Глава 24. Теории и научные труды

«Настало время нам взглянуть на путь,

Который пройден был,

И вскинуть взор к вершине,

Которую стремимся мы достичь».

Док. Бэдли

«Создание научной теории имеет сходство с маленькой историей о «плоглях».

Рассказывают, что некогда в одной стране народ волновали две очень сложные загадки. Мудрейшие люди страны в течение многих лет ломали над ними головы. А было так: если кто-нибудь из жителей этой страны хотел, скажем, найти карандаш, он никогда не мог его отыскать. А если кто-нибудь, имевший карандаш, хотел его очинить, то обнаруживал, что точилка уже наполнена карандашными стружками. Такое неприятное положение дел вызвало народные волнения, и правительство вынуждено было назначить авторитетную комиссию, состоящую из выдающихся философов, для проведения подробного расследования. Этой комиссии было предложено выяснить, чем объясняются столь грубые нарушения порядка… Расследование проходило в очень трудных условиях, ибо нетерпеливый народ все громче и настойчивее требовал ответа на волновавшие его вопросы. Наконец, по прошествии времени, показавшегося всем очень долгим, комиссия появилась перед главой государства и представила поистине блестящее объяснение этих таинственных явлений.

Объяснение было очень простое. Согласно высказанной учеными теории, под землей живет много маленьких людей, называемых плоглями. Ночью, когда все люди спят, они входят в дома. Они шныряют по дому, собирают все карандаши и торопливо оттачивают их с помощью точилок, затем опять скрываются под землей.

Народные волнения стихли. Очевидно, это была блестящая теория. Единым росчерком она объяснила обе тайны».

Венделл Джонсон[113]

К началу XVIII века наука представляла собой целую систему, состоящую из огромного количества накопленных к тому времени экспериментальных фактов, объединенных логическими рассуждениями и выводами. Прежде чем перейти к рассмотрению дальнейшего развития физики, скажем несколько слов о том, каковы компоненты, составляющие науку.

Почему мы называем теорию Ньютона хорошей теорией, а теорию о плоглях — плохой? Чем обусловлены качества теории и почему мы придаем ей в настоящее время столь большое значение?

В этой главе мы обсудим именно эти вопросы.

Мы не приводим здесь сжатого определения научной теории или научного познания; попытка дать подобное определение была бы смешной — столь многообразна и сложна природа этих терминов, имеющих такое важное значение. Мы должны развить у себя вкус к этим понятиям как к изысканной стряпне; ведь в некотором смысле научная теория — своего рода интеллектуальная пища. Все, что можно здесь сделать, это предложить вам некие общие рассуждения о том, что следует понимать под хорошей теорией, и привести «словарь» необходимых терминов. В этой главе мы ограничим рассмотрение теорией, соответствующей эпохе Ньютона.

В последующих главах, особенно в гл. 44[114], вы найдете другие рассуждения по поводу теории и другие взгляды на ее сущность. Мы советуем вам прочитать настоящую главу бегло, не стараясь извлечь из нее окончательные ответы на поставленные вопросы. Вы должны составить собственную точку зрения о том, что есть наука.

Мы приводим СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ, которые могут понадобиться в дальнейшем.

Факты

Большинство ученых-физиков верит в то, что они имеют дело с реальным внешним миром, или по крайней мере действуют так, как если бы они в это верили. Даже если у них возникают сомнения философского порядка, они все же исходят из «чувственных восприятий» или из «отсчетов на шкале приборов» как из реальных фактов. Мы верим таким фактам, потому что они согласуются между собой, несмотря на то что их получают независимо друг от друга различные наблюдатели. В обычной жизни подобные факты могут быть смутными, например: «У дяди Джорджа плохой характер». В физике же факты обычно представляют собой определенные измерения, результаты эксперимента, например

— кристалл имеет 8 граней;

— лист бумаги имеет ширину 8,5 дюйм;

— плотность алюминия в 2,7 раза больше плотности воды;

— ускорение свободно падающего камня равно 9,81 м/сек²;

— орбита Марса в 2 раза больше орбиты Венеры;

— гравитационная постоянная равна 6,6∙10^-11 в системе единиц МКС;

— атом имеет размеры, равные нескольким ангстремам.

Для полной ясности каждый из этих фактов нуждается в некоторых комментариях: определение терминов, степень точности, пределы применимости; однако в беседах между учеными эти уточнения обычно опускаются, подобно тому как в семейном кругу могут прийти к выводу, что у дяди Джорджа действительно плохой характер, не заботясь о точном определении того, что такое характер. По мере накопления фактов мы уходим все дальше и дальше от непосредственных ощущений и наши «факты» начинают все больше и больше зависеть от выбора теории, в рамках которой они рассматриваются. Слова «диаметр атома водорода равен 10^-10 м» ничего не говорят до тех пор, пока мы не уточним поведение атомов, о которых идет речь, и не укажем даже, что за теория описывает их поведение[115].

Тем не менее мы должны располагать большим количеством фактов, полученных более или менее непосредственно из эксперимента, чтобы их можно было считать надежными: они должны быть одинаковыми независимо от того, когда, в каких лабораториях и какими наблюдателями они получены. «Можете ли вы повторить ваши результаты?» — вот один из первых вопросов, который обычно задает заведующий лабораторией восторженному молодому ученому.

Законы

Мы пытаемся собрать факты в отдельные группы и определить общие свойства, характеризующие их (например: все металлы хорошо проводят электрический ток; натяжение пружины меняется при изменении растягивающего ее груза). Мы называем полученные соотношения или утверждения правилом, законом, иногда принципом. Таким образом, закон — это отражение явлений природы, а не приказ, который она получает. Некоторые ученые идут дальше и идеализируют законы (см. гл. 5[116]). Они считают каждый закон простым и точным, но при этом как бы составляют некий невидимый путеводитель, состоящий из реальных сведений, показывающих, насколько близко и в каких пределах природа следует идеальным законам. Этот невидимый путеводитель, которым пользуется ученый-экспериментатор, отличает последнего от любителя, знакомого лишь с формальным определением законов. Это не справочник, в котором приведены плотности различных тел, и не таблица логарифмов, а очень ценная карманная книга, в которой сочетаются эксперимент и теория.

Когда мы пытаемся установить некий закон, мы обычно сосредоточиваем наше внимание на определенных особенностях рассматриваемых явлений.

При проверке закона Гука мы не обращали внимания на то, что пружина могла быть перекручена, гири могли быть окрашены в различные цвета, а материал, из которого они сделаны, мог даже испаряться. Пружина могла бы нагреваться в зависимости от изменения температуры в лаборатории; в этом случае оказалось бы, что ее натяжение меняется не так просто. Обнаружив влияние температуры на наши измерения, мы пытаемся поддерживать ее постоянной. (Эта предосторожность особенно важна при исследовании расширения газа. При грубых измерениях со стальными пружинами этим можно пренебречь, но при более тщательных экспериментах обязательно следует вводить поправку на температуру.)

В физике большинство законов устанавливает соотношение между измерениями двух величин:

(натяжение)/(деформация) = const;

давление ~ 1/объем;

сила ~ M₁M₂/d;

интенсивность излучения ~Т⁴.

Почти все законы можно выразить с помощью слова «постоянный» (const) как их существенной характеристики:

полное количество движения остается постоянным при любом столкновении;

(давление)∙(oбъем) = const;

F∙d²/M₁M₂ = const.

Мы стараемся найти законы, потому что стремимся привести в систему закономерности в поведении природы.

Концепции

В обычном смысле слова концепция — идея или же общее понятие. В научных дискуссиях мы придаем ему различные значения[117].

А. Второстепенные концепции

1) Математические концепции — полезные понятия, например: понятие о прямой пропорциональности (растяжение ~ груз); понятие о пределе (давление в данной точке; скорость как предел Δs/Δt).

2) Концепции наименований — понятия, полезные при классификации и обсуждении. Мы даем наименования группе материалов (металлы) или общему свойству (упругость).

3) Концепции определений — понятия, которые мы придумываем и определяем для употребления в лаборатории. Они могут быть даны на основании простых измерений (давление — из измерений силы и площади; результирующая нескольких сил; ускорение = Δv/Δt). Или же они могут описывать некоторое состояние (постоянство температуры; равновесие нескольких сил).

Б. Главные концепции

4) Научные концепции — полезные понятия, получаемые из эксперимента:

— векторы складываются геометрически;

— теплота — причина повышения температуры тел;

— количество движения — величина, полезная при рассмотрении процессов столкновений;

— молекула как основная частица.

5) Схемы понятий — научные идеи более общего характера, вокруг которых концентрируется научная мысль, например:

— теплота как форма молекулярного движения;

— теплота как форма энергии;

— система Коперника;

— законы движения Ньютона;

— представление об атмосфере как об океане воздуха, окружающем Землю,

6) Великие схемы понятий:

— система движений планет по представлению древних греков;

— теория всемирного тяготения Ньютона;

— сохранение энергии;

— сохранение количества движения;

— кинетическая теория газов.

Умозрительные идеи

Большинство научных концепций рождается из эксперимента или до некоторой степени связано с экспериментом. Другие области научного мышления — чисто умозрительные. Однако они могут оказаться полезными и остаются в силе до тех пор, пока мы помним об их статуте. Мы можем их назвать умозрительными идеями. Представление о хрустальных сферах было чисто умозрительным — предполагалось, что они невидимы, и их существование было недоказуемо. В самом деле, схема Птолемея не была разрушена, когда оказалось, что сквозь сферы проходит комета: были разрушены только сами сферы. Рассматривая какую-либо схему понятий, будьте осторожны и старайтесь отделить необходимые понятия от умозрительных идей, которыми сопровождается их рождение.

«Теория» и «гипотеза»

Многие ученые назвали бы большую схему, объединяющую ряд понятий, теорией, а умозрительную идею — гипотезой. Эти два термина иногда путают, и, может быть, лучше бы было избегать их. Однако мы будем употреблять их, и вы также можете с успехом это делать, проводя между ними следующее различие.

Гипотезы — это отдельные предположения или догадки, к которым прибегают при построении теории или при постановке эксперимента, имеющего целью непосредственную проверку какой-либо теории в том случае, когда это представляется возможным.

Теории — это мысленные схемы с допущениями, которые подбираются так, чтобы получалось согласие с экспериментальными данными, они содержат умозрительные идеи и общий подход к решению различных проблем, и это позволяет отнести их к главным концепциям.

Построение системы научных знаний

Наши сведения о природе мы получаем сначала путем индукции, извлекая общие законы из экспериментальных данных (см. гл. 1[118]). Затем, считая наш закон верным, мы предполагаем, что природа будет вести себя согласно этому закону, т. е. предполагаем, что природа единообразна. Если вы обратитесь к ранним этапам развития астрономии (и к начальной стадии вашей собственной работы в лаборатории), то увидите, что, хотя знания, полученные методом индукции, достаточно надежны (например, законы движения планет, закон Гука), все же этот метод не особенно плодотворен в отношении объяснений и предсказаний. Дедуктивная теория дает нам значительно больше. Прибегая к ней, мы начинаем с допущений и законов, получая их либо на основе догадки, либо в результате эксперимента, либо по аналогии или путем умозрительных рассуждений, а затем даем объяснение и делаем новые предсказания. Однако, чтобы избежать ошибок древних философов, мы, конечно, должны проверять наши предсказания и выводы. Мы должны также понимать, откуда берутся законы, на которых основана наша теория.

Занимаясь научными исследованиями, вы должны пользоваться предположениями, основанными на теории и прошедшими проверку. Слишком много предположений может увести от действительности к магии.

Теперь снова поговорим о «демонах».

«Демоны»

Можно было бы задать такой вопрос: «Откуда вы можете знать, что катящийся шар останавливается вследствие трения, а не по воле демонов?» Предположите, что вы отвечаете на этот вопрос, возражая своему собеседнику, Фаусту, который считает, что шар останавливают демоны. Ваш спор может протекать следующим образом:

ВЫ. Я не верю в демонов.

ФАУСТ. А я верю.

ВЫ. Во всяком случае, я не представляю себе, как демоны могут создать трение.

ФАУСТ. Они просто становятся перед предметами и мешают им двигаться дальше.

ВЫ. Я не могу обнаружить демонов даже на самом грубом столе.

ФАУСТ. Они слишком малы и к тому же прозрачны.

ВЫ. Но на грубых поверхностях трение больше.

ФАУСТ. Но больше и демонов.

ВЫ. Масло уменьшает трение.

ФАУСТ. Демоны тонут в масле.

ВЫ. Если я отполирую стол, трение будет меньше и шар прокатится дальше.

ФАУСТ. Вы смываете демонов, и их остается меньше.

ВЫ. Более тяжелый шар испытывает большее трение.

ФАУСТ. На него оказывает действие большее количество демонов, и он сильнее дробит их кости.

ВЫ. Если я положу на стол шероховатый кирпич, то я могу толкать его против сил трения все сильнее и сильнее, но кирпич остается неподвижным до некоторого предела, так как трение уравновешивает силу, с которой я его толкаю.

ФАУСТ. Конечно, демоны не позволяют вам сдвинуть кирпич с места, но их силы не беспредельны и они уже не могут противостоять вашему толчку.

ВЫ. Но когда я толкну кирпич достаточно сильно и кирпич начнет двигаться, то трение будет в дальнейшем тормозить его движение.

ФАУСТ. Ослабев, демоны попадают под кирпич, и их раздробленные кости мешают кирпичу скользить по поверхности стола[119].

ВЫ. Я их не ощущаю.

ФАУСТ. Проведите пальцем по столу.

ВЫ. Трение подчиняется определенным законам. Например, опыт показывает, что на кирпич, скользящий по столу, действует трение, причем сила трения не зависит от скорости.

ФАУСТ. Конечно, вы раздавите одно и то же количество демонов, как бы быстро вы это ни делали.

ВЫ. Если я буду двигать кирпич по столу снова и снова, трение будет в каждом случае одно и то же. Между тем демоны были раздавлены при движении кирпича по столу в первый раз.

ФАУСТ. Да, но они невероятно быстро размножаются.

ВЫ. Существуют и другие законы трения, например, торможение пропорционально давлению одной поверхности на другую.

ФАУСТ. Демоны живут в порах поверхности: чем больше давление, тем больше демонов выходит на поверхность, они противодействуют движению и гибнут. Демоны действуют в соответствии с силами, с которыми вы имеете дело в ваших экспериментах.

Позиция Фауста уже ясна. Какие бы свойства вы ни приписывали давлению, он сейчас же прибегает к помощи демонов. Сперва его демоны появляются произвольно, но когда вы начинаете говорить о законах трения, он сейчас же противопоставляет им законы поведения демонов. Все заходит в тупик — одни и те же свойства одним из спорящих называются демонами, другим — трением, и каждый из них возвращается в результате спора к исходной точке.

Пользуясь термином «трение», вы не устанавливали до сих пор его связи с другими свойствами материи; теперь, подобно современному ученому, вы начинаете размышлять о том, какова молекулярная или атомная природа трения, и проводите опыты для проверки ваших предположений. Атомы, входящие в состав твердых тел, должны притягиваться друг к другу на малых расстояниях с большими силами. Когда поверхности твердых тел скользят или катятся одна по другой, небольшие выступы одной поверхности будут попадать в область атомного притяжения выступов на другой поверхности и будут препятствовать движению тел. В этом случае можно считать, что трение обусловлено атомным сцеплением; последнее может даже привести к тому, что частицы с одной поверхности будут переходить на другую. Это явление было исследовано экспериментально. Если передвигать медный брусок по гладкой поверхности стального столика, то на микрофотографиях можно увидеть, что на стали как бы прилипли крошечные ниточки меди, вырванные с поверхности медного бруска. С помощью химических методов было показано, что при трении двух металлических поверхностей одна о другую происходит взаимное проникновение частиц одного металла в другой[120].

Итак, мы наконец определили, что такое трение, и связали это явление с другими физическими явлениями. Мы пришли к выводу, что трение — это атомное или молекулярное сцепление, обусловленное теми же силами, благодаря наличию которых проволоки трудно поддаются разрыву, а капли дождя имеют сферическую форму. Механизм трения можно продемонстрировать с помощью фотографических методов и методов химического анализа. Можно даже на основе теории упругости предсказать, каковы должны быть законы трения. Трением можно объяснить целый ряд других явлений.

Теперь с полным основанием можно возражать против существования демонов: они выбираются произвольно, они неразумны и слишком многочисленны. Чтобы объяснить какое-то событие, каждый раз нужен специальный демон с особым поведением, поэтому мы должны прибегать к большому числу самых разнообразных демонов. Мы должны приписывать им разное поведение, чтобы удовлетворительно объяснить интересующие нас факты. Естественно, что мы теперь предпочитаем нечто более экономичное и удобное, а именно последовательную систему знаний, прочно основанную на экспериментах, проверенных и взаимосвязанных, в достоверности которых мы убеждены, и выражающуюся по возможности в нескольких общих законах. Даже тогда, когда мы сталкиваемся с новыми явлениями, которые не способны объяснить, мы не должны изобретать демонов, дабы разрешить мучающие нас сомнения.

Хорошая теория

Теперь мы можем вернуться к различиям между теорией о плоглях и теорией всемирного тяготения. Плогли — это те же демоны с особой спецификой. Автор сказки, психолог, рассматривает ее как пример ненаучной теории, пытающейся объяснять явления природы деятельностью неких богов или демонов. Он формулирует свое общее возражение против этой теории следующим образом: «В этой теории неверно лишь одно — никаких плоглей не существует». Но многие современные физики с этим не согласятся. Они не станут возражать против того, что плогли — всего лишь плод воображения (подобно любой «модели» в науке), но назвали бы теорию о плоглях плохой теорией, ибо она слишком дорого обходится. Плогли были придуманы, и им были присвоены две линии поведения для объяснения двоякого рода событий; никаких других событий теория о плоглях объяснить не может. Эта теория — «теория ad hoc», созданная лишь «для данной цели». В теориях ad hoc нет ничего порочного — они даже могут оказаться верными, но они слабы и обычно представляют собой не что иное, как тезы частного характера, принимаемые на веру. Если их рассматривать только лишь как «теории ad hoc», то они могут оказаться полезными при рассмотрении, честно учитывающем все затруднения и неясности. Если они помогают объяснить и другие наблюдения, то мы относимся к ним уже с большим уважением и присваиваем им более почтенное наименование.

Затем, по мере того как теория развивается и превращается из чисто умозрительной догадки в некую общую форму знания, которая может удовлетворительно объяснить многие наблюдаемые явления, мы начинаем все больше и больше ей доверять. И мы настолько удовлетворены ее последовательностью и плодотворностью, что говорим: «Она не может быть неверной». Рассмотрим теорию всемирного тяготения Ньютона как пример такой великой схемы понятий. Ньютон начал с некоторых допущений; с рассмотрения сил и перемещений как векторов, со своих законов движения, с пропорциональности сил тяготения массам притягивающихся тел, с закона обратных квадратов, с евклидовой геометрии. Некоторые из этих допущений были выведены из эксперимента; другие мало чем отличались от определений (первый закон, определяющий «нулевую силу») и рабочих правил (третий закон). Но каково бы ни было происхождение этих допущений, они являлись исходными точками дедуктивной теории. Затем шаг за шагом, путем рассуждений Ньютон извлек из этих допущений свое «объяснение» Солнечной системы. Мы называем эту теорию хорошей, потому что она последовательна. Начав с общих допущений, Ньютон связал в единую систему явления, которые, казалось, не имели никакой связи:

Движение Луны по круговой орбите

Возмущения простого движения Луны

Движение планет (I, II, III законы Кеплера)

Возмущения движения планет

Движение комет

Приливы и отливы

Форма Земли

Различия в силе тяжести

Прецессия равноденствий

______

ВСЕ ЭТО СВЯЗАНО законом обратных квадратов для силы тяжести и вращением Земли

Дедуктивная теория и научное познание

Фиг. 185 иллюстрирует построение «хорошей» теории. Сначала должно происходить индуктивное накопление знаний. Затем наступает время, когда теорию можно «сварить» из сложной смеси составных частей. Некоторые предположения следует подвергнуть предварительной проверке на ранних стадиях (подобно тому как Ньютон проверял на примере Луны закон обратных квадратов для силы тяжести). На более поздней стадии предсказания, предлагаемые теорией, должны быть подвергнуты экспериментальной проверке, что одновременно служит проверкой первоначальных допущений. Мы судим о теории не по тому, насколько она «правильная, а по тому, насколько она полезна, какие эксперименты она подсказывает и на какие мысли она наводит. Многие ученые, однако, видят значение великой теории не только в плодотворности ее предсказания, но в том глубоком чувстве уверенности, которое она дает. Приведенная схема показывает возникновение скорее научного знания, чем теории. Очевидно, это сложный метод, принимающий различные формы.

Научный метод

Теперь вам понятно, почему мы говорим, что существует не ©Дин, а много научных методов. Фрэнсис Бэкон (~1600) предлагал следующий формальный метод исследования:

— производить наблюдения и регистрировать факты;

— проводить большое количество экспериментов и сводить результаты в таблицы;

— извлекать правила и законы методом индукции.

Эти положения были затем развиты в тот научный метод, которого и сейчас придерживаются многие ученые[121].

— производить наблюдения и извлекать из них правила или законы;

— формулировать гипотезу (догадку, которая может быть чисто умозрительной);

— выводить следствия из гипотезы и уже известных законов;

— производить эксперименты для проверки этих следствий.

ЕСЛИ ЭКСПЕРИМЕНТ ПОДТВЕРЖДАЕТ гипотезу, следует ее принять как истинный закон и затем предлагать и проверять другие гипотезы.

ЕСЛИ ЭКСПЕРИМЕНТ ОТРИЦАЕТ гипотезу, следует искать другую гипотезу.

В действительности научное исследование не столь «логично» с научной точки зрения и не так просто. (Мы следуем такой схеме бессознательно, когда стараемся устранить неисправность в фарах машины или установить причину, почему в нашей квартире протекает потолок, но мы вправе считать, что действуем при этом согласно простому здравому смыслу.)

Научные методы

В ходе развития науки мы решаем проблемы и накапливаем знания с помощью самых различных методов. Иногда мы начинаем с догадок; иногда строим модель для математических исследований и затем проверяем результаты, полученные с помощью этой модели, проводя соответствующие эксперименты; иногда просто собираем экспериментальные данные, готовясь при этом к встрече с любыми неожиданностями; иногда планируем и выполняем один большой эксперимент и получаем важный результат непосредственно или путем статистической обработки полученных данных.

Иногда, проводя серию экспериментов, мы переходим от одной стадии познания к другой — результаты каждого эксперимента оказывают воздействие на ход наших рассуждений и помогают планировать следующий эксперимент. Иногда мы производим длительный и сложный мысленный анализ, пользуясь как имеющейся информацией, так и законами, гипотезами, логическими умозаключениями и прибегая к экспериментальной проверке не систематически, а от случая к случаю. Однако эксперимент всегда играет роль главного пробного камня независимо от того, производится ли он вначале, когда факты только начинают накапливаться, или же в конце, при окончательной проверке какой-нибудь большой научной теории в целом.

Развитие теоретической мысли в тот или иной период времени зависит от того, насколько к этому времени назрела необходимость в данной теории и насколько подготовлена почва для восприятия новых идей как с интеллектуальной, так и с социальной точки зрения. Это справедливо и в настоящее время. Когда наступает надлежащий момент, одна и та же проблема часто привлекает внимание многих ученых одновременно и решение одной и той же задачи может быть получено не одним человеком, а несколькими, независимо друг от друга. Успех может выпасть на долю одного человека, наиболее способного и энергичного, которому удается отстоять свое открытие.

Во времена Ньютона многое подготовило почву для новых великих открытий — усилившийся интерес к законам движения вообще и к законам движения планет в частности, открытия Кеплера, новые исследования магнетизма и новое отношение к эксперименту и к развитию науки. Гук, Рен, Галлей, Гюйгенс и другие — все пытались создать единую теорию небесных и земных движений. Каждому из них удалось кое-что сделать в этом направлении, но именно Ньютон дал полное решение этих проблем, единую стройную теорию; это был «не прыжок, а полет».

Научный метод: чувство уверенности

Научное познание — факты, концепции, схемы — строится главным образом из перекрестного процесса исследований и рассуждений с различных точек зрения. Мы не движемся к блестящему открытию напрямик, не сворачивая с пути, а исследуем явления природы сначала в одном направлении, потом в другом; от одной догадки переходим к другой, которую в свою очередь подвергаем проверке, и т. д. Со временем мы накопим новые понятия различными путями и проверим их с различных точек зрения; согласие между результатами, полученными различными методами исследования, дает нам уверенность в том, что достигнутые нами знания имеют надежную основу.

Особенно хорошим примером в этом отношении является современная атомная и ядерная физика. Эту область исследований можно уподобить огромной комнате, в стенах которой имеется, скажем, семь закрытых дверей. Заглянув в одну дверь, ученые видят перед собой микроприроду явлений и ее загадочные проявления. В другую дверь они видят нечто совсем иное, в третью — опять что-то новое, и затем они сравнивают увиденные ими различные картины. (Например, радиоактивность дает одно представление о природе явлений, электронные пучки — другое; фотоэлектрический эффект ставит перед наблюдателем новые проблемы.

Рентгеновские лучи опять дают новую картину; исследуя свойства этих лучей, удается обнаружить их связь с радиоактивностью, с фотоэлектрическим эффектом; кроме того, с их помощью оказывается возможным получить подтверждение произведенных ранее измерений атомных диаметров.) Наконец, с помощью проверок и сравнений различных точек зрения удается получить логичную схему, создать некую общую картину, описать микромир. Мы описываем микромир, пользуясь обычными словами, употребляемыми нами при описании окружающего нас «макромира» (атомы имеютсферическую форму, электроны имеют малые размеры, рентгеновские лучи распространяются подобно видимому свету).

Такое описание не является истинным — что бы мы ни понимали под словом «истинный» — это лишь модель, позволяющая описать то, что нам известно о микромире, обычными словами. Эта схема, наша модель и ее законы — наша описательная теория — до сих пор видоизменяется и расширяется. Если мы откроем новые экспериментальные факты, которые находятся в соответствии с ней, то обрадуемся подтверждению ее правильности. Если же новые факты будут противоречить нашей модели, мы изменим ее, стараясь из-за присущего нам естественного консерватизма держаться возможно ближе к ней. Обнаружив новые факты, выходящие за пределы нашей модели, мы расширим саму модель. (Когда стало известно, что быстрые α-частицы могут свободно проходят через атомы, мы стали считать последние уже не непроницаемыми, как ранее, а полыми шарами.)

В настоящее время наши знания представляют собой обширную систему понятий, которой мы доверяем, так как она удовлетворяет нашим представлениям о ней, составленным на основании самых различных точек зрения. Хотя нам придется подвергать эту систему в будущем значительным изменениям, придется, может быть, изменить всю схему наших представлений об атомной физике, мы все же уже обладаем большим количеством знаний, достоверность которых подтверждается самыми различными экспериментами. Для критика извне, которому кажется, что мы смотрим лишь через одну дверь, доказательства, которыми мы располагаем, представляются слишком хрупкими и ненадежными, а наши выводы — умозрительными. Но те, кто создает науку, говорят: «Мы уверены, что стоим на правильном пути, так как, если бы мы в чем-нибудь серьезно ошибались, где-то обязательно проявилась бы несовместимость, расхождение по крайней мере в одном из направлений наших экспериментальных исследований».

Такое чувство уверенности должно лежать в основе каждого научного метода. Эрнст Нагель утверждает, что если существует единый научный метод, то он должен заключаться в той взаимной проверке и перепроверке с помощью рассуждений, проводимых с различных точек зрения, и экспериментов, в результате которых ученые приходят к убеждению в правильности своих выводов.

Понимание — это полуфабрикат. Модели

Вот почему наука кажется сначала трудной для понимания и изучения: мы последовательно приобретаем знания, рассматривая повторно проблему с иной точки зрения, и именно поэтому верим в ее надежность. Мы не обязательно считаем, что полученная нами картина природы буквально совпадает с реально существующим миром. Многие ученые считают, что это всего лишь рабочая модель.

Легко видеть, что наше представление о строении атома только модель — невидимый атом описывается с помощью таких макроскопических понятий, как снаряды, бейсбольные шары, силы, действующие между магнитами, или же сила тяжести и т. д. Однако неловко признаться в том, что мы не знаем, что в действительности представляет собой атом, а можем лишь сказать, что он «ведет себя так, как если бы…». Более того, с прогрессом техники, с появлением микроскопа… электронного микроскопа… ионного микроскопа… можно подумать, что мы видим реальные атомы, а не их модели — например, в конце нашей книги мы приводим фотоснимок атомов вольфрама. Однако такое «наблюдение» микромира, каким бы очевидным оно ни казалось, все же не является непосредственным. Получаемые нами изображения следует интерпретировать в рамках тех моделей, которые определяют использование нами соответствующих приборов. В случайной беседе мы часто говорим: «Теперь мы знаем, что представляют собой атомы, как они расположены, как они движутся», но при серьезной дискуссии большинство ученых скажет: «Мы лишь показали, что наша модель хорошо работает, и получили некоторые подтверждения ее применимости». Мы пользуемся моделями почти во всех научных представлениях: атомы, молекулы, гравитация, магнитные поля, идеальные пружины… Моделями мы пользуемся для того, чтобы заменить плоглей.

Поскольку теория в значительной степени состоит из моделей, основанных на ряде фактов, мы всегда можем внести в нее изменеяия. Согласно авторам некоторых популярных книг, ученые весело и беспечно отбрасывают свои теории, когда появляются противоречащие им новые открытия; в действительности же большинство ученых отчаянно цепляется за старые теории. Когда ученые вынуждены изменять свои теории в соответствии с новыми данными, это происходит чаще эволюционным, а не революционным путем.

«Решающие эксперименты»

Иногда конкурирующие между собой теории приводят к различным следствиям; тогда можно решить, которая из них правильна, поставив «решающий эксперимент»[122]. Даже в этом случае решение не абсолютно достоверно: отвергнутую теорию обычно можно переделать — ей можно придать такую форму, которая выдержит проверку, подобно тому как демонов всегда можно наделить добавочными свойствами. Например, опыт Ньютона со свободным падением монеты и пера в пустоте дает ответ, какая из двух теорий падения правильна:

I. «Все тела падают с одинаковым ускорением, если не принимать во внимание сопротивление воздуха».

II. «Тела падают вниз со скоростью, пропорциональной их весу».

Однако вторую теорию можно привести в согласие с экспериментом, считая действие вакуумного насоса не полезным, а вредным:

«Тела… весу; но вакуум также действует с силой, направленной вниз и обратно пропорциональной весу тел».

(При опыте с барометром получается нечто еще более фантастичное.)

Только в немногих важных случаях решение представляется, окончательным, например при решении вопроса о том, в какой форме происходит перенос световой энергии — волнами или корпускулами (квантами). Фотоэлектрический эффект решительно свидетельствует в пользу квантов; при проверке специальной теории относительности в опытах со скоростью света решение также кажется однозначным… Однако даже в этих столь важных случаях решение вопроса определяется скорее относительным значением различных экспериментов, нежели неопровержимой проверкой с помощью одного-единственного эксперимента.

Интеллектуальное удовлетворение

Итак, проверкой качества теории служит не ее успех или неудача, а простота и экономичность по сравнению со все возрастающей сложностью или громоздкостью. Лучшая теория та, которая наиболее плодотворна, экономична, доступна и приносит наибольшее интеллектуальное удовлетворение.

Мы рассчитываем, что теория (или схема) будет давать плодотворные предсказания и объяснения, основываясь по возможности на минимальном числе допущений общего характера.

Следует помнить, что научное «объяснение» нельзя считать ни окончательным и бесспорным ответом на вопрос «почему», ни простым словосочетанием, описывающим наблюдаемые явления с помощью технических терминов. Оно представляет собой звено, связывающее наблюдаемые явления с другими хорошо известными фактами или сведениями более общего характера, полученными из наблюдений. Чем больше число связанных между собой таким образом фактов и чем они разнообразнее, тем большее чувство удовлетворения дает нам наша теория. По мере того как наше доверие к ней возрастает, мы начинаем «объяснять» некоторые факты, связывая их с умозрительными предположениями, следующими из нашей теории. Однако эти предположения связаны в свою очередь с экспериментальными данными, лежащими в основе нашей теории; это по существу такого же рода «объяснение», только основанное в данном случае на нашей вере в ее справедливость.

При создании теории мы начинаем с практических допущений и простых концепций, тесно связанных с экспериментом; затем мы строим концепции более общего характера, которые управляют более простыми, и, наконец, стараемся вывести всю картину природы в целом из нескольких общих концепций. Мы оцениваем качество теории главным образом по чувству интеллектуального удовлетворения, которое она нам дает, — чувству уверенности в наших знаниях и чувству удовольствия от того, что мы можем их выразить в логичной и компактной форме. Создание такой теории, которая давала бы нам сильнейшее чувство удовлетворения и уверенности в наших знаниях, — это настоящее искусство; это то, что мы называем познанием природы.

«Если бы бог держал в своей правой руке всю истину, а в левой — только вечное стремление ее отыскать, с условием, что при этом всегда будут неизбежные ошибки, и сказал бы мне: «Выбирай!», я смиренно указал бы на левую руку и сказал бы: «Создатель! Отдай мне то, что находится в этой руке; абсолютная истина существует лишь для одного тебя».

Лессинг, 1778