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.

Эратосфен исходил из предположения, что Земля представляет собой некое подобие шара. Хотя и в наше время иногда приходится слышать, что Колумб отправился в свое путешествие в первую очередь затем, чтобы доказать, что Земля не плоская, однако уже многие древние греки, всерьез задумывавшиеся об устройстве мироздания, приходили к выводу не только о том, что Земля круглая, но и о том, что она имеет весьма незначительные размеры по сравнению со всей остальной Вселенной. Среди таких ученых был Аристотель, в сочинении которого «О небе», написанном примерно за столетие до Эратосфена, выдвигался ряд различных аргументов в пользу того, что Земля представляет собой шар. Среди этих аргументов были как логические построения, так и опытные наблюдения. Аристотель отмечал, к примеру, что во время затмений тень, отбрасываемая Землей на Луну, всегда искривлена, что может иметь место только в том случае, если Земля круглая. Он также упоминает о том, что путешественники, оказавшиеся далеко на севере и на юге, видят разные звезды (что было бы крайне маловероятно, будь Земля плоской) и что определенные звезды, видимые в Египте и на Кипре, не видны в более северных странах, в то время как другие звезды, которые всегда видны на севере, восходят и заходят на юге, как если бы на них смотрели с поверхности круглого объекта. «Судя по этому, тело Земли должно быть не только шарообразным, – писал Аристотель, – но и небольшим по сравнению с величиной других звезд»11.

Но великий мыслитель предложил и более хитроумные аргументы. Из сообщений путешественников и участников военных экспедиций ему было известно, что слоны водятся в отдаленных землях как в Африке, так и в Азии. Из этого он сделал вывод, что названные части света, по-видимому, соединены, – вполне логичное, хоть и не совсем конкретное заключение. Другие греческие ученые выдвигали и другие аргументы в пользу шарообразности Земли, которые включали разницу во времени восхода и заката в разных странах и то, что отплывающие корабли постепенно скрываются из виду, как бы опускаясь за горизонт.

Однако ни одно из приведенных доказательств не отвечало на главный вопрос: насколько велика эта круглая Земля? И возможно ли вообще узнать ее размеры, не обойдя ее по всей окружности с измерительными приборами?

До Эратосфена на сей счет существовали только догадки. Самая ранняя из них принадлежит Аристотелю, который писал, что «те математики, которые берутся вычислять величину [земной] окружности, говорят, что она составляет около четырехсот тысяч [стадиев]»12. Однако он не сообщает ни источников данной цифры, ни ее оснований. Кроме того, эти данные невозможно точно перевести в современные меры длины. Стадий соотносился с протяженностью греческого скакового круга, который различался от города к городу. Используя приблизительные соответствия с современными мерами длины, ученые приходят к выводу, что Аристотель оценивал длину земной окружности более чем в 40 000 миль (в реальности она составляет примерно 24 900 миль). Архимед, создавший модель космоса, в которой небесные тела вращались друг вокруг друга, давал несколько меньшее число, чем Аристотель, – 300 000 стадий (более 30 000 миль). Но он, равно как и его предшественник, никак не обосновывает свои оценки.

И вот появляется Эратосфен. Младший современник Архимеда, Эратосфен родился в Северной Африке и получил образование в Афинах. Эрудиция его была почти безгранична, он был знатоком во многих областях – от литературной критики и поэзии до географии и математики. Но он ни в чем не достиг первенства, из-за чего современники присвоили Эратосфену саркастическое прозвище Бета (вторая буква греческого алфавита) с намеком на то, что он во всем был только вторым. Несмотря на подобные насмешки, его таланты и блестящие познания были широко известны, a в середине третьего столетия до нашей эры царь Египта Птолемей III пригласил Эратосфена учителем к своему сыну, а позднее назначил его руководителем знаменитой Александрийской библиотеки.

Это была первая и крупнейшая библиотека такого рода, созданная царями из правившей в Египте династии Птолемеев в ходе строительства Александрии, культурной столицы эллинистического мира. Библиотека стала местом встречи ученых всех стран, а Александрия превратилась в важнейший интеллектуальный центр. Здесь, к примеру, жил и преподавал Евклид. В Александрии библиотекари собрали обширную коллекцию рукописей по широчайшему диапазону тем, и ею мог воспользоваться любой ученый. (Помимо всего прочего, Александрийская библиотека была первым известным учреждением подобного рода, в котором рукописи были упорядочены по имени автора в алфавитном порядке [2] .)

Эратосфен написал два сочинения по географии, очень важные для античного мира. Трехтомник «Географика» представлял собой первую попытку картографирования мира с использованием параллелей (линий, параллельных экватору) и меридианов (линий, которые проходят через оба полюса и данную точку на карте). Его «Измерения мира» содержали первые известные описания способов измерения размеров Земли. К несчастью, обе работы утеряны, и нам приходится восстанавливать логику рассуждений Эратосфена на основании замечаний других древних авторов, знакомых с его работами13. На наше счастье, таковых было довольно много.

Эратосфен начал свои рассуждения с предположения, что если Земля – небольшое шарообразное тело в огромной Вселенной, то другие составные части Вселенной, такие как Солнце, располагаются довольно далеко – так далеко, что его лучи можно считать параллельными независимо от того, в каком месте они падают на Землю. Эратосфену также было известно, что по мере того, как солнце поднимается вверх по небосводу, тени становятся короче, а из рассказов путешественников он знал, что во время летнего солнцестояния в городе Сиена (современный Асуан) солнце в полдень достигает зенита и находится прямо над головой и тогда исчезают тени у всех вертикальных предметов – будь то колонны, столбы и даже гномоны солнечных часов, главная функция которых как раз и состоит в отбрасывании тени. На несколько мгновений солнечные лучи даже достигают дна городского колодца, освещая всю его поверхность, «подобно пробке, идеально подходящей к отверстию», как сообщает один древний источник14. (Я, конечно, немного неточен: тени не исчезали полностью, а просто падали прямо под предметами, в другое же время они падают сбоку от них.)

Помимо этого, Эратосфену было известно, что Александрия располагается к северу от Сиены и примерно на том же меридиане. Благодаря царским землемерам, которых египетское правительство ежегодно – после сезонных разливов Нила – посылало измерять и наносить на карту границы полей, ученый знал, что оба города находятся на расстоянии пяти тысяч стадиев друг от друга (это число было, конечно, приблизительным, поэтому использовать упомянутую информацию для установления точного соответствия между стадиями и современными мерами длины невозможно).

В сегодняшних терминах Сиена располагалась на Тропике Рака, воображаемой линии, опоясывающей мир и проходящей через северную Мексику, южный Египет, Индию и южный Китай (ее можно увидеть на большинстве глобусов). Для всех точек на ней характерна одна необычная особенность: солнце находится прямо над головой только один раз в году, в самый долгий световой день – 21 июня, день летнего солнцестояния. Те, кто живет к северу от Тропика Рака, никогда не видят солнце непосредственно над головой, и предметы всегда отбрасывают тени. Те же, кто живет в Северном полушарии к югу от Тропика Рака, видят солнце прямо над головой дважды в год: один раз – перед днем летнего солнцестояния и один раз – после. Непосредственная дата зависит от того, где расположена данная местность. Причина упомянутого явления заключается в положении Земли, ось которой наклонена по отношению к плоскости орбиты ее обращения вокруг Солнца.

Однако совсем другое занимало сейчас мысли Эратосфена. Для него главным было то, что в момент, когда солнце стоит прямо над головой в Сиене, оно не находится в зените ни в одном другом месте к северу и к югу от нее, включая и Александрию. Во всех остальных местах гномон солнечных часов отбрасывает тень. Длина же тени должна зависеть от кривизны земной поверхности. Чем больше кривизна, тем длиннее будет тень в таком месте, как, например, Александрия.

Эратосфен обладал достаточными познаниями в геометрии, чтобы разработать весьма изящный эксперимент, на основе которого он смог вычислить меру названной кривизны и, исходя из этого, определить протяженность земной окружности.

Чтобы оценить красоту данного эксперимента, нет нужды знать что-либо конкретное о том, как Эратосфен проводил его. Это очень удачное обстоятельство, так как нам практически ничего неизвестно об условиях его проведения. Эксперимент известен нам лишь по далеко не полным описаниям современников и учеников Эратосфена, многие из которых, очевидно, даже не до конца понимали то, что именно они описывают. Нет необходимости знать что-либо о логике рассуждений ученого: что непосредственно пробудило его интерес к данной проблеме, какими были его первые шаги в разработке будущего эксперимента, встречал ли он какие-либо препятствия на своем пути, как он реализовал свой проект и к каким дальнейшим научным изысканиям это привело. Конечно, можно лишь сожалеть о подобном недостатке информации, так как может сложиться впечатление, что идея пришла к Эратосфену в виде некого озарения, как гром среди ясного неба. Но как бы то ни было, отсутствие всех этих деталей не мешает нашему пониманию сути эксперимента. У нас не возникает необходимости предаваться интеллектуальным спекуляциям, углубляться в сложные математические вычисления или строить догадки, основанные на сомнительных эмпирических данных. Красота эксперимента Эратосфена состоит в том, что он доказал возможность производить измерения космического масштаба, измеряя длину крошечной тени.

Поразительную простоту и элегантность иллюстрируют две диаграммы на рис. 2 и 3.

Во время солнцестояния, когда солнце в Сиене находится прямо над головой ( А ), тени исчезают – они падают по направлению прямо к центру Земли (линия АВ ). Тени в Александрии ( Е ) в этот момент также падают в том же самом направлении ( CD ), так как солнечные лучи условно параллельны друг другу. Но так как земная поверхность искривлена, они падают под небольшим углом, который мы назовем х . Небольшой угол (короткая тень) означал бы, что земная поверхность относительно плоская и что, следовательно, Земля имеет очень большую окружность. Большой угол (или длинная тень) будет означать сильное искривление и, соответственно, небольшую окружность. Однако существует ли способ точного измерения длины земной окружности по длине тени? Такой способ дает геометрия.

Рис. 2. Угол между лучом солнца в тот момент, когда оно находится в зените в Александрии, и вертикальным шестом (гномоном) в Сиене (х) равен углу между земными радиусами (y), проведенными к Александрии и Сиене. Следовательно, отношение длины дуги окружности EF к полному кругу таково же, что и отношение длины дуги AE (расстояние от Сиены до Александрии) к окружности Земли

Евклид доказал, что внутренние накрест лежащие углы, образуемые прямой, пересекающей две параллельные прямые, равны. Таким образом, угол х , образуемый тенями в Александрии, равен углу у с вершиной в центре Земли, образуемому двумя лучами, проходящими через Александрию и Сиену ( ВС и ВА ). Это, в свою очередь, означает, что соотношение между длиной дуги гномона ( FE ) и полной окружности вокруг гномона (см. рис. 2) такое же, как и соотношение между расстоянием от Сиены до Александрии и длиной земной окружности. Эратосфен пришел к выводу, что если измерить названное относительно небольшое расстояние, то можно вычислить длину земной окружности. Хотя Эратосфен мог произвести свои измерения целым рядом разных способов, историки науки уверены, что он проделал их с помощью греческой разновидности солнечных часов, так как дуга их тени достаточно четко видна. Солнечные часы, или скафис, представляли собой бронзовую чашу с закрепленной в центре иглой – гномоном, тень которого медленно скользила вдоль линий на внутренней поверхности чаши, соответствующих часам. Однако Эратосфен воспользовался часами необычным способом. Его интересовало не положение тени на часовых отметках, а угол тени, отбрасываемой гномоном в полдень в день летнего солнцестояния. Вначале он измерил, какую часть этот угол составляет в полной окружности (измерение окружности с помощью деления ее на 360 равных частей, называемых градусами, вошло в общую практику лишь примерно столетие спустя после Эратосфена). Или, что практически то же самое, он мог измерить отношение длины дуги, отбрасываемой гномоном на поверхности сосуда, к длине всей окружности сосуда.

Рис. 3. Вероятно, Эратосфен измерял, какую часть всей окружности солнечных часов составляет длина тени (EF), то есть какую часть полного угла составляет угол (х) между лучом и отвесной линией

В полдень того же дня Эратосфен выяснил, что сектор, занимаемый тенью, составляет 1/50 полной окружности (мы бы сейчас сказали: составляет 7,2 градуса). Таким образом, расстояние между Александрией и Сиеной равнялось пятидесятой части протяженности всего меридиана. Умножив 5000 стадий на 50, он получил 250 000 стадий для длины земной окружности. Позже, внеся некоторые уточнения, Эратосфен увеличил цифру до 252 000 стадий (в переводе на современные меры длины и то и другое число – это чуть больше 25 000 миль). Причина, по которой Эратосфен внес данное уточнение, не совсем ясна, но, скорее всего, это как-то связано с его стремлением упростить расчет географических расстояний.

Эратосфен делил круг на шестьдесят частей, и на каждую такую часть приходилось по равному количеству в 4200 стадий при общей протяженности земной окружности в 252 000 стадий. Но какую бы из двух названных величин мы ни использовали, 250 000 или 252 000 стадий (при том что, как мы уже знаем, не существует абсолютно точной формулы перевода стадий в современные меры длины), результат, полученный Эратосфеном, лишь незначительно отличается от величины, которая считается правильной сегодня, – 24 900 миль.

Важнейшим условием успешности эксперимента Эратосфена была его картина Вселенной. Без нее он не смог бы прийти к своей идее. К примеру, в древнекитайском картографическом тексте «Хуайнаньцзы» («Философы из Хуайнани») тоже отмечается, что гномоны одинаковой высоты, но находящиеся на разных (север – юг) расстояниях друг от друга, в одно и то же время отбрасывают тени различной длины15. Исходя из предположения, что Земля плоская, автор трактата объясняет названную разницу тем, что гномон, отбрасывающий более узкую тень, находится ближе к положению солнца на небе, и приходит к выводу, что разницу в длине теней можно использовать для расчета высоты неба!

Данные Эратосфена и его вычисления были достаточно приблизительными. Возможно, он знал, что Сиена расположена не совсем на той линии, которую мы сейчас называем Тропиком Рака. И что находится она не прямо к югу от Александрии. И что расстояние между обоими городами не равняется в точности пяти тысячам стадий. А так как солнце на небе представляет собой не световую точку, а небольшой диск (примерно в половину градуса шириной), свет от одной стороны диска падает на гномон не совсем под тем же углом, что и свет от другой его стороны, таким образом слегка смазывая тень.

Но если исходить из уровня развития науки и техники во времена Эратосфена, то его эксперимент был проведен блестяще. Полученный им результат в 252 000 стадий в течение нескольких столетий рассматривался как вполне достоверная оценка протяженности земной окружности. В первом веке нашей эры римский автор Плиний называл Эратосфена «великим ученым, особенно славным» в вопросе длины земной окружности, и характеризовал его эксперимент как «дерзкий», рассуждения – как «тонко обоснованные», а полученный результат – как «общепризнанный»16.

Примерно через сто лет после Эратосфена другой греческий ученый попытался на основании разницы между углом, под которым из Александрии была видна яркая звезда Канопус, и углом, под которым она же была видна с Родоса (где, как считалось, эта звезда находится прямо на горизонте), измерить протяженность земной окружности, но его результат оказался ненадежным. Даже целое тысячелетие спустя арабские астрономы не смогли улучшить результат Эратосфена, несмотря на то, что пытались сделать это, измеряя земной горизонт, видимый с вершины горы известной высоты, и высоту звезды над горизонтом из двух различных точек одновременно. Результаты Эратосфена сумели улучшить лишь в наше время, когда стали доступны более точные данные о положении небесных тел.

Эксперимент Эратосфена стал причиной настоящего переворота в географии и астрономии. Во-первых, теперь любой географ мог определить расстояние между любыми двумя точками на земной поверхности известной широты, например между Афинами и Карфагеном или между Карфагеном и дельтой Нила. Эратосфен определил размеры и положение известной ему обитаемой части Земли, а его преемники получили в свое распоряжение измерительную методику для определения космических расстояний – например, расстояний до Луны, Солнца и звезд. Короче говоря, благодаря эксперименту Эратосфена полностью преобразились представления тогдашнего человечества о Земле, ее положении во Вселенной (или, по крайней мере, в Солнечной системе) и о месте человека во всем этом.

Эксперимент Эратосфена не требует каких-либо особых условий и может быть проведен многими различными способами. Именно поэтому он и явился значительным вкладом в человеческую культуру. Его составляющие просты и знакомы каждому: тень, измерительный инструмент и элементарные правила геометрии. Для его проведения необязательно отправляться в Александрию или иметь в своем распоряжении греческие солнечные часы. Даже совсем необязательно дожидаться дня летнего солнцестояния. Сотни школ по всему миру включают эксперимент Эратосфена в свои программы в качестве обязательного. Некоторые при его проведении используют солнечные часы собственного изготовления, другие – флагштоки или башни. В последнее время подобные эксперименты часто проводятся совместно несколькими школами – по электронной почте и с использованием различных картографических интернет-ресурсов. Подобные воспроизведения эксперимента Эратосфена не похожи, скажем, на реконструкции старинных сражений (такие реконструкции часто устраивают любители истории). В ходе такой реконструкции основной целью является историческая достоверность или, по крайней мере, игровое уподобление прототипу. Что касается эксперимента Эратосфена, то учащиеся не копируют и не реконструируют его, они просто проводят его, словно в первый раз, и эксперимент демонстрирует тот же результат снова и снова – с прямотой и ясностью, в которой невозможно усомниться.

Эксперимент Эратосфена является ярчайшей иллюстрацией самих основ процесса экспериментирования в целом. Каким образом ученые могут узнать протяженность земной окружности без непосредственного ее измерения? Оказывается, мы совсем не беспомощны и нам нет нужды ждать, пока кто-нибудь изготовит для нас рулетку в несколько десятков тысяч миль длиной. Умно организованный эксперимент с использованием доступных и, в принципе, весьма элементарных инструментов может заставить даже такую эфемерную и неуловимую вещь, как тень, раскрыть для нас самые сокровенные и неизменные тайны небес. Эксперимент Эратосфена дает нам метод упорядочения того, что, на первый взгляд, представляется хаосом, с помощью простейших инструментов нашего собственного изготовления.

Красота эксперимента Эратосфена проистекает из его невероятной, немыслимой широты. Некоторые эксперименты привносят порядок в хаос с помощью анализа, выделения или расчленения вещей в окружающем нас мире. Рассматриваемый эксперимент ведет нас совершенно в другом направлении. С его помощью измеряются огромные расстояния, отраженные в малом. Он расширяет наше восприятие мира, учит нас по-новому смотреть на очень простые вещи и отвечать на элементарный вопрос: «Что есть тень и как она возникает?»

Благодаря этому эксперименту мы начинаем понимать, что размеры тени, которая лежит у нас под ногами, связаны с шарообразностью Земли, с размерами Солнца и с расстоянием до него, с постоянно изменяющимся положением двух этих небесных тел по отношению друг к другу. В эксперименте Эратосфена громадное расстояние, отделяющее нас от Солнца, циклический ход времени и шарообразность Земли становятся почти физически ощутимыми. Таким образом, он воздействует на качество нашего восприятия и понимания действительности.
Бытует мнение, что физические эксперименты заставляют человека чувствовать себе более ничтожным во Вселенной. Иногда кажется, что естественные науки лишают человека его привилегированного положения в природе, и многие, чтобы как-то восполнить эту воображаемую утрату, заменяют науку магией, начинают фантазировать, что Солнце, планеты и звезды каким-то образом мистически связаны с нашей судьбой. Но эксперимент Эратосфена, на первый взгляд совершенно абстрактный, более эффективно гуманизирует мир, наделяя нас реалистическим чувством того, кем мы являемся и в какой именно Вселенной находимся. В то время как многое в современном мире пытается возвеличить свой масштаб, силу и власть, данный эксперимент заставляет нас по достоинству оценить огромные возможности, заложенные в малом и временном, и осознать то, насколько связаны между собой вещи самого разного масштаба.

Интерлюдия Почему наука прекрасна?

Но в самом ли деле эксперимент Эратосфена можно назвать красивым? Даже если он удовлетворяет всем трем критериям, которые я упомянул во введении, – если он демонстрирует нечто фундаментальное относительно Вселенной, его составные части эффективным образом организованы и он ставит вопросы о Вселенной, а не о самом эксперименте, – все равно могут возникнуть возражения против характеристики «красивый». Я слышал, к примеру, что разговоры о красоте экспериментов бессмысленны, попахивают снобизмом и отвлекают от более важных вещей.

Те, кто говорит, что разговоры о красоте эксперимента бессмысленны, обычно имеют в виду, что красота ассоциируется с такими понятиями, как субъективность, мнение и эмоции, в то время как наука связана с понятиями объективности, факта и рационального разума. Некоторые критики считают, что называть эксперименты «красивыми» означает навязывать естественным наукам (занимающимся описанием природы) характер и цели деятельности искусств и гуманитарных наук (занимающихся изучением и обогащением человеческой жизни и культуры). По их мнению, это один из вариантов того, что философ Бенедетто Кроче называл «интеллектуалистским заблуждением» – необоснованным смешением искусства и идей. Художник и критик Джон Рескин подчеркивает важность подобного различения в своем определении красоты:

...

«Любой материальный объект, который способен вызвать в нас удовольствие благодаря простому созерцанию его внешних качеств без какого-либо прямого и определенного усилия интеллекта, я характеризую как в той или иной степени красивый»17.

Мы не очень склонны напрягать свой интеллект, чтобы оценить красоту чего-то. А так как эксперименты в естественных науках – творения интеллекта, заявляют возражающие, то их нельзя оценивать как красивые.

Те, кто говорят, что разговоры о красоте научных экспериментов отдают снобизмом, подчеркивают, что красота воспринимается интуитивно и непосредственно: только представьте, что вы должны оценить красоту картины Ван Гога или концерта Моцарта по их описанию! Если принять такой подход, то красота научного эксперимента может быть доступна только самому экспериментатору. Роберт Оппенгеймер как-то заметил, что для неспециалиста пытаться понять процесс рождения квантовой механики – который он назвал временем «ужаса и восторга» – все равно что слушать «воспоминания солдат, возвратившихся с военной кампании беспрецедентной сложности и героизма, или путешественников, покоривших Гималаи, или рассказы о тяжелой болезни, или впечатления мистика от его общения с Богом», и добавляет, что «подобные истории на самом деле очень мало говорят нам о том, о чем собирался сообщить нам рассказчик».

Красоты этого мира – а, как утверждают, вокруг нас их огромное количество – доступны только его обитателям. Таким образом, бо́льшая часть дворца красоты закрыта для тех, кто не принадлежит к касте ученых, что противоречит современным демократическим ценностям и попахивает снобизмом.

Третье и наиболее основательное возражение – «аргумент от искушения». Ученые говорят, что их работа состоит в открытии действующих теорий и что, если кого-то начнет по-настоящему заботить проблема создания прекрасных экспериментов, это в лучшем случае может отвлечь от более серьезной работы, а в худшем – станет просто опасным18. Ученые, дескать, начнут насиловать свой интеллект, заставляя его учитывать «красоту», тем самым снижая научную эффективность. Только люди, безразличные к эстетическому, по-настоящему готовы к проведению глубокой и результативной исследовательской работы. А у тех, кто непосредственно не занимается научными исследованиями, могут возникнуть подозрения, что все эти разговоры о красоте в науке суть не только поверхностные сантименты, но, по сути дела, являются скрытой рекламой с целью воздействия на общественное мнение.

Подобная точка зрения имеет веские основания. Образы, которые я обычно встречал в контекстах, посвященных красоте науки, возникли не в научных лабораториях, а в отделах исследовательских институтов, занимающихся связями с общественностью. Однажды я присутствовал на докладе, где последний слайд демонстрировал знаменитую фотографию Земли, восходящей над поверхностью Луны. Образ, безусловно, очень красивый. Однако несмотря на то, что в течение нескольких десятилетий эта фотография прекрасно выполняла свои рекламные функции для НАСА, астрономы никогда не рассматривали ее как источник научной информации.

Все три перечисленных возражения проистекают из полнейшего непонимания сущности красоты. Первое из них путает красоту с декоративностью. Самый простой способ утратить правильное понимание того, что такое красота в науке, – это начать эстетизировать эксперимент, обращая внимание лишь на его внешние проявления. Но подлинная красота эксперимента заключается в том, как он демонстрирует свою идею. Как мы увидим в дальнейшем, красота experimentum crucis Ньютона не имеет никакого отношения к цветам, получаемым с помощью призмы, но заключена в изяществе, с которым этот эксперимент раскрывает структуру света. Красота эксперимента Кавендиша со взвешиванием мира не имеет отношения к внешнему облику его чудовищного инструментария, но воплощена в предельной точности результата. А красота эксперимента Юнга проистекает не из банального узора черных и белых полос, а из того, каким образом он раскрывает сущностные характеристики света.

Второе возражение, подобно первому, упускает из виду, насколько тесно связано наше восприятие (основанное, конечно, на обширной интеллектуальной информации) с нашими чувствами. Мы не tabulae rasae [3] ни в научной лаборатории, ни в художественной галерее. Мы оцениваем красоту живописи, музыки, поэзии не на основе «чистого» восприятия, а восприятия «подготовленного», детерминируемого нашим прошлым интеллектуальным опытом. И мы часто неспособны ощутить красоту простых вещей, восприятие которых не требует от нас «большого напряжения интеллекта» (к примеру, в одном из стихотворений Пабло Неруды «Ода моим носкам» воспевается красота этой скромной части нашего гардероба).

Усилие, необходимое для понимания красоты экспериментов – а для понимания красоты тех десяти экспериментов, что включены в эту книгу, особого усилия и не требуется, – невеликое препятствие. Гораздо большим препятствием может стать склонность рассматривать все вокруг нас исключительно с прагматической точки зрения, как инструменты для достижения неких определенных целей. Возможно, наша способность воспринимать красоту попросту дремлет и ее нужно только разбудить. И как писала Уилла Кэсер, «красоты вокруг нас не так много, чтобы можно было полениться отступить на десяток шагов назад для лучшего ее восприятия»19.

Третье возражение самое сильное и глубокое. Оно восходит к древнему конфликту между искусством и разумом, возникшему задолго до Платона. Это разновидность опасения, что люди гораздо легче и охотнее ловятся на крючок внешней привлекательности, чем на доводы рассудка. По мнению Платона, изложенному в диалоге «Государство», искусства призваны удовлетворять страстям человека, а не служить его разуму, «потакая неразумному началу души», и таким образом вводят нас в заблуждения20.

Блаженный Августин также видел опасность в способности чувств возобладать над разумом, предупреждал о соблазнах, таящихся даже в церковной музыке, и признавался, что его порой «больше трогает пение, чем то, о чем поется, и я каюсь в прегрешении; я заслужил наказания и предпочел бы вовсе не слышать пения»21.

Посыл третьего возражения сродни идее страшного рассказа: бойся волшебной и искусительной силы образов, держись разума и логики. Многие ориентированные на логику философы, таким образом, разводят или даже напрямую противопоставляют истину и красоту. «Вопрос об истинности, – писал логик Готлоб Фреге в одной из своей работ, – уводит нас из сферы художественного восприятия в сферу научных изысканий»22.

Ответ на это, третье, возражение подводит нас к самой сути науки и искусства. Нам потребуется обратиться не к логическим и математическим моделям, а к философским традициям. Эти традиции исходят из более фундаментального понимания истины как раскрытия явления, а не просто точного воспроизведения явления (как часто подчеркивал Хайдеггер, буквальное значение греческого слова άλήθεια («истина») – нескрытое ). В рамках подобных традиций научное исследование по своей сути связано с красотой. Красота – это не какая-то волшебная сила, существующая независимо от процесса раскрытия истины, она сопровождает его, она в каком-то смысле бессознательный побочный продукт науки. Красота – это инструмент достижения нового основания реальности, высвобождения нашего интеллекта, углубления нашей связи с природой. И в таком понимании красота должна быть противопоставлена элегантности, для которой не нужны никакие новые основания реальности23: «Красота характеризует взаимную подгонку между объектом, открывающим новое основание реальности, и нашей готовностью принять то, что открывается»24.

Но соответствует ли подобным требованиям эксперимент Эратосфена?

Этот эксперимент можно рассматривать абстрактно, как версию глобальной локационной системы, этакий GPS III века до н. э., как вариант решения проблемы квантования или просто как интеллектуальное упражнение. Именно так и рассматривали его большинство моих одноклассников на уроках в средней школе, и именно так и представлял нам его наш учитель. Но чтобы воспринимать его таким образом, надо прежде всего удушить собственное воображение с помощью всеподчиняющего желания во что бы то ни стало найти правильный ответ, с помощью традиционной скучнейшей методики преподавания естественных наук и с помощью нашей привычки к фотографиям, сделанным со спутника. Чаще всего мы не обращаем внимания на тени, эти эпифеномены света, или, отметив их краем глаза и мимолетно подумав: «Как мило!», проходим мимо. Однако эксперимент Эратосфена показывает нам, что каждая тень на залитой солнцем земле связана со всеми другими тенями в некое постоянно меняющееся целое. Размышление над экспериментом Эратосфена должно стимулировать, а не угнетать наше воображение и, нарушая привычное восприятие мира, заставлять нас останавливаться и задумываться над тем, какое место во Вселенной мы занимаем. Эксперимент Эратосфена должен вернуть нам способность удивляться тому, как чудесно устроен наш мир.

Если мы относимся к красоте серьезно, то эксперимент Эратосфена воистину прекрасен. Подобно другим объектам прекрасного, он одновременно является объектом эстетического наслаждения и источником новых, глубинных знаний о сущности Вселенной.

Рис. 4. «Падающая башня» в Пизе

Глава 2. Бросая мяч

Легенда о «Падающей башне»

Поверхность Луны, 2 августа 1971 года

Командир корабля Дэвид Р. Скотт: В левой руке у меня перышко, а в правой – молоток. Насколько мне известно, одним из тех, благодаря кому мы оказались сегодня здесь, был джентльмен по имени Галилей, живший давным-давно и сделавший очень важное открытие относительно падения тел в гравитационных полях. И мы решили: вряд ли найдется лучшее место, чтобы подтвердить правильность его открытий, чем Луна.

В объективе камеры руки Скотта, в одной из которых он действительно держит перышко, а в другой – молоток. Затем камера показывает нам всех участников экспедиции «Аполлон-15» – команду, известную под кодовым названием «Сокол».

Скотт: И мы подумали, что лучше всего попытаться повторить его здесь. Перышко у меня в руке, как вы понимаете, соколиное – в честь нашего «Сокола». Я брошу оба предмета в надежде, что они упадут на поверхность Луны одновременно.

Скотт бросает молоток и перо, они падают и примерно через секунду более или менее одновременно опускаются на лунную поверхность.

Скотт : Смотрите-ка! Галилей был совершенно прав25.

* * *

Согласно легенде, эксперимент на Пизанской башне впервые позволил убедительно установить, что предметы разного веса падают с одинаковой скоростью. Таким образом было опровергнуто авторитетное до той поры мнение Аристотеля. Упомянутая легенда связывает это событие с конкретным человеком (итальянским математиком, физиком и астрономом Галилео Галилеем) и конкретным местом («падающая» Пизанская башня), притом считается, что данное событие было однократным. Но насколько правдива эта легенда? Какие еще вопросы с ней связаны?

Галилей (1564–1642) родился в Пизе, в музыкальной семье. Его отец, Винченцо, был известным композитором и лютнистом, склонным к разнообразному экспериментированию. Он проводил опыты с музыкальным интонированием, интервалами, настройкой инструментов, всякий раз подчеркивая преимущество эмпирических данных над авторитетом древних мыслителей. Его сын унаследовал от отца сильную волю и настойчивость. Биограф Галилея Стиллман Дрейк называет две ключевые черты его личности, которые, по мнению Дрейка, стали основой его научного успеха. Во-первых, это был «бойцовский характер» Галилея, благодаря которому ученый не только не боялся каких бы то ни было конфликтов, но даже стремился к ним, чтобы «ниспровергнуть традицию и отстоять свою точку зрения». Во-вторых, личность Галилея как бы балансировала между двумя крайностями темперамента. С одной стороны, «он получал огромное удовольствие от наблюдения за вещами в окружающем мире, отмечал сходства и связи между ними, делал обобщения, не обращая особого внимания на явные исключения и аномалии». С другой же стороны, «его мучили любые необъясненные отклонения от правила, и он даже часто предпочитал полное отсутствие правила такому, которое не работало с идеальной математической точностью».

Обе эти черты характера очень важны в науке, и все ученые в той или иной мере обладают ими обеими, но в большинстве случаев какая-то одна из них преобладает. Особенность темперамента Галилея, по мнению Дрейка, как раз и состояла в том, что обе крайности имели над ним одинаковую власть26. Кроме того, большое значение для успешности научной деятельности Галилея имел литературный талант, которым он, несомненно, обладал и с помощью которого мог убеждать своих читателей и слушателей.

Галилей поступил в Пизанский университет, вероятно, осенью 1580 года с намерением изучать медицину, однако его сразу же увлекла математика. В 1589 году он получил должность преподавателя в университете и начал изучать особенности движения падающих тел. В Пизанском университете он преподавал три года. Эксперимент на Пизанской башне, скорее всего, имел место именно в этот период. В 1592 году Галилей перебрался в Падую, где прожил восемнадцать лет и сделал бо́льшую часть своих важнейших научных открытий, включая и постройку телескопа. С помощью изобретенного им телескопа он первым увидел спутники Юпитера. Именно эти наблюдения стали причиной горячей научной полемики, так как противоречили системе Птолемея (согласно которой Солнце вращается вокруг Земли), а также аристотелевской концепции движения и, напротив, подтверждали основные положения системы Коперника (согласно которой Земля вращается вокруг Солнца).

В Падуе Галилей также прославился своими впечатляющими демонстрациями физических законов. Он читал лекции перед аудиторией в две тысячи слушателей. В 1610 году Галилей переехал во Флоренцию ко двору великого герцога Тосканского. В 1616 году доктрина Коперника была признана еретической, и Галилей получил предупреждение никак ее «не поддерживать и не защищать», однако шестнадцать лет спустя, в 1632-м, опубликовал блестящую работу «Диалог о двух главнейших системах мира, Птолемеевой и Коперниковой», которая, несмотря на то что была одобрена флорентийской цензурой, воспринималась всеми как мощное доказательство правоты Коперника.

В 1633 году по приказанию папы Галилея вызвали в Рим, где он предстал перед церковным трибуналом и был вынужден заявить, что «отрекается и проклинает, возненавидев» свои ошибочные взгляды. Его приговорили к домашнему аресту, и свои последние годы Галилей провел в Арчетри, пригороде Флоренции. Незадолго до смерти Галилея у него появился верный ученик, многообещающий юный математик по имени Винченцо Вивиани, ставший также и усердным секретарем ученого, к тому времени уже совершенно ослепшего. Именно Вивиани Галилей доверял воспоминания и размышления своих последних лет. Вивиани, посвятивший свою жизнь сохранению памяти Галилея, написал первую биографию великого ученого.

Многие знаменитые легенды о жизни Галилея восходят к этой биографии, исполненной глубокого и искреннего чувства уважения к учителю. Одна из них – история о том, как Галилей, еще будучи студентом-медиком в 1581 году, измерял период качаний люстры в баптистерии Пизанского собора по ударам собственного пульса и обнаружил, что они остаются изохронными при затухании колебаний. Современные историки уточняют, что люстру, которая висит в соборе сегодня, повесили там лишь в 1587 году, однако ее предшественница, какой бы она ни была, без всякого сомнения, подчинялась тем же законам физики, что и нынешняя. Самая знаменитая легенда Вивиани повествует о том, как Галилей взобрался на самый верх Пизанской башни и «в присутствии других наставников, философов и всех студентов» с помощью «несколько раз повторенных экспериментов» продемонстрировал, что «скорость тел одинакового состава, но различного веса, движущихся в одной и той же среде, вовсе не прямо пропорциональна их весу, как утверждал Аристотель, а, напротив, одинакова»27.

В своих собственных трудах Галилей выдвигает аргументы разного плана с использованием логики, мысленных экспериментов, аналогий для доказательства того, что два предмета разного веса в вакууме будут падать с одинаковой скоростью. Он не упоминает о Пизанской башне, зато сообщает о проведении «испытания под открытым небом» с пушечным ядром и мушкетной пулей, в ходе которого выяснилось, что, как правило, оба снаряда приземляются практически одновременно. Вивиани в своих воспоминаниях вообще не упоминает об этом эксперименте, зато он единственный, кто рассказывает об эпизоде с Пизанской башней, и это заставляет многих историков науки усомниться, что эксперимент на башне вообще имел место.

На самом деле не столь уж и важно, проводил Галилей эксперимент на Пизанской башне или нет, гораздо важнее его интеллектуальный переход в ходе анализа особенностей движения от аристотелевского к собственному взгляду на мир. Философия природы, которая была разработана Аристотелем и в которую входили его анализ движения и то, что мы называем его физикой, представляла собой довольно логичную, очень продуманную систему, основанную на идее неподвижной Земли, находящейся в центре мироздания, и окружающей ее небесной сферы, в которой предметы ведут себя совершенно иначе, нежели на Земле. Галилей бросил вызов аристотелевской системе, усомнившись сразу в обеих ее важнейших составляющих: в идее неподвижной Земли и в представлении Аристотеля о движении тел на Земле.

Основным принципом аристотелевского представления о Вселенной было то, что небо и Земля – это две абсолютно различные сферы, состоящие из разных субстанций и управляемые разными законами. Движение небесных тел упорядоченное, математически точное и регулярное, в то время как движение земных тел хаотичное и нерегулярное и описывать его можно только качественно, но не количественно. Более того, характер движения тел на Земле определялся их тенденцией отыскать свое «естественное место». Для плотных тел таковым является движение вниз, к центру Земли. Таким образом, Аристотель различал неестественное движение тяжелых объектов вверх, так называемое «насильственное движение», и их «естественное движение», направленное вниз.

Аристотель, наблюдая за движением падающих тел, обнаружил, что их скорость различна в разных средах и зависит от того, являются ли данные среды «тонкими», как воздух, или «плотными», как жидкости. Он заметил, что тела, падая, достигают некой постоянной скорости и что эта скорость прямо пропорциональна их весу. Эти представления вполне согласуются с нашим повседневным опытом. Если мы бросим из окна мячик для гольфа и мячик для тенниса, то мячик для гольфа будет падать быстрее и упадет на землю первым. Если же мы бросим мячик для гольфа в бассейне, ему потребуется больше времени, чтобы достигнуть дна, чем в ходе падения из окна на землю. Стальной же шар в таком соревновании в бассейне опередит его. Ну и конечно, молоток в любом случае приземлится гораздо быстрее перышка.

Аристотель кодифицировал свои выводы в то, что современные философы науки называют научной парадигмой. Она выстраивалась на основе повседневных явлений, которые он пытался объяснить. Например, некий агент (лошадь), приводящий в движение некое тело (телегу) сталкивается с препятствиями (трением и другими видами сопротивления). В подобных обычных обстоятельствах движение почти всегда представляет собой баланс между силой и сопротивлением ей. Таким образом, Аристотель подходил к проблеме падения тел с точки зрения баланса сил: природная сила (естественная тенденция, которая, по его мнению, влекла тела к центру Вселенной) уравновешивалась сопротивлением (различной степенью плотности – мы сказали бы «вязкости» – среды, в которой они движутся). Аристотель также пришел к выводу, что при отсутствии сопротивления среды скорость падающих тел должна быть бесконечной.

Однако в концепции движения Аристотеля не нашлось места для ускорения. Ученые заметили это упущение великого греческого философа задолго до Галилея. Уже в шестом веке нашей эры византийский ученый Иоанн Филопон писал об экспериментах, опровергавших учение Аристотеля:

...

«Ибо, если вы бросите с одинаковой высоты два груза, из которых один во много раз тяжелее другого, вы увидите, что скорость их движения вовсе не пропорциональна их весу и что разница во времени [падения] очень невелика».

Более того, продолжает Филопон, если одно из тел лишь в два раза превосходит по весу другое, «во времени их [падения] вообще не будет никакой разницы или же она будет неуловимой»28.

В 1586 году, незадолго до того, как Галилей отправился в Падую, его современник фламандский математик Симон Стевин описал эксперименты, опровергавшие систему Аристотеля. Стевин бросал два свинцовых шара, один из которых был в десять раз тяжелее второго, с высоты в тридцать футов на дощатую поверхность, и в момент, когда шар приземлялся, был слышен звук удара. «И выяснилось, – писал Стевин, – что более легкий [шар] летел не в десять раз дольше, чем более тяжелый, а что они оба упали совершенно в одно время, так что оба звука от их падения слились в один удар»29. Короче говоря, Аристотель ошибался.

Во времена Галилея несколько итальянских ученых шестнадцатого столетия также описывали эксперименты с падающими телами, результаты которых противоречили положениям аристотелевской теории. Среди них был профессор Пизанского университета (преподававший в нем, когда там учился Галилей) по имени Джироламо Борро. Он писал, что несколько раз «подбрасывал» – Борро употребляет весьма двусмысленный глагол – тела одинакового веса, но разного размера и плотности и всякий раз, к своему изумлению, обнаруживал, что более плотные из них падали медленнее других30.

Подобно исследованиям всех великих ученых, чьи научные интересы отличались чрезвычайной широтой, исследования Аристотеля, конечно, не были свободны от ошибок и заблуждений. Но до Галилея большинство европейских мыслителей не рассматривали эти недостатки как нечто серьезное. Принципиальным достижением Галилея стала демонстрация того, что аристотелевская теория движения должна рассматриваться в контексте научной картины мира, включающей далеко не только проблему падения тел. И что теория движения, которая могла бы адекватно объяснить поведение падающих тел, должна включать понятие ускорения, а это, в свою очередь, требует создания принципиально иной картины мира.

Аристотелю было известно, что при падении тела набирают скорость (ускоряются), но он полагал, что для свободного падения это неважно. Он рассматривал ускорение как случайную и незначимую характеристику движения, которая имеет место между моментом начала движения тела и тем мгновением, когда оно достигает своей «естественной» скорости. Поначалу Галилей также разделял эту точку зрения. Однако со временем он пришел не только к пониманию важности феномена ускорения, но и к выводу, что ускорение нельзя просто «добавить» в систему Аристотеля. Если аристотелевская теория падения тел неверна, то ее невозможно «слегка подправить», ее необходимо полностью заменить другой теорией.

Галилей далеко не сразу пришел к такому заключению. Начинал он с предположения (считавшегося тогда вполне естественным), что Аристотель был во всем прав. И отдельные свидетельства обратного не могли заставить его сразу изменить свою точку зрения. К революционному пересмотру своих взглядов он пришел в результате целого ряда научных изысканий: как астрономических, так и вполне «наземных», включавших изучение движения маятника и падающих тел.

В своих ранних рассуждениях о поведении падающих тел – в не опубликованной при жизни рукописи «О движении» (написанной, вероятно, в первые годы работы в Пизанском университете) – Галилей придерживается точки зрения Аристотеля: тела падают со скоростью, зависящей от их плотности; это одно из наиболее «общих правил, руководящих соотношением скоростей [естественного] движения тел». Шар из золота должен падать со скоростью в два раза большей, чем шар такой же величины, сделанный из серебра, так как плотность первого почти в два раза превышает плотность второго. Очевидно, Галилей попытался проверить данное утверждение экспериментально, но, к своему удивлению и разочарованию, увидел, что правило не работает. Он пишет:

...

«Если взять два разных тела с такими характеристиками, что первое должно падать в два раза быстрее второго, и если потом бросить их с башни, первое из них не достигнет земли заметно быстрее и, уж конечно, не в два раза быстрее»31.

Из данного отрывка историки науки заключают, что даже на заре своей научной карьеры Галилей любые теоретические положения проверял на практике. Однако в том же сочинении Галилей делает странное замечание, что более легкое тело вначале опережает более тяжелое, но затем более тяжелое тело вновь нагоняет более легкое. Это замечание заставило некоторых исследователей серьезно усомниться либо в логической последовательности Галилея, либо в его экспериментаторских способностях.

Тем не менее через несколько лет Галилей изменил свою точку зрения на проблему падения тел и полностью отказался от принципов Аристотеля. Исследовательский процесс, который привел его к этому, был достаточно сложен и включал много различных экспериментов и теоретических размышлений, которые касались отнюдь не только движения земных тел. Многое в цепи его рассуждений было восстановлено исследователями научного творчества Галилея в ходе тщательного постраничного анализа его записных книжек. В своих книгах «Диалог о двух главнейших системах мира, Птолемеевой и Коперниковой» (1632) и «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых областей науки» (1638) Галилей предлагает серию аргументов относительно поведения падающих тел. Они представлены не очень привычным для нас способом: каждая книга состоит из длинных бесед, продолжающихся в течение нескольких дней между тремя собеседниками: Сальвиати, выражающим мысли самого Галилея; Симпличио (его имя означает «Простоватый»), который представляет аристотелевскую позицию и, возможно, ранние взгляды самого Галилея; и Сагредо, человека образованного и к тому же наделенного здравым смыслом.

Подобная литературная форма давала Галилею возможность обсуждать некоторые рискованные в политическом и богословском плане темы (в особенности систему Коперника), не высказывая прямо и открыто собственную точку зрения. Если Сальвиати и случалось выразить то или иное не слишком благочестивое мнение, Галилей всегда мог заявить, что это мнение вымышленного персонажа, взгляды которого автор не разделяет. Избранный жанр также позволял ему испробовать различные варианты представления своих аргументов. Аргументы Сальвиати не обязательно демонстрируют нам реальный процесс размышлений Галилея, а лишь обосновывают выводы, к которым пришел ученый.

В обеих книгах Сальвиати и Сагредо обсуждают несколько экспериментов, которые, по их словам, они проводили с телами разного веса и состава. В «Беседах и математических доказательствах», в ходе первого разговора в День первый, Сальвиати подвергает сомнению заявление Аристотеля о том, что тот якобы на опыте проверил факт, что тяжелые тела падают быстрее легких. Сагредо отвечает ему:

...

«Но я, не производивший никаких опытов, уверяю вас, что пушечное ядро весом в сто, двести и более фунтов не опередит и на одну пядь мушкетную пулю весом меньше полфунта при падении на землю с высоты двухсот локтей…»

А Сальвиати добавляет:

...

«Да и без дальнейших опытов путем краткого, но убедительного рассуждения мы можем ясно показать неправильность утверждения, будто тела более тяжелые движутся быстрее, нежели более легкие, подразумевая тела из одного и того же вещества».

И далее он приходит к заключению: «Думаю, что если бы совершенно устранить сопротивление среды, то все тела падали бы с одинаковой скоростью». Позднее, в день четвертый, Сальвиати замечает:

...

«Опыт показывает нам, что два шарика одинаковой величины, из коих один весит в десять или в двенадцать раз более другого (а такое отношение веса существует, например, у шариков из свинца и дуба), достигают земли при падении с высоты от 150 до 200 локтей с самой незначительной разницей в скорости; это показывает нам, что сопротивление воздуха и замедление движения обоих тел очень мало»32.

Сальвиати, конечно же, выдуманный персонаж, но он, вне всякого сомнения, высказывает взгляды самого Галилея. Его слова о том, что он собственноручно провел данный эксперимент, для многих историков служат свидетельством того, что Галилей и в самом деле сбрасывал предметы различного веса для проверки аристотелевской теории движения. Скорее всего, он проводил подобные эксперименты на башнях – не исключено, что и на Пизанской башне тоже, – и, к огромному разочарованию его коллег, державшихся аристотелевских представлений, результаты исследований Галилея ставили под сомнение не только теорию движения Аристотеля, но и всю его систему в целом.

Нельзя отрицать, что некоторые предшественники Галилея тоже указывали на отдельные недостатки аристотелевской теории движения, однако Галилей пошел значительно дальше, разработав альтернативную теорию и к тому же добавив к ней эмпирическое доказательство. Бросал ли Галилей на самом деле ядра и пули с Пизанской башни, не так уж и важно. Главное, что он стал тем, кто впервые разработал альтернативу аристотелевской теории падения тел.

Вивиани был хорошим учеником и достойно отплатил за свою науку. Se non è vero, è ben trovato [4] , гласит итальянская поговорка, так что мы с полным правом можем рассуждать об эксперименте Галилея на Пизанской башне.

Но почему все-таки этот эксперимент так прочно вошел в научный фольклор, стал символом поворотного момента в истории науки Нового времени?

Одна из причин заключается в яркости описания, данного Вивиани, – описания короткого, но захватывающего. В целом Вивиани, внимательный и точный историк, прекрасно понимал, что пишет для особой аудитории: ученых-филологов, священнослужителей, политиков и представителей других интеллектуальных профессий, не связанных с естественными науками, которых будет интересовать не столько математический аппарат исследования и его технические детали, сколько увлекательные подробности. «Вивиани даже в голову не могло прийти, – пишет историк науки Майкл Сегре, – что его сочинение спустя много лет попадет в руки недоверчивого историка науки»33.

Вторая причина заключается в довольно распространенной особенности, характерной для популярной и даже серьезной исторической литературы: какой-то один эпизод становится символическим обобщением целого ряда важных событий. В картине перехода от Аристотелевой к современной картине мира «эксперимент на Пизанской башне» идеально исполняет такую роль, хотя оборотной стороной этого становится некоторое тушевание всего контекста событий: создается ложное впечатление, что один лишь этот эксперимент явился причиной пересмотра Галилеем теории движения и что именно проблема движения была главной в конфликте двух систем мироздания.

И, наконец, последняя причина: мы любим истории про Давида и Голиафа, в которых некий носитель власти и авторитета обличается, унижается и лишается величия благодаря какому-нибудь ловкому приему. В каком-то смысле подобные истории повышают нашу значимость в собственных глазах.

* * *

Эксперимент, подобно многим другим явлениям окружающего мира, имеет свою биографию: зарождение и появление на свет (первое проведение), «взросление» и дальнейшее развитие. Подобно эксперименту Эратосфена с измерением окружности Земли, эксперимент Галилея со свободно падающими телами был проведен в определенное время и в определенном месте, но, с другой стороны, он стал неким шаблоном, по которому можно было проделывать различные опыты с разными телами и с различной мерой точности. Со временем эксперимент Галилея породил целый специфический жанр экспериментов и демонстраций – потомков эксперимента на Пизанской башне.

К примеру, десятилетие спустя после смерти Галилея был изобретен вакуумный воздушный насос, с помощью которого можно удалить воздух из некоего замкнутого пространства и тем самым создать вакуум (неидеальный), что позволило англичанину Роберту Бойлю и голландцу Виллему Якобу Гравезанду проверить утверждение Галилея, что тела разного веса в вакууме упадут одновременно.

Демонстрации падения тел в вакууме с познавательной и развлекательной целью продолжали пользоваться популярностью и в XVIII столетии, когда новая физика, к созданию которой приложил руку Галилей, полностью вытеснила физику Аристотеля. К примеру, британский король Георг III пожелал, чтобы для него была устроена специальная демонстрация с падением перышка и золотой монеты внутри трубки, из которой предварительно был выкачан воздух. Один из свидетелей вспоминает:

...

«Мистер Миллер… рассказывал, что его попросили объяснить эксперимент с гинеей и пером в трубке насоса Георгу III. В ходе проведения эксперимента молодой оптик достал перо, а король предоставил гинею. В завершение король похвалил молодого человека за его мастерство экспериментатора, но гинею, со свойственной ему скаредностью, положил к себе обратно в жилетный карман»34.

Даже в ХХ веке некоторые ученые продолжали экспериментировать со свободно падающими телами с целью измерения точного времени падения при экспериментальной проверке уравнений для тел, движущихся с ускорением при сопротивлении среды. Один подобный эксперимент имел место совсем недавно, в 1960-е годы, на метеорологической башне Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, и проводил его физик-теоретик Джеральд Фейнберг. Он писал:

...

«Основная причина обращения к вопросу, который представляется давно решенным, состоит в том, что результаты теоретических разработок вступают в противоречие с данными интуиции, по крайней мере интуиции тех, кто был воспитан на законах Галилея. Уравнения, используемые в течение столетий, все еще требуют определенных уточнений»35.

Эксперимент на Пизанской башне продолжает нас удивлять и поныне.

* * *

Опыт Галилея отвечает на вполне фундаментальный вопрос: как различные тела – от пушечного ядра до перышка – ведут себя под воздействием силы, которая так или иначе влияет на всех нас. Организация этого эксперимента предельно проста, для его проведения не нужно ни сложного оборудования, ни даже простых часов. И он не оставляет никаких вопросов, в результате мы переживаем тот особый вид удовольствия, который можно было бы назвать «ожидаемым удивлением». Хотя разумом мы понимаем истинность галилеевского представления о мире, интуитивно мы живем в аристотелевском мире. Если бы мы были обитателями Луны, где нет сопротивления воздуха, поведение тел, падающих в вакууме, было бы нам знакомо, ничего нового данный эксперимент нам бы не открыл. Однако повседневный опыт подталкивает нас к предположению, что предметы будут вести себя в соответствии с аристотелевской теорией, и часто мы не обманываемся в своих интуитивных ожиданиях. Тяжелые предметы гораздо сильнее, чем легкие, оттягивают наши руки вниз, по направлению к центру Земли, и мы делаем совершенно логичный вывод: они и падать должны гораздо быстрее, как если бы стремились «вернуться на землю».

Именно по этой причине нам до сих пор доставляет удовольствие зрелище разрушения привычной для нас «бытовой» картины мира – зрелище, которое повышает в наших собственных глазах значимость нашего рационального мышления и информации, полученной с его помощью. Это удовольствие напоминает игру Fort! Da! , описанную Фрейдом: ребенок прячет какой-то предмет, а затем снова его демонстрирует. Ребенку доставляет огромную радость сам факт все новой демонстрации предмета, несмотря на то, что он прекрасно знает, что предмет никуда не исчезал, а все время был где-то рядом.

До недавнего времени с экспериментами Галилея с падающими телами было связано несколько загадок. Одна из них восходит к его странному наблюдению, приведенному в трактате «О движении», что менее плотное тело при падении вначале опережает более плотное тело, которое затем нагоняет его. В 1980-е годы историк науки Томас Сеттл повторил эксперименты Галилея с участием психолога и, к своему изумлению, обнаружил то же, на что в свое время обратил внимание Галилей. Дальнейшие исследования пролили свет на эту загадку: от удерживания более тяжелого предмета рука больше устает, что заставляет экспериментатора отпускать предмет медленнее, хотя сам он убежден, что бросает оба предмета одновременно36.

Еще одна недавно раскрытая загадка касается описания Вивиани и того, почему, если эксперимент на Пизанской башне действительно имел место, Галилей ни разу не упомянул о нем в своих собственных сочинениях. В 70-е годы ХХ столетия историк науки Стиллман Дрейк, изучавший наследие Галилея, внимательно проанализировал переписку ученого за 1641–1642 годы. Галилей, к тому времени уже практически слепой и находившийся под домашним арестом, просил Вивиани читать ему вслух приходившие письма и диктовал ответы. В начале 1641 года Галилей получил несколько писем от своего старого друга и коллеги Винченцо Реньери, который незадолго до того стал профессором математики в Пизанском университете, заняв ту кафедру, во главе которой когда-то стоял сам Галилей.

В одном из писем Реньери упомянул о своем эксперименте, в ходе которого он сбросил два шара – один деревянный, другой свинцовый – с «верха соборной звонницы», каковой и является знаменитая «Падающая башня». Ответ Галилея не дошел до нас, однако из следующего письма Реньери становится ясно, что Галилей в этом ответе сослался на собственное описание подобных экспериментов в «Беседах и математических доказательствах» и предложил Реньери повторить эксперимент с телами разного веса, но сделанными из одного и того же материала, чтобы выяснить, не влияет ли выбор материала на результат (как оказалось, не влияет). Письмо Реньери оживило воспоминания Галилея о его собственных экспериментах в Пизе с падающими телами из одинакового материала, которые он, вероятно, описывал Реньери или, по меньшей мере, Вивиани. Если это действительно так, то становится ясным, откуда Вивиани была известна история, которую сам Галилей мог давно забыть, и почему Вивиани в своем сочинении совершенно определенно сообщает, что Галилей пользовался шарами из одного и того же материала.

Конечно, труд Вивиани не свободен от неточностей; обычно это незначительные ошибки в хронологии, в оценке значимости и в отдельных мелких деталях. С другой стороны, почему Галилей должен был обязательно упоминать в своих сочинениях Пизанскую башню? Он упоминает о «высоких строениях», и тот факт, что одним из таких высоких строений была Пизанская башня – весьма второстепенная особенность эксперимента, никак не влияющая на достоверность и ценность его результатов. После анализа всех имевшихся в нашем распоряжении материалов Дрейк пришел к выводу, что в письме к Реньери Галилей, возможно, описал эксперимент с падающими телами, который он провел именно на Пизанской башне, и данное описание и стало источником знаменитой истории в книге Вивиани37.

Еще одного известного историка науки Бернарда Коэна утомили бесконечные вопросы: «бросал ли Галилей шары с Пизанской башни»» и «что будет, если их оттуда все же сбросить?» на которые ему приходилось постоянно отвечать: «Не знаю». Во время Международного конгресса по истории науки 1956 года, заседания которого проходили в разных городах Италии, включая Пизу, Коэн пришел к Пизанской башне, попросил коллег и студентов удалить всех прохожих от ее подножия и поднялся по скользким ступеням накренившейся лестницы на самый верх. Оказавшись там, он вытянул руки над парапетом южной стороны башни и – не без усилия – сбросил оттуда два шара разного веса. Они ударились о землю практически одновременно – бум - бум ! – на глазах у завороженных зрителей. Завороженных не тем, что они увидели нечто неожиданное, а совсем наоборот – они стали свидетелями исторического события: прославленный эксперимент Галилея был проведен у них на глазах.

И, возможно, вообще впервые.

Интерлюдия Эксперименты и демонстрации

«Мишель воспроизводит эксперимент Галилея на Пизанской башне» – так называется эта экспозиция в Бостонском музее науки. Мишель – это девочка-афроамериканка лет двенадцати в комбинезоне. Она взгромоздила на стол два ящика, затем сама взобралась туда и теперь держит в левой руке ярко-красный бейсбольный мяч, а в правой – ярко-желтый мяч для гольфа. Она уже, по всей видимости, собиралась бросить их, как вдруг вошла ее мать и в мгновение, запечатленное в скульптуре, с явным неодобрением смотрит на дочь. Как сообщает табличка у нее над головой, мать Мишель думает: «Господи, что тут такое происходит?!» Мысли Мишель совсем иные: «Интересно, какой из них упадет первым?»

«Как движутся падающие тела? – продолжает табличка. – Упадет ли бейсбольный мяч раньше, чем мяч для гольфа? Мишель, как Галилей за 400 лет до нее, решила сама это выяснить… „Я сам это проверю“ – так говорим мы всякий раз, когда не хотим просто принять чьи-то слова на веру».

Эта экспозиция демонстрирует концептуальную простоту легендарного эксперимента Галилея на Пизанской башне; но она также является свидетельством некоторого упрощения данной легенды и, наконец, иллюстрирует определенное различие между экспериментом и демонстрацией.

Мишель проводит эксперимент – некую последовательность действий, которые впервые откроют ей какую-то истину. Мы задумываемся о необходимости проведения подобной процедуры, когда отыскание ответа на определенный вопрос становится для нас принципиально важным, а отыскать его путем теоретических построений не удается. Для получения ответа нам необходимо спланировать эксперимент, осуществить его, тщательно пронаблюдать и интерпретировать результаты. Мы не можем знать заранее, каковы будут эти результаты. Подобная неуверенность заставляет нас с чрезвычайной тщательностью готовить все аспекты процедуры.

Получение некоего результата в ходе эксперимента не похоже на получение правильного ответа на вопрос в тесте множественного выбора, поскольку в эксперименте важен любой результат, даже если он не оправдывает наши ожидания и оставляет нас в еще большем недоумении. Но его следствием все равно становится определенная научная трансформация. Здесь заключено одно из основных отличий между шахматами и математикой, на которые обращал внимание Харди. Играя в шахматы, мы не меняем правила игры, однако отыскание математического доказательства – или результат научного эксперимента – изменяет науку, добавляя к ней некое новое знание. Благодаря этому наши исследования не заканчиваются экспериментом, а лишь получают новый поворот и еще более углубляются.

По какой-то причине Мишель заинтересовалась проблемой падения тел. Мы не знаем, почему. Возможно, она что-то прочитала о Галилее и это удивило ее. Она достаточно серьезно подходит к проведению своего эксперимента. Совершенно очевидно также и то, что, какими бы ни были результаты ее эксперимента, он не станет завершением ее изысканий, так как поставит перед ней новые вопросы.

Повторение эксперимента без изменений превращает его в демонстрацию. В первом проведении экспериментатор и зритель – это один и тот же человек, эксперимент проводится ради того, чтобы прояснить нечто важное для самого экспериментатора и, возможно, его коллег. Демонстрация же – стандартизованная процедура, в которой демонстратор и аудитория не одно и то же. Если Галилей на самом деле сбрасывал шары различного веса с крыши Пизанской башни, вполне возможно, что он делал это в качестве демонстрации: не столько чтобы прояснить нечто для себя самого, сколько чтобы убедить других.

Сегодняшние ключевые эксперименты завтра превратятся в предмет обычных демонстраций. Демонстрация есть воспроизведение эксперимента с некой внешней целью, и в зависимости от цели – повышение мотивации учащихся, стремление убедить инвестора или произвести впечатление на журналистов – демонстрация организуется по-разному. Граница между экспериментом и демонстрацией не всегда четкая, так как нередко ученый уже в ходе планирования и подготовки эксперимента начинает понимать, каков должен быть его результат, и предприимчивый экспериментатор включает уже в первый эксперимент элемент демонстрации. С другой стороны, не все демонстрации проходят так, как первоначально планировалось. Иногда их ход нарушают вполне обыденные обстоятельства, но порой в них проявляется некий новый фактор, о котором ранее ничего не было известно.

Мы обычно сталкиваемся с демонстрациями во время посещения музея науки. К примеру, в Бостонском музее науки проводится демонстрация эксперимента с падением тел. Рядом стоят два плексигласовых цилиндра, в каждом из них механические клешни захватывают находящиеся на дне предметы разного веса, поднимают их наверх и одновременно бросают. Траектория и скорость падающих объектов отслеживаются с помощью электроники. К радости кураторов музея и некоторому неудовольствию уборщиков, у этой экспозиции всегда полно детей (в демонстрационный аппарат можно засовывать и собственные предметы).

В «Эксплораториуме» в Сан-Франциско можно наблюдать несколько иную демонстрацию. Там имеется отдельно стоящий четырехфутовый цилиндр из плексигласа, насаженный на специальную ось таким образом, что он может переворачиваться и вращаться. Внутри цилиндра находятся два предмета: перышко и какая-нибудь игрушка, например плюшевый мишка. Цилиндр присоединен к вакуумному насосу, который посетитель музея может собственноручно включать и выключать. Цилиндр начинает вращаться – и оба объекта оказываются на специальной полочке, когда же цилиндр полностью переворачивается, они с нее падают. Если в цилиндр впустить воздух, перышко начинает отставать в своем полете, ему потребуется несколько дополнительных секунд, чтобы приземлиться. Но когда из цилиндра полностью выкачан воздух, оба предмета приземляются одновременно. Демонстрация пользуется огромной популярностью, у стенда неизбежно собирается толпа детей.

Однако у демонстраций есть один недостаток: они несколько размывают представление о сложностях, связанных с планированием, проведением и пониманием экспериментов, создавая определенную дистанцию между зрителем и феноменом, которая в ходе настоящего эксперимента отсутствует. Кроме того, демонстрации частенько до крайности упрощают экспериментальный процесс, используя оборудование, специально спроектированное для получения «правильного» ответа.

Демонстрации и описания экспериментов, которые приводятся в учебниках, способны исказить представление о процессе научных исследований, создав у зрителя и читателя впечатление, что научный эксперимент – это всего лишь иллюстрация к заранее проработанной концепции. Поэтому демонстрация способна уничтожить то, что я именую красотой науки. Если научный эксперимент открывает какую-то совсем незначительную истину, писал историк науки Фредерик Холмс, эта истина извлекается из «матрицы сложности» и неизбежно направляет экспериментатора к неким новым измерениям сложности38. Это в полной мере относится и к эксперименту на Пизанской башне. Ученым потребовалось довольно много времени, чтобы уяснить важность экспериментов с падением тел, которые, в конечном итоге, сделали науку не проще, а, напротив, еще более сложной.

Когда астронавты «Аполлона-15» бросали перышко и молоток на поверхность Луны, это, конечно же, было демонстрацией. Для научного эксперимента (если не брать в расчет наиболее грубые его разновидности) процедура была проведена чрезвычайно небрежно. Никто не измерил высоту, с которой предметы были сброшены. Никого не заботило то, что руки Скотта не были вытянуты параллельно поверхности планеты. Ничего не было сделано, чтобы гарантировать одновременное начало падения предметов, да и в момент их прилунения также не осуществлялось никаких измерений. Слова командира корабля («одним из тех, благодаря кому мы оказались сегодня здесь, был джентльмен по имени Галилей…») подтверждают, что ученым давно и в деталях известны сила притяжения Луны и законы поведения тел под действием ускорения (если бы они этого не знали, с их стороны было бы крайне безрассудно запускать на Луну космический корабль с людьми на борту).

Между прочим, демонстрация с перышком и молотком едва не закончилась полным провалом, даже не начавшись. За несколько мгновений до начала демонстрации командир корабля Дэвид Скотт с ужасом обнаружил, что под действием статического электричества перышко прилипло к перчатке его скафандра. Однако стоило включить камеру, как перышко чудесным образом отлипло, и демонстрация прошла удачно. Экзотическое место проведения, показ в прямом эфире по телевидению, а впоследствии и размещение видеоклипа на сайте НАСА сделали «эксперимент», проведенный командой «Аполлона-15», без сомнения, самой популярной научной демонстрацией в истории.

Рис. 5. Наклонная плоскость с желобом, экспонат Музея истории науки во Флоренции. Этот инструмент был изготовлен в конце XVIII века и предназначался для демонстраций во время лекций. Маятник в задней части плоскости снабжен колокольчиком, который звенит при каждом качании, отмечая, таким образом, равные промежутки времени. Вдоль наклонной плоскости также устанавливаются колокольчики, которые звенят всякий раз, когда мимо них прокатывается шар. Эти колокольчики можно передвигать вдоль желоба, и демонстратор путем подбора размещает их таким образом, чтобы катящийся по желобу шар задевал их одновременно с качаниями маятника. Измерив затем расстояния от начала желоба до первого колокольчика, а также между колокольчиками, демонстратор и его зрители обнаружат, что названные расстояния относятся друг к другу как последовательность нечетных чисел, начиная с единицы – то есть, что длины соответствующих отрезков пути по наклонной плоскости от начала движения прямо пропорциональны квадратам времени движения. Данное приспособление позволяет хорошо продемонстрировать справедливость закона Галилея, однако не существует никаких свидетельств того, что установка Галилея была именно такой

Глава 3. Альфа-эксперимент

Галилей и наклонная плоскость

Преподаватели естественных наук называют его альфа-экспериментом или первичным экспериментом. Часто именно он оказывается самым первым экспериментом, который ставят в средней школе на уроках физики. Во многих отношениях он был и первым современным научным экспериментом – то есть таким, в ходе которого исследователь систематически планировал, организовывал и соблюдал некую последовательность действий с тем, чтобы наблюдать результат и в конце концов прийти к открытию нового закона.

Благодаря этому эксперименту, который Галилей успешно провел в 1604 году, в науку вошло понятие ускорения – меры изменения скорости относительно времени. Если эксперимент на Пизанской башне стал частью изучения Галилеем феномена свободного падения тел (и это изучение доказало, что тела разного веса в случае, если сопротивление их движению незначительно, упадут на землю одновременно), то эксперимент с наклонной плоскостью стал результатом анализа Галилеем математического закона, на котором основан феномен свободного падения. Этот эксперимент также окружает определенная тайна, так как на том оборудовании, которым располагал Галилей, он просто не мог достичь той точности, о которой заявлял. Но так же, как и в случае с экспериментом на Пизанской башне, недавние изыскания историков науки обнаружили новые удивительные факты, которые в определенной степени изменили наше представление о Галилее как об экспериментаторе.

Что происходит, когда некое тело начинает свободное падение? Набирает ли оно скорость постепенно? Или же сразу достигает своей «естественной» основной скорости? Или оно каким-то другим образом переходит к основной скорости? Если перечисленные вопросы нас заинтересовали, можно было бы попробовать уронить монетку или мячик, однако подобные тела падают слишком быстро и подробно проследить за их падением сложно. Можно ли организовать более строгий и более научный эксперимент с этой целью?

Аристотель, как уже говорилось в предыдущей главе, исследовал движение тел и пришел к выводу – очевидно, на основании наблюдений над тем, как тела падают в воде, – что скорость такого тела неизменна, пропорциональна его весу и – при отсутствии сопротивления среды – движение должно продолжаться бесконечно.

Однако Галилей придерживался мнения, что изучение движения тел в жидкостях не столько помогает решить этот вопрос, сколько еще больше затемняет его. Так же как и у Аристотеля, непосредственное измерение траектории падающих тел вызывало у него затруднения, так как человеческое зрение не обладает достаточной быстротой для этого, а существовавшие на тот момент средства измерения времени неспособны были измерять короткие промежутки времени с необходимой точностью. Вместо того чтобы замедлять падение тел при помощи сгущения среды, через которую они проходят, Галилей попытался несколько снизить воздействие на них силы тяжести, не бросая шары, а скатывая их по наклонным плоскостям. С помощью такого подхода, по его мнению, можно было отыскать способ аппроксимации свободного падения тел. Если наклонная плоскость более пологая, шар будет скатываться медленно, если же сделать ее более крутой, шар покатится быстрее. Чем круче наклон, тем больше характер качения шара будет приближаться к свободному падению. Измеряя скорость, с которой тела скатываются по наклонной плоскости, и то, как данная скорость меняется в зависимости от увеличения угла наклона, Галилей надеялся решить проблему свободного падения тел (рис. 6).
К 1602 году Галилей изготовил несколько наклонных плоскостей с вырезанными в них прямыми желобами. С помощью этих приспособлений он попытался измерить скорость качения шаров, однако однозначных результатов получить ему не удалось. Он попытался экспериментировать с маятниками, что внесло некоторую ясность, так как движение по дуге вертикальной окружности соотносимо с движением по наклонной плоскости, хотя желаемых результатов этот метод тоже не дал. Правда, Галилей начал понимать роль ускорения – того, что тело начинает падение медленно, а затем постепенно набирает скорость. Со временем ученый пришел к решению о необходимости найти математический способ описания ускорения.

Рис. 6. Чем круче наклон плоскости, тем больше движение шара приближается к свободному падению

Как свидетельствуют рукописи и письма Галилея, к 1604 году, в результате длительных исследований движения тел по наклонным плоскостям, он наконец открыл закон ускорения: расстояние, пройденное телом, зависит от квадрата времени, в течение которого оно набирает скорость. Если время отмеряется последовательными равными промежутками (1, 2, 3…), это значит, что расстояние, пройденное телом в каждый такой промежуток, увеличивается в соответствии с прогрессией нечетных чисел (1, 3, 5…). В настоящее время приведенная зависимость известна под названием закона Галилея, или закона прямолинейного равноускоренного движения: S ∝ Т2 – расстояние, которое проходит тело, перемещающееся с равным ускорением, от начальной точки движения, прямо пропорционально квадрату временного интервала, отсчитываемого от начала движения (современная формула имеет вид: d = at2/2, то есть расстояние, пройденное телом, равно половине ускорения, помноженной на квадрат величины времени движения).

Галилей также обнаружил, что данный закон справедлив независимо от угла наклона, из чего он заключил, что закон, характеризующий ускорение тел, спускающихся по наклонной плоскости, справедлив не только для тел, находящихся в состоянии свободного падения, но для любого тела, движущегося с ускорением, независимо от направления движения, вверх или вниз. (Галилей не обратил внимания на то, что движение катящегося шара немного отличается от движения скользящего тела. Хотя движение в обоих случаях будет равноускоренным, величина ускорения окажется различной, так как некоторая часть энергии в первом случае уходит на раскручивание шара.)

Это было чрезвычайно важное открытие. Во-первых, благодаря Галилею изменилось само представление о естественно-ускоренном движении. Раньше все (в том числе и сам Галилей) предполагали, что скорость при этом испытывает равные приращения на равных отрезках пути, но со временем Галилей нашел доказательство принципиальной невозможности такого движения. Равное ускорение предполагает равные приращения скорости через равные промежутки времени. Сейчас нам кажется, что по-другому и быть не может, но во времена Галилея немногие понимали саму разницу между пространственной и временной зависимостью скорости. Во-вторых, Галилею удалось убедительно продемонстрировать, что не существует принципиальной разницы между «насильственным движением» тяжелых тел, направленным вверх, и их «естественным движением», направленным вниз. В обоих случаях тела движутся с ускорением, следовательно, их движение должно описываться одним и тем же математическим законом. В сочетании с другими открытиями Галилея это стало еще одним свидетельством того, что аристотелевскую систему нельзя просто «подправить», ее нужно было полностью заменить.
Галилей дал краткое доказательство закона в работе «Диалог о двух главнейших системах мира, Птолемеевой и Коперниковой» (1632). Однако это не убедило многих его современников. Отвечая на критику, Галилей представил более развернутое обсуждение своего закона свободного падения в новой книге «Беседы и математические доказательства». В главе «День третий», услышав, как Сальвиати (герой, выражающий взгляды самого Галилея) упоминает о законе Галилея, Симпличио, сторонник аристотелевской системы, возражает:
...

«Но действительно ли таково ускорение, которым природа пользуется при движении тяжелых падающих тел, остается для меня сомнительным; поэтому для поучения меня и других, мне подобных, не мешало бы теперь привести несколько опытов, из числа многих проделанных, которые показали бы, что различные случая падения тел совпадают со сделанными заключениями».

Сальвиати находит такое предложение вполне разумным. Заметив в ответ, что он на самом деле проводил упомянутые эксперименты и что они подтверждают его формулировку закона, он затем описывает Симпличио оборудование и ход эксперимента:

...

«Вдоль узкой стороны линейки или, лучше сказать, деревянной доски, длиною около двенадцати локтей, шириною пол-локтя и толщиною около трех дюймов, был прорезан канал шириною немного больше одного дюйма. Канал этот был прорезан совершенно прямым и, чтобы сделать его достаточно гладким и скользким, оклеен внутри возможно ровным и полированным пергаментом; по этому каналу мы заставляли падать гладкий шарик из твердейшей бронзы совершенно правильной формы. Установив изготовленную таким образом доску, мы поднимали конец ее над горизонтальной плоскостью когда на один, когда на два локтя и заставляли скользить шарик по каналу (описанному выше), отмечая способом, о котором речь будет идти ниже, время, необходимое для пробега всего пути; повторяя много раз один и тот же опыт, чтобы точно определить время, мы не находили никакой разницы даже на одну десятую времени биения пульса».

Сальвиати говорит Симпличио, что он, к примеру, прокатил шар на четверть длины канала и обнаружил, что это заняло ровно половину времени. При выборе других частей длины время уходило в соответствии с той же пропорцией:

...

«Повторяя опыты сотни раз, мы постоянно находили, что отношение пройденных путей равно отношению квадратов времени их прохождения при всех наклонах плоскости, то есть канала, по которому скользил шарик».

Это именно то, что в настоящее время мы называем равноускоренным движением, или движением с постоянным ускорением. Доводы Сальвиати убеждают Симпличио:

...

«Я получил бы большое удовольствие, если бы присутствовал при подобных опытах; но вполне полагаясь на ваше умение произвести такие опыты и правильность передачи их результатов, я успокаиваюсь и принимаю последние за правильные и истинные»39.

* * *

Данный эксперимент Галилея отличался от опыта Эратосфена по измерению земной окружности и от его собственного эксперимента на Пизанской башне. Два первых проводились с помощью средств, предназначенных для абсолютно других целей. Данный же эксперимент, напротив, требовал разработки и создания специального оборудования для выполнения определенных функций. Изобретательность Галилея проявилась не только в организации самого эксперимента, но и в изготовлении необходимого инструментария для него. Этот инструментарий создает некое экспериментальное пространство, в котором определенный феномен – в нашем случае ускорение – может проявиться и стать объектом исследования. В описываемом случае речь вообще идет о новом и неожиданном феномене. Из трактата Галилея «О движении» становится ясно, что он начал использовать наклонные плоскости еще в то время, когда полагал, что падающие и даже катящиеся тела движутся с постоянной скоростью. Но как только Галилей разработал свой инструментарий, многие другие исследователи тоже смогли воспроизвести его в ходе проведения собственных экспериментов, точно так же, как разные режиссеры могут поставить по одному и тому же драматическому произведению совершенно непохожие спектакли. Таким образом, несмотря на то, что данный эксперимент требует создания своего инструментария, он напоминает эксперимент Эратосфена и эксперимент на Пизанской башне тем, что может быть воспроизведен множеством самых различных способов.

Когда-то историки науки, признавая, что Галилей действительно открыл закон движения тел с равномерным (постоянным) ускорением, оценивали точность его экспериментов со значительно бо́льшим скепсисом, нежели Симпличио. Их главные сомнения вызывал Галилеев способ измерения времени. Для измерения промежутка времени, требовавшегося шару, чтобы скатиться вниз по желобу, Галилей, по его собственным словам, использовал водяные часы, позволяющие судить о времени движения шара по количеству жидкости, вытекавшей через небольшую трубку. Но такие часы не дают возможности измерять небольшие промежутки времени с нужной точностью. До самого последнего времени многие историки науки совершенно не доверяли заявлениям Галилея, что он использовал водяные часы для измерения «десятой времени биения пульса», то есть примерно десятой доли секунды, и даже откровенно высмеивали их.

Одним из самых ярких скептиков такого рода был Александр Койре, выдающийся французский философ российского происхождения, большой знаток творчества Галилея. Койре придерживался платоновского взгляда на науку, в соответствии с которым основное в ней – теоретическое мышление, а эксперимент представляет собой «воплощенную теорию». С таким подходом он исследовал и наследие Галилея, принимая во внимание лишь его логические и математические аргументы и с презрением отмахиваясь от экспериментальной работы. В 1953 году, к примеру, Койре писал о «поразительной и жалкой нищете экспериментальных средств, находившихся в распоряжении [Галилея]», с высокомерным презрением характеризуя его эксперимент с наклонной плоскостью:

...

«Бронзовый шар, катящийся по „гладкому и скользкому“ деревянному желобу! Сосуд с водой с небольшим отверстием, сквозь которое вода вытекает и собирается в небольшом стакане с тем, чтобы потом путем взвешивания воды можно было измерить время, за которое шар спустился по желобу… Какой великолепный набор источников ошибок и неточностей!.. Совершенно очевидно, что эксперименты Галилея не имеют никакого значения: сам их идеальный результат есть наиболее несомненное и строгое доказательство их неточности»40.

Вызов Койре бросил историк науки Томас Сеттл, молодой и никому не известный на тот момент аспирант Корнелльского университета. В 1961 году он самым дотошным образом воспроизвел эксперимент Галилея в комнате студенческого общежития, которую он занимал вместе с несколькими другими аспирантами. Сеттл с самого начала решил использовать «только то оборудование и те процедуры, которые были доступны Галилею или которые не более совершенны, чем те, что были ему доступны». Он взял длинную сосновую доску, набор деревянных блоков, цветочный горшок со вставленной в него небольшой стеклянной трубкой плюс градуированный цилиндр (водяной таймер) и шары двух типов: бильярдный шар в 2 1/4 дюйма и шарик от шарикоподшипника в 7/8 дюйма. Чтобы эксперимент сработал, требовалась определенная сноровка. Сеттл обнаружил, что исследователь «должен провести некоторое время, чтобы почувствовать оборудование и ритм эксперимента. Он должен сознательно настроить свои реакции. И каждый день или после каждого перерыва следует проводить несколько испытательных подготовительных прогонов».

Как и предполагал Койре, самой сложной составляющей эксперимента было измерение времени скатывания шара. Тем не менее Сеттл добился получения очень точных данных, соответствующих закону Галилея, и пришел к выводу, что эксперимент Галилея «был технически выполним в его время» и что при наличии определенной практики таймер, изготовленный из цветочного горшка, можно довести до точности почти в одну десятую секунды, на которую ссылался Галилей. Сеттл опубликовал результаты воспроизведения галилеевского эксперимента в журнале Science , включив в статью диаграммы и таблицы с данными (рис. 7). Несмотря на определенную аспирантскую браваду, звучавшую в заявлении Сеттла, что повторение эксперимента «в том виде, в каком Галилей его описывает… очень просто и не вызывает особых трудностей», статья остается великолепным руководством по воспроизведению этого эксперимента41.

Исследования Сеттла доказали, что с помощью эксперимента с наклонной плоскостью возможно обосновать закон движения с равномерным (постоянным) ускорением. Тем не менее многие историки науки продолжали считать, что Галилей не мог проводить тех экспериментов, которые описывал, то есть не мог с помощью описанного метода прийти к тем выводам, которые ныне известны как закон прямолинейного равноускоренного движения. Эти историки полагали, что Галилей сначала в ходе чисто абстрактных рассуждений открыл математический закон, а затем создал описанное им устройство, чтобы проиллюстрировать этот закон. Главной причиной их скепсиса оставались водяные часы. Ученые считали, что Галилей не мог с их помощью прийти к точной формулировке своего закона.

Рис. 7. Схема установки Томаса Сеттла, с помощью которой он пытался воспроизвести эксперимент Галилея с наклонной плоскостью

В 1970-е годы Стиллман Дрейк, исследователь научного творчества Галилея, в очередной раз решил проверить основательность этой точки зрения. Внимательно изучая рукописи, в изобилии сохранившиеся в архиве ученого, Дрейк смог идентифицировать те из них, которые относились к методике проведения эксперимента, и в конце концов сделал вывод, что Галилей действительно использовал наклонные плоскости, однако время он измерял способом, основанным на его превосходном музыкальном образовании. Умелый лютнист, Галилей великолепно чувствовал ритм. Хороший музыкант способен без особого труда отсчитать ритм не хуже точных часов. Дрейк решил, что Галилей установил на пути скатывания шара по наклонной плоскости поперечные порожки из жил – подобные тем, что использовались в старинных струнных щипковых инструментах для разделения грифа на лады. Когда шар катился по желобу и подскакивал на порожке, раздавался явственно слышный щелчок. Галилей, по мнению Дрейка, разместил порожки таким образом, что равномерно следующие друг за другом щелчки воспроизводили темп, типичный для вокального произведения той поры, составляющий 108 ударов в минуту. Стоило Галилею определить на слух точные временные интервалы, как ему осталось лишь измерить расстояние между порожками. Оно равномерно увеличивалось по мере того, как шар набирал скорость, в прогрессии 1, 3, 5… что позволило ученому в дальнейшем разработать более сложный эксперимент, который был описан в «Беседах и математических доказательствах» и который воспроизвел Сеттл42. Короче говоря, Галилей на самом деле был весьма искусным и тонким экспериментатором.

* * *

Эксперимент Галилея с наклонной плоскостью, как и все другие описанные здесь опыты, отличается своей особой красотой. В нем отсутствует широта эксперимента Эратосфена, в котором явления космического масштаба воплощаются в крошечной тени. Нет в нем и потрясающей простоты опыта на Пизанской башне, где столкновение двух различных моделей мира воплощено в демонстрации, понятной любому. И, конечно же, красота эксперимента с наклонной плоскостью не сводится к открытому Галилеем математическому закону прямолинейного равноускоренного движения, так же, как красота полотен Моне и Сезанна не сводится к красоте изображенных на них стогов сена и гор.

Эксперимент Галилея с наклонной плоскостью обязан своей красотой тому, что можно было бы назвать «созданием образа». Его красота заключается в том удивительном способе, посредством которого относительно примитивное оборудование заставляет проявиться один из наиболее фундаментальных принципов физического мира. Он открывается нам в том, что поначалу представляется не более чем последовательностью случайных и хаотических событий – скатывания шаров по наклонной плоскости. Именно так закон впервые открылся Галилею, и именно так начинают его объяснение современным учащимся.

Вот что написал мне один из моих респондентов о собственных попытках воспроизвести эксперименты Галилея:

...

«Самое прекрасное заключалось не в понимании того, что сила тяжести составляет 9,8 м/с2, но в убедительной демонстрации нам того, что очень простым способом и с помощью самого простого оборудования мы можем с достаточной точностью измерить наиболее важные физические величины».

Интерлюдия Сравнение Ньютона – Бетховена

Как-то Вернер Гейзенберг, закончив исполнение фортепианной сонаты Бетховена в кругу друзей, сказал, обращаясь к восхищенной аудитории: «Если бы меня не было, скорее всего, кто-нибудь другой сформулировал бы принцип неопределенности. Если бы не было Бетховена, никто бы не написал Тридцать вторую сонату»43.

Историк науки Бернард Коэн приводит замечание, приписываемое Эйнштейну: «Если бы не было Ньютона или Лейбница, все равно кто-нибудь изобрел бы дифференциальное исчисление, но, если бы не было Бетховена, у нас никогда бы не появилась Пятая симфония»44.

«Сравнение Ньютона – Бетховена», как его часто называют, довольно элегантным способом характеризует соотношение между естественными науками и искусством, из которого можно сделать интересные выводы относительно возможности существования красоты в науке. Традиционные аргументы противопоставляют науку и искусство друг другу, исходя из того, что научные открытия рано или поздно обязательно будут сделаны, чего нельзя сказать о произведениях искусства: им подобная неизбежность несвойственна. Источником данных аргументов служит убежденность в том, что структура мира, исследуемого наукой, заранее задана и задача ученых состоит в ее раскрытии. Социологи науки именуют такой подход «заполнением картины». Воображение, творческие способности, интересы правительств, социальные факторы могут так или иначе воздействовать на временны́е характеристики этого процесса – с какой скоростью и в каком порядке будут заполняться части картинки, – но они никак не могут изменить саму ее структуру. От художника, напротив, в полной мере зависит структура его творения.

Философ Иммануил Кант также противопоставлял ученых и художников, однако по другим критериям. По словам Канта, настоящего «гения» невозможно найти среди ученых, способных объяснить себе и другим причины и цели своей деятельности. Несмотря на распространенное возвеличивание некоторых из них, типа Ньютона, истинные «гении» существуют только среди людей искусства. Ученые могут научить своему труду других, деятели искусства же создают в самом прямом смысле слова оригинальные произведения, тайна творения которых неизвестна и непознаваема:

...

«Ньютон мог сделать совершенно наглядными и предназначенными для того, чтобы следовать им, все свои шаги от первых начал геометрии до своих великих и глубоких открытий, и не только самому себе, но и любому другому; между тем Гомер… не может сказать, как возникают и сочетаются в его сознании полные фантазии и вместе с тем глубокие идеи, потому что он сам этого не знает, а следовательно, и не может научить этому другого»45.

Возражая против подобного противопоставления, ученый Оуэн Джинджерич дал превосходное обоснование сходства, существующего между учеными и художниками. Ученые хотя бы отчасти лично ответственны за структуру своих теорий и далеко не все в их открытиях заранее предопределено природой. Ньютонова картина мира совсем не неизбежна, заявляет Джинджерич, потому что из других источников (таких, как, например, законы сохранения) могут быть получены альтернативные объяснения кеплеровских законов. Альтернативный подход Джинджерича подчеркивает роль воображения, индивидуального творчества, а следовательно, и исключительность открытий Ньютона:

...

«„Математические начала натуральной философии“ Ньютона – его личное достижение, благодаря которому он как творец может быть поставлен в один ряд с Бетховеном и Шекспиром».

Джинджерич предостерегает против далеко идущих аналогий в сравнении Ньютона и Бетховена:

...

«Синтез знания, представленный в крупной научной теории, не совсем то же самое, что и упорядочивание компонентов художественного произведения. Научная теория имеет свой объект в природе и может быть подвергнута экспериментальной проверке, дальнейшему развитию и фальсификации. Научные достижения могут быть вполне законным образом и зачастую даже обязательно преобразованы в другие тексты (кто, кроме историков, в настоящее время читает «Начала» Ньютона?) такими способами, которые для произведений искусства просто немыслимы. Ну и, наконец, прогресс в науке принципиальным образом отличается от прогресса в искусстве».

Тем не менее, заключает Джинджерич, внимательный анализ «сравнения Ньютона – Бетховена» – по сходству и по контрасту – дает нам «более тонкое и глубокое представление о природе научного творчества». И если Кант и традиционные взгляды не оставляют места для красоты в научных теориях, то Джинджерич это место ей возвращает46.

Французский философ и астрофизик Жан-Марк Леви-Леблон в мысленном эксперименте попытался вообразить, какой была бы теория относительности, если бы ее открыл не Эйнштейн. В результате он получил совершенно другую терминологию, символы и идеи по сравнению с теми, которые ассоциируются с данной теорией ныне47.

Если же мы от теории перейдем к экспериментам, то «сравнение Ньютона – Бетховена» приобретет еще одно измерение. Эксперимент часто рассматривается неспециалистами как почти автоматический процесс, подразумевающий минимум творчества.

С такой точки зрения эксперимент должен напоминать игровое шоу «Концентрация», которое демонстрировалось на канале NBC с 1958 по 1991 год.

Соревнующиеся должны были обнаружить и как-то интерпретировать то, что находилось по другую сторону стены, состоявшей из вращающихся блоков. В ходе игры блоки вращались по одному, открывая часть скрытой картины, представленной словами и символами, которую участники соревнования должны были разгадать. Блоки вращали находившиеся за кулисами рабочие – «экспериментаторы», которые использовали специальные механизмы. Этот механический процесс не представлял никакого интереса для участников шоу, обращавших внимание только на данные, появлявшиеся на стене.

Но любой реальный экспериментатор скажет, что такой взгляд на эксперимент абсолютно ложен. В хорошем эксперименте нет ничего автоматического и заранее заданного. Чтобы это понять, необходимо воспринимать эксперимент одновременно и как процесс, и как результат. Однако чтобы полностью понять то, что имеется в виду, нужно смотреть на эксперимент как на историю, почти как на человеческую биографию. В истории эксперимента, так же, как и в человеческой жизни, есть все: зачатие, беременность, рождение, рост и – при удачном стечении обстоятельств – зрелость. Для подобного процесса, несомненно, необходимо и то, что Кант называл гениальностью и для чего не существует никаких заранее заданных правил.

Кант был, бесспорно, прав в том, что стиль и традиция функционируют по-разному в науке и в искусстве. Эксперименты с призмой исторически восходят к Ньютону, эксперименты с точными измерениями – к Кавендишу, эксперименты с интерференцией света – к Юнгу, а эксперименты с рассеянием частиц – к Резерфорду. Историки, изучающие серии экспериментов, проводившиеся одним экспериментатором – к примеру, Фарадеем, Вольтой, Ньютоном или Франклином, часто могут определить характерные особенности исследования этими учеными того или иного феномена и разработки ими новых экспериментов для его понимания.

Тем не менее ни один эксперимент невозможно охарактеризовать как «Ньютонов» или «подражание Ньютону» в том же смысле, как живописное полотно может быть определено как принадлежащее Караваджо или кисти какого-нибудь подражателя Караваджо. Экспериментальная работа требует наличия несколько иного типа творческой изобретательности, которая, однако, также зависит от творческой способности человека и силы его воображения; она столь же непредсказуема и создает собственную традицию образцов путем открытия новых областей исследования.

Научное воображение отличается не меньшей дисциплинированностью, нежели художественное. Оно функционирует в рамках имеющихся в наличии ресурсов, теорий, продуктов, бюджета и персонала, организуя все перечисленное в некий процесс, позволяющий открыть нечто принципиально новое. Разумеется, никто не откажется от щедрого бюджета и высококлассных материалов! Однако воображение экспериментатора тем и отличается, что способно в малом находить преимущество. Как однажды заметил Гете: «Лишь в чувстве меры мастерство приметно» [5] . С этой точки зрения, сопоставление Ньютона и Бетховена приводит к выводу, что художники и ученые имеют больше сходства, чем различия, а это с несомненностью подтверждает, что красоте есть место и в науке.

Рис. 8. Experimentum crucis (рисунок Ньютона)

Глава 4. Experimentum crucis

Призма Ньютона

В январе 1672 года Исаак Ньютон (1642–1727) направил короткую записку Генри Ольденбургу, секретарю незадолго до того созданного Лондонского королевского общества – объединения известных ученых (или «философов», как их тогда именовали). Ньютона приняли в общество всего лишь за неделю до того – на его членов произвела сильнейшее впечатление изобретенная Ньютоном новая разновидность телескопа, телескоп-рефлектор. В послании Ольденбургу Ньютон делал поистине вызывающее заявление:

...

«Я совершил „философское открытие“, – писал Ньютон, – по моему мнению, самое странное, если не самое значительное из всех, которые до сей поры совершались в сфере действий природы»48.

Вряд ли кто-то стал бы винить Ольденбурга, если бы он принял это заявление за нелепые и наглые бредни страдающего болезненным самолюбием юнца. Ньютон и впрямь был крайне сложным человеком: чрезвычайно ранимым и одновременно крайне агрессивным, и при этом еще и параноидально скрытным. Однако в данном случае его претензия на эпохальное открытие была вовсе не преувеличением.

Несколько недель спустя Ньютон отослал членам Королевского общества описание эксперимента, который, по его словам, самым определенным образом демонстрировал, что солнечный свет является не однородным, как считалось ранее, но состоит из смешения лучей различных цветов. Ньютон назвал свой эксперимент experimentum crucis , или «решающим», «критическим экспериментом». Разложение света Ньютоном стало одновременно заметной вехой в истории науки и сенсационной демонстрацией возможностей экспериментального метода. Названный эксперимент, как писал один из многочисленных биографов Ньютона, «был так же прекрасен в своей простоте, как и убедителен в качестве воплощения ньютоновской теории»49.

* * *

Исаак Ньютон родился в Англии в графстве Линкольншир в 1642 году, в год смерти Галилея. Есть некая символика в том, что он пришел в этот мир в праздник Рождества. С 1661 по 1665 год Ньютон учился в Тринити-колледже Кембриджского университета и, по замечанию одного биографа, «был самым замечательным выпускником университета за всю историю университетского образования»50, поскольку абсолютно самостоятельно открыл и довел до совершенства в уединении своих личных записных книжек новую философию, физику и математику, которую в те времена медленно, с настойчивостью и тщанием творили наиболее выдающиеся ученые Европы.

В 1665 году, когда Ньютон окончил курс в университете и намеревался остаться там для продолжения образования, Англию поразила эпидемия чумы, и Ньютону пришлось вернуться в Линкольншир. Период вынужденной праздности среди полей и садов на землях, принадлежавших его матери, не только не стал помехой для продолжения его образования, но, напротив, оказался настоящим даром судьбы. Свободное время позволило Ньютону, тогда находившемуся в самом начале своей научной карьеры, без помех продумать многие проблемы, над которыми он уже работал в университете. Историки называют этот период в жизни Ньютона его annus mirabilis , «годом чудес». Именно тогда были заложены основы многих его важнейших теорий: теории гравитации в физике (история с упавшим яблоком, о которой мы знаем благодаря племяннице Ньютона, а также Вольтеру, предположительно имела место в тот самый период); законов планетарного движения в астрономии; системы дифференциального исчисления в математике. В упомянутый период Ньютон также приступил и к серии революционных экспериментов в оптике.

Оптика, наука о свете, в те времена быстрыми темпами набирала научную значимость. С древних времен мыслители накапливали фундаментальные сведения относительно отражения и рефракции (преломления лучей при прохождении прозрачных материалов) света. Но до семнадцатого столетия зеркала и линзы были очень низкого качества. Более того, исследованиям в этой сфере мешал распространенный предрассудок, что оптические явления не заслуживают серьезного изучения, так как они эфемерны. Могут ли столь искаженные и обманчивые образы представлять какой-либо научный интерес?

Однако как раз в это время изобретение телескопа и микроскопа создало спрос на зеркала и линзы более высокого качества. Это повысило заинтересованность промышленников в их производстве, что, в свою очередь, поощряло исследования в данной области. Новая европейская наука, со своей стороны, тоже стремилась развеять мнение об оптических эффектах как о чем-то иллюзорном (так же она поступала с аристотелевской идеей «насильственного» движения) и настаивала на том, что они (подобно Галилеевой картине движения) – еще одна область, управляемая принципами механики и математическими законами, которые могут быть обнаружены путем эксперимента. Тем не менее Декарт и другие пионеры оптических исследований семнадцатого столетия стойко держались мнения, восходящего к аристотелевским временам, что солнечный (белый) свет чист и однороден, а цвета суть не что иное, как модификации или «загрязнения» белого света.

Оказавшись в изоляции в поместье матери, пока эпидемия свирепствовала в городах, Ньютон превратил одну из комнат в оптическую лабораторию, закрыв туда доступ свету, за исключением одного крошечного отверстия. Там он проводил целые дни напролет, погрузившись в экспериментальные исследования. Как писал один из его ассистентов, «дабы усилить восприимчивость органов чувств и сконцентрировать внимание, [он] на все это время ограничил себя самым небольшим количеством хлеба и хереса, разбавленного водой, которые он употреблял без какой-либо регулярности, как только ощущал острую потребность в еде или ослабление сил». Главным инструментом Ньютона стала призма. В те времена она вызывала всеобщее любопытство своей способностью преобразовывать белый цвет в различные цвета. Однако Ньютон превратил популярную игрушку в важный инструмент научного исследования.

Распространенный стереотип, навязываемый целым поколениям школьников, заключается в том, что научный метод есть некое механическое действие: формулировка, проверка и корректировка гипотезы. Гораздо точнее, хотя и несколько более неопределенно характеризует работу ученых метафора «взгляда» на явление: ведь они и в самом деле «разглядывают» его под разным углом зрения, пытаются его понять, поворачивая то так, то этак. В своей импровизированной лаборатории Ньютон «смотрел» на свет, пользуясь различными конфигурациями призм и линз, и спустя какое-то время пришел к выводу, что так называемый «белый» свет не является чистым, а представляет собой смешение света различных цветов. Позднее Ньютон напишет:

...

«Самый лучший и надежный метод философского исследования, как представляется, заключается в том, чтобы поначалу внимательно изучить свойства вещей и, установив названные свойства путем экспериментов, затем без излишней торопливости перейти к гипотезам для их объяснения»51.

Тем не менее на протяжении нескольких лет Ньютон делился своими изысканиями с очень немногими. Вернувшись в Тринити-колледж после того, как университет вновь открылся в 1667 году, Ньютон стал посещать лекции по оптике Исаака Барроу, первым занявшего Лукасовскую кафедру математики в Кембриджском университете (прославленную кафедру, которую в более поздние времена занимали Поль Дирак и Стивен Хокинг), вычитывал корректуру лекций Барроу и в 1670 году наследовал последнему в качестве лукасовского профессора. Положение требовало, чтобы он носил алую мантию, подчеркивавшую его превосходство над остальными преподавателями. Кроме того, он был обязан читать студентам по крайней мере одну лекцию в неделю на латыни по теме, имеющей отношение к математике. Ньютон выбрал оптику, которая позволила ему соединить математику и экспериментальную науку и «подвергнуть принципы этой науки более пристальному рассмотрению». Правда, посещались его лекции не слишком активно. Один из помощников Ньютона вспоминал:

...

«Очень немногие приходили послушать его, еще меньше было тех, кто понимал его, так что часто ему приходилось из-за недостатка в слушателях свои лекции „читать стенам“. Причем в самом буквальном смысле – на его вторую лекцию не пришел ни один слушатель»52.

В 1671 году Ньютон представил членам Лондонского королевского общества телескоп, который он изобрел в результате своих оптических исследований. Общество было учреждено всего десятью годами ранее, его полное название – Лондонское королевское общество по развитию знаний о природе. Девизом общества, начертанным на гербе, стала латинская фраза Nullius in verba , которая традиционно переводится как «Никому не доверяй на слово».

Общество собиралось еженедельно для обсуждения и анализа работ своих членов. Данный формат имел решающее значение для стимулирования исследований и профессионализации науки, так как Лондонское королевское общество фактически направляло процесс распространения и защиты научной информации. Можно было сосредоточиться на исследовании какой-либо определенной темы, а результаты сообщать в письмах обществу. Эти письма публиковались в издании, которое первоначально именовалось «Перепиской» общества, а позднее стало называться Philosophical Transactions («Философскими сообщениями»), сделавшись предтечей современного толстого научного журнала. Очень немногие из членов Лондонского королевского общества прежде слышали о Ньютоне, однако его телескоп стал сенсацией. Всего лишь шести футов в длину, он был очень хитроумно сконструирован и изготовлен с величайшей тщательностью. По своим характеристикам он не уступал многим телескопам гораздо большего размера. Несколько членов общества уже пытались изготавливать собственные телескопы, и потому они почти сразу же пригласили Ньютона в свои ряды.

Первым официальным материалом, направленным Ньютоном в общество, как раз и стало письмо, в котором содержалось самонадеянное обещание Ольденбургу сообщить новости о «самом странном философском открытии, которое до сей поры совершалось в сфере действий природы». Это послание часто цитируют в качестве шедевра научной литературы и образца научного текста. В нем дается не только великолепное описание самого «решающего эксперимента», но и того мыслительного процесса, который к нему привел. А от проницательного читателя, умеющего читать между строк, не ускользнет и то наслаждение, которое Ньютон испытывал в ходе исследований и которое сумел передать в письме. Послание начинается так:

...

«Чтобы исполнить свое обещание Вам, я без дальнейшей церемонии ставлю Вас в известность, что в году 1666… я достал треугольную стеклянную призму, чтобы с ее помощью исследовать прославленные „явления цвета“. С этим намерением я погрузил свою комнату в полную темноту, а в оконных ставнях проделал крошечную дырочку, дабы через нее проникало нужное количество солнечного света; я поместил свою призму у самого отверстия, чтобы лучи света преломлялись на противоположную стену. Поначалу для меня было довольно приятным развлечением разглядывать яркие и насыщенные краски, полученные таким образом»53.

Другие на месте Ньютона, несомненно, поддались бы искушению основное внимание уделить обманчивой игре радужных красок. Ньютон же взирал на происходящее под целым рядом разнообразных углов зрения. Помимо самих цветов, он обращал внимание также и на форму, которую они принимали. «Меня удивило то, что они имеют продолговатую форму, в то время как, с точки зрения известных законов рефракции света, они должны были быть округлыми ».

Но что же так удивило Ньютона? Согласно господствовавшей в то время точке зрения Декарта и других авторов, считалось, что призмы каким-то образом модифицируют или окрашивают чистый солнечный свет и тем самым создают спектр. Если это действительно так, то луч, выходящий из призмы, должен иметь то же округлое сечение, с которым он в нее и вошел. Однако, как заметил Ньютон, на деле отсвет луча «имел форму скакового круга с полукруглыми изгибами наверху и внизу, связанными между собой прямыми линиями» (рис. 9). Цвета располагались горизонтальными полосами, с синим цветом на одном краю и красным – на противоположном. Кроме того, Ньютон обратил внимание и на еще одну странную особенность. Если прямые вертикальные линии были достаточно четко очерчены, то горизонтальные изгибы, как верхний, так и нижний, синий и красный, представлялись довольно размытыми. Это плюс «необычайное» несоответствие между длиной и шириной – первая была почти в пять раз больше второй – «пробудило во мне исключительное любопытство и стремление узнать, по какой причине подобное могло воспоследовать».

Рис. 9. Продолговатое пятно на экране, оставленное солнечным лучом после прохождения круглого отверстия и треугольной призмы (чертеж Ньютона)

Далее Ньютон описывает свои попытки определить, почему отблеск света приобрел столь неожиданные очертания в результате обычного прохождения сквозь призму. Ньютон попытался выяснить, может ли он каким-то образом воздействовать на упомянутую форму. Он пробовал использовать призмы разной толщины, пропускал свет через разные их части, вращал призму взад и вперед вокруг своей оси. Он изменял размер отверстия в шторах, помещал еще одну призму на улице, чтобы луч света вначале проходил сквозь призму, а затем уже через отверстие в окне. Он много раз перепроверил, не могли ли стать причиной описанного какие-то дефекты в стекле призмы. Ничто из перечисленного никак не влияло на очертания отображенного образа: загадочная удлиненная форма сохранялась, а каждый цвет всегда преломлялся одинаковым образом. Ньютон вспоминал о виденном им «теннисном шаре, который от удара продолговатой ракеткой» проделал в воздухе дугу. И у него возникло подозрение, что полученную форму можно объяснить тем, что призма каким-то образом заставляла лучи света двигаться по изогнутым траекториям в вертикальном направлении. Это привело к новой череде экспериментов:

...

«Постепенное устранение названных подозрений в конце концов привело меня к experimentum crucis, каковой состоял в следующем: я взял две доски и поместил одну из них за призмой у окна так, чтобы свет проходил сквозь небольшое отверстие, проделанное в доске с упомянутой целью, и падал на другую доску, каковую я поместил на расстоянии примерно 12 футов, предварительно также проделав в ней небольшое отверстие, чтобы через него проходила какая-то часть падающего света. После чего я поместил еще одну призму за второй доской с тем, чтобы свет, проходящий сквозь обе доски, мог бы проходить и сквозь нее и преломлялся бы до попадания на стену. Сделав это, я взял первую призму в руку и стал медленно поворачивать ее вокруг своей оси так, чтобы некоторые части Образа, отбрасываемого на вторую доску, последовательно бы проходили сквозь отверстие в ней и я смог бы увидеть, в каких участках на стене вторая призма будет преломлять их. И я обнаружил с помощью варьирования этих участков, что свет, стремившийся к тому концу Образа, к которому осуществлялось преломление посредством первой призмы, во второй призме преломлялся значительно больше, нежели свет, стремившийся к другому концу».

Чертеж для experimentum crucis , нарисованный ученым на листе бумаги в ходе своей первой лекции по оптике, показан на рис. 10. Тонкий луч света, проникавший через отверстие в окне, проходил через первую призму и превращался в веер цветов спектра на доске, находившейся на расстоянии десяти футов. Этот радужный веер был продолговатой формы в вертикальном направлении, а цвета в нем были расположены горизонтально, от красного к синему. Всякий, кто когда-либо развлекался с призмами, видел упомянутый эффект, хотя вряд ли кто-либо до Ньютона задумывался о значимости формы. Но затем Ньютон сделал еще более новаторский шаг: он добавил еще одну призму и еще одну доску. Он просверлил отверстие в доске, пропустил сквозь нее часть удлиненной световой полосы на другую призму на противоположной стороне и затем направил эту полосу на вторую доску. Путем вращения первой призмы он смог перемещать удлиненную полосу света вверх и вниз так, чтобы свет различного цвета проходил бы через отверстие и через вторую призму на вторую доску. После чего тщательно анализировал полученный результат.

Рис. 10. Experimentum crucis (рисунок Ньютона из его «Лекций по оптике»)

Ньютон обратил внимание на то, что синий цвет, сильно преломлявшийся первой призмой, столь же сильно преломлялся и второй призмой. Точно таким же образом красный цвет, меньше преломлявшийся первой призмой, так же мало преломлялся и второй. Ученый также заметил, что то, каким образом происходило преломление, не зависело от угла падения луча на поверхность призмы. И Ньютон пришел к заключению, что степень рефракции световых лучей – их «преломляемость» – является характеристикой самих лучей, а не призмы. Лучи сохраняли свою преломляемость, проходя через обе призмы. Призмы никак не видоизменяли световые лучи, а лишь просеивали их в соответствии со степенью преломляемости.

Итак, Ньютон получил ответ на свой первый вопрос. «Форма скакового круга» у радуги, отбрасываемой на стену, объясняется тем, что призма преломляет луч света под влиянием характеристик отдельных входящих в него цветов. Если ось призмы горизонтальна, призма сохраняет ширину луча, но развертывает его вертикально. Концы вертикальной удлиненной формы размыты, так как на самом верху и в самом низу лучей меньше. Ньютон писал: «И как выяснилось, истинная причина длины этого Образа [удлиненная форма] заключается в том, что Свет состоит из Лучей с разной преломляемостью, которые независимо от разницы в их угле падения переносились на различные участки стены в зависимости от степени преломляемости».
Но что же было такого решающего в данном эксперименте, одном из сотен, проведенных Ньютоном со сходными результатами? Уверенность в выводах, связанных с этим экспериментом, базировалась не на нем одном, а на всех попытках ученого анализировать свет с помощью призм и линз. Однако Ньютон не видел смысла в том, чтобы его коллеги повторяли его собственный, столь сложный путь исследований. Чтобы дать им верное направление, достаточно было ясного описания одного эксперимента. Поэтому с experimentum crucis связана определенная театральность. Он стал демонстрацией или своеобразным резюме того, что самому Ньютону уже было ясно. Целью данной демонстрации было убедить коллег, поэтому она должна была быть простой, доступной по инструментарию и показывать результат четко и максимально наглядно. Ньютон писал позже одному из тех, кто пытался воспроизвести его эксперименты:
...

«Вместо множества самых разных вариантов попробуйте осуществить один лишь experimentum crucis. Ведь важно не число экспериментов, а их весомость; и там, где достаточно одного, какой смысл во многих?»54

Этот эксперимент не только давал ответ на исходный вопрос Ньютона о вытянутой форме, но и открывал новые перспективы и ставил новые вопросы. До того Ньютон много времени посвящал полировке линз для телескопов, но теперь понял, что его открытия, связанные с призмами, означают важные ограничения для телескопов, в которых применяются линзы. «И когда я это понял, – пишет он, – я оставил свои вышеупомянутые работы со стеклом, так как увидел, что усовершенствование телескопов имеет свои границы» – и дело здесь не в недостатках полировки, а в том факте, что «свет сам по себе есть разнородное смешение по-разному преломляемых лучей ». Линзы фокусируют путем искривления или преломления света. Но так как различные составляющие света преломляются по-разному, даже идеальная линза неспособна собрать все лучи в одну точку. Ньютон пришел к выводу, что более эффективным способом фокусировки света для телескопа будет использование не линз, а зеркал, поскольку, когда зеркало отражает свет, угол отражения для различных составляющих света всегда один и тот же.

По словам Ньютона, он тотчас же принялся за изготовление телескопа, работающего на зеркалах, однако его работа была прервана чумой. В 1671 году Ньютон наконец создал зеркальный телескоп, которым гордился настолько, что смог преодолеть свою навязчивую скрытность и продемонстрировать изобретение Лондонскому королевскому обществу.

Ньютон все это излагает в первой половине своего письма. Во второй половине он обсуждает некоторые следствия из своего открытия. Первое состоит в том, что преломляемость света не является свойством, которое приобретается при помощи призмы той или иной модификации, как считали Декарт и многие другие авторы: «Цвета суть не модификации света, полученные путем преломлений или отражений материальных тел (как полагает большинство), а исходные и исконные свойства, каковые в различных лучах различны…» Вторым следствием было то, что «одной степени преломляемости всегда принадлежит один цвет и одному цвету всегда принадлежит одна степень преломляемости». Третье следствие заключалось в том, что на преломляемость и на цвет луча никак не влияет вещество, через которое он проходит. Ньютон внимательно проанализировал это следствие:

...

«Разновидность цвета и степень преломляемости, характерная для определенного сорта лучей, не изменяется вследствие рефракции или отражения от материальных тел или вследствие каких-либо других причин, которые я до сих пор имел возможность наблюдать. Когда один сорт лучей был надежно отделен от лучей другого вида, он впоследствии упрямо сохранял свой цвет, несмотря на все мои отчаянные попытки изменить его. Я преломлял его с помощью призм и отражал с помощью тел, при дневном свете имевших другой цвет; я перекрывал его цветной воздушной пленкой между двух стеклянных пластин; пропускал его сквозь цветные среды и сквозь среды, освещенные лучами другого сорта, так или иначе пытаясь помешать ему; но так и не смог получить из него никакого другого цвета».

Ньютон пришел к важному выводу, что белый свет является составным. Он подтвердил это предположение в ряде других экспериментов, в ходе которых использовал дополнительные призмы и линзы, с их помощью восстанавливая расщепленный на спектральные линии свет:

...

«Но самое удивительное и поразительное сочетание – это сама белизна. Не существует какой-то одной разновидности лучей, которые могли бы ее создать. Она всегда является составной, и для ее состава необходимы все вышеназванные первичные цвета, смешанные в нужной пропорции. Я часто с восхищением наблюдал, как все цвета призмы, которые вновь заставили воссоединиться и заново смешаться… опять давали свет, абсолютно и идеально белый… Таким образом, мы вынуждены признать, что белизна – обычный цвет света; ибо свет есть сложное смешение лучей, наделенных различными цветами и хаотически отбрасываемых от различных частей светящихся тел».

«Поразительное и удивительное» открытие Ньютона подвигло его на новые прозрения относительно глубочайших тайн природы. В последней части своего послания он обращается к каждой из них по очереди, с легкостью разрешая загадки, ставившие в тупик его коллег.

Как работают призмы и как возникает продолговатая форма производимого ими светового пятна? Они не трансформируют, а просеивают свет, разделяя его на полосы соответственно степени преломляемости. Представьте (сравнение принадлежит не Ньютону) группу бегунов, каждый из которых совершает поворот во время бега под разным углом. Когда они движутся по прямой, они держатся вместе, но при первой же необходимости совершить резкий поворот разворачиваются веером.

Как возникает радуга? Ньютон объясняет ее возникновение тем, что капли дождя действуют подобно облаку крошечных призм, преломляющих свет солнца позади них. А что стоит за «странными феноменами» с цветными стеклами и другими материалами, когда один и тот же материал дает разные цвета? И это тоже «более не загадки», заявляет Ньютон, так как названные материалы отражают и передают различные разновидности света при разных условиях.

Ньютон объясняет и «неожиданный эксперимент», проделанный Робертом Гуком, куратором экспериментов Королевского общества. Гук пропустил свет сквозь кувшин с жидкостью красного цвета и кувшин с жидкостью синего цвета. Свет проходил сквозь тот и другой кувшины достаточно свободно. Однако когда он попытался пропустить свет сквозь оба кувшина последовательно, то потерпел неудачу. Гуку не удалось найти объяснение этому явлению. Почему последовательность двух кувшинов блокирует свет, при том что каждый кувшин по отдельности его легко пропускает? Удивление Гука, объясняет Ньютон, явно базируется на предположении, что свет – единая субстанция. На самом же деле свет состоит из определенного числа различных лучей. Синий кувшин пропускал только одни из них, но блокировал все остальные; красный пропускал вторые, но блокировал первые. А так как и тот и другой кувшин не позволяли проходить определенному типу лучей, «то сквозь оба [кувшина] не могли проникнуть вовсе никакие лучи».

Теперь Ньютон мог объяснить и цвет материальных тел: каждое из них отражает «одну разновидность света в большем количестве, чем другую». Он описывает свои собственные эксперименты в темной комнате, где он направлял свет разного цвета на различные объекты. В ходе этих экспериментов он обнаружил, что «таким способом любое тело может производить впечатление окрашенного в любой цвет». Но существуют ли какие-либо цвета в темноте и является ли свет свойством объектов? Нет! Цвет – свойство света, который их освещает.

Ньютон завершает свое письмо рядом идей относительно экспериментов, которые могли бы провести его коллеги, хотя сразу же предупреждает, что такие эксперименты, подобно experimentum crucis , «весьма капризны». Призма должна быть высокого качества, в противном случае свет, дошедший до второй призмы, будет недостаточно чистым; комната должна быть абсолютно темной, чтобы свет не смешался с цветами и все не испортил (это последнее требование делает воспроизведение experimentum crucis значительно более сложным предприятием, чем порой кажется, и, хотя он представляется ярким, наглядным и вполне доступным, его повторение на уроках в старших классах средней школы бывает довольно затруднительным).

Ньютон заключает:

...

«Этого, я полагаю, вполне достаточно для введения в подобные эксперименты любой их разновидности; и если кто-то из [членов] Королевского общества будет иметь любопытство провести таковые, я буду весьма рад и благодарен за любые сведения об их успешности: то есть если возникнет какое-то несоответствие или будут нарушены описанные соотношения, у меня будет возможность дать дальнейшие указания и советы по их поводу или же признать мои собственные ошибки, ежели таковые обнаружатся».

Ольденбург получил письмо Ньютона 8 февраля. Так случилось, что Ольденбург как раз готовился к заседанию Королевского общества, намеченному на вторую половину того же дня, и смог включить его в повестку дня. Перед тем как выслушать сообщение Ньютона, присутствующие прослушали письмо о возможных воздействиях Луны на показания барометра, затем еще одно о последствиях укуса тарантула. Письмо Ньютона произвело на слушателей сильнейшее впечатление. Ольденбург сообщал: «Чтение вашего послания относительно света и цветов было, пожалуй, единственным заслуживающим внимания. И могу вас заверить, сэр, что оно было встречено с исключительным интересом и завершилось небывалыми аплодисментами»55. Ольденбург также упоминает, что члены общества потребовали как можно скорее опубликовать сообщение в Philosophical Transactions, и оно появилось в следующем выпуске журнала в конце того же месяца.

* * *

Experimentum crucis Ньютона стал одним из красивейших экспериментов в истории науки, а письмо в Philosophical Transactions – классическим образцом научной статьи. Впрочем, этот опыт также породил и то, что наверняка можно охарактеризовать как первый пример «журнальной полемики». Эксперимент Ньютона, бросив вызов ортодоксальным взглядам того времени, в соответствии с которыми призмы «создавали» цвета, модифицируя «чистый» белый свет, поднял настоящую бурю как в самом Королевском обществе, так и за его пределами.

Роберт Гук, даже не попытавшись повторить experimentum crucis , примерно через неделю после прочтения письма Ньютона набросился на последнего с критикой «поспешных» и «ошибочных» гипотез, которые, как ему представлялось, Ньютон выдвинул без достаточных оснований. Ньютон не стал отмалчиваться и в последовавшей затем переписке продемонстрировал лучшие стороны своего полемического таланта. В ней он отточил свои аргументы, представив их в еще более ясной и лаконичной форме. Но, кроме того, письма Ньютона содержали чуть ли не самые саркастические в истории подобного жанра колкости в адрес научного оппонента.

Дело в том, что Гук был очень маленького роста, почти карлик, и к тому же горбат. В одном из писем, полном издевательской лести, Ньютон якобы воздает должное значению исследований Гука для своих собственных, добавляя: «И если мне удалось видеть дальше других, то только потому, что я стоял на плечах гигантов»56. Этот ныне знаменитый афоризм часто цитируют как проявление скромности и почтительности к великим предшественникам, на самом же деле слова Ньютона были весьма резким и даже грубым оскорблением в адрес Гука.

Убедить ученых за пределами Англии оказалось еще сложнее. Одним из них был пожилой профессор Иезуитского колледжа в Льеже по имени Фрэнсис Лайн (в письмах он использовал латинский вариант своей фамилии Линус, а также псевдоним Холл). Осенью 1674 года Линус, приближавшийся к своему восьмидесятилетнему юбилею, написал Ольденбургу, что в собственных экспериментах с призмами, проведенными за тридцать лет до того, он никогда не наблюдал удлиненную форму спектра в солнечные дни и потому объяснял увиденное Ньютоном последствием пасмурной погоды. Ньютон, считавший Линуса абсолютно некомпетентным, не счел нужным ему отвечать. Тем не менее Ольденбург попросил Гука устроить демонстрацию ньютоновского experimentum crucis на заседании Королевского общества в марте 1675 года. Однако погода выдалась совершенно неподходящая, и (в частности, приняв во внимание замечания Линуса) было сочтено нецелесообразным продолжать эксперимент в пасмурный день. Линус скончался осенью того же года, но его дело продолжил верный ученик Энтони Лукас, ставший преемником Линуса в колледже. Он выражал уверенность, что правильность подозрений его наставника будет подтверждена, если повторить эксперимент в солнечную погоду.

Гук вновь назначил демонстрацию эксперимента в Лондонском королевском обществе, на сей раз на 27 апреля 1676 года, и день оказался солнечным. Хотя сам Ньютон на демонстрации не присутствовал – он, как правило, избегал подобных публичных мероприятий, – она стала значимой вехой в истории зарождения современной науки, так как это был первый эксперимент, спланированный и проведенный научным обществом с целью получения окончательного ответа на научный вопрос, породивший ожесточенную дискуссию. В официальном докладе Королевского общества говорится:

...

«Эксперимент господина Ньютона, [результаты] которого оспаривались господином Линусом и его сторонниками в Льеже, был проведен перед [членами] Общества в соответствии с указаниями господина Ньютона; эксперимент убедительно продемонстрировал те результаты, о которых писал господин Ньютон; было признано необходимым, чтобы господин Ольденбург поставил в известность об упомянутом факте господ в Льеже, которые заверили нас, что если эксперимент будет проведен перед [членами] Общества и будет иметь те же результаты, что были заявлены господином Ньютоном, то они сочтут названные результаты истинными»57.

Однако льежские критики не сдавались. Энтони Лукас попытался сам повторить e xperimentum crucis и обнаружил красные лучи среди лиловых. Еще один иезуит нашел красные и желтые лучи среди фиолетовых. Ньютон перестал отвечать на подобные сообщения, заявив, что «такие [вопросы] должны решаться не обсуждением, а повторными попытками проведения экспериментов»58. Он уже до этого дал определенные рекомендации относительно возможных сбоев при проведении опыта. Подобно любому сложному процессу, эксперимент может быть неверно организован, но, если все будет сделано правильно, сам эксперимент покажет, какие погрешности имели место в ходе неудачно закончившихся попыток. Эксперимент предоставит вам собственные критерии успешности.

* * *

Ньютонов experimentum crucis дал миру много всего сразу: определенную важную информацию, набор инструментов и методов и даже в некотором смысле нравственный урок. И красота его есть результат всего перечисленного. Эксперимент Ньютона с удивительной простотой и изобретательностью открыл очередной закон природы. Кому до Ньютона приходило в голову после использования призмы для расщепления светового луча на радугу цветов пропустить часть ее сквозь другую призму? При такой конфигурации больше не было нужды ни в каких дальнейших манипуляциях, чтобы доказать коллегам ученого, что чистый «белый» свет состоит из лучей различного цвета с различной степенью преломления.

Эксперимент позволил понять много удивительных явлений, связанных со светом, снабдил нас методикой выделения света различного цвета и технологией изготовления более качественных телескопов. Ньютоново открытие было подобно взрыву, отголоски которого разошлись во множестве самых разных направлений.

И, наконец, Ньютонов experimentum crucis стал нравственным уроком для ученых. Он как бы говорил: «Вот как надо пытаться понять все загадочные явления в окружающем мире – в ходе долгих и сложных экспериментов. А затем выбрать одну наиболее экономичную и наглядную демонстрацию, описать возможные ошибки и заблуждения, с ней связанные, и показать, какие новые связи в окружающем мире она высвечивает».

Совершенно очевидно, что красота описываемого эксперимента не имеет никакого отношения к красоте цветов. Ньютон, подобно Эратосфену с его тенями, смотрел не просто на отблеск цветов, он вглядывался в то, что заставляло их вести себя именно так и никак иначе. Однако, подобно эксперименту Галилея с наклонной плоскостью, experimentum crucis Ньютона высветил и нечто принципиально важное относительно самой природы эксперимента. От многих других великих экспериментов experimentum crucis отличает то, что он обладает особой, нравственной , красотой.

В 1721 году, редактируя французский перевод ньютоновской «Оптики» для очередного переиздания (первое французское издание появилось в 1704 году), французский математик Пьер Вариньон писал Ньютону: «Я с огромным удовольствием прочел „Оптику“ и в особенности потому, что ваша новая система цветов основывается на прекраснейших экспериментах». Вариньон попросил Ньютона прислать ему рисунок, который он мог бы поместить на первую страницу и который таким образом символизировал бы содержание всей книги.

Ньютон выбрал зарисовку experimentum crucis с лаконичной подписью: «Преломляясь, свет не меняет свой цвет». Эта картинка стала элегантным символом науки оптики, которая своим появлением во многом обязана Ньютону.

Интерлюдия Разрушает ли наука красоту?

Когда я слушал ученого астронома

И он выводил предо мною целые столбцы мудрых цифр,

И показывал небесные карты, диаграммы

для измерения звезд,

Я сидел в аудитории и слушал его, и все рукоплескали ему,

Но скоро – я и сам не пойму отчего – мне стало

так нудно и скучно,

И как я был счастлив, когда выскользнул прочь и в полном

Молчании зашагал одинокий

Среди влажной таинственной ночи

И взглядывал порою на звезды.

Уолт Уитмен [6]

Поклонникам прекрасного Ньютон принес не мир, но меч.

Древние философы, поэты и художники рассматривали свет как нечто исключительное, имеющее особый статус среди всех других явлений природы. Платон сравнивал свет и его лучи с самим Добром, высшей формой, так как он не только насыщает, но и освещает все вокруг. Мыслители платоновской традиции: блаженный Августин, Данте, Роберт Гроссетест, св. Бонавентура – находили особую связь между светом, красотой и бытием. Свет для них был основополагающим принципом всей видимой и чувственной красоты, он был сам по себе прекрасен. Он освещал мир, сотворенный Богом, и потому сам был чем-то вроде богоявления. Особым статусом наделен свет и для художников. Во времена Ньютона они, говоря словами искусствоведа Кеннета Кларка, рассматривали свет как «акт любви», ибо свет покрывает мир, делая его ярче и прекраснее59.

Однако появление современной науки и особенно работы Ньютона бросили вызов этому взгляду. Свет внезапно утратил свой статус главного проявления Бога в мире. Он стал просто еще одним природным феноменом, подчиняющимся определенным механическим и математическим законам60.

Поэтическая реакция на новую науку прежде всего определялась тем, что, по мнению поэтов, Ньютон «сотворил с этой драгоценной палитрой красок, именуемой радугой». Некоторые поэты и художники XVIII и начала XIX столетия воспринимали Ньютона как личного врага. Им казалось, что он превратил радугу и другие волшебные проявления цвета в сухое математическое упражнение. К таким поэтам принадлежал и Китс. В 1817 году Китс оплакивал радугу, у которой «похищена ее тайна». На одной вечеринке Китс вместе с литератором Чарльзом Лэмом набросились на хозяина дома – английского художника Бенджамина Хейдона за то, что он на одном из своих полотен изобразил голову Ньютона. Молодые люди заявляли, что Ньютон «уничтожил красоту радуги, сведя ее к цветам спектра»61. Полтора года спустя все еще преисполненный негодования Китс вновь обращается к этой теме в поэме «Ламия» (1820):

…От прикосновенья

Холодной философии – виденья

Волшебные не распадутся ль в прах?

Дивились радуге на небесах

Когда-то все, а ныне – что нам в ней,

Разложенной на тысячу частей?

Подрезал разум ангела крыла,

Над тайнами линейка верх взяла,

Не стало гномов в копи заповедной… [7]

В том же году было опубликовано стихотворение Томаса Кэмпбелла «Радуге», заключающее в себе примерно ту же идею, что и у Китса.

На одном из своих рисунков поэт Уильям Блейк изобразил Ньютона в виде обнаженного атлета с измерительным циркулем и написал:

Придумал атом Демокрит,

Ньютон разъял на части свет,

Песчаный смерч Науки спит,

Когда мы слушаем Завет [8] .

В своих работах «К теории цвета» и «Вклад в оптику» Иоганн Вольфганг Гете попытался разработать демонстративно антиньютоновское учение о цвете, основанное исключительно на восприятии цветов. Гете сам провел интересную серию экспериментов и сумел описать и объяснить некоторые аспекты восприятия цвета, на которые не обратил внимания Ньютон. Наблюдения Гете оказали сильнейшее влияние на многих художников, включая Уильяма Тернера.

Однако другая группа художников оценивала достижения Ньютона совершенно иначе. Сам Ньютон не был большим знатоком и любителем искусства. Однажды он с презрением назвал статуи «каменными куклами» и любил цитировать отзыв Исаака Барроу о поэзии: стихи суть не более чем «искусная чепуха». Тем не менее многие художники полагали, что Ньютон раздвинул границы прекрасного. К числу поклонников Ньютона принадлежал, в частности, английский поэт Джеймс Томсон, который, по словам историка науки Марджори Николсон, наряду с некоторыми другими своими современниками научился смотреть на радугу и на закаты «глазами Ньютона»62. Более того, Томсон, по-видимому, полагал, что «только Ньютон видел истинную красоту».

Эта дискуссия поэтов и художников демонстрирует и поныне актуальное разделение людей искусства на тех, кто считает, что научные исследования уничтожают прекрасное, и тех, кто полагает, что наука лишь углубляет понимание красоты. Как-то один знакомый художник заявил физику Ричарду Фейнману, что если люди искусства видят красоту цветка, то ученые способны только разделить цветок на части и превратить его в холодную безжизненную вещь. Фейнмана подобное замечание, однако, не застало врасплох. Он ответил, что как ученый он способен видеть в цветке не меньше, а больше прекрасного, чем кто-либо другой. Как ученый он способен оценить, к примеру, красоту сложных процессов, происходящих в клетках цветка, его роль в эволюционном процессе и экологии. «Научное знание, – заметил Фейнман, – делает благоговейный восторг перед тайной цветка еще более глубоким»63.

Познания в перечисленных областях способны испортить ваше впечатление от красоты цветка не в большей степени, чем ваши познания в области акустики – восторг от талантливого исполнения «Времен года» Вивальди. Чтобы поддерживать в себе чувство преклонения и удивления перед красотой окружающего мира, следует не сторониться естественных наук, а, напротив, активно интересоваться их достижениями.

Рис. 11. Оборудование Кавендиша, предназначенное для измерения плотности Земли

Глава 5. Взвешивание мира

Строгий эксперимент Кавендиша

Английский ученый Генри Кавендиш (1731–1810), один из величайших химиков и физиков XVIII столетия, был также и одним из самых странных. К счастью для него и для науки, его аристократическое происхождение и полученное по наследству состояние давали Кавендишу возможность потакать своим увлечениям, как ему заблагорассудится. В результате ученому удалось разработать и провести удивительный эксперимент, который никому не удалось превзойти по точности на протяжении целого столетия.

Кавендиш говорил нервным визгливым голосом, носил причудливую одежду, которая к тому времени уже полвека как вышла из моды, и всеми способами старался избегать общения с людьми. Его первый биограф, член Королевского общества Джордж Вильсон, отмечал, что, по словам коллег Кавендиша, он одевался примерно так, как одевались их дедушки (особенно обращала на себя внимание высокая треуголка). Кроме того, он был «застенчив и робок до болезненности»64. Когда возникала необходимость с кем-то познакомиться, Кавендиш либо в ужасе выбегал из помещения, либо смотрел куда-то поверх головы того, кому его представляли. Порой он застывал на пороге комнаты, полной людей, не в силах в нее войти. В карете Кавендиш забивался в самый дальний и темный угол, чтобы никто из прохожих не увидел его в окно. А на свои ежедневные прогулки он всегда выходил в одно и то же время и прогуливался по одному и тому же маршруту, обычно следуя посередине дороги, чтобы избежать случайных встреч. Впрочем, когда до него дошли слухи, что соседи знают, когда он выходит на свои прогулки, и специально собираются, чтобы поглазеть на местного чудака, Кавендиш изменил режим и стал прогуливаться по ночам.

Единственный существующий портрет Кавендиша был написан втайне от него. Знакомые ученого, зная, что он никогда не согласится позировать, пригласили художника на один из обедов в Королевском обществе, не поставив в известность самого Кавендиша, и посадили живописца так, чтобы он смог хорошенько разглядеть лицо чудака. Девиз герцогов Девонширских, из рода которых происходил Кавендиш, – Cavendo tutus («Спасение остерегающемуся»), однако Генри в своем поведении довел эту рекомендацию до патологической крайности.

Мать Кавендиша умерла, когда ребенку было всего два года, и больше всего на свете он боялся женщин. Чтобы избежать необходимости общения с собственной экономкой, он вечером оставлял для нее на столе письменные инструкции относительно того, что следует сделать на следующий день. Случайно столкнувшись с ней как-то на лестнице, Кавендиш приказал пристроить в доме специальную заднюю лестницу, чтобы исключить подобные случайности в дальнейшем. Знакомый Кавендиша по Королевскому обществу вспоминал:

...

«Однажды вечером мы обратили внимание на то, что очень хорошенькая девушка выглядывает из верхнего окна дома на противоположной стороне улицы и наблюдает за обедающими философами. Она привлекла наше внимание, и один за другим мы стали подниматься из-за стола и подходить к окну, чтобы полюбоваться красавицей. Кавендиш, который поначалу решил, что мы любуемся луной, поспешил присоединиться к нам, но, подойдя своей неуклюжей походкой к окну и обнаружив истинный предмет нашего исследования, отвернулся с невыразимым омерзением и громко выкрикнул: „Фу!“»65

Кавендиш был предельно педантичен как в жизни, так и в работе. На ужин он ел всегда одно и то же – баранью ногу. Его дневной режим, по воспоминаниям Вильсона, был настолько упорядочен, что «своими постоянством и неизменностью напоминал законы, управляющие движением звезд. Он носил одно и то же платье в течение многих лет, не обращая ни малейшего внимания на перемены в моде. Он вычислял время, когда необходимо пригласить портного, чтобы тот сшил ему новый костюм, так же как он вычислял бы время приближения кометы… Приходя на заседания Королевского общества, свою шляпу он неизменно вешал на один и тот же крючок. Свою трость он постоянно помещал в один из башмаков – и всегда в один и тот же… Таков он был в жизни – удивительный пример разумного часового механизма. Он жил по абсолютно неизменным законам и умер в соответствии с ними, предсказав свою смерть так, словно она была затмением какого-то великого светила (что на самом деле почти так и было), с удивительной точностью просчитав момент, когда тень незримого мира покроет его своим непроницаемым плащом»66.

Вильсона, внимательного и проницательного автора, отличало весьма сложное и противоречивое отношение к человеку, биографию которого он писал. Вынужденный дать оценку личности Кавендиша, Вильсон с невероятным, поистине героическим трудом выжал из себя следующую весьма примечательную характеристику этого выдающегося, но чрезвычайно странного человека:

...

«В нравственном отношении о [его характере] сказать практически нечего, и его можно описать лишь в виде набора отрицаний. Он не любил. Он не ненавидел. Он ни на что не надеялся. Он ничего не боялся. Он ничему не поклонялся. Он отделил себя не только от других человеческих существ, но и от самого Господа Бога. В его характере не было ни малейших признаков каких-либо страстей, энтузиазма, героизма или благородства, но в нем также не было ничего низкого, недостойного, подлого и унижающего человеческое достоинство. Он почти достиг абсолютной бесстрастности. Все, что требовало для своего понимания чего-то большего, чем просто усилия интеллекта, что нуждалось в услугах воображения, фантазии, чувств или веры, вызывало в Кавендише глубочайшее отвращение.

Когда я читаю его [работы], передо мной возникает образ мыслящей головы, пары наблюдающих весьма острых глаз и пары умелых рук, готовящих эксперимент или записывающих его результаты. Его мозг был некой счетной машиной; его глаза – инструментами зрения, но никогда не источником слез; его руки – орудиями опыта, никогда не дрожавшими от волнения и не сжимавшимися от восторга, благодарности или отчаяния; сердце же его было лишь анатомическим органом, необходимым для циркуляции крови.

Но если такое существо, которое сумело перевернуть с ног на голову известное изречение nihil humani me alienum puto [9] , невозможно полюбить, то столь же мало его можно ненавидеть или презирать. Несмотря на всю атрофию или недоразвитость многих способностей, которые мы находим в тех, в ком все стихии пребывают в равномерном смешении, он все-таки был не меньшим гением, чем все те поэты, художники и музыканты с примитивными интеллектом и душой, но с невероятно развитым воображением, перед которыми свет с такой готовностью преклоняет колени»67.

Гений Кавендиша заключался в его особом взгляде на мир и в его роли ученого в нем. Вильсон продолжает:

...

«Теория Вселенной Кавендиша, как кажется, сводилась к тому, что [Вселенная] состоит исключительно из множества объектов, которые можно взвесить, сосчитать и измерить. Своим же призванием он считал задачу взвесить, подсчитать и измерить возможно большее число этих объектов за отпущенные ему годы жизни».

Кавендиш использовал небольшую часть своей резиденции в Клэпхеме (пригороде Лондона) в качестве спальни, остальные же помещения до отказа забил научным оборудованием: термометрами, другими измерительными приборами, астрономическим устройствами – и инструментами для производства подобного оборудования. На верхних этажах он разместил астрономическую обсерваторию, а на ветвях самого большого дерева в саду – метеорологические приборы. Кавендишем владела страсть к модификации различных инструментов, и в результате он внес значительные усовершенствования в уже существовавшие в то время химические весы, электрическое оборудование, ртутные термометры, геологический и астрономический инструментарий. Однако Кавендиша абсолютно не заботил внешний вид его творений, порой настолько непривлекательный, что историки науки обычно отзываются о его инструментах как о «топорных на первый взгляд, но удивительно совершенных». Однажды его экономка с недоумением обнаружила, что он соорудил выпарной аппарат из ночных горшков.

Некоторые историки науки пишут о воздействии, которое оказывает характер ученого на его исследования. В случае с Кавендишем подобное воздействие не вызывает сомнений, но верно также и противоположное: наука влияла на его характер. Требования, которые предъявляли к Кавендишу предпринимавшиеся им сложные и точные измерения, несомненно, способствовали поддержанию и еще большему углублению его невротических черт. С другой стороны, эти же измерения наиболее конструктивным образом фокусировали его душевную энергию, а уважение, которого он добился среди членов Королевского общества, помогало ему сохранять те немногие дружеские связи, которые он с огромным трудом сумел сформировать.

Это уважение, вне всякого сомнения, было заслуженным, так как общеизвестные заслуги Кавендиша были значительными и охватывали целый ряд различных областей. Более того, на самом деле его достижения были еще значительнее, чем полагали его коллеги по обществу, так как Кавендиш, рассматривавший свои открытия как личную собственность, не обнародовал многие из них отчасти потому, что был крайне скрытен, а отчасти из-за того, что считал работу незаконченной и требующей дальнейших уточнений. За полвека непрерывной научной деятельности, которой он был в буквальном смысле слова одержим, Кавендиш написал менее двадцати статей и ни одной книги. В результате закон Ома (описывающий отношение между напряжением, сопротивлением и силой тока) и закон Кулона (характеризующий силу, возникающую между двумя электрически заряженными телами) не были названы в честь человека, впервые их открывшего. Подобно шедеврам, которые спрятал на чердаке художник, вечно неудовлетворенный своими произведениями, эти открытия десятилетиями были скрыты на страницах записных книжек Кавендиша и обнаружены лишь через много лет изумленными редакторами и историками.

Вновь обратимся к Вильсону:

...

«Прекрасное, Возвышенное и Духовное, по-видимому, лежали за пределами горизонтов его восприятия… Многие из наших естествоиспытателей обладают сильным и развитым эстетическим чувством и способны получать истинное удовольствие от одного или нескольких изящных искусств. Однако Кавендиш ни на одно из них не обращал никакого внимания»68.

Кавендиша влекла гораздо более глубокая и суровая эстетика. Он обладал почти инстинктивным чувством правильности измерений и интуитивно находил самые простые способы их проведения. Кроме того, он был буквально одержим идеей доведения своих измерительных инструментов до идеальной точности. Его первая работа, опубликованная в 1766 году, когда Кавендишу было тридцать пять лет, посвящена проблеме измерений в химии. А в последней статье, вышедшей в 1809 году, за год до его смерти, рассматривались вопросы измерений в астрономии. В промежутке же между этими публикациями Кавендиш с идеальной точностью взвесил и измерил множество самых разных вещей.

Одной из таких вещей была наша планета. Эксперимент Кавендиша, проведенный в 1797–1798 годах для определения плотности Земли, стал одним из шедевров ученого, и его фанатическое стремление к точности достигло здесь своего апогея. Ученый сделал массу других открытий, но именно этот эксперимент вошел в историю под названием «эксперимента Кавендиша».

Experimentum crucis Ньютона был тем, что историки науки именуют экспериментом-открытием, так как с его помощью была открыта новая и неожиданная характеристика окружающего нас мира в той области, где научная теория тогда была достаточно слаба. Кроме того, Ньютон выделил его из целой серии экспериментов и сделал чем-то вроде специальной демонстрации, показательной для всех остальных его исследований.

Эксперимент Кавендиша был чисто измерительным экспериментом, главной особенностью которого является высочайшая степень точности. Помимо прочего, он не был частью серии экспериментов и основывался на относительно хорошо проработанном теоретическом базисе. Свое истинное значение он приобрел лишь спустя определенное время. Если целью Кавендиша было измерение плотности, или «веса» Земли, то ученые, приводившие закон гравитации Ньютона в его более точную современную форму, обнаружили, что эксперимент Кавендиша является превосходным способом измерения значения чрезвычайно важной величины G – универсальной гравитационной постоянной.

* * *

Путь, который привел Кавендиша к великому эксперименту, начался, как бывало с ним довольно часто, с вопроса о точности – в данном случае о точности географических инструментов. В 1763 году английского астронома Чарльза Мейсона и топографа Иеремию Диксона командировали в Новый Свет для разрешения давнего пограничного спора между двумя британскими колониями – Пенсильванией и Мэрилендом. Результатом этой поездки стало проведение линии Мейсона – Диксона – важной границы в истории Соединенных Штатов, символически отделявшей рабовладельческий Юг от свободного Севера. Кавендиш задался вопросом, насколько точна была работа картографов. Ведь Аллеганский горный массив, расположенный к северо-западу от линии, должен был оказывать определенное гравитационное воздействие на измерительные приборы Мейсона и Диксона, и это воздействие не могло быть компенсировано эквивалентной массой с юго-востока: там простирается Атлантический океан, а вода обладает гораздо меньшей плотностью, чем любая горная порода.

Разница в плотности гор и океанов навела Кавендиша на мысль о средней плотности Земли в целом – предмет, который мог представлять интерес не только для топографов, но и для ученых многих других специальностей, включая физиков, астрономов и геологов.

Согласно Ньютону, гравитационное притяжение между двумя телами прямо пропорционально их плотности. По относительному гравитационному притяжению, которым обладают астрономические тела по отношению друг к другу, можно узнать их относительную плотность. Ньютон, к примеру, рассчитал, что плотность Юпитера составляет четвертую часть плотности Земли. И, основываясь на относительной плотности материи на поверхности Земли и в шахтах, Ньютон высказал поразительно точное предположение о ее плотности. Он писал: «…правдоподобно, что все количество вещества Земли приблизительно в пять или шесть раз больше того, как если бы она вся состояла из воды»69. Однако в тот момент никто не располагал способами измерить Землю. Для этого необходимо было измерить притяжение между двумя объектами известной плотности. Отношение величины притяжения между такими объектами к их плотности можно было бы сравнить с отношением величины притяжения между ними и Землей и таким образом определить общую плотность Земли. Однако тела, с которыми можно было работать в лабораторных условиях, обладали настолько незначительной гравитацией, что Ньютон и его коллеги считали невозможными их измерения.

Альтернативный метод заключался в том, чтобы измерить, с какой силой большая масса земли известной плотности (как, например, геометрически более или менее правильная и геологически однородная гора) воздействует на небольшой объект, например на подвешенное грузило, отклонения которого от вертикального положения могут быть точно измерены. Однако измерения, проведенные самим Ньютоном, его разочаровали: «Незаметно какого-либо ее [силы тяжести] уменьшения на вершинах даже самых высоких гор», – писал он70.

Вопрос о плотности Земли был настолько важен для астрономов, физиков, геологов и топографов, что в 1772 году Королевское общество создало специальный Комитет притяжения с целью измерения плотности Земли. Астроном Невил Маскелайн описал это предприятие как попытку сделать «всемирную гравитацию ощутимой». Комитет, в члены которого входил и Кавендиш, решил испробовать метод с грузилом. В 1775 году Королевское общество профинансировало экспедицию для проведения этого эксперимента – спланированного в основном Кавендишем, но реализованного Маскелайном – к невысокой, но имеющей правильную геометрическую форму горе Шихаллион в Шотландии. Поначалу эксперимент пришлось отложить из-за испортившейся погоды, но после того, как он все-таки был завершен, Маскелайн устроил грандиозный пир для местных фермеров, в ходе которого был выпит сорокалитровый бочонок виски, а вслед за этим случился пожар, возникший по вине самих участников торжества, и дом, в котором они пьянствовали, полностью сгорел. Эта вечеринка вошла в шотландский фольклор, о ней упоминается в одной из гэльских баллад71.

Тем временем в Лондоне некий математик на основе собранных в Шотландии сведений пришел к выводу, что плотность Земли в 4,5 раза превосходит плотность воды, если исходить из того, что отношение средней плотности Земли к плотности горы Шихаллион составляет 9/5 и что плотность горы в 2,5 раза больше плотности воды. Маскелайн получил за свои измерения медаль, а на церемонии ее вручения глава Лондонского королевского общества провозгласил, что ньютоновская система «завершена».

Кавендиш, естественно, ни в каких торжествах и пиршествах участия не принимал и вообще не ездил на Шихаллион. Его, в отличие от Маскелайна и коллег по Лондонскому королевскому обществу, полученный результат совсем не удовлетворил. Откуда им известно, что отношение плотности Земли к плотности горы составляет именно 9/5 и что плотность горы в 2,5 раза больше плотности воды? Без установления точного состава горы и ее размеров все измерения плотности Земли останутся весьма и весьма приблизительными. Кавендиш пришел к выводу, что по-настоящему точные измерения плотности Земли могут быть сделаны только в лаборатории с использованием тел известной формы и состава. Правда, как ему было отлично известно, главная сложность при таком измерении будет заключаться в том, что оцениваемая сила будет чрезвычайно мала. Если великий Ньютон полагал, что даже большая гора неспособна продемонстрировать гравитационную силу значимой величины, то что можно сделать в лаборатории?

Как было ему свойственно, Кавендиш молча обдумывал данную проблему на протяжении многих лет, одновременно работая над другими вещами. Но как-то он упомянул об этом вопросе в разговоре с одним из своих немногочисленных друзей – преподобным Джоном Мичеллом. Мичелл был не только священником, но и довольно известным геологом, изучавшим внутреннее строение Земли. Его приняли в Королевское общество в 1760 году, в том же году, что и Кавендиша. В 1783 году, узнав, что у Мичелла возникли проблемы со здоровьем (а он как раз пытался изготовить телескоп чрезвычайно больших размеров), Кавендиш написал другу:

...

«Если Ваше здоровье не позволяет Вам продолжать начатое предприятие, то, возможно, оно, по крайней мере, позволит Вам заняться значительно менее сложной задачей – взвешиванием Земли»72.

Мичелл, который, подобно Кавендишу, был занят одновременно несколькими экспериментами, потратил десять лет на изготовление устройства для взвешивания Земли, но умер, так и не успев пустить его в дело. В конце концов оборудование оказалось в распоряжении Кавендиша, и тот посвятил несколько лет его усовершенствованию, чтобы добиться большей точности. Наконец осенью 1797 года он приступил к эксперименту. Несмотря на то, что Кавендишу к тому времени было почти шестьдесят семь лет, он взялся за проведение опыта с необычайной энергией и часами проводил наблюдения, с удивительной настойчивостью локализуя источники возможных ошибок и постоянно внося все новые и новые усовершенствования. Результаты его работы были опубликованы в журнале Лондонского королевского общества в июне 1798 года в виде статьи на 57 страницах73. Значительная ее часть была посвящена скрупулезнейшему описанию усилий экспериментатора по отслеживанию всех возможных источников ошибок, и один из комментаторов даже сетовал, что статья «производит впечатление диссертации об ошибках». Начинается же она довольно просто:

...

«Много лет назад ныне покойный преподобный Джон Мичелл, член данного общества, придумал метод определения плотности Земли, заключавшийся в установлении силы притяжения небольших количеств материи. Однако из-за занятости другими делами он смог завершить изготовление своего аппарата лишь незадолго до смерти, и ему не удалось провести на нем никаких экспериментов…

Сам аппарат очень прост. Он состоит из деревянного бруса в шесть футов в длину, который изготовлен так, чтобы при большой прочности иметь небольшой вес. Названный брус подвешен в горизонтальном положении на тонкой проволоке в 40 дюймов длиной, и к каждому его концу привешен свинцовый шар около 2 дюймов в диаметре. Все сооружение находится в узком деревянном футляре для защиты от сквозняка».

* * *

Мичелл намеревался измерить притяжение между этими двухдюймовыми металлическими сферами, размещенными на обоих концах подвешенного к потолку бруса (получилось нечто похожее на громадную гантель), и двумя восьмидюймовыми сферами, которые можно было приблизить к двухдюймовым шарам. Мичелл планировал медленно приближать сферы большего веса к меньшим, прикрепленным к брусу. Таким образом, если вы, предположим, смотрите с потолка на брус и меньшие шары находятся, скажем, в точке 0° и в точке 180°, большие шары будут находиться, соответственно, в точках 30° и 210°.

Притяжение между каждой парой шаров (одним большим и другим меньшим) приведет брус в движение. А так как проволока, на которой подвешен брус, подвижна, то названное движение приобретет характер едва заметного покачивания бруса. Измерение характеристик этого покачивания позволило бы Мичеллу высчитать силу притяжения между шарами. А эта информация (вкупе с известной уже силой притяжения между шарами и Землей) позволила бы определить среднюю плотность Земли.

Однако на второй странице статьи Кавендиша мы находим описание основной сложности этого подхода. Сила притяжения между шарами будет чрезвычайно мала – всего одна пятидесятимиллионная от их веса. «Совершенно очевидно, – писал Кавендиш, – что вмешательство самой незначительной внешней силы способно полностью исказить результаты эксперимента». Едва уловимое движение воздуха, магнитное возмущение и любое другое внешнее воздействие могут сделать этот эксперимент практически бессмысленным. Поэтому, когда оборудование Мичелла попало в руки Кавендиша, он «решил большую его часть сделать заново», обнаружив, что оно «не так удобно, как хотелось бы».

Слово «удобно» в данном контексте, конечно же, эвфемизм. Кавендиш усердно и непрерывно работал над усовершенствованием условий эксперимента. Первое, с чего он начал, было увеличение размера шаров – они стали двенадцатидюймовыми сферами весом в 350 фунтов каждая. Но даже и в этом случае главной целью оставалась защита от вмешательства внешних воздействий, и именно достижению этой цели Кавендиш посвятил свои основные усилия. Необходимость уменьшить угрозу воздействия подобных сил и взять их под контроль стала, пожалуй, самым серьезным вызовом натуре Кавендиша, к подобным вызовам привычной.

Самой первой и наиболее сложной проблемой была температурная разница в помещении. Если одна часть оборудования оказывалась чуть теплее своего окружения, в помещении возникали воздушные потоки, которые воздействовали на положение бруса. Телесное тепло от человека, находящегося в комнате, так же, как и тепло, исходящее от лампы, рассматривалось как существенный источник возмущения:

...

«Убедившись в необходимости обеспечить возможно более надежную защиту от названного источника ошибок, я принял решение поместить аппарат в комнату, которая будет постоянно заперта, а за движением бруса наблюдать извне с помощью телескопа. [Кроме того, необходимо было] подвесить свинцовые гири так, чтобы я мог перемещать их, не входя в комнату…»

Кавендиш разместил модифицированное устройство Мичелла в небольшом садовом домике у себя в Клэпхеме и изолировал помещение от всяких внешних воздействий. Чтобы можно было проводить эксперимент, не входя в комнату, потребовались дополнительные усовершенствования. Кавендиш водрузил большую пару гирь на систему блоков, чтобы ими можно было медленно и постепенно манипулировать, не входя внутрь (рис. 12). К каждому концу «гантели» он прикрепил стрелки из слоновой кости – с их помощью Кавендиш смог определять положение шаров с точностью, превосходящей тысячную долю дюйма. В стены были встроены телескопы, позволявшие наблюдать за стрелками снаружи. Чтобы можно было проводить эксперименты также и в темноте, Кавендиш установил над каждым телескопом лампу с линзами, фокусировавшими свет на стрелках через крошечные стеклянные оконца.

Рис. 12. Рисунок Кавендиша, изображающий пару небольших шаров, подвешенных к обоим концам кронштейна, заключенного в футляр. Рядом размещена пара более массивных грузов

В ходе эксперимента Кавендиш медленно поворачивал большие гири рядом с футляром, содержавшим шары, привешенные к брусу. Притяжение между гирями и шарами должно было воздействовать на брус и привести его в движение. Измерение возникавших таким образом микроскопических колебаний могло занять до двух с половиной часов непрерывного и внимательного наблюдения.

В ходе переделки оборудования и попыток достичь высшего уровня точности Кавендиш столкнулся с явлением, которое теперь известно под названием «компромисс экспериментатора». Каждую часть оборудования нужно настроить максимально надежно и точно, однако не переступив предел, за которым дальнейшее усовершенствование одних элементов может привести к худшей работе других компонентов оборудования. Если, к примеру, сделать шары на брусе большего размера, то это увеличит наглядность эксперимента, но одновременно снизит его точность из-за усиления давления на брус и на поддерживающую его проволоку. Если усилить брус, чтобы скомпенсировать названные последствия, возрастет нагрузка на проволоку. Усиление проволоки повлекло бы за собой необходимость увеличения силы, требуемой для воздействия на металлический стержень, а это снизит достоверность эксперимента и таким образом сведет на нет эффект, достигнутый было с помощью шаров большего веса. Гений Кавендиша как раз в том и заключался, что ученый нашел оптимальный компромисс и добился максимального эффекта и максимальной точности от всех составляющих эксперимента.

Хотя Кавендиша больше всего беспокоили потоки воздуха, которые могли помешать проведению эксперимента, его также заботила проблема воздействия гравитационного притяжения металлических стержней, использовавшихся для подвешивания больших шаров и сближения их с малыми. Это заставило его на время отказаться от шаров и измерять притяжение только между стержнями, а впоследствии заменить и их на медные, чтобы проверить эффект магнетизма. Далее Кавендиш задался вопросом, достаточно ли эластична проволока, на которой подвешен брус. Он провел ряд проверочных экспериментов с ней, и хотя результаты подтвердили достаточную эластичность проволоки, все же заменил ее другой, более подходящей. Обеспокоенный тем, что двухдюймовые шары могли намагнититься из-за постоянной ориентации в магнитном поле Земли в течение довольно длительного времени, Кавендиш стал время от времени вращать шары, чтобы предотвратить названный эффект, а впоследствии заменил шары на магниты, чтобы измерить, какова будет сила притяжения при воздействии земного магнетизма. Перед нами пример того, что называют «бдительностью экспериментатора»: если ты заподозрил присутствие некоего возмущающего воздействия в своем эксперименте, увеличь это воздействие до такой степени, чтобы его можно было измерить и в дальнейшем скомпенсировать. Затем Кавендиш задался вопросами относительно гравитационного притяжения между футляром из красного дерева, в котором находился брус, меньшими шарами и бо́льшими шарами. Измерения подтвердили, что такое притяжение ничтожно мало, однако Кавендиш посвятил данному вопросу специальное приложение к своей статье.

Подобные измерения требовали не просто тщательности и скрупулезности. Чтобы оценить, что происходит в каждом данном случае, и суметь отследить, измерить и скомпенсировать любое внешнее воздействие, Кавендишу приходилось использовать громадные познания в самых разных научных областях своего времени, от электричества и магнетизма до теплопередачи, математики и теории гравитации.
Кавендишу была известна плотность шаров в обеих парах и сила притяжения между шарами и Землей. В том случае, если бы ему удалось определить силу притяжения между двумя парами шаров, он мог бы воспользоваться отношением величины притяжения между данными объектами к величине их плотности для установления средней плотности Земли. «С помощью экспериментов, – заключает Кавендиш, – выясняется, что плотность Земли в 5,48 раза больше плотности воды», а затем добавляет с нескрываемым удовлетворением, что «результат определен с очень большой точностью». Не без некоторого торжества он отмечает несоответствие между полученным им результатом и тем, который с таким шумом и помпой был объявлен двадцатью пятью годами ранее у Шихаллиона. Результат Кавендиша «…значительно больше отличается от прежде полученных данных, нежели я предполагал». Тем не менее, с присущими ему скромностью и осторожностью, Кавендиш добавляет, что склонен воздержаться от окончательных выводов относительно результатов эксперимента у Шихаллиона:
...

«…до того, как у меня появится возможность более внимательно изучить, насколько на ранее полученные данные оказывали влияние внешние воздействия, которые я в настоящий момент не могу измерить».

* * *

Несколько ранее в той же статье Кавендиш пишет, что один потенциальный источник воздушных потоков стал причиной «дефекта, который я намерен исправить в следующих экспериментах». Совершенно очевидно, что он рассматривал данный эксперимент как часть длительной непрерывной работы, некий итог определенного ее этапа на пути ко все большей точности. Он был полон идей по дальнейшему усовершенствованию своей методики.

Тем не менее случилось так, что Кавендиш больше ни разу не повторил своего эксперимента. Это сделали за него другие ученые. В течение всего следующего столетия самые разные исследователи воспроизводили его эксперимент с использованием разнообразных новых методов, пытаясь достичь большей точности, но результат их усилий был весьма ничтожен. Парадоксальным образом самой большой ошибкой в эксперименте, проведенном Кавендишем, оказалась крайне нехарактерная для него чисто математическая ошибка, на которую уже несколько лет спустя обратил внимание один из его коллег.

Однако в течение XIX столетия с этим экспериментом произошла странная вещь. Эволюционировала его цель. Вопрос средней плотности Земли утратил свою былую научную ценность в сравнении с константой в уравнении, которое в настоящее время описывает ньютоновский закон всемирного тяготения. В современных терминах ньютоновский закон формулируется следующим образом: гравитационная сила притяжения F между двумя сферическими телами, имеющими массу М1 и М2 и находящимися на расстоянии r друг от друга, находится в прямо пропорциональной зависимости от произведения этих масс, деленного на квадрат расстояния между ними и умноженного на константу, представляющую величину гравитационной силы, известную как G . Переводя сказанное на язык формул, получаем: F = GM1M2/r2 . И хотя Кавендиш не знал ньютоновского закона в такой форме и важнейшая константа G не упоминается в его статье, физики спустя некоторое время поняли, что она относительно легко выводится из удивительно точного эксперимента Кавендиша. И в дальнейшем этот эксперимент проводился именно с этой целью, а не с целью определения плотности Земли. В 1892 году один из ученых, повторивших эксперимент Кавендиша, писал:

...

«Принимая во внимание универсальное значение постоянной G, мне представляется явным упрощением цели эксперимента считать его основным смыслом определение массы Земли, ее средней плотности или даже ее веса»74.

В 1870-е годы, через полвека после смерти Генри Кавендиша, при Кембриджском университете была на средства ректора Уильяма Кавендиша, дальнего родственника ученого, организована ныне знаменитая в научном мире Кавендишская лаборатория.

В настоящее время студенты продолжают проводить эксперимент Кавендиша, естественно, с применением значительно более современных технологий: например, для измерения отклонения шаров используется луч лазера, отражающийся от зеркал, прикрепленных к шарам. Проведенный правильно, данный эксперимент дает представление о величине той силы, которая удерживает всю материю, всю Вселенную. Исходя из числового выражения этой величины, можно с достаточной точностью описывать и прогнозировать поведение объектов, вращающихся вокруг Земли, движение планет в Солнечной системе, движение галактик с момента Большого взрыва и так далее.

Биограф Кавендиша Джордж Вильсон, весьма неоднозначно воспринимавший своего героя, писал:

...

«Он был одним из тех благодетелей своего народа, которые терпеливо наставляют человечество и служат ему и в ответ получают лишь неблагодарность: те, кого он облагодетельствовал, отворачивались от него из-за его холодности и насмехались над его странностями. Он не мог петь им сладких песен или создавать прекрасные вещи, которые могли бы приносить „вечное наслаждение“, он не мог трогать их души, разжигать в них страсти или же развивать в них чувство благоговения или сердечный пыл. Он не был ни Поэтом, ни Священником, ни Пророком, он был лишь холодным чистым Разумом, излучавшим свет ясности, озарявший собой все, куда бы он ни проникал, ничего не согревая при этом, – он был Звездой, по крайней мере, второй, если не первой величины на Интеллектуальной Тверди»75.

Красота, которую создавал Генри Кавендиш, была совершенно иного порядка. Инструмент, которым он пользовался, был не слишком привлекателен внешне, процесс творчества – однообразен и утомителен, а математический аппарат – чрезвычайно сложен. Однако благодаря своей бескомпромиссной методологической четкости (вспомните, как тщательно Кавендиш выявлял источники возможных ошибок и заменял незначительные, казалось, части оборудования, пока не добился нужной ему цели) эксперимент Кавендиша представляет собой, пожалуй, исключительный пример особой, строгой красоты.

Интерлюдия Наука в популярной культуре

Если честно, то упоминавшаяся выше гэльская баллада о Маскелайне не имеет никакого отношения ни к науке вообще, ни к эксперименту в Шихаллионе в частности, ни даже к последовавшей за экспериментом вечеринке. Баллада была написана скрипачом, присутствовавшим на упомянутой вечеринке, и повествует о его скрипке («мое богатство и моя любовь»), которая сгорела в пожаре, устроенном пирующими. Маскелайн появляется в балладе лишь потому, что обещал подарить музыканту новую скрипку и выполнил свое обещание.

Короче говоря, баллада служит еще одним примером пропасти, отделяющей естественные науки от массовой культуры. В кино, к примеру, наука предстает по большей части лишь как предлог для чего-то еще – погони, детективной истории или конфликта добра со злом, сама же наука отодвигается на задний план. Персонажи-ученые, как правило, представлены довольно ограниченным набором довольно поверхностных стереотипных ролей: умный, но злобный негодяй или рассеянный чудак, очень хорошо разбирающийся в своей науке, но совершенно не приспособленный к жизни и неспособный к нормальному человеческому общению. В таких фильмах, как «Инопланетянин» и «Всплеск», холодные и бесчувственные ученые едва не становятся виновниками гибели беззащитных героев.

Подход искусства и массовой культуры к науке и научной проблематике чрезвычайно важен, ведь популярное искусство – это важнейший форум, на котором общество формулирует и обсуждает свои главнейшие устремления и опасения. Неспособность искусства и массовой культуры адекватно изобразить научные проблемы вызывает определенную тревогу, учитывая, насколько глубоко и прочно наука проникла в современную жизнь. Постоянно воспроизводимые стереотипы науки как холодной и чуждой простому человеку заставляют воспринимать ее как враждебную и потенциально опасную. Конечно же, подобный подход исключает любой поиск красоты в науке, так как мешает пониманию того, насколько тесно наука связана со всем красивым и чудесным в нашем мире.

Даже у тех людей искусства, которые берутся за научную тематику с самыми благими намерениями, изображение науки в художественном произведении вызывает значительные трудности. Если вы считаете, что восприятие красоты в научном эксперименте требует особой подготовки, обратите внимание на некоторые произведения искусства, вдохновленные наукой. Много примеров подобных произведений можно было найти в 2003 году на выставках, посвященных пятидесятой годовщине открытия структуры ДНК. Они спровоцировали обозревателя The New York Times Сару Боксер на колкость: «Подобно самой ДНК, искусство, ей посвященное, также требует расшифровки». Воспринимать произведения, представленные в некоторых галереях, писала Боксер, это то же самое, что прослушивать музыкальные произведения в сопровождении голоса, постоянно шепчущего вам на ухо, что означает только что исполненная часть. «Если вы хотите понять связи ДНК, – продолжает Боксер, – вам следует очень многое прочесть»76.

Театр – великолепное место для интеграции науки в искусство, если принять во внимание, насколько сложные человеческие коллизии он способен изображать. Но даже на сцене историческая и научная истины часто искажаются, чтобы сделать ситуацию более «правдоподобной» или привлекательной для зрителя. В качестве примера можно привести пьесу немецкого драматурга Хайнара Киппхардта «Дело Роберта Оппенгеймера» (1964). Пьеса основана на стенограммах знаменитых «оппенгеймеровских слушаний» 1954 года, в ходе которых руководитель Манхэттенского проекта пытался вернуть себе право работы с секретными материалами. Оппенгеймер был лишен этого права, поскольку нажил себе много врагов активным сопротивлением планам создания водородной бомбы, а также из-за того, что когда-то исповедовал левые взгляды. Кипхардт зачем-то выдумал заключительную речь Оппенгеймера и внес другие коррективы, против которых решительно возражал сам Оппенгеймер (в дальнейшем ученый совместно с одним французским режиссером работал над «исправлением» пьесы Кипхардта, однако исторически точный вариант оказался совершенно безжизненным).

Среди тех драматургов, которые успешно эксплуатируют в своих произведениях научную терминологию, образы и идеи и при этом достигают нужного драматического эффекта, можно назвать Тома Стоппарда с его пьесами «Хэпгуд» и «Аркадия». Некоторые ученые тоже эффективно используют театр для популяризации своих научных концепций в драматической форме: к примеру, один из изобретателей противозачаточной пилюли Карл Джерасси написал пьесы «Непорочное заблуждение» и (в соавторстве с химиком Роальдом Хофманом) «Кислород».

Одна из немногих театральных пьес, посвященных научной тематике, – «Копенгаген» Майкла Фрейна, главные герои которой – ученые Вернер Гейзенберг и Нильс Бор, а также жена последнего Маргарет. В действие вовлекается и часть зрителей: они сидят на специальных местах, стилизованных под скамьи трибунала, лицом к зрительному залу. Это новшество задумано, чтобы подчеркнуть, что за каждым наблюдателем также ведется наблюдение и что ни один наблюдатель не может наблюдать самого себя – театральный эквивалент принципа неопределенности. Мне лично кажется, что это не самый лучший способ подчеркнуть оригинальность пьесы, так как отделенность театрального действия от публики – принцип столь же старый, как и сам театр.

Однако самой важной особенностью пьесы, которая и делает сочетание науки и искусства весьма органичным, является роль Маргарет. Она, словно хор в античной трагедии, как бы выражает наш взгляд на происходящие события. Но она не просто наблюдатель, заинтересованный и симпатизирующий неспециалист, требующий, чтобы для него сложную научную терминологию перевели на простой человеческий язык. Маргарет непосредственно вовлечена во все происходящее в пьесе и порой становится виновницей некоторых событий. Известно, что Нильс Бор писал с огромным трудом, многие были уверены, что он страдает дислексией, и бо́льшая часть его рукописей и писем подготовлена с помощью Маргарет. Она в каком-то смысле становится соучастником происходящего, хотя у нее нет иллюзий относительно того, что вещи, по поводу которых она задает вопросы, чрезвычайно далеки от нее.

Роль Маргарет служит нам напоминанием о том, насколько прочно наука вошла в нашу жизнь. Некоторые считают науку некоей гигантской замкнутой корпорацией, однако на самом деле наука настолько тесно связана со всем нашим миром, с нашим самовосприятием и нашим взглядом на Вселенную, что от нее практически невозможно дистанцироваться. Науку лучше сравнить не с корпорацией, а с некоей коммерческой системой, любые изменения в которой вызывают непредсказуемые последствия в человеческом обществе. Тесная и неразделимая взаимосвязь науки, человеческого общества и нашего мировосприятия предполагает, что «Копенгаген» не должен остаться исключением и что множество пьес на подобную тему могут и должны быть написаны. Это послужило бы еще одним подтверждением того, что наука может быть органично интегрирована в искусство и стать еще одним из источников прекрасного.

Рис. 13. Интерференционная картина (внизу), возникающая при прохождении луча света (вверху) через две расположенные рядом щели (рисунок Юнга)

Глава 6. Свет и волна

Прозрачная аналогия Юнга

Англичанин Томас Юнг (1773–1829) родился и вырос в строгой атмосфере квакерской семьи. И хотя к своему совершеннолетию он уже не был излишне религиозным человеком и предпочитал религии музыку, искусство, верховую езду и танцы, многое в характере Юнга определялось его квакерским воспитанием, от которого происходили и слабые, и сильные стороны его характера. Как истинный квакер, он был искренним, вежливым, благородным и прямым, приобрел независимость и глубину суждений. Эти черты, вне всякого сомнения, помогли ему открыть волновую («волнообразную», как говорили в его время) природу света и бросить вызов преобладавшей на тот момент корпускулярной теории, которой, как тогда считалось, придерживается Ньютон. Однако Юнг унаследовал также и квакерскую склонность к предельному лаконизму, из-за чего многие считали ученого человеком чрезвычайно холодным и высокомерным. Порой Юнг ставил собеседника в тупик и даже обижал собеседника, безапелляционно высказывая какое-нибудь краткое суждение и не заботясь о каких-либо объяснениях. Подобное поведение часто вредило карьере Юнга и восприятию окружающими его идей.

В то же время стремление Юнга к прямоте и краткости проявилось и в его способности придумывать демонстрации, которые отличались особой ясностью и убедительностью. Самой знаменитой из них стал эксперимент с двумя прорезями, в настоящее время часто называемый просто «экспериментом Юнга» – потрясающе простое доказательство того, что, вопреки мнению Ньютона, свет ведет себя как волна, а не как поток крошечных частиц. Эксперимент Юнга – классический пример успешного использования аналогии в науке. Самым убедительным образом продемонстрировав волновое поведение света, ученый произвел то, что можно назвать «онтологической вспышкой», – давно знакомое явление предстало в некоем новом свете, фундаментальным образом отличным от того, в котором оно воспринималось ранее77.

* * *

То, что Юнг – вундеркинд, стало понятно уже вскоре после его рождения. К двум годам он уже умел читать. К шести дважды прочел Библию от корки до корки и начал самостоятельно изучать латынь. Вскоре он овладел более чем десятком языков. Юнг был одним из первых, кто принял участие в разгадке египетских иероглифов, и он сыграл ключевую роль в расшифровке Розеттского камня78.

С 1792 по 1799 год Юнг изучал медицину, однако успеха на этой стезе так и не добился, отчасти потому, что не умел общаться с пациентами. В годы учения Юнг заинтересовался феноменом человеческого зрения и особенно строением хрусталика глаза, удивительно адаптивной и сложной линзы. В дальнейшем в ходе изучения медицины он начал проявлять интерес к звуку и человеческому голосу, задавшись вопросом, не являются ли звук и свет по сути своей схожими феноменами. К тому времени уже было известно, что звук создается волновыми колебаниями воздуха, и Юнг предположил, что свет тоже состоит из волн. Такая точка зрения противоречила преобладавшей тогда теории, что свет состоит из крошечных частиц – «корпускул» в терминологии Ньютона, которые движутся по прямым линиям от источника света.

Признаки волноподобного поведения света отмечались различными учеными еще в 1660-е годы. Главными среди них были явления дифракции света, обнаруженные итальянским ученым-иезуитом Франческо Гримальди. Он заметил, что когда свет, проходя через узкую щель, падает на стену, в обе стороны от краев центральной узкой яркой полоски идут, чередуясь и постепенно ослабевая, разноцветные полосы, что указывает на поперечное отклонение света от краев щели в область тени. Еще одной характеристикой была рефракция, или преломление светового луча на границе двух сред с разными оптическими свойствами, что, по утверждению главного ньютоновского оппонента Роберта Гука, проще было объяснить, если исходить из волновой, а не корпускулярной теории света. Датский ученый Расмус Бартолин описал странное явление двойного лучепреломления, обнаруженное им в некоторых кристаллах, найденных во время экспедиции в Исландию в 1668 году. Если на исландский шпат, как стали называть эти кристаллы, падал луч света, он разделялся на два луча, которые вели себя совершенно по-разному. Это явление поставило в тупик ученых той поры: его было крайне сложно объяснить, считая свет потоком корпускул.

Однако все эти явления настолько незначительны, что многие ученые просто не обращали на них внимания; более того, непонятно было, каким образом эти явления связаны друг с другом. Особенно убедительные аргументы против волновой теории выдвинул Ньютон. Он указал на множество фактов, которые противоречат ей, и полагал, что вскоре найдутся объяснения для незначительных аномалий дифракции и рефракции. Как писал он в своей «Оптике» в 1704 году, волны не движутся по прямой линии, но огибают объекты, встречающиеся им на пути, чего со светом не происходит:

...

«Волны на поверхности стоячей воды, проходя вокруг широкого препятствия, задерживающего часть волн, после этого загибаются и постоянно расширяются в покоящуюся воду за препятствием. Волны, пульсации или колебания воздуха, из каковых состоит звук, ясно загибаются, хоть и не так сильно, как водяные волны. Ибо колокол или пушку можно слышать за холмом, загораживающим вид звучащего тела, и звук распространяется так же легко по извилистым трубкам, как по прямым. Относительно света неизвестно ни одного случая, чтобы он распространялся по извилистым проходам или загибался внутри тени. Ибо при прохождении одной из планет между Землей и неподвижными звездами последние перестают быть видимыми…»79

* * *

Несмотря на авторитет Ньютона, Юнга захватила идея о том, что звук и свет все-таки являются сходными феноменами. А так как медицинская практика отнимала у него не так уж много времени и энергии и особого пристрастия не вызывала, он смог полностью отдаться научным изысканиям в этой области. Юнг регулярно посещал заседания незадолго до того образованного Королевского института, основной целью которого было распространение «полезных новшеств в механике» и «обучение применению науки с пользой для жизни». В 1801 году он был избран профессором этого престижного учреждения, и одной из главных его обязанностей была подготовка и чтение серии лекций по «естественной философии и механическим искусствам».

Упомянутые лекции демонстрируют определенные способности Юнга не только к экспериментальной науке, но и к преподавательской деятельности. Кроме того, это настоящая золотая жила для современных историков науки, так как в них кратко, но с удивительной тщательностью и точностью обобщается практически весь спектр научных знаний того времени. Трудно даже представить область знания, о которой Юнг не имел бы вполне профессионального представления. Кроме этого, он использовал свои лекции для обсуждения некоторых фундаментальных концепций. На одной из них присутствующие услышали термин «энергия», который был тогда впервые употреблен в его современном научном смысле. В то же время лекции подчас превращались в настоящее испытание для слушателей, так как лаконичный и несколько монотонный стиль изложения Юнга в сочетании с широчайшим диапазоном затрагиваемых тем превращал их в сложное и изматывающее интеллектуальное упражнение. Через два года Юнг отказался от почетного титула профессора Королевского института, и более подходящее применение для его талантов нашло в 1802 году Лондонское королевское общество, назначившее Юнга секретарем по внешним связям. Огромную пользу на этом посту Юнгу приносило владение множеством иностранных языков, и ученый занимал его до конца жизни.

За год до вступления в члены Королевского института, в 1800 году, Юнг опубликовал свою первую крупную работу, где рассматривалась аналогия между звуком и светом: «Опыты и проблемы по звуку и свету»80. Еще несколько лет ушло на разработку эксперимента, который войдет в историю под именем ученого и подтвердит упомянутую аналогию. Однако трактат 1800 года стал значительной вехой в истории науки, поскольку содержал первое объяснение явления интерференции, на котором будет основан знаменитый эксперимент Юнга. Объяснение состояло в том, что при встрече двух волн результирующее движение соединяет в себе характеристики движения каждой волны в отдельности. «Интерференция» – не вполне удачный термин для этого явления, так как он предполагает нечто незаконное, агрессивное, в общем, негативное, на самом же деле происходит просто соединение двух сущностей, которые в результате порождают новую сущность. Возможно, чувствуя это несоответствие, Юнг часто употреблял более элегантный термин – «коалесценция».

Ньютон отчасти предугадал феномен интерференции, объясняя причины приливов в заливе Бакбо (Вьетнам), на берегу которого стоит крупный портовый город Хайфон. Британские купцы XVII столетия, пытавшиеся наладить торговлю с Вьетнамом, знали, что прибрежные воды залива отличаются необычным поведением. В 1684 году один английский путешественник опубликовал в Philosophical Transactions письмо об особенностях прилива в этих местах. Раз в две недели наступал день, когда ни прилива, ни отлива не было и вода стабилизировалась на одном уровне. Затем в течение семи дней наблюдался только прилив, который медленно достигал своего пика к концу недели. В течение следующей недели имел место столь же медленный непрерывный отлив.

Это странное явление вызывало интерес у многих ученых, и Ньютон предложил объяснение происходящему в своем научном шедевре «Математические начала натуральной философии» (1688). Океанские приливные волны, по его мнению, входили в залив с двух различных направлений – из Южно-Китайского моря и с юга, со стороны Индийского океана, – двумя путями различной длины, из-за чего одной приливной волне требовалось шесть часов, чтобы достичь берега, а другой – двенадцать. В результате одна приливная волна часто компенсировала отлив на другом направлении, и это приводило к исчезновению одного прилива, а дважды в течение лунного месяца – к исчезновению как прилива, так и отлива (уровень воды тогда оставался неизменным)81. И хотя данное явление в настоящее время рассматривается как частный пример волновой интерференции, Ньютон не стал распространять обобщение на все волновые явления в принципе, считая приливы Бакбо исключительным явлением, характерным для одного конкретного места.

В своем трактате 1800 года Юнг рассматривает интерференцию только применительно к звуковым волнам, не перенося свои выводы на свет, несмотря на то, что основная часть исследования посвящена именно свету. Главным достижением Юнга стало установление существования самого явления интерференции, осознание его фундаментальной роли в волновом движении и понимание того, что оно имеет место повсюду, где сталкиваются различные волны. Однако из описания, которое Юнг приводит в своей работе, невозможно понять ни всю степень оригинальности открытия, ни даже роль самого ученого. Юнг как будто вовсе не стремится привлечь внимание читателя к своему открытию и просто пишет о том, что при пересечении звуковых волн каждая частица той среды, через которую они проходят – например, молекулы воды или воздуха, – принимает участие в движении обеих волн. Юнг не высказывает никаких притязаний на научный приоритет в обнаружении этого явления, словно оно давно уже всем известно и всеми хорошо понимается. Он скромно, как бы между прочим, упоминает о нем, просто исправляя ошибочное мнение одного коллеги82.

В следующем году Юнг распространил объяснение явления интерференции на волны на поверхности воды и света. Позднее он писал:

...

«В мае 1801 года, размышляя над прекрасными экспериментами Ньютона, я обнаружил закон, который, как представляется, способен пролить свет на гораздо большее число интересных феноменов, нежели любой другой оптический принцип, известный доселе.

Я попытаюсь объяснить данный закон с помощью сравнения. Предположим, что некоторое количество одинаковых волн проходит по поверхности стоячего озера с определенной постоянной скоростью и входит в узкий канал, ведущий из озера. Предположим, что какая-то сходная причина вызывает еще одну подобную серию волн, которые попадают в тот же канал с той же скоростью и в то же самое время, что и первые. Ни одни из этих волн не уничтожат другие, но, напротив, их воздействия объединятся. Если, к примеру, они войдут в канал в тот момент, когда максимальный подъем одной серии волн совпадет с максимальным подъемом другой, они вместе вызовут последовательность еще больших объединенных максимумов. Но если подъем в одной серии волн совпадет со спадом в другой, то подъем скомпенсирует упомянутый спад и поверхность воды останется ровной. По крайней мере, мне не удалось отыскать никакого альтернативного объяснения ни на основе теоретических изысканий, ни с помощью эксперимента.

В настоящее время я склонен полагать, что подобный эффект имеет место всякий раз, когда таким образом смешиваются две порции света, и это я называю общим законом интерференции света»83.

При интерференции волн на поверхности воды гребни различных волн могут накладываться друг на друга, приводя к еще большему подъему воды, в то время как при «гасящей» интерференции, то есть при совпадении гребня одной волны и долины другой водная поверхность остается неизменной. Нечто подобное происходит и в случае со светом, если считать, что его сила связана с амплитудой колебаний в какой-то волне. В тех случаях, когда фазы колебаний накладывающихся световых волн совпадают, волны усиливают друг друга и возникают участки большей освещенности. В тех же случаях, когда гребень одной волны приходится на долину другой, они гасят друг друга и возникают темные участки.

Данное Юнгом объяснение интерференции подходило и для объяснения многих других явлений, до того времени ставивших исследователей в тупик. Наиболее впечатляющим было объяснение так называемых ньютоновых колец – серии концентрических колец, появляющихся, когда к выпуклой линзе прикладывают плоскую стеклянную пластину. Юнг объяснил появление колец, описанных Ньютоном, предположив, что темные участки в них были результатом гасящей интерференции.

Хотя изложение Юнга часто бывало туманным, демонстрации ученого всегда отличались предельной ясностью, простотой и убедительностью, что было следствием его собственного превосходного понимания проблемы. В 1803 году он прочел на заседании Лондонского королевского общества доклад под названием «Эксперименты и расчеты в физической оптике», который начинался так:

...

«Проводя некоторые эксперименты с цветовой каймой по краям теней, я обнаружил столь простое и убедительное доказательство общего закона интерференции двух порций света… что счел нужным вкратце изложить перед Королевским обществом факты, которые мне представляются столь значимыми… Эксперименты, которые я намереваюсь здесь описать… могут быть повторены без особого труда в любом месте, где светит солнце, и без каких-либо специальных приспособлений, за исключением тех, что имеются в распоряжении любого»84.

В первом из таких экспериментов Юнг иглой проделал крошечную дырочку в листе плотной бумаги, закрывавшем окно, так, чтобы на противоположную стену падал тонкий лучик света. Когда в этот луч вводили «кусочек картона шириной примерно в одну тридцатую дюйма», то с обеих сторон тени, которую этот кусочек бросал на стену, возникала еще одна небольшая тень с окрашенными краями. Дифракция света – серия параллельных черных и белых полос – наблюдалась и на самой тени. В настоящее время этот эксперимент рассматривается как самое явное доказательство наличия интерференции.

В лекциях Юнга, опубликованных в 1807 году, особенно поражают диаграммы и демонстрации. В двадцать третьей лекции («О теории гидравлики») концепт интерференции применяется к волнам на воде. Для ее сопровождения Юнг изготовил неглубокий сосуд с двумя источниками волн. Вершины и впадины обеих групп волн создают устойчивую структуру, благодаря которой отчетливо виден сам процесс интерференции. Это устройство стало прототипом волнового бассейна, знакомого большинству студентов, изучающих физику (рис. 14).

Рис. 14. Интерференционная картина, возникающая при наложении волн от двух расположенных рядом источников колебаний (рисунок Юнга)

А в лекции номер 39 («О природе света») Юнг рассказывает о явлении интерференции в оптике. Для сопровождения этой лекции он ставил эксперимент, который не только самым ярким способом демонстрирует интерференцию света, но и служит классическим доказательством его волновой природы. Юнг описывает свой опыт так:

...

«Луч однородного света падает на экран, в котором проделаны два маленьких отверстия или прорези, каковые могут рассматриваться как центры расхождения, от которых свет распространяется во всех направлениях».

Два отверстия или прорези становятся, таким образом, двумя источниками волн, подобно таковым в волновом бассейне. И если в волновом бассейне мы наблюдаем структуру процесса интерференции в виде двух групп перекрывающихся окружностей с линиями, исходящими из точки между двумя источниками, то зритель упомянутого эксперимента должен был наблюдать ту же самую структуру при падении лучей света на экран. Юнг продолжает:

...

«В этом случае, когда два практически сформировавшихся луча оказываются на поверхности, размещенной у них на пути, их свет разделяется темными полосами на почти равные участки, которые, однако, становятся шире по мере удаления поверхности от отверстий… и, соответственно, также шире пропорционально близости отверстий друг к другу»85.

В данном случае интерференционный узор состоит из параллельных полос света, в котором яркие полосы соответствуют тем участкам, где световые волны усиливают друг друга, а темные полосы – участкам, где они гасят друг друга.

Я читал научно-популярные книжки, в которых утверждается, что этот эксперимент можно без особого труда воспроизвести в домашних условиях. Нужны, мол, только фонарик, игла, несколько кусочков картона и темная комната. Не верьте! Я потратил впустую полдня, пытаясь воспроизвести его у себя дома. Конечно, теоретически это возможно, но он требует необычайной тщательности. Очень легко вообще не увидеть никаких световых полос или в лучшем случае увидеть только тени – результат дифракции, изгибания света вокруг краев картона или вокруг неровностей в краях проделанных вами отверстий, если вы оказались чуть-чуть неаккуратны. Эксперимент действительно можно проделать при помощи бумаги, картона и бритвенного лезвия, но при этом очень важно, чтобы края отверстий были ровные. Компании, производящие учебные пособия, изготавливают для этой цели специальные пластиковые квадраты с прорезями. На самом деле правильная реализация эксперимента Юнга настолько сложна, что историк науки Наум Кипнис как-то внимательно перечитал лекции Юнга и за обезоруживающе простым квакерским стилем автора обнаружил, что даже сам великий ученый по крайней мере однажды ошибся, приняв узор дифракции за интерференционный узор86.

Тут, вероятно, нужно было бы сказать, что опыты Юнга стали важнейшей вехой в истории триумфа волновой теории света над корпускулярной, что они убедили всех имеющих глаза в ее правильности. Однако, увы, этого не произошло по целому ряду причин.

Первая из них – вновь стиль Юнга. Хотя его измерения были достаточно точны, а вычисления математически безупречны, он редко давал себе труд предлагать развернутые объяснения своих выводов, описывать измерения или представлять подробные отчеты о проведенных экспериментах. Это привело к непониманию между Юнгом и его коллегами, и ему становилось все труднее и труднее убедить их в своей правоте. Более того, отличавшийся болезненной скромностью Юнг делал все от него зависящее, чтобы не быть вовлеченным в отстаивание научного приоритета на волновую теорию света и на объяснение явления интерференции. В 1801 году он в своем самоуничижении дошел даже до того, что стал утверждать, будто Ньютон «на самом деле был первым, кто предложил ту теорию, которую я ныне стараюсь развить». Это, разумеется, тоже не способствовало адекватной оценке его вклада в науку.

Вторая причина заключалась в том, что Юнг имел несчастье стать мишенью для нападок Генри Брума, известного ученого и политика, корреспондента «Эдинбургского обозрения», в то время нового, но уже очень влиятельного издания. Брум боготворил Ньютона и поэтому метал отравленные стрелы в Юнга, осмелившегося возражать великому ученому. Ядовитые инвективы Брума обычно публиковались анонимно. Вот одна из них:

...

«Мы хотели бы знать, неужели научный мир, который когда-то просветил своим гением Ньютон, столь же переменчив в своих мнениях, как и мир моды, в котором правит прихоть глупой женщины или избалованного хлыща? Неужели уровень публикаций Королевского общества опустился до такой степени, что превратился в бюллетень новомодных теорий для дам, посещающих лекции Королевского института? Pro pudor! [10] Пусть же профессор продолжает развлекать свою аудиторию бесконечным разнообразием, в общем-то, безвредных пустяков, но, во имя науки, не допускайте его в почтенную сокровищницу знаний, которая содержит труды Ньютона, Бойля, Кавендиша, Маскелайна и Гершеля»87.

Обычно невозмутимый Юнг на сей раз вспылил и ответил в духе XVIII столетия – памфлетом. Однако ученые, как правило, плохо подготовлены к такого рода полемике: они хорошо умеют убеждать других ученых, а не публику. Ответ Юнга, написанный сухим, но исполненным раздражения стилем, по всем статьям уступал выпадам Брума. Полный справедливых, но скучных и даже наивных заявлений («пусть он сам проведет эксперимент, а потом, если сможет, отрицает его результат»), памфлет Юнга оказался настолько непопулярен, что из всего тиража был продан лишь один экземпляр.

Из-за неумения Юнга пропагандировать собственные идеи волновая теория света распространялась крайне медленно. Лет через пятнадцать после первых демонстраций Юнга французский ученый Огюстен Френель независимо от Юнга открыл феномен интерференции и представил свой вариант юнговского эксперимента, в котором луч света разделялся на два источника при помощи плоской призмы, в настоящее время именуемой «бипризмой Френеля». (С тех пор, как мы убедимся в этом снова в десятой главе, эксперимент Юнга проводится в двух классических вариантах: варианте самого Юнга и в варианте с бипризмой Френеля.) Энтузиазм французских ученых по поводу открытия Френеля наконец-таки заставил бо́льшую часть научного сообщества принять волновую теорию света и с громадным опозданием воздать должное Юнгу.

Феномен интерференции не только подтвердил волновую природу света, но и стал полезным инструментом научного исследования в принципе, так как сама интерференционная картина довольно проста и легко узнаваема. Если какой-то феномен ее демонстрирует – значит, он имеет волновую природу.

Однако признание волновой природы света, по мнению многих ученых, не решило всех проблем. Особенно сложным был вопрос о среде, в которой распространяются световые колебания. Звуковые волны были колебаниями частиц воздуха точно в таком же смысле, в каком водяные волны были колебаниями частиц воды. Но в какой среде перемещались световые волны? Другими словами, световая волна – это колебания чего ? Традиционный ответ звучал так: это колебания невидимой субстанции, именуемой «эфиром» и пронизывающей собой пространство. Когда человеческий глаз видит звезду, он реагирует на волну в эфире, начавшуюся от этой звезды, прокатившуюся по эфиру через всю Вселенную и достигшую сетчатки глаза.

В конце XIX столетия Альберт Майкельсон и Эдвард Морли показали, что интерференционную картину световых лучей, движущихся в двух разных направлениях, можно использовать для измерения их скорости относительно друг друга. И то, что они не смогли обнаружить никакой разницы в упомянутых скоростях, стало одним из подтверждений того, что никакого эфира в действительности не существует и что свет для своего распространения не нуждается ни в какой среде. Данный эксперимент перевернул не столько наше представление о свете, сколько наше понимание характера и особенностей волнового движения в принципе. Эксперимент Майкельсона – Морли в скором времени стал важной составляющей обоснования теории относительности Эйнштейна.

В XIX столетии эксперимент Юнга, перенесший волновую аналогию с акустики на оптику, ознаменовал собой начало смены научной парадигмы – с корпускулярной теории света к волновой. В XX веке произойдет еще более значимое расширение эксперимента Юнга – будет проведен его третий вариант, в котором будут участвовать не волны (водяные и световые), а частицы. Это дальнейшее развитие волновой аналогии станет, вероятно, самой потрясающей и удивительной в своей простоте демонстрацией тайн квантовой механики, экспериментом, который многие ученые считают самым красивым во всей истории науки. В этой книге ему посвящена последняя глава.

Интерлюдия Наука и метафора

Красота эксперимента Юнга заключается в его удивительной ясности: ученый заставил одно явление (свет) выступать в качестве другого (волна). Этот эксперимент является классическим примером успешного использования аналогии в науке. Однако аналогия (от древнегреческого άναλογία – «соответствие») и метафора (фигура речи, в которой одно явление или объект выступает в качестве другого; от древнегреческого μεταφορά – «перенос») могут вводить в заблуждение и становиться помехой на пути научного исследования. По этой причине об аналогии трудно говорить как об однозначно положительном методе, и многие ученые относятся к ней с предельной осторожностью88.

Некоторые полагают, что аналогии и метафоры в лучшем случае отвлекают от сути, а в худшем вообще запутывают. «Когда вы размышляете о природе, – писал биолог Ричард Левонтин, – опасайтесь метафор». Физик Эрнст Мах считал полезными высказывания типа «рассматриваемый в настоящее время факт А ведет себя… подобно старому и хорошо известному факту В», но отрицал их структурирующее значение для науки. Подобно Маху, химик и историк науки Пьер Дюэм считал метафоры и аналогии важными психологическими, объясняющими и просветительскими инструментами. Однако и он полагал, что настоящая наука со временем отбрасывает любые аналогии.

Метафоры и аналогии в науке играют ту же роль, что Аарон при Моисее. Как известно, пророк Моисей получал указания непосредственно от Бога, однако был косноязычен. А его брат Аарон умел, с одной стороны, внимательно слушать, а с другой стороны, хорошо говорить и доступно объяснять. Он и передавал народу обретенные Моисеем истины. Точно так же и ученые открывают истины о природе, которые затем учителя, популяризаторы науки и журналисты переводят на простой язык, доступный «непосвященным», используя общепонятные образы и слова. Противники использования метафор и аналогии в науке допускают применение этих инструментов во вторичном процессе популяризации и распространения научного знания, но не в первичном процессе научного исследования. Наука – настоящая наука, по их мнению, должна стараться понять, что есть данное явление, а не на что оно похоже .

Однако их оппоненты считают, что метафоры и аналогии настолько прочно вошли в научный метод, что без них практически невозможно обойтись. «Не будет преувеличением сказать, – заявляет физик Джереми Бернштейн, – что вся теоретическая физика основана на аналогиях». «Мы можем помыслить о чем бы то ни было только с помощью аналогий и метафор», – вторит физик Джон Займан. Метафористы и аналогисты считают, что, когда ученые утверждают, что нечто является чем-то, они тем самым неизбежно говорят, на что это нечто похоже и что другое похоже на него.

Описываемый здесь конфликт, в котором противостоящие армии сосредоточились по обе стороны отчетливой и трудно преодолимой границы, может быть разрешен с помощью философии, роль которой и состоит в том, чтобы отыскивать и выявлять двусмысленности и заблуждения, делающие подобные границы непреодолимыми. Рассуждая об использовании метафор в науке, философ прежде всего обратит внимание на то, что разные метафоры функционируют по-разному и применяются с разной целью. Можно сказать, что метафоры в науке имеют по крайней мере три различные функции.

Первая функция метафоры в научном дискурсе – функция фильтра. Возьмем, к примеру, классическую метафору: «человек человеку волк». Смысловое сближение объектов («человек» —«волк») привлекает внимание читателя к определенным качествам, которые традиционно связываются со вторым объектом – волком («хищный», «жестокий»). Цель метафоры состоит в том, чтобы перенести эти качества на первый объект – на человека. В науке «фильтрующие метафоры» также, по идее, должны помочь лучше понять некие сущностные особенности объекта. Но так как любой фильтр очень многое отсеивает, подобные метафоры, если их воспринимать слишком буквально, способны, наоборот, ввести в заблуждение. Неудовольствие Левонтина, к примеру, было вызвано тем, что один из его коллег назвал ДНК генетической «программой», из чего можно было заключить (что многие, собственно, и сделали), что организм есть некий «программируемый» феномен. Но организм, как совершенно справедливо заметил Левонтин, вовсе не компьютер.

Впрочем, вопрос заключается не в том, абсолютно ли и во всех ли своих аспектах является верной данная «фильтрующая» метафора, а в том, способна ли она выполнить свою функцию – помочь нам быстро и ярко представить себе одну из важных сторон анализируемого феномена. Ведь цель ученого состоит в том, чтобы продолжать движение вперед, а значит, главная опасность заключена в возможности застрять на месте из-за слишком буквального толкования той или иной метафоры.

Вторая функция метафоры – креативная. Здесь оба объекта, составляющие метафору, меняются своими значениями: второй объект обогащает первый хорошо организованным набором аналогий и сам по себе превращается в самостоятельный и технически корректный термин, расширяющий свое значение в процессе исследования; первый же объект оказывается лишь одной из производных форм второго. Примером данной разновидности метафор служит как раз случай Юнга, уподобившего «свет» (первый объект) «волне» (второй объект). Понятие «волна» первоначально означало некое состояние возмущения, распространяющееся от одной группы частиц к другой внутри определенной среды, как, например, звуковые волны или волны на воде. Когда Юнг и другие применили это понятие к свету, они исходили из того, что он также движется в какой-то среде, хотя и не знали, что это за среда (условно она называлась «эфиром»).

К концу XIX столетия ученые начали подозревать, что свет распространяется вне зависимости от каких-либо сред, однако сравнение его с волной продолжало считаться вполне адекватным. «Волна» сделалась вполне корректным техническим термином, который в процессе использования претерпел определенные видоизменения. Представления ученых о «волне» изменились после того, как это понятие стали применять к возмущениям, способным распространяться без какой-либо среды (использование этого понятия в квантовой механике способствовало еще большей его трансформации).

В этом и заключается процесс расширения знания по аналогии, который Бернштейн рассматривал как один из базовых принципов в методе теоретической физики: это попытка понять неизвестное путем сравнения его с уже известным и в процессе этого понимания скорректировать также наше представление об известном. Мы очень часто начинаем понимать суть чего-то, только сравнив его с чем-то другим. Но и значения привычных слов также меняются, «приспосабливаясь» к новому употреблению. «Буквальное значение, – как-то сказал мне один историк науки, – это метафора метафоры». Тот, кто применяет аналогии, создает новое. Это активный процесс, где нечто новое возникает из нового понимания уже известного.

Еще один пример подобного творческого использования аналогии в науке – понятие энергии. Оно возникло первоначально из субъективного восприятия индивидами самих себя как источника действия89. В своей восьмой лекции – «О столкновениях» – Юнг говорит, что «термин „энергия“ может вполне корректно применяться к произведению массы или веса тела на квадрат числа, выражающего его скорость» – выражение, которое в настоящее время обычно представляют в виде формулы mv2 . Таким образом, Юнг впервые использовал термин «энергия» в его современном значении. Однако понимание Юнгом энергии отличается от нашего. Оно соответствует тому, что мы именуем «кинетической энергией», да и то не совсем точно (мы говорим, что она равняется 1/2 mv2 , а не mv2 ). Данная эволюция термина продолжалась до самого конца столетия.

Третья функция метафоры заключается в полной перестройке нашего восприятия того или иного явления90. Примером такого рода метафоры может служить известное замечание американского медика и философа Льюиса Томаса о том, что Земля похожа скорее не на организм, а на отдельную клетку. Еще одним примером такой метафоры является предложение биолога Стивена Джея Гулда «заново запустить запись жизни»: в ходе этого интеллектуального эксперимента, целью которого была более глубокая оценка фактора случайности в эволюции, Гулд попытался заменить наше представление об эволюции как о «лестнице прогресса» или «конуса все увеличивающегося разнообразия»:

...

«Нажмите кнопку перемотки и, убедившись, что вы полностью стерли все, что было на самом деле, вернитесь в любое время и место в прошлом… затем запустите запись снова и послушайте, будет ли она теперь звучать так же, как исходная версия»91.

Приведенная нами трехчастная классификация использования метафор в науке, конечно же, не отличается строгостью и жесткостью. Можно найти массу случаев, когда какие-то из этих функций метафоры сочетаются. Однако анализ данных функций объясняет, почему ученые так часто спотыкаются об этот предмет и начинают противоречить сами себе.

Прояснение природы метафоры очень важно для понимания науки и ее красоты. Одна из причин этого заключается в том, что метафоры глубоко укоренены в культуре и истории. Ученые всегда работают в определенном культурном и историческом контексте. Наука не преодолевает, а трансформирует то, что она получила от культуры и истории92.

Метафоры и аналогии – особый, весьма эффективный и лаконичный способ, с помощью которого мы используем накопленный и унаследованный опыт в целях дальнейшего развития. Обучение и опыт вооружают нашу память метафорами, которые мы неизбежно применяем к новой информации, одновременно трансформируя уже известное. Поэтому прав и Займан, говоривший, что мы не можем мыслить без метафор, и Питер Галисон, который в своей книге 1997 года «Образ и логика», полной примеров разнообразных аналогий, служащих для сложнейших взаимосвязей между теорией, экспериментом и их инструментарием, пишет: «Когда-то наступает предел любым метафорам».

Пользующийся метафорами – это вовсе не Аарон, внемлющий Моисею, пророку и открывателю истин, и возглашающий эти истины на доступном профанам языке. Или же, если все-таки развивать данную аналогию, следует признать, что не так уж и велика разница между откровением и проповедью, между открытием и его разъяснением и распространением, между тем, чем нечто является , и тем, на что оно похоже . Любой акт исследования неизбежно связан с метафорическим мышлением. Ведь Моисей тоже был своего рода Аароном по отношению к Богу.

Рис. 15. Маятник Фуко в парижском Пантеоне

Глава 7. Вращение Земли

Фуко и его маятник

Впервые я увидел маятник Фуко в моей родной Филадельфии. Маятник висит в фойе Института Франклина, в проеме основной лестницы. Тонкий трос, на котором он держится, прикреплен к потолку четырьмя этажами выше, а его серебристый шар беззвучно скользит взад и вперед над вделанным в пол кругом компаса (недавно там установили подсвечиваемый глобус). Я до сих пор прекрасно помню надпись на табличке на втором этаже: «Трос маятника имеет 85 футов длины; груз – свинцовый шар двадцати трех дюймов в диаметре массой 1800 фунтов». Маятник качается взад и вперед по прямой линии, тяжело и беззвучно, и одно колебание занимает десять секунд. Подвешенный груз каждый раз приходит немного левее, чем в предыдущий, то есть плоскость колебаний медленно поворачивается по часовой стрелке с неизменной скоростью – 9,6 градуса в час. В табличке также говорится, что впечатление, будто плоскость качаний маятника меняет направление, обманчиво. Ее направление неизменно по отношению к звездам [11] . На самом деле иллюзия перемещения маятника объясняется тем, что посетитель музея видит, как вращается Земля, а вместе с ней пол в здании Института и круг компаса в полу под маятником.

Маятник был установлен в 1934 году, когда Институт Франклина – точнее, научный музей – переехал в свое нынешнее здание. Установка маятника стала поводом для необычной демонстрации. Проволоку, весившую всего девять фунтов, нельзя было скатывать, а нужно было держать вытянутой во избежание возникновения загибов и растяжений, которые могли бы так или иначе помешать ее равномерному движению. В результате ее полностью вытянутой несли по улицам Филадельфии от места изготовления до нового здания. Медленная странная процессия из одиннадцати человек, несущих длинную проволоку, сопровождалась эскортом полиции и вереницей изумленных зевак и репортеров93.

Маятник в Институте Франклина сигнализировал об изменении направления колебаний тем, что примерно каждые двадцать минут сбивал один из четырехдюймовых стальных колышков, расставленных на полу двумя полукругами вдоль внешней окружности компаса. Посещая музей, я частенько отходил от других экспонатов и присоединялся к толпе зрителей, наблюдающих за качанием серебряного шара и внимательно следящих за колышками в надежде увидеть, как один из них упадет. Вначале шар только задевал за колышек, от чего тот начинал покачиваться. Еще через несколько колебаний колышек уже заметно шатался. Еще ряд колебаний – и от очередного удара шара колышек едва удерживался в вертикальном положении. Но ненадолго! Еще одно или два колебания – и колышек опрокидывался, а шар начинал подбираться к следующему. Порой я просто смотрел на сам маятник, пытаясь почувствовать то, что рассказывала табличка: вообразить, как движемся я и пол у меня под ногами. По причинам, которые я так и не смог до конца понять, мне ни разу не удалось ощутить это полностью, хотя от маятника у меня навсегда осталось ощущение тайны и мистического благоговения.

Движения маятника, неподконтрольные человеку, стали для меня самым главным воплощением всесилия законов природы. Единственное человеческое воздействие на маятник заключалось в том, что сотрудник музея ежедневно в десять утра, перед самым открытием экспозиций, запускал маятник, и тот начинал раскачиваться в направлении север-юг. Иногда я приезжал в музей очень рано и, едва распахивались двери, со всех ног бежал к лестничному пролету, чтобы увидеть момент запуска маятника. Но я всегда опаздывал. Однажды я узнал, что один из сотрудников музея решил в качестве подарка сыну на день рождения позволить ему самому запустить маятник. Как же я завидовал этому мальчишке! Другие ребята мечтают, чтобы им позволили сделать первый удар в бейсбольном матче. Я же всегда мечтал запустить маятник Фуко.

Французский ученый Жан-Бернар-Леон Фуко (1819–1868) родился в Париже. Мальчишкой он мастерил механические игрушки, затем занялся медициной с тем, чтобы в дальнейшем применить свои практические таланты в хирургии, однако вскоре обнаружил, что не выносит вида крови и зрелища человеческих страданий. Он заинтересовался механическими инструментами и изобретениями; воображением Фуко завладел процесс фотографии, изобретенный его земляком Луи Дагером. В этом деле он смог успешно реализовать свои способности изобретателя. Его помощником стал еще один бывший студент-медик Ипполит Физо, и они вместе начали работать над усовершенствованием изобретения, которое сегодня известно под названием дагеротипа и являлось предшественником современной фотографии. В 1845 году они оба сделали первый отчетливый снимок Солнца. Затем, в 1850 году – вначале совместно, впоследствии же (рассорившись) по отдельности, – прежде чем приступить к измерению абсолютной скорости света в воздухе, они доказали, что скорость света в воздухе выше, чем в воде. Несколько позже Фуко также внес значительный вклад в создание зеркал для телескопов.

Фуко удалось сделать несколько первых фотографий звезд – настоящий технический подвиг для того времени. Обычно слабо светящиеся объекты фотографируются путем открывания затвора фотоаппарата на несколько минут. Но из-за вращения Земли вокруг своей оси создается впечатление, что звезды медленно движутся по небосводу: это делает невозможным фотографирование небесных тел способом очень долгой выдержки. Вместо этого Фуко возродил некогда отброшенную идею и изготовил похожее на часы устройство, управляемое маятником, с помощью которого можно удерживать камеру направленной на звезду в течение достаточного для экспозиции времени. Правда, вместо обычного диска на подвесе он использовал металлический стержень, который раскачивался подобно маятнику.

Бо́льшая часть этого оборудования была сделана в лаборатории, которую Фуко устроил в своем парижском доме на Рю-д’Асса. Однажды он вставил упругий длинный стержень в патрон ручного токарного станка. Заставив стержень колебаться, он медленно повернул ручку станка и с удивлением обнаружил, что стержень продолжает колебаться в той же плоскости, что и первоначально. Это пробудило в Фуко любопытство ученого, и он начал экспериментировать с более традиционным маятником – грузом сферической формы, подвешенным вертикально на рояльной струне. Он зажал струну в вертикально направленный патрон сверлильного станка, качнул маятник и включил станок. Маятник также продолжал колебаться в прежней плоскости.

На самом деле, как представляется, в описываемом феномене нет ничего особенно удивительного. В соответствии с законами Ньютона тело, движущееся по инерции (к примеру, груз маятника), должно сохранять направление движения до тех пор, пока на него не начнет воздействовать некая сила, которая вынудит его это направление изменить. Так как вращение зажимного патрона не было приложением силы к стержню или маятнику, то и тот и другой продолжали колебаться в первоначальном направлении. Однако же неудивительное вполне может стать неожиданным. Вскоре Фуко понял, что, если маятник увеличить до более внушительных размеров, обнаруженное явление можно использовать для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси.

Позднее он довольно элегантно подытожил тот процесс рассуждений, результатом которого стал прославленный маятник. Представьте, что небольшой маятник установлен на столе, на свободно и плавно вращающемся блюдце. У нас получилось то, что Фуко называл petit theâtre [12] , и сейчас мы устроим в нем представление. Блюдце выполняет роль Земли, а окружающая комната – всей остальной Вселенной. Запустим маятник, повернув его по направлению к двери, а затем начнем медленно вращать блюдце. Что произойдет? Можно предположить, что плоскость колебаний маятника будет вращаться вместе с основанием, на котором он находится. Erreur profonde! [13] Плоскость колебаний – не некий материальный предмет, прикрепленный к блюдцу. Благодаря инерции маятника плоскость его колебаний независима от блюдца. Теперь она, если можно так выразиться, «принадлежит» не столько блюдцу, сколько пространству вокруг него. В какую бы сторону мы ни повернули блюдце, маятник будет по-прежнему указывать на дверь.

Из этого представления в нашем маленьком театрике видно, что как бы мы ни поворачивали блюдце, плоскость колебаний маятника останется неизменной. Но представьте, говорит Фуко, что мы сделали наш маленький театр очень большим. Представьте, что мы – а также вся остальная часть комнаты и все, что мы видим вокруг нас, кроме солнца, планет и звезд, – все это находится на вращающемся блюдце. И тогда у нас возникнет ощущение, что мы неподвижны, а меняется плоскость колебаний маятника.

И вновь erreur profonde ! На самом-то деле вращаемся мы сами. Однако Фуко этого недостаточно, он вносит добавочное усложнение. Наш маленький маятник находится в центре плоского блюдца, поэтому в ходе полного оборота плоскость маятника повернется на 360 градусов. Маятник, у которого вместо блюдца Земля, находится на самом деле не на плоской поверхности, а на поверхности сферы. В зависимости от того, на какой широте между полюсом и экватором находится маятник, вращение сферы по-разному отобразится в повороте плоскости колебаний маятника. И, наоборот, в зависимости от широты местонахождения сфере надо поворачиваться на разные углы, чтобы плоскость колебаний маятника совершила полный оборот. Проделав соответствующие расчеты, Фуко пришел к выводу, что число градусов, на которые повернется плоскость колебаний маятника за двадцать четыре часа, составит 360, помноженное на синус широты (это один из способов определения широты местонахождения наблюдателя на земной поверхности). Однако здесь важны не детали вычислений, а сама возможность наглядной демонстрации следствий вращения Земли.

Далее Фуко задался вопросом, можно ли с помощью маятника наблюдать вращения Земли. Он подвесил маятник к своду своего подвала, воспользовавшись тонкой проволокой шести с половиной футов длиной и одиннадцатифунтовым диском. В пятницу 3 января 1851 года он в первый раз испытал устройство. Чтобы добиться равномерного и ровного качания, ученый подтянул диск к стене хлопчатобумажной бечевкой, сделал его полностью неподвижным, а затем пережег бечевку свечой. Несмотря на то, что эксперимент прошел в общем удачно, проволока в конце концов оборвалась. Пять дней спустя, в среду, 8 января 1851 года, в 2 часа ночи, Фуко вновь запустил маятник и уже через полчаса обнаружил, что «смещение заметно невооруженным глазом» и что «маятник повернулся в направлении дневного движения небесной сферы»94. При характерной для Фуко методичности ему было «гораздо интереснее исследовать феномен во всех подробностях, чтобы убедиться в его постоянстве»95, нежели планировать более масштабную версию своего эксперимента. Он поместил на полу указатель и менее чем через минуту заметил, что плоскость качания маятника сместилась влево от наблюдателя, что означало, что она движется вместе с видимым движением небесного свода.

Через несколько недель Фуко записал:

...

«Феномен спокойно раскрывает свои особенности. Он совершенно очевиден и универсален… Наблюдая за тем, как он родился и рос, мы поняли, что не в силах экспериментатора ускорить или замедлить это движение… Любой, кто наблюдает его… на несколько секунд замолкает и впадает в задумчивость. Постепенно наблюдателя охватывает острое непреодолимое ощущение нашего непрерывного движения в пространстве»96.

Вскоре после проведения упомянутых экспериментов директор Парижской обсерватории попросил Фуко повторить эксперимент в sale méridienne обсерватории – центральном зале, расположенном точно на меридиане. Фуко воспользовался тем же самым диском, но струну удлинил до 36 футов. Это было удобнее, так как маятник с более длинной струной раскачивается с большей амплитудой, на него меньше воздействует трение воздуха и трение в точке крепления к потолку, и поэтому удобнее следить за тем, как он изменяет направление.

Ровно месяц спустя после начала экспериментов, 3 февраля 1851 года, Фуко сделал во Французской академии наук доклад о результатах своей работы. Академия разослала на это мероприятие приглашения потрясающего содержания: «Вы приглашаетесь в центральный зал Парижской обсерватории, чтобы увидеть вращение Земли». Фуко сообщил присутствующим, что большинство ученых, изучавших в прошлом поведение маятника, обращали внимание на частоту его колебаний. Исследования Фуко были сосредоточены на плоскости колебаний. Затем, когда маятник начал качаться, ученый попросил слушателей поучаствовать в мысленном эксперименте, описание которого приведено выше: представить себе, что на Северном полюсе установлен «предельно простой» маятник, который затем запустили и «предоставили действию сил гравитации». А так как Земля, «не переставая, вращается с запада на восток», плоскость колебаний будет смещаться влево от наблюдателя, так, словно бы маятник прикреплен к самим небесам.

Немногие научные открытия удостаивались той мгновенной славы, что выпала на долю маятника Фуко. Вся просвещенная Европа в 1851 году прекрасно знала, что Земля вращается вокруг своей оси, однако доказательства этого, хотя и неопровержимые, основывались исключительно на выводах из астрономических наблюдений. Человек, не имевший в распоряжении телескопа и познаний по его использованию, никак не мог удостовериться в факте вращения Земли. С появлением маятника Фуко движение Земли сделалось зримым. Любой образованный человек, даже запертый в комнате без окон, мог бы установить факт вращения комнаты, а с помощью определенных измерений даже определить широту, на которой она находится97. Маятник, как любил выражаться Фуко, свидетельствует о данном астрономическом факте «наглядно и недвусмысленно».

Но так ли это на самом деле? Одна из удивительных особенностей маятника Фуко состоит в том, что он как раз демонстрирует двусмысленность нашего восприятия. Замечание Фуко с философской точки зрения можно рассматривать как некую уловку, ведь на самом деле ничего «наглядного» мы не видим. Это заявление отдает картезианством. Фуко исходит из того, что у него «геометрически правильное» зрение, и поэтому он сумел убедить себя в том, что способен видеть именно то, что представляет себе – идеально и геометрически. Если мы представим себе маятник, раскачивающийся на фоне Солнечной системы, в виде геометрической модели, то, как полагает Фуко, мы сможем «увидеть» вращение Земли.

На самом деле человеческое восприятие устроено гораздо сложнее. Восприятие движущихся и покоящихся объектов зависит от того, что именно мы рассматриваем в качестве переднего плана и что – в качестве фона (горизонта) данного процесса. Маятник Фуко может демонстрировать нам как Землю, вращающуюся у нас под ногами, так и маятник, поворачивающийся в гравитационном поле Земли. Этот феномен «или-или», напоминает нам французский философ Морис Мерло-Понти, похож на знакомую каждому ситуацию с поездом, стоящим на станции рядом с другим поездом на соседнем пути: когда поезд, который мы видим в окно, начинает двигаться, у нас также возникает ощущение движения. Как мы воспринимаем движение и его направление, пишет Мерло-Понти, зависит от того, с чем мы соотносим наше восприятие – с собственным поездом или с соседним – и что служит для нас фоном, или внешним горизонтом98. Чтобы увидеть движение плоскости колебаний маятника, мы должны заставить себя рассматривать маятник в качестве переднего плана, а окружающее его пространство и помещение – в качестве фона. Маятник Фуко, как и любой инструмент, демонстрирует нечто только внутри соответствующего контекста. Чтобы «увидеть» движение Земли, необходимо представить себе иной и значительно более грандиозный фон, где Земля предстанет в качестве движущегося объекта, а плоскость колебаний маятника окажется неизменной. А если бы маятник был установлен не внутри, а снаружи помещения? Можно ли было бы тогда увидеть, как Земля вращается на фоне звездного неба?

* * *

Как только новость о демонстрации в Обсерватории облетела Париж, Фуко засыпали письмами простые граждане, ученые и правительственные чиновники. Принц Луи-Наполеон Бонапарт, президент Республики, вскоре ставший императором Франции под именем Наполеона III, попросил Фуко провести публичную демонстрацию в парижском Пантеоне – соборе, ставшем усыпальницей многих национальных героев Франции. Пантеон, как писал Фуко, был идеальным местом для проведения эксперимента, который и сам, подобно Пантеону, обладал splendeur magnifque [14] 99 . Чем больше по размерам маятник, тем медленнее и величественнее он движется и тем более впечатляюще демонстрирует движение мироздания. Фуко прикрепил маятник в самом центре громадного купола Пантеона. Маятник состоял из 220-футовой стальной струны и пушечного ядра в качестве диска, с небольшим заостренным штифтом внизу. По внешней окружности его движения Фуко с помощниками сделали полукруглые ограждения и насыпали слой песка, на котором штифт маятника должен был оставлять следы в ходе качания, фиксируя таким образом изменение положения маятника. Для сохранности мозаичного пола Пантеона и на случай, если струна оборвется и ядро упадет, Фуко застелил место демонстрации досками и туго набитыми мешками с песком. Это было весьма предусмотрительно, так как во время первоначальных пробных испытаний металлическая струна действительно оборвалась практически под самым куполом. Фуко и его ассистенты с ужасом наблюдали, как освободившаяся от тяжести маятника длинная струна яростно хлещет по залу. Вновь закрепив струну, они установили под куполом нечто вроде специального парашюта на случай, если она снова оборвется в том же месте.

В день публичной демонстрации опыта, 26 марта 1851 года, один из ассистентов Фуко подтянул шар маятника к стене специальной бечевкой. На сей раз бечевку пережгли не свечой, а спичкой (безопасные спички были изобретены как раз в том же году). Маятник двигался тяжело, величественно и торжественно, в каждом качании проходя двадцать футов пола и совершая свой путь взад и вперед каждые шестнадцать секунд. Тонкая струна менее полутора миллиметров в диаметре была практически не видна на фоне величавого интерьера. Блестящий шар, казалось, плавал в пустоте. Когда в конце очередного качания он достигал ограждений, штифт прочерчивал небольшую бороздку во влажном песке – и каждая новая возникала на расстоянии примерно двух миллиметров от предыдущей. На широте Парижа (приблизительно 49° северной широты) маятник каждые пять минут смещался примерно на один градус, то есть чуть больше одиннадцати градусов за час. С такой скоростью маятник должен был обойти полный круг за тридцать два часа – при условии, что за это время он не остановится.

Рис. 16. Маятник Фуко в Пантеоне с бордюрами из песка, при помощи которых показывается положение маятника в конце каждого качания

Демонстрация в Пантеоне проходила далеко не идеально. Бороздки, проделываемые штифтом, постепенно становились все шире и превратились в узкую восьмерку, скорее всего, из-за каких-то изъянов в струне или в месте крепления. Расстояние, проходимое диском маятника с каждым качанием, также уменьшалось вследствие сопротивления воздуха, хотя время, уходившее на каждое качание, оставалось неизменным (в силу изохронизма колебаний маятника, открытого Галилеем и справедливого для всех маятников с небольшой амплитудой колебаний). И тем не менее в течение примерно пяти или шести часов изменение в плоскости движения маятника было очевидным. На протяжении этого времени направление его движения смещалось влево по часовой стрелке (в Южном полушарии смещение происходило бы против часовой стрелки) приблизительно на 60–70 градусов. Восхищенный Луи-Наполеон учредил для Фуко специальную синекуру, назначив его физиком при Обсерватории и позволив перенести туда из подвала его домашнюю лабораторию.

Надо сказать, что 1851-й вообще был годом чудес. В лондонском Хрустальном дворце открылась Всемирная выставка, знаменуя собой начало новой эры в практике демонстраций и в организации пространства и времени. Чтобы по возможности отрегулировать поток публики, в билетах на выставку впервые было указано время посещения. Многие социологи ведут отсчет истории современных массовых мероприятий со времени лондонской Всемирной выставки.

Вдобавок 1851 год стал Годом маятника. Маятники Фуко распространялись по всему миру, их установили в Оксфорде, Дублине, Нью-Йорке, Рио-де-Жанейро, на Цейлоне и в Риме. Соборы с их высокими сводами и величественной атмосферой были идеальным местом для установки маятников. В мае 1851 года маятник был установлен в Реймском соборе (струна длиной 41 метр, диск весом 19,8 кг, отклонение при каждом качании более 1 мм), одном из красивейших готических соборов, где короновались короли Франции. В июне 1868 года маятник Фуко установили в Амьенском соборе, еще одном шедевре готической архитектуры. Маятник Фуко намеревались разместить и в лондонском Хрустальном дворце, однако организационные мероприятия слишком затянулись.

Один из таких маятников был представлен на парижской Всемирной выставке в 1855 году. Для этого события Фуко придумал хитроумное нововведение, с помощью которого при каждом качании диск маятника получал небольшой электромагнитный толчок, помогавший избежать убывания скорости. В том же году самый первый маятник установили в парижском Музее искусств и ремесел – учреждении, специально созданном как «хранилище новых и полезных изобретений». Маятник висит там и поныне.

Но маятник Фуко был не просто интересной публичной демонстрацией. Подобно любому научному открытию, он был бесчисленными нитями связан с прошлым и многое освещал в будущем. Историки науки, изучая тексты более ранних периодов, обнаружили, что у Фуко были предшественники. Оказалось, ученые и прежде обращали внимание на то, что груз раскачивающегося маятника медленно смещается влево. Среди них был и Вивиани, преданный ученик Галилея, первый всерьез занявшийся маятниками. Однако Фуко был первым, кто связал это смещение с вращением Земли.
Тем временем сам Фуко признавал, что основная идея его изобретения принадлежит математику и физику Симеону-Дени Пуассону (1781–1840). Пуассон высчитал, что пушечные ядра в полете должны слегка отклоняться в сторону из-за вращения Земли, хотя он полагал, что это отклонение слишком мало, чтобы его можно было заметить. Пуассон также пришел к выводу, что вращение Земли должно воздействовать и на маятники, однако от него ускользнуло, что незначительное воздействие на движение диска маятника будет увеличиваться с каждым качанием, позволив движению, по выражению Фуко, накапливать эти воздействия и «перейти из области теории в область практических наблюдений». Позднее, когда дальность полета пушечных снарядов возросла, артиллеристам пришлось учитывать «эффект Пуассона». По словам физика Ричарда Крэйна,
...

«во время морских сражений у Фолклендских островов в начале Первой мировой войны британские артиллеристы с удивлением обнаружили, что выпущенные ими снаряды все время ложатся левее цели – германских кораблей. Англичане руководствовались имевшимися у них артиллерийскими таблицами стрельбы, составленными с учетом формулы Пуассона, однако не учли того, что находятся в Южном полушарии и потому направление корректировки должно быть противоположным тому, к которому они привыкли в Северном!»100

Тот же принцип, на котором основан маятник, Фуко применил и в гироскопе (он же предложил и название устройства). Гироскоп состоит из вращающегося колеса, установленного на шарнирном подвесе таким образом, чтобы дать ему возможность свободно поворачиваться независимо от положения подвеса; ось вращения гироскопа сохраняет постоянное направление. Совершенно правильно, но на несколько десятилетий опережая события, Фуко предсказывал, что его изобретение можно будет использовать в качестве прибора для определения ориентации. Принцип гироскопа обнаруживали и ранее в связи с исследованиями самых разных явлений. Ученые, к примеру, выяснили, что обычные домашние мухи находят правильное направление с помощью особых крошечных органов в форме жестких стебельков (задние остаточные крылья), известных под названием «жужжальца»101.

В настоящее время маятники Фуко представлены в музеях истории науки, университетах и других учебных заведениях. За последние полвека в мастерской при Калифорнийской академии наук было изготовлено около сотни маятников Фуко для различных учреждений во многих странах и регионах мира, включая Турцию, Пакистан, Кувейт, Шотландию, Японию и Израиль. Часто заказчики приобретают лишь основные компоненты маятника, а затем составляют из них собственные стилизованные варианты102.

Маятник в Бостонском музее науки раскачивается над ярко разукрашенной моделью ацтекского каменного календаря, а его диск проходит над головой солнечного бога Тонатиу. Вокруг маятника в Публичной библиотеке Лексингтона, штат Кентукки, который был запущен в ходе специальной церемонии в новогоднюю полночь 2000 года, на полу вместо традиционных колышков размещены сенсорные устройства для контроля его движения. В детской больнице Монтефиоре в Нью-Йорке скульптор Том Оттернисс разработал особый дизайн диска и помещения, в котором находится маятник. Диск выглядит как перевернутая улыбающаяся рожица в конусообразной шляпе, которая своим заостренным концом ударяет по колышкам. А раскачивается маятник над рельефной картой мира, изготовленной из серебра и бронзы. В центре карты – Бронкс, где и располагается больница. Кроме того, различные бронзовые скульптуры, составленные из геометрически правильных блоков, в различных комических позах прикреплены к диску, струне маятника, к ограждению, а также расставлены по всему пространству помещения. Ни один посетитель больницы не проходит равнодушно мимо маятника, но обязательно начинает расспрашивать о нем.

Больница Монтефиоре – лишь одно из множества учреждений, где маятник Фуко установлен над картой, в центре которой – само это учреждение. Главная идея, выражаемая им, заключается в том, что все в нашем быстро меняющемся мире пребывает в движении, а значит, все в этом мире едино. Конечно же, нельзя не вспомнить маятник Фуко, находящийся у главной лестницы вестибюля в штаб-квартире Организации Объединенных Наций в Нью-Йорке. Маятник представляет собой позолоченную сферу в 200 фунтов весом и 12 дюймов в диаметре, подвешенную на струне в 75 футов длиной. В Смитсонианском институте, национальном музее США, раньше также был выставлен маятник Фуко, но его убрали после реставрационных работ, и сейчас он находится в запасниках музея103.

Как и в случае с экспериментами Юнга, изготовить маятник Фуко совсем не так просто, как кажется на первый взгляд. При публичных демонстрациях подобных маятников основной проблемой становится защита устройства от посетителей, которые непременно желают потрогать диск. И даже при том, что маятник является одним из простейших научных устройств, в обычной обстановке на него негативно воздействуют самые разные факторы: воздушные потоки, особенности внутренней структуры струны, характер ее крепления и то, как запускается диск. Многое из перечисленного легко приводит к падению скорости маятника или к тому, что он начинает раскачиваться «восьмеркой» (признаком этого является падение колышков внутрь круга). В университете Стоуни-Брук, где я преподаю, один физик, демонстрируя студентам первого курса принцип Фуко, попросил лаборанта подвесить к потолку лекционной аудитории кегельный шар, объяснил принцип собравшимся и высчитал, какой угол шар должен будет пройти за сорок минут лекции. В конце занятия он измерил отклонение и, к своему полнейшему удовлетворению, обнаружил полное совпадение с вычислениями, однако… его маятник отклонился в противоположном направлении от предполагаемого! Ошибка, вероятно, была следствием сочетания каких-то нарушений при его подвешивании и воздействия воздушных потоков в продуваемой насквозь аудитории.

Маятники Фуко сильно отличаются от других музейных экспонатов. Одно из важнейших отличий – их величина. Маятник нельзя заключить в специальный шкаф или в стеклянный стенд, ему требуется огромное открытое пространство, типа церковного нефа или широкого лестничного пролета. Маятник не разбрасывает искр, не создает лишнего шума и гула, а движется с торжественной величавостью. И самое важное, пожалуй, это то, что маятник абсолютно не интерактивен, он совершенно «игнорирует» окружающих его зрителей, при этом открывая нам нечто такое, что полностью противоречит нашей интуиции и вообще человеческому опыту. Именно эта особенность, скорее всего, и создает незабываемое впечатление, производимое маятником Фуко.

Так и я не могу забыть свой первый маятник Фуко в Институте Франклина. Каждый день он качался совершенно одинаково, но я всякий раз неизменно приходил в восторг от его удивительной простоты и совершенства. Он двигался, хотя при этом оставался неизменным. Он перемещался в пространстве, убеждая меня, что на самом деле перемещаюсь я сам. Я смотрел на него, и он в своем движении отражал мое собственное движение и движение всего, что меня окружало. Он пробуждал во мне ясное и сильное ощущение, смысл которого я так до конца и не смог постичь, – ощущение ограниченности и иллюзорности моего восприятия и опыта.

Интерлюдия Наука и возвышенное

Красота – только первый укол

ужаса,

переносимый,

но как сердце зашлось,

оттого что мы поняли холод,

с которым она отстранилась,

чтоб нас не разрушить.

Р.-М. Рильке, из «Дуинских элегий» [15]

Маятник Фуко обладает тем, что можно назвать возвышенной красотой. Наряду с той разновидностью красоты, которой свойственны ясные и понятные образы и которая как бы объединяет нас со всей остальной природой, вызывая в нас чувство причастности к миру и благодаря этому некое удовлетворение, возвышенная красота пробуждает в нас тревогу, так как приводит нас в соприкосновение с высшей и пугающей силой. При столкновении с возвышенным мы начинаем воспринимать свое собственное существование как жалкое и ничтожное, а природа вдруг становится силой, чуждой человеку, непонятной и угрожающей.

Природа возвышенного в XVIII столетии исследовалась такими философами, как Эдмунд Бёрк и Иммануил Кант. Они были склонны скорее противопоставлять прекрасное и возвышенное, чем видеть в последнем разновидность первого. Бёрк писал, что переживание возвышенного вызывается ужасом, «ведущим принципом возвышенного». При столкновении с ужасным – а по Бёрку ужасное может быть не только созданием природы, но и творением рук человеческих, – наши обычные стратегии взаимодействия с миром дают сбой и в нас пробуждается «самое сильное чувство, какое только способен испытать разум». Но для переживания возвышенного (как, например, в случае с произведениями искусства) ужасное должно находиться от нас на безопасном расстоянии, поэтому мы не испытываем ощущения близкой и непосредственной опасности. Мы даже способны получить удовольствие от переживания такого рода, ибо чувствуем, что можем продолжать наше существование несмотря на присутствие ужасного и что способны найти в этом мире место и для себя. Это ощущение не только вызывает в нас некое особое чувство удовлетворения, но наполняет нас восторгом и энергией104.

Кант исследовал данную проблему вскоре после Бёрка. Немецкий философ различает два вида возвышенного. Первый вид – то, что Кант называет «математически возвышенным», – ассоциируется с восприятием грандиозных масштабов явления, как, например, переживание величия пирамид или собора св. Петра в Риме, вызывающих в нас ощущение того, что наше воображение неспособно охватить всю полноту увиденного. Второй вид – «динамически возвышенное» – ассоциируется с невероятно мощными силами:

...

«…Нависшие над головой, как бы угрожающие скалы, громоздящиеся на небе грозовые тучи, надвигающиеся с молнией и громами, вулканы с их разрушительной силой, ураганы, оставляющие за собой опустошения, бескрайний разбушевавшийся океан, падающий с громадной высоты водопад, образуемый могучей рекой, и т. д. превращают нашу способность к сопротивлению в нечто совершенно незначительное по сравнению с их могуществом»105.

С точки зрения Канта, наш разум пытается измерить и подчинить себе все перечисленное и все вообще в окружающем нас мире с помощью создания соответствующих категорий, однако в возвышенном мы сталкиваемся с собственной неспособностью вместить нечто в доступные нам категории и начинаем понимать, что все наши попытки подчинить себе это обречены на провал. Такое ощущение неприятно, но, с другой стороны, оно открывает наличие в нас самих некой силы (нашей собственной субъективности), которой подобные могущественные и разрушительные явления никогда не смогут коснуться, что, в свою очередь, приводит к ощущению прозрения и освобождения. В неприятном чувстве заключено особое – в определенном смысле извращенное – удовольствие, позволяющее нам осознать не столько посредством разума, сколько посредством эмоций человеческую свободу и человеческое превосходство над природой – качества, достойные самого глубокого почтения.

Маятник Фуко демонстрирует возвышенное в науке. У него есть нечто общее с экспериментом Эратосфена, измерявшего окружность Земли, о которой было известно, что она имеет некую величину, или с экспериментом Галилея с наклонной плоскостью, который послужил толчком к созданию математического закона, или с ньютоновскими опытами с призмой, выявившими некую новую особенность нашего мира. Во всех научных экспериментах есть нечто возвышенное, так как они доказывают, что природа бесконечно богаче тех концепций и методов, с помощью которых мы пытаемся ее постичь. Однако маятник Фуко высвечивает возвышенное особым способом, демонстрируя ограниченность человеческого восприятия, или, точнее, отсутствие прямого соответствия между нашим восприятием и реальным действием законов природы.

Связь между маятником Фуко и возвышенным в его различных проявлениях, представленных в работах философов – от Бёрка и Канта до Умберто Эко, помогает нам осознать причины популярности изобретения французского ученого и то, почему оно продолжает завораживать наших современников. Эксперимент Фуко завораживает и удивляет совсем не потому, что доказывает нам факт вращения Земли, и не потому, что на основе маятника Фуко впоследствии был изобретен гироскоп – незаменимый навигационный инструмент. Он завораживает нас по сей день потому, что открывает глубокие и подчас непостижимые истины о самом феномене восприятия. Действительно ли, «видя», как смещается плоскость колебаний маятника, мы «понимаем», что на самом деле движется Земля? Или же благодаря маятнику и объяснительной табличке рядом с лестницей мы начинаем – в самом прямом смысле слова – «видеть» движение Земли? В любом из этих двух вариантов наука побеждает восприятие, как бы вытесняя его в первом случае и корректируя во втором.

Или же, может быть, при взгляде на маятник Фуко наше восприятие направляется и перестраивается не столько самим созерцанием раскачивающегося маятника, сколько объяснениями, которые его сопровождают; авторитетом людей, делающих эти объяснения; понятностью моделей, которые нам демонстрируются; тем, как эти модели интегрируют всю известную нам информацию, и так далее? Но если наше восприятие может быть кардинальным образом «перевоспитано», как в данном случае, сразу же возникает вопрос: какие еще тайны окружают нас и точно так же от нас пока сокрыты? Что еще во внешнем мире мы неспособны увидеть из-за особенностей нашей психологии восприятия? Какие удивительные открытия готовит нам эта область? Если вас волнуют подобные вопросы, значит, вы переживаете то, что философы называли «возвышенным».

Рис. 17. Аппарат Роберта Милликена

Глава 8. Вид на электрон

Милликен и капля масла

Когда американский физик Роберт Милликен (1868–1953) выступал с традиционной нобелевской лекцией после вручения ему Нобелевской премии в 1923 году, все присутствующие были абсолютно уверены, что ему на самом деле удалось увидеть электроны. «Тот, кто видел этот эксперимент, – сказал Милликен, имея в виду опыт, за который он получил Нобелевскую премию, – в самом буквальном смысле видел электрон»106.

Упрямое стремление Милликена убедить всех, что с помощью его эксперимента можно в самом прямом смысле увидеть элементарные частицы, отчасти объяснялось неким защитным рефлексом – последствием ощутимой психологической травмы, возникшей в результате спора с другим ученым, выразившим сомнение в ценности проведенных изысканий. Однако утверждение Милликена, что он способен видеть электроны, имело несколько иные основания, нежели утверждение Фуко, что с помощью его маятника можно увидеть, как вращается Земля. И причиной тому было удивительное сопровождение эксперимента, которое Милликену удалось создать в своей лаборатории.

* * *

Милликен приступил к длительной серии экспериментов с электронами в 1907 году. Почти сорокалетний физик к тому времени более десяти лет преподавал в Чикагском университете, успел жениться и стать отцом троих детей. И хотя Милликен был автором нескольких весьма авторитетных учебников, самостоятельных важных исследований у него практически не было, и ему очень хотелось внести собственный вклад в науку. Для этого он обратился к проблеме измерения электрического заряда отдельного электрона. В своей автобиографии Милликен писал:

...

«Всех интересовала величина заряда электрона, так как электрон, вероятно, самая фундаментальная и постоянная сущность во Вселенной, хотя она до того времени не была измерена с точностью, равной хотя бы ста процентам [то есть с величиной неопределенности, равной измеряемому явлению]»107.

Измерение величины заряда электрона стало в начале XX столетия столь же важным вызовом для физической науки, каким в XVIII веке было измерение плотности Земли и в дальнейшем – гравитационной постоянной. По той же причине данная информация должна была многое открыть относительно устройства всей Вселенной.

Свою нобелевскую лекцию Милликен начал с просьбы к аудитории: задуматься над «несколькими простыми и знакомыми экспериментами», связанными с электричеством. Если потереть стеклянную палочку о кошачью шерсть, а затем коснуться ею бузинного шарика, бузинный шарик приобретет «новое и поразительное свойство», которое заставит его отскочить от палочки. Таково, продолжал Милликен, элементарное проявление электричества: нечто, называемое «электрическим зарядом», переходит от палочки к шарику, и в результате они оба начинают взаимно отталкиваться. Бенджамин Франклин полагал, что заряд состоит из множества крошечных частиц, или «атомов», электричества и что данное явление объясняется переносом этих крошечных крупиц или их «гроздей».

К концу XIX столетия ученые с удовлетворением убедились, что Франклин был прав: электрический заряд переносят крошечные тела, называемые «электронами», которые являются ключевыми частицами структуры атома. Однако на тот момент исследователи не знали, обладает ли заряд отдельных электронов определенной величиной и может ли он вообще иметь какую-то величину. Ответ на упомянутый вопрос имел принципиальное значение как для физиков, интересовавшихся структурой атома, так и для химиков, занимавшихся химическими связями. Но как обнаружить и измерить мельчайшую крупицу электричества?

Милликен прекрасно понимал, что ввязывается в весьма ненадежное предприятие. Он собирался променять престижную и состоявшуюся карьеру автора университетских учебников на рискованную авантюру с физическими исследованиями. Из прежнего опыта научных исследований он знал, «сколько труда можно приложить в физике и так и не напасть на золотую жилу». Его нынешняя цель – измерение электрического заряда отдельного электрона – была исключительно сложна. Выделение одной из этих немыслимо маленьких частиц материи и дальнейшая работа с ней при любых обстоятельствах являются необычайно трудным делом. К тому же неясно было, каким образом следует проводить подобный эксперимент.

Другими словами, Милликен собирался вскарабкаться на очень высокую гору, весьма туманно представляя себе, по какому из склонов подъем будет более легким или даже просто возможным. Хуже того, огромный интерес, проявлявшийся к величине заряда электрона в научных кругах, означал, что попытками измерения заняты очень многие. Таким образом, Милликену предстояло работать в области, где шла откровенная гонка за научный приоритет, и существовала опасность, что кто-то – более опытный и имеющий в распоряжении лучшую материальную базу – быстрее сделает открытие и точнее измерит искомую величину. Милликен понимал, что ему потребуются исключительная изобретательность и удача.

Главные соперники Милликена работали в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Ее директор, Джозеф Джон Томсон, в 1897 году открыл электрон (точнее, Томсон установил, что у всех электронов отношение заряда к массе одинаково) и прекрасно понимал важность определения точной величины его заряда. Он руководил группой талантливых студентов, занимавшихся данной проблемой. Они уже испробовали массу различных вариантов эксперимента, самым многообещающим из которых, как ни странно, оказался вариант с созданием в лаборатории облака водяных капель.

Несколькими годами ранее Чарльз Вильсон, один из сотрудников Кавендишской лаборатории, изобрел расширительную диффузионную камеру: устройство создавало внутри емкости туман, заставляя перенасыщенный водяными парами воздух конденсироваться на частицах пыли и свободно плавающих частицах, содержащих электрический заряд и называемых ионами (отрицательно заряженные ионы содержат один и более зарядов электрона). Тот факт, что перенасыщенный водяными парами воздух конденсировался вокруг ионов, позволил использовать прибор в отслеживании траекторий быстро движущихся заряженных частиц (к примеру, тех, что выделяются радиоактивными веществами), так как подобные частицы оставляют после себя цепочки ионов.

В 1898 году, год спустя после открытия электрона, Томсон применил этот метод для приблизительной оценки заряда электрона. Он воспользовался радиоактивным источником для получения отрицательно заряженных ионов (то есть электронов) в воздухе внутри камеры Вильсона, затем вызвал конденсацию перенасыщенного водяными парами воздуха вокруг ионов – создав в результате облако заряженных «бузинных шариков», – после чего измерил общий заряд облака. Затем он подсчитал общее число капель в облаке. На первый взгляд, эта задача кажется чрезвычайно трудной, практически невыполнимой, но на практике, как ни странно, ее можно решить, измерив скорость, с которой верхняя поверхность облака опускается внутрь расширительной диффузионной камеры.

С помощью уравнения Навье – Стокса, описывающего характер движения крошечных капель в жидкости, Томсон смог вычислить средний размер отдельных капель, составляющих облако, путем измерения скорости опускания облака. Чтобы осуществить названный подсчет в соответствии с законом Стокса, ему необходимо было знать плотность капель (ничего сложного, так как это были капли воды) и вязкость среды, по которой они проходили (тоже ничего сложного, так как этой средой был воздух). Знание общего объема водяных паров в облаке и размера каждой отдельной капли позволило Томсону высчитать число отдельных капель в облаке. Исходя из предположения, что каждая капля в облаке конденсируется вокруг одного электрона, Томсон поделил заряд облака на число капель, чтобы таким образом получить примерный заряд отдельного электрона.

Чарльз Вильсон усовершенствовал свой метод, установив в расширительной диффузионной камере горизонтальные металлические пластины, с помощью которых внутри устройства создавалось электрическое поле. Когда он заряжал пластины, любые заряды в пространстве между ними ослаблялись возникавшим полем. Воспользовавшись секундомером, Вильсон измерил и сравнил скорость, с которой облака из капель опускаются между рядом перекрестий визира – вначале под действием одной только силы притяжения, а затем под влиянием силы притяжения и электрического поля, заставлявшего облако опускаться немного быстрее. Это было значительное усовершенствование, так как давало Вильсону возможность убедиться, что измеряемый облачный слой состоит из капель с электронами внутри, так как капли с электронами опускаются быстрее под влиянием электрического поля, нежели под воздействием одной силы притяжения. Это также позволяло отбирать капли с наименьшим зарядом, так как капли, конденсировавшиеся вокруг группы электронов, содержали больший заряд и опускались с большей скоростью. Метод Вильсона также был приблизительным из-за очень быстрого испарения облаков. К тому же следовавшие друг за другом облака подчас сильно отличались друг от друга, и их было сложно сравнивать.

В 1906 году Милликен вместе с аспирантом Луисом Бегеманом приступил к своим экспериментам. Вначале ученые решили испробовать метод Вильсона, но не добились никаких результатов. Из-за неопределенности и нестабильности верхней поверхности облака они не смогли провести измерения даже с минимальной степенью точности. Когда Милликен сообщил об этом на заседании в Чикаго, выдающийся физик Эрнест Резерфорд подтвердил, что главная сложность эксперимента связана с большой скоростью испарения крошечных капелек воды. Милликен понял, что для решения проблемы испарения необходимо кардинальным образом изменить методику.

Несколько подавленный возникшими трудностями, Милликен решил изучать скорость испарения так, чтобы иметь возможность ее компенсировать, – еще один пример «бдительности экспериментатора», описанной в связи с опытом Кавендиша. Исследователь решил использовать более сильное электрическое поле и изменить направление тока так, чтобы он поднимал заряженные капли вверх, удерживая облако на то время, пока проводилось измерение скорости испарения. Однако при первой же попытке его постигло разочарование. Он было подумал, что его цель практически недостижима, а любые попытки усовершенствовать эксперимент безнадежны:

...

«Все подготовив и… сформировав облако, я повернул выключатель и включил электричество. Результатом было полное и мгновенное исчезновение облака – другими словами, не осталось „верхней поверхности“ облака, на котором можно было бы установить перекрестье визира, как делал Вильсон и как намеревался сделать и я»108.

Практически все облако – очевидно, состоявшее из капель с более чем одним электроном – было сметено сильным электрическим полем. Милликен писал:

...

«Поначалу создалось впечатление, что мой эксперимент полностью провалился, а вместе с ним провалились и все другие попытки экспериментирования на основе измерения скорости опускания ионизированного облака».

При повторении попытки произошло то же самое. Внезапно Милликен обратил внимание на то, что кардинальным образом преобразило его подход к эксперименту, а именно – на небольшое количество неиспарившихся капель:

...

«Это были капли, по случайности имевшие именно то отношение заряда к массе, или весу, которое было необходимо, чтобы направленная вниз сила тяготения, действовавшая на каплю, уравновешивалась направленной вверх силой, обусловленной воздействием поля на электрический заряд, который переносила капля… Так возникло то, что я назвал определением е [заряда электрона] „методом уравновешенной капли“»109.

Итак, Милликен обнаружил способ работать с одним «бузинным шариком», а не с целым их облаком. Настроив заряд электрических полей в камере, он мог заставить крошечные капли двигаться в камере вверх и вниз и даже оставаться неподвижными. Проделав эксперимент много раз, он заметил, что заряд, необходимый для уравновешивания капель, всегда представлял собой точное число, кратное наименьшему заряду, наблюдаемому на капле. Это стало первым однозначным доказательством того, что электрический заряд состоит из отдельных «крупиц».

Затем Милликен переделал аппарат так, чтобы иметь возможность изучать отдельные капли, а не облака. Устройство теперь состояло из камеры, в которой заряженные капли падали через крошечное отверстие в горизонтальной пластине, переходя туда, где за их поведением можно было бы наблюдать в микроскоп, когда они проходили между двух перекрестий визира110.

Милликену повезло, и он сумел правильно воспользоваться плодами своей удачи. Эксперимент был возможен лишь при очень строгом соблюдении целого ряда параметров. Если бы капли были значительно меньше, то из-за броуновского движения (хаотического движения мелких частиц в жидкости, вызванного столкновением молекул этой жидкости) наблюдение стало бы невозможным, и, наоборот, если бы капли были бы значительно больше, Милликену не удалось бы создать напряжение, необходимое для удержания их на месте. Позднее он писал:

...

«Природа была добра ко мне. Едва ли при каком-либо другом сочетании размеров, параметров электрического поля и материалов я мог бы получить необходимые результаты».

Осенью 1909 года Милликен решил опубликовать свою первую большую статью о «методе уравновешенной капли». Работа увидела свет в феврале 1910 года. Материал в статье изложен с удивительной честностью. Историк науки Джеральд Холтон охарактеризовал работу как редкое явление в научной литературе. Милликен включил в статью свои личные суждения о надежности и ценности каждого из тридцати восьми наблюдений капель, проранжировав их. Тремя звездочками он отметил два «лучших» наблюдения, которые имели место «вероятно, при идеальных условиях» – это значило, что у исследователя была возможность наблюдать за каплей достаточно долго, чтобы убедиться в ее неподвижности, точно отследить время ее прохождения через перекрестие визира и не увидеть никаких нарушений в характере ее движения. Двумя звездочками Милликен пометил семь «очень хороших» наблюдений, одной звездочкой – десять «хороших» наблюдений и без пометок оставил тринадцать «посредственных». Примечательно и то, что Милликен откровенно признался, что ему пришлось отбросить три «хороших» наблюдения – включение которых никак бы не отразилось на конечном результате – из-за какой-то неопределенности в положении капель и значении параметров электрического поля; еще три – из-за изменений в параметрах поля; и еще одно просто потому, что в этом случае заряд оказался на 30% ниже, чем в остальных, и это вызвало у исследователя подозрение, что в эксперимент вкралась какая-то ошибка. Как заметил Холтон, «Милликен хотел подчеркнуть, что знает, каким должен быть хороший эксперимент, и не желал пренебрегать этим знанием ни при каких обстоятельствах»111. Анализ, подобный вышеприведенному, всегда является частью научных исследований, но экспериментаторы редко публикуют его в открытой печати.

Впрочем, словно подтверждая правильность давней мудрости, что ни одно доброе дело не остается без наказания, Милликену вскоре пришлось пожалеть о своей чрезмерной честности. В том же году в дискуссию вступил Феликс Эренгафт (1879–1952), физик из Венского университета. Воспользовавшись оборудованием, похожим на милликеновское, но с частицами металла вместо капель воды, Эренгафт заявил в 1910 году, что в результате своих исследований он установил существование «субэлектронов» с зарядом меньшим, чем наименьший из обнаруженных Милликеном. Эренгафт не просто провел пересчет данных Милликена, но, воспользовавшись теми наблюдениями Милликена, которые тот отбросил как недостаточно надежные, попытался создать впечатление, что данные американского исследователя подтверждают его выводы.

Однако ко времени появления статьи Эренгафта Милликен уже понял, как можно кардинальным образом усовершенствовать эксперимент. В августе 1909 года, незадолго до представления к публикации своей первой статьи, Милликен съездил в канадский Виннипег на конференцию Британской ассоциации развития науки, президентом которой в тот год был Джозеф Джон Томсон. И хотя Милликен не был включен в список выступающих, он привез с собой результаты своих исследований и, представляя их, привлек к себе большое внимание. Вскоре после конференции он решил заменить капли воды на более тяжелую субстанцию с меньшей скоростью испарения – к примеру, на ртуть или масло. В своей автобиографии, написанной двадцать лет спустя, Милликен называет моментом откровения то, что произошло с ним на пути домой. Он вдруг понял, насколько наивны и даже глупы попытки бороться с испарением водяных капель, при том что существуют часовые масла, специально созданные для предотвращения испарения112.

Вопрос о том, как это происходило на самом деле, столь же туманен и загадочен, как и верхняя поверхность облака. В статьях, опубликованных в то время, Милликен приписывает своему коллеге Дж. Ли заслугу в разработке метода распыления с целью создания крошечных сферических капель. Однако Харви Флетчер, один из аспирантов Милликена, утверждал позднее, что идея использования масляных капель принадлежит именно ему. Скорее всего, ни о каком моментальном озарении у Милликена речи не идет, так как проблемой предотвращения испарения в то время занимались абсолютно все, кто имел хоть какое-то отношение к описываемому эксперименту.

Вернувшись в Чикаго из Виннипега, Милликен поспешил в Райерсон-холл – корпус в самом центре университетского кампуса, где располагалась его лаборатория. Глядя сегодня на впечатляющее неоготическое здание с бойницами в зубчатых стенах, нелегко догадаться, что это одна из первых в Америке физических лабораторий, построенная в конце XIX столетия. Даже оказавшись внутри, трудно поверить, что среди громадных дубовых потолочных балок и живописных винтовых лестниц располагается научная лаборатория. Однако это здание из камня и дерева обладает прекрасными изолирующими свойствами; металлические конструкции при строительстве не употреблялись во избежание магнитных помех, которые могли бы помешать экспериментам с предельно малыми электрическими и магнитными полями. Лабораторию строили на основе рекомендаций американского физика Альберта Майкельсона, настоявшего на определенных технических условиях и строительных материалах, которые, по мнению ученого, требовались для успеха экспериментов.

У входа в Райерсон-холл Милликен столкнулся с самим Майкельсоном. Милликен сообщил своему именитому коллеге, что разработал метод, который позволит ему определить заряд электрона с точностью до одной десятой процента, в противном случае, заявил он, «я вообще ни на что не гожусь». Oн сразу же заказал новый аппарат специально для методики «уравновешенной капли», но с использованием масла. Как и раньше, он собирался создать отрицательные электрические заряды в камере, заполненной каплями (на сей раз масла), выбрать одну из них и позволить ей падать под влиянием только одной силы притяжения. На основании этого он смог бы вычислить радиус капли. Затем он намеревался подключить ток к пластинам и направить крошечную каплю вверх, затем вниз, затем снова вверх. Милликен наблюдал за каплями через небольшое окошечко, освещенное с противоположной стороны специальной подсветкой. Измерение времени подъема и падения капель позволило бы ему вычислить их заряд.

Рис. 18. Схема эксперимента с каплей масла (чертеж и подпись Милликена)

С того момента Милликен посвятил практически все свое свободное от преподавания время эксперименту. Его жена Грета, привыкнув к почти постоянному отсутствию мужа, постоянно объяснялась по этому поводу с приходившими к ним в дом гостями. Однажды Милликен был крайне озадачен комплиментами одного из своих знакомых, который выразил восхищение тем, что ученый при всей своей занятости находит время помогать жене по хозяйству. Позднее выяснилось, что Грета объяснила отсутствие мужа на ужине тем, что он «полтора часа наблюдал за ионом» и еще не закончил работу. Глуховатому гостю послышалось, что Милликен «полтора часа стирал и гладил» и поэтому не смог выйти к ужину [16] 113. В сентябре 1910 года Милликен опубликовал в журнале Science еще одну крупную работу по проблеме заряда электрона – первую, основанную на экспериментах с масляными каплями. На тот момент он еще не читал статьи Эренгафта, где австрийский ученый противопоставлял выводам Милликена свои собственные данные, и потому вторая статья Милликена написана в том же духе, что и первая. Хотя на сей раз он и не проводит ранжирования капель, но совершенно откровенно заявляет, что не включил несколько эпизодов измерений в свои вычисления заряда электрона. В некоторых случаях, писал он, это было связано с довольно значительной ошибкой в эксперименте:

...

«Когда скорости чрезвычайно малы, то из-за остаточных конвекционных потоков [потоков воздуха, вызываемых разницей температур] возникают ошибки, а когда скорости чрезвычайно велики, невозможно точно определить временные параметры».

В других случаях он отбрасывал их потому, что их значения были «нерегулярны», то есть существенно отклонялись от средней величины, установленной для большого числа капель. Однако их включение никак не повлияло бы на определение средней величины заряда электрона и отразилось бы только на степени погрешности эксперимента. Милликен писал:

...

«Метод, использовавшийся нами, настолько прост, а выводы настолько очевидны и убедительны, что даже непосвященный человек без особого труда понял бы нашу методику и смог оценить результаты»114.

Милликен продолжал совершенствовать свое оборудование, включив в него, к примеру, более точный прибор по измерению времени и более совершенное оборудование по контролю температуры. На протяжении всего 1911 года и в следующем году он продолжал наблюдения. Весной 1912-го, например, Милликен в течение нескольких недель наблюдал за масляными каплями через микроскоп, установленный в стенке камеры. В полдень пятницы 15 марта он полчаса разглядывал под микроскопом каплю номер 41 и с помощью секундомера пытался определить время ее подъема и падения между крошечными перекрестиями визира. Эту каплю он видел очень хорошо; обычные источники возмущений (например, воздушные потоки) отсутствовали. Несмотря на то, что работа, в общем-то, была довольно однообразной и утомительной, волнение исследователя нарастало. Завершив запись данных в свой лабораторный блокнот, он в нижнем левом углу записал слова, которые позднее процитировал во введении к своей книге:

...

«Очень красиво. Обязательно нужно это опубликовать, очень красиво!»115

К тому времени Милликену стало известно о статье Эренгафта и о группе исследователей, разделявших точку зрения австрийского ученого. Эренгафт обвинял Милликена в публикации ложных данных и заявлял, что его собственные данные доказывают существование субэлектронов. В 1913 году Милликен опубликовал подробную статью с изложением результатов своих экспериментов на усовершенствованном оборудовании. Явно задетый обвинениями Эренгафта, ученый попытался защититься от незаслуженных инсинуаций. Он писал, что обнародованные им данные основываются на ряде наблюдений с пятьюдесятью восьмью каплями, которые, как он подчеркивал, не были «специально отобраны, а включали все капли, с которыми проводился эксперимент в течение 60 дней подряд»116. В результате данной работы было получено значение заряда электрона (4,774 ± 0,009 × 10-10 электростатических единиц, или esu ) с точностью до 0,5%.

Научное сообщество приняло результаты Милликена не только на основании этой его статьи, но и на основании других свидетельств в поддержку атомистической природы электричества. В 1923 году, в том числе и за упомянутую работу, Роберту Милликену была присуждена Нобелевская премия. В течение еще нескольких лет Эренгафт пытался доказать существование субэлектронов, но потом оставил эту безнадежную затею. Позднее Эренгафта увлекла еще одна необычная идея – магнитные монополи (магниты, у которых есть только один полюс). Теоретически они могут существовать, но никто никогда их не видел.

Однажды на конференции Эренгафт продемонстрировал аудитории некий предмет, зажатый в кулаке, заявляя, что это есть доказательство существования монополей. Пикантная ситуация имела место и в 1946 году, на ежегодном собрании Американского физического общества в Нью-Йорке. Американский физик Абрахам Пайс выступал с докладом, его внезапно прервал Эренгафт, которому к тому времени уже было семьдесят лет, но который, несмотря ни на что, продолжал отстаивать свою теорию монополей. Он попытался пробиться к трибуне, требуя, чтобы его выслушали, однако его остановили и вежливо вывели из аудитории.

Физик Герберт Голдстейн сидел рядом со своим наставником Арнольдом Зигертом.

– Теория Пайса намного безумнее теории Эренгафта, – заметил Голдстейн. – Но почему же мы считаем Пайса физиком, а Эренгафта идиотом?

Зигерт задумался на мгновение.

– Потому, – ответил он после недолгой паузы, – что Эренгафт верит в свою теорию117.

Сила убежденности Эренгафта в собственной правоте, по мнению Зигерта, мешала нормальному – то есть критически-ироничному – отношению к своей работе, которое требуется любому ученому, чтобы уметь идти на риск и импровизировать (недаром Ницше полагал, что убежденность – гораздо больший враг истины, нежели ложь).

* * *

Но были ли у Эренгафта какие-либо основания утверждать, что Милликен подтасовал свои данные? Джеральд Холтон внимательно проанализировал лабораторные записи Милликена, на которых была основана его статья 1913 года, и обнаружил, что на самом деле Милликен отследил поведение 140 капель, а не 58, как он утверждал. Таким образом, заявление Милликена, что капли «не были специально отобраны» и что в анализ были «включены все капли, с которыми проводился эксперимент в течение 60 дней подряд», – неправда. Возможно, у многих подобное открытие вызвало бы гримасу возмущения, однако самого Холтона это не слишком обеспокоило. Он высказал два возможных объяснения происшедшего. Одно из них – полемика с Эренгафтом. Милликен, совершенно убежденный в своей правоте, все же не хотел давать оппоненту дополнительные козыри, которые еще больше запутали бы проблему. Вторая причина того, что экспериментатор не упомянул целый ряд капель, становится ясна из длинного перечня причин ошибок в эксперименте, описание которых Холтон обнаружил в лабораторных заметках: «Напряжение батарей упало; в манометр не поступает воздух; частые нарушения из-за конвекции; нужно поддерживать более постоянное расстояние; имеют место ошибки секундомера; распылитель не работает».

Другими словами, Милликен вообще не рассматривал «опущенные» восемьдесят две капли как научно достоверную информацию. В лабораторных записях Милликена проводится четкое различение между каплями, наблюдение над которыми проводилось при более или менее идеальных условиях (их он часто характеризует как «красивые»), и каплями, в наблюдение за которыми вкралась та или иная ошибка. Вот образец записей, взятый Холтоном из заметок Милликена, сделанных в течение последней недели эксперимента:

...

«Красота. Температура и условия идеальны, никакой конвекции. Опубликовать [8 апреля 1912].

Опубликовать, красиво [10 апреля 1912].

Красиво, опубликовать [перечеркнуто и заменено] появилось броуновское [10 апреля 1912].

Идеально, опубликовать [11 апреля 1912].

Одно из лучших [12 апреля 1912].

Самое лучшее со всех возможных точек зрения [13 апреля 1912].

Красиво, для демонстрации соответствия между двумя методами получения v1 + v2. Точно опубликовать [15 апреля 1912].

Опубликовать. Подходит для демонстрации двух методов получения v… Нет. Что-то не то с температурой»118.

Таким образом, Милликен публиковал данные наблюдений по отобранным каплям, а чтобы избежать дальнейшей критики со стороны Эренгафта, не сообщал о тех каплях, информацию о которых отбросил, рассматривая ее как не представляющую научный интерес. Зато Эренгафт со своими ассистентами, пишет далее Холтон, напротив, «с удивительным усердием собирал всю полученную информацию – и „хорошую“, и „плохую“, и „нейтральную“». Ценность всех наблюдений его группа считала одинаковой.

С тех самых пор, как была опубликована статья Холтона, историки, журналисты и ученые продолжают обсуждать этические аспекты экспериментальных процедур Милликена и их ценность. В большей части публикаций история Милликена описывается как некий пример стремления полностью прояснить исследуемую проблему, при этом подчистив и пригладив часть результатов, чтобы в конечном итоге создать некую достаточно убедительную демонстрацию. Историк науки Уллика Сегерстрале сухо описывает историю получения Робертом Милликеном Нобелевской премии и замечает, что его исследования часто приводятся как пример в «воспитательных целях»119, причем с полярно противоположными оценками: с одной стороны – «блестящий научный эксперимент», а с другой стороны – «бесстыдная фальсификация».

По понятным причинам некоторые журналисты и популяризаторы науки, бегло ознакомившись со статьей Холтона, сосредоточились на каплях, пропущенных Милликеном, и в особенности на его лживом утверждении в статье 1913 года, где он написал, что привел в ней все результаты своих наблюдений. С точки зрения этих критиков, нобелевский лауреат явно повинен в научной недобросовестности и даже в подлоге120. В книге «Предатели истины: подлог и обман в научных аудиториях», опубликованной в 1983 году, журналисты Уильям Брод и Николас Уэйд пишут: «Милликен постоянно искажал результаты своих исследований с тем, чтобы они выглядели более убедительными по сравнению с реальным положением дел»121. Израильский вирусолог Александр Кон упоминает Милликена в своей книге «Ложные пророки: мошенничество и ошибки в науке и медицине», хотя автора возмущает не столько пропуск определенных данных в публикации, сколько пренебрежение Милликена вкладом в научные исследования, сделанным его студентом Флетчером.

С другой стороны, некоторые историки науки превозносят Милликена как эталон ученого, который, как теперь представляется, здраво оценивал надежность научных данных. Эти авторы настаивают, что научное мышление часто основывается не на количественной информации, а на логических рассуждениях, и приводят множество исторических примеров того, как ученые логически верно интерпретировали результаты своих экспериментов, но если бы они руководствовались одними только цифрами, то неизбежно впали бы в заблуждение. И вообще, когда речь заходит о количественных данных, надо сразу признать, что данные данным рознь.

В 1984 году историк науки Аллан Франклин, тщательно проанализировав все результаты, не включенные Милликеном в свою статью, подтвердил, что почти все они были отброшены по причинам, связанным с ошибками в эксперименте. И что даже если бы Милликен включил их в свой анализ, это почти никак не повлияло бы на окончательный результат122.

Критиками в подобных случаях чаще выступают те, кого больше волнует моральный урок, который можно извлечь из научного процесса, а не историческая точность и не особенности этого процесса. Обе описанные версии не учитывают всей сложности жизни. Версия «Милликен – плохой ученый» не содержит признания того факта, что не все данные одинаково хороши и что иногда бывает разумно отбросить некоторые из полученных результатов. А версия «Милликен – хороший ученый» не обсуждает проблему полной научной достоверности: ученый, во что бы то ни стало желающий получить нужный результат, решает опубликовать лишь часть полученной информации.

Как указывает Уллика Сегерстрале, данное противоречие возникает из-за применения двух совершенно различных и практически несовместимых подходов к научному процессу. Согласно одному из них, кантианскому (или «деонтологическому»), этически правильное поведение заключается в том, что субъект применяет к себе те же законы, которые можно назвать всеобщими, то есть те, которые одинаковы для всех человеческих существ. С позиций этого подхода, Милликен – плохой ученый, потому что он не следовал общепринятым правилам, которые требуют полностью представлять полученную в ходе исследований информацию.

Однако с прагматической точки зрения основной целью науки считается получение правильного результата, чем как раз и занимался Милликен. Наука, замечает Сегерстрале, – это сфера, отличающаяся такой высокой степенью соревновательности, что те, кто не рвется вперед, получая быстрые (пусть и не совсем точные) результаты, безнадежно отстает и сходит с дистанции.

Из-за споров вокруг этической стороны работы Милликена сложно обсуждать красоту его эксперимента. Однако все-таки стоит попробовать. Прежде всего зададимся вопросом, что же на самом деле видел Милликен. Он всматривался через микроскоп в пространство камеры, которую разработал сам. Устройство представляло собой маленькую сцену для специфического научного спектакля, разыгрываемого совершенно особыми актерами – крошечными каплями масла по нескольку микронов в диаметре. Величина поистине микроскопическая: их диаметр сравним с длиной волны видимого света, который как будто завивался вокруг капель так, что можно было видеть его дифракцию. Появляясь по одной в перекрестии визира, капли представали в виде размазанных дисков, окруженных дифракционными кольцами.

Именно по этой причине Милликен не мог измерить их размер оптическим способом, а вынужден был прибегнуть для измерений к уравнению Стокса. Каждая капля, освещенная дуговой лампой, напоминала Милликену мерцающую звезду на ночном небе. Капли, чрезвычайно чувствительные к состоянию окружающей среды, реагировали на любые потоки воздуха, на столкновения с молекулами воздуха, на электромагнитные поля, которые Милликен использовал для того, чтобы заставить капли двигаться. Он видел, как капли перемещаются вверх и вниз, реагируя на изменение электромагнитного поля. Он видел, как они мечутся под воздействием броуновского движения. Наблюдая за движением капли в электромагнитном поле, он вдруг замечал, что она подскакивает, столкнувшись с другим ионом. «Один электрон оседлал каплю! Мы на самом деле уловили то мгновение, когда электрон оседлал каплю, а затем спрыгнул с нее!»123 Когда капля масла «двигалась вверх с наименьшей возможной для нее скоростью, я был абсолютно уверен, что на ней сидит один изолированный электрон», пишет исследователь. Милликен умел заставлять капли подниматься вверх или опускаться вниз или пребывать совершенно неподвижными.

Экспериментатор хорошо ознакомился с поведением капель и разобрался во всем, что с ними происходит. Это открыло ему совершенно новый аспект окружающего нас мира. Зримое подтверждение того, что в сложных ситуациях предмет наблюдения ведет себя в точном соответствии с хорошо известными законами, вызывает у нас почти чувственное удовольствие. Примерно то же чувствует баскетболист, наблюдающий за мячом, который плавно движется по воздуху, ударяется об обод корзины, затем рикошетит в щит и наконец проваливается в корзину. Более того, процесс, свидетелем которого стал Милликен, демонстрировал нечто поистине основополагающее – фундаментальный электрический заряд. Это была именно та разновидность красоты, о которой в свое время писал Шиллер, – нечто такое, что «вводит нас в мир идей, не уводя из мира чувственных ощущений».

Однажды в Чикаго я решил отыскать место, где Милликен провел свою знаменитую серию экспериментов по измерению заряда электрона, за которую получил Нобелевскую премию, – место, которое было свидетелем решающего мгновения в рождении нашей электронной эпохи. Я отправился в Чикагский университет, прошел в Райерсон-холл, но так и не смог отыскать лабораторию, где были проведены прославленные эксперименты. Среди встреченных мной в университетских коридорах людей не оказалось ни одного, кто смог бы показать мне историческое помещение. Некоторые в ответ на мой вопрос даже спрашивали у меня: «А кто такой этот Милликен?» Секретарь направила меня в университетский отдел связей с общественностью, но и они не смогли мне ничем помочь. Ни малейших следов Милликена и его эксперимента не сохранилось в здании, где сейчас размещается факультет компьютерных технологий. Лабораторные демонстрации и дискуссии о переоценке вклада того или другого ученого будут продолжаться и впредь, но сам эксперимент Милликена, как и большинство научных экспериментов, стал фактом истории, мало кому известным.

Интерлюдия Особенности научного восприятия

Ученые часто говорят, что они «видят» те объекты, с которыми работают, какими бы крошечными или абстрактными те ни были. Цитогенетик Барбара Макклинток как-то заметила в связи со своими исследованиями хромосом:

...

«Я обнаружила, что чем больше работаю с хромосомами, тем больше и больше они становятся. Работая с ними, я была буквально рядом с ними. Я стала частью системы. Я была рядом с ними, и все вокруг делалось большим. Я даже могла разглядеть внутренние части хромосом»124.

Астрономы часто говорят, что они «видят» планету, обращающуюся вокруг пульсара, хотя на самом деле они лишь уловили в радиоволнах, излучаемых пульсаром, определенные флуктуации, вызванные гравитационным воздействием обращающегося вокруг звезды тела. После того как вокруг Ио, одного из спутников Юпитера, обнаружили натриевое облако, пресса цитировала заявление одного астронома, который сказал, что это «самое крупное постоянно видимое явление в Солнечной системе»125.

Подобные формулировки, конечно, не стоит понимать буквально – как и распространенные фразы типа «Вижу, вот-вот пойдет дождь», которые также не подразумевают «видения» в прямом смысле слова. Всем хорошо известно, что истинно научные сущности – от электронов до черных дыр – недоступны непосредственному человеческому зрению. Для их наблюдения необходимо посредничество тех или иных инструментов.

Но насколько важно для разговора о соотношении науки и прекрасного, на самом ли деле ученые видят объект своего исследования? Для большинства из нас красота подразумевает чувственное, непосредственное и интуитивное восприятие объекта. Если же ученые работают только с абстракциями, подобное чувственное восприятие должно быть для них недоступно.

Процесс восприятия в науке – увлекательный и сложный вопрос, однако по своей сути он мало чем отличается от обычного процесса человеческого восприятия126. При обычном восприятии мы «видим» не только очертания предметов и цвета, но и гораздо более сложные явления: проявления мужества и мудрости, самообмана и привязанности, честолюбия и авантюризма. Как подобное возможно? В предыдущей главе упоминалось, что, следуя фундаментальному феноменологическому принципу, наше восприятие – не автоматический и заранее предрешенный процесс; оно зависит от того, что мы воспринимаем в качестве переднего плана, а что – в качестве фона и горизонта. Можно сказать, что воспринимаемое нами «считывается», подобно системе знаков на данном конкретном фоне. В повседневном восприятии фон обычно задан заранее, в науке же мы вольны выбирать фон с помощью надежного инструментария и технологий, что позволяет нам воспринимать совершенно новые объекты.

Данный процесс может быть предельно простым – например, определение направления ветра по флюгеру или температуры воздуха по термометру. Но он может быть и значительно более сложным, как, например, наблюдение за электронами в камере Вильсона или наблюдение различных анатомических особенностей в рентгеновском аппарате (последнее в настоящее время доступно не только ученым). На ранних этапах развития физики высоких энергий, до начала активного распространения компьютерной техники, исследователи часто приглашали студентов-гуманитариев и домохозяек на демонстрацию следов мюонов, пионов и других частиц. Человеческое восприятие не всегда функционирует на одном и том же фоне, восприятие можно формировать и развивать.

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.

В напряженной атмосфере активного научного поиска Резерфорду быстро удалось обратить на себя внимание. В 1898 году он покинул «колыбель» и перешел в университет Макгилла в Монреале, где и работал до 1907 года. В ходе изучения явления радиоактивности он сделал неожиданное и очень важное открытие: уран излучает два разных вида радиации. Для демонстрации этого феномена Резерфорд разработал простой и предельно убедительный эксперимент: он покрывал образец урана слоями алюминиевой фольги и затем измерял количество проникавшей сквозь нее радиации. При одном и двух слоях уровень радиации снижался, при трех слоях падал значительно. Однако, как ни странно, четвертый и пятый слой уже не оказывали заметного воздействия, и радиация продолжала проникать сквозь фольгу. Для Резерфорда это стало основанием полагать, что уран излучает два вида радиации, один из которых значительно мощнее другого. Более слабый из них он назвал «альфа-лучами», а более сильный – «бета-лучами», по двум первым буквам греческого алфавита.

Так получилось, что именно альфа-лучи – их природа, поведение и возможности использования – определили суть дальнейшей научной деятельности Резерфорда. Студенты Резерфорда шутливо замечали, что их наставник «случайно создал альфа-частицы, умудрился подчинить их себе, и теперь они вместе творят чудеса». Альфа-частицы станут главным инструментом ученого в открытии внутренней структуры атома, хотя и это открытие тоже будет случайным.

Резерфорд очень скоро понял, что ни альфа-, ни бета-лучи не являются лучами в том же смысле слова, как, скажем, рентгеновские лучи. Они были, скорее, частицами электрически заряженной материи, которые атомы урана выбрасывали из себя по причинам, на тот момент неизвестным. Вскоре выяснилось, что отрицательно заряженные бета-лучи – это поток электронов. Природа же положительно заряженных альфа-лучей первоначально оставалась загадкой, но Резерфорд разрешил ее. Он обратил внимание на то, что масса альфа-частиц близка к массе атомов гелия, но были ли они и в самом деле атомами гелия?

Для проверки этой гипотезы исследователь разработал еще один простой эксперимент. Была изготовлена стеклянная трубка с тонкими, но прочными стенками – чтобы пропускать альфа-лучи и не разрушиться под атмосферным давлением. Трубку заполнили радоном, радиоактивным газом, испускающим альфа-лучи, и вставили ее в еще одну герметичную стеклянную трубку. Из пространства между трубками откачали весь воздух и создали в нем вакуум. Единственное, что могло туда проникнуть, – альфа-лучи, выходившие наружу сквозь стенки внутренней трубки. Резерфорд заметил, что в пространстве между трубками медленно собирался некий газ, причем со скоростью, прямо пропорциональной скорости, с которой альфа-частицы проходили сквозь стенку внутренней трубки. Проанализировав полученный газ, ученый обнаружил, что имеет дело с гелием. Альфа-лучи, или альфа-частицы, как их все чаще стали называть, были идентичны атомам гелия. «Этот эксперимент, – писал Марк Олифант, ученик Резерфорда, – вызвал огромный интерес по причине своей простоты, ясности и красоты»136.

Однако не на все вопросы были получены ответы. Каким образом положительно заряженные альфа-частицы превращались в гелий, который обычно электрически нейтрален? И что делали атомы гелия внутри атомов урана? Были ли они частицами, отколовшимися от атома, или чем-то еще? Как они соотносились с остальной частью атомного ядра?

Путь Резерфорда к ответу на эти вопросы оказался не прямым. Он начался с дружеской пикировки с Беккерелем – результаты некоторых экспериментов последнего противоречили выводам Резерфорда. Заметив расхождение в данных, оба ученых критично подошли к исследуемой проблеме, и выяснилось, что Резерфорд был прав. Однако дискуссия лишь раззадорила его любопытство. Почему так сложно было измерить характеристики альфа-частиц? Каким образом Беккерель, известный своей тщательностью и внимательностью при проведении экспериментов, мог ошибиться? Причина заключалась в способности альфа-частиц рикошетировать от молекул воздуха.

Эту особенность альфа-частиц Резерфорд продемонстрировал в обычном для него простом и непосредственном стиле. Вначале он направил пучок альфа-частиц на фотографическую пластину, находившуюся в вакууме, и в результате получил резко очерченное яркое пятно в месте столкновения. Затем направил такой же пучок на такую же пластину, но не в вакууме, а в воздухе. На сей раз пятно оказалось размазанным и туманным. Размазывание пятна, как писал Резерфорд в 1906 году, стало следствием «рассеивания лучей», отскакивавших от молекул воздуха. И хотя Резерфорд пока еще этого не знал, открытие рассеивания лучей станет ключевым шагом на пути к открытию атомного ядра.

Два года спустя Резерфорду присудили Нобелевскую премию – как ни странно, не по физике, а по химии – «за его исследования в области распада элементов и химии радиоактивных веществ». После вручения премии он язвительно заметил, что в ходе своих исследований он наблюдал много различных трансформаций, но самой быстрой из них была его собственная трансформация из физика в химика.

К тому времени Резерфорд уже вернулся в Англию, в Манчестерский университет. По мере того как росла заинтересованность ученого в точном измерении различных характеристик альфа-частиц, его все более раздражал феномен рассеяния, который мешал, к примеру, его попыткам измерить заряд альфа-частиц. Феномен рассеяния очень беспокоил и его коллег. Английский физик Уильям Генри Брегг прислал Резерфорду изображения следов «с резкими изгибами», оставленных альфа-частицами в камерах Вильсона. «Рассеяние – самый настоящий дьявол», – жаловался Резерфорд в письме еще одному своему коллеге.

Заняться измерениями рассеяния Резерфорд поручил своему новому ассистенту, Гансу Гейгеру – тому самому, который позднее изобрел знаменитый счетчик уровня радиоактивности. Это был еще один пример «бдительности экспериментатора» – инстинкта, который заставил Кавендиша измерить величину магнитных полей в его аппарате, а Милликена – изучать испарение водяных капель. Если в эксперименте возникает некая препятствующая сила, сначала следует измерить ее, а затем попытаться скомпенсировать. Так случилось, что просьба, обращенная Резерфордом к Гейгеру, стала еще одним шагом на пути к открытию атомного ядра. Поначалу Резерфорд этого не понимал; ему казалось, что он тратит время на изучение и измерение досадного препятствия, мешавшего точной оценке заряда и массы альфа-частиц.

Измерение характеристик альфа-частиц было утомительной и однообразной работой. Резерфорду и Гейгеру было известно, что при столкновении альфа-частиц с определенными химическими веществами – например, с фосфоресцирующим сульфидом цинка – возникают мгновенные вспышки, называемые сцинтилляцией, которые можно разглядеть в микроскоп. Так впервые отдельные атомы (альфа-частицы рассматривались как атомы гелия) были зарегистрированы наглядно. Рассматривая экран, окрашенный подобными веществами, исследователи могли точно установить, в каком месте на него попадали альфа-частицы, и таким способом определяли их траектории. Но чтобы увидеть слабые, эфемерные сцинтилляции, Гейгеру приходилось сидеть в полной темноте по крайней мере минут пятнадцать, чтобы его зрение смогло адаптироваться. На это утомительное ожидание уходило много времени.

Оборудование, которое использовал Гейгер для измерения рассеивания, с современной точки зрения было очень простым. В небольшой металлический сосуд помещали крошечную бусинку радия – крайне радиоактивного элемента, почти непрерывно испускающего альфа-частицы. Сосуд был снабжен специальными отверстиями, которые позволяли пропускать тонкий луч альфа-частиц вдоль стеклянной трубки в четыре фута длиной. Из трубки был выкачан весь воздух, чтобы альфа-частицы не вступали во взаимодействие с его молекулами. С упомянутой трубкой была соединена еще одна, похожая на нее, также без воздуха, по которой альфа-частицы проходили прежде, чем попасть на экран, покрытый сульфидом цинка. Глядя на экран через микроскоп, Гейгер наблюдал вспышки и определял их положение. Практически без исключений вспышки происходили в одном и том же месте. Затем Гейгер поместил тонкие листы металлической фольги между первой и второй стеклянными трубками. Теперь вспышки начали «плясать» по всему экрану.

Гейгер дал объяснение описанному феномену в докладе, представленном на заседании Лондонского королевского общества в июне 1908 года. Бо́льшая часть альфа-частиц проходила сквозь фольгу, но время от времени некоторые частицы отражались ею. Подобно бильярдному шару, катящемуся по столу от удара другого шара, альфа-частица отлетала назад. Чем толще был слой фольги, тем большее число альфа-частиц отражалось и отлетало назад под бо́льшим углом к исходному направлению. Совершенно очевидно, что эти альфа-частицы, проходя сквозь толстую фольгу, сталкивались с несколькими атомами. Кроме того, фольга, изготовленная из более тяжелых элементов (например, золота), рассеивала альфа-частицы сильнее, нежели фольга, изготовленная из более легких элементов (например, алюминия).

Резерфорду и его сотрудникам было трудно представить себе, что реально происходит при рассеянии. Им было известно, что альфа-частицы вылетали из кусочка радия с огромной скоростью, порядка 10 000 миль в секунду. Было трудно вообразить, как атомы тонкой фольги могли «сбить с пути» частицы с такой колоссальной энергией. По правде говоря, у Резерфорда и его сотрудников не было современного представления об альфа-частицах. Им было известно только, что альфа-частицы по своей сути являются атомами гелия, но о структуре этих атомов исследователи ничего не знали. Открытие того, что некоторые атомы излучают положительно заряженные альфа-частицы и отрицательно заряженные бета-частицы, заставило некоторых ученых задуматься о внутренней структуре атома (с включением альфа-частиц / атомов гелия). Атомы, без сомнения, содержали электроны. А так как обычные атомы электрически нейтральны, значит, они обязательно должны были содержать также и положительный заряд. Но каким образом и в какой форме?

В 1904 году Джон Джозеф Томсон высказал предположение, что атом состоит из электронов, которые удерживаются неким положительно заряженным «желе», подобно сливам в пудинге, из-за чего данная модель получила название «модели сливового пудинга». В том же году один японский исследователь предложил планетарную модель, в которой атом был представлен в виде центрального ядра в окружении спутников. Однако это были всего лишь гипотезы, не позволяющие представить, что именно происходит, когда альфа-частица / атом гелия отскакивает от другого атома.

Пытаясь понять феномен рассеяния, Гейгер начал серию опытов совместно с новозеландским физиком Эрнестом Марсденом. На протяжении всей осени 1908 года и весны 1909-го они вносили усовершенствования в аппарат, добавили в него специальные прокладки, чтобы сократить рассеяние частиц, вызванное их столкновениями со стенками трубки, использовали более мощный луч, но получить достаточно стройные данные так и не смогли. Создавалось впечатление, что альфа-частицы рассеиваются не только фольгой, но и остатками воздуха в трубках, различными деталями трубок и остальной части экспериментального аппарата. При столь большом рассеянии было трудно сказать, что именно служит препятствием.

Однажды в начале весны 1909 года Резерфорд, внимательно следивший за работой Гейгера и Марсдена и их все нараставшими трудностями, зашел в лабораторию и, по воспоминаниям Марсдена, предложил: «Давайте посмотрим, нельзя ли добиться какого-нибудь результата при непосредственном отражении альфа-частиц от металлической поверхности?» Резерфорд хотел несколько изменить характер эксперимента, чтобы проверить, не будут ли альфа-частицы, обычно рассеивающиеся при прохождении через фольгу, отскакивать непосредственно от фольги подобно тому, как теннисный мяч отскакивает от стены.

Гейгер с Марсденом подготовили очень простую экспериментальную установку. Они отодвинули экран в сторону и закрыли его свинцовой пластиной, чтобы альфа-частицы не смогли его достичь, за исключением тех альфа-частиц, которые будут отскакивать от металлической фольги (рис. 20). Им пришлось еще больше увеличить мощность источника излучения, чтобы довести до максимума число частиц, движущихся под большим углом. Почти сразу же они заметили, что некоторые частицы на самом деле отлетают назад. В течение нескольких недель ученые повторяли опыт, используя фольгу из различных металлов разной толщины, и обнаружили, что примерно одна из восьми тысяч альфа-частиц отскакивала под углом больше девяноста градусов. «Поначалу, – писал позднее Гейгер, – мы вообще не могли этого [рассеяния под углом больше 90°] понять»137.

Рис. 20. Набросок схемы эксперимента Гейгера и Марсдена по измерению широкоугольного рассеяния

На тот момент Резерфорд, к своему великому неудовольствию, осознал, что для понимания процесса рассеяния альфа-частиц в результате одного или большего числа случайных столкновений придется расширить свои познания в теории вероятностей. В результате в начале 1909 года Резерфорд записался на начальный курс по теории вероятностей. Нобелевский лауреат прилежно конспектировал лекции и решал задачи, и в конце концов ему удалось разработать теорию, названную им «множественным рассеянием», которая была применима к случаям, когда частицы рассеивались в ходе случайных столкновений с несколькими атомами. Однако теория множественного рассеяния не могла объяснить феномен широкоугольного рассеяния, с которым столкнулись Гейгер и Марсден. В лекции, прочитанной в конце жизни, Резерфорд говорил о том времени, когда Гейгер и Марсден впервые поставили свой эксперимент:

...

«…Два или три дня спустя Гейгер зашел ко мне в сильном волнении и сказал: „Мы добились того, что некоторые альфа-частицы вернулись…“ Это было самое невероятное событие в моей жизни. Оно было столь же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд отлетел бы от нее и поразил бы вас»138.

Недоверчивость Резерфорда – пример оценки эксперимента задним числом. В физическом смысле слова описанная ситуация действительно была невероятна: тяжелая альфа-частица, выпущенная со скоростью примерно десять тысяч миль в секунду, отскакивает от жалкого кусочка фольги! Но даже грандиозное научное воображение Резерфорда далеко не сразу усвоило всю немыслимость происшедшего.

Поначалу он полагал, что широкоугольное рассеяние можно объяснить как частный случай феномена множественного рассеяния, то есть тем, что альфа-частицы сталкиваются с чрезвычайно большим числом атомов, которые и заставляют их отскакивать. Однако в течение следующего года, в ходе оценки результатов эксперимента и дальнейшей работы над теорией вероятностей, а также в силу ряда иных соображений, Резерфорд начал менять свой подход. К числу «иных соображений» принадлежало его все более укреплявшееся убеждение, что альфа-частица представляет собой не шарик и не пудинг, но может рассматриваться как точка. Это был грандиозный шаг вперед, так как, помимо всего прочего, чрезвычайно упростился математический аппарат теории рассеяния. Идея также помогла Резерфорду осознать, насколько ценным исследовательским инструментом является феномен рассеяния альфа-частиц. Если обладать достаточной информацией о рассеянии и о том, как на него воздействуют различные параметры (такие, к примеру, как заряд и распределение массы), то можно было обратить процесс и по характеру рассеяния альфа-частиц выяснить особенности самого источника рассеяния. Иначе говоря, рассеяние было не просто досадным явлением, с которым приходилось мириться, но интересным феноменом, на основании которого можно было многое сказать о других вещах.

Более того, Резерфорд начинал понимать, что характер рассеяния альфа-частиц способен многое сообщить о структуре самого атома. По словам Гейгера, незадолго до Рождества 1910 года на Резерфорда снизошло весьма значимое озарение:

...

«Однажды Резерфорд зашел ко мне в очень хорошем расположении духа и заявил, что ему известно, как выглядит атом и как объяснить большие отклонения альфа-частиц. В тот же самый день я приступил к эксперименту по проверке предполагаемого Резерфордом соотношения между числом рассеиваемых частиц и углом их рассеяния»139.

Физик Чарльз Галтон Дарвин, внук знаменитого натуралиста, впоследствии вспоминал многозначительное заявление Резерфорда: «Очень приятно видеть зримое проявление того, что ты уже нарисовал в своем воображении»140.

Упрощения, внесенные в теорию рассеяния, помогли Резерфорду понять, что поведение альфа-частиц нельзя объяснить концепцией множественного рассеяния: альфа-частицы отскакивали не в результате множественных столкновений, а из-за одного конкретного столкновения. Это могло произойти только в том случае, если почти вся масса атома сконцентрирована в одном заряженном узле в центре атома.

Что же такого увидел Резерфорд в своем воображении? Он увидел, что атом состоит из массивного заряженного ядра, окруженного в основном пустым пространством – еще более пустым, чем Солнечная система. Если бы атом можно было бы увеличить до размеров футбольного стадиона, его ядро имело бы размеры мухи в самом центре арены, а электроны представляли бы собой еще более мелкие крупинки, разбросанные по этой громадной площади. При этом практически вся масса такого стадиона будет содержаться в крошечном ядре. Однако Резерфорду все еще было непонятно, положительно или отрицательно заряжено само ядро.

В марте 1911 года он писал одному из своих коллег:

...

«Гейгер работает над вопросом большого рассеяния, и полученные им результаты представляются весьма многообещающими для теории. Законы большого рассеяния принципиальным образом отличаются от законов малого рассеяния… Я начинаю склоняться к мысли, что центральное ядро имеет отрицательный заряд»141.

Скорее всего, ученый тогда полагал, что положительно заряженные альфа-частицы движутся вокруг отрицательно заряженного ядра, подобно тому как кометы движутся вокруг Солнца.

Однако Резерфорд не сразу решился обнародовать свои выводы: они противоречили модели «сливового пудинга», предложенной его наставником Джоном Джозефом Томсоном, ведущим авторитетом в атомной физике той эпохи. Но тут Резерфорду помогла удача. Джеймс Джеральд Кроутер, один из учеников Томсона, опубликовал данные эксперимента с бета-частицами, который, по его мнению, доказывал, что «положительный электрический заряд внутри атома… практически равномерно распределен по всему атому»142. Это в определенном смысле развязало руки Резерфорду, так как мишенью в полемике становился не его уважаемый наставник, а молодой исследователь. Резерфорд мог изложить собственные взгляды и излить язвительную критику на Кроутера, сохранив теплые отношения с Томсоном.

В неофициальном докладе, представленном в марте 1911 года в Манчестере, Резерфорд упомянул о результатах и выводах Кроутера, но заметил, что открытое Гейгером и Марсденом широкоугольное рассеяние «невозможно объяснить» теорией множественного рассеяния. «Создается впечатление, – продолжал он, – что названные значительные отклонения альфа-частиц являются результатом единичного столкновения атомов». Это, в свою очередь, указывает на то, что атом «состоит из центрального электрического заряда, сконцентрированного в точке». Далее Резерфорд продолжил критическое рассмотрение выводов Кроутера и фактически перечеркнул их значимость, заявив, что его собственная модель очень хорошо объясняет большинство результатов, полученных Кроутером в его эксперименте143.

В мае того же года Резерфорд представил в один научный журнал статью – по словам Хейлброна, «красивую и знаменитую». Называлась она «Рассеяние α - и β - частиц материей и структурой атома»144. После описания работы Гейгера и Марсдена, эксперимента Кроутера и теорий индивидуального и множественного рассеяния Резерфорд переходит к разделу «Общие соображения». В официальном представлении результатов своих исследований он писал:

...

«Принимая во внимание всю имеющуюся информацию, проще всего предположить, что атом содержит центральный заряд, распределенный по довольно небольшому объему».

Став одной из наиболее революционных научных публикаций за всю историю европейской цивилизации, статья Резерфорда, по словам физика Эдварда Невилла да Коста Андраде, повлекла за собой «величайший переворот в нашем представлении о материи со времени Демокрита… жившего за четыре столетия до Христа». Считалось, что атомы являются базовыми строительными кирпичиками материи – само слово «атом» происходит от греческого «неделимый», – в статье же Резерфорда приводилось описание составных частей и структуры атома.

Модель Резерфорда не только открыла новые перспективы для решения многих проблем атомной физики. Альфа-частицы, к примеру, на самом деле были частями ядра, которые каким-то образом выбрасывались или откалывались от него. Они имели положительный заряд, подобно остальной части ядра; однако когда их скорость снижалась, они обретали способность притягивать электроны, после чего становились электрически нейтральными, как обычные атомы гелия.

В то время ни Резерфорд, ни кто-либо другой не рассматривал данное открытие как невероятное или эпохальное. Исследователь редко упоминал свое открытие в переписке и весьма сжато изложил содержание своей статьи в труде «Радиоактивные вещества и их излучение», вышедшем почти два года спустя. Научный мир отреагировал на его идеи довольно сдержанно. В ведущих научных журналах тех лет практически не было ссылок на статью Резерфорда, отсутствовали упоминания о ней как в докладах на наиболее значимых научных конференциях, так и в лекциях крупнейших ученых, включая Томсона.

Нам, людям XXI века, до боли остро осознающим драматические последствия открытия атомного ядра, это кажется очень странным. Однако модель Резерфорда в момент своего появления никак не соотносилась с огромным объемом информации, имевшимся об атоме в тогдашней химии и физике. Более того, его модель, согласно существовавшим в то время представлениям, не могла работать, так как была механически нестабильна. Модель обрела стабильность лишь в 1912 году, когда в Манчестер прибыл датский физик Нильс Бор и применил к модели Резерфорда идею кванта, состоявшую в том, что излучение и поглощение энергии электронами на атомных орбитах может происходить только конечными, хотя и очень небольшими, порциями. Кроме того, Бор продемонстрировал, как Резерфордова модель, обновленная в свете квантовой теории, объясняет многие другие явления, например частоту излучения света атомами водорода. Немного позднее Генри Мозли, еще один ученик Резерфорда, показал, что с помощью модели атома Резерфорда – Бора можно объяснить излучение рентгеновских лучей переходами с одного энергетического уровня на другой внутренних электронов более тяжелых элементов и рассчитать его частоту. Только после этого модель атома, почти вся масса которого сосредоточена в небольшом по относительным размерам ядре, стала очевидной для тех, чья интуиция не была столь развита, как у Резерфорда.

В наше время легко ретроспективно охарактеризовать открытие Резерфорда как результат некоего озарения. Учебники физики сравнивают его эксперимент с методами таможенников в эпоху зарождения таможенного контроля: в тюк сена стреляли, и если пуля рикошетировала, то становилось ясно, что под сеном спрятано нечто более плотное. Однако, когда Резерфорд и его помощники приступали к своему эксперименту, они вовсе не были уверены в том, что альфа-частицы своим поведением напоминают пули, и не знали, что заставляет их рикошетировать и каким образом. Описываемая модель возникла впоследствии, в ходе исследований, а не до их начала. И лишь спустя много времени стало ясно, насколько эпохальное открытие сделано Резерфордом и его коллегами.

Интерлюдия Искусство в науке

Как-то я задумал повторить эксперимент, с помощью которого Резерфорд открыл ядро атома. На практике опыт представлялся довольно простым: источник излучения, мишень, экраны сцинтилляции, микроскопические вспышки, которые нужно было подсчитывать в темноте. Я занялся сбором изображений и диаграмм данного эксперимента, его описаний, сделанных различными участниками, и аналитических комментариев, принадлежащих тем или иным историкам науки. Мне пришлось даже освежить в памяти кое-что из математики.

Я собирался провести эксперимент перед студенческой аудиторией, возможно, сделать документальный фильм. В поисках помощника я обратился к физику Сэмюелу Девонсу из Барнард-колледжа, который, по моим сведениям, работал с Резерфордом в ходе экспериментов с рассеянием альфа-частиц.

Выслушав мое предложение, Девонс расхохотался и долго не мог успокоиться. Немного придя в себя, он объяснил мне, что в наше время практически невозможно получить разрешение на работу с радиоактивными материалами, необходимыми для данного эксперимента, – степень излучения нарушает все приемлемые нормы. Можно, конечно, пойти окольным путем и – как поступают многие университетские лаборатории – воспользоваться разрешенными слабыми источниками радиации в соединении с современным электронным оборудованием, которое может несколько дней автоматически собирать данные. К сожалению, это было совсем не то, что я хотел организовать.

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.

Встретившись с Ледерманом, я поинтересовался, неужели он и в самом деле считал, что во время проведения этого эксперимента ему не хватало правильного понимания физических явлений?

– Оно было недостаточно правильным, – ответил ученый.

– Но проведенный вами эксперимент рассматривался и продолжает рассматриваться вашими коллегами как замечательный, – возразил я.

– Недостаточно замечательный, – сказал Ледерман. – Если бы он был на самом деле замечательным – в прямом смысле этого слова, – то мы бы обнаружили J/psi . Мне следовало бы быть умнее и воспользоваться мелкомодульными детекторами.

И даже когда я напомнил ему, что он использовал плотные материалы, с которыми нельзя применять детекторы такого типа, Ледерман продолжал упрямо качать головой:

– Мне все равно следовало бы быть умнее, отказаться от плотных материалов и воспользоваться более тонкими.

– Однако, – возразил я, – это означало бы изменить научную цель эксперимента и его физическую структуру по весьма спорным причинам.

Тем не менее никакими доводами мне не удавалось переубедить Ледермана.

– Если бы я был умнее, – продолжал он, – я бы начал эксперимент с самого начала. Но я не был умен. Я был глуп148.

Почему же не только Ледерман, но и другие ученые проявляют такое самоуничижение по отношению к собственному труду и отказываются признавать в нем наличие истинного мастерства, не давая себе естественного для мастера права на ошибку? Их отношение есть некая давно утвердившаяся в науке традиция, определяющая, что есть «правильно» и что «неправильно». В соответствии с этой традицией любые неудачи относятся на счет плохого планирования эксперимента и собственной недальновидности ученого, а риски и неопределенность, естественно присущие исследовательской работе, совершенно не принимаются во внимание. Подобное отношение формирует в исследователях чрезмерно требовательный подход к своему труду.

Рис. 21. Постепенное проявление интерференционной картины при рассеянии одиночных электронов на двух щелях.

Глава 10. Единственная тайна

Квантовая интерференция

...

Мы решили исследовать феномен, который невозможно, абсолютно невозможно объяснить каким-либо классическим способом и который в то же время является самой сутью квантовой механики. На самом деле он составляет единственную тайну .

Ричард Фейнман

«Я видела его при изучении курса оптики в Эдинбургском университете, – писала мне одна дама-астроном в ответах на мою анкету, опубликованную в Physics World . Речь шла о „двухщелевом“ эксперименте с электронами. – Преподаватель не сообщил нам, что должно было произойти, и впечатление было грандиозным. Я уже не помню деталей эксперимента, помню только, как точки сгруппировались в интерференционную картину. Увиденное завораживало примерно так же, как завораживает шедевр живописи или гениальная скульптура. Стать свидетелем эксперимента с двумя щелями – все равно что впервые в жизни наблюдать полное солнечное затмение: пробирает какая-то первобытная дрожь, все внутри сжимается от ужаса и восторга, и думаешь: „ Господи, а ведь эта корпускулярно-волновая штука на самом деле существует!“ Это подрывает самое основание нашего представления о мире».

Рис. 22. Три двухщелевых эксперимента: отсутствие интерференции при рассеянии потока отдельных объектов (пули), интерференция протяженных объектов (водяные волны) и интерференция объектов, которым следовало бы быть отдельными (электроны)

В своих «Лекциях по физике» американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман заметил, что «вещи предельно малого масштаба ведут себя совершенно не так, как то, к чему вы привыкли». Тем не менее, как прекрасно понимал Фейнман, даже самому знающему физику легко проигнорировать сложности квантовой механики и, несмотря на глубокое понимание предмета, представить, что электроны, протоны, нейтроны и другие частицы «там, внизу» подобны телам «здесь, наверху» – то есть отдельным твердым телам, которые проходят от точки А к точке В по совершенно определенному пути, и что, если мы по какой-то причине теряем их на пути, они все равно никуда не исчезают и пребывают в определенный момент времени в определенном месте. Впрочем, можно поставить эксперимент, демонстрирующий, что в квантовом мире все происходит совсем иначе. Это принципиальным образом противоречит предположению, которое с давних времен составляет основу научного восприятия мира: мы так или иначе можем вообразить фундаментальные вещи. Наиболее зримой и впечатляющей демонстрацией, подтверждающей, что наша убежденность в силе человеческого воображения есть заблуждение и что жизнь квантового мира невозможно вообразить, является вариант эксперимента с двумя щелями, проведенного Томасом Юнгом, но на этот раз с использованием не света, а элементарных частиц – электронов. Из-за технических сложностей, связанных с подготовкой данного эксперимента, и из-за того, что он проходит в несколько этапов, он – единственный из десяти самых красивых экспериментов – не связан с именем определенного ученого. О нем просто говорят как о двухщелевом эксперименте или об эксперименте с квантовой интерференцией. Судя по моему опроснику, он намного опередил по популярности другие эксперименты. Разумеется, мой опрос нельзя назвать строго научным, однако вряд ли можно усомниться в том, что благодаря своей простоте, убедительности и впечатляющему характеру описываемый эксперимент займет одно из первых мест в любом списке самых красивых научных экспериментов.

* * *

В своем лекционном курсе и в других книгах Фейнман элегантно описал странную природу поведения квантов, сравнивая три «двухщелевых» эксперимента: один – с использованием пуль (частиц), второй – с использованием воды (волн) и третий – с использованием электронов (того и другого и ни того, ни другого) – чтобы в каждом случае продемонстрировать сходство и различие «путем сравнений и противо-поставлений»149.

Вначале, говорит Фейнман, представьте себе эксперимент, в котором пулемет ведет беспорядочную стрельбу по бронированной стене, в которой проделаны два маленьких отверстия и за которой стоит мишень. У каждого отверстия имеется затвор, который может его полностью закрывать. Величина каждого отверстия такова, что в него только-только может пролететь пуля и затем попасть в мишень. Все пули за редким исключением попадают в мишень в одних и тех же двух местах. Небольшое количество пуль рикошетирует от краев отверстий и отлетает в сторону под тем или иным углом так, что мы не можем точно знать, куда попадет та или иная из них. Затем можно подсчитать число пуль, попавших в определенное место мишени.

Цель эксперимента состоит в том, чтобы измерить вероятность попадания пули в одно конкретное место. Начав стрельбу и проведя измерения, мы сразу же обнаружим, что мишень регистрирует только целые пули – там никогда не будет половинок или частичек от пуль. Таким образом, пишет Фейнман, распределение пуль будет в целых числах представлять определенное количество целых пуль. Также обнаружится, что вероятность отыскания пули в некоем определенном месте, когда оба отверстия 1 и 2 открыты, равна сумме вероятностей того же в том случае, когда названные отверстия открыты по отдельности. Другими словами, на вероятность того, что пуля пролетит сквозь отверстие 1, никак не влияет тот факт, открыто или закрыто отверстие 2150. Можно немного перефразировать сказанное: если при стрельбе по мишени определенный процент выстрелов попадает в «яблочко», этот процент никак не изменится, если рядом установить другую мишень и вести стрельбу одновременно по двум мишеням. Фейнман называет подобное состояние «без интерференции».

А теперь, говорит Фейнман, представьте себе второй эксперимент, на сей раз с резервуаром воды и волновой установкой вместо пулемета. В этом эксперименте у нас также имеется стена с двумя отверстиями, абсорбирующая стенка, или «берег», на другой стороне, который не отражает волны, ударяющие по нему, и передвижной детектор, измеряющий силу движения волны (на самом деле он измеряет высоту или амплитуду волны и возводит это число в квадрат, чтобы получить значение интенсивности). По сути, мы имеем дело с юнговским экспериментом с двумя щелями, только материалом здесь служит вода.

Цель эксперимента состоит в том, чтобы измерить, сколько энергии переносит волна, когда отверстие 1 и отверстие 2 открыты по отдельности и вместе. При включении волновой установки обнаруживается несколько ключевых отличий от предыдущего эксперимента. Во-первых, волны могут быть абсолютно любой величины – они ведь не отдельные тела, подобно пулям, – а их высота может изменяться плавно и непрерывно. Кроме того, интенсивность колебаний в данной точке при двух открытых отверстиях не совпадает с суммой интенсивностей в той же точке, соответствующих случаям, когда они открыты по отдельности. Как известно из эксперимента Юнга, причина этого заключается в том, что волны из двух источников в некоторых местах совпадают по фазе, а в других – не совпадают. Здесь мы имеем эффект «интерференции».

Наконец, в третьем воображаемом эксперименте Фейнман использует электронную пушку, выстреливающую электронами в стену с двумя отверстиями. И снова на противоположной стороне стены имеется «пулепоглотитель» и детектор электронов. Но теперь мы имеем дело с поведением объектов на квантовом уровне, говорит Фейнман, и тут происходит нечто необычное. Как и в первом эксперименте, мы сразу же отмечаем то, что в отличие от колебания поверхности воды электроны считываются детектором по одному и целиком: детектор издает специфический «щелчок», свидетельствующий о попадании электрона. Однако, как и во втором эксперименте, характер распределения электронов при открытых двух отверстиях отличается от суммы соответствующих распределений, когда отверстия открыты по отдельности. В результате мы имеем классическое явление интерференции. Поразительным является то, что электроны ведут себя как волны, проходя сквозь отверстия, но как частицы – «отмечаясь» на детекторе.

Исходя из того, что многие электроны проходят через оба отверстия одновременно, можно предположить, что интерференционное распределение каким-то образом возникает из-за того, что многие из них сталкиваются друг с другом. Но вариант эксперимента с пропусканием электронов по одному доказывает, что это не так. И вот здесь мы приближаемся к «единственной тайне».

Снизим активность электронной пушки так, чтобы она выпускала только по одному электрону за один раз и достаточно медленно, с тем, чтобы за один раз через отверстие проходил только один электрон. Теперь никакие столкновения между электронами невозможны. После включения электронной пушки электроны начинают медленно собираться на противоположной стороне. Поначалу, когда электроны отмечаются детектором, характер их распределения по-прежнему воспринимается как хаотический. Но по мере того как количество собранных данных растет, мы с удивлением отмечаем, что формируется некая стройная картина – по сути интерференционная! Создается впечатление, что каждый электрон проходит через оба отверстия одновременно, подобно волне, но соприкасается с детектором в одном конкретном месте, подобно частице. Каждый электрон интерферирует только с самим собой. Неужели такое возможно? Возможно! И это, по замечанию Фейнмана, «единственная тайна». «Я ничего не скрываю, – пишет он, – я обнажаю природу, ее самые элегантные и сложные формы».

Так как отдельные электроны сложно получить и наблюдать за ними по отдельности с использованием описанного инструментария, физики долгое время полагали, что названный эксперимент невозможно реализовать. Однако же они были абсолютно уверены в том, что произойдет, если такой эксперимент будет проведен, так как существует множество других свидетельств волновой природы электронов. Вот что Фейнман говорил своим студентам:

...

«Необходимо сразу же отметить, что не следует пытаться провести этот эксперимент… Данный эксперимент никогда не проводился именно таким способом. Проблема заключается в том, что для демонстрации интересующих нас последствий придется изготовить аппарат невероятно маленького масштаба. Представить подобную ситуацию относительно легко, поэтому мы проводим „мысленный эксперимент“. Его возможные результаты известны нам благодаря тому, что уже проведено множество различных экспериментов, в которых выбирались соответствующие масштаб и пропорции для демонстрации описываемых нами результатов».

В начале 1960-х годов, когда Фейнман приводил это объяснение, ему было неизвестно, что развитие технологий в физике приближалось к уровню, при котором станет возможной реальная постановка квантового эксперимента с двумя отверстиями. И этот эксперимент в самом деле был проведен в 1961 году немецким физиком Клаусом Йонссоном.

Йонссон родился в Германии в 1930 году. Когда армии союзников в 1945-м вошли в Гамбург, Йонссон вместе с группой интересовавшихся наукой одноклассников собирал разное оборудование, брошенное отступавшими немецкими войсками. Они сняли с немецкого вездехода батареи и другие электрические детали и стали проводить эксперименты по гальванопокрытию. Их развлечению пришел конец, когда аккумуляторы сели: зарядных устройств у ребят не было.

После войны Йонссон учился в Тюбингенском университете у Готфрида Молленштедта, пионера электронной микроскопии, работавшего в Физическом институте при Тюбингенском университете151. Молленштедт вместе с Генрихом Дюкером изобрел электронную бипризму, которая, по сути, является бипризмой Френеля, приспособленной для электронов (рис. 23). Как упоминалось в главе 6, устройство Юнга с двумя отверстиями и бипризма Френеля представляли собой два различных, но концептуально близких метода разделения светового луча на два пучка волн, интерферирующих друг с другом.

В методике Юнга свет от одного источника разделялся на два излучения от двух отверстий, разделенных небольшим расстоянием. Френель же разделял свет из одного источника, заставляя его проходить одновременно через две стороны треугольной призмы. Электронная бипризма Молленштедта разделяла пучок электронов надвое, помещая у них на пути очень тонкую проволоку под нужным углом. Проволока должна была быть настолько тонкой, что первоначально для этой цели Молленштедт использовал позолоченные паутинки (и потому держал в лаборатории целую коллекцию пауков). Позже он нашел более дешевый и эффективный способ получения проволоки нужного диаметра: в пламени газовой горелки вытягивались кварцевые волокна, которые затем покрывались золотом. Когда волокно бипризмы имело положительный заряд, оно разделяло луч на две составляющие под небольшим наклоном друг к другу, что способствовало возникновению интерференции между ними.

Летом 1955 года Молленштедт и Дюкер продемонстрировали сотрудникам института первые интерференционные картины, полученные с помощью бипризмы. Вскоре после этого у Йонссона появилась идея заменить бипризму небольшой двойной щелью, как в эксперименте Юнга, чтобы на основе прохождения пучков электронов через два отверстия получить интерференционную картину. Препятствия на этом пути были грандиозные. Ученому нужно было проделать щели сверхмалого размера в специальной металлической фольге. Но если оптические отверстия могли располагаться на любом прозрачном материале (например, на стеклянном слайде), то для эксперимента с электронами подобное было невозможно, так как любой такой материал рассеивал бы электроны. Следовательно, фольга должна была быть механически стабильной или достаточно прочной, чтобы выдержать удар электронов.

Здесь Йонссону пришлось реализовать основные принципы «компромисса экспериментатора», ведь при прорезывании щелей в поддерживающем материале достаточной прочности, как правило, остаются неровные края. Если же использовать более тонкий материал, то щели получаются более четкой формы, однако снижается способность материала противостоять воздействию электронов без деформаций, которые неизбежно окажут влияние на поведение электронов, проходящих сквозь отверстия. Кроме того, отверстия должны быть гораздо меньше, чем в эксперименте Юнга, так как ширина электронного пучка составляет всего лишь около десяти миллионных метра (10 микрометров). Отверстия должны быть идеально чистыми, так как электроны будут отскакивать от любой неровности и распределяться хаотически, разрушая то, что именуется «когерентностью» электронов.

Рис. 23. Иллюстрация, демонстрирующая разницу между оптической линзой Френеля (слева) и электронной бипризмой Молленштедта-Дюкера (справа)

Здесь Йонссону очень пригодился его опыт с батареями из немецкого джипа, так как на его примере он понял, насколько важно сохранять субстрат чистым. Некоторые его коллеги сомневались в успешности эксперимента и настаивали на том, чтобы он отказался от своей идеи. Однако Йонссон продолжал работу, вдохновленный любимой поговоркой Молленштедта – « Es geht nicht» gibt es nicht für einen Experimentalphysiker [17] . В 1956 году Йонссон занялся изучением методов прорезывания щелей в очень тонкой фольге и к следующему году нашел способ152. Весной 1957 года он сдал теоретическую часть экзаменов на степень доктора наук и стал обсуждать с Молленштедтом тему своей диссертации. Поначалу Молленштедт хотел, чтобы Йонссон работал над проблемой бипризмовой интерференции, но разрешил ученику сменить тему. Первая часть проекта заключалась в создании инструмента, который проделывал бы щели размером меньше восьмисот миллиардных метра (800 нанометров), – устройство, которое намного опережало бы свое время. Таким образом, Йонссона можно назвать пионером нанотехнологии. Вторая часть проекта относилась к разработке специальной пленки, которую можно было бы применять даже при небольшой активности электронов153. Возникла необходимость каким-то образом избавиться от механических и магнитных возмущений, препятствующих интерференции. Йонссон получил первую фотографию интерференционной картины в 1959 году (рис. 24), и за эту работу в 1961 году ему была присуждена докторская степень.

Рис. 24. Интерференционная картина эксперимента Йонссона с рассеянием электронов

Любой человек, разбирающийся в квантовой механике, понимает, что эксперимент Йонссона не был каким-то особым прорывом в области физической теории и результат никого не удивил. Однако же сам исследователь испытывал огромное удовлетворение от того, что ему удалось реализовать то, что он позже называл «старым мысленным экспериментом из квантовой механики, который до сих пор представлялся невозможным, и к тому же эксперимент чрезвычайного педагогического и философского значения». Когда доклад Йонссона, переведенный на английский, опубликовали в American Journal of Physics , издании, предназначенном для преподавателей физики, редакторы журнала не жалели комплиментов, описывая эксперимент Йонссона. Хотя данный эксперимент и не находится на переднем крае исследований в теоретической физике, говорилось в передовой статье журнала, он тем не менее является «великим экспериментом» и «техническим шедевром», его результатом стала «концептуальная ясность реального, базового эксперимента, описание и исследование которого могут теперь обогатить и упростить процесс изучения квантовой физики». Этот эксперимент помог «наполнить живой экспериментальной реальностью… и преобразить формальную дисциплину в живую профессию».

В то время было невозможно провести подобный эксперимент с отдельными электронами, но примерно через десятилетие ситуация изменилась. С последующим вариантом двухщелевого эксперимента связаны интересные обстоятельства. В 1970 году Пьер Джорджо Мерли и Джулио Поцци, два молодых итальянских исследователя из Лаборатории электронной микроскопии при Болонском университете, присутствовали на международном семинаре по электронной микроскопии в сицилийском городке Эриче. На Мерли и Поцци особенно сильное впечатление произвел доклад о новых усилителях яркости изображения, чувствительность которых позволяла регистрировать отдельные электроны. По возвращении в Болонью ученые сразу же решили взяться за исследовательский проект с использованием этих новых приборов. Национальный фонд научных исследований обещал профинансировать проект, однако из-за бюрократических проволочек средства задерживались. В 1971 году администрация лаборатории командировала Поцци и Джанфранко Миссироли в Рим для выяснения причин задержки.

Сидя в поезде, оба ученых попытались как-то отвлечься от неприятных мыслей о предстоящем визите: бюрократическое противостояние вызывает у любого интеллектуала глубокое отвращение и чувство абсолютной беспомощности. Естественно, разговор зашел о физике, и Поцци рассказал Миссироли о своем интересе к работе с электронной бипризмой. Они начали обсуждать возможные совместные проекты. Так было положено начало плодотворному тридцатилетнему сотрудничеству. Миссироли интересовала возможность превращения результатов открытий в простой и легко объяснимый студентам учебный материал, пригодный для последующих публикаций. Миссироли и Поцци начали свои совместные эксперименты в 1971 году154.

К тому времени Мерли перешел в Лабораторию химии и технологии материалов и электронных устройств ( LAMEL ), но продолжал сотрудничество с Поцци, Миссироли и другими исследователями из Лаборатории электронной микроскопии. Втроем они изготовили бипризму и установили ее на электронный микроскоп «Сименс». Как только Мерли узнал, что в Милане имеется усилитель изображения, способный регистрировать отдельные электроны, исследователи стали планировать эксперимент по обнаружению интерференции электронов, в ходе которого можно было бы пропускать по одному электрону через бипризму. Втроем они отправились в Милан, чтобы сделать съемку, прикрепив усилитель изображения к своему электронному микроскопу, и практически сразу же обнаружили интерференционную картину.

Итальянские исследователи, как и Йонссон, опубликовали описание своего эксперимента в American Journal of Physics в надежде, по их словам, что «эксперименты с интерференцией электронов станут более знакомыми для студентов»155. Однако через некоторое время, при поддержке двух других ученых из LAMEL , они задумали более амбициозный проект: сделать небольшой фильм о своем эксперименте и распространить запись в местных учебных заведениях и библиотеках. Проект оказалось непросто воплотить в жизнь: он требовал немалых денежных вложений. Большую часть времени исследователи потратили на подготовку текста. Так как они были практиками, а не теоретиками, очень много усилий и интеллектуальной энергии уходило на точное описание всех подробностей хода эксперимента.

Результат получился весьма оригинальный. Следуя примеру Фейнмана и многих других, итальянские ученые воспользовались для объяснения эксперимента трехступенчатой аналогией, начав с интерференции поверхностных волн на воде (в природе, а затем – в волновом бассейне), после чего перешли к интерференции света с использованием бипризмы Френеля и в заключение описали собственную электронную бипризму. Все трое снялись в фильме, редактором которого был Мерли. Он же очень удачно подобрал фоновую музыку: объяснение классической части эксперимента (интерференцию волн на воде и света) сопровождали мелодии концерта Вивальди для флейты, а повествование о квантовой интерференции – современная атональная музыка. Кульминацией фильма стал эпизод, в котором было показано, как квантовая интерференционная картина медленно выстраивается из набора отдельных электронов. Результат был потрясающим, и фильм (его можно найти в Интернете) получил приз на Международном фестивале научного кино в Брюсселе в 1976 году156. «Всякий раз фильм производит на меня грандиозное впечатление», – говорит Поцци, и, несомненно, подобное чувство испытывает не он один.

В 1989 году Акира Тономура, старший научный сотрудник исследовательской лаборатории компании «Хитачи» в Японии, с группой ассистентов провел подобный эксперимент с использованием еще более сложной и эффективной системы отслеживания электронов. Японские ученые тоже опубликовали статью с описанием результатов своей работы в American Journal of Physics 157 и сняли фильм, демонстрирующий формирование интерференционной картины в результате постепенного накапливания отдельных электронов в реальном времени. Тономура показал свой фильм во время доклада в Королевском институте, видеозапись его доклада также имеется в Интернете158.
В какой-то момент своего выступления Тономура ускорил воспроизведение кинопленки, позволив хаотически разрозненным точкам материализоваться в сложную картину; нечто похожее бывает после заката, когда отдельные крохотные звезды на наших глазах постепенно складываются в картину Млечного пути, заставляя задуматься о существовании единой структуры Вселенной. Комментируя видеозапись, Тономура сказал:
...

«У нас нет выбора, и мы обязаны сделать довольно странный вывод: по отдельности электроны регистрируются целиком и последовательно, как частицы, однако все вместе они ведут себя как волна, в своем взаимодействии складываясь в интерференционную картину. Квантовая механика заставляет нас отказаться от представления об электронах как о корпускулах, ограничив его лишь моментами их регистрации».

В последние годы феномен квантовой интерференции был продемонстрирован на примере других частиц, а также атомов и даже молекул.

Двухщелевой эксперимент в применении к электронам характеризуется тремя ключевыми качествами красивого эксперимента. Он фундаментален и демонстрирует своеобразное поведение материи на атомарном уровне, противоречащее нашим интуитивным представлениям о мире. Электрон, испущенный источником, через какое-то время достигает детектора на определенном расстоянии от него. Но где он находится по пути? Эксперимент с квантовой интерференцией (как с использованием двух щелей, так и бипризмы) показывает, что квантовый объект, в отличие от объекта макромира, не имеет четко определяемого местонахождения в пространстве и во времени. «Где ты был?» – вот вопрос, который не имеет смысла по отношению к электрону. Он был везде и нигде. И если эксперимент Юнга с двумя щелями и светом стал важнейшим обоснованием необходимости смены научной парадигмы и перехода от восприятия света как потока частиц к восприятию его как волны, то двухщелевой эксперимент с отдельными электронами является столь же убедительным основанием для другой смены парадигмы – с классической на квантовую.

Он экономичен, так как, несмотря на всю его революционность, оборудование, необходимое для его проведения, в настоящее время вполне доступно, а базовые концепции, связанные с ним, понятны. Более того, данный эксперимент в лаконичной форме демонстрирует все те загадки, которые обычно ассоциируются с квантовой механикой: и знаменитый «кот Шредингера», и неравенства Белла, и эксперименты с нелокальностью могут быть сведены к квантовой интерференции.

Кроме того, эксперимент не вызывает ни малейших сомнений. Он способен убедить самого закоренелого скептика, не принимающего на веру истин квантовой механики. Даже человеку, хорошо разбирающемуся в квантовой механике, теория может представляться крайне абстрактной, а ее импликации – далекими от нашего восприятия. Двухщелевой эксперимент превращает абстрактную теорию в легко постижимый ощутимый образ. «До того как я увидел его собственными глазами (в колледже), я не верил ни единому слову современной физики», – написал мне в ходе моего опроса один ученый.

Благодаря непосредственной данности интерференционной картины эксперимент отличается особой ясностью, почти той же ясностью, что и в эксперименте Юнга. В нем присутствует и что-то от «ожидаемой неожиданности» опыта на Пизанской башне, где наше восхищение вызывает наглядность процесса разрушения стереотипов обыденного восприятия мира. Результат эксперимента с электронной интерференцией вызывает недоумение лишь у того, кто привык относиться ко Вселенной как к совокупности дискретных частиц.

И, наконец, рассматриваемый эксперимент прекрасен (по крайней мере, с моей точки зрения), так как выступает блистательным завершением того поразительного процесса поисков, начало которому положил Эратосфен. Опыт Эратосфена подтвердил интуитивное прозрение греков, что небеса имеют универсальную и вполне постижимую космическую архитектуру; что в самом глобальном масштабе Вселенная состоит из тел, вращающихся одно вокруг другого в трехмерном пространстве. Эксперимент с квантовой интерференцией показывает, что на уровне элементарных частиц объекты связаны между собой таким образом, который нельзя ни постичь с помощью обычных человеческих представлений, ни вообразить, однако используя оборудование, созданное нашими руками, мы получаем убедительные свидетельства существования совершенно иного мира.

Квантовый мир всегда будет противоречить интуитивному восприятию человеком Вселенной – независимо от того, насколько мы доверяем теории. «Двухщелевой» эксперимент с интерференцией электронов достаточно ясно, лаконично и ощутимо демонстрирует особую, труднопостигаемую реальность квантового мира. Прослушивание щелчков детектора, отмечающего прохождение отдельных электронов через бипризму или пару щелей, наблюдение за образованием интерференционной картины – одно из самых впечатляющих и незабываемых переживаний. Поэтому можно с уверенностью сказать, что эксперимент с квантовой интерференцией отдельных электронов останется в пантеоне красивых экспериментов еще очень долгое время.

Интерлюдия Занявшие второе место

Список экспериментов, занявших второе место в моем опросе, состоит из нескольких десятков опытов в самых разных сферах исследований. Некоторые из них заслуживают особого упоминания из-за определенных обстоятельств, с ними связанных, необычных способов, которыми они проявляют свою красоту, или просто из-за субъективных предпочтений автора.

Первым в ряду экспериментов, занявших второе место, стал гидростатический эксперимент, проведенный (совершенно случайно) Архимедом Сиракузским, широко известным древнегреческим математиком и изобретателем и, по стечению обстоятельств, современником Эратосфена. Нынешние историки науки считают вполне достоверным рассказ о том, как в III веке до нашей эры Гиерон, тиран города Сиракузы на Сицилии, попросил Архимеда измерить содержание золота и серебра в жертвенном венце, который тиран заказал своим жуликоватым ювелирам. Как сообщает античный источник, Архимед размышлял над данным ему поручением, сидя в ванне, и обратил внимание на то, что «чем глубже он погружается в нее своим телом, тем больше через край вытекает воды. И как только это указало ему способ разрешения его вопроса, он, не медля, вне себя от радости, выскочил из ванны и голый бросился к себе домой, громко крича, что нашел то, что искал»159.

Однако точно измерить объем по объему вытесненной воды очень сложно. Скорее всего, Архимед понял, что вода делает вес его тела меньше (это произошло бы и с венцом тирана), и если определить вес драгоценности на воздухе и в воде, а затем сравнить полученные величины, то можно точно установить плотность короны и затем сравнить ее с плотностью золота. Архимед вряд ли бегал нагишом по улицам города, крича от восторга, хотя история его открытия прекрасно передает настроение ликования, охватывающее исследователя в момент озарения. Кроме того, легенда служит яркой иллюстрацией того, как случайно сделанное открытие превращает обыденное событие в красивый эксперимент.

Среди наиболее перспективных претендентов на второе место в биологических науках – так называемый эксперимент Мезельсона – Сталя, основная тема книги историка науки Фредерика Холмса, которая называется «Мезельсон, Сталь и репликация ДНК. История самого красивого эксперимента в биологии»160. В ходе этого эксперимента, проведенного в 1957 году, было подтверждено, что ДНК реплицируется на основе незадолго до того открытой структуры двойной спирали. В подзаголовке Холмс процитировал мнение одного из авторов эксперимента, отметив при этом, что большинство биологов разделяют эту высокую оценку. Когда он попросил ученых объясниться, они в качестве критериев красоты назвали простоту, точность, чистоту и стратегическую значимость.

Претенденты из области психологии – два эксперимента, которые убедительно опровергли давно сложившиеся догматические представления о поведении животных. Первый из них, проведенный американским психологом Гарри Харлоу, опроверг представление о том, что потребность в еде является главным фактором в отношениях между детенышем приматов и его матерью. Харлоу изготовил набор суррогатных «обезьян-матерей»: проволочных, без мягкой поверхности или покрытых мягкой тканью. В серии экспериментов Харлоу обнаружил, что детеныши обезьян явно предпочитали суррогатных «матерей», покрытых мягкой тканью, даже несмотря на то, что из «соска» проволочной «матери» выделялось молоко161. Совершенно очевидно, что потребность в межличностной эмоциональной привязанности, в любви и нежности, которую символизировала мягкость и теплота ткани, значительно превалировала над потребностью в пище.

Еще одним красивым экспериментом в зоопсихологии стал эксперимент, проведенный Джоном Гарсией и Робертом Келлингом в 1966 году и поставивший под сомнение так называемый закон Берреса Фредерика Скиннера об эквипотенциальности обучающего поведения. Этот закон утверждает, что животное учится по принципу стимула и реакции и при этом любой стимул можно связать с любой реакцией. Крыс, к примеру, можно заставить избегать воды с определенным запахом, если при питье они будут получать удар электрическим током. Гарсия и Келлинг повторили этот опыт с одной группой крыс, но с другой группой изменили стимул и вызывали у них с помощью той же воды тошноту и рвоту. Данный стимул срабатывал гораздо быстрее и значительно более эффективно, нежели электрошок. Описываемый эксперимент убедительно доказал, что вызывание тошноты и страха по-разному воздействуют на процесс формирования условных рефлексов у животных и на то, как животные интерпретируют свое окружение. Этот вывод до такой степени противоречил преобладавшей в то время бихевиористской доктрине эквипотенциальности, что Американская психологическая ассоциация отвергала работы Гарсии еще на протяжении целых десяти лет162.

Технической демонстрацией, которую можно было бы назвать красивой благодаря ее значимости, экономности и определенности, был известный эксперимент Ричарда Фейнмана с опусканием кольца в стакан с ледяной водой в ходе расследования причин крушения космического шаттла «Челленджер». Таким способом исследователь убедительно продемонстрировал, что причиной трагедии стала утрата шаттлом эластичности163.

Еще одним интригующе красивым экспериментом, претендующим на второе место, стали британские экспедиции 1919 года, удостоверившие наличие гравитационного искривления звездного света. По сути, этот эпохальный эксперимент прославил имя Эйнштейна, подтвердив его предсказание, сделанное в 1915 году в рамках общей теории относительности. Однако в самом эксперименте не было ничего особенного. Исключительным нельзя назвать ни само затмение (всем знакомое естественное событие), сделавшее его возможным, ни определение положения звезд (не менее банальная астрономическая технология). Значит, красота данного эксперимента заключена лишь в его грандиозных последствиях?

Некоторые теоретические аргументы бывают настолько лаконичными, четкими и ясными, что заслуживают, по мнению многих респондентов, эпитета «прекрасный». Один из них – доказательство того, что Вселенная не существовала вечно, сделанное Стивеном Хокингом и состоящее всего из шестнадцати слов:

...

«Это так, ибо если бы это было не так, все в ней было бы одинаковой температуры».

Второй пример прекрасного теоретического аргумента – парадокс Ольберса:

...

«Взгляните на небо. Оно не везде одинаково яркое. Значит, видимая Вселенная не бесконечна».

Некоторые мои респонденты упоминали инструменты, которые отличает прежде всего особая изобретательность, открывающая новые направления для исследования. Среди них – камера Вильсона (упомянутая в девятой главе), благодаря которой становятся видимыми траектории заряженных частиц и исследования с помощью которой Эрнест Резерфорд когда-то назвал «самым чудесным экспериментом в мире». Среди других инструментов, упомянутых моими респондентами, – рентгеновский интерферометр, сканирующий туннельный микроскоп и «Космотрон», ускоритель элементарных частиц в Брукхейвенской национальной лаборатории.

Эксперимент, красота которого заключена в особой преданности исследователей своему делу, был проведен итальянскими учеными Марчелло Конверси и Оресте Пиччони во время бомбардировки Рима союзниками в годы Второй мировой войны. Многие итальянские ученые скрывались и даже бежали из страны. Конверси и Пиччони оставались в Риме. Конверси не призвали в армию из-за слабого зрения, Пиччони призвали, но оставили в Риме. Накануне вторжения союзников на Сицилию в июле 1943 года оба ученых ночами работали в университете, собирая из украденной проволоки и радиотехнического оборудования, которое им удалось выменять на черном рынке, достаточно современные на тот момент электронные цепи, с помощью которых намеревались измерить время жизни одной загадочной частицы – мезотрона (частица, присутствующая в космических лучах, непрерывно бомбардирующих земную поверхность).

Вскоре американские самолеты начали бомбить товарную станцию Сан-Лоренцо, располагавшуюся неподалеку от университета, и бомбы иногда попадали на его территорию. В тревоге за судьбу своих исследований Конверси и Пиччони перенесли оборудование в здание пустующей школы, расположенной неподалеку от Ватикана, который бомбардировкам не подвергался. Ученые разместились в подвале, где бойцы Сопротивления хранили оружие. Ситуация еще больше осложнилась после того, как в сентябре итальянское правительство подписало договор о перемирии с союзниками, и Рим оккупировали немцы. Немецкие солдаты схватили Пиччони, но ему удалось откупиться. Оба ученых продолжали свои исследования в лихорадочном темпе.

«Работа была нашей единственной радостью», – вспоминал Пиччони. Накануне освобождения Рима союзными войсками в 1944 году Конверси и Пиччони в результате талантливо проведенного, элегантного и абсолютно убедительного эксперимента показали, что время жизни мезотрона составляет чуть более 2,2 микросекунды – во много раз больше, чем первоначально предполагалось. В подвале посреди сильно разрушенного бомбардировками города Конверси и Пиччони первыми пришли к выводу, что мезотроны (в настоящее время именуемые «мюонами») обладают совершенно иными характеристиками, нежели те, которые им приписывала теория. Это стало значительным шагом вперед на пути к созданию физики элементарных частиц164.

Один из моих собственных кандидатов на первые места в списке красивых экспериментов – эксперимент 1956–1957 годов по несохранению четности, среди организаторов которого была Ву Цзяньсюн. Эксперимент продемонстрировал, что при определенных условиях элементарные частицы и ядра атомов в процессе распада излучают электроны в определенных, предпочтительных, направлениях относительно их спина. Этот эксперимент убедительно опроверг один из фундаментальных и давно устоявшихся стереотипов в физике [18] 165.

Я бы также включил в свой список эксперимент Мориса Гольдхабера 1957 года, в ходе которого были установлены спиральности нейтрино и антинейтрино, то есть проекции их спина на направления движения. Эксперимент Гольдхабера был невероятно изощренным (он подразумевал многоступенчатую ядерную реакцию, в которой были бы известны свойства и квантовые состояния всех участвующих в ней частиц, а спиральность нейтрино оказывалась бы точно равна спиральности образующихся в ходе реакции фотонов, что было возможно лишь в одной единственной из примерно трех тысяч реакций), поэтому многие физики в то время считали такой эксперимент принципиально невыполнимым166.

Для большинства научных открытий верно утверждение, что если бы данный конкретный исследователь не сделал его, то открытие обязательно совершил бы кто-нибудь другой, однако о данном эксперименте сказать подобного нельзя. Один физик как-то заметил, что если бы Мориса Гольдхабера не существовало, то «нет уверенности, что спиральность нейтрино когда-либо была бы измерена»167.

А о том эксперименте, которому лично я дал бы самое первое место, читайте дальше.

Заключение Сможет ли наука и впредь оставаться красивой?

Почти все эксперименты в первой десятке были выполнены тем или другим исследователем в одиночку или с помощью небольшого числа помощников за относительно короткое время. Однако за последние полвека характер и масштаб экспериментальной работы существенно изменились. В настоящее время физические эксперименты, как правило, имеют междисциплинарный и многонациональный характер, в их проведении участвуют десятки научных учреждений и сотни сотрудников. Порой они длятся по несколько лет или даже десятилетий. Возникает вопрос: будут ли эксперименты в эпоху Большой Науки столь же красивы, как и прежде?

Вне всякого сомнения, да.

Мой личный кандидат на звание самого красивого научного эксперимента – эксперимент с мюоном g-2 – за последние пятьдесят лет был проведен четыре раза, и каждый раз – все более крупными объединениями. Первые три раза эксперимент проводили в международной лаборатории ЦЕРН в Женеве, а совсем недавно – в Брукхейвенской национальной лаборатории. В самом последнем воплощении данного эксперимента участвовали более сотни ученых из нескольких стран, создавшие грандиозное оборудование, частью которого стала самая большая в мире сверхпроводящая катушка индуктивности, установленная в помещении размером с небольшой авиационный ангар. Мне следует сразу же признаться, что часть моего восхищения упомянутым экспериментом объясняется чисто личными причинами. Он проводился в здании, расположенном неподалеку от моего дома, и я наблюдал за его проведением в течение нескольких лет. Но мое близкое знакомство с этим экспериментом, как это бывает в случае с каким-либо особо сложным музыкальным произведением, только еще больше усиливает мое восхищение им.

В описываемом эксперименте исследовалось то, что известно под названием «аномальный магнитный момент мюона». В нем была сделана попытка выяснить, какова прецессия спина частицы, время жизни которой было впервые измерено Конверси и Пиччони, в магнитном поле168. Измерение прецессии требует чрезвычайной точности, каковая, в свою очередь, нуждается в разработке весьма сложного эксперимента169.

С целью измерения прецессии спина мюонов ученые исследуют электроны и позитроны, возникающие при их распаде, используя при этом феномен нарушения четности, открытый Ву и ее коллегами, по которому определяется направление спина мюонов170. Когда данные о распаде миллиардов мюонов представляют в виде графика, то возникает потрясающая структура: последовательность максимумов, постоянно уменьшающихся по величине, что отражает частоту, с которой мюоны «колеблются» внутри камеры.

Рис. 25. Этот график колебаний фактора g-2, показывающего изменение четности в потоке позитронов, обладающих высокой энергией, как функции времени, стал первым свидетельством определенной частоты прецессии мюонов, полученным в Брукхейвенской лаборатории. Все присутствующие были настолько воодушевлены открытием, что поставили на графике свои подписи

Первые данные Брукхейвенского эксперимента были получены в мае 1997 года. Присцилла Кушман, физик из университета Миннесоты – первый исследователь, обработавший собранные за несколько дней данные и представивший их в виде графика, – сразу же обратила внимание на красноречивый рисунок. Позднее Кушман вспоминала, что, когда в комнату вошел Джерри Банс, еще один член команды g-2 , она «сунула ему под нос листок и воскликнула: „Посмотри! Кривая g-2!“ Он невозмутимо ответил: „Значит, сегодня вечером мы будем праздновать!“ Джерри был прав. Мы так долго ждали, искали финансирование, терпели нападки скептиков, утверждавших, что у нас никогда ничего не получится, потом запустили оборудование и две недели не получали никаких результатов, и внезапно этот прекрасный график как будто явился из ничего, и мы увидели на нем g-2!»

Спустя несколько лет, проведенных за сбором данных, исследователи совершили одно из самых точных измерений в физике элементарных частиц за все время ее существования и получили возможность сравнить полученную величину с теоретической, одной из самых точных величин в науке171. Результаты свидетельствовали о наличии расхождения с величиной, предсказанной теоретически, что говорит о возможности возникновения в недалеком будущем новой физики и, разумеется, вызывает сильнейший ажиотаж среди специалистов.

Эксперимент g-2 демонстрирует три важнейших элемента красоты, с которыми мы встречались в других экспериментах, упомянутых в нашей книге: глубину, то есть фундаментальность результатов; эффективность или экономичность, воплощенную в каждой из составляющих его частей; и определенность, означающую, что если в результате эксперимента возникают какие-то вопросы, то они относятся к структуре Вселенной (или к теории), а не к самому эксперименту.
Несмотря на свою масштабность, эксперимент g-2 сравним по широте с экспериментом Эратосфена, так как соединяет различные масштабы Вселенной (явления, невероятно различающиеся по своим энергиям) в ходе измерения одной микроскопической величины – «качания» мюона. Он отличается и суровой красотой эксперимента Кавендиша по «взвешиванию» Земли, в котором экспериментатор фанатически преследовал одну цель – достижение возможно более высокой точности. Он обладает и энциклопедичностью эксперимента Милликена, так как в целях достижения результата объединяет множество различных законов Вселенной – от электромагнетизма и квантовой механики до принципов теории относительности172. При намеке на еще не исследованные измерения Вселенной в нем присутствует и нечто от высшей красоты эксперимента с маятником Фуко.
* * *

Во введении я поставил два вопроса относительно красоты научного эксперимента. Во-первых, что означает красота в контексте эксперимента? И во-вторых, как красота научного эксперимента влияет на сам концепт прекрасного?

Критерий ответа на первый вопрос – это способность эксперимента воздействовать на нас. Многие участники моего опроса упоминали эксперименты и демонстрации, виденные ими в детстве и юности. Более того, из всего объема информации, полученного на уроках естественных наук, только эти эксперименты и остались у них в памяти. Луна, в первый раз увиденная в телескоп; пульсирующие капилляры в плавниках золотой рыбки под микроскопом; ощущение сопротивления при попытке повернуть, держа его за втулку оси, вращающееся велосипедное колесо; мячик, удерживающийся на весу под воздействием сильного вертикального потока воздуха; консервная банка, сминающаяся словно сама по себе, когда из нее откачан воздух, – эти эпизоды надолго сохраняют способность пробуждать наше воображение.

Но эксперименты способны завораживать не только школьников, но и опытных ученых. Восторг открытия невозможно сравнить ни с какими другими переживаниями. Достаточно вспомнить реакцию шотландского инженера Джона Скотта Расселла, который в 1834 году впервые увидел в Эдинбургском канале солитон (структурно устойчивую уединенную волну, то есть такую отдельную волну, которая не рассеивается, в отличие от обычных волн). Он назвал этот день «самым счастливым днем своей жизни». В истории науки подобных примеров бесчисленное множество.

Историки и философы часто не обращают внимания на человеческие эмоции, проявляющиеся в подобных ситуациях. Некоторые – из-за того, что, по их мнению, подобный всплеск чувств может подорвать представление о рациональности и логичности науки. Однако если изъять из науки человеческие чувства, на ее месте останется роботизированный процесс создания, проверки и переформулирования гипотез – грандиозная интеллектуальная игра.

По другую сторону фронта некоторые историки и философы исследуют социальное измерение науки, ее социальный контекст, находящий свое проявление в выборе стратегий ее развития, финансирования и распределения грантов173. В данной сфере есть очень интересные исследования, тем не менее бо́льшая их часть сводится к утверждению, что наука не более чем грандиозная борьба различных заинтересованных структур, обладающих властью и деньгами и преследующих свои собственные цели174.

Если изучать науку исходя только из ее логики или только из стратегий ее развития, интересов организаторов, финансирования или материальных достижений, мы неизбежно придем к неправильному представлению о ней. Если же уделить некоторое время анализу эстетической стороны научных экспериментов, то можно вернуть эмоциональному измерению принадлежащее ему по праву место в науке.

Ответ на второй из заданных выше вопросов состоит в том, что красота научных экспериментов способна помочь нам добавить новые грани в традиционное представление о красоте в целом. В настоящее время термин «красивое» употребляется по отношению к произведениям искусства и явлениям природы, но так было не всегда. Если видеть прекрасное только в красоте пейзажей или музейных экспонатов, то невозможно по-настоящему оценить его роль в жизни и культуре человека. Древние греки не видели какой-то специальной связи между прекрасным, которое они называли τò καλόν , и искусством, считая прекрасным все, что имело ценность и на что было приятно смотреть. Они ассоциировали красоту не с украшениями и привлекательной формой, а скорее с тем, что может служить добрым примером: с законами, общественными институтами, человеческой душой и поступками. В результате древние греки ощущали внутреннюю связь между истиной, красотой и добром, воспринимали их как теснейшим образом взаимосвязанные сущности, порождаемые неким общим для них всех единым глубинным источником.

Платон называл красоту проявлением идеального в сфере зримого. Красота есть сияние, которое излучают истинные и благие вещи, проявляясь в мире, населенном и воспринимаемом смертными человеческими существами. Это сияние одновременно просвещает, влечет к себе и доставляет чувство удовлетворения. Высшие сферы бытия предстают перед любителями мудрости в виде красоты. По этой причине, полагал Платон, любовь к знанию не отвергает, а развивает чувство прекрасного, так как развитие и углубление в себе чувства прекрасного есть одновременно и более глубокое постижение истины.

Мир никогда не бывает полностью прозрачным, мы взираем на него сквозь призму усвоенных нами исторических и культурных стереотипов, которые многое открывают, но и многое скрывают от нас. Однако в мире встречается и то, что можно назвать прекрасным, то, что способно указать нам правильный путь из плена ложных представлений и невежества. Прекрасное, замечает Платон в «Пире», раскрывает перед нами мир, и надо все время, «словно бы по ступенькам, подниматься ради прекрасного вверх… пока не познаешь, что же это – прекрасное»175.

Ступени и переходы переносят нас из одного места в другое. Место человека в мире не фиксировано, оно меняется. Каждый из нас, поднимаясь вверх, достигает более глубокой связи со своим собственным «я» и с окружающим миром и благодаря этому становится в большей степени человеком. Таким образом, постижение красоты научных экспериментов помогает нам обрести более оригинальное и фундаментальное чувство прекрасного.

...

«Ученый изучает природу не потому, что извлекает из этого какую-то пользу. Он исследует ее потому, что получает от этого удовольствие, а получает удовольствие потому, что она прекрасна. Если бы природа не была прекрасна, ее не было бы смысла изучать, и если ее не было бы смысла изучать, то и наша жизнь лишилась бы всякого смысла».

Анри Пуанкаре

Примечания автора [19]

Вступление

Момент перехода

1 Популярное описание этого эксперимента приводится в: Crease R. P., Mann C. C . The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. New Brunswick, N.J.: Rutgers University Press, 1996. P. 386–390.

2 Замечания Уотсона можно найти в книге: McElheny V . Watson and DNA: Making a Scientific Revolution. Cambridge, Mass.: Perseus, 2003. P. 52. Относительно замечаний Милликена см. главу 8.

3 Первая цитата из Вайскопфа взята из книги: Cole K. C . The Universe and the Teacup: The Mathematics of Truth and Beauty. New York: Harcourt Brace, 1988. P. 184 (дата приведена по сведениям, полученным из личной беседы). Вторая цитата из Вайскопфа взята из книги: Physics and Society: Essays in Honor of Victor Frederick Weisskopf by the International Community of Physicists / V. Stefan (ed.). New York: Springer, 1998. P. 41.

4 Харди Г. Г. Апология математика / Пер. Ю. А. Данилова. Ижевск: РХД, 2000. По поводу красивых уравнений см.: It Must Be Beautiful: Great Equations of Modern Science / G. Farmelo, (ed.). London: Granta Books, 2003.

5 См.: Faraday M . The Chemical History of the Candle. New York: Viking, 1963. Lecture 1.

6 Не имеет принципиального значения, изображаем ли мы этот процесс как ответ Вселенной на наши вопросы (в соответствии с классическими представлениями о научном исследовании) или как возвращение нам наших собственных слов (как представляют его социальные конструктивисты). Существенно то, что проведение эксперимента обеспечивает получение новых смыслов, а этого не замечают обе приведенные выше метафоры. См.: Crease R. P . Hermeneutics and the Natural Sciences: Introduction // Hermeneutics and the Natural Sciences / Robert P. Crease (ed.). Dordrecht: Kluwer, 1997. P. 259–270.

7 Марк Твен. «Простаки за границей, или Путь новых паломников», пер. И. Гуровой.

8 Шиллеровская концепция прекрасного обсуждается в его книге «Письма об эстетическом воспитании человека». См. также: Emerson R. W . Essays & Poems. New York: Literary Classics of the United States, 1996. P. 931.

9 Crease R. P . The Most Beautiful Experiment // Physics World. May 2002. P. 17 & Sept. 2002. P. 19–20.

10 Эксперимент Эратосфена входит в программу старших классов многих школ, обсуждается в популярном телесериале Карла Сагана «Космос» и является темой книги для детей. Эксперимент Галилея на Пизанской башне был воспроизведен на Луне командой космического корабля «Аполлон-15». Эксперимент Галилея с наклонной плоскостью, который проходят на уроках в средней школе, включен в оперу Филипа Гласса «Галилео Галилей». Значение экспериментов Исаака Ньютона с призмами горячо обсуждалось поэтами и писателями на протяжении восемнадцатого и девятнадцатого столетий. Маятник Фуко является важным культурным символом благодаря своему присутствию во многих общественных местах, включая здание штаб-квартиры ООН в Нью-Йорке, и появляется по крайней мере в двух романах, один из которых – бестселлер Умберто Эко «Маятник Фуко». Два описанных в книге эксперимента – эксперимент Милликена и эксперимент Резерфорда (в ходе которого было открыто атомное ядро) – стали предметом известных и довольно неоднозначных работ, написанных историками науки. Впечатляющие и весьма популярные фильмы были созданы двумя группами ученых, которые провели двухщелевой эксперимент, иллюстрирующий квантовую интерференцию с отдельными электронами. Обсуждение упомянутого эксперимента (наряду с обсуждением двухщелевого эксперимента со светом, проведенного Юнгом) присутствует в пьесе Тома Стоппарда «Хэпгуд». Ну, и так далее.

Глава 1. Измеряя мир

Эратосфен и земная окружность

11  Аристотель . О небе. [298a19-21]. Цитаты из Аристотеля здесь и далее даны в пер. Н. В. Брагинской, Т. А. Миллер, А. В. Лебедева, В. П. Карпова.

12 Там же. [298а16-18].

13 Названные источники включают сочинения Клеомеда, Марциана Капеллы, Страбона, Плиния, Элия Аристида, Гелиодора, Сервия и Макробия. С отрывками можно познакомиться в: Gratwick A. S . Alexandria, Syene, Meroe: Symmetry in Eratosthenes’s Measurement of the World // The Passionate Intellect: Essays in the Transformation of Classical Traditions / L. Ayres (ed.). New Brunswick: Transaction Publishes, 1995. См. также: Diller A. The Ancient Measurements of the Earth // Isis. 1949. Vol. 40. P. 6–9; The History of Cartography / Harley J. B. , Woodward D. (eds.). Vol. 1. Chicago: University of Chicago Press, 1987. P. 148–160.

14 Элий Аристид. Цит по: Gratwick . Op. cit. P. 183.

15 Yee C. K.K. Taking the World’s Measure: Chinese Maps Between Observation and Text // The History of Cartography / Harley J. B. , Woodward D. (eds.). Vol. 2, Book 2. Chicago: University of Chicago Press, 1994. P. 96–127 (см. p. 97).

16 Плиний . Естественная история. Книга II.

Интерлюдия

Почему наука прекрасна?

17  Ruskin J . Modern Painters, Ed. and abridged by D. Barrie. Great Britain: Ebenezer Baylis & Son, 1967. P. 17. [Рус. изд.: Джон Рескин. Современные художники. Общие принципы и правда об искусстве. М., Типография Товарищества А. И. Мамонтова, 1901.]

18 К примеру, в книге «Научные понятия» Ллойд Моц и Джефферсон Уивер пишут об отдельных примерах красоты в естественных науках, но предупреждают, что «возведение наших эмоций и ощущений на уровень научных истин способно исказить саму природу научной истины и открыть ворота мистицизму и метафизике, которым не должно быть места в науке» ( Motz L., Weaver J . The Concepts of Science. New York: Plenum, 1988. P. 12).

19 Cather W. Portraits and Landscapes. Цит. по: Writers on Artists // D. Halpern (ed.). San Francisco: North Point Press, 1988. P. 354.

20 Платон . Государство. Х, 605b. Пер. А. Н. Егунова.

21 Августин. Исповедь. Х, XXXIII (50). Пер. М. Е. Сергеенко.

22 Фреге Г . Смысл и денотат // Семиотика и информатика. Вып. 8. 1977. Пер. Е. Э. Разлоговой.

23 Относительно различия между красотой и элегантностью см.: Polanyi M. Beauty, Elegance, and Reality in Science // Observation and Interpretation in the Philosophy of Physics / S. Korner (ed.). New York: Dover, 1957. P. 102–106.

24 Как пишет философ Робин Коллингвуд: «Суть часто задаваемого вопроса об „объективности“ или „субъективности“ красоты заключается в том, принадлежит ли красота объекту и навязывается разуму насильственно или же она принадлежит разуму и навязывается объекту независимо от собственной его природы… Истинная красота не является ни чисто „объективной“, ни чисто „субъективной“. Она есть переживание, в ходе которого разум обнаруживает себя в объекте, разум поднимается на уровень объекта, а объект, в свою очередь, изменяется таким образом, чтобы вызвать полное выражение всех возможностей разума… Отсюда возникает то отсутствие напряжения и глубокое чувство удовлетворения и удовольствия, которое сопровождает переживание истинной красоты. Мы чувствуем, что „нам хорошо здесь“; мы здесь у себя дома, мы принадлежим нашему миру, и наш мир принадлежит нам» ( Collingwood R. G. Essays in the Philosophy of Art. Bloomington, Ind.: Indiana University Press, 1966. P. 87–88).

Глава 2. Бросая мяч

Легенда о «Падающей башне»

25 См. веб-страницу NASA Lunar Feather Drop (http://vesuvius.jsc.nasa.gov/er/seh/feather.html).

26 Drake S. Galileo Studies: Personality, Tradition, and Revolution. Ann Arbor, Mich.: University of Michigan Press, 1970. P. 66–69.

27 Vincenzio V . [Racconto istorico della] vita di Galileo. Milan: Rizzoli, 1954.

28 Цит. по: Cohen B. The Birth of a New Physics. New York: Norton, 1985. P. 7.

29 Там же. P. 708.

30 Цит. по: Settle Т. B. Galileo and Early Experimentation // Springs of Scientific Creativity: Essays on Founders of Modern Science / R. Aris, H. Davis, R. Stuewer (eds.). Minneapolis: University of Minnesota Press, 1983. P. 8.

31 Galilei G. On Motion & On Mechanics / Transl. by S. Drake. Madison, I. B. Drabkin: Madison University of Wisconsin Press, 1960.

32 [ Галилей Г. Избранные сочинения в 2 томах. Т. 2. М., 1964. С. 303.] Galilei G. Two New Sciences / Transl. by S. Drake. Madison: University of Wisconsin Press, 1974. P. 66, 75, 225–226. Здесь и далее цитаты из труда Галилео Галилея «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению» приводятся в переводе С. Долгова.

33 Segre M. In the Wake of Galileo. New Brunswick, N.J.: Rutgers University Press, 1991. P. 111.

34 Hibbert C. George III: A Personal History. New York: Basic Books, 2000. P. 194.

35 Feinberg G. Fall of Bodies Near the Earth // American Journal of Physics. 1965. Vol. 33. P. 501–503.

36 Settle T. B. Galileo and Early Experimentation. Op. cit. P. 3–21.

37 Drake S. Galileo at Work: His Scientific Biography. Chicago: University of Chicago Press, 1978. См. также: Segre M. Galileo, Viviani and the Tower of Pisa // Studies in the History and philosophy of Science. 1989. Vol. 20. P. 435–451. Я многим обязан помощи Томаса Сеттла в подготовке данной и следующей главы.

Интерлюдия

Эксперименты и демонстрации

38  Holmes F. Meselson, Stahl, and the Replication of DNA: A History of “The Most Beautiful Experiment in Biology”. New Haven: Yale University Press, 2001. P. IX–X. «Эксперимент [Мезельсона – Сталя] возник из сложности, был окружен сложностью и указывал путь к открытию новых сложностей».

Глава 3. Альфа-эксперимент

Галилей и наклонная плоскость

39 Галилей. Беседы. Соч. цит. С. 252–254.

40 Koyré A. An Experiment in Measurement // Proc. American Philosophical Society. 1953. Vol. 97. P. 222–236.

41 Settle T. B. An Experiment in the History of Science // Science. 1961. Vol. 133. P. 19–23.

42 Drake S. Galileo at Work. Op. cit. Ch. 5.

Интерлюдия

Сравнение Ньютона – Бетховена

43 The Nature of Scientific Discovery / O. Gingerich (ed.). Washington, D. C.: Smithsonian Institution, 1975. P. 496.

44 Cohen I. B. Franklin and Newton. Philadelphia: American Philosophical Society, 1956. P. 43.

45 Кант И. Критика способности суждения. § 47, пер. М. И. Левиной.

46 Gingerich O. Circumventing Newton: A Study in Scientific Creativity // American Journal of Physics. 1978. Vol. 46. P. 202–206.

47 Lévy-Leblond J.-M. What If Einstein Had Not Been There? A Gedankenexperiment i n Science History. 24th International Colloquium on Group-Theoretical Methods in Physics. Paris, July 2002.

Глава 4. Experimentum crucis

Призма Ньютона

48 Письмо Ньютона Г. Ольденбургу от 18 января 1672 г. в: The Correspondence of Isaac Newton / H. W. Turnbull (ed.). Vol. 1. Cambridge: University Press, 1959. P. 82–83.

49 White M. Isaac Newton: The Last Sorcerer. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1997. P. 165.

50 Westfall R. S . Newton // Encyclopaedia Britannica. 15th edition. Vol. 24. P. 932.

51 Цит. по: White M. Isaac Newton: Last Sorcerer. Op. cit. P. 179.

52 Там же. P. 164.

53 The Correspondence of Newton. Op. cit. Vol. 1. P. 92.

54 The Correspondence of Newton. Op. cit. Vol. 2. P. 79.

55 The Correspondence of Newton. Op. cit. Vol. 1. P. 107.

56 Там же. P. 416.

57 Birch T. The History of the Royal Society of London. Vol. 3. New York: Johnson Reprint Corp., 1968. P. 313.

58 The Correspondence of Newton. Op. cit. Vol. 1. P. 356.

Интерлюдия

Разрушает ли наука красоту?

59  Clark K. Landscape into Art. New York: Harper & Row, 1976. P. 65.

60 То, как поэты отвечали на этот вызов, обсуждается среди прочего в следующих работах: Nicolson M. Newton Demands the Muse: Newton’s Opticks and the Eighteenth Century Poets. Hamden, Ct.: Archon, 1963; Abrams M. H . The Mirror and the Lamp: Romantic Theory and the Critical Tradition. New York: Oxford University Press, 1971.

61 Об этой вечеринке существует целая книга: Hughes-Hallett P. The Immortal Dinner: A Famous Evening Of Genius and Laughter in Literary London. Chicago: New Amsterdam, 2002.

62 Nicolson M. Op. cit. P. 25.

63 Цит. по: The Best Mind Since Einstein // NOVA. November 21, 1993.

Глава 5. Взвешивание мира

Строгий эксперимент Кавендиша

64  Wilson G. Life of the Hon. Henry Cavendish. L.: Cavendish Society, 1851. P. 166. Современная биография Кавендиша: Jungnickel C., McCormmach R. Cavendish: The Experimental Life. Lewisburg, Penn.: Bucknell University Press, 1999.

65 Wilson G. Life of the Hon. Henry Cavendish. Op. cit. P. 170.

66 Там же. P. 188.

67 Там же. P. 185.

68 Там же. P. 178.

69 Ньютон И. Математические начала натуральной философии. Книга III. Предложение Х. Теорема Х., пер. А. Н. Крылова.

70 Ньютон И. Система мира. Дополнение 22.

71 Цит. по: Howse D. Nevil Maskelyne: The Seaman’s Astronomer. Cambridge: Cambridge University Press 1989. P. 137–138.

72 Цит. по: McCormmach R. The Last Experiment of Henry Cavendish // No Truth Except in the Details A. Kox, D. Siegel (eds.). Dordrecht: Kluwer, 1995. P. 13–14.

73 Cavendish H. Experiments to Determine the Density of the Earth // Philosophical Transactions of the Royal Society. 1798. Vol. 88. P. 469–526.

74 Цит. по: Clotfelter B. E. The Cavendish Experiment as Cavendish Knew It // American Journal of Physics. 1987. Vol. 55. P. 210–213.

75 Wilson. Op. cit. P. 186.

Интерлюдия

Наука в популярной культуре

76  Boxer S. The Art of the Code, or, At Play with DNA // The New York Times. 2003. March 14. P. E35.

Глава 6. Свет и волна

Прозрачная аналогия Юнга

77 Словосочетание «онтологическая вспышка» взято из книги: Gerhart M., Russell A. M. Metaphoric Process: The Creation of Scientific and Religious Understanding. Fort Worth: Texas Christian University Press, 1984. P. 114.

78 Эти и другие подробности биографии Томаса Юнга взяты из книги: Peacock G. Life of Thomas Young. London: J. Murray, 1855, а также из статьи о Томасе Юнге Эдгара Морзе в: The Dictionary of Scientific Biography. Vol. 14. New York: Scribner’s, 1976. P. 562–572.

79 Ньютон И . Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. М., 1954. С. 274. Пер. С. И. Вавилова.

80 Young T. Outlines of Experiments and Inquiries Respecting Sound and Light // Philosophical Transactions. 1800. Vol. 90. P. 106–150.

81 Mollon J. D . The Origins of the Concept of Interference // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 2002. Vol. A360. P. 807–819. Анализ Ньютоном данного вопроса можно найти в «Математических началах натуральной философии», книга III, предложение 24.

82 Здесь мы имеем дело с одним из самых туманных и нерешительных представлений нового фундаментального понятия во всей истории науки. «Поразительно, что столь выдающийся ученый, как доктор Смит, мог даже на одно мгновение вообразить, что вибрации, составляющие различные звуки, способны пересекаться друг с другом во всех направлениях и при этом не оказывать воздействия на одни и те же отдельные частицы воздуха сочетанием своих сил – вне всякого сомнения, они пересекаются, не мешая прохождению друг друга; однако это может иметь место только в том случае, если каждая частица принимает участие в движении обеих волн» ( Young T. Outlines. Op. cit. Section 11).

83 Young T. A Reply to the Animadversions of the Edinburgh Reviewers. London: Longman et al. Cadell & Davis, 1804.

84 Young T. The Bakerian Lecture: Experiments and Calculations Relative to Physical Optics // Philosophical Transactions. 1804. Vol. 94. P. 1–16.

85 Young T. A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts. London: Taylor and Walton, 1845. Лекция 39.

86 Kipnis N. History of the Principle of Interference of Light. Boston: Birkh ä user, 1991. P. 124.

87 Brougham H. Bakerian Lecture on Light and Colors // The Edinburgh Review. 1803. Vol. 1. P. 450–456.

Интерлюдия

Наука и метафора

88 Данный раздел основан на колонке в «Physics World» (“Physics, Metaphorically Speaking”, November 2000, p. 17), для каковой, в свою очередь, был частично использован материал из третьей главы из моей книги «The Play of Nature: Experimentation as Performance».

89 Историк науки Стэнли Джексон, к примеру, показал, что Иоганн Кеплер, подобно многим ученым конца шестнадцатого и начала семнадцатого столетия, привнес светское представление о подобной душе анимистической силе в свою механику. «Если заменить слово „душа“ словом „сила“, то мы получим принцип, лежащий в основе моей физики неба», – писал Кеплер в 1621 году. И хотя ученый отрицал, что данная сила имеет духовную природу, он добавлял, что пришел к «выводу, что эта сила должна быть чем-то субстанциональным – „субстанциональным“ не в буквальном смысле слова, но… в том же смысле, в каком мы говорим, что свет нечто субстанциональное, имея в виду, что некая несубстанциональная сущность исходит от субстанционального тела».

90 Философ Брюс Уилшир называет такие метафоры «физиогномическими метафорами».

91 Здесь стоит заметить, что иногда научная терминология кажется метафорической, но таковой не является. В качестве примеров можно привести названия кварков: «очарование», «странность», «красота», «истина». Глупо было бы считать их метафорами. Подобные названия ни о чем нам не говорят, не являются попытками понять суть чего-то. Это просто одна из научных проказ.

Глава 7. Вращение Земли

Фуко и его маятник

92 The Foucault Pendulum (без автора) // The Institute News [of the Franklin Institute]. 1938. April.

94 Цит. по: Deligeorges S. Foucault et ses Pendules. Paris: Editions Carre, 1990. P. 48.

95 Foucault M. L . Physical Demonstration of the Rotation of the Earth by Means of the Pendulum // Journal of the Franklin Institute. 1851, May. P. 350–353.

96 Foucault M. L . D é monstration exp é rimentale du movement de rotation de la Terre // Journal des Debats. 1851. 31 March. Более подробную информацию о Фуко можно получить в кн.: Aczel A. Pendulum: Leon Foucault and the Triumph of Science. New York: Pocket Books, 2003; Tobin W. J. The Life and Science of Leon Foucault, the Man Who Proved the Earth Rotates. London: Cambridge University Press, 2003.

97 Однако значительно сложнее будет продемонстрировать подобным способом поступательное движение Земли – ее движение в пространстве, а не вращение вокруг своей оси.

98 Merleau-Ponty M. Phenomenology of Perception / Transl. by C. Smith. London: Routledge & Kegan Paul, 1962. P. 280. Я благодарен Патрику Хилану за некоторые из приведенных далее мыслей и Бобу Стриту, который задавался вопросом, что произойдет, если человека поместить в достаточно обширный диск маятника или если маятник будет установлен во вращающемся ресторане с периодом вращения, равным сидерическим стукам, и будет рассматриваться на фоне ясного ночного неба.

99 Deligeorges. Foucault. Op. cit. P. 60.

100 Crane H. R . The Foucault Pendulum as a Murder Weapon and a Physicist’s Delight // The Physics Teacher. 1990, May 1990. P. 264–269, 269.

101 Crane H. R . How the Housefly Uses Physics to Stabilize Flight // The Physics Teacher. 1983, November. P. 544–545.

102 К важнейшим его компонентам относятся проволока (струна), держатель для струны и специальное устройство в держателе, предназначенное для сообщения маятнику время от времени небольшого дополнительного толчка, чтобы избежать его замедления и остановки.

103 Маятники отличаются между собой тем, насколько направление их колебаний изменяется со временем, что связано с их местонахождением. На Северном и Южном полюсах маятник обойдет весь круг, 360°, за двадцать четыре часа, проходя по 15° в час, по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном. Во всех остальных местах часовое смещение зависит от широты местности следующим образом: часовое отклонение равно произведению 15° на синус данной широты. В Лондоне оно чуть меньше 12°; в Париже – 11° в час; в Нью-Йорке – 93/4° в час; в Нью-Орлеане – 7°; в Шри-Ланке менее 2° в час.

Интерлюдия

Наука и возвышенное

104  Burke E. A philosophical Inquiry into the Origin of Our Ideas of the Sublime and the Beautiful. 4th edition. Dublin: Cotter, 1707. Part 1, Section 6.

105 Кант . Критика способности суждения. § 28., пер. М. И. Левиной. Еще один вариант возвышенного добавляет Умберто Эко в романе «Маятник Фуко».

Глава 8. Вид на электрон

Милликен и капля масла

106 Лучшая статья, посвященная эксперименту Милликена, была написана Джеральдом Холтоном: Holton G. Subelectrons, Presuppositions, and the Millikan-Ehrenhaft Dispute // [Historical Studies in the Physical Sciences. 1978. Vol. 9. P. 161–224 (практически одновременно она вошла главой в его книгу)] The Scientific Imagination: Case Studies Cambridge, Mass.: Cambridge University Press, 1978. P. 25–83; дополнительную информацию по данному вопросу можно найти в статье: Segerstr å le U. Good to the last drop? Millikan Stories as ‘Canned’ Pedagogy // Science and Engineering Ethics. 1995. Vol. 1. No. 3. P. 197–214.

107 Millikan. Autobiography. New York: Houghton Mifflin, 1950. P. 69.

108 Там же. P. 73.

109 Там же.

110 Холтон писал, что «Милликен не разрабатывал тот эксперимент, которым он обязан своей ранней славе; скорее, он открыл этот эксперимент… Никто не сомневался в существовании отдельных капель. Любой на его месте мог бы составить такое же оборудование целым десятилетием раньше, если бы только решил наблюдать не за облаком, а за каплей… Привычка работать с облаками мертвой хваткой держала воображение исследователей, и только случайность позволила Милликену от нее освободиться» ( Holton . The Scientific Imagination. Op. cit. P. 46.)

111 Там же. P. 53.

112 Millikan . Autobiography. P. 75.

113 Там же. P. 83.

114 Millikan . The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of Its Charge, and Correction of Stokes’ law // Science. 1910. Vol. 32. P. 436.

115 Упомянутая страничка из блокнота воспроизводится в кн.: Holton . The Scientific Imagination. Op. cit. P. 64.

116 Millikan. On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant // Physical Review. 1911. Vol. 2. P. 109–143.

117 Почерпнуто из личной беседы с Гербертом Гольдштейном.

118 Holton . The Scientific Imagination. Op. cit. P. 71.

119 Segerstråle U. Good to the last drop? Op. cit.

120 Всякого рода разоблачения во все времена привлекали к себе огромное внимание публики, особенно в постуотергейтский период, когда появилась статья Холтона. Писатель Дэвид Фостер Уоллес задался вопросом, почему нам «так нравится сама идея о разоблачении и обнародовании тайных и скандальных проявлений чьей-то аморальности». Разоблачения, писал Уоллес, дают нам ощущение «эпистемологической привилегии», «проникновения под цивилизованную поверхность повседневной жизни» и обнаружения там дурной и неприглядной изнанки, где действуют отвратительные и даже злонамеренные силы (см.: Wallace D. F. David Lynch Keeps His Head // Id. A Supposedly Fun Thing I’ll Never Do Again. New York: Little, Brown. P. 208).

121 Броду и Уэйду удалось запятнать многих других выдающихся ученых, не исключая самого Галилея. Воспользовавшись галилеевским романизированным вариантом с изложением его научных взглядов и полагаясь на весьма специфическую интерпретацию трудов Галилея историком науки Койре, Брод и Уэйд включили великого ученого в свой список «хорошо известных или весьма подозрительных случаев подлога в науке» за то, что он якобы «преувеличил результаты эксперимента». Авторы похоронили в сносках убедительные свидетельства неверного истолкования Койре работ Галилея и ссылки на более поздних историков науки, таких как Сеттл и Дрейк, которые более внимательно изучили наследие великого ученого.

122 Franklin A. Forging, Cooking, Trimming, and Riding on the Bandwagon // American Journal of Physics. 1984. Vol. 52. P. 786–793.

123 Там же. P. 83.

Интерлюдия

Особенности научного восприятия

124 Цит. по кн.: Keller E. F. Reflections on Gender and Science. New Haven: Yale University Press, 1985. P. 165.

125 Io\'s Big Sodium Cloud Looms Even Bigger (anonimous) // Science News. 1990. Vol. 137. No. 23. P. 359.

126 См.: Crease R. P . The Play of Nature: Experimentation as Performance. Bloomington, Ind.: Indiana University Press, 1993; Heelan P. A . Space-Perception and the Philosophy of Science. Berkeley: University of California Press, 1983; Don Ihde . Technology and the Life-World. Bloomington, Ind.: Indiana University Press, 1990.

127 Здесь есть одна сложность: научный термин (например, «электрон») часто обладает «двойной семантикой» и может относиться как к абстрактному термину в теории, так и к физическому явлению в лаборатории (возьмите, к примеру, разницу между нотой «до» в музыкальной партитуре и той же нотой «до», услышанной в концертном зале). Относительно двойной семантики в науке см.: Heelan P. A . After Experiment: Realism and Research // American Philosophical Quarterly. 1989. Vol. 26. P. 297–308; Crease R. P . The Play of Nature. Op. cit. P. 88–89.

128 Цит. по: Living Philosophies / Clifton Fadiman (ed.). New York: Doubleday, 1990. P. 6.

Глава 9. У истоков красоты

Резерфорд и атомное ядро

129 Остается классической статья об этом эксперименте: Heilbron J . The Scattering of α and β Particles and Rutherford’s Atom // Archive for History of Exact Sciences. 1967. Vol. 4. P. 247–307.

130 Oliphant M. Rutherford: Recollections of the Cambridge Days. Amsterdam: Elsevier, 1972. P. 26.

131 Crowther J. G. British Scientists of the Twentieth Century. London: Routledge & Kegan Paul, 1952. P. 44.

132 Russell A. S. Lord Rutherford: Manchester, 1907–1919: A Partial Portrait // Proceedings of the Physical Society. 1951. Vol. 64 (1 March). P. 220.

133 Oliphant M. Rutherford. Op. cit. P. 123.

134 Цит. по: Там же. P. 65.

135 Heilbron J. L . An Era at the Cavendish // Science. 1964. Vol. 145 (24 August). P. 825.

136 Oliphant M. Rutherford. Op. cit. P. 11.

137 Цит. по: Wilson D . Rutherford: Simple Genius. Cambridge, Mass.: MIT Press, 1983. P. 290.

138 Andrade E. N. da C. Rutherford and the Nature of the Atom. New York: Doubleday, 1964. P. 111.

139 Цит. по: Wilson D . Rutherford. Op. cit. P. 296.

140 Цит. по: Eve A. S . Rutherford. New York: Macmillan, 1939. P. 199.

141 Цит. по: Там же. P. 194–195.

142 Crowther J. A . On the Scattering of Homogeneous Rays and the Number of Electrons in the Atom // Proceedings of the Royal Society of London. 1910–1911. Vol. 84. P. 247.

143 Rutherford E . The Scattering of α and β Rays and the Structure of the Atom // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. Ser. 4. 1911. Vol. 55. No. 1. P. 18.

144 Rutherford E . The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom // Philosophical Magazine. 1911, May. P. 669–688.

Интерлюдия

Искусство в науке

145 Цит. по: Crease R. P., Mann C. C. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. New Brunswick, N. J.: Rutgers University Press. P. 337–338.

146 Все цитаты в этом абзаце взяты из: McCray P. Who Owns the Sky? Astronomers’ Postwar Debates over National Telescopes for Optical Astronomy (неопубликованная работа).

147 Crease R. P. The Play of Nature: Experimentation as Performance. Bloomington, Ind.: Indiana University Press, 1993. P. 109–111.

148 Этот диалог цитируется в кн.: Crease. The Play of Nature. Op. cit. P. 117–118.

Глава 10. Единственная тайна

Квантовая интерференция

149 [Фейнман Р., Лейтон С., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике / Пер. А. Ефремов, Г. Копылов, Ю. Симонов, Олег Хрусталев. Вып. 3. М.: Мир, 1965. Гл. 37.] Feynman R. P., Leighton R. B., Sands M. The Feynman Lectures on Physics. Vol. 3. Menlo Park: Addison-Wesley, 1963. Chapter One. Некоторые из приводимых цитат также взяты из кн.: [ Фейнман Р. Характер физических законов / Пер. В. П. Голышев, Э. Л. Наппельбаум. М.: Мир, 1968. Гл. 6] Feynman R. P. The Character of Physical Law. Cambridge, Mass.: Mit Press, 2001. Chapter Six.

150 Аналогия Фейнмана приблизительна, как и любые другие аналогии; при более пристальном рассмотрении она оказывается вовсе не такой ясной, как представляется на первый взгляд. Пули могут сталкиваться друг с другом до попадания на детектор, что неизбежно изменит характер распределения. И если пули, по размеру сравнимые с электронами, будут рикошетировать от краев крошечного экрана, они (в отличие от настоящих пуль) будут испытывать на себе и передавать экрану изменения в кинетической энергии, что, в свою очередь, воздействует на характер распределения и на дальнейшее взаимодействие между летящим электроном и экраном. И, наконец, противопоставление, проводимое Фейнманом между пулями и водяными волнами, – это чистая риторика. Когда мы растворяем любой вид материи, мы в итоге получаем атомы или поля. Поскольку и то и другое квантуется, мы никогда не можем получить непрерывную волновую картину.

151 С 1888 по 1973 год Физический институт находился в самом центре города, и физикам, работавшим с электронными микроскопами высокого разрешения и электронными интерферометрами, во второй половине ХХ века приходилось находить пути преодоления механических и магнитных возмущений, возникавших вследствие особенностей городской жизни. В 1973 году институт переехал в новое помещение, располагавшееся на вершине холма за пределами города. Точно так же как астрономы стремятся устанавливать свои телескопы подальше от яркого света цивилизации, так и Молленштедт хотел, чтобы его институт находился как можно дальше от источников электромагнитных возмущений.

152 Его поиск проходил следующим образом: в качестве временного субстрата он использовал стеклянную пластину 4 × 4 см, покрытую тонким (20 нм) слоем серебра, нанесенного с помощью испарения. Она обладала достаточной толщиной для гальванопокрытия меди на слой фольги толщиной в 0,5 мкм. Но как проделать небольшие щели в фольге? Поначалу он хотел процарапать их с помощью предназначенного для этого инструмента, как это делалось при производстве светооптических интерференционных решеток. Однако такого инструмента у него под рукой не было, да и процарапывание с его помощью щелей длиной всего лишь в 0,5 мкм представлялось крайне сложным делом (названная длина была необходима, чтобы фольга оставалась механически стабильной). И вот именно тогда и пригодились старые эксперименты Йонссона с гальванопокрытием. Вспомнив, что микроскопическое количество загрязнений на субстрате мешает увеличению слоя гальванопокрытия, он до начала процесса гальванопокрытия сделал на серебряном субстрате изолирующие слои в форме щелей. А здесь пригодился еще один девиз Молленштедта: если вы обнаружили в ходе эксперимента некий эффект, связанный с загрязнениями, постарайтесь сделать так, чтобы он работал на вас. Йонссон обнаружил, что в его экспериментах действительно имеет место эффект, связанный с загрязнениями, в форме так называемых слоев Стюарда, возникающих из-за конденсации молекул масла из масляных паров внутри электронного микроскопа. Молекулы масла «разбивались» электронным лучом и, полимеризируясь, создавали слой Стюарда. Чем больше экспериментатор смотрел на некий объект, тем толще становился слой Стюарда, снижая контрастность образа. Йонссон экспериментировал со слоями Стюарда и обнаружил, что они обладают великолепными изолирующими характеристиками, предотвращая гальванопокрытие меди в тех местах на серебряном субстрате, где они конденсируются. Выражаю огромную благодарность Клаусу Йонссону за помощь в объяснении особенностей подготовки этих экспериментов.

153 Он создал электронно-оптическое устройство с электронным зондом, с помощью которого на серебряный субстрат наносился слой Стюарда в форме щели. С целью нанесения нескольких (до десяти) щелей рядом он снабдил названный инструмент конденсатором, чтобы располагать электронный зонд вертикально по отношению к направлению щелей. Определив необходимое время экспонирования для получения слоев Стюарда 10–50 нм толщиной, Йонссон смог проделать нужные ему щели в медном покрытии. Но как удалить их с субстрата и как удалить серебро и полимеризат из щелей? И тут Йонссон заметил, что можно воспользоваться пинцетом, чтобы переместить медно-серебряную фольгу со стеклянной пластины в направлении щелей, не повредив щелей. Когда он проделал щели над отверстием в 0,5 мкм и посмотрел на них в микроскоп, он заметил, что в щелях не было никаких загрязнений. В ходе процесса печатания электронный луч закрепил слои Стюарда на субстрате из стекла и серебра, на котором они оставались даже после удаления медной фольги. Таким образом, как оказалось, две самые значительные проблемы при проделывании щелей не были непреодолимым препятствием.

154 В 1972 году они получили первую интерференционную структуру с помощью электронной бипризмы, вставленной в специальный патрон электронного микроскопа Siemens Elmiskop 1A , снабженного изготовленной по заказу заостренной нитью. Работа получила премию Итальянского физического общества за лучший учебный эксперимент.

155 Merli P. G., Missiroli G. F., Pozzi G. American Journal of Physics. 1976. Vol. 44. P. 306–307.

156 Адрес веб-сайта: www.bo.imm.cnr.it.

157 Tonomura A., Endo J., Matsuda T., Kawasaki T., Ezawa H. Demonstration of Single-Electron Buildup of an Interference Pattern // American Journal of Physics. 1989. Vol. 57. P. 117–120.

158 Доклад Тономуры в Королевском институте можно просмотреть по адресу: http://www.vegaorg.uk/series/vri/vri4/index.php. См. также: Rodgers P. Who Performed the Most Beautiful Experiment in Physics? // Physics World. 2002, September.

Интерлюдия

Занявшие второе место

159 Источником этой истории является древнеримский архитектор и механик Витрувий. Цитируемый текст взят из Витрувий . Об архитектуре. IX, 0, 10, пер. Ф. А. Петровского. См. также: ст. «Архимед» в Dictionary of Scientific Biography / C. C. Gillispie, (ed.). New York: Scribner, 1970–1980.

160 Holmes F. L. Meselson, Stahl, and the Replication of DNA: A History of The Most Beautiful Experiment in Biology. New Haven: Yale University Press, 2001.

161 См.: Blum D . Love at Goon Park: Harry Harlow and the Science of Affection. Cambridge, Mass.: Perseus, 2002.

162 Garcia J., Koelling R . Relation of cue to consequence in avoidance learning // Psychonomic Science. 1966. Vol. 4. P. 123–124.

163 Доступно на веб-сайте http://www.aps.org/apsnews/0101/010106.html.

164 Информация заимствована из неспециального описания в кн.: Crease R. P., Mann C. C. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. New York: Macmillan, 1986. P. 164–165.

165 Популярное описание эксперимента приводится там же на с. 206–208.

166 Популярное описание эксперимента см.: Crease R. P. Making Physics: A Biography of Brookhaven National Laboratory, 1946–1972. Chicago: University of Chicago Press, 1999. P. 248–250.

167 Цит. по: Там же. P. 400.

Заключение

Сможет ли наука и впредь оставаться красивой?

168 Точное значение аномального магнитного момента мюона, как можно понять по многочисленным попыткам измерить его, несмотря на все связанные с этим сложности, принадлежит к числу наиболее важных величин в современной физике. Причина заключается в том, что любое несоответствие между теоретически установленной величиной и результатами экспериментов предоставляет крайне важную информацию относительно того, что находится за пределами стандартной модели физики элементарных частиц – дисциплины, созданной во второй половине ХХ века и описывающей поведение фундаментальных строительных блоков, из которых сложена материя, включая все известные частицы и большинство сил, на них воздействующих. См.: Morse W. et al . Precision Measurement of the Anomalous Magnetic Moment of the Muon // Proc. Of the XVIII Inter. Conf. on Atomic Physics / H. Sadeghpour, E. Heller, D. Pritchard (eds.). World Scientific Publishing, 2002.

169 Все мюоны обладают постоянным собственным магнитным моментом, пропорциональным спину. При равномерном движении частицы по круговой траектории в однородном магнитном поле возникает прецессия магнитного момента, спин начинает себя вести словно собирающийся свалиться волчок. Частота прецессии определяется гиромагнитным отношением, или « g -фактором». В классической физике, где положение обладающей массой частицы в пространстве и времени точно определено, g -фактор равен единице. Когда Поль Дирак строил свою теорию электрона, в которой учитывались бы и квантовые, и релятивистские особенности, вычисленный им g -фактор оказался равным в точности двум. Но в соответствии со знаменитым принципом неопределенности Гейзенберга в квантовой механике невозможно приписать мюону (или любой другой элементарной частице) точное местоположение, к тому же он всегда окружен облаком призрачных и короткоживущих виртуальных частиц, которые он постоянно излучает и поглощает. Из-за этого его g -фактор слегка отличен от двух. Однако вычисления его с помощью теории возмущений давали бесконечность уже в первом порядке, и только с созданием квантовой электродинамики Фейнманом, Швингером и Томонагой его удалось посчитать. В их теории g -фактор равнялся 2,002. В ходе эксперимента, получившего название g-2 , отклонения g -фактора от 2 измеряются с точностью, превосходящей одну миллионную. Величина этого отклонения чрезвычайно важна для физиков, так как она может сообщить им о существовании новых, еще не открытых частиц, что, в свою очередь, даст понять, насколько правильна стандартная модель элементарных частиц. Если полученная экспериментальным путем величина полностью совпадет с полученной в теории, это будет означать, что стандартная модель подтверждается экспериментально (и ею можно пользоваться для насущных – по крайней мере, на данный момент времени – целей) и что потребности в создании новой теории пока нет. Отсутствие такого соответствия будет означать, что стандартная модель не работает и что в ней существует некая «прореха», которая может стать тропой к созданию новой физики. Измерение прецессии вектора магнитного момента мюона требует очень сложного оборудования. Его разработка и изготовление подразумевает многолетнюю выверку тысяч высокоточных его составных частей и затем настройку их на совместную работу. А это требует невероятного числа отдельных компромиссов, так как каждая отдельная часть оборудования неизбежно воздействует на все остальные. Мюоны создаются брукхейвенским ускорителем элементарных частиц, называемым AGS . Протоны из ускорителя ударяются о мишень, отчего рождаются струи других частиц, называемых пи-мезонами (пионами), а те, в свою очередь, распадаются на мюоны. Эти мюоны поляризованы, то есть все их спины направлены вдоль одной оси. Оказавшись внутри громадного сверхпроводящего электромагнита, мюоны начинают двигаться по круговым орбитам внутри вакуумной камеры. Электромагнит, изготовленный в Брукхейвенской лаборатории для описываемой цели, – самый большой в мире. Он настолько больше своих предшественников, что многие полагали невозможным само его создание. Его магнитное поле должно быть равномерным и однородным, и ученые постоянно проверяют его на наличие случайных флуктуаций. Один из методов проверки заключается в использовании особой сенсорной тележки, изготовленной исследователями, которая совершает периодические объезды всей вакуумной камеры. Как-то исследователи установили на ней крошечную видеокамеру и засняли видео ее часовой пробежки, подобной путешествию по длинному и однообразному туннелю подземки.

170 При распаде мюона образуется электрон (и два нейтрино), однако направление его движения не случайно. Из-за нарушения четности электроны летят преимущественно по направлению спина мюона. Эти электроны регистрируются детекторами, находящимися внутри кольца.

171 Тоитиро Киносита, физик-теоретик из Корнелльского университета, провел более десятилетия, продираясь сквозь бесчисленные уравнения и используя самые быстрые компьютеры, чтобы получить максимально точное значение этой величины.

172 В частности, этот эксперимент позволяет проверить одно из важных предсказаний теории относительности: мюоны движутся со скоростью, близкой к скорости света, в результате чего происходит существенное замедление часов в их собственной системе отсчета: 2,2 микросекунды их жизни соответствуют 64 микросекундам по лабораторным часам. Именно замедление часов, собственно, и делает данный эксперимент возможным.

173 Критику социально-конструктивистского подхода к науке и точки зрения, что исследовательская деятельность, по сути, является не более чем политическим или юридическим взаимодействием, в ходе которого различные стороны ведут «торговлю интересами», см.: Eger M. Achievements of the Hermeneutic-Phenomenological Approach to Natural Science: A Comparison with Constructivist Sociology // Crease R. P. (ed.). Hermeneutics and the Natural Sciences. Dordrecht: Kluwer, 1997. P. 85–109.

174 Иногда появляется искушение принять подобные сценарии «того, как мы работаем» (по меткому определению философа Максин Шиитс-Джонстон) за чистую монету. Но они – не более чем формализация, и, подобно любой другой попытке сделать наглядным сложный процесс, создаются с определенной целью и в контексте определенной идеологии. Скрытое намерение, заключенное в этих крайних подходах к науке, состоит в том, чтобы лишить науку души. Конечно, не в религиозном смысле этого слова, а в том значении, которое обычно связывают со словосочетанием «живая душа» той или иной деятельности. Логико-ориентированные ученые стремятся уничтожить эту «живую душу» и создать науку, полностью лишенную какой-либо чувственной стороны, так как, по их мнению, эмоции привносят элемент иррациональности и необязательности в тот процесс, который должен быть объективным и безличным. При подобном подходе отыскать место для красоты нелегко и смотреться она будет крайне надуманно. Тем временем ученые, рассматривающие науку исключительно под углом ее социального измерения, пытаются лишить ее «живой души» по противоположной причине – так как признание фундаментальной роли духовной составляющей в процессе познания таит в себе угрозу формирования таких структур представления интеллектуального человеческого опыта, которые не только нельзя будут редуцировать к социальным факторам, но они сами будет эти социальные факторы определять. Естественно, что при подобном подходе места для красоты в науке также не остается. Ведь красота, по своей сути, есть основная ценность и благо, а борьба интересов между различными силовыми группами сводит все ценности на инструментальный уровень. Таким образом, данный подход к науке в той же мере дегуманизирует науку, как и логико-ориентированный, в контексте которого наука описывается исключительно в рациональных терминах. О роли «души» в научных исследованиях см.: Sheets-Johnstone M. The Primacy of Movement. Philadelphia: John Benjamins, 1999. Подобно людям искусства, ученые в своей деятельности реализуют себя полностью, все свое существо, а значит, их работа неизбежно имеет и эмоциональное измерение. Если отнять у науки элементы чувства и красоты, то существенным образом исказится представление о ней, и в результате мы получим картину науки как некоего сухого академического артефакта. Целостное представление о науке требует обязательного включения в нее концепта красоты – раскрытия некой фундаментальной тайны, благодаря которой мы ощущаем присутствие того, что одновременно принадлежит и сфере чувств, и сфере идей. Полное описание науки потребовало бы и упоминания роли любви в ней – эмоции, которая всегда связана с идеей красоты. Любовь – это то естественное чувство, которое вызывает прекрасный объект.

175 Платон . Пир. 211с, пер. С. К. Апта.

Примечания

1

Решающий эксперимент ( лат .).

2

Мы не знаем точно, как был устроен каталог Александрийской библиотеки. Во всяком случае, известно, что в библиотеке использовались разные носители текста и разные языки. К тому же состоявшие при библиотеке писцы занимались копированием и переводом свитков, и оригиналы хранились отдельно от копий ( прим. науч. ред. ).

3

«Чистые доски» ( лат. )

4

Хорошо сказано, даже если и неправда.

5

Пер. М. Розанова.

6

Пер. К. Чуковского.

7

Пер. С. Сухарева.

8

Пер. В. Топорова.

9

Ничто человеческое мне не чуждо ( лат. ).

10

Позор! ( лат .)

11

Это несколько упрощенный взгляд на дело: подобное утверждение справедливо только для маятника, находящегося на одном из полюсов, и при условии, что движение Земли по орбите вокруг Солнца можно считать прямолинейным и равномерным ( прим. науч. ред. ).

12

Маленький театр ( фр. ).

13

Глубочайшее заблуждение ( фр. ).

14

Блеск величия ( фр. ).

15

Пер. О. Слободкиной.

16

Английская фраза watched an ion («наблюдал за ионом») звучит похоже на washed and ironed («стирал и гладил»).

17

Для физикаэкспериментатора не существует слов «не выходит» ( нем. ).

18

Речь идет о нарушении четности в слабых взаимодействиях.

19

Если произведения, на которые ссылается автор, существуют в русском переводе, авторские ссылки заменены ссылками на соответствующие русские издания.

Content

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

Вступление

Глава 1. Измеряя мир

Эратосфен и земная окружность

Интерлюдия Почему наука прекрасна?

Глава 2. Бросая мяч

Легенда о «Падающей башне»

Интерлюдия Эксперименты и демонстрации

Глава 3. Альфа-эксперимент

Галилей и наклонная плоскость

Интерлюдия Сравнение Ньютона – Бетховена

Глава 4. Experimentum crucis

Призма Ньютона

Интерлюдия Разрушает ли наука красоту?

Глава 5. Взвешивание мира

Строгий эксперимент Кавендиша

Интерлюдия Наука в популярной культуре

Глава 6. Свет и волна

Прозрачная аналогия Юнга

Интерлюдия Наука и метафора

Глава 7. Вращение Земли

Фуко и его маятник

Интерлюдия Наука и возвышенное

Глава 8. Вид на электрон

Милликен и капля масла

Интерлюдия Особенности научного восприятия

Глава 9. У истоков красоты

Резерфорд и атомное ядро

Интерлюдия Искусство в науке

Глава 10. Единственная тайна

Квантовая интерференция

Интерлюдия Занявшие второе место

Заключение Сможет ли наука и впредь оставаться красивой?

Примечания автора