Наука — дело тонкое. Одно дело, вывести теорию, другое — её доказать, причём правильным путём. Сколько великолепных идей ожидает своего часа (взять ту же знаменитую Теорию струн) из-за несоответствия наших возможностей с планами. Мы расскажем о 5 любопытных опытах, проводившихся в разное время — от древних веков до наших дней, с помощью которых учёные смогли вписать свои имена в историю.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №6. Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Существует миф, что в древности люди поголовно верили в то, что Земля плоская. На самом деле это не так: греческим учёным давно была известна форма нашей планеты. Первым учёным, который смог это доказать, стал математик и астроном Эратосфен Киренский. Дело происходило в III веке до нашей эры. Путешествуя по разным городам, Эратосфен заметил, что длина теней, которые отбрасывают предметы, в одно и то же время бывает разной. 

Решив выяснить, в чём дело, Эратосфен выявил, чему равен радиус Земли. Учёный знал, что из-за громадного расстояния от Земли до Солнца, лучи последнего достигают и Сиены, и Александрии (города, которые он взял для изучения) параллельными лучами. Если бы Земля была плоской, то тени исчезали бы на ней повсеместно 21 июня. Но так как Земля искривлена,— рассуждал он,— то в Александрии, удалённой от Сиены на 500 миль, местные стены и колонны будут стоять под определённым углом относительно сиенских. 

В полдень первого дня лета Эратосфен измерил длину тени, отбрасываемую колонной. Уже зная высоту колонны, он смог легко вычислить длину линии, соединяющей вершину и конец тени, ведь получился прямоугольный треугольник. С помощью теоремы Пифагора учёный нашёл, что угол отклонения колонны от солнечного луча составляет чуть больше 7 градусов. Так как в Сиене вертикальные предметы не отбрасывали тени, то угол между ними и солнечным лучом составлял ноль градусов. Это значило, что Александрия «отклоняется» от Сиены на 7 градусов. Такой угол между городами — это 1/50 часть окружности (как мы помним, окружность содержит 360 градусов, а разделив 360 на 7, мы получим примерно 50). Эратосфен умножил расстояние между Сиеной и Александрией — 500 миль на 50, и получил значение окружности Земли. Оно оказалось равным 25 тысячам миль. Погрешность этого расчёта составляет всего лишь 5%.

Впрочем, и в ХХI веке есть те, кто упорно отрицает факт округлой формы планеты. Сейчас этих людей (например, Общество плоской Земли) уже никто не воспринимает всерьёз, но в 1870 году ещё были сомнения. Джон Хэмден, автор книги о плоской Земле, дал объявление в газете, что заплатит 500 фунтов тому, кто сможет с помощью несложного опыта доказать, что планета имеет форму шара. Первым вызвался учёный, географ и натуралист Альфред Рассел Уоллес.

Альфред нашёл прямой канал длиной 6 миль, в конце и начале которого были установлены мосты. На одном из них и был установлен в горизонтальном положении пятидесятикратный телескоп. А ровно между мостами, в реке, была установлена жердь с чёрным кругом на конце. На противоположном мосту была повешена доска, с чёрной горизонтальной полосой. Все предметы опыта находились на одном уровне.

Если Земля — диск, то, глядя в телескоп, наблюдатель должен был увидеть совпадение круга и чёрной полосы. Разумеется, в реальности круг оказался выше линии, потому что Земля выпуклая.

На эксперимент Хэмден даже не приехал, отправив секретаря. Выплачивать выигрыш он также отказался, но Рассел подал в суд и в итоге он выиграл. Правда, думается, что судебные издержки обошлись учёному дороже, чем в 500 фунтов.

Процессы, происходящие в жидкостях, досконально не изучены по сей день. К примеру, уравнение Навье-Стокса о движении вязких ньютоновских жидкостей является одной из задач тысячелетия, за решение которой математический институт Клэя дает награду в 1 миллион долларов. Кстати, наш соотечественник, профессор Мухтарбай Отелбаев уже несколько лет бьётся над решением этой проблемы, но пока что терпит неудачи.

Но даже уже в изученных отраслях гидродинамики можно отыскать интригующие до сих пор явления. К примеру, эксперимент французского учёного Блеза Паскаля, открывшего гидростатический парадокс.

Для эксперимента Паскалю понадобилось всего три предмета — дубовая бочка (обычно такие использовались для хранения вина), узкая трубка длиной пару метров и чашка для чая. Наполнив бочку до краёв, учёный вставил трубку в отверстие сверху под прямым углом ко дну, после чего поднялся на второй этаж и влил в трубку чашку воды. Крепкая дубовая бочка, обшитая железом, треснула под напором.

Причина гидростатического парадокса состоит в том, что жидкость давит не только на дно, но и на стенки сосуда. Вес жидкости в сосуде будет равен сумме высотных составляющих напора по всей внутренней площади сосуда. Если, к примеру, сосуд имеет участки внутренней поверхности, давление на которые направлено вверх, эти участки внесут вклад в вес со знаком минус. Так, если мы возьмём трубку диаметром 1 см и длиной 10 метров, то в неё поместится всего 3 литра воды. Однако, поставив эту трубку с водой вертикально и воткнув её в обычную литровую бутылку (предварительно тоже заполненную водой), мы обнаружим, что вода давит на дно такой бутылки с силой около 80 кг.

Сегодня один из стандартных способов измерения длинны расстояний — это эхолокация. Прибор посылает сигнал, дожидается его возвращения и замеряет время, за которое сигнал прошёл расстояние. Но со звёздами эта штука не прокатывает. Причина проста — звёзды находятся на слишком большом расстоянии от нас. Электромагнитный сигнал движется всего лишь со скоростью света, а этого мало, учитывая объекты, которые находятся от нас в нескольких тысячах световых лет (для сравнения, Солнце расположено от нас в 8 световых минутах).

Один из первых удачных опытов с использованием новой методики провёл в ХIХ веке российский учёный Василий Струве. Название этой методики — параллакс.

Все мы замечали, что объекты, находящиеся на разном расстоянии от нас, визуально движутся с разной скоростью: те, что дальше — плетутся, а те, что поближе — проносятся мимо. Измерив, насколько визуально переместился такой объект, и точно зная, насколько переместились мы сами, довольно легко геометрически вычислить расстояние до него.

Но как понять, что нужная нам звезда вообще сдвинулась с места? Должна быть точка отсчёта, относительно которой мы будем делать все замеры. Очевидно, что на Земле её искать бессмысленно, так как Земля довольно быстро перемещается. Лучше всего для этих целей подходят сверхдалёкие звёзды, они так далеко, что даже если и двигаются, мы этого не замечаем, а потому можем считать, что они неподвижны. Их в космосе очень много.

Вторая проблема заключается в том, что чем больше расстояние до объекта, тем он меньше визуально смещается. Когда вы едете на машине, то не замечаете смещения Солнца, хотя, как вы помните, оно сравнительно близко. Логично подумать, что в таких ситуациях единственный выход — сильнее передвинуться самим.

Как уже упоминалось, в случае со звёздами расстояния на нашей крохотной планете не подойдут. Даже десятки тысяч километров — все ещё слишком мало. Зато наша планета движется сама — вращается вокруг Солнца. Делая половину оборота, она как бы перемещается вбок на 300 млн км — вполне достаточно. Таким образом, одно измерение будет занимать, по меньшей мере, полгода: сначала мы «запоминаем» звёзды в одной крайней точке на орбите, по которой Земля вращается вокруг Солнца, потом ждём, когда она переместится в противоположную точку, и смотрим на небо снова. И ещё нужно постараться избежать ошибок, а то быстро повторить опыт будет довольно проблематично.

Всем, кто смотрел «Теорию Большого Взрыва» должен быть известен эффект Доплера: в костюме с диаграммой эффекта Доплера Шелдон решил пойти на Хэллоуин. Это эффект, при котором звуки от объекта, приближающегося к нам, кажутся более высокими, нежели звуки от такого же объекта, отдаляющегося от нас. Это происходит потому, что высота звука зависит от частоты звуковых волн, а сама частота — от того, как близко друг к другу находятся отдельные «гребни» волны: чем ближе, тем выше частота, потому что за единицу времени наше ухо улавливает большее количество «гребней».

Теперь представим себе объект, который звучит — то есть посылает звуковые волны во все стороны от себя с одинаковой скоростью. Если объект начинает двигаться, то волны, которые идут вперёд, находятся ближе друг к другу, поскольку предыдущая волна не успевает отойти слишком далеко от следующей, ведь её «догоняет» движущийся объект. Расстояния между такими волнами меньше, их частота больше, и слышимый нами звук становится выше. Если же волны идут назад, дистанция между ними, наоборот, увеличивается, их частота снижается, и звук тоже становится для нашего уха более низким.

В 1845 году голландский химик и метеоролог Христофор Бейс-Баллот решил проверить эту теорию на практике. Строго говоря, то, что он сделал, не является полноценным научным опытом, потому что не проводилось никаких точных замеров. Тем не менее, изучить его обязательно стоит.

Учёный нанял паровоз с прицепом, на который посадил двух трубачей. Бейс-Баллот хотел получить непрерывный звук определённой высоты, поэтому приказал музыкантам по очереди играть одну ноту (один играл, пока другой восстанавливал дыхание, и наоборот).

На платформе находились наблюдатели с идеальным музыкальным слухом, задачей которых было определить изменение высоты производимых звуков. Паровоз двигался с разной скоростью назад и вперёд мимо платформы. Проверка проводилась в течение двух дней, на смену одним музыкантам регулярно вызывались другие.

В результате эффект Доплера был подтверждён.