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

К концу XIX столетия ученые начали подозревать, что свет распространяется вне зависимости от каких-либо сред, однако сравнение его с волной продолжало считаться вполне адекватным. «Волна» сделалась вполне корректным техническим термином, который в процессе использования претерпел определенные видоизменения. Представления ученых о «волне» изменились после того, как это понятие стали применять к возмущениям, способным распространяться без какой-либо среды (использование этого понятия в квантовой механике способствовало еще большей его трансформации).

В этом и заключается процесс расширения знания по аналогии, который Бернштейн рассматривал как один из базовых принципов в методе теоретической физики: это попытка понять неизвестное путем сравнения его с уже известным и в процессе этого понимания скорректировать также наше представление об известном. Мы очень часто начинаем понимать суть чего-то, только сравнив его с чем-то другим. Но и значения привычных слов также меняются, «приспосабливаясь» к новому употреблению. «Буквальное значение, – как-то сказал мне один историк науки, – это метафора метафоры». Тот, кто применяет аналогии, создает новое. Это активный процесс, где нечто новое возникает из нового понимания уже известного.

Еще один пример подобного творческого использования аналогии в науке – понятие энергии. Оно возникло первоначально из субъективного восприятия индивидами самих себя как источника действия89. В своей восьмой лекции – «О столкновениях» – Юнг говорит, что «термин „энергия“ может вполне корректно применяться к произведению массы или веса тела на квадрат числа, выражающего его скорость» – выражение, которое в настоящее время обычно представляют в виде формулы mv2. Таким образом, Юнг впервые использовал термин «энергия» в его современном значении. Однако понимание Юнгом энергии отличается от нашего. Оно соответствует тому, что мы именуем «кинетической энергией», да и то не совсем точно (мы говорим, что она равняется 1/2 mv2 , а не mv2). Данная эволюция термина продолжалась до самого конца столетия.

Третья функция метафоры заключается в полной перестройке нашего восприятия того или иного явления90. Примером такого рода метафоры может служить известное замечание американского медика и философа Льюиса Томаса о том, что Земля похожа скорее не на организм, а на отдельную клетку. Еще одним примером такой метафоры является предложение биолога Стивена Джея Гулда «заново запустить запись жизни»: в ходе этого интеллектуального эксперимента, целью которого была более глубокая оценка фактора случайности в эволюции, Гулд попытался заменить наше представление об эволюции как о «лестнице прогресса» или «конуса все увеличивающегося разнообразия»:

«Нажмите кнопку перемотки и, убедившись, что вы полностью стерли все, что было на самом деле, вернитесь в любое время и место в прошлом… затем запустите запись снова и послушайте, будет ли она теперь звучать так же, как исходная версия»91.

Приведенная нами трехчастная классификация использования метафор в науке, конечно же, не отличается строгостью и жесткостью. Можно найти массу случаев, когда какие-то из этих функций метафоры сочетаются. Однако анализ данных функций объясняет, почему ученые так часто спотыкаются об этот предмет и начинают противоречить сами себе.

Прояснение природы метафоры очень важно для понимания науки и ее красоты. Одна из причин этого заключается в том, что метафоры глубоко укоренены в культуре и истории. Ученые всегда работают в определенном культурном и историческом контексте. Наука не преодолевает, а трансформирует то, что она получила от культуры и истории92.

Метафоры и аналогии – особый, весьма эффективный и лаконичный способ, с помощью которого мы используем накопленный и унаследованный опыт в целях дальнейшего развития. Обучение и опыт вооружают нашу память метафорами, которые мы неизбежно применяем к новой информации, одновременно трансформируя уже известное. Поэтому прав и Займан, говоривший, что мы не можем мыслить без метафор, и Питер Галисон, который в своей книге 1997 года «Образ и логика», полной примеров разнообразных аналогий, служащих для сложнейших взаимосвязей между теорией, экспериментом и их инструментарием, пишет: «Когда-то наступает предел любым метафорам».

Пользующийся метафорами – это вовсе не Аарон, внемлющий Моисею, пророку и открывателю истин, и возглашающий эти истины на доступном профанам языке. Или же, если все-таки развивать данную аналогию, следует признать, что не так уж и велика разница между откровением и проповедью, между открытием и его разъяснением и распространением, между тем, чем нечто является , и тем, на что оно похоже. Любой акт исследования неизбежно связан с метафорическим мышлением. Ведь Моисей тоже был своего рода Аароном по отношению к Богу.

Рис. 15. Маятник Фуко в парижском Пантеоне

Глава 7. Вращение Земли

Фуко и его маятник

Впервые я увидел маятник Фуко в моей родной Филадельфии. Маятник висит в фойе Института Франклина, в проеме основной лестницы. Тонкий трос, на котором он держится, прикреплен к потолку четырьмя этажами выше, а его серебристый шар беззвучно скользит взад и вперед над вделанным в пол кругом компаса (недавно там установили подсвечиваемый глобус). Я до сих пор прекрасно помню надпись на табличке на втором этаже: «Трос маятника имеет 85 футов длины; груз – свинцовый шар двадцати трех дюймов в диаметре массой 1800 фунтов». Маятник качается взад и вперед по прямой линии, тяжело и беззвучно, и одно колебание занимает десять секунд. Подвешенный груз каждый раз приходит немного левее, чем в предыдущий, то есть плоскость колебаний медленно поворачивается по часовой стрелке с неизменной скоростью – 9,6 градуса в час. В табличке также говорится, что впечатление, будто плоскость качаний маятника меняет направление, обманчиво. Ее направление неизменно по отношению к звездам [11]. На самом деле иллюзия перемещения маятника объясняется тем, что посетитель музея видит, как вращается Земля, а вместе с ней пол в здании Института и круг компаса в полу под маятником.

Маятник был установлен в 1934 году, когда Институт Франклина – точнее, научный музей – переехал в свое нынешнее здание. Установка маятника стала поводом для необычной демонстрации. Проволоку, весившую всего девять фунтов, нельзя было скатывать, а нужно было держать вытянутой во избежание возникновения загибов и растяжений, которые могли бы так или иначе помешать ее равномерному движению. В результате ее полностью вытянутой несли по улицам Филадельфии от места изготовления до нового здания. Медленная странная процессия из одиннадцати человек, несущих длинную проволоку, сопровождалась эскортом полиции и вереницей изумленных зевак и репортеров93.

Маятник в Институте Франклина сигнализировал об изменении направления колебаний тем, что примерно каждые двадцать минут сбивал один из четырехдюймовых стальных колышков, расставленных на полу двумя полукругами вдоль внешней окружности компаса. Посещая музей, я частенько отходил от других экспонатов и присоединялся к толпе зрителей, наблюдающих за качанием серебряного шара и внимательно следящих за колышками в надежде увидеть, как один из них упадет. Вначале шар только задевал за колышек, от чего тот начинал покачиваться. Еще через несколько колебаний колышек уже заметно шатался. Еще ряд колебаний – и от очередного удара шара колышек едва удерживался в вертикальном положении. Но ненадолго! Еще одно или два колебания – и колышек опрокидывался, а шар начинал подбираться к следующему. Порой я просто смотрел на сам маятник, пытаясь почувствовать то, что рассказывала табличка: вообразить, как движемся я и пол у меня под ногами. По причинам, которые я так и не смог до конца понять, мне ни разу не удалось ощутить это полностью, хотя от маятника у меня навсегда осталось ощущение тайны и мистического благоговения.

Движения маятника, неподконтрольные человеку, стали для меня самым главным воплощением всесилия законов природы. Единственное человеческое воздействие на маятник заключалось в том, что сотрудник музея ежедневно в десять утра, перед самым открытием экспозиций, запускал маятник, и тот начинал раскачиваться в направлении север-юг. Иногда я приезжал в музей очень рано и, едва распахивались двери, со всех ног бежал к лестничному пролету, чтобы увидеть момент запуска маятника. Но я всегда опаздывал. Однажды я узнал, что один из сотрудников музея решил в качестве подарка сыну на день рождения позволить ему самому запустить маятник. Как же я завидовал этому мальчишке! Другие ребята мечтают, чтобы им позволили сделать первый удар в бейсбольном матче. Я же всегда мечтал запустить маятник Фуко.