з двома щілинами. Останні як два джерела моделювали ту саму пару каменів, що падали у воду. В результаті, на наступному за площиною екрані дослідник доволі несподівано вперше спостерігав світлову інтерференційну картину, що складалася з переміжних світлих і темних смуг і не могла бути створеною потоком корпускул. Темні смуги відповідали зонам взаємного гасіння хвиль від різних джерел-щілин, а світлі – зонам їх (хвиль) додавання. Таким чином, Юнгу вдалося незаперечно довести хвильову природу світла.
8. Експеримент Клауса Йонсона
Цей дослід був поставлений німецьким фізиком-експериментатором відносно нещодавно, у 1961 р., коли було відтворено вимірювання Томаса Юнга, але для справжніх частинок – монохроматичних пучків електронів. Йонсон також спостерігав картину, аналогічну тій, що бачив Юнг для світла, що яскраво свідчило на користь положень квантової механіки, яка стверджує корпускулярно-хвильовий дуалізм, або змішану природу елементарних частинок.
9. Експеримент Роберта Міллікена
Цей експеримент здійснений у 1913 р., і стосувався природи електричного заряду – дискретна вона або неперервна. Треба зазначити, що уявлення про його дискретність, або, точніше, існування найменшого значення заряду, яке не вже підлягає подрібненню, було висловлене ще на початку ХІХ-го століття і поділялося такими видатними фізиками того часу, як Майкл Фарадей та Герман Гельмгольц. Скажу більше, у фізичний ужиток було введено нове слово «електрон», що позначало деяку частинку – носія елементарного електричного заряду. Проте це означення, значною мірою, залишалося формальним, оскільки ні сама частинка, ні приписаний їй елементарний електричний заряд не були відомі як експериментально зафіксовані.
На рубежі ХІХ-ХХ-го століть, а конкретно – у 1895 р., німецький фізик Вільгельм Конрад Рентген відкрив, що аноди розрядних трубок під дією падаючих на них променів від катодів спроможні генерувати деяке інше випромінювання, яке він назвав Х-променями, а ми називаємо рентгенівським випромінюванням. В тому ж році, француз Жан Батист Перрен зумів експериментально довести, що катодне випромінювання ні що інше, як потік фактично невідомих негативно заряджених частинок. Проте, незважаючи на наявність величезної кількості експериментальних свідчень щодо таких частинок і їх проявів, електрон був гіпотетичним об’єктом, бо ніхто не продемонстрував явища, де б були задіяні окремі електрони.
Це зробив американський фізик-експериментатор Роберт Міллікен, що здійснив вимірювання так елегантно, що його дослід став класичним і тепер використовується як учбовий у лабораторних роботах студентів-фізиків. В чому ж суть цього експерименту? Міллікен розробив метод крапель, за яким навчився ізолювати в проміжку між пластинами конденсатора відносно малу кількість заряджених крапель рідини – як правило, води. Далі, шляхом дії на повітря між пластинами рентгенівськими променями, можна було його (повітря) іонізувати, що, в свою чергу, змінювало заряд крапель.
Коли конденсатор був зарядженим, то за допомогою електричного поля можна було викликати і спостерігати рух завислих крапель вверх, коли ж конденсатор виключався, вони рухались вниз під дією поля гравітації. Почергово включаючи і виключаючи конденсатор вдавалося приблизно біля хвилини вивчати рух кожної з створених крапель окремо, після чого вони випаровувалися. Почавши експериментувати з краплями у 1906 р., Міллікен продовжував робити це з граничною ретельністю впродовж кількох років. К 1909-10 рр. він з великою точністю впевнився, що заряди крапель змінюються виключно дискретно, причому зміни завжди кратні деякій фундаментальній величині , яка і була зіставлена заряду електрона.
Отримані результати вперше доводили дискретний характер заряду, а електрони утверджувалися як реально існуючі частинки. Перше виміряне значення гласило, що за модулем e ≈ 4,89·10-10 електростатичних одиниць, або CGSE. Потім Міллікен замінив воду маслом, що значно збільшило час випаровування, а отже, і час спостережень, який досяг кількох годин. Таке удосконалення дало змогу уточнити заряд до цифри, якій повірив сам дослідник, тому лише у 1913 р. він наважився оприлюднити свої дані, опублікувавши значення e ≈ 4,774·10-10 CGSE.
Без усякого перебільшення дослідження Міллікена стали етапними в розвитку фізики ХХ-го століття, і у 1923 р. він був цілком заслужено відзначений за них Нобелівською премією. Насамкінець, додам, що тепер точним значенням елементарного заряду, або, що те ж саме, заряду електрона, вважається величина e ≈ 4,8032·10-10 CGSE.
10. Експеримент Ернста Резерфорда
Початок ХХ-го століття відзначився бурним розвитком різних напрямів фізики, в активі якої було вже не тільки розуміння атомної будови матерії, а й певні знання про будову самих атомів. Вони вважалися неділимими і такими, що складаються з двох сортів частинок – негативно заряджених електронів і позитивного заряду невідомої природи, так що в цілому атоми були нейтральними утвореннями.
Такі уявлення про позитивно-негативну і по суті змішану природу розподілу заряду в атомній системі були на той час досить розповсюдженими, але не було жодних експериментальних свідчень ні про його просторову густину, ні про фактичні розміри атомів. І взагалі переважна більшість фізиків поділяла погляд видатного англійського фізика-експериментатора Джозефа Джона Томпсона (всесвітньо відомого тим, що у 1897 р. він першим виміряв масу електрона і був удостоєний за це Нобелівською премією 1906 р.), який у 1903 р. запропонував модель атомної будови. Згідно неї атом – це позитивно заряджена сфера, що має діаметр приблизно 10-8 см, з плаваючими всередині електронами.
Так продовжувалося до 1909 р., коли теж англієць і, мабуть, перший фізик-ядерник Ернст Резерфорд не вирішив поставити експеримент, в якому забажав перевірити, а яка ж насправді структура атому. Для цього він використовував відкриті ним відносно важкі і позитивно заряджені α-частинки (їх заряд eα=2e), які прискорювались до швидкостей 20 км/с, і направлялись на тонку золоту фольгу, розсіюючись в ній на атомах золота, що обумовлювало їх (частинок) відхилення від первісного напрямку руху. Воно вимірювалося за спалахами на пластині сцинтилятора, які зумовлювалися падінням на неї розсіяних α-частинок. У цих вимірюваннях, що продовжувалися більше 2-х років, Резерфорд разом з своїми учнями спостеріг безліч (до мільйона) спалахів і переконливо довів, що десь одна з в середньому майже 10000 α-частинок відхиляється на кут, більший за 90о. Останнє свідчило, що в таких актах розсіяння частинка фактично повертає назад, що не могло відбуватися, якщо б атом відповідав достатньо рихлій, нейтральній структурі Томпсона.
Проаналізувавши свої результати і провівши деякі розрахунки, Резерфорд зупинився на моделі, яка найкраще описувала отримані ним дані. Тим самим він висунув планетарну модель атому, що певним чином нагадувала геліоцентричну. За запропонованою Резерфордом планетарною моделлю, атом – це крихітне масивне ядро (аналог Сонця) з розмірами, що не перевищують 10-13 см, з електронами-«планетами», які обертаються навколо нього на орбітах з радіусами 10-8 см.
Такими сучасні фахівці побачили найвизначніші експерименти минулого, які обумовили наш поступ на важкому шляху до правильного пізнання, правильних поглядів на світобудову і природу речей. Впадає в очі, що всі ці досліди були лабораторними в прямому сенсі і не коштували дорого, що принципово відрізняє стару, добру фізику від сучасної, коли експерименти (за малим винятком) коштують надзвичайно дорого і часом навіть не підйомні для однієї, навіть дуже багатої, країни (чого тільки варті наукові космічні апарати, підземні нейтринні лабораторії, багатометрові телескопи, Великий адронний колайдер в Женеві або термоядерний – лише демонстраційний!).
Але без відповідних трат неможливо просуватися вглиб Природи, і фізика невпинно продовжує бурно розвиватися. Вчені пробують краще зрозуміти, що відбувається на настільки малих відстанях, коли атомне ядро не за аналогією, як говорилося, а дійсно стає Сонячною системою, і на настільки великих, де зорі, аналогічні Сонцю, і само воно всього лиш піщинка в нашому неосяжному всесвіті. Ще так багато попереду, що неможливо навіть коротко перерахувати майбутні проблеми, які «стоять» в черзі для розв’язання. Це і нові матеріали з наперед замовленими властивостями, і кімнатно-температурна надпровідність, і робота біооб’єктів, і єдина теорія всіх взаємодій, включаючи гравітацію і так далі, і тому подібне. Близький час, коли запрацює суперкомп’ютер (не виключено – квантовий) за потужністю, подібний до людського мозку. А це теж задача фізики. Тому її, перепрошую за емоційний вислів, не дай Боже, вилучення з шкільних програм може призвести до наслідків, які, чесно кажучи, навіть не хочеться обговорювати…
І останнє, що хотілося б сказати, думаючи про допитливих читачів «Країни знань». Треба твердо знати: фізика – наук молодих, тому починати займатися нею, цікавитись оточуючим світом краще якомога раніше. Тоді можна буде дещо зрозуміти і дізнатися, як і що думають фізики, коли все сприймається відносно легко, навчившись застосовувати фізичні закони в простих ситуаціях. «Правила гри» у фізиці, взагалі кажучи, складні, а оволодіти ними можна і треба, лише завдяки наполегливій, сумлінній і довготривалій праці, яку також ліпше розпочинати в молодому віці, коли сил багато, а пам'ять найбільш свіжа. Але тим, хто обере цей тернистий науково-пізнавальний шлях, забезпечене радісне творче життя з несподіваними інтелектуальними проривами на чудовому емоціональному підґрунті.
В.М. Локтєв, академік НАН України
заслужений діяч науки і техніки України, лауреат двох Державних премій України в галузі науки і техніки
![Математика: проблеми теорії чисел [2]](/images/202404ua/numbers-theory.jpg)
![Теоретична фізика: яка вона [2]](/images/202504ua/theoretical-physics.jpg#joomlaImage://local-images/202504ua/theoretical-physics.jpg?width=850&height=587)
Засновник та видавець