Роберт Криз. Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Роберт Криз
Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

   Всему поразительному и неожиданному посвящается

Вступление

Момент перехода

   Я не помню, когда впервые услышал, как ученые называют эксперимент «красивым», но очень хорошо помню, когда впервые понял, что они имеют в виду.
   Однажды, много лет назад, я сидел в сумрачном кабинете в здании физического факультета Гарвардского университета в окружении вороха книг и бумаг. Напротив меня расположился Шелдон Глэшоу, энергичный физик; его лицо, включая и очки с толстенными стеклами, было скрыто за таинственной пеленой сигарного дыма.
   – Это был очень красивый эксперимент, – говорил он. – Прекрасный эксперимент!
   Что-то в манере, с которой Шелдон произнес приведенную фразу, в особом ударении, которое он поставил на словах «красивый» и «прекрасный», свидетельствовало о неслучайном выборе слов. В его понимании эксперимент, который он описывал, действительно являлся в самом буквальном смысле воплощением красоты.
   Глэшоу – весьма эрудированный и культурный человек. Подобно многим ученым-естественникам, он знает о гуманитарных науках и искусствах значительно больше, чем гуманитариям известно о его специальности – физике высоких энергий. Более того, он не какой-то рядовой физик, а выдающийся ученый: за несколько лет до того, как состоялся наш разговор, в 1979 году, он был удостоен Нобелевской премии по физике. В тот момент, сидя у Глэшоу в кабинете, я впервые задумался над тем, можно ли научный эксперимент в прямом смысле слова воспринять как красивый и назвать его таковым – точно так же, как мы называем красивым пейзаж, человека или картину.
   Мне захотелось больше узнать об эксперименте, который Глэшоу – по привычке к научной краткости – именовал экспериментом с «нейтральными токами SLAC». Оказалось, что это было довольно сложное предприятие, потребовавшее усилий многих ученых, инженеров и технологов на протяжении нескольких лет. Планирование и подготовка заняли почти десять лет, и эксперимент был проведен весной 1978 года на ускорителе элементарных частиц в две мили длиной в Стэнфордском центре линейного ускорителя (SLAC), расположенном к югу от Сан-Франциско в горах Санта-Клара. Эксперимент заключался в создании поляризованных электронов – электронов со спином, ориентированном в одном направлении, – и прогоне их через ускоритель со скоростью, близкой к скорости света. Мишенью для электронов служила группа протонов и нейтронов. Нужно было отследить результат такого столкновения. Испытанию в ходе описываемого эксперимента подвергалась новая, достаточно всеобъемлющая теория строения материи и ее фундаментальных свойств – теория, одним из разработчиков которой был Глэшоу. Если теория верна, экспериментаторы должны были отметить небольшое различие в том, как электроны, поляризованные в разных направлениях, рикошетировали от протонных мишеней, что свидетельствовало бы о присутствии того, что ученые называли «нейтральными токами, нарушающими четность». Различие крайне незначительное – примерно одно на десять тысяч электронов. Подобное наблюдение требовало такой степени точности – а для убедительности эксперимента ученым предстояло отследить десять миллиардов электронов, – что многие считали: либо осуществить его невозможно, либо результаты будут лишены научной убедительности.
   Но уже через несколько дней после начала эксперимента стало ясно, что ответ не будет ни двусмысленным, ни сомнительным и что амбициозная теория верна (Глэшоу и двое других ученых были удостоены Нобелевской премии как раз за вклад в ее создание). Идеально подготовленный и проведенный эксперимент сделал факт существования новой фундаментальной характеристики материи – «нейтральных токов, нарушающих четность» – настолько очевидным для любого специалиста в этой области физики, что даже те, кто непосредственно не принимал участия в проведении эксперимента, были им восхищены. Когда в 1978 году один из ученых в докладе в зале Стэнфордского центра в первый раз описывал организацию и результаты эксперимента коллегам, не участвовавшим в нем, то впервые за все время его профессиональной деятельности никто в аудитории не усомнился в результатах эксперимента (а ведь обычно, как известно, ученые склонны все оспаривать и ставить под сомнение). Более того, вообще не возникло ни одного вопроса. Присутствовавшие там вспоминают, что последовавшие за сообщением аплодисменты были более длительными, более восторженными и более искренними, чем обычно¹.
   Идея о красоте эксперимента заставила меня задаться вопросом – а что, в принципе, может считаться «красивым» экспериментом? А этот вопрос, в свою очередь, породил другие, которые выводили на оба полюса моей двойной профессии – философа и историка науки: что означает красота в контексте эксперимента? И как красота научного эксперимента может повлиять на саму концепцию прекрасного?

* * *

   Когда я заговариваю о красоте научного эксперимента с людьми, непричастными к естественным наукам, они часто воспринимают мои слова довольно скептически. Три фактора, по моему мнению, порождают этот скептицизм. Один из них социальный: когда ученые выступают перед публикой – рассказывают о своей работе или отвечают на вопросы журналистов, – они очень редко используют слово «красота». Сложившиеся социальные условности таковы, что от исследователя ожидают объективного взгляда на природу, а не каких-то личных субъективных мнений и точек зрения. Чтобы соответствовать упомянутому образу, ученые обычно представляют эксперимент как нечто абсолютно функциональное, как некие манипуляции с набором инструментов, почти автоматически выдающие верные данные.
   Второй фактор – культурный. Здесь скептицизм обусловлен методом, которым преподаются естественные науки в средней школе. В школьных учебниках эксперименты представлены как часть плана урока, как инструмент, всего лишь помогающий школьникам лучше усвоить материал. Воспринимая эксперимент таким образом, школьник даже не задумывается о его красоте.
   Третьим фактором является чисто философский предрассудок, что истинно прекрасное можно найти лишь в абстрактном. «Евклид узрел нагую Красоту», – писала поэтесса Эдна Сент-Винсент Миллей, и действительно – прекрасное в науке, как правило, усматривают в гипотезах и теоретическом объяснении фактов. Такие абстракции, как уравнения, модели или другие теоретические построения, которым свойственны простота, стройность, ясность, глубина, вечность и тому подобные достоинства, мы скорее склонны отождествлять с красотой. Эксперименты, которые чаще всего связаны с не слишком эстетичной на первый взгляд возней с механизмами, оборудованием, химическими веществами и биологическими организмами, никто с этой точки зрения не оценивает.
   Ученым-экспериментаторам хорошо известно, что лабораторные эксперименты за редким исключением представляют собой достаточно однообразное и утомительное занятие. Бо́льшая часть времени ученого уходит на выверку данных, планирование, подготовку, сглаживание шероховатостей, решение рутинных проблем, поиск денег и поддержки. Наука большей частью состоит в медленном, постепенном, микроскопическом приращении наших знаний и наших возможностей. Но время от времени происходит некое непредсказуемое, но совершенно неизбежное событие, которое кристаллизует накопленную до того информацию и изменяет наше представление об окружающем мире. Оно выводит нас из состояния недоумения и демонстрирует – непосредственно, не оставляя места ни для каких дальнейших сомнений – самое важное и существенное, порой кардинальным образом перестраивая наш взгляд на мир. Именно такие мгновения ученые и называют «прекрасными».
   Слова «красивый» и «прекрасный» постоянно всплывают в научных дискуссиях, заметках, письмах, интервью и так далее. «Прекрасно! Конечно же, необходимо это опубликовать, это прекрасно!» – записал в своем лабораторном блокноте в 1912 году нобелевский лауреат физик Роберт Милликен, хотя слова «красивый» и «прекрасный» в его опубликованной впоследствии научной статье отсутствуют. Джеймс Уотсон, увидев в начале 1953 года ныне широко известную фотографию молекулы ДНК, сделанную Розалиндой Франклин, охарактеризовал ее как «очень красивую спираль», а в первом варианте своей знаменитой статьи об открытии ДНК, написанной совместно с Фрэнсисом Криком, упомянул об «очень красивой» работе Франклин и других ученых из Королевского колледжа в Кембридже. Однако по настоянию коллег эту фразу исключили из окончательного варианта статьи. В те мгновения, когда чувства берут верх над интеллектом, ученые охотно прилагают слова «красивый», «прекрасный» к результатам своей работы, к методам, инструментам, уравнениям, теориям и, самое главное, к важнейшему двигателю научного прогресса – экспериментам².
   Когда ученые говорят о красоте в подобном контексте, они обычно используют это понятие в самом широком значении, порой двусмысленно, а иногда и просто противоречиво. Но вряд ли можно винить их за это. Есть ли на свете какой-то предмет, которому было бы столь же сложно дать точное определение? Виктор Вайскопф, один из великих физиков двадцатого века, заметил в 1980 году, что «прекрасно в науке то же, что прекрасно и у Бетховена». Однако всего несколько лет спустя он писал: «То, что называют „прекрасным“ в науке, имеет мало отношения к тому, что мы понимаем под прекрасным в искусстве»³. Вайскопф чувствовал, что между концептами красоты в науке и искусстве существуют одновременно и сходство, и различие, но не сумел четко их сформулировать.
   Другие ученые, напротив, с большей осторожностью рассуждают о проблеме красоты. Один из них, британский математик Годфри Гарольд Харди, приводит в своей замечательной книге «Апология математика» несколько математических доказательств, которые характеризует как красивые и пытается обосновать данную характеристику. В качестве важнейших критериев красоты в своей области он называет неожиданность, обязательность и краткость, ну и, конечно, глубину или то, насколько фундаментальным является то или иное математическое доказательство. По мнению Харди, математическое доказательство может быть красивым, а шахматная задача – нет. Решение шахматной задачи не может поменять правила игры в шахматы, а новое математическое доказательство способно очень многое поменять в математике⁴.
   Британский физик девятнадцатого века Майкл Фарадей прославился своими лекциями в Королевском институте в Лондоне. Одна из самых популярных его лекций называлась «Химическая история свечи». В самом ее начале Фарадей характеризует свечу как «красивую». Он добавляет, что не имеет в виду красоту цвета или формы. Более того, известно, что Фарадей не любил яркие цветные декоративные свечи. Напротив, прекрасное, говорит он, это «не то, что выглядит лучше всего, а то, что действует лучше всего». С точки зрения Фарадея свеча прекрасна потому, что ее элегантная и эффективная работа основана на широком диапазоне универсальных законов. Жар пламени плавит воск, заодно образуя восходящие потоки воздуха, охлаждающего воск по краям, и таким образом формируя углубление. Поверхность расплавленного воска сохраняет горизонтальное положение благодаря «той же силе притяжения, которая скрепляет миры». Капиллярный эффект влечет расплавленный воск вверх по фитилю из «чаши» у основания фитиля к пламени наверху в то время, как жар самого пламени вызывает химическую реакцию, поддерживающую горение пламени. Красота свечи заключается, по мнению Фарадея, в сложном взаимодействии научных принципов, от которых зависит ее функционирование, и в необычайной эффективности и экономичности данного взаимодействия⁵.
   Но в чем же красота эксперимента? Эксперимент в отличие от картины или скульптуры динамичен. Он больше похож на драматическое представление, так как люди планируют его, организуют и наблюдают – с тем, чтобы получить те результаты, в которых они заинтересованы. Как узнать длину земной окружности, не протянув рулетку вдоль всего экватора? Как узнать, что Земля вращается, не взлетев в космос и не увидев этого собственными глазами? Откуда мы знаем, что находится внутри атома? Тщательным образом имитируя то или иное природное явление в лабораторных условиях – порой с использованием таких простых предметов, как призма и маятник, – мы добиваемся того, что ответы сами вырисовываются перед нашими глазами. Форма возникает из хаоса не чудесным, непредсказуемым образом – как кролик, появляющийся из шляпы фокусника, – а благодаря тому, что мы правильно организовали ее появление. Мы заставляем говорить величайшие загадки природы⁶.
   Красота эксперимента заключается в том, каким образом он дает новую информацию. Из предложенного Харди сравнения научного доказательства и шахматной задачи можно сделать вывод, что красивый эксперимент – тот, который демонстрирует нам нечто фундаментальное относительно Вселенной, переворачивает наше представление о ней. Описание, которое Фарадей дал красоте свечи, наводит нас на мысль о том, что составные части эксперимента должны быть эффективным образом организованы. Как Харди, так и Фарадей полагают, что красивый эксперимент должен иметь однозначный результат, не требующий дальнейших обобщений и уточнений. Если в ходе красивого эксперимента появляются вопросы, то это вопросы к Вселенной, а не к самому эксперименту.
   Все три упомянутых компонента красоты – фундаментальность, эффективность и определенность – постоянно встречаются в наиболее глубоких и систематизированных аналитических описаниях понятия прекрасного, которые на протяжении столетий выходили из-под пера философов и художников. Некоторые из них, от Платона до Хайдеггера, обращали первостепенное внимание на то, что прекрасное произведение связывает нас с чем-то большим, чем оно само, – с идеей Истины и Красоты. Это проникновение Единого во многое, Бесконечного в конечное, Божественного в земное.
   Другие мыслители, такие как Аристотель, сосредоточивали внимание на структуре прекрасного объекта, подчеркивая роль симметрии и гармонии, значимость каждого его элемента. Третьи, среди них Дэвид Юм и Иммануил Кант, считали наиболее важным то особое удовольствие, которое в нас вызывает прекрасный объект. Порой мы даже не знаем, чего ожидаем, пока наши бессознательные ожидания не оправдываются. И тогда, глядя на этот прекрасный объект, мы делаем радостное открытие: «Вот то, чего я на самом деле хотел!» Эксперимент могут отличать все перечисленные достоинства, и тогда его по праву можно называть красивым: не в переносном смысле, неоправданно расширяя исходное значение слова, а совершенно «законным» способом, используя исконный смысл слова «красота».
   В «Простаках за границей» Марк Твен описывает свой визит в баптистерий Пизанского собора, где ему показали знаменитую качающуюся люстру, которая, согласно легенде, вдохновила семнадцатилетнего Галилео Галилея на импровизированный эксперимент: измеряя при помощи своего пульса период затухающих колебаний отклоненной от положения равновесия люстры, он обнаружил их изохронность – то есть период колебаний не зависел от амплитуды. (Изохронность колебаний маятника, как хорошо было известно Твену, – принцип, который лежит в основе работы любых механических часов.) Маятник для Твена воплощал одновременно и патрицианские, и плебейские черты. Глядя на него, он преисполнился благоговения перед открытием Галилея, которое позволило человечеству найти способ точного измерения времени, и испытал некое ранее незнакомое ему чувство родства со всей Вселенной.

   «Трудно поверить, что этому скромному предмету мир науки и механики обязан таким гигантским расширением своих пределов! Его вид наводит на множество размышлений, и мне показалось, что передо мной возникла целая сумасшедшая вселенная качающихся дисков – трудолюбивых отпрысков этого степенного родителя. У него такое умное выражение, словно он знает, что он вовсе не светильник, а маятник – маятник, который для достижения каких-то глубоко обдуманных и загадочных целей изменил свою внешность; и к тому же не простой маятник, а самый первый маятник, маятник-патриарх, маятник-Авраам⁷».

   В своей неподражаемой манере Твен дает ясное представление о красоте, которой может обладать даже самый простой эксперимент, если он открывает нам некую фундаментальную истину о мире, демонстрирует ее простым и непосредственным образом, так, что у нас не возникает никакой потребности в дополнительных доказательствах.
   Раскачивание люстры; лучи света, проходящие сквозь набор призм; почти одновременное приземление падающих предметов с различным весом, брошенных одновременно; соотношения скоростей масляных капель – все это в случае правильной организации эксперимента способно открыть нам некие фундаментальные знания о самих перечисленных процессах и о Вселенной в целом. Эти опыты похожи одновременно и на пейзажи, которые восхищают, завораживают и просвещают нас, и на карты, благодаря которым мы находим правильный путь в окружающем нас мире. Эксперимент всегда предполагает возможность выхода за пределы обыденного. В качестве материала в нем могут использоваться самые обычные и простые вещи, но они служат неким мостом, соединяющим нас с областью высших смыслов и высшего знания. Красота ведет нас в мир идей, одновременно привязывая к чувственному миру, как любил повторять немецкий поэт и философ Фридрих Шиллер. «Красота – это момент перехода, как будто некая форма уже готова перелиться в другие формы», – писал американский эссеист Ральф Уолдо Эмерсон⁸.
   Красота эксперимента может выступать в самых разнообразных формах, точно так же, как прекрасное произведение Баха отличается от прекрасного творения Стравинского. Некоторым из них свойственна красота, возникающая в результате совмещения нескольких всеобщих законов, другим – красота как следствие соединения разнородных и оттого казавшихся до сих пор несоединимыми элементов. Некоторые обладают особой строгой красотой и привлекают нас абсолютной простотой чистой формы, в других же отражается нечто высшее, захватывающее нас намеком на бесконечность возможностей природы и на ее грандиозное могущество. Но в большинстве красивых экспериментов присутствуют элементы всего перечисленного.

* * *

   У вас может сложиться впечатление (вполне оправданное), что книга, которую вы держите в руках, представляет собой некую выставочную галерею. В этой галерее выставлены экспонаты редкой красоты, и каждый отличает его собственная структура, особый материал и присущее только ему очарование. Уверен, что далеко не все они придутся вам по душе в равной мере и ваш жизненный опыт, ваше воспитание, образование и ваши вкусы заставят вас что-то предпочесть, а на другое взглянуть с бо́льшим равнодушием.
   Одной из самых сложных задач при организации любой галереи является отбор экспонатов. Я решил эту проблему следующим образом. В 2002 году, вдохновленный разговором с очередным ученым, рассказывавшим мне о красивом эксперименте, и вспомнив не только слова Глэшоу, но сотни подобных формулировок, которые я слышал на протяжении многих лет, я решил провести голосование. Я попросил читателей международного научного журнала Physics World, для которого я систематически пишу статьи, ответить на вопрос, какие эксперименты, по их мнению, являются самыми красивыми. К моему удивлению, читатели выбрали более трехсот кандидатов. Среди них, кроме действительно имевших место экспериментов, были также мысленные эксперименты, проектируемые эксперименты, а также теоремы и модели практически во всех научных областях – от физики до психологии. Мой опрос поддержали также блогеры и участники дискуссионных групп в Интернете, и это дало мне еще несколько сотен кандидатов. В свой шорт-лист самых красивых экспериментов я включил десять наиболее часто упомянутых кандидатов⁹.
   Вы можете заметить, что бо́льшую часть этого списка составляют физические эксперименты, и я не стану отрицать, что, обращаясь к читателям «Мира физики», я просил их назвать самые красивые физические эксперименты. Тем не менее мне кажется, что я могу утверждать, что в этой книге собраны десять наиболее красивых экспериментов в истории науки в целом: большинство моих респондентов поняли мою просьбу как желание отобрать самые красивые научные эксперименты, и их предложения, присланные в Physics World, помимо собственно физических экспериментов, включали также эксперименты из области химии, техники и физиологии.
   Кроме того, более половины экспериментов, описанных в книге, были впервые проведены в те времена, когда физика еще не была отдельной наукой. Это классические хрестоматийные примеры, часто обсуждаемые и воспроизводимые на занятиях по истории естественных наук и по самим естественным наукам и уже давно ставшие чем-то вроде эталона научного эксперимента в самом широком смысле слова. Нет ничего удивительного в том, что упоминания о них то и дело всплывают в популярной культуре, а их описания встречаются в произведениях таких разных авторов, как, например, драматург Том Стоппард, композитор Филип Гласс или писатель Умберто Эко¹⁰.
   Я решил расположить эти эксперименты в хронологической последовательности, и получилась величественная картина гигантского пути, пройденного наукой за 2500 лет. Мой список начинается с тех времен, когда к самым насущным проблемам науки относилась проблема размеров Земли и ее положения в пространстве, и продолжается вплоть до той эпохи, когда ученые получили возможность производить точнейшие измерения характеристик атома и составляющих его элементарных частиц. Эта история начинается во времена простейших самодельных измерительных приборов типа солнечных часов или наклонных плоскостей и завершается эпохой сверхточных приборов. Она начинается во времена, когда ученые, как правило, работали в одиночестве (или в лучшем случае в компании одного или двух помощников), и завершается в эпоху, когда персонал научной лаборатории может составлять несколько сотен человек. И я надеюсь, что эта книга дает представление о личностях и особенностях мышления наиболее выдающихся представителей естественных наук.
   Здесь приведены многие ключевые эксперименты в эволюции научного знания: эксперимент Галилео Галилея с наклонными плоскостями, благодаря которому впервые была определена математическая формула ускорения движения; experimentum crucis^[1] Исаака Ньютона, раскрывший природу света и цвета; эксперимент Томаса Юнга с двумя щелями, продемонстрировавший волновую природу света; открытие Эрнестом Резерфордом атомного ядра, положившее начало атомной эре. Этот список включает эксперименты, которые либо явились яркими иллюстрациями, либо послужили толчком к смене важнейших парадигм в истории науки: замене аристотелевского представления о движении на галилеевское, корпускулярной теории света на волновую и классической механики на квантовую.
   Примерно одинаковое число моих респондентов проголосовало за каждый из описанных здесь экспериментов, и поэтому я решил не выстраивать их в какой-либо рейтинг. Исключением стал эксперимент с двумя щелями, демонстрирующий феномен квантовой интерференции отдельных электронов. Именно его большинство респондентов назвали самым красивым экспериментом в истории науки. Критики, конечно, вправе оспаривать критерии моего выбора. Но пусть предметом спора будет сам процесс выбора и его результаты, а не основная тема книги – может ли научный эксперимент быть красивым.
 

 
   Рис. 1. Самый древний из дошедших до нас инструментов измерения времени относится к III веку до н.э., приблизительно к эпохе Эратосфена. Артефакт довольно хорошо сохранился, однако гномон (стержень-указатель, отбрасывавший тень внутри углубления) отсутствует

Глава 1.
Измеряя мир

Эратосфен и земная окружность

   В третьем веке до нашей эры греческий ученый Эратосфен Киренский (ок. 276 – ок. 195 до н. э.) произвел первое известное в истории измерение размеров Земли. Его инструменты были очень просты: он следил за тенью, отбрасываемой гномоном (центральным стержнем солнечных часов), делая довольно естественные предположения и проводя очень простые измерения. Эксперимент был произведен настолько изящно, что его результаты на протяжении нескольких столетий приводились в качестве наиболее авторитетных. Этот простой и поучительный опыт и поныне, 2500 лет спустя, ежегодно воспроизводят школьники по всему миру. Принцип данного измерения так элегантен, что стоит понять его, как у вас тут же возникает желание измерять тени всего вокруг.
   Эксперимент Эратосфена вдохновлялся двумя идеями принципиальной значимости. Первая состояла в том, чтобы представить космос в виде набора объектов (Земля, Солнце, планеты и звезды) внутри обычного трехмерного пространства. Это может показаться нам чем-то вполне тривиальным, но не совсем соответствовало тогдашним представлениям. Огромным вкладом греческой культуры в науку была догадка, что в основе бесконечного множества постоянно меняющихся видов движения на Земле и на ночном небе лежит безличный и неизменный порядок, космическая архитектура, которая может быть описана и объяснена в терминах геометрии. Вторая идея состояла в том, чтобы в целях лучшего понимания размеров и масштаба этой космической архитектуры применить обычные измерительные практики. Соединив две упомянутые идеи, Эратосфен выступил с довольно дерзким для своего времени предположением, что те же самые методы, которые были уже разработаны для строительства домов и мостов, для прокладывания дорог и межевания полей, для прогнозирования ливней и наводнений, можно использовать для получения информации о размерах Земли и других небесных тел.