Блэкетт. Искусство экспериментальной физики, ч. 1

Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт. Искусство экспериментальной физики, 1933.

Было много написано о том, что открыл физик-экспериментатор. Поскольку он изменил привычный уклад благодаря своему сильному любопытству и желанию узнавать о малоизвестных вещах, многие из его открытий стали общеизвестными. Но его метод экспериментальных открытий, то, как он работает и мыслит, гораздо менее известен. Возможно, это связано с разнообразием этой работы. Ведь физик-экспериментатор - разносторонний мастер на все руки, хоть и любитель. Он должен выдувать стекло и обрабатывать металл, хотя он не смог бы зарабатывать себе на жизнь стеклодувом и никогда не считался бы квалифицированным механиком; он должен плотничать, фотографировать, прокладывать электрические цепи и быть мастером всевозможных приспособлений; он может получить бесценную подготовку инженера и всегда сможет добиться успеха, используя свои математические способности. Такими видами деятельности он будет заниматься три четверти своего рабочего дня. В остальное время он должен быть физиком, то есть он должен познавать физический мир. Но ни в одном из этих видов деятельности, взятых по отдельности, ему не нужно быть выдающимся, и уж точно не как ремесленнику, поскольку он редко достигнет большего, чем любитель; и даже в своих знаниях в своей узкой области физики он не нуждается и, возможно, даже не может превзойти знания какого-нибудь теоретика. Ибо физик-теоретик не тратит долгие часы в лаборатории, что отвлекало бы его от учебы, и в целом ему следует приписывать, по крайней мере, такую же физическую интуицию и, безусловно, большие математические способности. Физик-экспериментатор должен быть в достаточной степени теоретиком, чтобы знать, какие эксперименты стоит проводить, и в достаточной степени мастером, чтобы уметь их проводить. Он выдающийся только в том, что способен делать и то, и другое.

В прежние времена, когда только начиналось систематическое исследование природных явлений, от натурфилософа требовалось немногим больше технических навыков, чем от разнорабочего; а из математики хватало простой алгебры и тригонометрии. Но к явлениям, оставшимся неисследованными за три столетия исследований, можно приблизиться только с помощью узкоспециализированной техники; понять их можно только в свете абстрактной по существу теории. Чтобы знать, какой эксперимент проводить, требуется глубокое знание современной физической теории; а для проведения эксперимента необходимы высокие технические способности.

В технике экспериментальной физики происходят быстрые изменения. Постоянно изобретаются новые методы, и каждый новый технический скачок расширяет наши знания о физическом мире, делая возможными эксперименты, которые раньше были технически невозможны. Частично эти изменения происходят внутри самих лабораторий, в результате технических инноваций учёных - как тех, кто занимается фундаментальными исследованиями, так и других, которые, возможно, специализировались на изучении одного метода, мало заботясь о результатах, которые могут быть получены при его использовании. Но в значительной степени на технику физика-экспериментатора влияют технические достижения промышленности; и связь эта взаимная. Открытие, сделанное в лаборатории за одно десятилетие, приводит к развитию промышленности в следующем. А чисто коммерческие продукты отрасли могут предоставить готовые инструменты для расширения области технически возможного. Беспроводной клапан и фотопластинка являются примерами незаменимых вспомогательных средств для современных исследований, которые были быстро доведены промышленным спросом до уровня совершенства, который был бы далеко за пределами возможностей исследовательской лаборатории.

Поскольку промышленность постоянно выпускает новую продукцию, лаборатория должна быть в курсе этих разработок, поскольку более чувствительная фотопластинка или клапан с новыми характеристиками могут сделать возможным или легким то, что раньше было невозможным или трудным. Конечно, не все физические исследования требуют применения новейших усовершенствований техники; но любые эксперименты, которые могут быть успешно проведены с помощью рутинного применения хорошо зарекомендовавших себя методов, вероятно, не приведут к стоящим результатам или, во всяком случае, останутся далеко от основного направления современного прогресса. Поскольку число способных работников, разбросанных по всему миру, настолько велико, а их знакомство, как через литературу, так и через личные контакты, с работой друг друга настолько близко, что шансов на то, что важный, но простой эксперимент надолго останется неосуществленным, может быть очень мало.

Техническое оснащение, требуемое экспериментатору, сильно варьируется в зависимости от области его исследований, и, наоборот, его выбор предмета часто в основном определяется его особыми способностями. Если он одарен как стеклодув, его интерес обратится к экспериментам, в которых он сможет эффективно использовать свои навыки. Если он обучен как инженер, он сможет решать проблемы, требующие тяжелого и сложного оборудования для их решения. Но в какой бы области он ни работал, он должен стать работником средней, но не обязательно высокой квалификации. Он должен спроектировать свой аппарат, и в большинстве случаев он также должен сам сконструировать большую его часть. Лаборатории различаются по степени доступности помощи профессиональных стеклодувов, механиков и лаборантов общего профиля, но организация и традиции большинства английских исследовательских лабораторий требуют, чтобы экспериментатор полагался в основном на свои собственные ресурсы. Возможно, не будет преувеличением связать эту традицию с модой на практические хобби, которая уже в последней четверти девятнадцатого века привела к появлению таких типичных публикаций, как периодическое издание "Любительское дело". Здесь можно было найти советы о том, как создать свой собственный орган, переплести свои книги или сконструировать сто один предмет для использования или развлечения. Так что, возможно, английская экспериментальная физика черпала силу в социальных традициях и моральных принципах, которые заставляли растущий благополучный средний класс проводить досуг дома, а не в кафе.

Конечно, труден путь исследователя, который в какой-то степени не получает удовольствия от полезной работы ради нее самой. Каким бы сильным ни был его теоретический интерес к проблеме, которую ему предстоит исследовать, он может испытывать определенную тревогу, когда ему отводят комнату, в которой, возможно, нет ничего, кроме стола, паяльной трубки и нескольких инструментов. Часто может пройти два года, прежде чем появятся определенные результаты; два года, потраченные на плотницкие работы, обработку металлов, выдувание стекла и прокладку электрических цепей. Даже когда устройство готово, бесконечная череда мелких трудностей и неудач может отсрочить его успешное использование. Стеклянная трубка может треснуть за одну ночь; один волосок может привести к короткому замыканию электрометра; нить накала может перегореть; а сбой подачи воды может вывести из строя сложный прибор. Но едва ли не самые серьезные испытания терпению экспериментатора связаны с неполадками, и значительная часть его времени часто тратится на их поиск. Однажды слышали, как один экспериментатор жаловался: "Я потратил два дня на то, чтобы утечка могла быть совсем незначительной; а теперь мне нужна неделя, чтобы ее найти". Если экспериментатор не находит удовольствия в такой деятельности, то есть если он не склонен к такому ремеслу, большая часть его работы должна быть утомительной.

Взятые по отдельности, качества рук и ума, необходимые для того, чтобы стать хорошим физиком-экспериментатором, не редкость. Но сочетание этих способностей в одном человеке с подходящим темпераментом, позволяющим использовать их в полной мере, встречается редко. Многие теоретически одаренные студенты могут потерпеть неудачу, учась быть экспериментаторами, из-за неуклюжих пальцев; а мастер эксперимента может не знать, какие эксперименты стоит проводить в первую очередь, и не ценить значимость того, что он сделал. Экспериментатор никоим образом не должен быть мастером на все руки. Но хороший исследователь должен обладать способностью спроектировать устройство, которое может работать, и фактически заставить его работать. Он должен уметь быстро выявлять неисправности и должен быть в состоянии оценить различные возможные причины сбоя. Эту способность трудно приобрести, кроме как непосредственно используя ту или иную аппаратуру; и в процессе обучения работе в лаборатории ловкость рук играет важную роль. Но как только появляется опыт, практическая работа отходит на второй план. Чем больше у экспериментатора способности интуитивно понимать, как устроен его прибор, тем меньше ему требуется применять навыки ручного труда.

Этот традиционный любительский метод исследования естественным образом приводит к предпочтению самого простого из возможных приборов. На заре изучения свойств радиоактивных тел многие важные исследования проводились с помощью устройства немногим большего, чем электроскоп, состоящего из кусочка сусального золота, подвешенного к шарику серы, прикрепленному к внутренней стороне жестяной банки. Оптический прибор из картона с дешевыми линзами, прикрепленными к пробкам с помощью воска, часто будет столь же эффективен, как дорогой телескоп и точный оптический стенд, и часто может оказаться предпочтительным как из-за простоты переделки, так и из-за практического понимания сути эксперимента, которого требует его использование. Но сегодня осталось немного экспериментов, для которых не требуется аппаратура определенной сложности; и много таких, которые требуют столь совершенных технических устройств, что требуют немало ресурсов от одного экспериментатора. В некоторой степени трудности преодолеваются командной работой. Сотрудничество инженера-электрика, химика-радиоактивщика и эксперта по клапанным схемам может сделать возможным эксперимент, который нельзя было бы провести в одиночку.

Как только выбран объект исследования и в общих чертах обрисован метод, экспериментатор должен собрать свой прибор. Частично это будет заключаться в установке стандартных частей прибора - гальванометров, магнитов, клапанов, спектроскопов и тому подобного. Эта деятельность часто носит рутинный характер. Но эти стандартные инструменты обычно являются вспомогательной частью какого-либо устройства, требующего изрядной изобретательности и мастерства экспериментатора. По крайней мере, эту часть устройства он спроектирует сам, а скорее всего он её и изготовит.

Большинство современных экспериментов используют вакуумную технику, и ее трудно стандартизировать. Часто сложные механизмы приходится помещать в стеклянные сосуды, а затем откачивать воздух и нагревать при температуре в несколько сотен градусов по Цельсию. Иногда такое устройство можно полностью запечатать в цельностеклянный сосуд, но для этого требуется исключительное мастерство стеклодува или обращение к профессионалу. После завершения работы малейшее изменение может привести к нескольким неделям починки. Таким образом, обычно устройство такого типа изготавливается из секций, которые соединяются друг с другом и герметизируются в устройство с помощью консистентной смазки или цемента. Любопытно, что самый популярный вакуумный цемент, доступный в течение многих лет, должен был быть материалом, широко используемым совсем для других целей. В свое время в английской лаборатории было бы трудно найти механизм, в котором в качестве вакуумного цемента не использовался бы сургуч из банков Англии. Если сейчас его меньше, то заменил его не какой-то усовершенствованный продукт кропотливых исследований, а обычный пластилин. Вряд ли возможно преувеличить важность таких простых технических вопросов, какими бы тривиальными они ни казались. Например, в недавнем исследовании распада элементов быстрыми протонами потребовалось изготовить несколько очень больших разрядных трубок. Строение этих трубок отличается любопытной тонкостью. Точная форма и положение электродов имеют большое значение и могут быть определены только методом проб и ошибок. Изготовление готовых трубок, особенно коммерческими фирмами, обошлось бы очень дорого, и задержка на много недель могла бы возникнуть из-за необходимости внесения каких-либо тривиальных изменений в электроды. Даже для того, чтобы скрепить эти трубки сургучом, потребовалось бы соорудить печь высотой около пятнадцати футов, чтобы нагреть трубки до температуры размягчения воска, и на нагрев и последующее охлаждение потребовалось бы много часов. Но использование пластилина в качестве герметизирующего материала настолько упростило всю технологию, что, когда, например, перегорает нить выпрямителя, большие трубки можно разобрать, заменить нить накала, трубки снова установить и запечатать, и через час снова получить рентгеновский вакуум.

Скорость, с которой может быть выполнено изменение устройства, является вопросом первостепенной, а не второстепенной важности. Если для проверки идеи требуется работа в течение нескольких дней, её могут сделать; если работа займёт неделю, можно обойтись без неё. Поэтому, даже когда доступна профессиональная помощь, многие экспериментаторы предпочитают изготавливать свои собственные приборы, пусть и не слишком умело. Очень часто это намного быстрее: если потребуется помощь механика, придется делать чертежи в масштабе - исследователю проще сконструировать небольшую часть сложного устройства, чем сделать его чертеж. Конструирование аппаратов нового типа - это ремесло, которому следует обучаться как в мастерской, так и в чертежном бюро. Только после того, как экспериментатор преуспеет в изготовлении, он может точно сказать, что он хочет сделать. Ибо он не может знать, что он хочет сделать, не зная свойств материалов, чтобы можно было в полной мере оценить их свойства.

Было бы интересно, если бы мы могли оценить влияние, которое оказали на историю физики более или менее случайные свойства легкодоступных веществ. Насколько отстала бы физика, если бы не было таких бесценных материалов, как стекло и резина - или если бы металлическая ртуть не обладала особым свойством оставаться жидкостью при обычных температурах?

Очевидно, что эксплуатационные характеристики инженерного сооружения, такого как самолет, напрямую зависят от прочности материалов, доступных для его изготовления. Но верно и то, что наши знания о природе ограничены свойствами материалов, доступных для изготовления экспериментальных устройств. Почти в каждом эксперименте есть какая-то часть, которая устанавливает предел производительности целого, и которая делает это за счет того, что уже до предела использовала свойства доступных материалов. Прочность кварцевого волокна или целлофанового стекла, напряжение пробоя трансформаторного масла или проницаемость железа для насыщения являются типичными факторами, которые устанавливают пределы нашим знаниям о природных явлениях, и именно на преодоление этих ограничений - как за счет изобретательности в дизайне, так и за счет открытия новых материалов - уходит большая часть времени экспериментатора.

Эта зависимость наших знаний от мастерства наших рук приводит к тому, что история науки тесно связана с историей практической техники. Чтобы знать больше, необходимо приобрести больше навыков в использовании старых инструментов и материалов, а также в разработке новых. Например, если мы хотим заглянуть дальше в отдаленные уголки космоса, требуются новые методы изготовления зеркал телескопов-отражателей. Возможно, уже изготовлен практически самый большой из возможных стеклянных отражателей; если будет найдено возможным использовать плавленый кварц для этой цели, возможно, удастся изготовить телескопы еще большего размера и, таким образом, видеть еще дальше.

Можно было бы привести много случаев, особенно в области оптики (где для создания приборов требуется особенно высокая степень мастерства), когда был запланирован эксперимент, но пришлось много лет ждать, пока будет приобретен навык для его проведения. С момента, когда Физо предложил интерференционный метод измерения углового диаметра звезд, до успешного применения этого метода Майкельсоном прошло более пятидесяти лет.

После изобретения нового метода или инструмента прогресс часто происходит быстро. Затем, когда достигнут предел его полезности, исследование может быть приостановлено в ожидании изобретения какого-либо нового устройства, которое позволит продвинуться дальше. Примером этого может служить роль, которую играет сцинтилляционный метод обнаружения альфа-частиц, и то, что он исчерпал себя - до того момента, когда для решения проблем атомов стало возможным применение беспроводного клапана. Сцинтилляционный метод столь прост и изящен, а эксперименты, ставшие возможными благодаря ему, оказали столь глубокое влияние на физику, что стоит описать его более подробно. Фактически именно с использованием сцинтилляций были проведены эксперименты, на основе которых в 1911 году Резерфорд основал ядерную теорию атома, и этот метод почти непрерывно использовался в Кавендишской лаборатории с 1919 года, когда он стал Кавендишским профессором экспериментальной физики и инициировал интенсивное экспериментальное изучение атома и строение его ядра.

О замечательных результатах, которые были получены в результате этих исследований, нет особой необходимости писать; теперь они являются частью великой системы наших знаний о физическом мире, и об этом многое недавно было блестяще написано. Но будет дано описание некоторых технических методов, которые сделали эти открытия возможными.