О РЕШЕНИИ НАУЧНЫХ ЗАДАЧ

Речь пойдет о научных задачах, к которым мы еще толком не подступались. Занимаясь всем тем, чем мы занимаемся, мы практически занимаемся наукой о решении технических задач, но есть и чисто научные задачи, которые в нашей практике встречаются, и мы проходим мимо, просто не зная, как подступиться к ним. Я хочу привести несколько научных задач и на этих примерах показать, как можно сделать первый шаг при решении таких задач.

Задача Резерфорда.

Что сделал Резерфорд? Он облучил альфа - частицами тонкую пластинку (рис. 3а [рисунок не представлен - прим. ДК]). Посмотрели на выходе и увидели, что пучок расширяется. Гейгер вспоминает, что когда был получен этот результат, Резерфорд долго морщил лоб и как-то странно ушел из лаборатории. Параллельный пучок прошел сквозь фольгу и расширился, это навело на мысль, что в атомах есть что-то тяжелое, что расширяет пучок. Тогда ведь атомы только изучали и о ядрах ничего не было известно.

Прошло три года, вспоминал Гейгер, вдруг Резерфорд говорит, чтобы счетчик поставили со стороны облучения, а не так, как было ранее (рис. 3б [рисунок не представлен - прим. ДК]). Не обнаружатся ли частицы, которые отклоняются на 180 градусов? Прошло целых три года, пока сообразили поставить счетчик с другой стороны!

Как только провели опыт, сразу было сделано допущение, что существует центральный удар и альфа-частица возвращается обратно, а значит, Нильс Бор прав - существует ядро, вокруг которого вращаются электроны. Сразу была опубликована статья.

Если получен непонятный результат, сделайте противоположный эксперимент. Тут есть психологический барьер: человек получивший что-то не то, что он ожидал, не хочет разбираться в причинах, ему нужно только то, что он ожидал, у него нет времени заниматься теми вещами, которыми, по сути, и надо было бы заняться.

Существует большое количество экспериментов, которые не находят объяснения из-за того, что сделан только один эксперимент.

Хочется рассказать об одном эксперименте, который долго не находил объяснения, было целое направление, которое сейчас потихоньку заглохло.

Счетчик Гейгера вы все себе представляете. Там нет ничего хитрого: трубочки из металла и натянутая в ней нить, на которую подается напряжение от 300 до 1500 вольт.

Один из интересных моментов. Если сделать новый счетчик и включить, то он начинает сразу считать, считает несколько дней, причем постепенно количество срабатываний спадает. Все, кто изготавливал такие счетчики наблюдали, такой счет. Впервые с этим я столкнулся, когда был младшим научным сотрудником, и мне сказали не обращать внимание на ерунду. Нашелся один физик, который снял эту кривую, возникло целое направление исследований. Он сделал попытку объяснить это явление таким образом. Если с поверхности любого металла удалить поверхностный слой, безразлично как, химически или механически, то с поверхности должны лететь электроны. Он назвал их экзоэлектронами. Все сразу поверили, начались симпозиумы и конференции по поводу экзоэлектронов. Различные гипотезы начали возникать для объяснения возникновения экзоэлектронов.

Рассмотрим противоречие. Экзоэлектронов быть не должно, потому что работа выхода из металла должна быть очень высокой, существует окисный слой в котором нет электронов. Но, в то же время, их же регистрируют, они есть. Это типичное противоречие, наводящее на мысль, что здесь что-то не то. Отгадать это достаточно сложно.

Известно, что если не ошибешься, то и не откроешь. Много открытий делается в результате ошибок. Почему так плохо обстоит дело с технологией открытий?

Когда мы изучаем предметы, мы изучаем и воспринимаем их как обособленные элементы. Приходя на производство, мы сталкиваемся с таким тесным переплетением наук, что справиться с ним не просто.

В 1897 году Рассел случайно обнаружил интересный эффект. Тогда был бум, связанный с открытием радиоактивности, все пытались найти что-то новое. Он делал самые простые вещи - насыпал на цинковую пластину различные порошки, устанавливал фотопластинку и измерял плотность почернения. Один раз он забыл засыпать радиоактивный порошок, сделал все как полагается. Видит, что все почернело, но как-то не так. Вдруг он обнаруживает, что порошка не было. Независимо от наличия порошка фотопластинка чернеет при контакте с металлом, освобожденным от окисной пленки. Рассел написал громадную статью.

Короче говоря, было ясно, что десятки ученых наблюдали это явление и писали статьи о том, что металл без окисной пленки излучает нечто, что можно зафиксировать.

Я не собирался заниматься этой проблемой, но в технологии часто бывает, что надо искать пути выхода из затруднительных положений. Нам надо было делать окошки размером 5х5 микрон в кремнии, причем очень важно было знать, дотравили до конца или нет. От этого зависело наличие электрического контакта. Один приятель рассказал случайно о почернении фотопластинок, если кремния нет. Но фотопластинка должна быть специальная. Проверили мы этот метод и увидели, что до конца недотравливаем. Разработали технологию обеспечивающую качество, а потом стало интересно, почему пластинка засвечивается.

Гипотез всяких множество. Я начал проверять все гипотезы, оказалось, что ученые, мягко говоря, пишут неправду. Это нельзя назвать недобросовестностью, я не знаю, как это можно охарактеризовать...

После того как мы проверили все гипотезы, мы решили посмотреть, будет ли засветка, если фотопластинку поместить на расстоянии 10 мм. Оказалось, будет.

Следующим возник вопрос: излучение это или частицы. Понадобилось предложить простой эксперимент, позволяющий сразу ответить на этот вопрос. Предложено было направить струю воздуха в пространство между фотопластинкой и металлом. Вместо круглой или квадратной формы получалась картинка в виде сердца. Значит, это частицы.

Тогда возник следующий вопрос; а что это за частицы? Опять появилось множество гипотез. Если металл окисляется, а он, как известно, окисляется водой, находящейся в воздухе, получается окись металла и молекула водорода Н₂. Стало ясно, что это водород. Берется баллон с водородом, направляется на пластинку и выдерживается сутки. Проявляем, нет черноты. Что это значит? А то, что это не водород. Противоречие: это водород и это не водород.

Как идет реакция образования молекулярного водорода - Н₂? Н+Н дает, как известно, Н₂. Вы можете прочитать громадное количество монографий, в которых об этом прямо говорится, но есть монографии, в которых петитом набрано: атомы водорода, азота, кислорода никогда не вступают в реакцию по этой формуле. Чтобы образовалась молекула, атомы должны пройти через стадию, так называемой возбужденной молекулы. Хочу подчеркнуть, что я это читал, но это проходило мимо меня, не воспринималось. Когда же я сам придумал такую молекулу и полез читать, это было уже совсем другое дело. Сейчас о таких молекулах почти не пишут. Таким образом, мы можем представить, что с поверхности летит возбужденная молекула водорода и атомарный водород.

Но как к этому пришли? Через противоречие: водород атомарный, т.к. только он может взаимодействовать с серебром, молекулярный водород с серебром не взаимодействует. Это атомарный водород с точки зрения взаимодействия с серебром и не атомарный водород потому, что через 20-30 ангстрем, максимум, атомарный водород вступит в реакцию.

Можно сделать следующие выводы: экзоэлектронов нет, они не вылетают с поверхности, они должны вылетать из какого-то другого места. Фактически речь идет о том, что такие экзоэлектроны образуются из этих возбужденных молекул. Когда две возбужденные молекулы взаимодействуют, может произойти развал одной из них и выделение энергии, достаточной для отрыва электрона. Такая статья была написана, но на нее никто не обратил внимания.

Какой шаг нужно сделать далее? Надо провести тот же эксперимент, но в других условиях. Например, в воде. Ведь мы работали на воздухе. Поставили эксперимент. Фотопластинка чернеет. Электрохимическая ячейка.

В чем интерес электрохимической ячейки? Там есть проблема перенапряжения водорода на катоде. Это перенапряжение зависит от материала катода: на одних металлах оно мало, на других высоко. На катоде выделяется водород. Поставили фотопластинку и увидели, что она почернела. Это значит, что на катоде выделяется не просто водород, а возбужденные молекулы водорода, а это меняет картину.

Краткий итог:

Если есть одна противоположность, то берем вторую. Если мы пользуемся только одной противоположностью, это плохо.

Если вы сделали какой-то эксперимент и не понимаете что произошло, вам необходимо его объяснить, предложите гипотезу, пусть самую хилую, но сделайте под нее противоположный эксперимент.

Следуя этим правилам вы сможете двигаться вперед гораздо быстрее.