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

• Название: Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
• Автор: Роберт Криз
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2014

Может ли наука быть красивой? Автор этой книги, известный философ и историк науки Роберт Криз, уверен, что именно красота делает научный эксперимент по-настоящему убедительным. «Призма и маятник» – это увлекательное научное путешествие длиной в 2500 лет: от первых опытов Эратосфена по измерению окружности Земли до последних открытий в области физики элементарных частиц. Детальное описание великих экспериментов поможет нам понять, как устроено мышление гениальных ученых, сумевших открыть и наглядно продемонстрировать нам фундаментальные основы мира, в котором мы живем.

---

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

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

И, возможно, вообще впервые.

Интерлюдия Эксперименты и демонстрации

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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