A Physics World összeállítást közöl a világtörténelem tíz legszebb fizikai kísérletéről. Érdekességük, hogy egyik kísérlethez sem volt szükség számítógépre. A tízes ranglistán időrendben haladunk.
Mekkora egy stadion?A görög stadionok pontos méretéről a mai napig vita folyik, emiatt képtelenség megmondani, mennyit is tévedett Eratoszthenész. A becslések szerint öt százalékkal lőtt mellé.
Eratoszthenész – a Föld kerületének kiszámolása
Az időszámításunk előtt harmadik században élő matematikus megfigyelte, hogy amikor az egyiptomi Asszuánban a Nap éppen a zeniten áll, azaz sugarai merőlegesen esnek be, akkor Alexandriában a napsugár dőlésszöge a függőlegestől a teljes kör – azaz a 360 fok – ötvened részével, körülbelül hét fokkal tér el.
Ettől fogva már csak egyszerű geometria volt: feltételezve, hogy a Föld gömbölyű, az Alexandria-Asszuán távolság körülbelül ötvened része a Föld kerületének. Azaz, ha a két város távolsága ötezer stadionnyi, a Föld kerülete 250 000 stadionnyi. (A kísérlet az örökranglistán 7. helyezést kapott.)
Galilei és az eső tárgyak
Az 1500-as években a tudósok azt vallották, hogy a nehezebb tárgyak gyorsan zuhannak, mint a könnyebbek – legalábbis Arisztotelész azt állította, és ezt senki nem vitatta.
Galileo Galilei, a pisai egyetem tanára azonban szembe mert szállni a közhiedelemmel: a legenda szerint a ferde torony tetejéről két különböző súlyú tárgyat kidobva (és egyik sem pacsirta volt) demonstrálta, hogy mindkettő azonos sebességgel esik lefelé, és egyszerre érnek földet. A kísérlet egyébként az állásába került. (2. helyezés)
Galilei és a gravitáció
Galilei folytatta kísérleteit mozgó tárgyakkal. Vett egy 20 könyök hosszú, fél könyök hosszú deszkalapot. A meredek lejtőn labdákat gurított le, majd vízóra segítségével mérte a labda mozgásának idejét és a megtett távolságot.
Arisztotelész azt feltételezte, hogy a guruló labda sebessége állandó: azaz kétszer akkora idő alatt kétszer akkora távolságot tesz meg. Galileo azonban bebizonyította, hogy a távolság az idő négyzetével arányos – kétszer akkora idő alatt tehát négyszer akkora távolságra gurul a labda. Ennek oka a gravitáció okozta gyorsulás. (8. helyezés)
Véletlen?A misztikum iránt fogékonyak számára egy érdekesség: Isaac Newton abban az évben született, amikor Galileo meghalt.
Newton, a fények és a prizma
Bár a tudósokat régebben is izgatta a szivárvány keletkezésének kérdése, az első tudományos magyarázatot Newton adta meg. Vékony résen át fehér fénynyalábot bocsátott üvegprizmára. Azt tapasztalta, hogy a fehér fény már az első törés után színes nyalábokra bomlott, majd az üvegből kilépve a színek még jobban szétszóródtak oly módon, hogy a legnagyobb mértékben az ibolya tört meg, legkevésbé a vörös.
Az ernyőn felfogott fényfoltban a vöröstől az ibolyáig a szivárvány minden színe megjelent. Newton ezt úgy magyarázta, hogy a fehér fény ezeknek a színeknek a keveréke, de ha egyszerre látjuk őket, az ember szeme nem képes külön észlelni az egyes összetevőket. Ha e színeket egy lencsével vagy prizmával újra egyesítjük, ismét fehér fényt kapunk. (4. helyezés)
Vonzások és…A gravitációs állandó kicsinysége miatt például a szobában lévő tárgyak, személyek közötti vonzóerő olyan kicsi, hogy hatása nem nyilvánul meg mozgásban, nem tudják legyőzni a súrlódást. Nagy tömegű testek esetében viszont (például égi testeknél) a vonzás már erőteljes mozgásban mutatkozik meg, mivel a nagy tömegek a gravitációs állandóval szorozva is tekintélyes nagyságú számot adnak.
Cavendish, a gravitációs állandó és a Föld tömege
Newton a Holdra és a Földre vonatkozó néhány adatból zseniális általánosítással kimondta, hogy bármely két test (akár égi, akár földi) vonzza egymást, s hogy ez a gravitációs erő egyenes arányban nő az illető testek tömegével és fordítottan arányos távolságuk négyzetével. Mivel ez a Newton-féle törvény csak arányosságokról szól, ezért a gravitációs erő nagysága a tömegekből és a két test távolságából nem számítható ki.
A gravitációs állandót először Cavendish (1794) mérte meg. Értéke rendkívül kicsi: olyan tizedes tört, melyben nulla egész után a nyolcadik jegy az első, mely nem nulla. Vagyis, százmilliomodokkal kezdődik. A gravitációs konstans segítségével Cavendish a Föld tömegét is kiszámolta. Tonnában kifejezve: 6,6 x 10 a huszonegyedik hatványon. (6. helyezés)
Young és a fényinterferencia
Newtonnak nem mindenben lett igaza. Elméletét, mely szerint a fénysugarat gyorsan mozgó apró testecskék alkotják, a XVIII. század végén veszik össztűz alá a fizikusok. Az angol Youngot a hanghullámok vizsgálata és a hang és fény terjedése közt tapasztalt analógiák vezették el a fény hullámtermészetének felismeréséhez. Úgy vélte, hogy a fénynek a hanghoz hasonlóan periódus hullámsajátosságokkal kell rendelkeznie.
Kísérlete során napsugarat bocsátott egy sötét szobába, útjába egy sötét ernyőt helyezett, rajta két tűszúrásnyi lyukkal, és ettől bizonyos távolságban egy fehér ernyőt. Két sötét vonalat látott egy fényes vonal két oldalán, ami annyira felbátorította, hogy megismételte a kísérletet. Fényforrásként ezúttal alkohollángot használt, benne egy kis sóval, hogy nátriumfényt tudjon előállítani. Most számos, szabályosan elhelyezkedő sötét vonalat látott. Ez volt az első világos bizonyíték arra, hogy ha fényhez fényt adunk, sötétséget kaphatunk. A jelenség neve interferencia. (5. helyezés)
Szélső esetekAz inga lengési síkjának megmaradása az Egyenlítőn annyit jelent, hogy az Egyenlítőre merőlegesen kitérített inga végig rá merőlegesen fog lengeni. Az Északi-sarkon az ingatest egy nap alatt teljes virágalakot rajzol, hiszen míg az ingatest változatlan síkban mozog (itt a rögzítési pont sem forog), addig a Föld felszíni pontjai egy teljes kört írtak le a sarok körül.
Foucault ingája
1851-ben a párizsi fizikus, Bernard-Léon Foucault kisérletileg bebizonyította, hogy a Föld forog a tengelye körül. A Pantheon kupolája alá egy ingát szerelt fel, egy 67 méter hosszú kötélen függő 28 kg súlyú golyót.
A kísérlet lényege, hogy míg a Föld elfordul, az ingatest megtartja lengési síkját. Így az ingatest – annak függvényében, hogy az inga melyik szélességi körön található – más és más rajzolatú pályán mozog a forgó Föld felszínéhez képest. Ezt a pályát rögzítheti az ingatest által homokba rajzolt vonal. Természetesen az inga felfüggesztési pontja együtt forog a Földdel, hacsak nem valamelyik sarkon vagyunk. (10. helyezés)
Millikan olajcseppkísérlete
Milikan porlasztóval apró olajcseppeket állított elő, ezeket csepegtette egy átlátszó kamrába. A kamra tetején és alján fémlemezeket helyezett el. A lemezek egy elemre voltak kapcsolva, így az egyik lemez pozitív, a másik negatív töltést kapott. A kamra tehát valójában egy kondenzátor volt. Minthogy az olajcseppek esés közben a kondenzátor terében a levegővel érintkezve sztatikus elektromossággal töltődtek fel, a sebességüket befolyásolni lehetett a kondenzátorlemezek közötti feszültség változtatásával.
Ha például a feszültséget sikerült megfelelően beállítani, akkor az elektromos mező éppen kiegyenlítette a gravitáció hatását, és az olajcseppek lebegni kezdtek a levegőben. Millikan megfigyelte, hogy az olajcseppek miként viselkednek különböző feszültségek hatására. A méréseket sokszor megismételve igazolta, hogy az olajcseppek töltése csak bizonyos meghatározott értékeket vehet fel, és az ezen értékek közötti legkisebb különbség éppen az elektron töltésének felelt meg.
Így sikerült végül is az elektron töltését megmérni, vagyis igazolni az angol tudós, J. J. Thomson elektron-elméletét. Thomson vetette fel ugyanis először azt, hogy léteznie kell egy negatív töltésű részecskének, amelynek az elektron nevet adta. (3. helyezés)
Igazolatlan hiányzók?Az amerikaiak általában szívesen megfeledkeznek a nem angolszász tudósok eredményeiről. Így maradhatott ki a felsorolásból a dán Oersted alapvető jelentőségű, az elektromos mező mágneses mivoltát bizonyító kísérlete, az olasz Galvani híres békacombjainak esete, amely az elektromosság felfedezését jelentette. A német Röntgen sem került be a legjobb kísérletezők közé, pedig az ő nevét jobban ismerjük, mint sokakét a legjobb tízből. A németek közül kimaradt Hahn és Strassmann, a maghasadás két felfedezője, továbbá az olasz Fermi, az első atommáglya megépítője, az atomerőművek előkészítője. (Az atommáglya elkészítésében Wigner Jenőnek és Szilárd Leónak is komoly szerepe volt.) Nem szerepel a felsorolásban a relativitáselmélet egyik megalapozása, előkészítése, a Michelson-Morley-kísérlet, és Eötvös Loránd torziós ingájáról sem tesznek említést, ami egyébként nem meglepő. Arkhimédész sem tudott bekerülni a top tízbe, pedig jól tudjuk: minden vízbe mártott test, a súlyából annyit veszt Érdekesség, hogy az amerikaiak megfeledkeztek a tudománytörténet legnagyobb kísérleti fizikusáról, Faradayről (Simonyi Károly A fizika kultúrtörténete című könyv írója vélekedett így róla), pedig ő még a legfontosabb szempontnak is eleget tett: angol volt
Rutherford atommagkísérlete
Az új-zélandi Rutherford az atommag felfedezője volt. Híres kísérletében, amelyet a Manchesteri Egyetemen végzett el 1911-ben, pozitív töltésű alfa-részecskékkel bombázott egy vékony aranylemezt. A kísérlet meglepő eredményre vezetett: az alfa-részecskék egy része ugyanis visszaverődött a lemezről.
Korábban a tudósok azt hitték: az anyag szerkezete folyamatos, valamiféle pudinghoz vagy kocsonyához hasonló formátlan struktúra. Rutherford azonban bebizonyította, hogy nem valamiféle zavaros állagú vegyülékről van szó, hanem az atomokoknak apró, méghozzá pozitív töltésű magjuk van. A pozitív töltés azért is nyilvánvaló, mert az taszítja a szintén pozitív töltésű alfa-részecskéket. Ha negatív töltés lenne a magban, akkor nem verődtek volna vissza a besugárzott részecskék. (9. helyezés)
Az elektronok interferenciájának bizonyítása
A fizika történetének legjobb kísérletét nehéz egyetlen ember nevéhez kötni. Miután azonban a ranglistagyártóknak szükségük van arra, hogy címszavakban is jellemezhessenek egy-egy tudományos felfedezést, Young-féle interferencia-kísérletnek nevezik ezt is, ugyanúgy, mint az örökranglista ötödik helyezettjét. Az első helyezett azonban azáltal különbözik az ötödiktől, hogy nem az eleve hullámtermészetűnek hitt fényről, hanem egy anyagi részecskéről is bebizonyította, hogy hullámtermészetű.
Az Young-féle kettős rés kísérlet modern, immár kvantummechanikai alapokon álló változatát 1961-ben elektronokra is elvégezte egy Claus Jönsson nevű kutató Németországban, Tübingenben. Thomas Young eredeti konstrukciójának segítségével sikerült igazolni, hogy a fényhez hasonlóan az elektronok is kettős természetűek: anyagi részecske létükre hullámként viselkednek. (1. helyezés)
