Страница 15 из 55
Нетрудно сообразить, что в случае, когда v›c', есть такой угол излучения, при котором волны, идущие от всех участков траектории, складываются. Угол 0 просто связан со скоростью электрона и показателем преломления: cos в = c'/v. Именно под этим углом и происходит излучение Черенкова - Вавилова.
Подобное явление, но не для света, а для звука, было обнаружено в прошлом веке Эрнстом Махом. Пуля, движущаяся со сверхзвуковой скоростью, излучает звук под углом, косинус которого равняется отношению скорости звука к скорости пули (угол Маха). Такое же излучение звука происходит и при движении сверхзвуковых самолетов.
В 1937 году Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк поняли, в чем физическая причина явления, названного излучением Черенкова - Вавилова, и построили его количественную теорию. Определяя угол, под которым происходит излучение, можно найти скорость заряженной частицы. Поэтому излучение Черенкова - Вавилова оказало большое влияние на экспериментальную физику высоких энергий - появился способ определять с большой точностью энергию, например,
протонов, участвующих в столкновениях элементарных частиц.
В 1958 году И. Тамм, И. Франк и П. Черенков получили Нобелевскую премию «за открытие и интерпретацию эффекта Черенкова».
А вот как было открыто явление сверхтекучести академиком Петром Леонидовичем Капицей в Институте физических проблем АН СССР в 1937 году.
Изучались свойства жидкого гелия при низких температурах. Было известно, что при температурах, меньших 2,2 градуса Кельвина (-270,8 градуса Цельсия), жидкий гелий переходит в другую модификацию - гелий II, с совершенно другими свойствами. Голландский физик Биллем Кеезом обнаружил, что гелий II имеет теплопроводность в Ю6 большую, чем медь, что уже само по себе очень странно. Затем обнаружилось, что у гелия II аномально малая вязкость - в 103 раз меньшая, чем у воды. А микроскопический механизм теплопроводности и вязкости очень схож, и при большой теплопроводности всегда возникает и большая вязкость. Теплопроводность определяется скоростью передачи от слоя к слою тепловой энергии, а вязкость - скоростью передачи количества движения. Чем больше одно, тем больше и другое, а у гелия все получалось наоборот.
Размышления над этим парадоксом привели Капицу к идее, что никакой «сверхтеплопроводности» нет, что большая теплопроводность, обнаруженная Кеезомом, обусловлена потоками, возникающими в гелии II из-за того, что он находится в состоянии сверхтекучести. В этом состоянии жидкий гелий может проходить через трубки без всякого трения. Поэтому достаточно самой малой неоднородности плотности, возникающей при разности температур, чтобы под влиянием силы тяжести появились потоки, переносящие тепло.
Чтобы эта идея превратилась в достоверную истину, Капице понадобилось поставить десятки тончайших экспериментов. Первоклассный экспериментатор, он обсуждал свои опыты с первоклассным теоретиком Львом Давыдовичем Ландау. Теория и эксперимент стимулировали друг друга. Благодаря этому взаимодействию Ландау создал одну из лучших своих работ - теорию жидкого гелия II, с помощью которой удалось количественно описать все обнаруженные Капицей экспериментальные факты.
Ощущение красоты
Из этих примеров видно, какую роль в науке играет способность удивляться. Но, что еще более важно, они дают некоторое представление о красоте науки! Из незаметных на первый взгляд фактов после глубоких размышлений возникают неожиданные и важнейшие следствия. Слабое свечение неба заставляет пересмотреть наши взгляды на геометрию мира; закон сохранения энергии и равномерность хода времени оказываются теснейшим образом связанными; к электромагнитному полю применяются законы, найденные при изучении атомов нагретого газа, и это приводит к заключению, совершенно чуждому классической механике, - энергия электромагнитного колебания может изменяться только дискретными порциями…
Логическую взаимосвязанность результатов науки выразил выдающийся немецкий математик Давид Гильберт: «Разрешите мне принять, что дважды два - пять, и я докажу, что из печной трубы вылетает ведьма». Красота науки и в логической стройности, и в богатстве связей. Ощущение красоты помогает проверять правильность результатов и отыскивать новые законы. Это ощущение - отражение в нашем сознании гармонии, существующей в природе.
Понятие красоты настолько важно в науке, что мы еще много раз будем к нему возвращаться.
Умение чувствовать красоту вместе со способностью удивляться должно определять выбор научной профессии.
Нильс Бор сказал: «Специалист - это тот, кто знает некоторые привычные ошибки в данной области и умеет их избегать».
ПОДВОДНЫЕ КАМНИ
Господь Бог изощрен, но не злонамерен.
Надпись на камине у Эйнштейна
Поговорим о самых распространенных и существенных психологических ошибках, затрудняющих научную работу.
«Важнее как размышлять, чем о чем размышлять» (И.-В. Гёте)
На первой стадии работы, когда надо раздуть пламя, которое вот-вот погаснет, поиски доводов, подтверждающих принятую точку зрения, иногда необходимы. Но как только работа начала оформляться, успокаивающие соображения приносят только вред. И главной становится задача найти опровергающие факты. Доводы «за» находятся сами собой, без сознательных усилий.
Стремление обязательно сделать открытие очень часто приводит к выискиванию успокоительных аргументов и даже к невольной подтасовке фактов.
Вот случай, когда ничтожная недобросовестность в обработке экспериментальных данных, накапливаясь, привела к совершенно неправильному результату. Изучалось распределение по энергиям числа альфа-частиц, вылетающих из ядер при альфа-распаде. Или, иными словами, - энергетический спектр альфа-частиц. Он состоит из резких максимумов. Нетрудно сообразить, что разница между энергиями максимумов дает возможные значения энергии возбуждения ядра, получающегося после альфа-распада (дочернее ядро).
В эксперименте обнаружились равностоящие по энергии группы альфа-частиц. Это означало, что одинаковы интервалы между соседними энергетическими уровнями дочернего ядра. Результат был полной неожиданностью и противоречил существующим представлениям о структуре ядра.
Экспериментаторы попросили теоретиков дать объяснение. Это был один из тех редких случаев, когда можно гордиться, что теорию не удалось построить - дальнейшая проверка не подтвердила полученного экспериментаторами результата. Оказалось, что в начале измерений случайно получились кривые с равноотстоящими энергиями альфа-частиц. Необычный результат так взволновал экспериментаторов, что каждый раз, когда он не подтверждался, они проверяли напряжение в сети, и если оно отличалось от нормы, отбрасывали результат измерений. Такая проверка делалась только при получении нежелательного результата. Благодаря большой статистике небольшая дискриминация привела к равноотстоящим с большой точностью значениям энергии альфа-частиц. Случилось это в лаборатории экспериментатора, завоевавшего себе имя добросовестными работами, а в этом случае потерявшего контроль над действиями менее опытных сотрудников. Не бывает добросовестности первого или второго сорта, добросовестность одна - безупречная. Как говорил Воланд в «Мастере и Маргарите» Булгакова: «…свежесть бывает только одна - первая, она же и последняя».
Признаки «великого открытия»
Стремление во что бы то ни стало сделать открытие, совершить переворот в науке часто уводит человека за пределы его реальных возможностей и порой кончается грустно, а то и трагически. Известно, что физические институты выделяют дежурных сотрудников для ответов авторам «великих открытий». Эти «открытия» имеют общие черты:
1. Перевороту подвергается не какой-либо один вопрос, а сразу все результаты современной науки.
2. Автор не имеет профессиональных знаний в данной области.