Как физик-экспериментатор решает, чем именно заниматься? Как выбирает тему для исследования?
Прежде всего физик-экспериментатор думает о том, чтобы сделать исследование, которое будет опираться на существующие или новые теоретические гипотезы. В своих экспериментах он стремится либо подтвердить их, либо опровергнуть. Результатом исследований может стать как получение нового знания о природе, так и разработка базовых принципов по созданию какого-то устройства. То, к какому результату необходимо стремиться, часто определяется степенью новизны и полезности результата. Например, если новизна поставленной задачи вызывает сомнения или потенциальная полезность результата совсем не очевидна, то не стоит даже начинать, чтобы не тратить время и ресурсы. И напротив, если тема исследований позволяет относительно просто сформулировать заголовок возможной публикации, который звучал бы как заголовок статьи в одном из ведущих международных журналов, то перспективность направления является высокой. Это довольно грубый, но действенный прием.
Что происходит перед началом эксперимента?
Если эксперимент выглядит несложным, то для его начала достаточно просто хорошо продуманной идеи, которая с большой вероятностью сработает. Однако перед проведением более сложного физического эксперимента хорошей практикой является построение теоретической модели, которую ученый будет подтверждать или опровергать. Когда по результатам моделирования становится ясно, что игра стоит свеч ― начинается подготовка к эксперименту.
Как готовится эксперимент?
Прежде всего необходимо определить набор экспериментальных методик, которые вы будете использовать. Потом необходимо приступить к подготовке собственной установки для измерений или найти ресурсные центры или лаборатории, где можно реализовать свою идею. Второе зачастую необходимо в тех областях, где общая стоимость оборудования, нужного для эксперимента, может составлять сотни миллионов рублей. Также крайне важно подготовить исследуемые образцы ― от их качества зависит успех эксперимента. Чем более совершенными являются образцы, тем больше шансов на то, что эксперимент будет соответствовать теории, в которой обычно делается ряд допущений. Плохие образцы могут привести к тому, что необычные эффекты будут «замазаны», например, из-за присутствия в образцах грязи или различных дефектов.
Откуда берутся материалы? Часто мы читаем о серебряных подложках, платиновых частицах, алмазных основах ― это же очень дорого?
Высококачественные материалы или образцы для физических экспериментов и правда обычно стоят немало. Ведь это зачастую либо мелкосерийное производство, либо уникальное изделие, которое изготавливают в специальных чистых комнатах или ресурсных центрах. Однако если ученый научился создавать уникальные образцы хорошего качества самостоятельно, то он сам может выступать в качестве поставщика. В научном сообществе широко распространена практика, когда в одной лаборатории специалисты создают уникальные образцы, а в других ― исследуют их с помощью уникальных методик. Это наиболее частый способ коллаборации в современной экспериментальной физике.
Сколько по времени занимает эксперимент?
Ученые часто шутят: если эксперимент идеально сошелся с теорией с первого раза, значит что-то пошло не так. Если серьезно, такое действительно случается крайне редко ― одна только настройка измерительной техники под особенности определенных образцов или задач занимает дни, недели, месяцы. И даже после того, как все оборудование настроено, может случиться, что образцы имеют какие-то существенные недостатки, которые не позволяют обнаружить предсказываемое явление. Поэтому исследователю приходится их переделывать ― и потом весь измерительный цикл повторяется. Еще может обнаружиться, что теоретическая модель не учла ряд нюансов, имеющиеся в конкретном эксперименте. Это заставляет экспериментаторов ждать, когда физики-теоретики доработают модель. В целом весь процесс может занять от нескольких месяцев до нескольких лет.
Сколько человек обычно участвует в эксперименте?
Количество людей сильно зависит от специфики эксперимента, сложности оборудования или организации труда в лаборатории. В области оптики или физики твердого тела нормальным считается вовлекать в работу до десяти экспериментаторов.
Бывает ли так, что условия эксперимента меняются прямо на ходу?
Очень важно, чтобы эксперимент проходил с участием опытных исследователей, ведь действительно часто необходимо менять условия эксперимента прямо на ходу. В эти моменты очень важно, чтобы экспериментатор хорошо понимал, что именно он ищет в своем исследовании. Бездумное использование прибора напоминает ситуацию из басни «Обезьяна и очки».
Как физики понимают, что эксперимент удался?
Как правило, хороший эксперимент должен дать всю искомую информацию об изучаемом образце или явлении. Хотя зачастую аппетит экспериментатора приходит во время еды, ведь новые результаты порождают новые вопросы. Это естественный процесс познания. Поэтому задачей руководителя научного исследования является грамотное стратегическое планирование экспериментов. Но иногда получается ситуация, как в старом анекдоте ― «эксперимент нельзя закончить, его можно только остановить».
Что происходит в случае неудачи?
Бывает, что эксперимент не удается провести так, как того требует поставленная задача. Тогда есть два варианта: либо готовить публикацию о той части, которая имеет ценность, либо совсем прекратить исследования в этом направлении. Выбрать второе психологически крайне тяжело ― прекращение работы нередко приводит к депрессии. Но нужно научиться принимать неудачи и мириться с тем, что в карьере экспериментатора всегда есть периоды везения и полных провалов.
Эксперимент проведен, что дальше?
Дальнейшая судьба результатов экспериментов сильно зависит от их качества. Если исследование проведено на максимально высоком уровне и у коллег не остается вопросов, дальше эти результаты будут использоваться последователями для уточнения теоретических моделей. Если эксперимент проведен недостаточно качественно и еще остался ряд вопросов, то в других лабораториях может начаться процесс перепроверки. В худшем случае научное сообщество вовсе проигнорирует полученные результаты, не цитируя публикацию.
