Уявіть собі фізика, який не помиляється. Це неможливо, адже саме помилки та неправильні передбачення часто стають головними рушіями наукового прогресу. Відомі фізики, такі як Альберт Айнштайн, Нільс Бор, Ернест Резерфорд, зробили величезний внесок у розвиток науки, але навіть вони помилялися. Ця стаття присвячена деяким із найбільш визначних помилок в історії фізики, які, попри свій негативний характер, відіграли позитивну роль, сприяючи розвитку сучасної науки.
Класична помилка Айнштайна: «Космологічна стала»
У 1915 році Альберт Айнштайн (1879–1955) завершив створення загальної теорії відносності, революційної концепції гравітації, яка повністю змінила наше уявлення про простір і час. Однак уже за два роки, у 1917 році, Айнштайн зіштовхнувся з серйозною проблемою. Його рівняння свідчили про те, що Всесвіт не може бути статичним: він має або розширюватися, або стискатися. У той час у науці панувала думка про статичність і незмінність Всесвіту, і Айнштайн не був готовий прийняти ідею про динамічний, мінливий космос [1].
Щоб «врятувати» свою теорію та забезпечити стабільність Всесвіту, Айнштайн увів у свої рівняння додатковий математичний член, який назвав «космологічною сталою» (Λ). Цей параметр створював своєрідну антигравітаційну силу, яка компенсувала гравітаційне тяжіння, дозволяючи космосу залишатися статичним і незмінним. Айнштайн вважав, що він знайшов ідеальне рішення, яке відповідало загальноприйнятим уявленням того часу про незмінний Всесвіт [2].
Відкриття Габбла і визнання помилки
Ситуація кардинально змінилася у 1929 році, коли американський астроном Едвін Габбл (1889–1953) опублікував результати своїх спостережень. Вивчаючи спектри галактик, Габбл помітив, що чим далі знаходиться галактика, тим швидше вона віддаляється від нас. Це відкриття було сформульоване у вигляді знаменитого закону Габбла, який став першим переконливим доказом того, що Всесвіт розширюється [3].
Це відкриття завдало сильного удару по Айнштайновому припущенню про статичний Всесвіт. Сам Айнштайн був змушений визнати, що його ідея про космологічну сталу була серйозною помилкою. Він висловив жаль через це, назвавши космологічну сталу своєю «найбільшою помилкою» (“größte Eselei”).
Космологічна стала: повернення «найбільшої помилки»
Минуло кілька десятиліть, і фізики зіткнулися з новими загадками. У 1998 році дві незалежні групи астрономів під керівництвом Сола Перлмуттера, Адама Рісса і Браяна Шмідта виявили, що Всесвіт не просто розширюється, але й робить це із прискоренням. Це було шоком для наукового співтовариства, адже до цього передбачалося, що гравітація повинна поступово сповільнювати розширення.
Щоб пояснити прискорене розширення Всесвіту, фізики знову звернулися до ідеї космологічної сталої. Виявилося, що вона чудово підходить для опису цієї «антигравітаційної» сили, яка розштовхує галактики, прискорюючи їх віддалення одна від одної. Введений колись Айнштайном додатковий член став центральним елементом сучасної космології та концепції «темної енергії», яка становить приблизно 68% усієї енергії Всесвіту [6].
Таким чином, космологічна стала, яка була задумана як тимчасовий «милиця» для теорії Айнштайна, стала фундаментальним елементом сучасної моделі Всесвіту (стандартної ΛCDM-моделі), довівши, що навіть помилки геніїв можуть бути джерелом значних відкриттів.
Ернест Резерфорд і атомна енергія
Ернест Резерфорд (1871–1937) є однією з центральних фігур в історії фізики XX століття. Саме йому належить відкриття атомного ядра у 1911 році, яке радикально змінило уявлення про будову матерії та стало фундаментом для сучасної ядерної фізики. Завдяки своїм дослідженням він став відомим як «батько ядерної фізики». Проте навіть найвидатніші вчені можуть помилятися, і Резерфорд не був винятком.
У 1933 році, у час активного вивчення атомних реакцій та властивостей радіоактивних речовин, Резерфорд зробив публічне висловлювання, яке ввійшло в історію як одна з найбільш відомих помилок у фізиці. Він заявив:
«Той, хто сподівається на отримання атомної енергії, говорить нісенітницю» [4].
Ця цитата стала знаменитою, оскільки буквально за кілька років після цього твердження історія науки та технологій змінилася назавжди, а атомна енергія стала не тільки можливою, а й одним із головних технологічних проривів людства у XX столітті.
Причини скепсису Резерфорда
Для розуміння цієї заяви варто зазначити, що Резерфорд чудово розумів фізичні процеси, пов’язані з атомними реакціями. Його сумніви були пов’язані з технічними та теоретичними труднощами отримання керованої атомної реакції. Резерфорд вважав, що енергія, отримана під час ядерних реакцій, ніколи не буде практично доступною через складність управління процесом і неможливість підтримання стабільних умов для ланцюгових реакцій [4].
У той час багато фізиків поділяли цю думку, адже хоча розщеплення ядра атома вже було відомо, технологія для його контрольованого здійснення не була розвинена. Більш того, навіть сам процес поділу ядра ще не був повністю досліджений, і залишалося багато відкритих питань.
Реальність атомної енергії та успіхи Енріко Фермі
Однак події розгорталися набагато швидше, ніж передбачав Резерфорд. У грудні 1938 року, лише через рік після його смерті, німецькі фізики Отто Ган і Фріц Штрассман відкрили явище ядерного поділу урану [4]. Це відкриття різко змінило ставлення вчених до можливості використання ядерної енергії.
Перший серйозний практичний прорив відбувся вже у 1942 році, коли італійський фізик Енріко Фермі (1901–1954) під керівництвом Манхеттенського проєкту в Чиказькому університеті здійснив першу у світі керовану ланцюгову ядерну реакцію. Це досягнення стало доказом того, що людство може не лише розщеплювати ядра, а й контролювати цей процес, отримуючи величезні обсяги енергії [5].
Протягом наступних кількох років цей результат переріс у створення атомної бомби, а ще через десять років—у мирне використання атомної енергії на атомних електростанціях.
Лорд Кельвін і неможливість польоту
Прогноз щодо неможливості польотів апаратів важчих за повітря
Одним із найяскравіших прикладів помилок лорда Кельвіна є його відоме висловлювання про неможливість польоту апаратів, важчих за повітря. У 1896 році, коли вже активно велися роботи з аеронавтики і багато ентузіастів прагнули до створення першого літака, Кельвін зробив гучну заяву, що:
«Апарат важчий за повітря ніколи не зможе літати» [6].
Його слова набули особливого резонансу, оскільки на той час лорд Кельвін мав величезний авторитет у наукових колах, і до його думки дослухалися як вчені, так і винахідники. Він аргументував свої твердження фізичними розрахунками й теоретичними міркуваннями, що на той момент здавалися переконливими.
Однак уже через кілька років після цієї заяви, у 1903 році, брати Вілбур і Орвілл Райт здійснили свій легендарний політ на літаку Wright Flyer, продемонструвавши практичну можливість керованого польоту. Ця подія поклала початок ери сучасної авіації і повністю спростувала прогнози Кельвіна, перетворивши його слова на одну з найвідоміших наукових помилок в історії фізики.
Рентгенівські промені як «містифікація»
Ще одна відома помилка Кельвіна стосується відкриття рентгенівських променів, зробленого німецьким фізиком Вільгельмом Конрадом Рентгеном (1845–1923) у 1895 році. Коли звістка про це відкриття дійшла до Великої Британії, лорд Кельвін спочатку висловив різкий скепсис і навіть назвав відкриття X-променів «містифікацією». Він не вірив у те, що існують такі невидимі промені, здатні проникати крізь тверді предмети, вважаючи це черговою псевдонауковою сенсацією [7].
Однак через короткий час він отримав копії знімків, зроблених Рентгеном, і сам провів серію експериментів. Побачивши незаперечні докази, Кельвін швидко змінив свою думку. В листі до Рентгена в січні 1896 року він визнав, що його скептицизм був помилковим, і висловив щире захоплення відкриттям:
«Коли я прочитав вашу працю, я був глибоко вражений і щиро захоплений вашим відкриттям» [7].
Цей приклад показує, наскільки швидко навіть найавторитетніші вчені змушені змінювати свої думки перед обличчям переконливих експериментальних доказів.
Нільс Бор і проблема ядерної структури
Ядерна структура: невирішена загадка 1930-х років
На початку 1930-х років наука активно досліджувала будову атомного ядра. У цей період фізики відкрили нейтрон (Джеймс Чедвік, 1932) та почали активно досліджувати процеси взаємодії нейтронів з атомами. Серед вчених, які активно займалися цією проблематикою, був і Нільс Бор. Він мав глибоке розуміння атомної фізики, але ядерна фізика ще перебувала на ранній стадії розвитку, тому вчені часто робили помилкові висновки.
Помилкове твердження Бора про уран-235
У 1936 році Бор публічно висловив твердження, яке увійшло в історію фізики як одне з його найбільших невдалих передбачень. Він заявив, що ізотоп уран-235 не може розщеплюватися під впливом нейтронів і що тому неможливо створити ланцюгову реакцію на основі цього ізотопу [8]. На той час Бор виходив із теоретичних міркувань, які здавалися абсолютно логічними. Зокрема, він вважав, що ядро урану настільки стабільне, що його розщеплення нейтронами малоймовірне або взагалі неможливе.
Ця помилка була пов’язана з тогочасною неповнотою знань про внутрішню структуру атомного ядра і процеси, що відбуваються під час взаємодії з нейтронами. Висновки Бора були широко поширені й серйозно сприйняті багатьма вченими, що певною мірою уповільнило дослідження ядерного поділу урану на короткий час.
Відкриття Отто Гана та Фріца Штрассмана: ядерний поділ стає реальністю
Однак усього за два роки після цієї заяви, у 1938 році, ситуація радикально змінилася. Німецькі фізики Отто Ган (1879–1968) і Фріц Штрассман (1902–1980) здійснили фундаментальне відкриття, експериментально довівши, що ядро урану-235 під впливом нейтронів розщеплюється на менші фрагменти. Це явище було названо ядерним поділом [9].
Відкриття Гана і Штрассмана стало справжньою сенсацією і перевернуло уявлення фізиків про можливості атомної енергії. Майже одразу було зрозуміло, що поділ урану супроводжується виділенням величезної кількості енергії, що відкривало шлях до створення як атомних реакторів, так і атомної зброї.
Бор визнає помилку та активно включається в роботу
Коли Нільс Бор дізнався про відкриття ядерного поділу, він швидко зрозумів свою помилку і негайно змінив свої погляди. Бор, відомий своєю відкритістю до нових ідей, став одним із найактивніших пропагандистів нового відкриття. Він усвідомив величезний потенціал цього явища і присвятив багато сил популяризації ідеї ядерного поділу серед наукової спільноти.
Уже в 1939 році Бор відіграв важливу роль у поясненні механізму ядерного поділу, розробивши разом зі своїм американським колегою Джоном Вілером першу детальну теоретичну модель цього явища. Бор не лише визнав свою попередню помилку, але й активно сприяв поширенню знань про ядерний поділ, ставши важливою фігурою в ядерній фізиці періоду Другої світової війни та після неї.
Помилка Поля Дірака: антиматерія й магнітні монополі
Що таке магнітний монополь і чому його шукав Дірак?
Магнітний монополь – це гіпотетична елементарна частинка, яка має лише один магнітний полюс (північний або південний). Відомо, що магнітні диполі (об’єкти з двома полюсами) існують повсюди в природі—звичайні магніти, Земля, яка є величезним диполем тощо. Однак, на відміну від електричних зарядів, які легко можна розділити, створивши окремі позитивні або негативні частинки, жодного окремого магнітного полюса ще ніколи не спостерігалося.
У 1931 році Поль Дірак запропонував ідею магнітних монополів у статті «Квантизовані сингулярності в електромагнітному полі» [10]. Дірак припустив, що існування хоча б одного магнітного монополя у Всесвіті могло б пояснити фундаментальний факт—чому електричний заряд завжди є квантизованим, тобто існує лише в певних дискретних значеннях.
За Діраком, взаємозв’язок між електричним і магнітним зарядами автоматично веде до умови квантування електричного заряду. Ця ідея була настільки красивою й логічною, що відразу привернула увагу фізиків усього світу, і розпочався активний пошук експериментального підтвердження магнітних монополів.
Що таке магнітний монополь і чому його шукав Дірак?
Магнітний монополь – це гіпотетична елементарна частинка, яка має лише один магнітний полюс (північний або південний). Відомо, що магнітні диполі (об’єкти з двома полюсами) існують повсюди в природі—звичайні магніти, Земля, яка є величезним диполем тощо. Однак, на відміну від електричних зарядів, які легко можна розділити, створивши окремі позитивні або негативні частинки, жодного окремого магнітного полюса ще ніколи не спостерігалося.
У 1931 році Поль Дірак запропонував ідею магнітних монополів у статті «Квантизовані сингулярності в електромагнітному полі» [10]. Дірак припустив, що існування хоча б одного магнітного монополя у Всесвіті могло б пояснити фундаментальний факт—чому електричний заряд завжди є квантизованим, тобто існує лише в певних дискретних значеннях.
За Діраком, взаємозв’язок між електричним і магнітним зарядами автоматично веде до умови квантування електричного заряду. Ця ідея була настільки красивою й логічною, що відразу привернула увагу фізиків усього світу, і розпочався активний пошук експериментального підтвердження магнітних монополів.
Спроби знайти монополь: десятиліття невдалих пошуків
Після публікації Дірака вчені розпочали активні експерименти з метою знайти магнітні монополі. Протягом наступних десятиліть фізики намагалися виявити їх різними способами—від пошуків у космічних променях до створення в лабораторних умовах на великих прискорювачах елементарних частинок.
Але попри численні спроби, жодного магнітного монополя так і не було знайдено експериментально. Це стало однією з найбільших загадок фізики ХХ і початку XXI століття. Сучасні фізики продовжують активно працювати над цією проблемою, але монополі досі залишаються невловимими.
Після публікації Дірака вчені розпочали активні експерименти з метою знайти магнітні монополі. Протягом наступних десятиліть фізики намагалися виявити їх різними способами—від пошуків у космічних променях до створення в лабораторних умовах на великих прискорювачах елементарних частинок.
Але попри численні спроби, жодного магнітного монополя так і не було знайдено експериментально. Це стало однією з найбільших загадок фізики ХХ і початку XXI століття. Сучасні фізики продовжують активно працювати над цією проблемою, але монополі досі залишаються невловимими.
Висновок: навіть великі фізики можуть помилятися
Великі фізики такі як Альберт Айнштайн, Ернест Резерфорд, Вільям Томсон (лорд Кельвін), Нільс Бор і Поль Дірак, показують, що помилки і невдалі передбачення є не лише неминучою частиною наукового процесу, але й необхідним елементом прогресу. Ці помилки допомагають ученим ставити під сумнів старі погляди, формулювати нові гіпотези і таким чином відкривати нові горизонти науки.
Ця думка чітко відображає сутність наукового пошуку. Адже наука не є набором остаточних відповідей. Вона є постійним процесом сумніву, перевірки та уточнення, де помилки відіграють роль не перешкод, а важливих орієнтирів на шляху до істини.
Історії про «найбільшу помилку» Айнштайна, скептицизм Резерфорда щодо атомної енергії, прогнози Кельвіна про неможливість авіації, помилки Бора щодо урану-235 чи гіпотеза Дірака про магнітні монополі демонструють, що навіть генії не застраховані від хибних суджень. Але саме ці помилкові припущення ставали каталізаторами для подальших відкриттів, підштовхуючи інші покоління вчених до нових звершень.
Наукові помилки є природними й навіть необхідними, оскільки саме завдяки їм наука залишається динамічною і відкритою для нових ідей. Якби не помилки і сумніви видатних науковців, ми б не мали тих революційних відкриттів, які визначили розвиток сучасного світу.
Таким чином, справжня цінність науки полягає не лише у правильних відповідях, але й у тих запитаннях і помилках, які спонукають учених рухатися вперед, постійно переосмислюючи межі нашого розуміння Всесвіту.
Джерела:
1. Einstein A. Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie // Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften. – 1917. – С. 142–152.https://arxiv.org/vc/arxiv/papers/1701/1701.07261v1.pdf
2. Hubble E. A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae // PNAS. – 1929. – Vol. 15. – С. 168–173.https://arxiv.org/pdf/1504.03606
3. Perlmutter S. et al. Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae // Astrophysical Journal. – 1999. – Vol. 517. – С. 565–586.https://arxiv.org/pdf/astro-ph/9812133
4. Eve A. Rutherford: Being the Life and Letters of the Rt Hon Lord Rutherford. – Cambridge Univ. Press, 1939.https://archive.org/details/dli.csl.3544/page/n287/mode/2up
5. Fermi E. Experimental Production of a Divergent Chain Reaction // Phys. Rev. – 1942.
6. Kelvin, Lord. Quotation cited by various historical sources.https://zapatopi.net/kelvin/quotes/
7. Glasser O. Dr. W.C. Röntgen. – Springfield, 1934.https://ia902907.us.archive.org/10/items/in.ernet.dli.2015.63841/2015.63841.Dr-W-C-Rontgen_text.pdf
8. Rhodes R. The Making of the Atomic Bomb. – Simon & Schuster, 1986.https://archive.org/details/makingofatomicbo00rich_0/page/n931/mode/2up
9. Hahn O. Discovery of Nuclear Fission // Naturwissenschaften. – 1939.https://www.ias.ac.in/article/fulltext/pram/033/01/0001-0012
10. Dirac P. Quantised Singularities in the Electromagnetic Field // Proc. Roy. Soc. A. – 1931. – Vol. 133. – С. 60–72.https://wucj.lab.westlake.edu.cn/teach/CNYang/Lec7_dirac1931.pdf
Comments