Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Однако на второй странице статьи Кавендиша мы находим описание основной сложности этого подхода. Сила притяжения между шарами будет чрезвычайно мала – всего одна пятидесятимиллионная от их веса. «Совершенно очевидно, – писал Кавендиш, – что вмешательство самой незначительной внешней силы способно полностью исказить результаты эксперимента». Едва уловимое движение воздуха, магнитное возмущение и любое другое внешнее воздействие могут сделать этот эксперимент практически бессмысленным. Поэтому, когда оборудование Мичелла попало в руки Кавендиша, он «решил большую его часть сделать заново», обнаружив, что оно «не так удобно, как хотелось бы».

Слово «удобно» в данном контексте, конечно же, эвфемизм. Кавендиш усердно и непрерывно работал над усовершенствованием условий эксперимента. Первое, с чего он начал, было увеличение размера шаров – они стали двенадцатидюймовыми сферами весом в 350 фунтов каждая. Но даже и в этом случае главной целью оставалась защита от вмешательства внешних воздействий, и именно достижению этой цели Кавендиш посвятил свои основные усилия. Необходимость уменьшить угрозу воздействия подобных сил и взять их под контроль стала, пожалуй, самым серьезным вызовом натуре Кавендиша, к подобным вызовам привычной.

Самой первой и наиболее сложной проблемой была температурная разница в помещении. Если одна часть оборудования оказывалась чуть теплее своего окружения, в помещении возникали воздушные потоки, которые воздействовали на положение бруса. Телесное тепло от человека, находящегося в комнате, так же, как и тепло, исходящее от лампы, рассматривалось как существенный источник возмущения:

...

«Убедившись в необходимости обеспечить возможно более надежную защиту от названного источника ошибок, я принял решение поместить аппарат в комнату, которая будет постоянно заперта, а за движением бруса наблюдать извне с помощью телескопа. [Кроме того, необходимо было] подвесить свинцовые гири так, чтобы я мог перемещать их, не входя в комнату…»

Кавендиш разместил модифицированное устройство Мичелла в небольшом садовом домике у себя в Клэпхеме и изолировал помещение от всяких внешних воздействий. Чтобы можно было проводить эксперимент, не входя в комнату, потребовались дополнительные усовершенствования. Кавендиш водрузил большую пару гирь на систему блоков, чтобы ими можно было медленно и постепенно манипулировать, не входя внутрь (рис. 12). К каждому концу «гантели» он прикрепил стрелки из слоновой кости – с их помощью Кавендиш смог определять положение шаров с точностью, превосходящей тысячную долю дюйма. В стены были встроены телескопы, позволявшие наблюдать за стрелками снаружи. Чтобы можно было проводить эксперименты также и в темноте, Кавендиш установил над каждым телескопом лампу с линзами, фокусировавшими свет на стрелках через крошечные стеклянные оконца.

Рис. 12.

Рисунок Кавендиша, изображающий пару небольших шаров, подвешенных к обоим концам кронштейна, заключенного в футляр. Рядом размещена пара более массивных грузов

В ходе эксперимента Кавендиш медленно поворачивал большие гири рядом с футляром, содержавшим шары, привешенные к брусу. Притяжение между гирями и шарами должно было воздействовать на брус и привести его в движение. Измерение возникавших таким образом микроскопических колебаний могло занять до двух с половиной часов непрерывного и внимательного наблюдения.

В ходе переделки оборудования и попыток достичь высшего уровня точности Кавендиш столкнулся с явлением, которое теперь известно под названием «компромисс экспериментатора». Каждую часть оборудования нужно настроить максимально надежно и точно, однако не переступив предел, за которым дальнейшее усовершенствование одних элементов может привести к худшей работе других компонентов оборудования. Если, к примеру, сделать шары на брусе большего размера, то это увеличит наглядность эксперимента, но одновременно снизит его точность из-за усиления давления на брус и на поддерживающую его проволоку. Если усилить брус, чтобы скомпенсировать названные последствия, возрастет нагрузка на проволоку. Усиление проволоки повлекло бы за собой необходимость увеличения силы, требуемой для воздействия на металлический стержень, а это снизит достоверность эксперимента и таким образом сведет на нет эффект, достигнутый было с помощью шаров большего веса. Гений Кавендиша как раз в том и заключался, что ученый нашел оптимальный компромисс и добился максимального эффекта и максимальной точности от всех составляющих эксперимента.