10 Klasycznych eksperymentów z zakresu fizyki, które każdy powinien znać
Skoro ma być chronologicznie, to na początek musimy cofnąć się ponad 2 tysiące lat wstecz, by w III wieku przed naszą erą spotkać się z mędrcem z greckiej kolonii w północnej Afryce - Eratostenesem. Jak dość powszechnie wiadomo, ówcześni Grecy (w przeciwieństwie do współczesnych ? ) stanowili elitę intelektualną Świata, wystarczy przytoczyć takie postaci jak Archimedes, Sokrates, Arystoteles i wielu innych. Jednak mało kto zdaje sobie sprawę, że wśród starożytnych Greków, wieki przed Kopernikiem, rozważany był pogląd o kulistości Ziemi. Teoria ta, forsowana przez uczniów i następców Pitagorasa, zainspirowała zapewne Eratostenesa do oszacowania obwodu naszej planety. Sama zasada pomiaru była nadzwyczaj prosta: znając odległość pomiędzy Aleksandrią oraz dzisiejszym Asuanem, oraz zakładając (z niewielkim błędem) że oba te miasta leżą na tym samym południku, zmierzył on i porównał miary kątów pod jakimi padały w nich w tym samym dniu roku promienie słoneczne. Dzięki temu, przyjmując (słusznie), że Słońce jest tak odległe iż w obu tych miejscach promienie są praktycznie równoległe, podał on oszacowanie obwodu Ziemi jako około 40 tys. km (faktycznie jest to średnio 40 041 km). Jak więc widać zdawałoby się prymitywne metody geometryczne mogą dać oszałamiająco precyzyjne wyniki.
1800 lat później, na przełomie XVI i XVII wieku, gdy większość ludzi cały czas uważała jeszcze, że Ziemia znajduje się w centrum Wszechświata, Galileo Galilei, zwany Galileuszem, zrzucając z (już wtedy) Krzywej Wieży w Pizie (swoją drogą, można przekuć ewidentny bubel architektoniczny w sukces? No można!) kule o różnych masach i mierząc czasy ich spadania, udowodnił, że (pomijając opory powietrza) czas opadania ciał o różnej wadze jest taki sam, obalając wcześniejszy pogląd, jakoby cięższe przedmioty spadały szybciej.
Ten sam Galileusz, przeprowadzając niewiele później doświadczenie ze staczaniem kul po równi pochyłej, obala też starą tezę o stałości prędkości toczącego się ciała kulistego. Eksperyment ten, tak jak i poprzedni, dowiódł też, że zwiększanie prędkości przez spadające/toczące się obiekty nie ma żadnego powiązania z ich ciężarem.
Kilkadziesiąt lat po Galileuszu na arenę dziejów wkracza Isaac Newton, znany głównie jako ojciec teorii grawitacji. Jednak to nie z jej powodów znalazł się on w tym zestawieniu. Już na długo przed Newtonem znano pojęcie pryzmatu i jego zdolność do rozszczepiania światła białego w tęczowy pasek. Zakładano jednak, że fakt ten jest jakąś szczególną własnością pryzmatu, a nie światła jako takiego. Dopiero Newton, w ramach którego szerokich zainteresowań znajdowała się także optyka, jako pierwszy „składając” ponownie rozszczepione na pryzmacie światło w wyjściowy biały promień wykazał bezsprzecznie iż światło białe jest tak naprawdę mieszanką wszystkich kolorów.
Oświecenie, to jak wiadomo (przynajmniej w teorii) czas dominacji racjonalnego rozumu i nauki. Do osiągnięć epoki zaliczyć można m. in. opracowanie Wielkiej Encyklopedii Francuskiej, pierwszy lot balonem czy wprowadzenie przez Linneusza systematyki gatunkowej świata ożywionego. Skoro starożytni Grecy byli w stanie oszacować obwód Ziemi, godnym wyzwaniem dla naukowców epoki było podanie jej masy. Problem ten podjął Henry Cavendish, zapraszając nas jednocześnie w świat współczesnych metod badawczych. Przy pomocy wagi skręceń, pozwalającej zmierzyć siłę przyciągania pomiędzy kulami o znanej masie, podał on w 1798 roku w oparciu o prawo powszechnego ciążenia masę Ziemi, a więc pośrednio wyznaczył też stałą grawitacji G. Warto zaznaczyć, że obliczona pod koniec XVIII wieku przez Cavendisha masa Ziemi różni się od wartości przyjmowanej obecnie jedynie o około 1%.
Wiek XIX rozpoczynamy z Thomasem Youngiem, który w 1801 roku postanowił raz na zawsze rozstrzygnąć spory na temat natury światła widzialnego (określić czy jest ono strumieniem cząsteczek, czy też falą). Wykonując swoje doświadczenie ze źródłem światła i 2 szczelinami, obserwując przy tym charakterystyczny obraz interferencyjny, dowiódł on jego falowego charakteru. Na dłuższą metę nadzieje Younga okazały się jednak daremne, zaobserwowane przez niego prążki interferencyjne nie rozwiały wszystkich wątpliwości dotyczących właściwości światła, a problem ten był jeszcze wielokrotnie poruszany w XX wieku w toku badań kwantowych. Współcześnie zgodnie z koncepcją dualizmu korpuskularno-falowego przyjmuje się, że promień świetlny może być traktowany jednocześnie jako porcja fal elektromagnetycznych o określonej częstotliwości oraz strumień cząsteczek pozbawionych masy – fotonów.
W połowie XIX wieku teoria heliocentryczna, zakładająca kulistość Ziemi, była już powszechnie obowiązującą. Brakowało jednakże cały czas bezsprzecznych dowodów potwierdzających ruch naszej planety dookoła własnej osi. Dostarczył ich dopiero Jean Foucault, który powiązał zmiany płaszczyzny ruchu wahadła swojego imienia z ruchem obrotowym Ziemi.
Przełom XIX i XX wieku to okres powszechnego zainteresowania elektrycznością. W latach 1909-11 Robert Millikan podjął się żmudnej i zapewne nudnej pracy doświadczalnej, polegającej na badaniu ruchu rozpylonych w polu elektrycznym kropel oleju, która to doprowadziła finalnie do wyznaczenia przez niego wartości elementarnego ładunku elektrycznego.
Równolegle do Millikana, w Manchesterze, słynny eksperyment, który wykazał istnienie dodatnio naładowanego jądra atomowego, przeprowadzili naukowcy pod kierownictwem Ernesta Rutherforda. Polegał on na bombardowaniu cienkiej złotej folii cząstkami alfa i analizie torów lotu tych cząstek po kontakcie z folią. Okazało się, że co prawda zdecydowana większość cząstek alfa przechodzi bez przeszkód przez folię, jednakże bardzo niewielki ich ułamek odbija się od niej, co sugerowało istnienie w obrębie atomów (w tym przypadku złota) dodatnie naładowanego ośrodka o bardzo małych rozmiarach (czyli jądra). Wyniki te pozwoliły Nielsowi Bohrowi stworzyć podstawowy, planetarny model atomu oraz odrzucić wcześniejszy model Thomsona.
Ostatni z wybranej 10 eksperymentów to potwierdzenie tezy o tym ile znaczy w nauce przypadek. W 1927 roku 2 pracownicy amerykańskiego laboratorium Bella, Davisson i Germer, jak zwykle zajmowali się swoją pracą zawodową polegającą na m. in. badaniu zachowania się powierzchni metalowych wystawionych na działanie wiązek elektronów. Podczas, jak się okazało później, kluczowego eksperymentu z niklem, powierzchnia analizowanego metalu uległa przypadkowemu utlenieniu. By temu zaradzić, w celu usunięcia tlenku, postanowiono ją podgrzać. Zamiar ten został osiągnięty, jednakże przy okazji zmienił się też charakter niklowej powierzchni – powstał duży monokryształ, który to bombardowany elektronami odbijał je w taki sposób, że na ekranie będącym detektorem odbitych elektronów ukazał się obraz przypominający prążki interferencyjne. W ten sposób amerykanie przypadkiem i niezamierzenie potwierdzili postawioną parę lat wcześniej przez de Broglie’a hipotezę o falowej naturze elektronu, będącą 1 z podstaw mechaniki kwantowej.
Na koniec warto jeszcze choćby chwilę poświęcić na przytoczenie 3 dodatkowych eksperymentów dla których zabrakło miejsca w wymienionej 10, a będących moim zdaniem niewątpliwie kamieniami milowymi nauki. Pierwszy z nich to powrót do czasów starożytnej dominacji greckich umysłów i spotkanie z Archimedesem, który wykrzykuje słynne eureka! po odkryciu prawa wyporu. Na drugi zapraszają do Niemiec panowie Hahn i Strassmann, którzy w 1938 roku bombardując neutronami atomy uranu dokonali przypadkiem pierwszego sztucznego rozszczepienia jądra atomowego. A na koniec wizyta w Wiedniu, gdzie w 1935 roku jeden z ojców mechaniki kwantowej, Erwin Schroedinger, wchodzi do powszechnej świadomości ludzi jako ten, który tłumacząc zawiłości kwantowego świata w ramach eksperymentu myślowego zastanawia się nad życiem (śmiercią?) swojego kota.
LF
