Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Шрифт:
Но в чем же красота эксперимента? Эксперимент в отличие от картины или скульптуры динамичен. Он больше похож на драматическое представление, так как люди планируют его, организуют и наблюдают – с тем, чтобы получить те результаты, в которых они заинтересованы. Как узнать длину земной окружности, не протянув рулетку вдоль всего экватора? Как узнать, что Земля вращается, не взлетев в космос и не увидев этого собственными глазами? Откуда мы знаем, что находится внутри атома? Тщательным образом имитируя то или иное природное явление в лабораторных условиях – порой с использованием таких простых предметов, как призма и маятник, – мы добиваемся того, что ответы сами вырисовываются перед нашими глазами. Форма возникает из хаоса не чудесным, непредсказуемым образом – как кролик, появляющийся из шляпы фокусника, – а благодаря тому, что мы правильно организовали ее появление. Мы заставляем говорить величайшие загадки природы6.
Красота эксперимента заключается в том, каким образом он дает новую информацию. Из предложенного Харди сравнения научного доказательства и шахматной задачи можно сделать вывод, что красивый эксперимент – тот, который демонстрирует нам нечто фундаментальное относительно Вселенной, переворачивает наше представление о ней. Описание, которое Фарадей дал красоте свечи, наводит нас на мысль о том, что составные части эксперимента должны быть эффективным образом организованы. Как Харди, так и Фарадей полагают, что красивый эксперимент должен иметь однозначный результат, не требующий дальнейших обобщений и уточнений. Если в ходе красивого эксперимента появляются вопросы, то это вопросы к Вселенной, а не к самому эксперименту.
Все три упомянутых компонента красоты – фундаментальность, эффективность и определенность – постоянно встречаются в наиболее глубоких и систематизированных аналитических описаниях понятия прекрасного, которые на протяжении столетий выходили из-под пера философов и художников. Некоторые из них, от Платона до Хайдеггера, обращали первостепенное внимание на то, что прекрасное произведение связывает нас с чем-то большим, чем оно само, – с идеей Истины и Красоты. Это проникновение Единого во многое, Бесконечного в конечное, Божественного в земное.
Другие мыслители, такие как Аристотель, сосредоточивали внимание на структуре прекрасного объекта, подчеркивая роль симметрии и гармонии, значимость каждого его элемента. Третьи, среди них Дэвид Юм и Иммануил Кант, считали наиболее важным то особое удовольствие, которое в нас вызывает прекрасный объект. Порой мы даже не знаем, чего ожидаем, пока наши бессознательные ожидания не оправдываются. И тогда, глядя на этот прекрасный объект, мы делаем радостное открытие: «Вот то, чего я на самом деле хотел!» Эксперимент могут отличать все перечисленные достоинства, и тогда его по праву можно называть красивым: не в переносном смысле, неоправданно расширяя исходное значение слова, а совершенно «законным» способом, используя исконный смысл слова «красота».
В «Простаках за границей» Марк Твен описывает свой визит в баптистерий Пизанского собора, где ему показали знаменитую качающуюся люстру, которая, согласно легенде, вдохновила семнадцатилетнего Галилео Галилея на импровизированный эксперимент: измеряя при помощи своего пульса период затухающих колебаний отклоненной от положения равновесия люстры, он обнаружил их изохронность – то есть период колебаний не зависел от амплитуды. (Изохронность колебаний маятника, как хорошо было известно Твену, – принцип, который лежит в основе работы любых механических часов.) Маятник для Твена воплощал одновременно и патрицианские, и плебейские черты. Глядя на него, он преисполнился благоговения перед открытием Галилея, которое позволило человечеству найти способ точного измерения времени, и испытал некое ранее незнакомое ему чувство родства со всей Вселенной.
«Трудно поверить, что этому скромному предмету мир науки и механики обязан таким гигантским расширением своих пределов! Его вид наводит на множество размышлений, и мне показалось, что передо мной возникла целая сумасшедшая вселенная качающихся дисков – трудолюбивых отпрысков этого степенного родителя. У него такое умное выражение, словно он знает, что он вовсе не светильник, а маятник – маятник, который для достижения каких-то глубоко обдуманных и загадочных целей изменил свою внешность; и к тому же не простой маятник, а самый первый маятник, маятник-патриарх, маятник-Авраам7».
В своей неподражаемой манере Твен дает ясное представление о красоте, которой может обладать даже самый простой эксперимент, если он открывает нам некую фундаментальную истину о мире, демонстрирует ее простым и непосредственным образом, так, что у нас не возникает никакой потребности в дополнительных доказательствах.
Раскачивание люстры; лучи света, проходящие сквозь набор призм; почти одновременное приземление падающих предметов с различным весом, брошенных одновременно; соотношения скоростей масляных капель – все это в случае правильной организации эксперимента способно открыть нам некие фундаментальные знания о самих перечисленных процессах и о Вселенной в целом. Эти опыты похожи одновременно и на пейзажи, которые восхищают, завораживают и просвещают нас, и на карты, благодаря которым мы находим правильный путь в окружающем нас мире. Эксперимент всегда предполагает возможность выхода за пределы обыденного. В качестве материала в нем могут использоваться самые обычные и простые вещи, но они служат неким мостом, соединяющим нас с областью высших смыслов и высшего знания. Красота ведет нас в мир идей, одновременно привязывая к чувственному миру, как любил повторять немецкий поэт и философ Фридрих Шиллер. «Красота – это момент перехода, как будто некая форма уже готова перелиться в другие формы», – писал американский эссеист Ральф Уолдо Эмерсон8.
Красота эксперимента может выступать в самых разнообразных формах, точно так же, как прекрасное произведение Баха отличается от прекрасного творения Стравинского. Некоторым из них свойственна красота, возникающая в результате совмещения нескольких всеобщих законов, другим – красота как следствие соединения разнородных и оттого казавшихся до сих пор несоединимыми элементов. Некоторые обладают особой строгой красотой и привлекают нас абсолютной простотой чистой формы, в других же отражается нечто высшее, захватывающее нас намеком на бесконечность возможностей природы и на ее грандиозное могущество. Но в большинстве красивых экспериментов присутствуют элементы всего перечисленного.
У вас может сложиться впечатление (вполне оправданное), что книга, которую вы держите в руках, представляет собой некую выставочную галерею. В этой галерее выставлены экспонаты редкой красоты, и каждый отличает его собственная структура, особый материал и присущее только ему очарование. Уверен, что далеко не все они придутся вам по душе в равной мере и ваш жизненный опыт, ваше воспитание, образование и ваши вкусы заставят вас что-то предпочесть, а на другое взглянуть с бо́льшим равнодушием.
Одной из самых сложных задач при организации любой галереи является отбор экспонатов. Я решил эту проблему следующим образом. В 2002 году, вдохновленный разговором с очередным ученым, рассказывавшим мне о красивом эксперименте, и вспомнив не только слова Глэшоу, но сотни подобных формулировок, которые я слышал на протяжении многих лет, я решил провести голосование. Я попросил читателей международного научного журнала Physics World , для которого я систематически пишу статьи, ответить на вопрос, какие эксперименты, по их мнению, являются самыми красивыми. К моему удивлению, читатели выбрали более трехсот кандидатов. Среди них, кроме действительно имевших место экспериментов, были также мысленные эксперименты, проектируемые эксперименты, а также теоремы и модели практически во всех научных областях – от физики до психологии. Мой опрос поддержали также блогеры и участники дискуссионных групп в Интернете, и это дало мне еще несколько сотен кандидатов. В свой шорт-лист самых красивых экспериментов я включил десять наиболее часто упомянутых кандидатов9.
Вы можете заметить, что бо́льшую часть этого списка составляют физические эксперименты, и я не стану отрицать, что, обращаясь к читателям «Мира физики», я просил их назвать самые красивые физические эксперименты. Тем не менее мне кажется, что я могу утверждать, что в этой книге собраны десять наиболее красивых экспериментов в истории науки в целом: большинство моих респондентов поняли мою просьбу как желание отобрать самые красивые научные эксперименты, и их предложения, присланные в Physics World , помимо собственно физических экспериментов, включали также эксперименты из области химии, техники и физиологии.