Эксперимент

Философы науки постоянно обсуждают теории и представления реальности, но почти ничего не говорят об эксперименте, технологии или использовании знания для изменения мира. Это странно, поскольку “экспериментальный метод” обычно использовался как синоним для научного метода. Популярный, хотя и не вполне верный, образ ученого – некто в белом халате в лаборатории. Конечно, наука предшествует лабораториям. Сторонники Аристотеля недооценивали эксперимент и отдавали предпочтение выводу из первых принципов. Однако научная революция семнадцатого века все это поменяла. Эксперимент был официально объявлен королевской дорогой к знанию, а ученых схоластов стали презирать, потому что они рассуждали исходя из книг вместо того, чтобы наблюдать окружающий их мир. Философом этого революционного времени был Фрэнсис Бэкон (1561-1626). Он учил, что мы должны не только созерцать природу, но и “подергать льва за хвост”, то есть манипулировать миром для того, чтобы узнать его секреты.

Революция в науке принесла с собой новые институты. Одним из первых было Королевское Общество в Лондоне, основанное около 1660 года. Оно послужило образцом для других национальных академий в Париже, Санкт-Петербурге и Берлине. Была изобретена новая форма научной коммуникации: научное периодическое издание. И все же стиль ранних страниц Философских Трудов Королевского Общества весьма любопытен. Хотя этот печатный сборник работ, представленных Обществу, всегда содержал какую-то долю математики и теории, он был также и хроникой фактов, наблюдений, экспериментов и выводов из экспериментов. Отчеты о морских чудовищах или о погоде на Гибридских островах соседствуют здесь со знаменитыми работами таких людей, как Роберт Бойль или Роберт Гук. К слову сказать, Бойль и Гук никогда бы не обратились к собранию Общества без демонстрации какого-нибудь нового прибора или экспериментального явления.

Но времена изменились. История естественных наук теперь почти всегда пишется как история теории. Философия стала философией теории в такой степени, что само существование дотеоретических наблюдений отвергается. Я надеюсь, что следующие главы могут инициировать движение “Назад к Бэкону”, примкнув к которому мы будем более серьезно относиться к экспериментальной науке. Эксперименты имеют свою собственную жизнь, независимую от теории.

Класс и каста

По легенде и, может быть, по природе философы больше привыкли к креслу, чем к верстаку. Не удивительно, что мы превозносим теорию в ущерб эксперименту. И все же мы не всегда были столь ограничены. Лейбница называли величайшим универсальным интеллектом, которого когда-либо знал мир. Его мысль коснулась практически всего. Хотя он был менее успешен в построении ветряных мельниц для добычи серебра, чем в изобретении дифференциального исчисления (одновременно с Ньютоном и независимо от него), замечания этого титана мысли о роли эксперимента несомненно придавали большее значение научной практике, чем современные учебники философии. Пример таких философов, как Бэкон и Лейбниц, показывает, что нам не следуют выступать против эксперимента.

Прежде чем подумать о философии эксперимента, мы отметим определенное классовое и кастовое отличие между теоретиком и экспериментатором. Это отличие имеет малое отношение к философии. Мы находим предрасположенность в пользу теории так же давно, как мы встречаем институализированную науку. Платон и Аристотель часто бывали в афинской Академии. Это здание расположено на одной стороне Агоры, или рынка, и находится дальше всего от Геркуланума, храма богини огня, покровительницы металлургии. Оно “по другую сторону”. В соответствии с этим классовым различием, мы знаем кое-что о греческой геометрии и философских учениях. Кто знает что-нибудь о греческой металлургии? И все же, может быть, боги говорят с нами своим особым образом. Из всех зданий, которые когда-то украшали афинскую Агору, лишь одно стоит там, где оно всегда было, не затронутое временем или перестройкой, – это храм богини металлургии. Здание Академии разрушилось довольно давно, его восстановили частично на деньги, вырученные на металлургических заводах Питсбурга.

Даже новая наука, посвятившая себя эксперименту, на практике отдавала предпочтение теоретикам. Я уверен, например, что Роберт Бойль (1627-1691) – более известная научная фигура, чем Роберт Гук (1653-1703). Гук – экспериментатор, который также и теоретизировал, теперь почти забыт, в то время как Бойль – теоретик, который еще и экспериментировал, по-прежнему упоминается в учебниках средней школы.

У Бойля было спекулятивно-теоретическое вú дение мира как состоящего из маленьких упругих шариков или пружинок. Бойль представлял, как это тогда называлась, корпускулярную и механистическую философию. Его важные химические эксперименты помнят гораздо хуже, в то время как Гук имеет репутацию чистого экспериментатора, теоретические прозрения которого в основном игнорируются. Гук был куратором экспериментов при Королевском Обществе, у него был характер сварливого старика, легко вступавшего в конфликты, частично из-за своего низкого положения как экспериментатора. И все же Гук определенно заслуживает места в пантеоне науки. Он соорудил прибор, с помощью которого Бойль изучал расширение воздуха (закон Бойля). Он открыл закон упругости, который он заставил работать, например, в пружинах, которые он сам делал для карманных часов (закон Гука). Его модель с пружинками между атомами была заимствована Ньютоном. Он был первым, кто построил совершенно новый отражающий телескоп, с помощью которого он открыл большинство новых звезд. Он первым понял, что планета Юпитер вращается вокруг своей оси. Его работы с микроскопом были на самом высоком уровне, и ему мы обязаны словом “клетка”. Исследования по микроскопическим ископаемым превратили его в одного из самых первых сторонников эволюционной теории. Он понял, как использовать маятник для измерения силы тяжести. Он был одним из тех, кто открыл дифракцию света (свет заворачивает за углы, так что тени оказываются всегда смазанными. Более важно то, что в тени за предметом свет появляется в чередовании светлых и темных полос). Гук использовал это открытие в качестве основы своей волновой теории света. Предположительно он установил закон притяжения, в котором притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния, еще до Ньютона, хотя и не в такой совершенной форме. Этот список можно продолжить. Этот человек научил нас очень многому о том мире, в котором мы живем. То, что Гук известен лишь в узком кругу специалистов, частично объясняется большей склонностью ученых к теории, чем к эксперименту, а так же тем, что, в отличие от аристократа Бойля, Гук был бедным самоучкой. Различие в соотношении теория/эксперимент моделируется здесь социальным положением.

Упомянутое преимущество относится не только к прошлому. Мой коллега Ч. В. Эверитт писал для “Словаря научных биографий” (Dictionary of Scientific Biography) о двух братьях. Оба внесли фундаментальный вклад в понимание сверхпроводимости. Фриц Лондон (1903-1953) был выдающимся специалистом в области теории физики низких температур. ^* Хайнц Лондон (1907-1970) занимался физикой низких температур как экспериментатор, но внес также некоторый вклад в теорию. Вместе они составляли прекрасную группу. Тем не менее биография Фрица была принята в Словарь, а биография Хайнца была возвращена автору для сокращения. Редактор (им был Кун) проявил обычное предпочтение теории, а не эксперименту.

Индукция и дедукция

Что такое научный метод? Совпадает ли он с экспериментальным методом? Вопрос поставлен неправильно. Почему у науки должен существовать только один метод? Имеется несколько способов строить дома и даже выращивать помидоры. Мы не должны ожидать, что такая многосторонняя вещь, как рост знания может быть сведена к единственной методологии.

Начнем с двух известных методологий. Кажется, что они приписывают совершенно разные роли эксперименту. В качестве примера я приведу два утверждения, каждое из которых сделано одним из великих химиков прошлого века. Различие между ними все еще имеет место: это в точности то, что разделяет Карнапа и Поппера. Как я сказал во Введении, Карнап пытался разработать логику индукции, в то время как Поппер настаивал на том, что не существует иного пути, кроме дедукции. Вот мое любимое утверждение об индуктивном методе:

“Основы химической философии – это наблюдение, эксперимент и аналогия. При наблюдении факты четко и постоянно запечатлеваются в разуме. Сходные факты связываются по аналогии. С помощью эксперимента открываются новые факты, и с ростом знания наблюдения, направляемые аналогией, приводят к эксперименту. Так, аналогия, подтвержденная экспериментом, становится научной истиной.

Приведем пример. Нежные зеленые растительные волокна (Conferva rivularis) обитают летом почти во всех ручьях, речках, озерах и прудах, в различных сочетаниях света и тени. Всякий, кто будет их внимательно рассматривать, обнаружит пузырьки газа на тех нитях, которые находятся в тени. Он поймет, что данный эффект связан со светом. Это наблюдение, но оно не дает информации относительно природы газа. Перевернем стакан с водой над водорослью. Газ начнет собираться в верхней части стакана. Когда стакан будет целиком наполнен газом, его можно, накрыв рукой, перевернуть в обычное положение и внести внутрь горящую свечу. Свеча станет гореть гораздо ярче, чем в обычном воздухе. Это эксперимент. Если рассуждают о явлениях и ставят вопрос о том, производят ли все пресноводные и морские растения такой газ при таких обстоятельствах, то спрашивающий будет руководствоваться аналогией. Когда после новых опытов будет установлено, что это имеет место всегда, будет установлена общая научная истина о том, что все водоросли Confervae производят на свету особый газ, который в высшей степени способствует горению, о чем свидетельствуют многочисленные подробные исследования”.

Это слова, которыми Хэмфри Дэви (1778-1829) начинает свой учебник по химии “Элементы химической философии” (1812, pp.2-3). Дэви был один из наиболее способных химиков своего времени, его обычно вспоминают в связи изобретением им безопасной шахтерской лампы, которая спасла многих от страшной смерти. Его вклад в науку относится к электролитическому химический анализу – методу, который позволил ему определить, какие из веществ являются элементами (как, например, хлор), а какие являются сложными веществами. Не все разделяли индуктивистский взгляд Дэви на науку. Вот слова Юстуса фон Либиха (1803-1873), великого первооткрывателя органической химии, который косвенным образом революционизировал сельское хозяйство, внедряя азотные удобрения.

“Во всех своих исследованиях Бэкон придавал огромное значение экспериментам. Но он не полностью понимал их значение. Он считал, что они являются некоторыми механизмами, которые, будучи приведенными в движение, приносят результаты сами по себе. Но в науке все исследования дедуктивны или априорны. Эксперимент лишь помощь уму, так же как и вычисления: мысль должна всегда и с необходимостью предшествовать эксперименту, если он имеет какой-либо смысл. Эмпирического режима исследования в обычном смысле этого слова не существует. Эксперимент, не предваренный теорией, то есть мыслью, имеет такое же отношение к научному исследованию, какое детская погремушка имеет к музыке”.

Насколько глубоко противостоят друг другу эти две цитаты? Либих говорит, что теория, то есть мысль, должна предшествовать эксперименту. Но это утверждение двусмысленно. У него есть слабая и сильная версии. Слабая версия утверждает, что у вас должны существовать некоторые идеи о природе и вашей экспериментальной установке до того, как вы начнете проводить эксперимент. Совершенно бессмысленное экспериментирование с природой, без понимания или возможности интерпретировать результат, практически ничему не научит. Никто не оспаривает этой слабой версии. У Дэви определенно уже была некоторая идея, когда он проводил эксперименты с водорослями. Он подозревал, что пузырьки газа над зелеными нитями относятся к определенному типу газа. Первый вопрос, который стоило задать, относился к тому, поддерживает ли газ горение или нет. Дэви обнаруживает, что свеча в газе горит ярче (из чего он, наверное, делает вывод, что газ необычайно богат кислородом?) Без такого, хотя бы минимального, понимания эксперимент не будет иметь смысла. Само по себе яркое горение свечи будет по меньшей мере бессмысленным наблюдением. Скорее всего никто этого даже и не заметит. Такие безыдейные эксперименты вообще не являются экспериментами.

Однако существует и сильная версия утверждения Либиха. Согласно ей, эксперимент имеет значение, только если речь идет о проверке предложенной теории. Только если, например, Дэви считает, что свеча потухнет (или вспыхнет), эксперимент имеет какой-либо смысл как проверяемый. Я считаю, что это просто неверно. Можно проводить эксперимент просто из любопытства, для того чтобы увидеть, что произойдет. Естественно, что многие из наших экспериментов сделаны под влиянием более специфических предположений. Так, Дэви спрашивает, производят ли все водоросли одного вида, независимо от того, находятся ли они в пресной или соленой воде, газ, который он безошибочно определил как кислород. Он делает новые опыты, которые приводят его к “общенаучной истине”.

Я не интересуюсь тем, совершает ли в самом деле здесь Дэви индуктивный вывод, как сказал бы Карнап, или он в конечном счете неявно придерживается методологии гипотез и опровержений Поппера. Не следует забывать к тому же, что собственный пример Дэви не является, как он полагал, научной истиной. Современная классификация водорослей утверждает, что Confervae даже не является естественным типом! Не существует такого рода или вида.

В основном я озабочен вопросом о сильной версии: должна ли обязательно ставиться цель проверки предположения, для того чтобы эксперимент был осмысленным? Я думаю, что нет. Конечно, даже слабая версия не бесспорна. Физик Джордж Дарвин говаривал, что иногда нужно ставить самые безумные эксперименты, например, в течение месяца по утрам играть на трубе тюльпанам. Скорее всего ничего не произойдет, но если что-либо произойдет, то это будет потрясающим открытием.

Что появляется первым, теория или эксперимент?

Мы не должны преуменьшать разрыв между поколениями Дэви и Либиха. Может быть, отношение между химической теорией и химическим экспериментом изменилось за пятьдесят лет, которые разделяют две приведенные выше цитаты. Во времена Дэви атомная теория Дальтона и других была только что установлена, а использование гипотетических моделей химических структур только начиналось. Ко времени Либиха больше нельзя было заниматься химией только путем разложения веществ с помощью электричества или определять газы путем наблюдениям за тем, поддерживают ли они горение или нет. Только разум, который поддерживался теоретической моделью, мог начать решать загадки органических веществ.

Мы должны понять, что связь между теорией и экспериментом различна на разных стадиях развития науки, а также что не все естественные науки проходят через одни и те же циклы развития. Если подумать, это может показаться довольно очевидным, но все это слишком часто отрицалось, в частности, Карлом Поппером. Естественно, мы должны ожидать, что Поппер был одним из наиболее откровенных среди тех, кто отдавал предпочтение теории перед экспериментом. Вот что он говорит в своей “Логике научного открытия”:

“Теоретик задает определенные вопросы экспериментатору, который посредством экспериментов пытается получить ясный и четкий ответ на эти, а не на какие-либо другие вопросы. Все другие вопросы он настойчиво пытается отклонить... Было бы ошибкой полагать, что экспериментатор [... пытается] ‘облегчить задачу теоретика’ или... снабдить теоретика материалом для индуктивных обобщений. Наоборот, теоретик задолго до начала эксперимента должен сделать свою работу, или по крайней мере ее наиболее важную часть: он должен поставить вопрос самым ясным образом. Именно теоретик указывает путь экспериментатору. Но даже экспериментатор не вовлечен главным образом в точные наблюдения; его работа носит по преимуществу теоретический характер. Теория доминирует над экспериментальной работой, начиная с первоначального замысла и кончая последними лабораторными проверками” (p. 107).

Таково было мнение Поппера, высказанное им в издании 1934 года. В более расширенном издании 1959 года он добавляет в сноске, что он должен также поддержать “взгляд, согласно которому наблюдения, а в еще большей степени утверждения, касающиеся результатов наблюдений и экспериментов, всегда являются интерпретацией наблюдаемых фактов; что они являются интерпретациями в свете теорий.” Краткий начальный обзор различных отношений между теориями и экспериментами хорошо было бы начать с очевидных контрпримеров Попперу. Одними из них могут быть наблюдения пузырьков воздуха на водорослях, которые проводил Дэви. Для него это не было “наблюдением в свете теории”, потому что вначале у Дэви вообще не было теории, а то, что свеча вспыхивает, не было интерпретацией [наблюдаемого]. Если бы он затем сказал “Ага, тогда это кислород”, то в таком случае он бы, конечно, интерпретировал. Но он этого не делал.

Заслуживающие внимания наблюдения (Э)

Между 1600 и 1800 годами, на раннем этапе своего развития, оптика зависела от простого наблюдения какого-либо поразительного явления. Может быть, наиболее плодотворным из них было открытие двойного лучепреломления в исландском шпате, или кальците. Эразм Бартолин (1625-1698) изучал некоторые кристаллы, привезенные из Исландии. Если поместить такой кристалл на страницу этого текста, то напечатанное будет двоиться. Всем известна простая рефракция, и к 1689 году, когда Бартолин сделал свое открытие, законы преломления света были хорошо известны, а очки, микроскоп и телескоп были общедоступны. Эти опыты сделали исландский шпат замечательным с двух точек зрения. В настоящее время мы продолжаем поражаться и восхищаться этими кристаллами. Более того, восхищение вызывает физик того времени, который, зная законы преломления света, заметил, что помимо обычного отраженного луча, существует “необычный”, как он поныне и называется.

Исландский шпат играет фундаментальную роль в истории оптики, потому что на нем впервые был получен поляризованный свет. Гюйгенс понял это явление весьма расплывчато, сделав предположение, что необычный луч имеет скорее не сферическую, а эллиптическую волну. Однако наше современное понимание возникло лишь тогда, когда была возрождена волновая теория света. Френель (1788-1827), основатель современной теории света, провел великолепное исследование, в ходе которого два луча оказались описанными одним уравнением, решение которого представляет собой двулистную поверхность четвертого порядка. Оказалось, что поляризация снова и снова приводит ко все более глубокому теоретическому пониманию природы света.

Имеется целая серия таких “замечательных” наблюдений. Гримальди (1613-1663), а затем Гук тщательно исследовали то, о чем физики смутно догадывались, – о том, что в тени непрозрачного тела имеется некоторая освещенность. Аккуратные наблюдения дали картину регулярных полос на краю тени. Это явление называется дифракцией, что первоначально означало “разделение на части” полосы света, падающего на тело. Наблюдения дифракции весьма примечательно предшествовали теории. Так же как и наблюдения дисперсии света Ньютоном, и работы Гука и Ньютона по цветам тонких пластин. Эти наблюдения закономерным образом привели к обнаружению интерференционного явления, называемого кольцами Ньютона. Первое численное объяснение этого явления было дано Томасом Юнгом (1773-1829) лишь столетие спустя, в 1802 году.

Конечно же, Бартолин, Гримальди, Гук и Ньютон не были нерассуждающими эмпириками, не имевшими за душой “идеи”. Они видели то, что видели, потому что они были любознательными, въедливыми, рассуждающими людьми. Они пытались строить теории. Но во всех этих случаях очевидно, что наблюдения предшествовали созданию теории.

Стимуляция теории (Э)

В более поздние периоды мы находим заслуживающие внимания наблюдения, которые стимулировали появление теории. Полковник наполеоновских инженерных войск, Э. Л. Малю (1775-1812), экспериментировал с исландским шпатом и заметил действие вечернего света, отражаемого от окон неподалеку от Люксембургского дворца. Свет проходил через кристалл, когда тот находился в вертикальной плоскости, и не проходил через него, когда кристалл занимал горизонтальное положение. Аналогичным образом явление флюоресценции было впервые замечено Джоном Гершелем (1792-1871) в 1845 году, когда он обратил внимание на голубой свет, испускаемый раствором сульфата хины, когда тот определенным образом освещался.

По своей природе заслуживающие внимания наблюдения должны быть только началом исследования. Не следует ли в таком случае признать справедливым мнение, согласно которому имеются начальные наблюдения, которые предшествуют теории, но все же согласиться с тем, что все преднамеренные наблюдения определяются теорией, как это утверждает Поппер? Я думаю, что не стоит. Возьмем, к примеру, Давида Брюстера (1781-1868), теперь забытого, но когда-то очень плодотворного экспериментатора. ^* Брюстер был основной фигурой в экспериментальной оптике между 1810 и 1840 годами. Он определял законы отражения и преломления для поляризованного света. Он был способен вызывать двойное лучепреломление (то есть поляризационные свойства) в телах под действием давления. Он открыл двуосное двойное преломление и сделал первые фундаментальные шаги в открытии сложных законов металлического отражения. Теперь мы говорим о законах Френеля, законах синуса и тангенса для интенсивности отраженного поляризованного света, но Брюстер опубликовал их в 1818 году, за пять лет до того, как Френель описал их в рамках волновой теории. Работа Брюстера дала материал, на котором впоследствии основывались многие открытия в волновой теории. Но если можно говорить о его теоретических взглядах, то он, скорее, был ньютонианцем и считал, что свет состоит из потоков корпускул. Брюстер вообще не проверял и не сравнивал теорий. Он пытался понять, как ведет себя свет.

Брюстер твердо придерживался “неправильной” теории, изучая на опыте явление, которое мы можем понять только с помощью “правильной” теории, той теории, которую он громогласно отвергал. Он не “интерпретировал” свои экспериментальные находки в свете неправильной теории. Он установил некие явления, которые любая теория в конце концов должна описывать. Брюстер не был одинок в таком положении. Более поздний блестящий экспериментатор Р.У. Вуд (1868-1955) в промежутке между 1900 и 1930 годами внес фундаментальный вклад в квантовую оптику, сохраняя полную невинность по части знания квантовой механики и даже скептически относясь к ней.

Резонансная радиация, флюоресценция, поглощение спектров, спектры Рамана – все это требует понимания в терминах квантовой механики, но своим вкладом в науку Вуд обязан, так же как и Брюстер, не теории, а замечательной способности заставить природу вести себя по-новому.

Явления, не имеющие смысла

Я не настаиваю на том, что интересные наблюдения достаточны сами по себе. Множество явлений, вызывающих огромное интеллектуальное возбуждение, затем остается под сукном из-за того, что нельзя понять, что они означают, как они связаны с остальными явлениями, или как их можно использовать. В 1827 году ботаник Роберт Броун сообщил о неравномерном движении цветочной пыльцы, взвешенной воде. Это броуновское движение наблюдалось другими исследователями уже 60 лет назад. Некоторые считали, что это движение – проявление жизненной активности самой пыльцы. Броун провел кропотливые исследования, но долгое время они ни к чему не приводили. Только в первом десятилетии нашего века одновременно несколькими экспериментаторами, такими как Ж.Б. Перрен, и теоретиками, в том числе Эйнштейном, была проделана работа, показавшая, что пыльца приводится в движение молекулами воды. Именно эти результаты в конечном счете изменили позицию самых закоренелых скептиков в отношении теории газов.

Сходная история произошла с фотоэлектрическим эффектом. В 1839 году А.С. Беккерель заметил очень любопытную вещь. У него была маленькая электрическая батарея, то есть пара металлических пластин, погруженных в разбавленную кислоту. Освещение светом одной из пластин изменяло напряжение, создаваемое батареей. Это вызвало огромный интерес – приблизительно на два года. Были замечены и другие отдельные явления. Так, например, сопротивление металлического селена уменьшалось просто при его освещении (1873). И на этот раз выяснение того, что при этом происходит, было отложено до Эйнштейна. Открытые закономерности дали возможность сформулировать теорию фотона и разработать бесчисленные известные приложения, включая телевидение (фотоэлектрические ячейки преобразуют отраженный от предмета свет в электрические токи).

Таким образом, я не утверждаю, что экспериментальная работа может существовать независимо от теории. Это было бы слепой работой тех, кого Бэкон насмешливо называл “просто эмпириками”. И все же остается справедливым то, что любой теории предшествует большое, поистине фундаментальное экспериментальное исследование.

Счастливые встречи

Некоторые фундаментальные экспериментальные исследования целиком порождаются теорией. Некоторые великие теории берут начало из дотеоретического эксперимента. Существуют теории, которые вянут из-за недостатка связи с реальным миром, также как существуют экспериментальные явления, остающиеся невостребованными из-за отсутствия теории. Но есть и счастливые “семьи”, в которых теория и эксперимент, идущие с разных сторон, встречаются. Я приведу пример, в котором вера в правильность на самом деле ошибочного эксперимента приводит к прочно установленному факту, который неожиданно согласуется с теориями, относящимися к совершенно другой области.

В начальный период существования трансатлантического радио было очень много атмосферных помех. Большое число источников помех было обнаружено, хотя и не все из них могли быть устранены. Некоторые из этих помех происходили от электрических бурь. Еще в 1930-х годах Карл Янски, работавший в Телефонной Лаборатории Белла, обнаружил “шипение”, исходящее из центра млечного пути. Таким образом, в космосе существовали источники радиоэнергии, которые накладывались на уже известные атмосферные помехи.

В 1965 году радиоастрономы Арно Пензиас и Р.У.Вильсон использовали для изучения этого явления радиотелескоп. Они ожидали обнаружить источники энергии, и это им удалось. Продолжив тщательные исследования, они обнаружили небольшое количество энергии, которое представлялось равномерно распределенным в космосе. Создавалось впечатление, что в космосе все, что не является локализованным источником излучения, имеет температуру выше 4 градусов по Кельвину. Поскольку это представлялось мало осмысленным, они попытались найти систематическую ошибку измерительных приборов. Например, Пензиас и Вильсон считали, что одним из источников излучения могут быть голуби, гнездящиеся на телескопе, и они потратили невероятно много времени в попытках избавиться от этих голубей. После того как они устранили все возможные источники помех, температура стала 3° К. Им не захотелось публиковать свои результаты, потому что заключение о совершенно равномерном фоне не имело смысла.

К счастью, как только они установили это, как казалось им, бессмысленное явление, группа теоретиков из Принстона опубликовала препринт, в котором качественно показывалось, что если Вселенная произошла в результате Большого Взрыва, то температура космоса должная быть выше абсолютного нуля благодаря остаточной энергии взрыва. Более того, эта энергия должна обнаруживаться в форме радиосигналов. Экспериментальная работа Пензиаса и Вильсона прекрасно согласовывалась с тем, что в противном случае могло бы остаться чистым вымыслом. Пензиас и Вильсон показали, что температура Вселенной почти всюду выше трех градусов по Кельвину, и это есть остаточная энергия творения. Это был первый результат, который заставил поверить в Большой Взрыв.

Иногда говорят, что в астрономии нет эксперимента; здесь мы можем только наблюдать. В самом деле, мы не можем проникать глубоко в отдаленные области космоса, но навыки, которые использовались Пензиасом и Вильсоном, совпадали с теми, которые использовались лабораторными экспериментаторами. Будем ли мы в свете этой истории утверждать вместе с Поппером, что в общем, “теоретик должен загодя сделать свою работу или, по крайней мере, наиболее важную часть своей работы: он должен сформулировать свои вопросы самым четким образом. Таким образом, именно он показывает путь экспериментатору”? Или мы скажем, что хотя иногда теория предшествует эксперименту, некоторые эксперименты и некоторые наблюдения предшествуют теории и долгое время могут иметь свою собственную, независимую от теории жизнь? “Счастливая семья”, которую я только что описал, – это сочетание теории и умелого наблюдения. Пензиас и Вильсон – одни из немногих физиков-экспериментаторов, получивших Нобелевскую премию. Они получили ее не за опровержение чего-либо, а за то, что исследовали Вселенную.

История, ориентированная на теорию

Может показаться, что я преувеличиваю, когда утверждаю, что история, ориентирующаяся на теорию, искажает наше восприятие эксперимента. На самом деле я об этом говорил еще слишком мало. Например, я поведал историю о трех градусах по Кельвину так, как она расказывалась самими Пензиасом и Вильсоном в их автобиографическом фильме “Три градуса”. Они проводили исследование и обнаружили равномерное фоновое излучение, не имея никакой теории. Но вот что происходит с этим же самым экспериментом, когда он становится “историей”:

“Теоретические астрономы предсказали, что если миллиарды лет назад произошел Большой Взрыв, то охлаждение должно происходить и в настоящее время. Охлаждение снизило исходную температуру, которая, видимо, достигала миллиардов градусов, до 3° К – трех градусов выше абсолютного нуля.

Радиоастрономы считали, что если они могут нацелить очень чувствительный прибор на чистое место на небе, то есть на область, которая представляется пустой, то можно будет определить, правы ли были теоретики или нет. (курсив – Я. Х.) Это было проделано в начале 1970-х годов. Два ученых из Телефонных Лабораторий Белла (т. е. оттуда же, где Карл Янски открыл космическое радиоизлучение) поймали радиосигналы из ‘пустого’ космоса. Выяснив все возможные источники этих сигналов, они так и не смогли определить причину сигнала, соответствующего температуре 3° К. После первого эксперимента проводились и другие. Они всегда давали один и тот же результат – 3° К.

Космос не абсолютно холоден. По-видимому, температура Вселенной составляет 3° К. Это в точности та температура, которую должна иметь Вселенная, если она возникла 13 миллиардов лет назад в результате Большого Взрыва”.

Другим примером переписывания истории может служить история с мезонами и мюонами, описанная в главе 6. Две группы исследователей обнаружили мюон, исследуя космические лучи с помощью пузырьковых камер и применяя формулу потери энергии Бете-Гайтлера. Теперешняя история говорит, что они будто бы искали “мезон” Юкавы и ошибочно полагали, что обнаружили его, хотя на самом деле они никогда не слышали о гипотезе Юкавы. Я не то чтобы хотел сказать, что компетентные историки науки представляют все в столь неверном свете. Я просто указываю на постоянный крен к теории в популярной истории науки и научном фольклоре.

Ампер – теоретик

Не следует думать, что в некоей новой науке эксперимент и наблюдение предшествуют теории, даже если позже теория и будет предшествовать наблюдению. А.-М. Ампер (1775-1836) – прекрасный пример того, как великий ученый начинает с теоретического основания. Первоначально он занимался химией и конструировал сложные модели атомов, которые он использовал для того, чтобы объяснять и развивать экспериментальные исследования. Эти занятия не увенчались особенным успехом, хотя Ампер и был среди тех, кто около 1815 года независимо пришел к тому, что мы теперь называем законом Авогадро: одинаковые объемы газа при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул независимо от типа газа. Как я уже замечал в главе 7, Ампер восхищался Кантом и настаивал на том, что теоретическая наука – это изучение ноуменов, лежащих в основе феноменов, явлений. Мы образуем теории о вещах самих по себе, то есть ноуменах, и тем самым способны объяснить феномены. Это не совсем то, что подразумевал Кант, но в данном случае это не важно. Час Ампера как теоретика пробил 11 сентября 1820 года. Он присутствовал при том, как Эрстед демонстрировал отклонение стрелки компаса электрическим током. Начиная с 20 сентября, Ампер в своих еженедельных лекциях излагал основы теории электромагнетизма. Он писал их по мере продвижения исследований.

Такова, по крайней мере, история. Ч. В. Ф. Эверитт указывает на то, что здесь должно быть нечто большее и что Ампер, не имея своей собственной посткантовской методологии, написал свою работу, чтобы как-то соответствовать методологии Канта. Великий теоретик и экспериментатор в области электромагнетизма Джеймс Клерк Максвелл провел сравнение Ампера и Майкла Фарадея, ученика Хэмфри Дэви, воздавая хвалу как “индуктивисту” Фарадею, так и “дедуктивисту” Амперу. Он описывает исследования Ампера как “одно из самых замечательных достижений в науке,...совершенных по форме, неопровержимых по точности..., заключенных в формулу, из которой могут быть выведены все явления”. Но затем говорит, что в то время как работы Фарадея ясно показывали работу ума, –

“мы вряд ли можем поверить в то, что Ампер в самом деле обнаружил закон действия с помощью экспериментов, которые он описывал. Мы вынуждены подозревать, что на самом деле он открыл закон путем некоторого размышления, которое он нам не демонстрирует, и что построив прекрасное доказательство, он устраняет даже следы тех лесов, с помощью которых он воздвиг это здание.”

В своей “Структуре научного вывода” Мэри Хессе замечает (pp. 201f, 262), что Максвелл называет Ампера Ньютоном электричества. Это наводит на мысль о другой традиции относительно природы индукции, которая восходит к Ньютону: он говорит о дедукции из феноменов, которая по сути является индуктивным процессом. Из явлений мы выводим высказывания, которые описывают явления в общем виде, а затем становимся способными, по размышлении, создать новые явления, о которых раньше и не думали. В любом случае, таковы были действия Ампера. Каждую свою лекцию он начинал с демонстрации аудитории некоего явления. Очень часто эксперимент, который создавал явление, придумывался лишь после предыдущей лекции.

Изобретение (Э)

Вопрос, поставленный в терминах теории и эксперимента, уводит в неправильную сторону, потому что он рассматривает теории как один, достаточно однородный тип вещей, а эксперимент – как явление другого типа. Я обращусь к разнообразию теорий в главе 12. Мы уже видели разнообразие типов экспериментов, но существуют и другие релевантные категории, среди которых одной из самых важных является изобретение. История термодинамики – это история практического изобретения, которое постепенно приводит к теоретическому анализу. Один из путей к новой технологии – это разработка теории и эксперимента, которые затем применяются к практическим проблемам. Но есть и другой путь, на котором изобретения идут своим ходом, а теория создается попутно. Наиболее очевидный и лучший пример – паровой двигатель.

Можно отметить три фазы изобретения парового двигателя и несколько экспериментальных концептов, использовавшихся при этом. Этими изобретениями являются атмосферный двигатель Ньюкомена (1709-1715), конденсирующий двигатель Уатта (1767-1784) и двигатель высокого давления Тревитика (1798). В основе половины разработок, следовавших за исходным изобретением Ньюкомена, лежало понятие “производительности” двигателя, что означало число футофунтов воды, которое закачивалось на бушель угля. Кому принадлежала идея этой единицы, теперь не известно. Наверное, этот человек не вошел в историю науки, это, скорее, какой-нибудь прижимистый владелец шахты на Корнуэлле, который замечал, что некоторые двигатели работали более эффективно, чем другие, и не мог допустить того, чтобы на соседней шахте была большая норма выработки. Вначале успех ньюкоменского двигателя был не очень явным, поскольку лишь на глубоких шахтах достигалось существенное преимущество перед лошадиным приводом. После семнадцати лет проб и ошибок Уатт создал двигатель с производительностью по крайней мере в четыре раза выше, чем у лучшего ньюкоменского двигателя. (Представьте себе обычный автомобиль, обладающий той же мощностью, но расходующий литр бензина не на десять километров, а на сорок).

Уатт первым ввел отдельный холодильник, затем сделал двигатель двойного действия, то есть позволил пару входить с одной стороны цилиндра, создавая вакуум с другой стороны. Наконец, в 1782 году Уатт ввел принцип расширительного действия, разделяя поток пара в цилиндре в начале его течения так, что он начинает расширяться остальную часть цикла под своим собственным давлением. Расширительное действие означает некоторую потерю в мощности, но выигрыш в “производительности”. Из всех этих идей самой полезной была идея расширительного действия. С практической стороны очень помогла индикаторная диаграмма, изобретенная около 1790 года помощником Уатта Джеймсом Саузерном. Индикатор был самопишущим устройством, который можно было присоединять к двигателю, для того чтобы отмечать давление в цилиндре в зависимости от объема пара, поступающего за данный такт: площадь под такой кривой была мерой работы, проделанной за данный такт. Индикатор использовали для того, чтобы максимально эффективно настроить двигатель. Эта самая диаграмма стала частью цикла Карно в теоретической термодинамике.

Большим достижением Тревитика, первоначально имевшем больше отношения к его решительности, чем к теории, было продолжение конструирования двигателей, работавших под большим давлением, хотя это и увеличивало опасность взрыва. Первый аргумент в пользу работы с большим давлением – это компактность: можно получить большую мощность от двигателя того же размера. В 1799 году Тревитик построил первый успешный локомотивный двигатель. Вскоре был достигнут другой результат. Если двигатель высокого давления работал с расширением и ранним отсечением части пара, его производительность становилась выше (в конечном счете намного выше), чем у лучших двигателей Уатта. Потребовался гений Сади Карно (1796-1832) для того, чтобы понять это явление и увидеть, что преимущество двигателя высокого давления состоит не только в давлении, но и в росте точки кипения воды, находящейся под давлением. Эффективность двигателя зависит не от разницы давлений, а от разницы температур пара, входящего в цилиндр, и расширившегося пара, выходящего из цилиндра. Так на свет появился цикл Карно, понятие термодинамической эффективности и, наконец, когда идеи Карно соединились с принципом сохранения энергии, – сама наука термодинамика.

Что же означает “термодинамика”? Эта наука имеет дело не только с потоками тепла, которые могли бы быть названы его динамикой, но и тем, что могло бы быть названо термостатическими явлениями. Может быть, название неправильное? Нет, Кельвин придумал слово “термодинамический двигатель” в 1850-м году для обозначения любой машины, сходной с паровым двигателем или идеальным двигателем Карно. Эти двигатели были названы динамическими, потому что они преобразуют тепло в работу. Так, само слово “термодинамика” напоминает нам, что эта наука возникла из глубокого анализа известной последовательности изобретений. Развитие этой технологии включало бесконечные “эксперименты”, но не в попперовском смысле экспериментов по проверке теории или индукции в смысле Дэви. Эксперименты были изобретательными попытками улучшить технологию, которая лежит в центре промышленной революции.

Множественность экспериментальных законов, ожидающих своей теории (Э)

“Теория свойств металлов и сплавов” (1936) – это обычный учебник, составители которого – известные авторы Н. Ф. Мотт и Х. Джонс среди прочих вещей обсуждают проводимость электричества и тепла в различных металлических веществах. Что должна объяснять хорошая теория этого предмета? Мотт и Джонс говорят, что теория металлической проводимости кроме прочего должна объяснять следующие экспериментальные результаты:

(1) Закон Видеманна-Франца, который устанавливает, что отношение тепловой проводимости к электрической равно LT, где T – абсолютная температура, а L – константа, одинаковая для всех металлов.

(2) Абсолютное значение электрической проводимости чистого металла и его зависимость от места металла в периодической таблице, например, большая проводимость одновалентных металлов и малая проводимость переходных металлов.

(3) Относительно высокий рост сопротивления, вызываемый небольшими нарушениями чистоты раствора, и правило Матиссена, которое устанавливает, что изменение в сопротивлении из-за малого количества постороннего металла в твердом растворе не зависит от температуры.

(4) Зависимость сопротивления от температуры и давления.

(5) Возникновение сверхпроводимости.

Мотт и Джонс продолжают, заявляя, что “за исключением пункта (5), теория проводимости, основанная на квантовой механике, дала по крайней мере качественное представление всех указанных результатов” (p. 27). (Квантовомеханическое понимание сверхпроводимости было окончательно достигнуто в 1957 году).

Экспериментальные результаты из этого списка были установлены задолго до того, как возникла теория, которая свела их воедино. Закон Видеманна-Франца (1) был открыт в 1853 году, правило Матиссена (3) – в 1862 году, связь между проводимостью и положением в периодической системе (2) – в 1890 году и сверхпроводимость (5) – в 1911 году. Данные были известны давно, не хватало связывающей их теории. Различие между этим случаем и случаями с оптикой и термодинамикой заключается в том, что здесь теория не появляется непосредственно из данных. Она следует из более общего понимания атомной структуры. Квантовая механика была в данном случае одновременно и стимулом и решением. Никто не мог доказать, что организация феноменологических законов в рамках общей теории – предмет лишь индукции, аналогии или обобщения. Теория в конечном счете имеет решающее значение для знания, его роста и применений. Сказав это, не будем делать вид, что различные феноменологические законы физики твердого тела нуждались в теории – какой-нибудь теории – до того, как о них узнали. Экспериментирование имеет много собственных жизней, независимых от теории.

Слишком много примеров?

После этого бэконианского изобилия примеров относительно множества различных связей между экспериментом и теорией читателю может показаться, что какое-либо обобщающее заключение вообще не может быть сделано. Это уже достижение, потому что, как показывают цитаты из Дэви и Либиха, односторонний взгляд на эксперимент определенно неправилен. Давайте перейдем к какому-либо положительному финалу. Что такое наблюдение? Разве мы видим реальность в микроскоп? Существуют ли решающие эксперименты? Зачем люди с одержимостью измеряют некоторые величины, чье значение, вычисленное по крайне мере до третьего знака, не представляет никакого внутреннего интереса для теории или технологии? Есть ли что-либо в природе экспериментирования, что превращает экспериментаторов в научных реалистов? Начнем с начала. Что такое наблюдение? Заряжено ли теорией каждое научное наблюдение?