Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Девонс заметил:
...
«Главная проблема состоит в том, что эксперимент – настоящее искусство. Он сродни изготовлению идеально звучащей скрипки. Скрипка ведь не производит впечатления какого-то очень сложного устройства. Предположим, вы придете к скрипичному мастеру и попросите его помочь вам сделать настоящий «страдивари», потому что вам интересно изготовление скрипок и хочется узнать, как они делаются. Он посмеется над вами так же, как только что смеялся я. Ведь искусство – это знание, которое хранится не в голове, а в кончиках пальцев, это мелкие хитрости, которым учатся в ходе самой работы.
Часто они вас подводят, но вы повторяете их снова и снова. На вашем пути возникает масса трудностей, вы обдумаете, как их преодолеть, – и в конце концов вам это удается. Всякий раз, когда вы задумаете привнести в свою работу нечто новое, приходится забывать все старые навыки и уловки и приобретать новые. Однако вы должны все помнить и все знать, потому что если вы напрягаете свое оборудование до предела, резко возрастает шанс получить ложные результаты. Порой вы даже не можете понять, что же вы упустили. Любой экспериментатор когда-либо в своей жизни совершал ужасные ошибки, и любому экспериментатору известны примеры позора его друзей и коллег, получивших ложные результаты и слишком поспешивших их обнародовать.
Но как бы то ни было, вам приходится вести поиск на самом переднем крае, так как в противном случае кто-нибудь обязательно вас опередит. А ведь как это ужасно – очутиться среди отставших! У каждого из нас есть шкаф, до предела набитый несостоявшимися открытиями из-за того, что мы были слишком осторожны или кто-то другой оказался умнее нас. Одновременно с Резерфордом над теми же самыми проблемами работала целая австрийская школа, о которой в наше время совершенно забыли. А почему? Потому что Резерфорд был чуть отважнее и чуть изобретательнее»145.
Та разновидность искусства, о которой говорил Девонс, конечно же, присутствует не только в физике. Альберт Уитфорд, влиятельный американский астроном середины XX века, однажды заметил, что в его время работа с большим телескопом требовала от астронома «настоящего искусства, истинного мастерства в обращении с красивым и капризным инструментом». На самом деле изучение всех прихотей исследовательского инструментария – весьма кропотливый, а порой и изнурительный труд. Известный космолог Аллан Рекс Сэндидж, проведший бесчисленное количество ночей у громадных телескопов, поясняет:
...
«Наблюдения с помощью телескопа даже при самых лучших условиях – крайне утомительное занятие, а в не очень хороших условиях, среди холодной и не слишком уютной обстановки, оно может превратиться в настоящее испытание вашей выдержки».
Однако же долгие неуютные часы, проведенные наедине с телескопом под ночным небом, формируют то, что историк науки У. Патрик Маккрей называл «личной связью между ученым и его инструментом»146, – глубокое понимание инструмента, которое необходимо экспериментатору для того, чтобы всегда понимать, что именно инструмент способен ему открыть, а что нет.
Когда такая связь существует, результатом ее становится творческий процесс, который наделен всеми признаками настоящего искусства147. Существуют три разновидности этого процесса: механическое повторение, стандартная процедура и художественное представление. Примером механического повторения могут быть музыкальные записи или механические пианино, воспроизводящие то или иное музыкальное произведение. Однако в данном случае музыка, какой бы прекрасной она ни была, не есть каждый раз результат творчества в прямом смысле слова, а лишь эхо этого результата.
Стандартная процедура, в отличие от механического повторения, подразумевает минимум настоящего искусства. Действия, которые первоначально могли осуществляться лишь горсткой профессионалов, обладающих высоким мастерством, превращаются в некую рутинную практику, доступную более широкой группе людей, не обладающих таким высоким уровнем подготовки. Примером служат хирургические методики использования лазера для восстановления зрения при сильной близорукости. Когда-то они были прерогативой лишь высококвалифицированных специалистов, получавших громадные гонорары, а теперь подобные операции проводятся во множестве коммерческих клиник.
Художественное представление выходит за пределы стандартизованной программы. Это – действие на пределе уже понятого и контролируемого, сопряженное со значительным риском. Как показывает открытие Резерфордом атомного ядра, научные объекты приходится выводить в центр поля зрения подчас из довольно размытого и неопределенного фона. Данный процесс можно сравнить с разглядыванием оптических «обманок», в которых очертания какого-то предмета скрыты за сложным нагромождением линий. Поначалу очертания объекта перемешаны с хитросплетением разнообразных линий и форм, из-за чего возникает неопределенное ощущение неудобства и напряжения, и вдруг неожиданно наше зрение адаптируется – и мы начинаем видеть нужный объект (скажем, кролика) в сплетении листьев, ветвей и травы. Научные объекты часто становятся понятны в ходе аналогичного процесса. Однако, в отличие от разглядывания подобной картинки, при работе в лаборатории мы не всегда уверены в том, что нужный нам объект действительно существует. Инструментарий предоставляет нам «картинку», где заключены и объект, и фон, из которого необходимо вычленить предмет исследования. Часто сам способ организации опыта мешает опознать новый феномен, и вполне вероятно, что условия эксперимента потребуется изменить прежде, чем необходимый объект появится в поле нашего зрения.
Эксперимент Резерфорда иллюстрирует не только особое исследовательское мастерство, но и то, каким образом оно превращается в стандарт и технологию. Научные феномены могут проходить путь от только что открытого явления (которое порой воспринимается как досадная помеха – как в случае с рассеянием у Резерфорда) к лабораторной методике и особой технологии. То, что обнаруживается в ходе эксперимента, представляет собой характерное, иногда весьма поучительное и полезное следствие научного феномена. Рассеяние альфа-частиц – один из примеров этого. Если обнаруженная в ходе эксперимента характеристика связана с какими-то важными параметрами системы – в случае с рассеянием альфа-частиц таковыми были распределение заряда и массы, – то появляется возможность превратить ее в определенную методику; ею можно будет манипулировать для анализа и измерения названных параметров. Всегда существует вероятность того, что методика со временем превратится в технологию, то есть достигнет такой степени стандартизации, при которой ее смогут в качестве инструмента использовать те, кто не в полной мере владеет всеми нюансами ее теоретического обоснования и практическими навыками использования.
Возьмем, к примеру, пьезоэлектрический эффект – феномен, при котором определенные кристаллы (некоторые из них естественного происхождения), будучи сжаты определенным образом, производят мгновенные всплески напряжения в десятки тысяч вольт. На рубеже XIX и XX веков это явление впервые наблюдали в лаборатории братья Кюри, использовавшие для этого сложное лабораторное оборудование (один из братьев, Пьер, впоследствии женился на Марии Склодовской, которая стала первой женщиной, удостоенной Нобелевской премии). К началу Второй мировой войны пьезоэлектрический эффект уже был стандартизирован и использовался в детонаторах авиабомб, а сегодня этот некогда экзотический лабораторный феномен является банальным элементом системы воспламенения в определенном типе зажигалок.
Почему же на мастерство экспериментов так часто не обращают внимания? Одна из причин заключается в отношении самих ученых, которые настаивают на соблюдении слишком строгого, жесткого, а порой бесчеловечного и нереалистичного стандарта. К примеру, нобелевский лауреат Леон Ледерман, бывший директор Лаборатории им. Ферми, национальной лаборатории в Батавии, штат Иллинойс, часто укорял себя за «упущенные открытия» и даже написал статью о «том значительном, что ускользнуло из рук». Среди этого значительного Ледерман упоминал эпизод, когда его исследовательская группа не смогла зарегистрировать важную частицу, которую двумя годами позже одновременно обнаружили две другие исследовательские группы. «Наше мышление, – писал Ледерман, – [и] наше понимание ключевых элементов физики было довольно туманным». Однако работа группы Ледермана рассматривалась его коллегами как первоклассная. Более того, обе группы, которым в конце концов удалось обнаружить частицу, теперь именуемую J/psi , в качестве руководства использовали предшествующие наработки Ледермана.
