Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Всякий раз, когда мы воспринимаем какой-либо объект, мы ощущаем определенную регулярность, повторяемость в его проявлениях. Восприятие письменного стола включает в себя знание, что если мы обойдем вокруг него, то обязательно увидим его противоположную сторону, которая в данный момент нам не видна, зато не будем видеть сторону стола, которая видна нам сейчас. И при этом, несмотря на все эти изменения в нашем ви́дении, будем по-прежнему видеть стол как один и тот же предмет.
Этот имплицитный горизонт проявлений, который «сопровождает» наше видение чего-то как объекта, не является некой мыслительной спекуляцией или нашим предположением. Это как раз и есть то, что мы понимаем под словом «видеть» объект.
Воспринять объект (как обычный, так и научный) – также означает понять особый профиль объекта вместе с горизонтом ожидаемых профилей. Сказанное справедливо даже по отношению к таким обычным предметaм, как, например, яблоко. В последовательности определенных действий – мы подбираем яблоко с земли, поворачиваем его, откусываем – мы сталкиваемся с нарастающей реализацией горизонта профилей. Теоретически нас могут ожидать неожиданности – например, яблоко может быть на самом деле сделано из дерева или стекла, – но мы все равно воспринимаем эту неожиданность в контексте опыта, который перестраивает, но не уничтожает горизонт профилей.
Инвариантами обычного восприятия служат интуитивные образы повторяющихся физических характеристик, в научных же объектах подобные инварианты обычно описываются с помощью соответствующих теорий. Увидеть хромосому, планету, натриевое облако или какой-либо другой научный объект – значит понять, что данный объект подчиняется определенным закономерностям и описательным инвариантам, которые, в свою очередь, зафиксированы в той или иной теории. Будем ли мы продолжать так же воспринимать упомянутые феномены, зависит от того, как их профили реализуют ожидания, порождаемые соответствующими инвариантами127.
«Желание узнать» – вот как мы называем наше стремление исследовать наличные и ожидаемые профили некоего феномена, то есть принять участие в увлекательном процессе их реализации. Этот процесс познания можно наблюдать не только у людей, но также и у приматов и других существ. А значит, пишет Максин Шитс-Джонстон, профессор философии Орегонского университета, желание узнать – это не социальный конструкт, но часть нашего эволюционного наследия. Научный темперамент участвует в этом процессе посредством эксперимента, который создает новые и часто неожиданные профили и феномены.
В случае с большинством объектов – чашкой, стулом или даже человеком – нам хорошо известно, что можно ожидать в горизонте профилей. Иногда, правда, мы не только предполагаем, но даже ожидаем столкновения с чем-то непредвиденным. Научный темперамент предполагает открытость к неожиданному. Именно это имел в виду Эйнштейн, когда писал, что «самое прекрасное наше переживание – переживание таинственного. В нем источник истинного искусства и науки»128.
В лаборатории с помощью надежных инструментов и технологий можно создать особую ситуацию, в которой новое проявит себя. Одним из примеров такой особой ситуации был аппарат Милликена. Внутри него был создан новый, особый мир, и Милликен его очень хорошо изучил. Он знал все законы этого мира и возможные нарушения этих законов. Ему были понятны типичные процессы, происходящие в этом мире, и ситуации, которые там возможны, и он сразу опознал бы нетипичный процесс или ситуацию, если бы они возникли. Так что абсолютно верно будет сказать, что он действительно видел этот мир и его составные части.
Ученые, подобные Роберту Милликену и Барбаре Макклинток, которые так близко знакомы с миром, который исследуют, обладают способностью буквально видеть объекты этого мира, и это позволяет им видеть в нем и красоту, недоступную остальным.
Рис. 19. Первый набросок ядерной теории строения атома, сделанный Резерфордом, вероятно, зимой 1910–1911 гг.
Глава 9. У истоков красоты
Резерфорд и атомное ядро
В первом десятилетии двадцатого века английский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937), проведя талантливо разработанный эксперимент, открыл внутреннюю структуру атома. К удивлению других ученых, он обнаружил, что атом состоит из центрального положительно заряженного ядра (где заключена почти вся масса атома), окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. До того момента внутренняя структура материи оставалась одной из тех загадок – наряду с рождением и смертью Вселенной, происхождением жизни и существованием жизни на других планетах, – которые были интересным предметом для рассуждения и всякого рода предположений и гипотез, но не могли стать объектом экспериментального научного исследования. Ученые задавались вопросом: как же исследовать внутреннюю структуру атома, если весь инструментарий, которым мы располагаем, сам состоит из атомов? Это все равно что пытаться установить, что находится внутри одного резинового мяча с помощью другого резинового мяча. Решение этой проблемы Резерфордом знаменовало рождение современной физики элементарных частиц.
Путь Резерфорда к открытию был далеко не прямым. В начале своих исследований ученый и не думал, что по их завершении откроет структуру атома. Только впоследствии он осознал, что для выполнения такого эксперимента и понимания его сути имеются как необходимые инструменты, так и способы использования этих инструментов. Понадобилось определенное время и на то, чтобы убедить окружающих129.
* * *
Резерфорд, массивный краснолицый человек с тюленьими усами, отличался необычайной уверенностью в себе, а говорил громко и напористо. Он постоянно требовал от своих ассистентов и сотрудников «быть проще». Когда его просили объяснить причины его успеха, он обычно заявлял: «Я ценю простоту, так как сам всегда был простым человеком»130. Это вовсе не пустое бахвальство. Резерфорд превосходно понимал возможности простого оборудования в деле проникновения в самые глубокие тайны природы.
И в самом деле, с точки зрения простоты, глубины и определенности, эксперименты Резерфорда принадлежат к числу самых красивых в истории науки. Его коллега, историк науки Джеймс Джеральд Кроутер, впоследствии отмечал способность простых идей, воплощенных в экспериментах Резерфорда, давать потрясающие по значимости результаты, хотя «можно было бы ожидать, что после трех столетий активного развития физической науки идеи в ее контексте, эволюционируя, должны были неизбежно усложняться и что все простое в ней уже давно должно было быть использовано и израсходовано»131.
По словам другого его коллеги, химика А. С. Расселла,
...
«оглядываясь назад, видишь красоту исследовательского метода и ту простоту, с которой была получена истина. Минимум суеты в сочетании с минимальным шансом ошибки. Одним легким движением руки Резерфорду удалось проделать почти немыслимое»132.
Резерфорд не проявлял особого интереса к искусству и музыке, разве что в хорошем расположении духа «любил распевать „Вперед, Христово воинство“ – не слишком складно, но с большим задором»133. Тем не менее его подход к проникновению в глубинные структуры Вселенной отличался всеми достоинствами, свойственными истинному художнику: неудержимой энергией, глубоким уважением к материалу, чрезвычайно развитым воображением. Более того, сам Резерфорд как-то заявил, что «процесс научного открытия может рассматриваться как разновидность искусства»134.
Но как в искусстве, так и в науке творческий процесс весьма извилист, отступление на исходные позиции – обычное явление, и художники порой осознают смысл своих исканий только по завершении работы. Классическим примером тут является шедевр Резерфорда – открытие ядра атома.
Резерфорд родился в Новой Зеландии и мальчишкой любил возиться с фотокамерами, часами и моделями водяных колес на мельнице отца. В 1895 году молодой одаренный ученый был удостоен особой стипендии и получил место в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, которую историк науки Джон Льюис Хейлброн назвал «колыбелью ядерной физики»135. Резерфорд прибыл туда в самом начале волнующей и сложной эпохи в истории физики: в 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи, в 1896-м француз Анри Беккерель открыл явление радиоактивности на примере урана, а в 1897 году их английский коллега Джозеф Джон Томсон, директор Кавендишской лаборатории, открыл электрон.
