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

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

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

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

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

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

Интерлюдия Наука и метафора

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

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

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

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

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

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

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

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