Хакинг Я. Представление и вмешательство. Введение в философию естественных наук

ОГЛАВЛЕНИЕ

13. СОЗДАНИЕ ФЕНОМЕНОВ

Одна из ролей эксперимента настолько отрицается философами науки, что для нее даже нет названия. Я называю это созданием феноменов (явлений). Традиционно говорят, что ученые объясняют явления, которые они встречают в природе. Я говорю, что они часто создают явления, которые впоследствии становятся центральными элементами теорий.
Слово "феномен" имеет долгую философскую историю. В эпоху Возрождения некоторые астрономы пытались "спасти явление", то есть создать систему вычислений, которая бы согласовывалась с известными закономерностями. Не все восхищались этим. Кто сравнится в презрении с Фрэнсисом Бэконом, в 1625 году писавшем в своем эссе "Предрассудки": "Они подобны астрономам, которые для того, чтобы спасти явления, выдумывали эксцентриситеты, эпициклы и целую машинерию орбит, хотя сами не верили, что эти вещи существуют". Несмотря на это, удивительно, что великий французский историк и философ науки, известный антиреалист Пьер Дюгем выбрал то же самое слово для названия одной из своих книг: "Спасти явления" (1908 г.). Бас ван Фраассен использовал это название для главы своей книги "Научный образ". Эти авторы учат, что теория предоставляет формализм для погружения феноменов в согласованный порядок, но теория, там где она распространяется за пределы явления, не имеет отношения к какой-либо реальности. Они считают само собой разумеющимся то, что явления открываются наблюдателем и экспериментатором. Как же я могу утверждать, что основная роль эксперимента - это создание явлений? Разве я предлагаю обсудить некоторый вариант окончательного идеализма, в котором мы производим явления, полагаемые даже Дюгемом "данными"? Наоборот, я считаю, что создание явлений больше соответствует твердолобому научному реализму.

Филологический экскурс

Слово "феномен" имеет древнее философское происхождение. В Греции оно обозначало вещь, событие или процесс, который может быть виден, и происходит от глагола "являться". С самого начала это слово использовалось для того, чтобы выражать философские мысли о видимом и реальности, и было философским минным полем. И все же оно имеет вполне определенный смысл в обычных научных работах. Явление достойно внимания. Явление различимо. Обычно явление - событие или процесс определенного типа, которое происходит регулярно при определенных обстоятельствах. Явление или феномен может также обозначать уникальное событие, которое мы выделяем как особо важное. Если мы знаем регулярность, проявляемую в явлении, мы выражаем ее в законоподобном обобщении. Сам факт такой регулярности иногда называется явлением.
Несмотря на такое употребление, множество античных мыслителей придерживалось того мнения, что феномены - изменяющиеся предметы чувств, в противоположность сущностям (essences), постоянной реальности. Таким образом, явления противопоставлялись реальности. Тогда как такой современный позитивист, как ван Фраассен, придерживается мнения, что явления - единственная реальность. Слово "явление" находится как бы между этими двумя учениями.
Эллинистические писатели противопоставляли феномены ноуменам, вещам в себе. Кант перенес это противопоставление в современную философию и сделал ноумены непознаваемыми. Вся естественная наука стала наукой феноменов. Затем был расцвет позитивизма, полагавшего, что непознаваемое может не приниматься в расчет, как если бы оно не существовало. Слово "феномен" стало обозначать для некоторых эмпирических философов чувственные данные - частные, личные, относящиеся к ощущениям. Феноменализм, по словам Дж. С. Милля, означает то, что вещи - лишь постоянные возможности ощущения и что внешний мир состоит из реальных и возможных данных чувств.
Слово "феноменология" было предложено в 1764 году физиком Дж. Х. Ламбертом как название для науки о явлениях, но с тех пор слово разделилось на два совершенно разных значения. Философы знают, что "Феноменология духа" Гегеля (1807 г.) - это исследование того, как разум развивается, проходя различные стадии познания себя как явления, но, в конце концов, постигает себя как реальность. В начале этого века слово "феноменология" было взято в качестве названия для немецкой школы философии, самым знаменитым из которой был Гуссерль. Меня настолько обучили этому философскому смыслу слова, что когда я выступал с лекцией по этому предмету в серии "Перспективы" университета Нотр-Дам (о чем вспоминаю с благодарностью), я с удивлением услышал на физическом факультете о желании взять на работу феноменолога. Феноменология - важная часть физики твердого тела и физики элементарных частиц. Если бы вы хотели проверить написанное мной о мюонах и мезонах в главе 8, вы бы наверняка воспользовались классической ссылкой на такую книгу, как например, "Мезоны и поля" Х. Бете. Там вы найдете обсуждение мюонов, за которым следует длинный раздел по феноменологии. Мое использование слова "феномен" ("явление") - такое же, как у физиков. Его следует максимально отделять от философского феноменализма, философской феноменологии и частных, мимолетных чувственных данных. Явление для меня - нечто публичное, регулярное, возможно законоподобное, но, может быть, и исключительное.
То есть образцом для моего использования слова служат физика и астрономия. Наблюдатели звезд эпохи Возрождения имели в виду как регулярно наблюдаемые движения сфер, так и особые явления, например, затмение Марса, которое, как они надеялись, окажется выводимым из некоторого законообразного устройства небес. Но, конечно, астрономы были также и философами, которые были ближе к грекам в использовании обертонов слова феномен. Феномены были "видимостями" ("appearances"). Историк науки Николя Жардэн рассказывал мне, что Кеплер считал недостатком солнечной системы то, что при наблюдении мы видим явления, - то, где по видимости движутся планеты, - а не истинные положения и пути небесных тел.

Решение явлений

Иногда слова старых астрономов о спасении явлений звучали вполне серьезно, но я думаю, что задолго до Бэкона эти слова зачастую использовались с некоторой иронией. В семнадцатом веке научное использование слова "явление" распространилось на все то, что называлось "явлениями природы". Это включало как закономерности, так и то, что наши современные страховые компании продолжают называть божьими делами: такие бедствия, как например, землетрясение. Даниэль Дефо говорит о дневной видимости звезд как о явлении. Явлением может быть скорее аномалия, чем то, что известно как регулярность.
Выражение "спасать явления" ("to save the phenomena") претерпело смысловые сдвиги. Его корни можно проследить до древних греков, затем встретить его у римлян, использовавших глагол salve (спасать). В английском языке семнадцатого века он трансформировался не в глагол save, а в глагол solve, так что, например, Дэвид Юм писал о "решении явления" ("the solution of the phenomenon"). Это также обозначало "объяснение явлений", что было полностью противоположно тому, что Дюгем имеет в виду под спасением явлений. Таким образом, всякий, кто надеется, что филология даст урок философии, должен себя осаживать.
Не потерялась ли здесь родословная слова "явление" настолько, что нет возможности придать ему тот смысл, который придаю ему я? Напротив, этимология моего значения на редкость согласована, а также совпадает с основным современным значением этого слова, используемым в естественных науках. В восемнадцатом веке слово "phenomenon" употреблялось в английском языке преимущественно в моем смысле. Можно было бы подумать, что его использование у Беркли служит контрпримером, поскольку в настоящее время его называют феноменалистом, сводившим внешний мир к чувственным данным. Совсем наоборот. В книге Siris (1744), написанной им в конце жизни, он употреблял это слово 40 раз. Эта книга - замечательный, хотя и несколько сумасшедший трактат обо всем, начиная с запоров, включая науку и кончая верой в Бога. Беркли использует фразу "явление природы" в обычном для своего времени значении, для обозначения известных закономерностей. Конечно, Беркли считал, что все явления - видимости (appearances), но не потому что он считал их чувственными данными! В философских частях своей книги Беркли пытается опровергать английских философов естественных наук, работавших в традиции Бойля и Ньютона. Он предоставляет совершенно нематериалистическое и несколько антиреалистическое описание решения явлений, но его замечания следуют из его теорий материи и причинности, а не из некоего нестандартного смысла этого слова, в котором само "явление" обозначает чувственно данное.
Здесь можно вполне положиться на словари. Оксфордский энциклопедический словарь (ОЭС), который представляет собой богатое месторождение примеров, часто ошибается относительно философских слов, потому что он отражает тот анахронический стиль философствования, который был принят в том городе, где была написана эта великая книга. Так, в ОЭС говорится, что слово "явление" стало обозначать "прямое содержание чувственного опыта" с момента выхода в свет книги "Действующие силы человеческого разума" Томаса Рида (1788 г.). Но это неправильное прочтение того места, на которое ссылается словарь. Рид говорит о явлениях природы, и так же как Беркли, в качестве стандартного примера рассматривает действие магнита на стрелку компаса. Это действие не есть "прямое содержание чувственного опыта", как утверждает словарь, но наблюдаемая закономерность природы. Рид защищает традиционную ньютоновскую линию, ставшую впоследствии частью позитивизма Конта, а именно то, что решение явления представляет собой описательные законы, но ничего не говорит о действующих причинах.
Именно немецкой философии мы обязаны возрождением "философского" смысла слова "феномен", которое стало принятым в английской школе феноменализма и континентальной школе феноменологии. Парадоксально, что если бы британцы придерживались взгляда своих мэтров, таких как Беркли или Рид, они бы никогда не впали в крайности эмпирицизма.

Эффекты

Когда физики встречаются в теории и эксперименте с поучительными явлениями, они начинают называть их эффектами. Я не знаю, когда это началось, но к 1880-м годам это стало всеобщей практикой: эффект Фарадея или магнитооптический эффект, эффект Комптона, эффект Зеемана, фотоэлектрический эффект, аномальный эффект Зеемана, эффект Джозефсона. Эверитт отмечает, что Максвел говорит об эффекте Пельтье в своей "Теории тепла" (1872 г.). Может быть, с этого момента началось использование этого слова.
"Эффекты" начали действительно скапливаться в физике начиная с середины 1880-х годов. Это можно было бы использовать в качестве симптома новой эпохи в самой физике. Что такое эффект, и почему люди начали называть что-либо "эффектами"? Возьмем, к примеру, эффект, обнаруженный Е. Г. Холлом в 1879 году, когда он занимался исследованиями в новой физической лаборатории Роулэнда при Университете Джона Хопкинса. Роулэнд попросил Холла исследовать некое замечание, сделанное экспромтом Джеймсом Клерком Максвеллом. В "Трактате по электричеству и магнетизму" Максвелл писал, что когда проводник с током помещен в магнитное поле, то поле действует на проводник, а не на ток. В недавнем исследовании эффекта Холла Дж. З. Бухвальд использует этот случай для того, чтобы восстановить дух теории Максвелла того времени. Холл предположил, что Максвелл имел в виду изменение сопротивления проводника или образование разности потенциалов под действием [магнитного] поля. Холлу не удалось подтвердить первый из этих эффектов, но в конце концов он подтвердил второй. Он получил разность потенциалов на золотом листе, на прямой, перпендикулярной к напряженности магнитного поля, и току. Начальные объяснения этого явления оказались ошибочными, потому что использование других проводников создает разницу потенциалов в направлении, противоположном направлению в случае с золотом. Сам Холл описывал этот эффект как явление - так же, как это делается во множестве стандартных словарей по физике, которые начинают статью "эффект Холла" словами "явление, которое ...". В своей дневниковой записи за 10 ноября 1879 года, описывая некоторые экспериментальные успехи, Холл писал:
"Казалось неосторожным поверить, что открыто новое явление, но теперь, когда прошло почти две недели и эксперимент был успешно повторен при разных обстоятельствах ..., уже можно заявить, что магнит в самом деле действует на электрический ток или, по крайней мере, на электрическую цепь, и этот эффект никогда явно не наблюдался и не был доказан."
Только одно замечание, которое возникло из теоретической перспективы Клерка Максвелла, заставило Холла насторожиться. То, что он обнаружил, было не тем, что ожидал найти Максвелл. Открытие также не было сделано в ходе проверки теории. Это было исследованием, как если бы Максвелл заявил, что в неисследованных водах может быть остров.
Явления и эффекты относятся к одному типу: это закономерности, достойные упоминания. Слова "явления" и "эффекты" могут часто быть синонимами, и все же они указывают в разных направлениях. Слово "явления" вызывает из полусознательных хранилищ языка события, описываемые талантливым наблюдателем, который не проникает в мир, а наблюдает за звездами. Эффекты напоминают нам о великих экспериментаторах, в честь которых эффекты называются: мужчин и женщин, комптонов и кюри, проникавших в суть природных процессов, для того чтобы создать закономерности, которые, по крайней мере поначалу, могли считаться регулярными (или аномальными) лишь по отношению к будущему теоретическому основанию.

Создание явлений

Обычная точка зрения: Холл не создавал своего эффекта! Он обнаружил, что прохождение тока через золотой лист создает разность потенциалов на прямой, которая перпендикулярна вектору напряженности магнитного поля и току. Он и другие исследователи позже изучали ответвления этого эффекта. Что, например, происходит с образцами, отличными от золота, или с полупроводниками? Вся эта работа требовала мастерства. Вся аппаратура была произведена вручную, при этом был сделан ряд изобретений. Но мы склонны считать, что явления, обнаруженные в лаборатории, представляют собой части Божьего рукоделия, которое еще предстоит открыть.
Такой подход естественен с точки зрения философии, определяемой теорией. Мы формулируем теории о мире. Мы делаем предположения относительно различных законов природы. Явления суть закономерности, следствия этих законов. Поскольку наши теории направлены на то, чтобы добывать истину о вселенной - Бог писал законы в Своей Книге до начала времен, - то из этого следует, что явления всегда существовали, ожидая своего открытия.
Я же, напротив, полагаю, что эффект Холла не существует вне аппаратуры определенного типа. Ее современный эквивалент стал технологией, производимой надежным и единообразным способом. Эффект, по крайней мере в чистом состоянии, может быть реализован только в подобных приборах.
Это звучит парадоксально. Разве ток, проходящий по проводнику под прямым углом к магнитному полю, не производит потенциал в любом уголке природы? И да, и нет. Если в природе имеет место такое сочетание условий, без мешающих причин, тогда имеет место эффект Холла. Но нигде вне лаборатории не наблюдается такое чистое сочетание условий. В природе происходят события, являющиеся следствием эффекта Холла и множества других эффектов. Но этот способ описания явлений как взаимодействия или результирующей некоторого числа различных законов, ориентирован на теорию. Это описание говорит о том, как мы анализируем сложные явления. Не стоит представлять себе, будто Бог запускает эффект Холла левой рукой, некий другой эффект - правой рукой, а затем определяет результат. В природе просто имеется сложность, которую мы можем удивительным образом анализировать. Мы делаем это, различая в уме большое количество различных законов. Мы делаем это, наблюдая в лаборатории чистые, изолированные явления.
У нас есть идея большого количества законов природы, складывающихся в "результирующий". Эта метафора исходит из механики. Имеется одна сила и другая сила, один вектор и другой вектор, и с помощью двух угольников можно нарисовать диаграмму, которая покажет, что происходит в результате. Однако Джон Стюарт Милль уже давно заметил, что этот факт из механики не подлежит обобщению. Большая часть науки отлична от механики.
В эпоху Возрождения слово "явление" означало по преимуществу солнечные и астрономические закономерности и аномалии. Те, кто не разделяют моей фантазии, могут представлять, что задолго до того, как Бог создал Солнце и Землю, он имел в уме некоторую Универсальную Теорию Поля. Когда он создавал небо и землю, то они были подчинены гравитационным и другим полевым принципам. С тех пор, по нашим представлениям, законы существовали всегда. Но явления или то, что старые астрономы называли явлениями, не существовали до того момента, как была сотворена наша часть вселенной. Я считаю, что также и эффект Холла не существовал до тех пор, пока Холл не понял, как его выделить, очистить и создать в своей лаборатории. Чтобы привести более свежий пример, напомним, что 20 лет назад во вселенной не существовало мазеров и лазеров. Может быть это и не так, может быть, существовал один или два (некоторые космологические явления недавно были объяснены как мазерные). Теперь же во вселенной имеются десятки тысяч лазеров, большая часть которых находится в пределах трех или четырех миль от того места, где я сейчас пишу.

Редкость явлений

Не случайно, что в эпоху Возрождения слово "явление" применялось преимущественно по отношению к небесным событиям. Не случайно также, что теперь астрономия - наиболее уважаемая из древних эмпирических наук. Одна из хороших, хотя и непроверенных гипотез заключается в том, что огромное разнообразие гигантских земляных сооружений, каменные кольца, Стоунхендж, храмы народа Майя и т. п. объекты, разбросанные по всем частям света, были построены огромной ценой, для того чтобы изучать звезды или приливы. Почему старая наука почти на каждом континенте развивалась, начиная с изучения звезд? Потому, что лишь небо предоставляет некоторые явления непосредственно, а все другие добываются - с помощью тщательного исследования и сопоставления. На фоне всеобщего хаоса только планеты и более отдаленные тела подчиняются правильной комбинации сложных закономерностей.
Но разве Бог не предоставил человечеству возможность заметить другие явления, отличные от небесных, такие как приливы и другие периодические явления, например, менструацию? Мне скажут, что мир полон очевидных явлений. В связи с этим будут приводить всякого рода аргументы пасторального характера. Но все они по-преимуществу упоминаются городскими философами, которые ни разу в жизни не собирали зерно и не доили козу. (Множество моих размышлений о недостатке явлений в мире происходят из моих ранних утренних наблюдений за дойкой нашей козы Медеи. Годы ежедневных наблюдений помешали нам сделать какие-либо истинные обобщения относительно Медеи, разве, может быть, то, что "Она часто своенравна".) Когда я говорю, что в мире мало явлений, мне приводят в ответ традиционные практические знания матерей и охотников, моряков и поваров. И все же, когда мы говорим с романтиком, который советует нам стать мудрее и вернуться к природе, нам советуют не подмечать ее явления, а стать частью ее ритма. Кроме того, большая чать вещей, которые называются природными, например, дрожжи для закваски хлеба, имеют длинную технологическую историю.
За пределом планет, звезд и приливов, в природе существует достаточно мало явлений, ожидающих своего наблюдения. Каждый вид растений и животных имеет свои привычки, и я полагаю, что каждая из них может быть названа явлением. Может быть, история природы также полна явлений, как и ночное небо. Каждый раз, когда я говорю, что в природе существует столько-то явлений, которые предстоит наблюдать, скажем 60, мне мудро напоминают о существовании и других явлений. Но даже тот, кто составит самый длинный список, согласится, что большинство явлений современной физики было изготовлено. Явления, относящиеся к видам - например, заключающееся в том, что лев-самец во время охоты лишь страшно рычит, сидя неподвижно у своего жилища, в то время как самки преследуют и загоняют испуганную газель, - относятся лишь к единичным курьезным случаям. Но явления физики - эффект Фарадея, эффект Холла, эффект Джозефсона служат ключами, открывающими вселенную. Люди создают ключи, но также, видимо, и замки, которые ими открываются.

Эффект Джозефсона

Было давно известно, что при температуре около 4° К происходит масса занятных вещей. Вещества становятся сверхпроводящими, так что сменив тепловой режим и индуцируя ток в замкнутой электрической цепи, можно получить вечный электрический ток. Что произойдет, если сверхпроводники будут разделены тонким листом электроизолятора? Что произойдет, если два сверхпроводника будут соединены батареей? В 1962 году Брайан Джозефсон предсказал, что между двумя сверхпроводниками, разделенными изолятором, будет течь ток. Более того, если присоединить батарею, то возникнет режим автоколебаний.
Эффект Джозефсона выводим из теории сверхпроводимости, которую пятью годами ранее выдвинули Дж. Бардин, Дж. Н. Купер и Дж. Р. Шриффер (теория BCS*). Сверхпроводимость - это движение пар электронов, называемых куперовскими парами, которые не встречают никакого препятствия в охлажденном теле. Для того чтобы ток прекратился, все куперовские пары должны одновременно остановиться. Это происходит так же часто, как закипание воды в холодильнике. Когда сверхохлажденное тело нагревается, электроны разделяются, блуждая заходят в атом или что-либо еще и останавливаются. Джозефсон понял, что куперовские пары будут проходить через изолятор, создавая ток Джозефсона. Возможно, что этот удивительный эффект не был бы установлен, если бы уже не существовала теория BCS. Такая гипотеза могла бы показаться теперь анахронизмом, поскольку основная идея связана с квантованием электронного потока, о котором в то время много говорили. Только недавно квантование потока стало "очевидным" следствием теории BCS. Каковы бы ни были реальные тонкости, связанные с фактами, мы можем отметить все разнообразие явлений. Фарадей обнаружил свой магнитооптический эффект, потому что надеялся найти взаимодействие между электромагнетизмом и светом. Холл обнаружил свой эффект, потому что электродинамика Максвелла предполагала, что должно существовать два или три взаимодействия. Джозефсон обнаружил свой эффект, сделав блестящий вывод из теоретических посылок. Холл не "подтверждал" теории Максвелла, хотя и добавил еще один факт в духе Максвелла. Джозефсон в самом деле подтвердил новую теорию сверхпроводимости, но не потому, что теория дает наилучшее объяснение этого явления, а потому, что никому бы не пришло в голову создавать именно это явление без теории.
В последнем абзаце я сменил способ выражения: от нахождения эффекта к созданию явления. Это сделано намеренно. Эффект Джозефсона не существовал в природе до тех пор, пока у людей не было соответствующей аппаратуры. Эффект не предшествовал теории. Разговоры о создании явлений становятся наиболее убедительными, когда явление предшествует какой-либо сформулированной теории, но это не обязательно. Множество явлений создается после теории.

Эксперименты не идут

Нет более известного изречения, чем утверждение о том, что экспериментальные результаты должны быть повторяемы. На мой взгляд, это звучит как тавтология. Эксперимент - это создание явлений, а явления должны обладать различимой закономерностью, так что эксперимент, который не повторяем, не может создать явление.
У студентов другой опыт. Больше не существует общего мнения о том, что теоретический курс "надо оценивать" в лаборатории: эксперименты не идут, числа нужно подгонять, реагенты не реагируют, колония бактерий не растет. Лабораторию нужно усовершенствовать!
С этой проблемой сталкиваются не только на стадии обучения. В моем университете есть некий очень сложный и дорогой прибор X. Таких приборов в мире очень мало, может быть, только наш прибор работает очень хорошо. Это такой прибор, для работы с которым нужно заказывать время за год вперед, и ваша заявка будет бесконечно обсуждаться, после чего вам разрешают поработать на приборе два дня. Молодой энтузиаст A получает с помощью прибора X впечатляющие результаты. Признанный и опытный в той же области специалист B приезжает поработать два дня и терпит неудачу. Он предлагает с пристрастием посмотреть на результаты работы A. В самом ли деле A получил то, о чем он заявляет, или он всех обманывает? (Это подлинная история, основанная на случае, произошедшем с некоторым профессором, на чью работу мне довелось писать рецензию).
Конечно, в настоящее время некоторые лабораторные курсы просто ужасны. Порой уже старый B не имеет нужной сноровки, а может быть, молодой A действительно вводит всех в заблуждение. Тем не менее, парадоксальность обобщения заключается в том, что большая часть экспериментов большую часть времени "не идут". Игнорировать этот факт означает забыть то, в чем, собственно, заключается эксперимент.
Экспериментирование означает создание, производство, уточнение и приведение к устойчивости явлений. Если явления были бы разнообразны по своей природе и их также легко можно было бы собирать, как лесные ягоды, то было бы удивительно, если бы эксперименты не шли. Но получение устойчивых явлений - тяжелый процесс. Вот почему я говорю о создании, а не просто об открытии явлений. Это долговременная трудная задача.
Или, скорее, это бесконечное число различных задач. Среди них - разработка эксперимента, который бы пошел, а также обучение тому, как сделать так, чтобы эксперимент пошел. Но, наверное, подлинное мастерство заключается в том, чтобы понять, когда эксперимент в самом деле идет правильно. Это одно из объяснений того, почему наблюдение, в научно-философском смысле этого слова, играет относительно малую роль в экспериментальной науке. Описание эксперимента у оксфордских философов, выглядящее как считывание и записывание показаний приборов, не имеет отношения к реальности. То, что имеет реальное значение, - это необыкновенная способность замечать все странное, неправильное, поучительное или искаженное в причудливом поведении приборов. Экспериментатор - не "наблюдатель" в смысле традиционной философии науки, а скорее бдительная и наблюдательная личность. Только когда экспериментатор наладит свои приборы, он может получать и записывать наблюдения. Но это уже пикник в конце пути.
Ученик в школьной лаборатории в основном приобретает (или не приобретает) умение распознавать удачный ход эксперимента. Уже все продумано, все разработано, все собрано, но чего-то все равно не хватает. Умение распознавать правильный ход эксперимента конечно включает понимание того, как работает аппаратура, что позволяет знать, как ее настроить. Лабораторный курс, в котором все эксперименты прошли удачно, был бы прекрасным с точки зрения технологии, но не научил бы абсолютно ничему в проведении эксперимента. С другой стороны, не удивительно, что молодой энтузиаст A получает результаты, а знаменитый B не получает их. Дело в том, что A имел возможность лучше узнать аппаратуру, он сам изготовил какие-то ее части и помучился, исправляя неполадки. Все это неотъемлемая часть знания того, как создать явление.

Повторение экспериментов

Мнение об обязательной воспроизводимости эксперимента давно считается фольклором. Это породило философскую псевдопроблему. Очевидно, что многообразие экспериментов более убедительно, чем повторение одного и того же события. Таким образом, философы пытались либо показать, что повторения настолько же важны как и первый эксперимент, или стремились объяснить с помощью теории вероятностей, почему повторения менее ценны. Это псевдопроблема, поскольку, грубо говоря, никто никогда не повторяет эксперимента. Обычно серьезные повторения эксперимента являются попытками сделать то же самое лучше - породить более устойчивый, менее зашумленный вариант явления. При повторении эксперимента обычно используются разные виды оборудования. Время от времени люди просто не верят в результаты эксперимента и пытаются повторить его вновь. Примером могут служить истории, связанные со свободными кварками, а также работа по гравитационным волнам. Двадцать лет назад появилось сенсационное сообщение о том, что некоторый вид червей можно научить делать лабиринты, и если скормить обученных червей их собратьям, то и эти каннибалы будут хорошо делать лабиринты. Эксперимент повторили, поскольку никто не поверил в результаты. И тоже вполне обоснованно.
В школах и институтах эксперименты повторяются до тошноты. Цель этих ученических упражнений никогда не заключается в том, чтобы проверить или разработать теорию. Их цель состоит в том, чтобы научить людей тому, как стать экспериментаторами и отсеять тех, для кого экспериментальная работа вряд ли будет подходящей профессией.
Может показаться, что существует одна область, в которой эксперименты должны повторяться. Это имеет место тогда, когда мы пытаемся провести точные измерения таких природных констант как, например, скорость света. Может показаться, что мы должны проделать множество замеров и усреднить их. Как еще мы могли бы определить то, что свет движется со скоростью 299792,5 n 0,4 км/с? Но даже в такой области ожидается именно лучший эксперимент, а не повторение менее удачных попыток на менее совершенном оборудовании. К. Д. Фроом и Л. Эссен пишут в своем обзоре "Скорость света и радиоволны" следующее (стр. 139):
"Мы повторим нашу философскую позицию относительно экспериментальных измерений. Их наиболее важная цель состоит в повышении точности измерений, так чтобы систематические ошибки могли бы быть измерены и устранены. Опыт показывает, что широко применяемое усреднение неизменно оставляет систематические погрешности, о которых мы не подозреваем. Мы не видим преимущества в том, чтобы использовать огромное количество измерений, как это делалось в классических методах оптики и в некоторых других современных измерениях. Мы так же считаем неоправданным брать дисперсию по отношению к среднему вместо того, чтобы вычислять ее по единичному наблюдению, поскольку остаточная систематическая погрешность не устраняется при использовании дополнительных измерений."

14. ИЗМЕРЕНИЯ

Представляется, что человечество всегда занималось измерениями. Разве вавилонские землемеры не были предшественниками геометров? Отчеты о наблюдениях за положениями планет с точностью до многих шестидесятеричных цифр можно обнаружить в глубокой древности. Историки науки когда-то говорили, что Галилей был, скорее, платоником, больше работавшим головой, чем экспериментатором, работавшим руками, но позже были обнаружены некоторые его точные численные наблюдения за ускорениями тел, движущихся по наклонной плоскости. Мы видели, как Гершель проводит год своей зрелой жизни в бесконечных измерениях отражений, преломлений, степеней прохождения света или теплового излучения. Для обнаружения трансверсального электрического потенциала Холлу понадобились точные измерения тока. Измерения, связанные с брэгговской дифракцией рентгеновских лучей, открыли дорогу к молекулярной биологии.
Поскольку измерения являются очевидной частью научной жизни, некоторая доля скептицизма здесь не повредит. Разве роль измерения в физике была всегда такой? Хорошо ли мы понимаем смысл наиболее точных, элегантных, и восхитительных измерений в истории науки? Является ли измерение неотъемлемой частью научного разума, или оно представляет лишь философский интерес? Меряется ли в измерениях нечто реально существующее в природе или просто порождаются артефакты нашего теоретизирования?

Странности

Мои самые нелепые волнения начались, когда я увидел одну почтовую открытку в музее истории науки Оксфорда. На этой открытке была репродукция картины шестнадцатого века, называвшейся "Измерители". Хранитель музея, наверное, считал, что эта открытка прекрасно дополняет его превосходную коллекцию медных инструментов, современную картине. Дама измеряет свое платье. Строитель измеряет количество гравия. Песочные часы меряют время. Вокруг лежат секстанты, астролябии и инструменты для черчения. С другой стороны, никто ничего не измеряет. Строители не обращают внимания на уровень гравия в ящике. Никто не видит, как падает песок в песочных часах. Дама прикладывает свой метр к одежде, но метр провисает, так что платье кажется даме сантиметров на тридцать длиннее, чем на самом деле.
Может быть эта картина - пародия. Или дама только начала мерять свое платье. Кто-то хочет взять астролябию. Строители скоро поймут, что измерительный ящик скоро переполнится. На песочные часы кто-то посмотрит. Или это только мы можем из другого времени расшифровывать эту картину одним из этих двух способов - как пародию или как остановленное начало? Понятны ли нам старые цели "измерения"?
Гершель измерял пропорции света и тепла, передаваемые различными веществами с точностью до тысячной. Мы сомневаемся, что он мог проводить измерения света с такой точностью, и знаем, что это было бы невозможно для тепла. Что же делал этот осторожный, ньютонианского духа, индуктивист в 1800 году со своими неимоверными преувеличениями? Конечно, получаемые им числа не были результатом применения теории погрешностей. Если посмотреть на еще более раннее время, чтобы связать установленные числа и проделанные наблюдения, то историки будут еще более озадачены. Может быть, Галилей был первым, кто размышлял о средних величинах, и прошло много времени, прежде чем использование среднего арифметического, или просто усреднения, стало обычным делом для экспериментаторов. К 1807 году Гаусс разработал теорию ошибок (погрешностей), и астрономы стали ее использовать. Хотя во всех современных физических измерениях требуется указание ошибок, за пределами астрономии физики не заявляли об оценках погрешности вплоть до 1890-х годов (или даже позже).
Наше понимание чисел и измерения становится ясным и несомненным только к концу девятнадцатого века. После 1800 года стало появляться огромное количество чисел, особенно это было заметно в общественных науках. В своей фундаментальной статье "Функция измерений в физических науках" Кун предлагает говорить о второй научной революции, во время которой был "математизирован" целый ряд физических наук. Он относит это событие к периоду между 1800 и 1850 годами и считает, что к 1840 году измерение, как мы его теперь представляем, заняло свое фундаментальное место в науке.

Природные константы

Возможно, что поворотной точкой послужил 1832 год, когда Чарльз Бэббэдж (1792-1871), изобретатель цифрового вычислителя, написал короткую брошюру, в которой призывал опубликовать таблицы со всеми константами, известными в науках и ремеслах. По его замыслу, должны были быть опубликованы все известные константы, которых насчитывается около 20 типов. Бэббэдж начал с известного списка астрономических величин, удельных весов, атомных весов и тому подобного. Здесь были также и биологические, географические и антропометрические числа: длины рек, количество дуба, которое человек может напилить за час, средняя длина костей некоторых видов существ, число студентов в разных университетах и книг в больших библиотеках.
Черчиль Эйзенхарт из Бюро Стандартов США однажды в разговоре со мной высказал предположение, что статья Бэббэджа ознаменовала начало современной идеи "природных констант". Он не имел в виду, что константы были не известны до Бэббэджа. Сам Бэббедж перечисляет множество недавних источников тех или иных чисел. Одна фундаментальная константа - g ньютоновской гравитации - была известна по крайне мере с 1798 года. Суть заключается в том, что Бэббэдж суммирует эту работу, официально устанавливая то, что было в умах множества его современников, а именно, что мир может быть определен набором чисел, которые можно назвать константами.

Точные измерения

Ежедневная практика измерений может не требовать объяснения. Без довольно тонких измерений Холл не смог бы заметить влияние тока и поля на потенциал. Он мог бы для начала нуждаться только в качественном эффекте, но без довольно точных измерений его последователи не смогли бы заметить разницы между проводниками, а также определить "угол Холла" как характеристику различных веществ. Существует, однако, другой класс измерений, представляющих большие проблемы. Он включает множество великих исторических измерений.
Мы должны реконструировать тексты, чтобы узнать больше о замечательной идее Аристарха Самосского, предложившего измерить диаметр Земли, смотря в полдень в колодец, и производя некоторые перемещения по пустыне.* Но о том, как и почему Кавендиш "взвесил Землю" в 1798 году, известно очень много. Работа Физо о скорости света (1847 г.) - шедевр точности. Ее непосредственным продолжением был метод Майкельсона, использовавший дифракционные решетки, что позволило увеличить точность измерений на много порядков. Еще одной вехой было измерение Милликеном заряда электрона в 1908-1913 годах.
В чем был смысл этих уникальных экспериментов? Ими восхищаются по крайней мере по двум причинам. Во-первых, они были исключительно точными и не оспорены до сих пор. Во-вторых, каждый исследователь произвел новый блестящий метод. Каждый экспериментатор проявил свой гений не только в выдвижении блестящей экспериментальной идеи, но и в том, чтобы заставить ее работать, часто путем изобретения многочисленных экспериментальных концепций и технологических новшеств.
Эти два простых ответа могут быть недостаточными. Почему важна точность? В чем суть этой замечательной способности в получении очень точных чисел, которые сами по себе не значат слишком много? Для начала давайте не будем слишком обобщать. Как это всегда бывает при изучении эксперимента, нет одного ответа на все вопросы.
Первое следствие эксперимента Милликена заключается в численном подтверждении гипотезы о существовании минимального количества электрического заряда. Он обнаружил, что заряд на его маслянных каплях был кратен одной и той же величине. Из этого был сделан вывод, что минимальный заряд должен быть зарядом электрона. Милликен ожидал именно этого, но в те дни, когда об электронах только начали что-то узнавать, этот результат был весьма важен. В этом контексте точное значение заряда электрона e было не так уж важно. По словам самого Милликена, он был в состоянии представить "прямое и ощутимое доказательство того, что все электрические заряды, каким бы образом они ни были получены, в точности кратны одному определенному элементарному электрическому заряду...". Конечно, Милликен был очень горд тем, что смог "провести точное измерение величины элементарного электрического заряда..." Я не сомневаюсь и в справедливости слов, произнесенных в речи перед присуждением ему Нобелевской премии, что "точным измерением величины заряда Милликен оказал физике неоценимую услугу, поскольку знание этой величины позволит нам с большой точностью вычислить многие важные физические константы". Но если быть скептиком относительно точных измерений, способность измерения порождать другие измерения вряд ли может служить убедительным аргументом в пользу точности.
В 1908 году можно было бы сомневаться в том, что существует определенный минимальный отрицательный заряд e. Но когда в 1798 году Кавендиш "взвесил Землю", никто не сомневался, что у нашей планеты есть удельный вес. Триумф Кавендиша заключался в том, что он измерил это представляющееся невзвешиваемым количество. Это не только удовлетворяло внутреннее любопытство, но позволяло путем нехитрых рассуждений получить гравитационную константу g . На самом деле, Ньютон с самого начала понимал, как можно измерить эту величину (Principia, Книга 3, предложение 10). Он также предлагал эксперименты, которые позже были проделаны французской экспедицией в Эквадоре около 1740 года. Эта экспедиция получила довольно хорошие результаты, замеряя углы, на которые отклонялся от вертикали отвес под действием такого большого естественного объекта, как гора Чимборазо. Работа Кавендиша была более значимой, поскольку при определении g он смог применить новую экспериментальную идею (которую не он сам придумал), в соответствии с которой использовались искусственные веса.
Существует некоторая аналогия между работой, которую проделал Кавендиш, и измерениями скорости света Физо в 1847 году. В 1675 году Ремер оценил скорость света по наблюдениям затмений лун Юпитера. Он плохо знал межпланетные расстояния, поэтому он ошибся на 20%, но (по аналогии с Милликеном) показал, что скорость света конечна (эта величина теперь обозначается как c). В конце века в рспоряжении Гюйгенса было достаточно астрономических данных, чтобы получить хорошее значение c. К 1847 году скорость света была получена методом Ремера для всех мыслимых целей.
В чем же заключалась позиция Физо? Конечно, важно чтобы разные методы давали одни и те же результаты. Если бы Физо получил ответ, радикально отличающийся от результатов по методу Ремера, мы были бы отброшены назад в догалилеевскую эпоху, в которой скорость света на Земле была другой по сравнению с остальной солнечной системой. Что более важно, Кавендиш и Физо работали в лаборатории с искусственными инструментами. Это бы не прошло с лунами Юпитера или горой Чимборазо. В лаборатории происходит то, что я называю созданием явлений. В лабораторных условиях можно произвести устойчивые численные явления, которыми можно замечательно управлять.
Через небольшое время Физо проделал еще один эксперимент. Как изменится скорость света при прохождении через трубку с текущей водой? Будет ли скорость просто суммой скоростей света и воды? Его исходная позиция была связана с теорией эфира, основы которой я даю в следующей главе. Замысел Физо (если, конечно, так можно говорить о 1852 годе) состоял в том, чтобы сравнить ньютоновскую теорию и теорию относительности. В своей популярной книге 1916 года "Теория относительности" Эйнштейн, написав о двух способах сложения движения, замечает: "В этом месте нам служит путеводной звездой очень важный эксперимент, который был проделан замечательным физиком Физо более полувека назад и который с тех пор был повторен многими лучшими экспериментальными физиками, так что мы уже не можем сомневаться по поводу результата". Затем Эйнштейн упоминает о том, что теория этого явления была дана Лоренцем, и продолжает так: "Это обстоятельство ни в коей степени не уменьшает окончательность эксперимента как решающей проверки теории относительности, поскольку электродинамика Максвелла-Лоренца, на которой была основана исходная теория, никоим образом не противоречит теории относительности". Замечательное утверждение: эксперимент, проведенный более пятидесяти лет назад, оказался решающей проверкой совершенно новой теории! Это замечание вдвойне странно, поскольку результат Физо не создавал проблем для традиционной теории эфира, и, как мы увидим в следующем разделе, Майкельсон и Морли, "повторившие" этот эксперимент в 1886 году, думали, что они подтвердили существование классического ньютоновского эфира. То, что мы имеем, - это замечательный способ измерения, который исследователи использовали в своих целях. Одна цель - это доказательство правильности той теории, которая вам нравится. Другая цель - это развитие более хитрых вариаций методики, самым знаменитым примером которой стала работа Майкельсона 1881 года. В этом случае мы можем сказать, что даже такой великий теоретик, как Эйнштейн, с готовностью использовал наугад старые эксперименты.

"Теория другими средствами"

В книге ван Фраассена "Научный образ" говорится о том, что "подлинное значение теории для работающего ученого определяется тем, как ее можно использовать в разработке эксперимента" (стр. 73). Он продолжает обсуждать пример Милликена и пишет, что "эксперимент - это продолжение теории другими средствами"* . Может показаться, что эти два замечания противоречат друг другу. Может быть, у него было представление об опыте, который сам вытаскивал себя за волосы, осуществляя теорию другими средствами, для того, чтобы делать больше экспериментов. Это не такое уж плохое описание примера Милликена, потому что с использованием значения е становятся возможными совершенно различные эксперименты.
Афоризм относительно "теории другими средствами" основан на следующей идее. Теория предполагала, что существует электрон, и электроны имеют определенный заряд. Но здесь в теории существует пробел: никакое теоретическое рассуждение не даст нам значения е. Мы выдвигаем теорию "другими средствами", проводя экспериментальное определение величины е. Это очень привлекательная метафора, но мне не хочется придавать ей большого значения. Кавендиш определил значение гравитационной константы g , но не продвинул ньютоновской теории ни на йоту. Конечно, можно посмотреть на вопрос следующим образом. Ньютоновская теория содержит утверждение о том, что сила притяжения F между двумя массами m1 и m2, находящимися на расстоянии r друг от друга, определяется как
F=m1*m2/g*r^2
Но значение константы g просто не является частью теории. Найдя значение g , Кавендиш не развил теории. На самом деле g - уникальная природная константа. Как я уже вкратце замечал, большая часть физических констант связана законами физики с другими константами. Это важный факт для определения каждой константы. Однако g не связана вообще ни с чем более.
Конечно, мы надеемся, что g окажется связанной с чем-либо. Сила тяжести, электромагнитные силы, так же как сильные и слабые взаимодействия, может быть, и будут объяснены когда-нибудь в рамках одной правдоподобной теории или, например, с помощью идеи, вытекающей из некоторых размышлений П. А. М. Дирака пятидесятилетней давности. Предположим, что возраст вселенной около 1011 лет, тогда можно предположить, что сила тяжести становилась меньше по сравнению с электромагнитной силой на 10-11 своей величины каждый год. Эту разницу вполне можно замерить с помощью современной техники. Такие измерения могут научить нас очень многому о мире, но это не будет продолжением ньютоновской теории или какой-либо другой теории, другими средствами.
Вклад Милликена в теорию электрона более значителен, чем вклад Кавендиша в теорию гравитации, не потому что он заполнил пустоту в теории. Скорее потому, что он подтвердил существование минимального электрического заряда. Теперь очевидно, что я разделяю убеждение ван Фраассена, отвергавшего модель науки, в которой экспериментаторы сидят рядом с теоретиками, ожидая, когда их попросят проверить, подтвердить или опровергнуть теории. Конечно, им приходится часто подтверждать теории, даже если это, как в случае с Милликеном, и не является изначальным мотивом. Мне представляется, что отношение опыта Милликена к теории состоит в том, что он подтвердил широкий спектр возможных размышлений по поводу того, что существует минимальный отрицательный электрический заряд, скорее всего, связанный с гипотетическим объектом, называемым электроном. Он также определил величину этого минимального заряда, но это число не имело отношения к теории. Как говорится в приведенном выше фрагменте из нобелевской речи, значение этого открытия заключалось в более точном определении других констант, которые, в свою очередь, оказали не очень большое влияние на развитие теории.

Существуют ли точные природные константы?

Единственным великим философом, знакомым с измерением, был Ч. С. Пирс, который долгое время работал в службе береговой и геодезической разведки США и Лоуэлловской обсерватории в Бостоне. Он разработал прекрасные маятниковые эксперименты для нахождения g . В отличие от кабинетных ученых, он с презрением относился к постулату о том, что "некоторые непрерывные величины имеют точные значения". В 1892 году в эссе "Пересмотр учения о необходимости", вошедшем в большинство антологий Пирса, он писал следующее:
"Тому, кто находится за сценой и знает, что наиболее точные сравнения масс, длин и углов, далеко превосходящие по точности все другие измерения, все же менее точны, чем банковские счета, и то, что обычные определения физических констант, которые появляются каждый месяц в журналах, стоят в одном ряду с измерениями драпировщиками ковров и занавесей, идея математической точности, демонстрируемая в лаборатории, покажется просто смешной".
У Пьера Дюгема можно найти похожее положение. Он считал природные константы артефактами нашей математики. Мы порождаем теории, в которых есть пробелы, такие как g . Но конкретное значение g не есть объективный факт о нашей вселенной. Это качественный факт о том, что наша вселенная может быть представлена определенными математическими моделями и, исходя из этого, возникает другой качественный факт о том, что существует нечто вроде точного числа, которое согласуется наилучшим образом с нашей математикой. Эта мысль лежит в основе язвительного антиреализма Дюгема относительно теорий и природных констант.

Подтверждение в смысле наименьших квадратов

Не были ли введены в заблуждение Дюгем и Пирс тем, что имели дело с периодом, когда константы были не точны? Не совсем так. Посмотрим на то, что на протяжении последнего десятилетия было множеством наиболее широко принятых констант, рекомендуемых международному сообществу комитетом по данным науки и технологии. У редакторов, Коэна и Тэйлора, было большое количество фундаментальных констант, основанных на работе главных национальных лабораторий мира. Данные подразделялись на следующие типы: "более точные", "менее точные БКЭД данные" и "менее точные КЭД данные". КЭД обозначало работу с использованием квантовой электродинамики, а БКЭД обозначало работу без использования квантовой электродинамики. Наконец, было еще некоторое количество "других менее точных величин". В последнем разделе мы встречаем нашу знакомую, гравитационную константу g . Относительно нее известно, что "в настоящее время не существует каких-либо верифицированных теоретических уравнений, связывающих g с какой-либо другой физической константой. Таким образом, она может и не иметь непосредственного отношения к результирующим значениям нашего упорядочивания" (стр. 698).
Что мы в основном делаем с другими константами - это определяем отношения пар констант. Таким образом, открытие в 1962 году эффекта Джозефсона (см. гл. 13), произвело радикальное изменение в точных измерениях, поскольку этот эффект предоставил удивительно простой способ определения величины e/h, отношения заряда электрона к константе Планка. К 1972 году точное значение отношения массы электрона к массе мюона стало известно с точностью до пятого знака. Само это отношение было определено, исходя из других отношений.
В итоге было получено большое количество численных оценок констант, после чего перешли к оценкам по методу "наименьших квадратов". Грубо говоря, было постулировано, что все теории в рамках определенной группы являются истинными (например, КЭД или БКЭД). Таким образом, образовалось большое количество уравнений, связывающих большое количество чисел. Естественно, что числа не вполне подходили ко всем уравнениям. Затем мы нашли точное приписывание чисел, которое делает истинными все уравнения и которое минимизирует ошибки во всех наилучших независимых оценках различных констант и отношений констант. Естественно, что все на самом деле несколько более сложно, поскольку мы приписываем нашим измерениям разные уровни точности. "Наилучшее соответствие", вместе с которым автоматически получается оценка частных ошибок, предоставляет одну оценку всех констант, за исключением, быть может, нескольких одиночек, таких как "первая" константа науки, то есть g .
Эффект Джозефсона изменил одно множество первоначальных оценок, которые все были "скорректированы". Этот процесс никогда не кончается: "Тем не менее, после опубликования поправки 1973 года число новых экспериментов было пополнено, давая улучшенные значения для некоторых констант... Нужно понимать, однако, что поскольку поправки, основанные на методе наименьших квадратов, связаны сложным образом и изменение в измеренной величине одной константы обычно приводит к соответствующим изменениям в значениях других, необходимо быть осторожным при выполнении вычислений, использующих таблицу поправок 1973 года и результаты более поздних экспериментов."
Несомненно, что когда появятся следующие приближения по методу наименьших квадратов (а это произойдет очень скоро), целая сеть из теории и чисел покажется на некоторое время более удовлетворительной. И все же скептик может настаивать на том, что все, что при этом делается, - это нахождение наиболее удобного набора чисел, которые можно подогнать под наши константы. Может быть, и всю эту процедуру можно представить по-дюгемовски. В любом случае, мы вряд ли сможем назвать эту специфическую форму определения констант "продолжением теории другими средствами".

Измерение всего

Кун говорит, что страсть к измерениям относительно нова. При этом он цитирует Кельвина: "Я часто говорю, что когда вы можете измерить то, о чем вы говорите, вы знаете что-то об этой вещи. Когда вы не можете ее измерить, ... то ваши знания скудны и неудовлетворительны". Поскольку Кельвин говорил это часто, существовали и искаженные версии его слов. Карл Пирсон вспоминает "утверждение Кельвина о том, что у вас может быть только плохое и неясное представление о явлении до тех пор, пока вы не измерили его и не превратили в числа". Если кто-то думает, что энтузиазм по поводу измерений остался не затронутым идеологией, то пусть обратит внимание на следующий кусок из длинных графоманских виршей о лаборатории Райерсона в Чикаго, ставшей местом проведения опытов Майкельсона:

Это теперь Райерсона закон, что миру назначил цену:
Мерять учись, человек, а не то проиграешь войну.
Пирсон, Кельвин и лаборатория Райерсона существовали в конце девятнадцатого века, который начался просто с водопада чисел. Теперь мир воспринимается более количественным образом, чем когда-либо. Мир представляется составленным из численных величин. Каковы были последствия фетишизации точности измерения для развития естественных наук? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны обратиться к уже упоминавшемуся эссе Куна "Функция измерения в современной физической науке", переизданному в его "Существенном напряжении" ("The Essential Tension").

Функция измерения

Почему нужно измерять? Один из ответов можно найти в попперовской диалектике гипотез и опровержений. В соответствии с этим мнением, эксперименты служат для того, чтобы проверять теории. Лучшие эксперименты подвергают теории наибольшему риску. Следовательно, точные измерения должны соответствовать лучшим экспериментам, поскольку измеряемые числа скорее всего, будут конфликтовать с предсказанными.
Ребенок в сказке Андерсона сказал, что король гол. Кун подобен этому ребенку. Поскольку, несмотря на всю пышность идеи о гипотезах и опровержениях, то, о чем говорит Поппер, почти никогда не происходит. Точные измерения делаются не для того, чтобы проверять теории. Кавендиш вообще не проверял теории тяготения, он определял g . Физо получил лучшее значение скорости света, а затем использовал технологию, которую он разработал для этой цели, чтобы исследовать (а не проверять) возможность того, что свет может иметь различные скорости, которые будут зависеть от скорости среды, в которой он движется. Только 60 лет спустя Эйнштейн случайно обнаружил, что этот опыт служит "решающей проверкой". В более банальных делах числа, определяемые в лаборатории, обычно не используются для того, чтобы подвергать суду теорию. Как настаивал Кун, эксперименты обычно имеют успех, если в них с некоторой точностью получаются числа, которые ученые более или менее ожидали получить.
В таком случае, большинство измерений есть то, что Кун называет нормальной наукой. Хорошие измерения требуют новых технологий и, таким образом, предполагают решения множества загадок экспериментального характера. Измерения проясняют детали известного материала. Следует ли из этого, что фетишизация измерений, пик которой пришелся на эпоху Кельвина, не имела никакого воздействия на науку, за исключением того, что делала более интенсивной научную деятельность? Совсем не так. Кун суммирует функцию измерения следующим образом. "Я верю, что в девятнадцатом веке математизация физики породила в большой степени уточненные профессиональные критерии решения проблем и одновременно очень сильно увеличила эффективность профессиональных процедур верификации" (стр. 220). В сноске он упоминает "эзотерические качественные различия", которые привели к отбору трех проблем: фотоэлектрический эффект, излучение черного тела и удельные теплоемкости. Квантовая механика дала решение этим проблемам. Кун отмечает ту скорость, с которой первая версия квантовой теории была принята "профессионалами". Он написал бесподобную книгу о второй из этих проблем, "Теория твердого тела и квантовая прерывность (1894-1912)".
Мои комментарии по поводу книги Куна таковы. Нужно отличать функцию измерения от заявляемых поводов для измерения. У экспериментаторов самые разные причины для проведения измерений. Усилия по измерению вознаграждаются, когда экспериментаторы изобретают остроумные системы измерения. Однако практика измерения имеет побочный продукт, которого ни в коей мере не ожидал Кельвин, Пирсон и лаборатория Райерсона. Вдруг оказывается, что некоторые числа, полученные в экспериментах, вопреки ожиданиям не согласуются. Это - аномалия, которую иногда даже называли "эффектом". Чем больше фетишизировалась точность, тем чаще встречались "эзотерические трудности". На самом деле, их появляется не так уж много, и эти завораживающие редкие аномалии составляют фокус профессионального решения проблем. Когда кто-либо предлагает новую теорию, ее задача - объяснить эти "эзотерические различия". Затем существуют быстрые тесты, которые должна пройти теория. Они являются эффективными процедурами верификации, о которых пишет Кун, и они являются частью его позиции относительно научных революций.
Не будем переоценивать эту историю о функциональности. Это не вся история. Конечно, множество экспериментов изобретается специально для того, чтобы проверять теории. Создается специальная аппаратура, чтобы сделать проверки более убедительными. Философия тоже оказывает некоторое воздействие. В дни Кельвина процветал старый позитивизм, который искал факты, и когда описывались эксперименты, говорили о том, что пытаются найти сложные числовые факты. Сейчас процветает философия Поппера, и когда кто-нибудь описывает свой эксперимент, то говорит, что пытается проверить теорию (иначе он не получит материальной поддержки!). Добавим к этому, что куновское описание измерений существенно не отличается от описания Поппера. Точные измерения обнаруживают явления, которые не согласуются с теориями, в результате чего предлагаются новые теории. Но в то время как Поппер рассматривает это как явную цель экспериментатора, Кун считает это побочным продуктом. На самом деле, его описание этой "функции" очень сходно с тем, что в социальных науках называлось функционализмом.

Функционализм

Часто говорят, что философия Куна превратилась в социологию. Это неправильно, если имеется в виду эмпирическая социология. Кун не получил ни одной теоремы вроде следующей: "Если в лаборатории работает более, чем N человек, а доля молодых специалистов, приходящих на работу в лабораторию и оставляемых здесь, есть k, то доля тех, кто переходит на другую работу, есть 1-k". Хотя Кун и не эмпирический социолог, он до некоторой степени старомодный спекулятивный социолог. Некоторые из таких социологов, называемых функционалистами, обнаруживают иногда тот или иной устоявшийся порядок в обществе или субкультуре. Они не будут спрашивать, как этот порядок возник, но захотят узнать, почему он сохраняется. Будет сделано предположение, что исходя из других свойств группы, этот порядок обладает некоторыми достоинствами, которые способствуют сохранению самого общества. Эта функция данного порядка. Она может быть непонятной членам общества, но мы должны понимать этот порядок в терминах его функций.
Так же и Кун, который отмечает возрастающую роль измерений в физике. Он предполагает, что только к 1840 году математизация стала всеобъемлющей. Кун спрашивает не то, как это произошло, а почему это сохраняется. Циники могут предположить, что измерения предоставляют ученым некое занятие. Кун говорит, что аномалии, которые неизбежно возникают в области точных измерений, фокусируют дальнейшую деятельность ученых даже на том этапе, который он называет кризисом. Они также определяют то, что означает для теории быть хорошей заменой предшествующей теории. Таким образом, измерение - важная ниша в куновском представлении о цикле "нормальная наука - кризис - революция - новая нормальная наука".

Официальная позиция

15. БЭКОНИАНСКИЕ ТЕМЫ

Фрэнсис Бэкон (1560-1626) был первым философом экспериментальной науки. Хотя он и не внес особого вклада в научное знание, большинство его методологических идей живы и поныне, как, например, идея "критического эксперимента".
Бэкон родился в семье придворного во времена долгого правления Елизаветы I. ("Когда королева спросила его, сколько ему лет, то он, хотя был еще совсем ребенком, учтиво ответил, что ему 'на два года меньше, чем благодатному правлению Ее Величества'"). Он был главным судебным обвинителем своей эпохи, преследуя в равной степени "преступников и интересы выгоды". ("Он никогда не унижал преступивших закон и даже не стремился возвышаться над ними, а был мягкосердечен, как будто одним глазом сурово смотрел на типический случай, а другим глазом, полным жалости и сострадания, - на личность). Он брал взятки и был уличен ("Я был самым справедливым судьей в Англии за последние 50 лет, но это был самый справедливый приговор парламента за последние 200 лет").
Бэкон видел, что наблюдение природы учит нас меньше, чем эксперимент. ("Секреты природы открываются нам гораздо охотнее под напором нашего умения, чем когда мы идем у них на поводу"). Он был до некоторой степени прагматиком. ( "Следовательно, в данном случае истина и польза - одно и то же, а сами исследования имеют большую ценность как залог истины, чем как средство сделать жизнь удобнее"). Он призывает нас экспериментировать, чтобы "растрясти складки природы". Нужно "подергать льва за хвост". Бэкон ссылается не больше не меньше как на царя Соломона: "Слава Божия - облекать тайною дело, а слава царей - исследовать дело"*. Он учил, что истинный смысл этих слов в том, что каждый исследователь есть царь.

Муравей и пчела

Бэкон презирал схоластические и книжные попытки выводить знание из начальных принципов. Вместо этого, полагает он, мы должны создавать понятия и находить истины более низкого уровня общности. Наука должна строиться снизу вверх. Бэкон не предугадал ценности теоретизирования, порождения гипотез и математических вычислений, которые с тех пор научились использовать, не ожидая, пока какая-либо система проверок станет доступной. Но когда он выражает презрение по отношению к авторам, которые выходят за пределы фактов, он имеет в виду не новую науку, а схоластику. Тем не менее, к нему плохо относились многие современные философы, признававшие примат теории. Они называли его индуктивистом. И все же именно Бэкон сказал, что "делать заключение исходя из простого перечисления примеров (как делают логики) без испытания его посредством контрпримеров - значит делать неверное заключение". Бэкон называл индукцию через простое перечисление ребячеством. Будучи философом эксперимента, Бэкон не очень хорошо укладывается в простую дилемму индуктивизма и дедуктивизма. Он стремился исследовать природу во что бы то ни стало. "Не следует разочаровываться или смущаться, если эксперименты, которые вы пытаетесь проделать, не отвечают вашим ожиданиям. Ведь несмотря на то, что успешный эксперимент и был бы более приемлемым, неуспешный часто более поучителен". Таким образом, Бэкон уже понимал обучающую ценность опровержения. Он видит, что новая наука будет союзом экспериментальной и теоретической деятельности. В духе своего времени он выражает мораль аналогией из жизни насекомых:
"Экспериментаторы подобны муравьям, они только собирают и используют; теоретики подобны паукам, которые ткут свои паутины из себя самих. Пчела выбирает средний путь: она собирает материал с полевых и садовых растений, но преобразует и переваривает его, используя свои собственные силы. Подлинное занятие философией чем-то похоже на этот путь, поскольку оно основывается не только на силе ума, но и на материале естественной истории и механических экспериментов, и не просто целиком закладывает этот материал в память, но лишь изменив и переварив его в своем восприятии".
"Следовательно, - продолжает он, - основываясь на более близкой и чистой связи между этими двумя способностями, экспериментальной и рациональной (которая никогда еще не была реализована), можно надеяться на многое".

В чем же величие науки?

Союз между экспериментальными и рациональными способностями во времена пророчеств Бэкона едва зарождался. В наше время Пол Фейерабенд спрашивал, во-первых, "Что такое наука?", а во-вторых, "В чем величие науки?" Я не нахожу, что второй вопрос действительно важен, но, поскольку мы иногда видим нечто великое в естественной науке, можно ответить на этот вопрос словами Бэкона. Наука - это союз двух способностей, рациональной и экспериментальной. В 12-й главе я подразделил то, что Бэкон называл рациональными способностями, на теоретизирование и вычисление, утверждая, что это разные способности. Величие науки заключается в том, что она есть сотрудничество между различными типами исследователей: теоретиками, вычислителями и экспериментаторами.
Бэкон привык бичевать догматиков и эмпириков. Догматики были людьми чистой теории. Большинство догматиков в те дни имели спекулятивный склад ума, многие эмпирики были по-настоящему талантливыми экспериментаторами. Каждая из групп исследователей поодиночке приобрела мало знания. Что характерно для научного метода? Он соединяет эти две возможности с помощью третьего человеческого дара, того, который я назвал артикуляцией и вычислением. Даже чистые математики приобрели что-то от этого сотрудничества. После успехов в Древней Греции математика оставалась бесплодной до тех пор, пока она вновь не стала "прикладной". Даже теперь, несмотря на то, что большая часть чистой математики все еще имеет силу, большинство тех, кто внес вклад в глубокие "чистые" идеи - Лагранж, Гильберт или кто-либо еще, были как раз теми исследователями, которые были ближе всего к фундаментальным проблемам физики того времени.
Замечательный факт, касающийся современной физики, заключается в том, что она создает коллективный человеческий артефакт, давая простор трем фундаментальным человеческим интересам: спекуляции, вычислению и эксперименту. Участвуя во взаимодействии этих трех направлений, она обогащает каждый из них, что иначе было бы невозможно.
Таким образом, мы можем оценить те сомнения по отношению к социальным наукам, которые некоторые из нас разделяют. Эти науки по-прежнему находятся в области догматики и эмпирии. Хотя здесь невероятное количество "экспериментирования", но по сей день оно не выявило ни одного стабильного явления. Здесь существует бесконечное множество спекуляций. Существует даже множество работ по математической психологии или математической экономике, по чистым наукам, которые имеют слабое отношение и к спекуляции, и к экспериментированию. Я далек от того, чтобы как-то оценивать положение дел. Может быть, все эти люди создают новый тип человеческой активности, но многие из нас чувствуют некоторую ностальгию или грусть, когда рассматривают общественные науки. Может быть, это происходит потому, что им не хватает того, чем так хороша относительно молодая физика. Социальные науки не испытывают недостатка в экспериментировании, они не испытывают недостатка в вычислениях, они не испытывают недостатка в теоретизировании, но им не хватает сочетания этих трех компонент. Я подозреваю, что они и не будут сочетаться до тех пор, пока у социальных наук не будет настоящих теоретических объектов, по поводу которых можно теоретизировать, - не просто постулируемых "конструктов" и "концептов", а объектов, которые можно использовать, которые являются частью намеренного создания новых стабильных явлений.

Преимущественные примеры

Незавершенный "Новый органон" Бэкона (1620 г.) содержит интересную классификацию того, что он называл преимущественными примерами (prerogative instances). Среди них поражающие и достойные внимания наблюдения, разного рода измерения, а также использование микроскопов и телескопов, усиливающих наше зрение. Они включают те способы, с помощью которых мы открываем, по сути, невидимое, используя их взаимодействие с тем, что мы можем наблюдать. Как я заметил в главе 10, Бэкон не говорит о наблюдении, а также не считает важным различать между теми примерами, которые есть просто вu дение, и теми, которые выведены из тонких экспериментов. Конечно, его понимание примеров в целом больше похоже на то, как в современной физике говорят о наблюдении, чем на понятие наблюдения в позитивистской философии.

Критические эксперименты

Четырнадцатый вид примеров Бэкона - это решающие примеры Instantiae crucis, которые позже стали называться критическими экспериментами (crucial experiments).* Более буквальный и, может быть, более точный перевод этого слова был бы "примеры перекрестков" (instances of the crossroads). Старые переводчики используют вместо этого слова "примеры-указатели" ("instances of the fingerposts"), поскольку Бэкон "взял соответствующие слова, напоминающие столбы на развилках, указывающие в нескольких направлениях".
Дальнейшая философия науки сделала критические эксперименты абсолютно решающими. Ситуация стала представляться так, будто соревнуются две теории, причем единственный тест окончательно решает дело в пользу одной теории за счет другой. Стали утверждать, что даже если победившая теория не окажется истинной, по крайней мере, будет отброшена конкурирующая теория. Но это не то, что Бэкон говорит о примерах-указателях. Бэкон ближе к истине, чем более современные теории науки. Он говорит, что примеры-указатели "проливают довольно много света и имеют большой вес, работа по интерпретации порой на них заканчивается или даже завершается ими". Я подчеркиваю слово "порой". Бэкон заявлял, что только иногда критические примеры бывают решающими. В последнее время стало модным говорить, что эксперименты являются критическими только ретроспективно. В свое время они вообще ничего не решают. Так, например, считает Имре Лакатош. Вследствие этого возникла ложная конфронтация. Если бы философы придерживались здравого смысла Бэкона, мы, наверное, избежали бы следующего противоречия: (а) Критические эксперименты решают окончательно и тотчас же приводят к опровержению одной теории, (б) "В науке нет критических экспериментов" (Лакатош II, стр. 211). Конечно, Бэкон по праву не согласился бы с Лакатошем, но он так же бы разошелся и с положением (а).

Примеры Бэкона

Примеры самого Бэкона представляют из себя неупорядоченную смесь. В число "примеров-указателей" он включает и неэкспериментальные примеры. Так Бэкон рассматривает "разделение дорог" по отношению к приливам. Должна ли здесь в качестве модели выступать вода, которая колышется в сосуде, в одно время поднимаясь с одной стороны, а в другое время - с другой? Или это поднятие воды из глубины, как бывает при кипении, когда вода поднимается и опускается? Спросим жителей Панамы, происходит ли на океане отлив и не притекает ли вода в то же самое время к противоположной стороне перешейка. Результат, как считает Бэкон, не является решающей проверкой, поскольку здесь может быть использована вспомогательная гипотеза, поддерживающая одну из теорий, например, та, которая основана на вращении Земли. Затем он рассматривает другие соображения относительно кривизны океанов.
Бэкон замечает, что наиболее критические примеры не предоставляются природой: "в основном, они новые и ищутся определенно и намеренно для того, чтобы обнаружить и применить их благодаря честному и активному усердию". Его самый лучший пример касается проблемы веса. "Здесь дорога разделяется на две: предметы, имеющие вес, либо увлекаются к центру Земли в силу своей собственной природы, либо они притягиваются массой и телом самой Земли". Вот его эксперимент: возьмем маятниковые часы, приводимые в действие свинцовыми гирями, и пружинные часы и синхронизируем их на поверхности Земли. Поднимем их на колокольню или другое высокое место, а затем опустим в глубокую шахту. Если при этом часы не будут показывать одно и то же время, значит это вызвано действием веса и силой притяжения Земли. Это замечательная идея, хотя и практически нереализуемая во времена Бэкона. Видимо, он и не получил бы никакого эффекта и тем самым подтвердил бы ложную теорию Аристотеля о собственном движении.* Однако тот факт, что нас послали по неверной дороге, Бэкона не очень бы расстроил. Он никогда не заявлял о том, что критический эксперимент должен окончательно разрешить задачу интерпретации. Вас могут всегда отправить по неверной дороге, и вы будете должны пойти вспять, потому что дорожные указатели были неверными.

Вспомогательные гипотезы

Если бы эксперимент Бэкона был бы аккуратно поставлен в 1620 году, можно предположить, что никому бы не удалось установить разницу во времени на маятниковых и пружинных часах. В то время эти приборы не могли показывать время достаточно точно, а различие между самой глубокой шахтой и самой высокой колокольней, находящейся неподалеку, не было столь велико, чтобы с их помощью установить какое-либо отклонение во времени. Защитник же теории гравитации мог бы отвергнуть результаты опыта, утверждая необходимость более тонких измерений.
Это самый простой способ для того, чтобы спасти гипотезу от отрицательного результата критического эксперимента. Может показаться, что гипотезу можно всегда так спасти. Существует общее положение, утверждаемое французским философом и историком науки Пьером Дюгемом: всякий раз, когда проверяется та или иная гипотеза, можно защитить предпочитаемую вами гипотезу вводя некоторое вспомогательное предположение относительно метода проверки. В 8-й главе мы видели, что Имре Лакатош считал, что это обстоятельство - самый хороший аргумент в пользу того, чтобы отказаться от идеи о простой и прямой фальсификации гипотезы с помощью эксперимента. Как он утверждает, "даже самые восхитительные научные теории не могут просто запретить какое-либо наблюдаемое состояние дел" (I, стр. 16). В подтверждение этого положения мы получаем не факт, а "воображаемый случай неправильного поведения планет". Это защищает дюгемовский тезис о том, что обычно можно залатать теорию с помощью дополнительных гипотез. Когда одна из гипотез оказывается успешной, это означает триумф теории, поскольку в противном случае приходится искать дальнейшие дополнительные гипотезы. Таким образом, заявляется, что теория не запрещает ничего, поскольку несоответствие наблюдениям мы получаем только путем введения дополнительных гипотез. Это мнение тоже плохо аргументировано и иллюстрирует еще одну разновидность неаккуратности. Из исторического факта о том, что гипотезы иногда спасались, делается вывод о том, что гипотезы можно спасти всегда. Этот тезис аргументируется Лакатошем не столько с помощью некоего воображаемого случая, сколько с помощью порождаемого воображением искажения одного исторического события. Рассмотрим его подробнее.
В 1814 и 1815 годах Уильям Праут выдвинул два замечательных тезиса. В это время, после Дальтона и других, стало возможным точное измерение атомного веса. Праут предположил, что все атомные веса - это целые кратные атомного веса водорода, так что положив H = 1, мы получим, что любое другое вещество будет иметь вес, выражаемый целым числом, например, C = 12, O = 16. Расхождения между измерениями и целыми числами будут ошибками экспериментов. Во-вторых, все атомы состоят из атомов водорода. Таким образом, атомы водорода становятся основными строительными кирпичиками вселенной.
Изначально Праут был медиком, интересовавшимся химией. Он был одним из нескольких исследователей, которые приблизительно в одно и то же время сделали предположение о законе Авогадро. Он обнаружил, что в желудке содержится соляная кислота и что она играет большую роль в пищеварении. Он проделал некоторое полезное исследование по биологическим веществам. У него не было никакого теоретического основания для смелой гипотезы о водороде. Более того, эта гипотеза была на первый взгляд неверной, поскольку установленный атомный вес хлора составлял 35,5. Лакатош использует историю с Праутом в качестве примера того, как гипотезы могут удержаться в море аномалий. Лакатош считал Праута значительной фигурой, ведь он знал, что атомный вес хлора 35,5, но все же полагал, что настоящий его вес 36. Затем он просто "поправил" свое утверждение в сноске. На самом деле, Праут просто подогнал числа так, чтобы все выглядело хорошо. Но Лакатош прав, утверждая, что многие талантливые английские химики придерживались гипотезы Праута, несмотря на неубедительность его чисел. В континентальной Европе, где в то время был возможен более тонкий химический анализ, гораздо меньше людей воспринимали Праута всерьез.
Теперь обратимся к вспомогательным способам спасения гипотез. Лакатош говорит, что никогда не удастся опровергнуть Праута, ведь можно продолжать настаивать на том, что хлор плохо очистили, вследствие чего измерения дают 35,5, несмотря на то, что реальный вес 36. Лакатош приводит воображаемое утверждение: "Если к газу применяются семнадцать очищающих химических процедур p1, p2, ..., p17, то результат будет чистым хлором". Лакатош полагает, что мы можем тотчас отвергнуть такую схему, потребовав применение процедуры p18. Но в реальной жизни дело обстоит совсем не так. После того как возникла озабоченность тем, что британские (целочисленные) атомные веса не совпадают с континентальными, возникли различные комитеты и Эдварду Тернеру поручили разобраться по существу. Он продолжал регулярно получать 35,5, какое-то время он подвергался критике Праута, утверждавшего, например, что в хлориде серебра может содержаться некоторое количество воды. Был найден метод, исключающий такую возможность. Вскоре британское ученое сообщество осознало, что атомный вес хлора около 35,5. Исследователи из более совершенных парижских лабораторий, все еще заинтригованные возможностью того, что водород представляет собой строительный кирпичик вселенной и потрясенные тем, что старые результаты относительно атомного веса углерода оказались неверными, попытались проделать эксперименты заново. Но после длительных усилий стало ясно, что хлор не может иметь атомный вес 36. Больше не было возможности спасти гипотезу, надеясь на лучшую химическую очистку.
Как потом оказалось, гипотеза была почти правильной, но требовала лишь другой исследовательской программы и идеи физического разделения элементов. В начале двадцатого века Резерфорд и Содди показали, что не существует единого атомного веса химических элементов, есть лишь смесь различных изотопов, так что, например, 35,5 - это среднее нескольких настоящих атомных весов. Более того, почти что верна и вторая гипотеза Праута. Если говорить не о водороде, а об ионах водорода или протонах, то веса всех изотопов являются кратными его веса. Протон оказывается не единственным строительным кирпичиком, но, конечно же, одним из них.
Не стоит думать, что гипотеза Праута "спасена" вспомогательными гипотезами. Процесс устранения аналитической ошибки просто закончился. Атомный вес хлора на Земле около 35,5 и ничто не может изменить этого. Что же касается открытия изотопов, то они не были новой гипотезой, которая спасла "исследовательскую программу" Праута. Просто Праут был удачливым химическим предвестником физической идеи. Это не имеет никакого отношения к тезису Дюгема.

Критические только задним числом

Оппозиция Лакатоша по отношению к критическим экспериментам отвергает не-бэконовскую идею о том, что могут существовать решающие тесты, которые отбирают одну теорию и опровергают другую. Лакатош говорит, что историки признают эксперименты решающими только в ретроспективе. Его методология исследовательских программ учит в точности этому. Если Т - это работающая теория в программе П*, то мы можем поставить эксперимент для того, чтобы путем проверки сравнить Т и Т*. Если Т побеждает в этом туре, то для П* еще возможно оправиться и предложить более совершенную теорию, которая, в свою очередь, победит Т. И только после того как П* потерпит окончательное поражение, позже будет утверждаться, что испытание Т* было критическим.
По более скромной терминологии Бэкона, эксперимент-перекресток можно распознать сразу же. Если испытание было в пользу Т, то дорожные указатели говорят, что истина может лежать в направлении П. Можно лакатошизировать Бэкона, хотя это не очень пойдет на пользу обоим. Представим себе сеть дорог - обычную дорожную карту. У одного пересечения указатель может говорить, что истина лежит в одном направлении, направлении Т и П. Так что мы не идем по дороге П*. Эта дорога может позже пересекаться с дорогой П. П* выдвигает пересмотренную теорию Т1*. Примеры-указатели, проверяющие Т и Т*, могут теперь направить нас на то, чтобы следовать по дороге П*. Только если на дороге П мы никогда больше не пересечем П*, то задним числом можно будет сказать, что первый перекресток был решающим.
Это, однако, означает слишком сильно снижать роль эксперимента. Определенные типы экспериментальных находок служат опорными точками, постоянными фактами о явлениях, к которым будущая теория должна приспособиться и которые в соединении с сопоставимыми теоретическими опорными точками очень часто толкают в одном направлении.
В качестве иллюстрации можно указать на противоречивый эксперимент Майкельсона-Морли. Одно время на него ссылались как на решающий довод для отвержения ньютоновской мысли о том, что все пространство наполнено всепроникающим эфиром. Эйнштейн заменил эту идею теорией относительности. Но сам он мало знал об эксперименте Майкельсона-Морли, так что история этого эксперимента, конечно же, не имеет отношения к "проверке теорий Ньютона и Эйнштейна". Лакатош использовал этот факт как центральный пункт для яростных нападок на критические эксперименты. Он также использует его, доказывая, что всякий эксперимент подчинен теории.
На самом деле этот эксперимент - хороший пример бэконовского исследования природы. Он так много раз обсуждался, что так и останется противоречивым, но важно привести и эксперименталистскую точку зрения, наряду с точкой зрения Лакатоша. С этой целью вспомним про уже давно забытый эфир.

Всепроникающий эфир

Ньютон писал: "Все пространство пронизано упругой средой, или эфиром, который способен распространять звуковые вибрации только с очень высокой скоростью". Затем он говорит, что свет - это не волны в эфире, скорее эфир - среда, через которую движутся световые лучи. Ньютоновская оптика практически не использовала представление об эфире, а сторонники Лейбница высмеивали его, называя "оккультной субстанцией", подобно тому как силу тяжести они называли "оккультной силой".
Волны: волновая теория стала действительно использовать эфир. Это было четко установлено основателем (или переизобретателем) волновой теории, Томасом Юнгом (1173-1829): "(1) Светоносный эфир наполняет Вселенную, будучи очень разреженным и в высшей степени упругим. (2) Когда тело начинает светиться, в этом эфире возникает волновое движение. (3) Ощущение различных цветов зависит от различной частоты Вибраций, возбуждаемых Светом на Сетчатке".
Эфирный ветер: Математика волновой теории была разработана Огюстеном Френелем (1788-1827). Он принял побочное предположение о том, что если свет проходит через среду, которая сама по себе движется в противоположном направлении, то возникнет определенный эффект "ветра": видимое движение света будет уменьшено. Эта гипотеза каким-то образом была связана с открытием Дж. Допплера (1803-1853), сделанным в 1842 году. Если источник света движется по отношению к наблюдателю, то возникает изменение в воспринимаемой частоте (цвете). Подобное явление имеет место в волновых процессах разной природы, например, в форме изменения высоты звука в гудке поезда или в сирене.
Астрономическая аберрация: Звезды находятся не совсем там, где они видны. Эта "астрономическая аберрация" объяснялась различными способами. Френель получил одно объяснение, исходя из теории эфирного ветра. В 1845 году Дж. Г. Стокс выдвинул противоположную идею о том, что движущиеся тела увлекают за собой эфир. "Я предполагаю, что Земля и другие планеты увлекают за собой некоторое количество эфира, так что эфир, близкий к их поверхностям, находится в состоянии покоя относительно этих поверхностей, но его скорость меняется по мере того, как мы отдаляемся от поверхности, до тех пор, пока, на не очень большом отдалении от нее, она становится нулевой".
Электромагнетизм: Джеймс Клерк Максвелл блестяще объединил теорию света с теорией электромагнетизма. Он не испытывал большого энтузиазма по поводу идеи эфира, но сделал заключение, что "какие бы трудности мы не испытывали при выработке непротиворечивого представления о строении эфира, нет сомнения в том, что межпланетное и межзвездное пространство не пусты, но заняты некоторой материальной субстанцией или телом..." Одна из проблем заключалась в том, что ни одна модель эфира, основанная на представлении об упругом твердом теле, не работала, то есть не объясняла известные законы отражения и двойного преломления.
Беспроволочные волны: В 1873 году Максвелл предсказывал существование невидимых электромагнитных волн, напоминающих световые волны. Г. Р. Герц (1857-1894) подтвердил эту гипотезу, обнаружив радиоволны. Герц несколько сомневался относительно существования эфира, но его великий учитель Гельмгольц писал в 1894 году после смерти Герца: "Этими исследованиями Герц обогатил физику новыми и очень интересными взглядами на естественные явления. Не может быть больше сомнений относительно того, что световые волны состоят из электрических колебаний во всепроникающем эфире и что этот эфир обладает свойствами изолятора и магнитной среды".

Эксперимент

Вот самое короткое из возможных резюме по поводу того времени, когда Майкельсон начал серию своих знаменитых экспериментов. Моя цель состоит в том, чтобы противопоставить описания Лакатоша тем, которые были даны экспериментатором. В 1878 году Максвелл написал статью, которая позже появилась под названием "Эфир" в девятом издании Британской Энциклопедии. Он предложил идею эксперимента Майкельсона, в то же время считая, что нет надежды осуществить этот эксперимент.
"Если бы было возможным определить скорость света замеряя время, которое он проходит между двумя пунктами на поверхности Земли, мы могли бы, сравнивая наблюдаемые скорости в противоположных направлениях, определить скорость эфира по отношению к этим наземным пунктам. Однако все методы, с помощью которых можно было бы определить скорость света исходя из наземных экспериментов зависят от измерения времени, которое потребовалось бы свету для пути от одного пункта до другого и обратно. Увеличение этого времени за счет относительной скорости эфира, равной скорости движения Земли по своей орбите, составило бы лишь одну стомиллионную долю всей скорости пересылки и тем самым было бы совершенно неощутимым".

Идея эксперимента

"Все методы, - говорит Максвелл, - потерпят неудачу". Но это не так. Майкельсон понял, что мы должны расщепить луч света зеркалом, посеребренным наполовину, и послать половину лучей в направлении движения Земли, а другую под прямыми углами к этому направлению. Когда они вернутся, можно посмотреть, будет ли наблюдаться интерференция по причине фазового сдвига, вызванного тем, что свет прошел в двух направлениях. Почти никто не верил в исход эксперимента, и у самого Майкельсона был ряд трудностей. Например, движение лошадей за стенами здания полностью выводило установку из строя, вызывая колебания здания, которые были бы незаметны в обычных условиях. В конце концов Майкельсон провел свой опыт вне города, погрузив всю установку в сосуд с ртутью, чтобы устранить "шум". Этот путь типичен для экспериментатора, который хочет избавиться от нежелательных явлений.

Эксперимент по проверке теории:

Лакатош пишет: "Майкельсон первым разработал эксперимент для проверки противоречащих друг другу теории Френеля и Стокса о влиянии движения Земли на эфир".
Это неправда. Как экспериментатор Майкельсон хотел сделать то, что Максвелл считал невозможным, а именно измерить скорость движения Земли по отношению к эфиру, независимо от какой-либо теории. Он говорит именно это в письме к Саймону Ньюкомбу, написанном 22-го ноября 1880 года в Берлине. Майкельсон учился в Париже под руководством ученика Физо и был готов начать свои собственные опыты. В письме к руководителю, Александру Грэхему Беллу, от 18 апреля 1881 года Майкельсон писал: "Эксперименты, касающиеся движения Земли относительно эфира, успешно завершены. Результат оказался отрицательным".
Отрицательный результат: результат был и в самом деле отрицательным. Положительный результат вызвал бы сенсацию, поскольку при этом было бы определено абсолютное движение Земли через пространство. Если бы природа согласилась, это осталось бы в истории триумфом многовекового теоретизирования. Мы бы знали, что пространство абсолютно, и знали бы абсолютную скорость, с которой Земля перемещается через пространство.
Результат эксперимента. Лакатош пишет: "Майкельсон заявил, что его эксперимент 1881 года был критическим экспериментом [он дал возможность выбрать между объяснениями аберрации Френеля и Стокса - Я. Х.] и что он доказал теорию Стокса". Майкельсон ничего такого не утверждал. Он писал: "Интерпретация этих результатов состоит в том, что смещения интерференционных полос не наблюдается. Таким образом, доказано, что следствие гипотезы о стационарности эфира неверно, и сама гипотеза с необходимостью оказывается неверной". Он не заявлял, что доказал правоту Стокса, но лишь пытался доказать, что Френель был неправ.
Аберрация: Майкельсон продолжает, заявляя, что результат "напрямую противоречит общепринятому объяснению явления аберрации", то есть объяснению Френеля. В конце он говорит, что "было бы уместным привести выдержку" из статьи Стокса. Стокс говорил, что, видимо, нет "результата, сравнимого с экспериментом и который мог бы противоречить принятой нами теории" (то есть Стокса или Френеля). Стокс говорит, что "было бы хорошо иметь возможность поставить две эти теории перед проверкой с помощью какого-либо решающего эксперимента". Майкельсон цитирует Стокса без всякого комментария. Он не "говорит окольным путем" - по выражению Лакатоша - о том, что он доказал правоту Стокса. Он не называет свой эксперимент решающим. То, что он подразумевает, составляет триумф экспериментатора по отношению к теоретику: теперь я могу определить то, что было до сих пор недоступно вам.
Эксперимент 1886 года: Майкельсон объединился с Морли для того, чтобы переделать эксперимент Физо 1852 года, в котором свет пропускался через струящуюся воду в направлении, противоположном движению воды. Морли должен был участвовать как химик, способный выдувать стекло, необходимое для тонких стеклянных сосудов, по которым должна была течь вода. Они сделали вывод, что Физо был, в основном, прав, хотя они некоторым образом и переинтерпретировали теорию Френеля. В заключение они писали: "Итогом этой работы является то, что результат, заявленный Физо, в основном, правилен и что на светоносный эфир совершенно не действует движение того вещества, которое пронизано эфиром". Я думаю, что Лакатош вовсе не упоминает этого эксперимента.
Появляется теория: Г. Лоренц, один из великих теоретиков конца девятнадцатого - начала двадцатого столетия, страстно интересовался проблемами эфира. Лакатош некоторым образом преувеличивает, когда пишет следующее: "Как это часто случается, экспериментатор Майкельсон получил урок от теоретика. Лоренц, ведущий теоретический физик, показал, что вычисления Майкельсона были неправильными, теория Френеля предсказывала только половину эффекта, подсчитанного Майкельсоном. Конечно, когда французский физик Потье указал Майкельсону на ошибку, сделанную в 1881 году, тот решил не публиковать исправления."
Это не так. Майкельсон опубликовал заметку по-французски в Comptes Rendue №94 (1882), p. 520. В этой заметке содержалась ссылка на Потье.
Эксперимент 1887 года: это самый известный эксперимент Майкельсона-Морли. Лакатош говорит о "письме от Рэлея, который привлек внимание к статьям Лоренца. Это письмо послужило причиной проведения эксперимента 1887 года". Это неверно. Письмо было написано в начале 1887 года, а эксперимент был проведен в июле 1887 года. Можно понять, почему Лакатош делает свой поспешный вывод. Но на самом деле эксперимент был запланирован на 1886 год и тогда же полностью профинансирован. Работы были начаты в октябре, но скрупулезная подготовка была сведена на нет пожаром 27 октября 1886 года, и тем самым реализация эксперимента была надолго отложена. Так что эксперимент начался задолго до пресловутого письма Рэлея. (Хотя, конечно, эксперимент мог быть инициирован лекциями Кельвина, которые он прочел в Балтиморе годом раньше).
Эксперимент 1887 года был в некотором смысле менее удовлетворительным, чем на то надеялся Майкельсон. Два исследователя не получили нулевого результата с более тонким оборудованием. Как Майкельсон писал Рэлею в 1887 году, "если эфир и увлекается Землей, относительная скорость меньше, чем одна шестая скорости Земли". Он думал, что они должны переделать свой эксперимент в другое время года и посмотреть, влияет ли существенным образом высота на скорость эфирного ветра. Лакатош удивляется, что Майкельсон не предпринял того, что сам считал необходимым сделать на следующем этапе. Происходило ли это в силу его озабоченности тем, что делает теория? Нет. Майкельсон был экспериментатором. Он опубликовал целую серию работ по своему новому изобретению, интерферометру, которые он считал более удивительными, чем работы по эфиру. Он поразил воображение Американской Ассоциации по Распространению Науки своим "Ходатайством о световых волнах", в котором указывалось, как можно получить новое точное определение стандартного метра с использованием его изобретения и световых лучей.
Повторение эксперимента: Майкельсон дважды возвращался к эфиру. Лакатош пишет: "Длинная последовательность опытов Майкельсона с 1881 года до 1935 года, проводимых с целью проверок сменявших друг друга версий эфирной [исследовательской] программы, дает прекрасный пример сдвига в сторону регрессивной программы". Наверное, с 1931 по 1935 год эксперименты проводились Майкельсоном в загробном мире, поскольку в 1931 году он умер. "Длинная последовательность опытов", проделанных Майкельсоном между 1881 годом и 1935, на самом деле, состояла из экспериментов 1881, 1886, 1887, 1897, 1925 годов. Множество других людей пытались улучшить или модифицировать результаты Майкельсона, но длинной последовательности опытов Майкельсона не существовало.
Его эксперимент 1897 года показал, что высота не влияет на результаты его опытов. Майкельсон сказал, что этому может быть множество объяснений, с которыми он оставляет возиться теоретиков.
Может быть, говорит он, земная атмосфера больше, чем мы думаем. Может быть, идея Фитцжеральда о сжатии, тогда бывшая в моде, верна. Может быть, Стокс был прав с самого начала. Экспериментатор Майкельсон не следует какой-либо программе, о которых пишет Лакатош. Что же касается эксперимента 1925 года, то Миллер заявил об обнаружении эфирного ветра, так что 75-летний Майкельсон проделал заново свой юношеский опыт, чтобы поверить, что он не сделал ужасной ошибки. Он и в самом деле не сделал ее.

Экспериментальные и рациональные способности

Поппер рассматривал опыт Майкельсона-Морли как очевидный критический эксперимент, породивший теорию относительности. В частности, эксперимент предполагает, что свет имеет одну и ту же скорость во всех средах и во всех направлениях. Критикуя Поппера, Лакатош и многие другие совершенно правильно говорят, что историческая релевантность опыта Майкельсона к теории относительности лишь косвенна. Но и Поппер, и Лакатош подчеркивали только рациональную способность. Существует еще множество опубликованных фантазий об опыте Майкельсона-Морли, и в своем кратком очерке я, конечно же, не претендую на окончательные выводы. Я выбрал Лакатоша в качестве обучающего примера, потому что считаю его собственную философию значительной. Когда же он начинает делать теоретические выводы из случаев из реальной жизни, то вывод всегда бывает слишком поспешным. Философия, доминируемая теорией, делает человека слепым к реальности.

Несомненно, что Майкельсон несколько напоминает бэконовского муравья, волшебника в устройстве опыта и слабого в теории, хотя и не несведущего в ней. Лоренц (хотя и в меньшей степени) был бэконовским пауком. Оба высоко ценили друг друга. Лоренц вдохновлял работу Майкельсона, в то же самое время пытаясь разработать математику эфира, которая объяснила бы его поведение. Если и существовала регрессивная программа, то это была программа Лоренца. Более важно, что мы видели взаимодействие между двумя типами талантов. Необычайный интерес по отношению к теории относительности Эйнштейна сделал теоретическую работу в этой области более важной. Майкельсон также открыл новые области экспериментальной техники. Как писал Бэкон, наука должна быть подобна пчеле, обладающей талантами муравья и паука, но способной сделать больше, то есть переварить и интерпретировать опыты и теорию.

16. Экспериментирование и научный реализм

Экспериментальная работа предоставляет самый сильный довод в пользу научного реализма. Это происходит не потому, что мы проверяем гипотезы об объектах, а потому, что с объектами, которые в принципе не "наблюдаемы", можно манипулировать регулярным образом, с тем чтобы получать новые явления и исследовать другие аспекты природы. Они являются средствами, инструментами не мысли, а дела. Электрон - любимый объект философов. Я покажу, как электроны стали экспериментальными объектами или объектами экспериментатора. На ранних стадиях открытия того или иного объекта мы можем проверять гипотезу о том, что он существует. Даже это не является рутинной работой. Когда в 1897 году Томсон понял, что объекты, называемые им "корпускулами", испаряются с катодов, первым, что он сделал, было измерение массы этих отрицательно заряженных частиц. Он произвел грубую оценку заряда e и измерил e/m. Он также получил довольно точную оценку m. Милликен следовал некоторым идеям, уже обсуждавшимся у Томсона в Лаборатории Кавендиша. К 1908 году ему удалось определить заряд электрона, то есть вероятную минимальную единицу электрического заряда. Следовательно, с самого начала ученые не столько проверяли существование электронов, сколько взаимодействовали с ними. Чем больше мы начинаем понимать причинные силы, связанные с электронами, тем больше мы можем построить приборов, с помощью которых можно получать хорошо известные эффекты в других областях природы. К тому времени, как мы становимся способными использовать электрон для манипуляции с другими объектами, электрон перестает быть чем-то гипотетическим, чем-то выводимым. Он перестает быть теоретическим и становится экспериментальным.

Экспериментаторы и объекты

Большая часть физиков-экспериментаторов являются реалистами относительно некоторых теоретических объектов, а именно тех, которые они используют. Я заявляю, что они и не могут не быть ими. Несомненно, что многие также являются реалистами относительно теорий, но это не столь существенно для них. Экспериментаторы часто бывают реалистами относительно объектов, которые они исследуют, но они не обязательно должны быть ими. У Милликена, видимо, не было мучительных сомнений по поводу реальности электронов, когда он занялся измерением их заряда. Но он мог скептически относиться к тому, что он мог найти, до того, как он это нашел. Но и после этого он мог остаться скептиком. Он мог бы рассуждать так: может, и существует минимальная единица электрического заряда, но не существует частицы или объекта с точно таким количеством заряда. Экспериментирование с объектом еще не заставляет поверить, что он существует. Только манипулирование с объектом при экспериментировании с чем-нибудь другим может в этом убедить.
Более того, даже если вы используете электроны для экспериментирования с чем-то другим, это еще не делает невозможными сомнения в существовании электронов. Но понимая некоторые причинные свойства электронов, можно делать предположения о том, как построить очень сложный прибор, который позволит вам упорядочить электроны тем способом, которым вы хотите, для того чтобы увидеть, что случится с чем-то другим. Как только у вас есть правильная экспериментальная идея, вы наперед знаете, как построить прибор, потому что вам известно, как можно заставить электрон вести себя определенным способом. В этом случае электрон больше не является средством организации наших мыслей или средством спасения наблюдаемых явлений. Электроны оказываются средством создания явлений в другой области природы. Электроны становятся инструментами.
Существует важное экспериментальное различие между реализмом относительно объектов и реализмом относительно теорий. Предположим, мы говорим, что реализм относительно теорий - это вера в то, что цель науки - достижение истины. Вряд ли кто-либо из экспериментаторов будет это отрицать. Только философы сомневаются в этом. Но получение истины - это весьма далекая цель. В то время как такая цель, как получение электронного пучка, достигается посредством имеющихся в наличии электронов. Нацеливание точно настроенного лазера на определенный атом для того, чтобы выбить определенный электрон, тем самым приводя к созданию иона, - это опять-таки нацеливание на уже имеющиеся электроны. В настоящий момент не существует множества теорий, в которые необходимо верить. Если реализм относительно теорий является учением о целях науки, то это учение, нагруженное определенными ценностями. Если реализм относительно объектов - это вопрос об использовании электронов на следующей неделе или задача нацеливания на другие электроны неделю спустя, то это учение весьма нейтрально по отношению к ценностям. То, как экспериментаторы являются научными реалистами относительно объектов, совершенно отлично от того, как они могут быть реалистами относительно теорий.
Это различие проявляется, когда мы обращаемся от идеальных теорий к тем, которые существуют сейчас. Многие свойства надежно приписаны к электронам, но большинство свойств выражено в многочисленных теориях или моделях, о которых экспериментатор может знать довольно мало. Даже ученые из одной группы, которая работает над разными частями одного большого эксперимента, могут придерживаться различных и несовместимых теоретических описаний электрона. Это происходит потому, что различные части эксперимента будут использовать электрон по-разному. Модели, пригодные для одного аспекта электрона, будут плохими для других аспектов. Порой группа стремится выделить одного из своих членов с совершенно иными теоретическими представлениями для того, чтобы просто иметь кого-нибудь, кто может решать эти экспериментальные проблемы. Может быть выбран кто-нибудь с образованием, полученным в другой стране, чей теоретический язык сильно отличается от вашего, с целью получить тот эффект, который вы желаете.
Но существует ли общее ядро теории, общее мнение всех членов группы, которое и есть теория электрона и которой реалистически придерживаются все экспериментаторы? Я бы назвал это общим профессиональным знанием, а не общим ядром. Существует множество теорий, моделей и тому подобного, включающего электроны, но нет основания предполагать, что пересечение всего этого вообще есть теория. Нет так же и повода думать, что существует такая вещь, как "наиболее мощная нетривиальная теория, содержащаяся в пересечении всех теорий, в которую научили верить того или иного члена группы". Даже если существует множество разделяемых мнений, то нет основания предполагать, что они образуют нечто, что стоит называть теорией. Естественно, что группы обычно складываются из единомышленников, работающих в одном институте, так что обычно существует некий общий теоретический базис для их работы. Это социологический факт, а не основание для научного реализма.
Я признаю, что многие философские теории, касающиеся научного реализма, являются учениями не о настоящем, а о том, что мы можем достигнуть; они об идеале, к которому мы стремимся. Так что отсутствие теории не может быть аргументом против оптимистической цели. Суть заключается в том, что такой научный реализм относительно теорий должен принять пирсовские принципы веры, надежды и любви. Научный реализм относительно объектов не нуждается в этих добродетелях. Он возникает из того, что мы можем сделать в настоящем. Чтобы понять это, мы должны рассмотреть подробнее построение прибора, который может заставить электрон успокоиться и вести себя прилично.

Делание

Даже если экспериментаторы являются реалистами относительно объектов, из этого не следует, что они правы. Может быть, это дело психологии, может быть, само мастерство заставляет талант экспериментатора сочетаться с особым складом ума, объективирующим все, о чем он мыслит. Хотя и это не так. Экспериментатор с готовностью полагает, что нейтральные бозоны являются чисто гипотетическими объектами*, и в то же время считет электроны реальными. В чем различие?
Существует бесконечное количество способов, которыми можно делать инструменты, основывающиеся на причинных свойствах электронов, для того, чтобы произвести желаемый эффект непревзойденной точности. Сейчас я постараюсь проиллюстрировать этот факт. Аргумент, который может быть назван экспериментальным аргументом в пользу реализма, состоит не в том, что мы выводим реальность электрона из нашего успеха. Дело обстоит не так, что мы сначала делаем инструменты, затем выводим реальность электронов, как в том случае, когда мы проверяем гипотезу и начинаем в нее верить, потому что она прошла тест. По отношению к объектам такой временной порядок не проходит. Здесь дело обстоит так: к настоящему времени мы разработали прибор, который основывается на скромном наборе банальных истин относительно электронов, для того чтобы произвести несколько других явлений, которые мы желаем исследовать.
Это может навести на мысль, что мы верим в электроны, поскольку можем предсказать поведение нашего прибора, но это так же далеко от действительности. У нас есть ряд общих идей, скажем, о том, как подготовить поляризованные электроны. Мы тратим много времени на построение прототипов приборов, которые не работают. Мы избавляемся от неимоверного количества ошибок. Часто нам необходимо сдаться и попробовать другой подход. Отладка - это не дело теоретического объяснения или предсказания того, в чем ошибка. Частично она сводится к тому, чтобы избавиться от "шума" в приборе. Хотя слово "шум" также имеет точное значение, оно часто означает все те события, которые не укладываются ни в одну теорию. Инструмент должен быть способен физически выделять свойства объектов, которые мы хотим использовать и подавлять все остальные эффекты, которые могут нам помешать. Мы полностью убеждены в реальности электронов, когда мы регулярно пытаемся построить - и довольно часто с успехом строим - новые виды приборов, которые используют разнообразные, плохо понятные причинные свойства электронов для проникновения в другие, более гипотетические части природы.
Это невозможно понять без примера. Знакомые исторические примеры часто обрастают ложными философиями истории науки, ориентированными на теорию. Так что я возьму новый пример, относящийся к поляризующей электронной пушке с акронимом PEGGY II. В 1978 году она использовалась в фундаментальном эксперименте, который привлек внимание даже газеты "Нью-Йорк Таймс". В следующем разделе я опишу суть изготовления PEGGY II. Для этого мне понадобится немного рассказать о некоторой области новейшей физики, описание которой можно пропустить и читать лишь следующий далее инженерный раздел.
И все же для читателя может представить интерес довольно легкое для понимания значение основных экспериментальных результатов, а именно (1) четность поляризованных электронов при рассеянии на дейтерии не сохраняется; и (2) более общий факт, согласно которому четность нарушается в слабых взаимодействиях нейтральных токов.

Нарушение четности и слабые нейтральные токи

В природе существуют четыре основных типа сил, про которые нельзя сказать, что они совершенно различные. Сила тяжести и электромагнитные силы известны всем. Существуют еще сильные и слабые силы, которые воплощают исследовательскую программу Ньютона, изложенную им в "Оптике". Ньютон утверждал, что вся природа должна пониматься в смысле взаимодействия частиц с различными силами притяжения или отталкивания, действующими на разных расстояниях (то есть с различными скоростями убывания их величин с отдалением).
Сильные взаимодействия в 100 раз сильнее, чем электромагнитные, но действуют на чрезвычайно малых расстояниях, не превышающих диаметр протона. Сильные силы действуют на "адроны", которые включают в себя протоны, нейтроны и некоторые недавно открытые частицы, но не на электроны и другие частицы из класса, называемого "лептонами".
Слабые взаимодействия в 10000 раз слабее электромагнитных сил и действуют на расстояниях в 100 раз меньших, чем расстояния, характерные для сильных взаимодействий, но зато они действуют как на адроны, так и на лептоны. Самым известным примером слабых взаимодействий служит b -радиоактивность.
Теорией, благодаря которой были получены такие выводы, была квантовая электродинамика. Эта теория чрезвычайно успешна и дает предсказания с точностью до одной миллионной, что является чудом современной физики.* Она применима на расстояниях от диаметра Земли до 1/100 диаметра протона. Эта теория предполагает, что носителями всех сил служат некоторого рода частицы. Носителями электромагнитных взаимодействий служат фотоны. Есть гипотеза, что носителями гравитационной силы являются "гравитоны". В случае со взаимодействиями, включающими слабые силы, существуют заряженные токи. Постулируется, что носителями этих слабых сил являются частицы, которые называются бозонами. Для заряженных токов бозоны могут быть положительными или отрицательными. В 1970 годах обнаружилась возможность того, что могут быть слабые "нейтральные" токи, в которых заряды не переносятся и не обмениваются. По простой аналогии с проверенными частями квантовой электродинамики, нейтральные бозоны постулированы как носители слабых взаимодействий.
Наиболее известное открытие в современной физике высоких энергий заключается в нарушении закона сохранения четности. Вопреки ожиданиям многих физиков и философов, включая и Канта, природа непререкаемо различает правостороннее и левостороннее. Это становится очевидным лишь для слабых взаимодействий.
То, что называется право- или левосторонностью в природе, конечно, имеет условный характер. Я уже говорил о том, что у электронов есть спин. Представьте, что ваша рука обнимает крутящуюся частицу так, что пальцы указывают в сторону вращения. В таком случае говорят, что большой палец направлен в сторону вектора вращения. Предположим, что такие частицы движутся в пучке, и рассмотрим отношение между вектором вращения и пучком. Если у всех частиц вектор вращения направлен в том же направлении, что и пучок, то имеет место правосторонняя поляризация, а если вектор вращения противоположен направлению пучка, то имеет место левосторонняя поляризация.
Открытие нарушения четности показало, что один из продуктов распада частиц, так называемое мюонное нейтрино, существует только в левосторонней поляризации.
Нарушения четности были обнаружены для слабых заряженных взаимодействий. Можно ли это утверждать для случая слабых нейтральных токов? Замечательная модель Вайнберга-Салама для четырех типов сил была предложена независимо Стивеном Вайнбергом в 1967 году и А. Саламом в 1968 году*. Она подразумевает малые нарушения четности в слабых нейтральных взаимодействиях. Если считать, что эта модель - чистое умозрение, то ее успех совершенно удивителен и даже внушает благоговение. Так что стоит попытаться проверить предсказанное нарушение четности для слабых нейтральных взаимодействий. Это может обеспечить нас большей информацией о слабых силах, которые действуют на таких малых расстояниях.
Предсказание заключается в следующем: левосторонне поляризованные электроны, ударяясь об определенные препятствия, рассеиваются немного больше, чем правосторонние электроны. Немного больше! Разница в относительных вероятностных частотах рассеяний двух типов составляет 1/10000, сравнимую с различием вероятности между 0,50005 и 0,49995. Предположим, что используется стандартное оборудование, которое было доступно в Стэнфордском линейном ускорителе в начале 1970-х годов. Оно дает 120 импульсов в секунду, каждый из которых порождает одно электронное событие. В этом случае потребуется 27 лет для того, чтобы уловить такое малое различие в относительной частоте. Учитывая то, что один пучок используется сразу в нескольких экспериментах, разрешая различным экспериментаторам использовать различные импульсы и учитывая, что ни одна установка не может быть стабильной больше месяца, не говоря уже о 27 годах, можно понять, что такой эксперимент невозможен. Для успеха необходимо бесконечно больше электронов, выбрасываемых в каждом импульсе. Необходимо от 1000 до 10000 дополнительных электронов на импульс по сравнению с тем, что было возможно раньше. В первой попытке использовался прибор, который теперь называется PEGGY I. Он содержал, по существу, высококласный вариант горячего катода Дж. Дж. Томсона. Нагревалось некоторое количество лития и испарялись электроны. PEGGY II основана на совершенно отличных принципах.

PEGGY II

Основная идея возникла, когда Ч. Я. Прескотт заметил ("случайно"!) статью в оптическом журнале о кристаллическом веществе под названием арсенид галлия - GaAs. Это вещество имеет любопытное свойство. Когда на него воздействуют циркулярно поляризованным светом подходящих частот, он излучает множество линейно поляризованных электронов. Имеется достаточно хорошее приближенное квантовое понимание того, почему это происходит и почему половина излучаемых электронов будет поляризована, причем 3/4 электронов поляризовано в одном направлении, а 1/4 - в другом.
PEGGY II использует этот факт, а так же то, что GaAs излучает множество электронов благодаря кристаллической структуре. После этого наступает черед для инженерного искусства. Его задача - освобождать электрон с поверхности. Известно, что здесь помогает покрытие поверхности подходящим веществом. В данном случае на кристалл наносился тонкий слой цезия и кислорода. Кроме того, чем меньше давление воздуха около кристалла, тем больше электронов покинет поверхность при данной интенсивности облучения. В связи с этим бомбардирование производилось в высоком вакууме при температуре жидкого азота.
Нам необходим подходящий источник света. На кристалле испытывается лазер с импульсами красного света (7100 ангстрем). Сперва свет проходит через обычный поляризатор, очень древний прибор из кальцита или исландского шпата. Это дает линейно поляризованный свет. Но нам нужно, чтобы кристалл обрабатывался циклически поляризованным светом. Поляризованный лазерный луч проходит через хитрый прибор, который называется батареей Покела. Он превращает линейно поляризованные фотоны в фотоны, обладающие круговой поляризацией. Как электрический прибор, он работает в качестве очень быстрого переключателя. Направление круговой поляризации зависит от направления тока в батарее. Следовательно, направление поляризации может меняться случайным образом. Это важно, поскольку мы пытаемся уловить очень маленькую асимметрию между право- и левосторонней поляризацией. Рандомизирование помогает нам избежать любого систематического "дрейфа" в оборудовании. Рандомизация порождается радиоактивным распадом, и компьютер записывает направление поляризации для каждого импульса.
Импульс фотонов, имеющих круговую поляризацию, воздействует на кристалл GaAs, в результате чего появляется импульс линейно поляризованных электронов. Пучок электронов с таким импульсом направляется магнитами на ускоритель на следующем этапе эксперимента. Этот пучок проходит через прибор, который проверяет степень поляризации вдоль нужного направления. Остальная часть эксперимента требует других приборов и детекторов, для изготовления которых нужна не меньшая изобретательность, но мы остановимся на PEGGY II.

Помехи

Короткое описание делает все слишком простым, так что давайте остановимся и поразмыслим над возможными помехами. Многие из них так и остаются никогда не понятыми. Они устраняются методом проб и ошибок. Продемонстрируем три вида помех: (1) существенные технические ограничения, которые в конце концов должны быть включены в анализ ошибок; (2) простые механические дефекты, о которых не размышляют до тех пор, пока они не действуют на вас; (3) намеки на то, что могло бы быть неправильным.
(1) Лазерные пучки не так постоянны, как учит нас научная фантастика, и всегда имеется неустранимая "дрожь" в луче на протяжении любого отрезка времени.
(2) На более банальном уровне электроны из кристалла GaAs рассеиваются назад и возвращаются по тому же каналу, что и лазерный луч, используемый для удара о кристалл. Большинство их затем отклоняется под действием магнитного поля. Но некоторые отражаются от лазерного аппарата и возвращаются в систему. Так что необходимо уничтожить эти побочные электроны. Это совершается при помощи грубых механических средств, заставляющих электроны фокусироваться вне кристалла и таким образом уходить из него.
(3) Хорошие экспериментаторы остерегаются даже совсем невероятных помех. Что если предположить, что частицы пыли на экспериментальной поверхности ложатся плоско, когда поляризованный импульс ударяется о них, а затем "встают дыбом", если подвергаются действию импульса, поляризованного в противоположном направлении? Может это быть источником систематической ошибки, если учесть, что мы улавливаем малую асимметрию? Как-то ночью одному члену группы пришла в голову такая мысль, и на следующее утро он стал яростно поливать установку противопылевым спреем. Это делалось на протяжении целого месяца, на всякий случай.

Результаты

Требовалось около 1011 событий для того, чтобы получить результат, который был бы признан действительным результатом, а не отнесен к систематической и статистической ошибке. Хотя идея систематической ошибки представляет интересные концептуальные проблемы, она, по-видимому, неизвестна философам. Существовали систематические неопределенности в определении право- и лево-сторонней поляризации, имела место некоторая дрожь, и существовали другие проблемы относительно параметров этих двух типов пучков электронов. Эти ошибки анализировались и линейно складывались со статистической ошибкой. Для занимающегося статистическим выводом это является настоящим протиранием штанов без какого-либо смысла. Может это и было так, но благодаря PEGGY II число событий было достаточно велико для того, чтобы дать результат, который убедил бы все физическое сообщество. Лево-поляризованные электроны рассеивались на дейтерии несколько более часто, чем право-поляризованные электроны. Это было первым убедительным примером нарушения четности в слабых взаимодействиях с нейтральным током.

Комментарий

Изготовление PEGGY II было явно не теоретическим процессом. Никто заранее не разрабатывал поляризационные свойства GaAs - он был найден случайно путем независимых экспериментальных исследований. Хотя элементарная квантовая теория кристаллов объясняет поляризационный эффект, она не объясняет свойства действительно используемого кристалла. Никому не удавалось заставить реальный кристалл поляризовать более 37% электронов, хотя в принципе должно быть поляризовано 50% электронов.
Сходным образом, хотя у нас имеется некоторая общая картина того, почему слои цезия и кислорода будут "производить отрицательное электронное сродство"*, то есть давать электронам большую возможность для вылета, у нас нет количественного понимания того, почему это повышает эффективность до 37%.
Не было также никакой гарантии, что отдельные куски уложатся в общую картину. Чтобы дать более современную иллюстрацию, будущая экспериментальная работа, вкратце описанная ниже, заставляет желать даже большего числа электронов за импульс, чем могла бы дать PEGGY II. Когда информация об эксперименте по нарушению четности была опубликована в "New-York Times", ученые из группы в Лаборатории Белла прочитали газету и увидели, что происходит. Ими уже была сконструирована кристаллическая решетка для совершенно других целей. В ней использовались слои GaAs и родственное соединение алюминия. Структура этой решетки давала основания ожидать, что с ее помощью все излучаемые электроны будут поляризованы. То есть появляется возможность удвоить эффективность PEGGY II. Но в настоящее время эта прекрасная идея встречается с большими трудностями. Новая решетка также должна быть покрыта веществом, уменьшающим работу выхода электронов. Цезиево-кислородное соединение наносится при высокой температуре. Следовательно, алюминий стремится к проникновению в соседний слой GaAs, и довольно искусно сделанная решетка становится слегка неправильной, ограничивая тем самым свои тонкие свойства, связанные с излучением поляризованных электронов. Таким образом, возможно, она никогда не будет работать. Одновременно Прескотт возродил термоэмиссионный катод, повышая его мощность, для того чтобы получить больше электронов. "Теория" не скажет нам, что PEGGY II превзойдет термоэмиссионный PEGGY I. Она также не скажет нам о том, будет ли PEGGY II превзойдена каким-либо термоэмиссионным PEGGY III.
Заметим, что сотрудники Лаборатории Белла не нуждались в знании теории слабого нейтрального тока для того, чтобы разрабатывать свои образцовые решетки. Они просто читали "New-York Times".

Мораль

Когда-то было вполне осмысленно сомневаться в том, что существуют электроны. Даже после того, как Томсон измерил массу своих корпускул и Милликен измерил их заряд, сомнение еще имело смысл. Необходимо было точно знать, что Милликен меряет ту же самую величину, что и Томсон. Требовалась большая теоретическая разработка. Идею нужно было использовать во множестве других явлений. Физика твердого тела, атом, сверхпроводимость - все это должно было играть свою роль.
Когда-то лучшим доводом в пользу мысли о том, что электроны существуют, мог быть успех в объяснении явлений. В главе 12 мы видели, как Лоренц объяснял эффект Фарадея с помощью теории электрона. Я уже говорил, что способность к объяснению не дает гарантии истинности. Даже со времени Дж. Дж. Томсона основными считались измерения, а не объяснения. Объяснения, конечно, помогали. Некоторые люди, может быть, верили в существование электронов, потому что постулирование их существования объясняло широкий класс явлений. К счастью, нам больше не нужно делать вид, что мы делаем вывод о существовании электронов из успешного объяснения (то есть из того, что создает комфорт нашему разуму). Прескотт и другие не объясняли явления с помощью электронов. Они знали, как использовать их. Ни один человек в здравом уме не думает о том, что электроны - "действительно" маленькие вращающиеся шарики, вокруг которых, имея достаточно маленькую руку, вы можете обернуть пальцы так, что большой палец будет указывать направление вращения. Вместо этого существует семейство причинных свойств, в терминах которых талантливые экспериментаторы описывают и раскрывают природу электрона для того, чтобы изучать что-либо еще, например, слабые нейтральные токи и нейтральные бозоны. Мы знаем огромное количество фактов о поведении электронов. Очень важно знать также то, что не имеет большого значения для электронов. Так, мы знаем, что попадание поляризованного электронного пучка в магнитную катушку не повлияет на поляризацию каким-либо существенным образом. У нас есть догадки, слишком сильные для того, чтобы их можно было бы игнорировать, и в то же время слишком тривиальные для того, чтобы проверять их независимо: например, пыль может колебаться при изменении направления поляризации. Эти догадки основаны на трудноуловимом смысле вещей, таких как электроны. (К этой догадке не имеет отношения вопрос о том, являются ли электроны облаками, волнами или частицами.)
Когда гипотетические объекты становятся реальными
Отметим радикальное различие между электронами и нейтральными бозонами. Мне говорят, что никто еще не может манипулировать пучком нейтральных бозонов, если они и существуют. Даже слабые нейтральные токи являются всего лишь тем, что появляется из тумана гипотез. К 1980 году достаточный объем убедительных экспериментов сделал их объектом исследования. Когда они потеряют свой гипотетический статус и станут обычной реальностью, такой как электроны? Когда мы станем использовать их для изучения чего-либо другого.
Я упомянул о желании сделать пушку, лучшую, чем PEGGY II. Почему? Потому что теперь мы "знаем", что четность нарушается в слабых нейтральных взаимодействиях. Может быть, с помощью еще более абсурдного статистического анализа, чем тот, который входит в эксперимент по выявлению четности, можно выявить именно слабые взаимодействия. То есть у нас имеется множество взаимодействий, включая, скажем, электромагнитные. Можно подвергать их различным проверкам, но можно также статистически выделить класс слабых взаимодействий как именно тех, где не сохраняется четность. Это, возможно, откроет нам путь к достаточно глубокому исследованию вещества и антивещества. Чтобы наладить статистику, необходимо получать еще больше электронов на импульс, чем можно надеяться получить с помощью PEGGY II. Если бы такой проект удался, мы бы начали использовать слабые нейтральные токи как средства манипуляции для того, чтобы посмотреть на что-либо еще. Был бы сделан следующий шаг к утверждению о реальности таких токов.

Изменение времени

Хотя реализм и антиреализм являются частями философии науки, лежащей глубоко в греческой предыстории, наши современные версии, в основном, восходят к спорам по поводу атомизма в конце девятнадцатого века. Антиреализм относительно атомов был частично делом физики: энергетисты думали, что в основе всего находится энергия, а не маленькие кусочки материи. Это было также связано с позитивизмом Конта, Маха, Пирсона и даже Дж. С. Милля. Молодой сотрудник Милля Александр Бейн характерным образом выразил эту точку зрения в своем учебнике "Логика дедуктивная и индуктивная". В 1870 году для него было вполне естественно писать следующее:
"Некоторые гипотезы являются предположениями относительно мельчайшей структуры тел и операций с ними. Учитывая природу этих предположений, можно утверждать, что они никогда не могут быть доказаны прямым способом. Их достоинство заключается в их приемлемости для выражения явлений. Это Фикции теоретических Представлений."
"Все утверждения относительно конечной структуры частиц материи", - продолжает Бейн, - "являются и даже должны быть гипотетическими..." Кинетическая теория тепла, говорит он, "служит важной интеллектуальной функцией". Но мы не должны считать ее правильным описанием мира. Это Фикция Представления.
Несомненно, что сто лет назад Бейн был прав. Предположения относительно мельчайшей структуры материи тогда не могли быть доказаны. Возможно было лишь непрямое доказательство, а именно то, что эти гипотезы, по-видимому, обеспечивают некоторое объяснение и помогают делать хорошие предсказания. Такие выводы, конечно, не являются достаточным основанием для того, чтобы убедить в реализме философа, склонного к инструментализму или какому-либо другому виду идеализма.
Эта ситуация очень похожа на ту, которая сложилась в эпистемологии семнадцатого века. В то время знание понималось как правильное представление. Но с точки зрения этой эпистемологии нельзя выйти за пределы представления для того, чтобы быть уверенным в том, что они соответствуют миру. Любая проверка представления является другим представлением. "Ничто не похоже на мысль больше, чем мысль", как говорил епископ Беркли. Пытаться спорить о научном реализме на уровне теории, проверки, объяснения, предсказательного успеха, сходимости теорий и тому подобного означает быть замкнутым в мире представлений. Неудивительно, что научный антиреализм держится с таким постоянством. Это вариант "зрительской (созерцательной) теории знания".
Ученые, в противоположность философам, стали, в общем, реалистами относительно атомов в 1910 году. Несмотря на изменения в интеллектуальном климате, некоторое множество антиреалистически ориентированных версий инструментализма или фикционализма оставалось сильной философской альтернативой реализму и в 1910-х, и в 1930-х годах. Это то, чему учит нас история философии. Урок заключается в следующем: думайте о практике, а не о теории. Антиреализм относительно атомов был весьма разумен сто лет назад, когда писал Бейн. Антиреализм относительно любых микроскопических объектов был состоятельным учением в те дни. Теперь все изменилось. "Прямое" доказательство существования электронов и им подобных объектов заключается в нашей способности манипулировать ими, используя хорошо понятные причинные свойства фундаментального уровня материи. Я, конечно, не утверждаю, что реальность создается человеческими манипуляциями. Способность Милликена определить заряд электрона внесла большой вклад в идею электрона: я думаю, больший, чем лоренцевская теория электрона. Определение заряда чего-либо заставляет верить в существовании этого гораздо больше, чем постулирование этого для объяснения чего-либо еще. Милликен наносит заряд на электрон - еще лучше. В 1925 году Уленбек и Гаудсмит приписывают угловой момент электронам, блестяще решив множество проблем. С тех пор у электрона появился спин. Еще более убедительным доводом становится то, что мы можем придавать электронам определенное направление спина, поляризовать их и заставлять их рассеиваться в немного различных пропорциях.
Существует, конечно, бессчетное количество объектов и процессов, о которых человечество никогда не узнает. Может быть много таких, о которых мы в принципе никогда не узнаем. Реальность больше нас. Наилучшее свидетельство в пользу постулируемого или выводимого объекта заключается в том, что мы начинаем измерять его или каким-либо образом понимать его причинные силы. В свою очередь, наилучшее свидетельство того, что мы обладаем этим типом понимания, заключается в том, что мы можем начать с пустого места строить машины, которые будут работать достаточно надежно используя ту или иную причинную силу. Следовательно, лучшим подтверждением научного реализма служит инженерия, а не теория. Мои нападки на научный антиреализм аналогичны нападкам Маркса на современный ему идеализм. Я, как и он, говорю, что суть заключается не в том, чтобы понять мир, а в том, чтобы изменить его. Может быть и есть объекты, о которых мы можем знать только в теории (черные дыры). Тогда наше свидетельство подобно тому, которое предоставил Лоренц. Может быть, и существуют объекты, которые мы будем только измерять и никогда не будем использовать. Экспериментальный аргумент в пользу реализма не говорит о том, что существуют лишь объекты экспериментатора.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел философия