Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

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.

Хотя Кавендиша больше всего беспокоили потоки воздуха, которые могли помешать проведению эксперимента, его также заботила проблема воздействия гравитационного притяжения металлических стержней, использовавшихся для подвешивания больших шаров и сближения их с малыми. Это заставило его на время отказаться от шаров и измерять притяжение только между стержнями, а впоследствии заменить и их на медные, чтобы проверить эффект магнетизма. Далее Кавендиш задался вопросом, достаточно ли эластична проволока, на которой подвешен брус. Он провел ряд проверочных экспериментов с ней, и хотя результаты подтвердили достаточную эластичность проволоки, все же заменил ее другой, более подходящей. Обеспокоенный тем, что двухдюймовые шары могли намагнититься из-за постоянной ориентации в магнитном поле Земли в течение довольно длительного времени, Кавендиш стал время от времени вращать шары, чтобы предотвратить названный эффект, а впоследствии заменил шары на магниты, чтобы измерить, какова будет сила притяжения при воздействии земного магнетизма. Перед нами пример того, что называют «бдительностью экспериментатора»: если ты заподозрил присутствие некоего возмущающего воздействия в своем эксперименте, увеличь это воздействие до такой степени, чтобы его можно было измерить и в дальнейшем скомпенсировать. Затем Кавендиш задался вопросами относительно гравитационного притяжения между футляром из красного дерева, в котором находился брус, меньшими шарами и бо́льшими шарами. Измерения подтвердили, что такое притяжение ничтожно мало, однако Кавендиш посвятил данному вопросу специальное приложение к своей статье.

Подобные измерения требовали не просто тщательности и скрупулезности. Чтобы оценить, что происходит в каждом данном случае, и суметь отследить, измерить и скомпенсировать любое внешнее воздействие, Кавендишу приходилось использовать громадные познания в самых разных научных областях своего времени, от электричества и магнетизма до теплопередачи, математики и теории гравитации.

Кавендишу была известна плотность шаров в обеих парах и сила притяжения между шарами и Землей. В том случае, если бы ему удалось определить силу притяжения между двумя парами шаров, он мог бы воспользоваться отношением величины притяжения между данными объектами к величине их плотности для установления средней плотности Земли. «С помощью экспериментов, – заключает Кавендиш, – выясняется, что плотность Земли в 5,48 раза больше плотности воды», а затем добавляет с нескрываемым удовлетворением, что «результат определен с очень большой точностью». Не без некоторого торжества он отмечает несоответствие между полученным им результатом и тем, который с таким шумом и помпой был объявлен двадцатью пятью годами ранее у Шихаллиона. Результат Кавендиша «…значительно больше отличается от прежде полученных данных, нежели я предполагал». Тем не менее, с присущими ему скромностью и осторожностью, Кавендиш добавляет, что склонен воздержаться от окончательных выводов относительно результатов эксперимента у Шихаллиона: