A tíz legszebb fizikai kísérlet

2006.01.25. 8:51

Amerikai fizikusok véleménye alapján összeállították minden idők tíz legszebb fizikai kísérletének listáját. Galilei klasszikus szabadesési kísérlete "ezüstérmes", Newton, akit más felmérésekben minden idők legnagyobb fizikusának tartanak, a negyedik helyre szorult.

Laikusokban nyilván az a kérdés merül fel elsőként, lehet-e egyáltalán egy fizikai kísérlet szép, s ha igen, akkor ugyan mitől lehet az. Nos, szép lehet az ötlet egyszerűsége, a valamilyen alapvető kérdésre szellemes megoldással kapott válasz, a merész gondolat vagy akár magának a kísérletnek a kivitelezése, esetleg a kísérleti eszköz. Robert P. Crease tudománytörténész volt az alábbi lista elkészítésének kezdeményezője, kollégái pedig készségesen vállalkoztak a feladatra.

Forrás: nad.ru1. Az első helyre az elektron hullámtermészetének igazolása került, két résen áthaladó nyalábok interferenciájával. Ez meglepetés olyan szempontból, hogy az alapötlet első megvalósítása (az eredeti Young-kísérlet) csak az 5. helyre került. Louis de Broglie 1924-ben feltételezte, hogy az elektronok és más részecskék hullámtermészettel is rendelkeznek, tehát van például hullámhosszuk. 1927-ben C. J. Davisson és L. H. Germer kísérletileg igazolta az elektron hullámtermészetét. Mérésükben kristályrácson szóródtak az elektronok, a szórt nyalábok egymással interferáltak, vagyis a találkozó hullámuk hol erősítették, hol gyengítették egymást. A hullámtermészet igazolására a fizikusok gyakran hivatkoztak Young interferenciakísérletére, amellyel a fény hullámtermészetét igazolta. A fénynyaláb két résen haladt át, majd a rések után találkozó nyalábok interferáltak, erősítették és gyengítették egymást, erre pedig csak hullámok képesek. Elektronok két résen áthaladva ugyanígy viselkednek, ha valóban hullámtermészetűek. A kísérlet sokáig csak ún. gondolatkísérlet volt, elektronokkal ténylegesen csak 1961-ben hajtották végre ténylegesen.

Forrás: nad.ru2. A második helyezettet mindenki jól ismeri, ez Galilei híres szabadesési kísérlete a pisai ferdetoronyban. Az 1500-as évek végén mindenki biztos volt abban, hogy a nehéz testek a könnyebbeknél gyorsabban esnek. Az ókor óta így vélték, hiszen nem kisebb tekintély, mint Arisztotelész állapította meg.

A jól ismert anekdota szerint Galilei, aki akkor a pisai egyetemen működött, két, különböző súlyú testet dobott le a toronyból, és azt tapasztalta, hogy azok egy időben, egyszerre értek földet. Kísérlettel, vizsgálattal cáfolta meg Arisztotelészt, példát mutatott arra, hogy egy természettudományos kérdés tisztázásánál ne valamilyen tekintélytől, hanem a természettől várjuk a választ.

3. Millikan mérte meg olajcseppejtési kísérletével az Forrás: nad.ruelektron töltését 1909-ben. Az olajcseppek két vízszintes elektródalemez között estek lefelé, útközben a levegőből elektronokat, negatív töltéseket vettek fel a röntgenbesugárzással ionizált levegőből. A cseppek mozgási sebessége a lemezekre adott feszültségtől és elektromos töltésük nagyságától függ.

Millikan megállapította, hogy a cseppek töltése mindig egy elemi töltés egész számú többszöröse, vagyis az elektromosság kvantumos természetű. A mérés elve egyszerű, de hallgató korunkban az egyetemi laborban nem volt könnyű az ismert, jó eredményt megkapni. Néhány évtizede derült ki, hogy a proton, a neutron és még sokféle elemi részecske összetevői, a kvarkok az elektron töltésének törtrészével bírnak, töltésük az addig eleminek, legkisebbnek tartott érték 1/3-a vagy 2/3-a. Nagy volt az izgalom, de hamar kiderült, hogy nincs baj a fizikával, az elméletből csak az következik, hogy van egy legkisebb töltés, de a nagysága nincs megszabva.

Forrás: nad.ru4. Newton, akit más felmérésekben minden idők legnagyobb fizikusának tartanak, a negyedik helyre szorult. Nem a fáról leeső almával szerepel, hiszen az nem kísérlet volt (inkább megfigyelés), hanem a fehér fény összetevőire való felbontásával. Arisztotelész óta "köztudott" volt, hogy a fény legtisztább formája a fehér fény, a színes ennek valamilyen "elrontott" változata. Newton prizmát helyezett a napsugár útjába, és a falon megjelent a szivárványból már ismert színsorozat. A vörös, a narancs, a sárga, a zöld, a kék, az ibolya folyamatosan ment át egymásba. Newton felismerte, hogy ezek az egymástól különböző színek az alapvetők, az elsődlegesek, a látszatra tiszta és egyszerű fehér fény pedig összetett, sok szín egyvelege.

Forrás: nad.ru5. Az ötödik helyen következik Young fényinterferencia-kísérlete, aminek lényegét az előbbiekben már leírtuk. Newton úgy tartotta, hogy a fény részecske-, nem pedig hullámtermészetű. Ebben kivételesen tévedett. Először Thomas Young igazolta 1803-ban a fény hullámtermészetét. A részekre osztott, majd két résen áthaladó és újra találkozó fénynyalábok sötét és világos csíkokból álló mintázatot hoztak létre; a hullámok kioltották vagy erősítették egymást. A kísérleti felszerelés hihetetlenül egyszerű volt: az ablakra helyezett papírlapba fúrt kis lyukkal állította elő a vékony nyalábot, majd tükörrel eltérítette. Vékony kártyalappal osztotta kétfelé a nyalábot, és máris megjelentek az egymással váltakozó világos és sötét csíkok.

Forrás: nad.ru6. Henry Cavendish 1797-98-ban mérte meg a G gravitációs állandót - ez a Newton-féle gravitációs törvényben szereplő egyetemes természeti állandó. Cavendish eszköze egy torziós inga, más néven torziós mérleg volt. Vékony rugalmas szál felső végét befogják, az alsó végére pedig egy vízszintes rúd kerül. Az erre ható forgatónyomaték hatására a szál elcsavarodik, és az elcsavarodás mértékéből lehet kiszámítani a forgatónyomatékot, illetve a ható erőket. Cavendish mérlege vízszintes rúdjának végeire gömböket helyezett, a gömbök tömegvonzása csavarta el a szálat. Akkoriban azt mondták, hogy Cavendish megmérte a Föld súlyát, mivel a gravitációs állandó ismerete lehetővé tette a Föld tömegének a kiszámítását. A torziós inga ismertetését - forrásainktól eltérően - nem fejezhetjük be Eötvös Loránd említése nélkül. Eötvös kis keresztmetszetű szálak használatával, majd a kettős ingával lényegesen megnövelte a torziós inga érzékenységét, ezzel a mérések pontosságát. Ingája évtizedeken át a kőolaj- és földgázkutatás egyik alapeszköze volt. Eötvös az ingával mutatta ki - igen nagy pontossággal - a tehetetlen és a súlyos tömeg anyagi minőségtől független arányosságát. Ez az eredmény az általános relativitáselmélet egyik alapfeltevése.

Forrás: nad.ru7. Az i. e. 276 és i. e. 196 között élt Eratoszthenész megmérte a Föld kerületét. Egyiptomban, Alexandriától mintegy 800 kilométerre délkeletre, Szüénében, a mai Asszuán helyén érdekes megfigyelést tett: a nyári napforduló idején délben a Nap sugarai függőlegesen esnek (a napkorong képe megjelent a Nílus vízmérő kutjainak fenekén). Ugyanekkor mérései szerint Alexandriában 7 fokkal eltért a napsugarak iránya a függőlegestől. Helyesen feltételezte, hogy a Nap nagyon messze van, így sugarai párhuzamosan érik a Föld különböző pontjait. A két város távolságát is megbecsülve így számította ki a Föld kerületét. Nem tudjuk, hogy az általa használt stadion nevű hosszegység hogyan számítható át mai mértékegységekre, ezért csak becsülni tudjuk Eratoszthenész mérésének pontosságát. Az eredmény mindenesetre lenyűgöző: a ma elfogadott értéktől 0,5-17%-kal tér el az ókori eredmény.

Forrás: nad.ru8. A nyolcadik helyen ismét Galileivel találkozunk, a lejtőmozgás tanulmányozásával. Lejtőn gurult le a fémgolyó, Galilei pedig megmérte, hogy mennyi idő alatt milyen messzire jutott el. Az időmérésre vízórát használt: egy nagy tartályból vékony csövön folyt ki a víz, ennek a mennyiségét mérte meg, mivel a kifolyt víz mennyisége arányos volt az eltelt idővel. Korábban úgy vélték, hogy a megtett út arányos az idővel, ha hosszabb idő telik el, akkor a golyó is messzebbre jut el. Galilei viszont felismerte a helyes törvényt: a lejtőn leguruló golyó kétszeres idő alatt négyszer olyan messzire jut, vagyis a megtett távolság az idő négyzetével arányos.

Forrás: nad.ru9. Ernest Rutherford 1911-ben mutatta ki, hogy az atomoknak kis, nehéz és kemény magjuk van. Korábban a "mazsolás puding modell" volt az elfogadott: egy masszában együtt vannak elkeveredve a pozitív és a negatív töltések. Rutherford vékony aranyfóliát bombázott alfa-sugarakkal (hélium-atommagokkal), Forrás: nad.rués nagy meglepetésére azt tapasztalta, hogy a lövedékek egy része visszafelé szóródik. Ez a jelenség "csaknem olyan hihetetlen, mintha 15 hüvelykes gránáttal egy darabka papírszövetre lőnénk, és a lövedék visszapattanva eltalálna minket" - jellemezte találó hasonlattal a megfigyelést. Arra következtetett, hogy az atom belsejében egy tömör tartománynak kell lennie. A korábbi "puding" helyett megszületett az atom máig érvényes modellje: az atom közepén foglal helyet a százbilliomod méternél kisebb atommag, de ez tömöríti magába az atom tömegének a 99%-át. Az atommag kiterjedése tízezred része az atoménak, az atomtérfogat túlnyomó részét a mag körül keringő elektronok töltik ki.

A Rutherford-szóráskísérletben a mag közelébe került alfa-részecskék visszaverődtek, a többi zavartalanul haladt tovább. Hasonló elven alapuló szóráskísérlettel igazolták az 1970-es években az atommagok alkotórészei, a protonok és a neutronok összetett voltát. A protonok belsejében levő kvarkokról visszaszóródtak a bombázó részecskék.

Forrás: nad.ru10. Foucault ingája is a közismertebb kísérletek közé tartozik. 1851-ben Párizsban a Pantheonban egy 67 méter hosszú drótra 28 kg tömegű vasgolyót függesztett. A golyóra ragasztott mutató a padozatra szórt nedves homokban kirajzolta az inga mozgását. A szabadon lengő inga tehetetlenségénél fogva megtartotta lengési síkját, miközben a Föld elfordult alatta. Párizsban egy teljes körülforduláshoz 30 órára volt szükség. Forrás: nad.ruAz időtartam függ a földrajzi szélességtől, a sarkoknál 24 óra kell egy teljes fordulathoz, az Egyenlítőn viszont az inga síkja nem fordul el. A körbefordulás az északi féltekén az óramutató járásával megegyező, a délin az ellentétes. Foucault laboratóriumi körülmények között ingájával elsőként igazolta a Föld tengely körüli forgását.

A tízes lista végére érve mindenki végiggondolhatja, hogyan szavazott volna, ha bevonják a játékba. Nekem mindenekelőtt Michael Faraday hiányzik a listáról. Az elektromossággal, mágnességgel kapcsolatos kísérleteivel alapvető ismereteket tárt fel. Milyen lenne mai világunk az elektromágnesség rengeteg alkalmazása nélkül? Joggal írta róla a Magyar Nagylexikon: "a fizikatörténet egyik legnagyobb kísérletezőjének tartják". Szívesen láttam volna a röntgensugárzás (W. Röntgen, 1895) vagy a radioaktivitás (H. Becquerel, 1896) felfedezését a listán. Ragyogó példái annak, hogy hogyan lehet egy jelenség lényegét egyszerű kísérletekkel feltárni, ha tehetséges fizikust lep meg a természet egy véletlen felfedezéssel.

Jéki László

Az animációk forrása: Siltec. A teljes animációkhoz ezen az oldalon keresztül juthat hozzá.