А. Мигдал
ПОИСКИ ИСТИНЫ
…
истина поэтичнее всего, что есть в свете, особенно в самом чистом своем состоянии: мало того, даже фантастичнее всего, что мог бы налгать и напредставить себе повадливый ум человеческий.
Ф. Достоевский
Если решиться пойти до конца мучительным путем сомнений, бесчисленных проверок, ошибок и неожиданных озарений, в конце, на вершине, как награда возникнет истина, стократ прекраснее самой красивой догадки.
Этот путь называется научным методом познания. Чтобы не сбиться с него, нужно не только выбрать направление, овладеть секретами мастерства, инструментами познания, созданными и отточенными усилиями многих поколений, но и воспитать в себе терпение, добросовестность, способность удивляться, умение доверять интуиции и не доверяться ей, верить в результат и упорно искать его опровержение, способность пришпорить и обуздать фантазию, признать и исправить ошибку… Главное же - научиться ощущать красоту природы и красоту логических построений.
Я хочу, чтобы вы увидели путь к истине не со стороны, а изнутри, двигаясь рядом с проводником. Возможно, не всегда я поведу вас самой простой дорогой, но это не означает, что в путь могут отправиться только избранные. Я приглашаю следовать за мной каждого, кто решится сделать усилие. «Очарование, сопровождающее науку, может победить свойственное людям отвращение к напряжению ума» - так сказал французский математик Гаспар Монж.
Не смущайтесь, если не все будет понятно, - ведь слово «понимать» имеет все оттенки от полной ясности, которая не всегда бывает и у автора, до смутного ощущения. Но даже и оно постепенно неведомыми путями
приводит к более глубокому пониманию. Не бойтесь пропустить при первом чтении сложное рассуждение, читайте дальше. Если вы не в ладах с математикой, пропускайте даже те простые формулы, которые я решился написать. Утратится многое, но не главное.
Однако, как ни упрощай, сложное простым не станет. Красоту науки нельзя увидеть на простых примерах. Говорят, что Аристотель сказал своему воспитаннику Александру Македонскому: «В математику нет царской дороги!» Я постарался отбросить несущественные трудности, а те, что остались, отражают существо дела - ведь нам придется проследить, как возникли и развивались самые сложные построения современной физики - теория относительности, квантовая теория, физика элементарных частиц…
Степень сложности вы почувствуете, взглянув на картинку в начале раздела.
Вот эти картинки.
Теперь обращаюсь к читателям искушенным.
Многие места этой книги стали бы естественнее и точнее, если бы я мог пользоваться комплексными числами. Мне было не по себе каждый раз, когда я писал «квадрат волновой функции» вместо «квадрата модуля»… Я говорил о свойствах уравнений Максвелла, Шре-дингера, Янга - Миллса, ни разу не написав их. Я старался оставлять только самые простые вычисления, чтобы не испугать читателей, несведущих в физике и математике.
Мне по необходимости приходилось вторгаться в далекие от моей профессии области. Если что-то вызовет возражение, я скажу вслед за Нильсом Бором: «Мое суждение нужно понимать не как утверждение, а как вопрос». Поскольку я физик-теоретик, эту книгу можно было бы назвать «поиски истины в физике». Но я постарался по возможности расширить рамки моей профессии.
За долгое время, что было в моем распоряжении, я написал несколько научных монографий, - в тех случаях я знал, о чем писать, и мало заботился о том, как писать. На этот раз было трудно и то и другое. Я не отважился бы оторваться от науки и взяться за научно-популярную книгу, если бы не сочувствие и постоянная помощь моих друзей: Л. Б. Окуня, А. А. Мигдала, Е. В. Нетёсовой. Приношу им глубокую благодарность.
Я не знаю, что получилось из этой затеи. Пастернак сказал: «…но пораженье от победы ты сам не должен отличать…»
НАУЧНЫЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ
Как ни странно, главный камень преткновения на пути общения ученых с людьми ненаучных профессий не в терминологии и даже не в сложности понятий, а в разной оценке достоверности фактов и в разном понимании задач и методов науки. Поэтому разговор о науке следует начинать не с конкретных научных результатов, а с обсуждения научного метода, который зародился в XVII веке и продолжает развиваться вместе с наукой.
Мы проследим на многих примерах, какие огромные усилия нужны, чтобы смутная догадка превратилась в научную истину, какие научные критерии позволяют отличать истинное от ложного, какими методами и правилами пользуется наука на пути к познанию и, наконец, как возникают заблуждения и почему они иногда принимают устойчивую форму, именуемую лженаукой.
Мы проследим на многих примерах, какие огромные усилия нужны, чтобы смутная догадка превратилась в научную истину, какие научные критерии позволяют отличать истинное от ложного, какими методами и правилами пользуется наука на пути к познанию и, наконец, как возникают заблуждения и почему они иногда принимают устойчивую форму, именуемую лженаукой.
ОТ ДОГАДКИ ДО ИСТИНЫ
ложно.
Коль убежденьем вас не сдвинуть ни
на пядь,
Вам все воочию придется показать.
Ж.-Б. Мольер
Как догадка превращается в прочно установленную научную истину? В чем разница между научной и житейской оценкой достоверности? В чем особенность научного подхода к явлениям природы? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно прежде всего понять, что же затрудняет общение людей, далеких от науки, с представителями точных наук.
«Другому как понять тебя?..» (Ф. Тютчев)
«Известно, что рецессивная аллель влияет на фенотип, только если генотип гомозиготен».
«Всякая точка прикосновения фильтра Коши есть предел этого фильтра».
«Инстантон - это подбарьерный переход между ва-куумами с различными топологическими зарядами».
Непонятно? Первая фраза относится к генетике и определяет различие между условно и безусловно наследуемыми признаками. Второе утверждение взято из топологии (раздел математики). Третье относится к квантовой теории поля.
Я хотел на этих примерах показать, как трудно говорить о науке с неспециалистом; еще большие трудности вносит не терминология, а непривычные понятия.
Не означает ли это, что есть такие области науки, о которых невозможно рассказать «простому смертному»? Мне кажется, что можно объяснить даже самую сложную теорию, если приложить такие же усилия, какие нужны для занятия самой наукой. Можно, устранив несущественное, разъяснить суть проблемы и воссоздать картину явления. Выделение сути полезно и для самой науки, оно всегда приводит к более ясному пониманию. Глубокая мысль выигрывает от упрощения. Однако в науке, как и в искусстве, простота требует усилий. Истинная простота дается только мастеру.
Можно избрать, как это часто делается, более легкий путь популяризации - говорить не о самой науке, а об ее приложениях, показать, что летающая машина - не меньшее чудо, чем летающая сорока.
Мой друг, грузинский физик, объяснял мне, как строятся тосты, когда за столом пятьдесят человек и тамада почти ничего о них не знает. Нужно говорить не о человеке, а по поводу, связанному с ним.
Итак, можно говорить по поводу науки.
Но гораздо более трудная и более благодарная цель - рассказать о красоте науки и скрытой за нею красоте и гармонии внешнего мира, создать «физическую картину» явления, упростить научные результаты, сохранив смысл. Для этого нужна серьезная научная работа, и выполнить ее могут только сами ученые.
Популяризация науки - хоть и трудная, но разрешимая задача, и не в этом главная сложность взаимопонимания. Наибольшие трудности, как ни странно, возникают не при обсуждении сути явлений, а при попытке объяснить, что представляет собой научный метод подхода к явлениям природы.
Научный подход начинается с определения границ области, которая включает достижения науки, не вызывающие сомнений, и границ области невозможного, того, что противоречит многолетнему научному опыту. Между этими границами лежит область явлений неизученных, но возможных. Например, можно уверенно сказать, что никакое дальнейшее развитие науки не заставит нас усомниться в том, что Земля круглая, или поверить в существование вечного двигателя, то есть в возможность грубого нарушения закона сохранения энергии.
Различие научного и житейского подходов особенно отчетливо проявляется при проведении границ достоверного и невозможного.
Стало реальностью многое из того, что еще недавно казалось чудом. Разве не удивительно, сидя дома, видеть и слышать происходящее за тысячи километров? Разве не чудо, что человеку удалось посмотреть на нашу планету со стороны? Разве можно было тридцать или сорок лет назад предвидеть, что будут созданы машины, умещающиеся на столе или даже в кармане, которые играют в шахматы, переводят на другие языки, пишут стихи и музыку, а главное - за несколько минут выполняют вычисления, для которых без них понадобились бы усилия целого поколения?
Надо ли удивляться, что в представлении людей, далеких от науки, границы стираются и все кажется возможным?
Естественно, возникают вопросы: «А знает ли сама наука, где эти границы? Не может ли произойти революция, которая перевернет все наши представления?»
Из истории и логики развития науки следует, что такой переворот невозможен.
Даже ошеломляющие идеи теории относительности не были категорическим переворотом, а возникли как следствие развития науки и опирались на прочный фундамент завоеваний прошлого. Эти идеи коснулись сравнительно узкого круга вопросов и практически не изменили установленных прежде законов механики и электродинамики тел, движущихся с обычными скоростями. Только наши знания распространились на не изученную до того область скоростей, сравнимых со скоростью света.
До теории относительности было естественно предполагать, что законы механики и электродинамики справедливы и при скоростях больших, чем те, при которых они были экспериментально установлены. Сомнения начались лишь с появлением теоретических и экспериментальных доводов, противоречащих этому предположению. Таков обычный путь развития науки. Без подобных обобщений мы не могли бы наткнуться на противоречие и не могли бы установить, что скорость света играет какую-то роль в классической механике.
Мы не знаем заранее, при каком изменении экспериментальных условий перестанет подтверждаться найденный нами закон природы. Чтобы обнаружить нарушение, следует сначала предположить самое простое: закон можно распространить и за пределы условий, при которых он был установлен. И проверять, приводит ли это к противоречию с новыми экспериментами.
«Наука - это истина, помноженная на сомнение»
Однако не всегда разграничение достоверного и невозможного делалось достаточно основательно. История знает случаи, когда в оценке возможного ошибались не только люди, далекие от науки, но и сами ученые.
В начале прошлого века Французская академия вынесла постановление не рассматривать работы, содержащие описания камней, падающих с неба. Казалось, что все описания метеоритов - «небесных камней» - плод фантазии, поскольку камням неоткуда падать. Это очень опасный путь - отрицать и отметать все, что не находит объяснения.
Существует много примеров того, как предвзятые мнения тормозили развитие науки. Когда в 30-х годах готовился эксперимент по проверке закона зеркальной симметрии при бета-распаде, физики-теоретики были настолько уверены в незыблемости этого закона, что высмеяли экспериментаторов и эксперимент не был поставлен. Только в 50-х годах теоретики пришли к заключению, что закон этот может нарушаться именно при р-распаде, и опыт подтвердил их заключение.
Один из самых выдающихся физиков XX века, Вольфганг Паули, считал непреодолимым недостатком теории электронов Дирака то, что она предсказывала существование позитронов, которые тогда еще не были обнаружены.
Даже Альберт Эйнштейн не избежал подобной ошибки. После того как была создана общая теория относительности и показано, что вблизи массивных тел евклидова геометрия нарушается, Эйнштейн сделал следующий, неслыханный по смелости шаг. Он применил свою теорию тяготения к миру в целом, заменив, как это делается при изучении газа, истинное распределение масс во Вселенной на равномерное с некоторой средней плотностью материи.
Обнаружилось, что уравнения тяготения для такого мира не допускают стационарного решения. Между тем Эйнштейну хотелось получить решение, описывающее мир, замкнутый сам на себя, с независящим от времени радиусом кривизны. В этом и состояла предвзятость. Ему пришлось искусственно ввести дополнительное слагаемое, нарушившее красоту уравнений тяготения.
Примерно в это же время замечательный петроградский математик Александр Александрович Фридман (1888-1925) исследовал возможные решения уравнений Эйнштейна и пришел к заключению, что Вселенная расширяется и что наряду с замкнутой моделью Вселенной может - в зависимости от средней плотности материи- существовать и открытая модель, в которой масштабы мира неограниченно возрастают. Эйнштейн сначала раскритиковал работу Фридмана, а затем полностью с ней согласился и отказался от дополнительного члена в уравнениях тяготения. Вот что написал Эйнштейн в своей второй заметке о работе Фридмана: «Моя критика, как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне г-ном Крутковым (профессор Ленинградского университета, член-корреспондент АН СССР Юрий Александрович Прутков. - А. М.), основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет».
Эти слова стали известны Фридману незадолго до его кончины. Решение Фридмана получило экспериментальное подтверждение в 1929 году, когда американский астроном Эдвин Хаббл установил, что Вселенная расширяется.
В наше время все случаи подобных ошибок тщательно анализируются и из них делаются методологические выводы. Благодаря хорошо развитым средствам связи, в обсуждении спорных вопросов могут участвовать ученые всех стран. Поэтому сейчас научные заблуждения если и возникают, то живут очень недолго.
«Хочется верить, но нет оснований»
Наука не только устанавливает границы возможного, но и безжалостно отделяет догадки, пусть даже правдоподобные, от доказанных утверждений. Если бы не это оградительное правило, наука потонула бы в море суеверий и шатких предположений. Отделяя правдоподобное от доказанного, наука выясняет, какие утверждения требуют дальнейших исследований.
Предположение, что жизнь существует и в других мирах, не противоречит науке, и пришельцы из этих миров могли бы посетить Землю. Но нет никаких оснований утверждать, что они действительно здесь побывали. Так же как нет, по мнению специалистов, никаких оснований считать, что летающие тарелки представляют собой что-либо иное, чем явления атмосферной оптики.
Разумеется, это очень скучная должность-отрицать все необычное. Но зато в результате такого отбора яснее выступает не мнимое, а настоящее чудо. Например, ставший сейчас широко известным «парадокс близнецов».
Вот еще один пример. Всегда считалось, что морские фауна и флора существуют только на небольших глубинах, куда проникают солнечные лучи и возможен фотосинтез. Но недавно на дне океана на глубине нескольких километров, где нет и следа солнечных лучей, были обнаружены области повышенной температуры вулканической природы, в которых, по-видимому, в результате процессов химического синтеза появились свои фауна и флора. Докладывал об этом известный океанолог. О чудовище озера Лох-Несс и о снежном человеке он сказал: «Очень хочется верить, но нет оснований». Слова «нет оснований» означают, что вопрос изучался, и в результате изучения обнаружилось, что нет оснований доверять первоначальным утверждениям. Это и есть формула научного подхода: «хочется верить», но, раз «нет оснований», надо от этой веры отказаться.
Как рождаются легенды
Стремление к таинственному, необычному, жажда чуда заложены в природе человека так же, как и стремление к прекрасному.
Эйнштейн говорил: «Самое прекрасное и глубокое переживание, выпадающее на долю человека, - это ощущение таинственности». По мнению Эйнштейна, ощущение таинственности лежит в основе всех наиболее глубоких тенденций в науке и искусстве. Но, к сожалению, именно стремление к таинственному есть причина многих антинаучных слухов.
Ощущение таинственности питало мифологию, эпос, литературу, искусство. Восторженное ожидание чуда пронизывает средневековую философию, одушевляет искусство. Эпоха Возрождения открывает новое чудо - всемогущего, подобного богу человека. Но рядом с возвышенной мечтой существует темный мир суеверий. В то время как в большом мире создаются шедевры поэзии и живописи, когда совершается глубочайший переворот в науке, культуре, мировоззрении человека, вызванный работами Коперника, Галилея, Кеплера, малый мир занимается астрологией, гадает на трупах, вызывает демонов, зарывает в землю ослов, чтобы вызвать дождь… В наше время (говорили Ильф и Петров) тоже существуют рядом два мира - большой и малый. В большом мире строят автоматические лаборатории, которые долетают до других планет, фотографируют их, делают анализы и посылают данные на Землю. В малом мире ходят по рукам фотографии пришельцев-гуманоидов, которых, как известно, имеется три вида - неприятные внешне, совершенно неотличимые от европейцев, и гиганты, переворачивающие одной рукой тракторы на своем пути.
Но следует ли, отвлекаясь от этого, допускать логическую связь между подковой и нашей судьбой? Это так же неоправданно, как пытаться установить связь между радиусами орбит планет солнечной системы и отношениями звуковых частот музыкальных аккордов. Если бы связь и обнаружилась, она была бы чисто случайной, поскольку явления несопоставимы - они определяются разными законами природы. Поиски подобных соотношений, простительные на заре Нового времени, в наши дни - возвращение к числовой мистике кабалистов.
Вот еще пример сопоставления несопоставимого - утверждение, что движение электронов в атоме будто бы аналогично движению планет вокруг Солнца. Но поведение электронов в атоме управляется законами квантовой механики, совершенно непохожими на законы классической механики, определяющей движение планет.
Электрические силы взаимодействия электронов с ядром в 1039 раз сильнее, чем силы тяготения, и, наконец, электроны отталкиваются друг от друга, а планеты притягиваются. Никакого основания для аналогии не существует. Внешнее сходство явлений исчерпывается тем, что сила взаимодействия между ионизированным атомом и электроном на больших расстояниях падает по тому же закону, что и сила тяготения. Заблуждение поддерживается еще и тем, что во многих книгах, содержащих описание таблицы Менделеева, для простоты рисуют электронные орбиты вместо того, чтобы в соответствии с законами квантовой механики изображать электронные облака различной формы.
Все совпадения такого рода при проверке оказываются результатами сознательной или бессознательной подтасовки фактов. Тем не менее постоянно возникают легенды, связывающие несопоставимое или, в лучшем случае, делающие это без серьезных оснований. Легенды меняются в зависимости от времени и места. Мода на спиритические сеансы появляется и пропадает, сменяясь разговорами о бескровной хирургии, Бермудском треугольнике, летающих тарелках…
Но как отличить домыслы от действительных фактов? Ведь многое из того, что ученые отрицают, подтверждается очевидцами.
Единственный, убедительный способ установить истину- поставить научный эксперимент, то есть эксперимент, проведенный специалистами, дающий повторяющиеся результаты, и подтвержденный независимыми опытами других исследователей.
Что же касается очевидцев, то к их показаниям нужно относиться крайне осторожно. Вспомним, что в прошлом веке, пользуясь показаниями очевидцев, можно было бы составить точные словесные портреты чертей разного ранга, которые могли бы удовлетворить самого требовательного сотрудника уголовного розыска. И в совершенном соответствии с научным методом старец Зо-сима в «Братьях Карамазовых» Достоевского посоветовал монашку, видевшему по ночам чертей, принять слабительное.
Разница между научной и житейской оценкой достоверности особенно отчетливо проявляется в спорах о телепатии. Но здесь следует разъяснить, что же называется телепатией. Под телепатией понимают передачу мыслей с помощью каких-либо известных или пока неизвест-
ных полей при условии, что полностью исключена возможность светового, или звукового, или какого-либо иного контакта принимающего и передающего. Поэтому гипноз не подходит под это определение и не доказывает, что телепатия существует.
В жизни каждого из нас бывают события, которые, казалось бы, следует объяснять телепатией. Способность чувствовать настроение и даже угадывать мысли близких, бесспорно, существует. И вместе с тем, по утверждениям специалистов, посвятивших себя исследованию подобных явлений, пока нет научных доказательств существования телепатии. Это означает, что, несмотря на многочисленные попытки, не было надежных экспериментов, которые исключали бы все другие возможные объяснения и давали бы повторяющиеся результаты с убедительной статистикой.
Именно поэтому большинство ученых относится к телепатии скептически.
Существует много интереснейших и малоизученных явлений, связанных с повышенной нервной и психической чувствительностью. Если вы держите за руку человека, обладающего такой повышенной чувствительностью, или даже просто стоите рядом с ним, то вы, сами того не сознавая, можете передать информацию незаметными, неконтролируемыми движениями или звуками. Вы подсознательно корректируете его действия сигналами типа «да» или «нет». Эти так называемые идео-моторные явления легко спутать с телепатией, но они, как и гипноз, вовсе не означают, что телепатия существует.
Одна из причин распространения веры в телепатию коренится в том, что близкие люди легко узнают мысли друг друга по едва заметным признакам, не отдавая себе отчета в источниках догадки.
Много лет назад, когда я был моложе и легковернее, я захотел проверить, нет ли у меня способности передавать мысли. Бросая монету, я записал большое число случайно чередующихся плюсов и минусов, соответственно тому, что выпадало - орел или решка. Я посадил моего друга, не видевшего записи, с завязанными глазами на другом конце стола, и стал «телепатировать» свой список. Глядя на плюс, я думал о чем-нибудь волнующем, а глядя на минус, представлял себе что-то нейтральное, спокойное. Второй участник должен был ставить плюс когда почувствует мое волнение, и минус.
ощутив мое спокойствие. Когда мы сверили оба листа, я был потрясен, - расположение плюсов и минусов совпало без единой ошибки! Увидев, что я отношусь к этому слишком серьезно, друг пожалел меня: «Когда ты думал о волнующем, ты сопел, и я ставил плюс, а когда дышал тихо - минус».
Неубедительность экспериментов подобного рода состоит в том, что очень трудно исключить все простые объяснения. Циклотрон не заинтересован в том, чтобы обмануть экспериментатора, но в экспериментах по телепатии роль приборов играют люди, часто заинтересованные в обмане.
В книге А. Вадимова и М. Триваса «От магов древности до иллюзионистов наших дней» рассказывается, что блестящий иллюзионист начала века Гарри Гудини предлагал большую денежную награду любому медиуму, который сможет сделать что-либо такое, чего он, Гудини, повторить не сможет. Не нашлось ни одного медиума, выступавшего в присутствии Гудини с демонстрацией телепатии или телекинеза, который не был бы разоблачен. Эксперимент по проверке способностей к телепатии должен быть поставлен целым консилиумом специалистов, в нем должны участвовать иллюзионисты, физики, биологи, физиологи, психологи, а главная роль принадлежит иллюзионистам - именно они помогут исключить более простое объяснение.
Один из источников, питающих все суеверия, - катастрофическое искажение статистики: слухи об удачных случаях широко распространяются, а неудачные остаются неизвестными. Кому интересно услышать, что предсказание гадалки не сбылось? Но если хотя бы малая часть предсказания осуществилась, то такой факт обрастает подробностями и приукрашивается.