-
Prof. dr. Dejan Miloevi Odsjek za fiziku Prirodno-matematiki
fakultet Univerziteta u Sarajevu DESET NAJLJEPIH NAUNIH
EKSPERIMENATA U FIZICI
2002. godine asopis Physics World je pozvao svoje itaoce da
izaberu najljepi nauni eksperiment svih vremena [1]. Ideja je
potekla od Roberta P. Creasea sa Odsjeka za filozofiju na State
University New York, Stony Brook, koji je istovremeno i istoriar u
Brookhaven National Laboratory. Odziv itaoca je bio dobar i
nominovan je veliki broj eksperimenata. Za pobjednika je izabran
eksperiment difrakcije jednog elektrona na dvjema pukotinama
(double-slit experiment) koji jako lijepo demonstrira kvantnu
prirodu elektrona. U ovom radu emo ukratko opisati deset najbolje
plasiranih eksperimenta koji su ujedno predstavljeni i u asopisu
New York Times [2]. Pri tome emo eksperimente predstaviti
hronolokim redoslijedom. Smatramo da je takav pristup pedagoki
adekvatniji. Prolog
Najstariji od izabranih eksperimenta je Eratostenovo mjerenje
obima Zemlje. Taj eksperiment je zauzeo sedmo mjesto. Eratosten
(Eratosthenes, roen 276. godine p.n.e.) je uoio da tano u podne u
vrijeme ljetnjeg solsticija Sunevi zraci padaju okomito u Sijeni
(Syene) (dananji Asuan (Aswan)) u Egiptu (Egypt), dok u
Aleksandriji (Alexandria), koja se nalazi 800 km sjeverozapadno od
Asuana, zraci padaju pod uglom od 7 stepeni u odnosu na vertikalu.
Pretpostavljajui da je udaljenost Sunca od Zemlje vrlo velika, tako
da su zraci Suneve svjetlosti praktino paralelni kada stignu na
Zemlju, znajui udaljenost od Asuana do Aleksandrije, te
pretpostavljajui da je Zemlja okrugla, Eratosten je koristei
geometriju uspio izraunati obim Zemlje. Kao jedinicu duine koristio
je stadij. Poto danas ne znamo kolika je tano bila duina stadija u
metrima, ne moemo biti sigurni koliko je precizno bilo Eratostenovo
mjerenje. Ipak, procjenjuje se da je odstupanje od modernih
astronomskih mjerenja oko 5% (od 0,5% do 17% prema nekim
procjenama). Za interesantno razmatranje ovoga eksperimenta
pogledati npr. [3]. Ruenje Aristotela
Ideje antikih uenjaka iz Aristotelove kole (peripatetika kola)
su se bazirale na razmiljanjima koja nisu provjeravana
eksperimentima. Slika svijeta koja je proizala iz takvih gledita
prenesena je u srednji vijek i bazirala se na autoritetu
Aristotelove kole koja je poprimila razmjere dogme: neto se
smatralo takvim samo zato to je Aristotel rekao da je to tako.
Galileo Galilei (1564.-1642.) i Isaac Newton (1642.-1727.) su se
usudili da podvrgnu eksperimentalnoj provjeri neke od Aristotelovih
tvrdnji i pokau da su one bile pogrene. Tri takva eksperimenta se
nalaze na naoj listi deset najljepih eksperimenata. Prvi od njih je
Galileiev eksperiment sa padajuim tijelima. Prema Aristotelu, tei
predmeti padaju bre nego laki. Galilei, koji je bio profesor
matematike na Univerzitetu u Pisi, odluio je da to provjeri tako to
je sa vrha Krivog tornja u Pisi pustio da slobodno padaju dva
tijela razliitih masa [4]. Ispostavilo se da su ona pala
istovremeno, to je dokazalo da su Aristotelove tvrdnje bile
pogrene. Izazov Aristotelovom autoritetu umalo nije kotao Galileia
posla. Ovaj eksperiment je pokazao da je priroda, a ne autoritet
jednog ovjeka, ta koja je konani arbitar u nauci. Zato i nije udo
to je rangiran na visoko drugo mjesto.
1
-
Jo jedan Galileiev eksperiment se nalazi na naoj listi:
eksperiment sa kuglama koje se kotrljaju niz strmu ravan (osmo
mjesto). Galilei je mjerio vrijeme sputanja kugli niz strmu ravan
pomou vodenog sata i poredio ga sa duinom puta koji su kugle prele.
Pokazao je da je duina puta proporcionalna sa kvadratom vremena:
ako se vrijeme udvostrui put je etiri puta dui. Objanjenje je da
gravitacija stalno ubrzava kuglu. Ovo je bilo u suprotnosti sa
Aristotelovim predvianjem da je brzina kotrljajue kugle
konstantna.
Konano, trei eksperiment koji je u suprotnosti sa Aristotelovim
idejama je Newtonov eksperiment razlaganja Suneve svjetlosti na
komponente pomou prizme. Prema Aristotelu, bijela svjetlost je
najistiji oblik svjetlosti, tako da je obojena svjetlost na neki
nain promijenjena ("uprljana"). Da bi testirao tu hipotezu Newton
je usmjerio snop Suneve svjetlosti kroz staklenu prizmu i pokazao
da se ta bijela svjetlost razlae u spektar ije boje se vide na
zidu. Newton je zakljuio da su boje, koje se pojavljuju u nijansama
od crvene do ljubiaste, ono to je fundamentalno. Dakle, ako se
"pogleda dublje" u snop bijele svjetlosti vidi se da je on
kompleksan i u tome je ljepota ovoga eksperimenta koji je rangiran
na etvrto mjesto na naoj listi najljepih eksperimenata. Provjera
Newtona
Jo jedan Newtonov doprinos fizici je njegov zakon gravitacije
prema kojem privlana sila izmeu dva tijela raste sa porastom
proizvoda njihovih masa, a opada sa kvadratom njihovog rastojanja.
Meutim, konstanta proporcionalnosti koja odreuje jainu gravitacije
bila je nepoznata i trebalo ju je odrediti eksperimentalno. To je
prvi uradio engleski fiziar Henry Cavendish 1798. godine. On je
spojio dvije male metalne kugle drvenom ipkom koju je objesio na
icu (vidjeti sliku). Tim kuglama je primakao dvije teke olovne
kugle na takav nain da je uslijed privlanog djelovanja gravitacione
sile dolo do pomjeranja malih kugli i uvrtanja ice na kojoj je
okaena ipka na ijim krajevima su bile te male kugle. Mjerei ta
pomjeranja Cavendish je prvi izmjerio gravitacionu konstantu. Taj
eksperiment se naziva Cavendishev eksperiment sa torzionom ipkom i
zauzeo je esto mjesto na naoj listi. Precizno izmjerivi
gravitacionu konstanu Cavendish je bio u stanju da izrauna gustou i
masu Zemlje. Dakle, Eratosten je izmjerio obim Zemlje, a Cavendish
ju je "izvagao".
Newton je smatrao da se svjetlost sastoji od estica i takve
predstave o svjetlosti su bile prihvaene sve do poetka 19. vijeka.
Da Newton nije bio u pravu pokazao je engleski fiziar Thomas Young.
Youngov eksperiment sa interferencijom svjetlosti je dokazao
talasnu prirodu svjetlosti. Ovaj eksperiment je zauzeo peto mjesto.
Young je podijelio snop svjetlosti na dva dijela i posmatrao
svijetle i tamne pruge nastale kombinovanjem dva nova snopa.
Zakljuio je da takve pruge nastaju interferencijom talasa
svjetlosti. Ovaj eksperiment se danas najee izvodi koristei dvije
bliske pukotine za razdvajanje svjetlosti na dva snopa. Tzv.
2
-
double-slit eksperimenti su postali standardni za odreivanje
talasnog kretanja. Srest emo se sa njima i u kvantnoj fizici. Na
donjoj slici je prikazana interferencija svjetlosti nakon prolaza
kroz dvije pukotine razliitih irina koje se nalaze na razliitim
meusobnim rastojanjima.
Konano, zadnji eksperiment iz klasine fizike, koji je zauzeo
deseto mjesto na naoj listi, je Foucaultovo klatno. Francuski
fiziar Jean-Bernard-Lon Foucault je 1851. godine u Parisu u
Panthonu postavio klatno sa kuglom koja je pri kretanju ostavljala
trag na podu. Pokazalo se da pri svakom narednom zamahu klatno
ostavlja razliit trag, tj. izgledalo je kao da klatno rotira.
Ustvari, radilo se o tome da se pod Panthona kretao sa kretanjem
Zemlje. Time je Foucault vrlo uvjerljivo pokazao da Zemlja rotira
oko svoje ose. Na geografskoj irini Parisa klatno opie punu
rotaciju u smjeru kazaljke na satu svakih 30 sati, dok na ekvatoru
uopte nema rotacije. Na Junom polu period rotacije je 24 sata, to
je i potvreno eksperimentom koji je izvren prije nekoliko godina.
Kretanje Foucaultovog klatna zavisi od naina na koji se ono
pokrene. Ako klatno otklonimo za maksimalni ugao i pustimo ga sa
poetnom brzinom nula, tada e se klatno kretati kao to je to
prikazano na donjoj slici lijevo. Brzina klatna u pozicijama
najveeg otklona je nula. Ako klatno pokrenemo tako da ga poguramo
iz njegovog ravnotenog poloaja, ono e se kretati kao to je to
prikazano na donjoj slici desno. Brzina klatna u pozicijama
maksimalnog otklona je jednaka brzini rotacije Zemlje na mjestu
izvoenja eksperimenta.
Dvadeseti vijek kvantna fizika
Preostala tri eksperimenta koja su se nala na naoj listi su
izvedena u dvadesetom vijeku. Ameriki fiziar Robert A. Millikan je
1909. godine izmjerio naboj elektrona. To je uveni Millikanov
eksperiment sa kapljicama ulja (tree mjesto). Od antikih vremena
naunici su se interesovali za elektricitet. 1897. godine britanski
fiziar J. J. Thomson je ustanovio da su nosioci elektriciteta
negativno naelektrisane estice elektroni (interesantno je da ovaj
znaajni eksperiment nije dospio na nau listu). Da bi odredio naboj
elektrona Millikan je rasprio kapljice ulja u komoru na ijem dnu i
vrhu su se nalazile suprotno naelektrisane metalne ploe. Kada se
prostor izmeu ploa jonizuje npr. djelovanjem X-zraka, elektroni iz
vazduha se poveu sa uljanim kapljicama naelektriui ih
3
-
negativno. Brzina kretanja tako naelektrisanih kapljica kroz
vazduh se kontrolisala mijenjanjem napona na ploama. Kada je
elektrina sila jednaka gravitacionoj, kapljice lebde u prostoru
izmeu ploa. Nakon viestrukih ponavljanja eksperimenta, Millikan je
zakljuio da naboj moe imati samo fiksne vrijednosti. Najmanja od
tih vrijednosti je upravo naboj elektrona.
Slijedei eksperiment koji emo spomenuti je Rutherfordovo otkrie
jezgra atoma (deveto mjesto). Poetkom dvadesetog vijeka vjerovalo
se da su atomi pozitivno naelektrisane kugle sa elektronima usaenim
u njima (tzv. plum pudding model [5], ili Thomsonov model). 1911.
godine Ernest Rutherford je na Univerzitetu u Manchesteru
eksperimentisao sa radioaktivnou. Bombardujui sa pozitivno
naelektrisanim alfa-esticama tanke zlatne listie (folije)
Rutherford i njegov asistent su zapazili da se mali procenat
alfa-estica odbija unazad. Rutherford je zakljuio da je masa atoma
skoncentrisana u malom jezgru (nukleusu) a da se elektroni kreu oko
njega. Uz modifikacije koje je unijela kvantna fizika, taj
planetarni model atoma je preivio do danas.
Na gornjoj slici je predstavljena simulacija Rutherfordovog
eksperimenta. Na lijevoj slici je prikazan snop estica koje se kreu
priblino jednakim brzinama i sudaraju se sa nekoliko velikih kugli
koje simuliraju atome u metalu. Mali broj estica je rasijan za
velike uglove. Do rasijanja dolazi uslijed Coulombovog odbijanja
pozitivno naelektrisanog jezgra i alfa-estica. Na desnoj gornjoj
slici je prikazano uveano kako dolazi do rasijanja na jednom
jezgru.
Konano, zadnji eksperiment, koji je ujedno i zauzeo prvo mjesto
na naoj listi, je eksperiment difrakcije jednog elektrona na dvjema
pukotinama. Interesantno je da se jedino taj od naih eksperimenata
ne vee za ime odreenog naunika. Ni Newton ni Young nisu bili sasvim
u pravu u vezi sa prirodom svjetlosti. Kvantna teorija, koja je
razvijena dvadesetih godina prolog vijeka, je pokazala da fotoni,
kao i druge subatomske estice (npr. elektroni, protoni itd.),
pokazuju dva komplementarna kvaliteta oni su istovremeno i talasi i
estice. Neko je predloio kovanicu "wavicles" (od "wave" i
"particle") ali taj naziv nije usvojen (mi bismo ih mogli nazvati
"talastice"). Francuski fiziar Louis de Broglie je prvi, 1924.
godine, pretpostavio da elektroni, koji su do tada bili smatrani
samo esticama, imaju takoer i talasne osobine kao to su talasna
duina i frekvencija. 1927. godine talasnu prirodu elektrona su
eksperimentalno demonstrirali C. J. Davisson i L. H. Germer u New
Yorku i G. P. Thomson u Aberdeenu. Da bi objasnili talasnu prirodu
elektrona, fiziari esto koriste zamiljeni eksperiment u kojem se
Youngov eksperiment sa interferencijom svjetlosti nakon prolaza
kroz dvije pukotine ponavlja sa snopom elektrona umjesto
svjetlosti. Prema zakonima kvantne mehanike talas koji odgovara
svakoj od pojedinih estica iz snopa estica bi se podijelio na dva
dijela koji bi meusobno interferirali stvarajui svijetle i tamne
pruge slino kao i u eksperimentu sa svjetlosnim snopovima. estice
bi se ponaale kao talasi. Takav eksperiment je zaista i izvren
znatno kasnije 1961. godine ga je izveo Claus Jnsson u Tbingenu u
Njemakoj. Tada taj eksperiment nije predstavljao nikakvo iznenaenje
i taj rad nije privukao veliku panju naunika, iako on to svakako
zasluuje. Samim eksperimentom emo se pozabaviti drugi puta. Na
donjoj slici su prikazane interferentna slika i prostorna
raspodjela intenziteta elektrona koji su interferirali u
double-slit eksperimentu.
4
-
Epilog
Vidjeli smo da su svi od izabranih eksperimenata relativno
jednostavni i da je veina od njih djelo samo jednog naunika. To je
u kontrastu sa dananjim kljunim eksperimentima koji su komplikovani
i zahtijevaju skupe ureaje (npr. akceleratore za otkrivanje novih
elementarnih estica ili dinovske teleskope u astronomiji) i velike
timove naunika, kako za izvoenje eksperimenata, tako i za analizu
ogromne koliine eksperimentalno dobijenih podataka pomou
superkompjutera. Dakle, ljepota eksperimenta je u njegovoj
jednostavnosti, kako koritenih ureaja, tako i logike izvedenih
zakljuaka pri analizi eksperimentalnih rezultata. Mnogi od
pomenutih eksperimenata mogu se ponoviti i u kolskim
laboratorijama. itajui komentare ljudi koji su nominovali pojedine
eksperimente, zakljuujemo da su im se u pamenje urezali upravo
takvi jednostavni i elegantni eksperimenti sa kojima su se prvi
puta sreli u koli ili na fakultetu. Zato je prirodno da lijepim
nazivamo ono to nas u potpunosti obuzme i promijeni na nain
razmiljanja i poimanja svijeta. Rezultati trebaju biti jednostavni
i jasni, a ne apstraktni, i trebaju uiniti da se osjeamo aktivnim i
ukljuenim u neto to je izvan naih dotadanjih poimanja. Svijet
kvantne mehanike je u suprotnosti sa naom intuicijom. Zato su, bez
obzira na to kako dobro vladamo kvantnom teorijom, potrebni
eksperimenti koji na jednostavan ali efektan i slikovit nain
ukazuju na realnost kvantnih fenomena. Eksperiment difrakcije
jednog elektrona na dvjema pukotinama je upravo takav eksperiment i
nije iznenaenje to je taj eksperiment na vrhu liste jo jedne sline
diskusije na websiteu Slashdot.org. O ovom eksperimentu, kao i o
nedavno izvedenom analognom eksperimentu interferencije elektrona
sa dva vremenska prozora umjesto dviju prostornih pukotina bie vie
rijei na nekom od narednih seminara (autor ovoga rada je koautor
rada [6] u kojem je predstavljen ovaj eksperiment).
Konano, navedimo listu svih deset izabranih eksperimenata. Deset
najljepih eksperimenata
1. Youngov eksperiment sa dvjema pukotinama primijenjen na
interferenciju jednog elektrona 2. Galileiev eksperiment sa
padajuim tijelima (oko 1600.) 3. Millikanov eksperiment sa
kapljicama ulja (1910.) 4. Newtonovo razlaganje Suneve svjetlosti
pomou prizme (1665.-1666.) 5. Youngov eksperiment sa
interferencijom svjetlosti (1801.) 6. Cavendishev eksperiment sa
torzionom ipkom (1798.) 7. Eratosthenovo mjerenje obima Zemlje (3.
vijek p.n.e.) 8. Galileiev eksperiment sa kuglama koje se kotrljaju
niz strmu ravan (oko 1600.) 9. Rutherfordovo otkrie jezgra atoma
(1911.) 10. Foucaultovo klatno (1851.) Navest emo i listu jo nekih
vanih eksperimenata koji se, iako su dobili dosta glasova, nisu
uspjeli plasirati meu prvih deset:
5
-
Archimedov hidrostatiki eksperiment Rmerovo odreivanje brzine
svjetlosti Jouleov eksperiment sa tokom sa lopaticama i toplotom
Reynoldsov eksperiment sa tokom kroz cijevi Mach-Salcherovi
akustini udarni talasi Michelson-Morleyevi eksperimenti koji je
dokazao da nema relativnog kretanja Zemlja-eter Rntgenovo zapaanje
Maxwellove struje pomaka Oerstedovo otkrie elektromagnetizma
Braggova difrakcija X-zraka na kristalima soli Eddingtonovo
mjerenje savijanja svjetlosti zvijezda Stern-Gerlachova
demonstracija prostorne kvantizacije Misaoni eksperiment sa
Schrdingerovom makom Trinity test nuklearne lanane reakcije Otkrie
naruenja parnosti (mjerenje je izvrila Wu sa saradnicima)
Goldhaberova analiza spiralnosti neutrina Feynmanovo umakanje
elastinog gumenog krunog prstena u hladnu vodu Gore navedeni
eksperimenti su izabrani po svojoj ljepoti, a ne samo po svom
znaaju, na osnovu glasova velikog broja fiziara. Kljuni
eksperimenti fizike se mogu nai u referencama [7-9]. Pogledati i
referencu [10]. [1]
http://physicsworld.com/cws/article/print/9746[2]
http://physics-animations.com/Physics/English/top10.htm[3]
http://www.skolaljubovija.edu.yu/index_files/Page623.htm
http://perbosc.eratosnoon.free.fr/spip.php?article205&lang=en
http://www.k12science.org/noonday/index.html [4] O eksperimentima
koji su izvreni prije Galielievog pogledati na web stranici:
http://www.juliantrubin.com/bigten/galileofallingbodies.html. Pored
eksperimenta, Galileieva zasluga je da je teorijski provjerio da
sva tijela padaju istom brzinom bez obzira na njihovu masu (1604.).
O Galileiu uopte pogledati na:
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/G/GalileoG.html [5]
http://library.thinkquest.org/28582/history/plum.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Plum_pudding_model [6] F. Lindner, M.
G. Schtzel, H. Walther, A. Baltuka, E. Goulielmakis, F. Krausz, D.
B. Miloevi, D. Bauer, W. Becker, and G. G. Paulus, "Attosecond
double-slit experiment", Phys. Rev. Lett. 95, 040401 (2005). [7] G.
L. Trigg, Landmark experiments in twentieth century physics, Crane,
Russak & Company, Inc., New York, 1975. [8] M. H. Shamos, Great
experiments in physics: Firsthand accounts from Galileo to
Einstein, Dover, 1987. [9] A. C. Melissinos, J. Napolitano,
Experiments in modern physics, 2nd ed., Academic Press, San Diego,
2003. [10]
http://www.juliantrubin.com/encyclopedia/topics/physics.html
6
DESET NAJLJEPIH NAUNIH EKSPERIMENATA U FIZICIPrologRuenje
AristotelaProvjera NewtonaDvadeseti vijek kvantna fizikaEpilog
