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

Эксперимент Эратосфена не требует каких-либо особых условий и может быть проведен многими различными способами. Именно поэтому он и явился значительным вкладом в человеческую культуру. Его составляющие просты и знакомы каждому: тень, измерительный инструмент и элементарные правила геометрии. Для его проведения необязательно отправляться в Александрию или иметь в своем распоряжении греческие солнечные часы. Даже совсем необязательно дожидаться дня летнего солнцестояния. Сотни школ по всему миру включают эксперимент Эратосфена в свои программы в качестве обязательного. Некоторые при его проведении используют солнечные часы собственного изготовления, другие – флагштоки или башни. В последнее время подобные эксперименты часто проводятся совместно несколькими школами – по электронной почте и с использованием различных картографических интернет-ресурсов. Подобные воспроизведения эксперимента Эратосфена не похожи, скажем, на реконструкции старинных сражений (такие реконструкции часто устраивают любители истории). В ходе такой реконструкции основной целью является историческая достоверность или, по крайней мере, игровое уподобление прототипу. Что касается эксперимента Эратосфена, то учащиеся не копируют и не реконструируют его, они просто проводят его, словно в первый раз, и эксперимент демонстрирует тот же результат снова и снова – с прямотой и ясностью, в которой невозможно усомниться.

Эксперимент Эратосфена является ярчайшей иллюстрацией самих основ процесса экспериментирования в целом. Каким образом ученые могут узнать протяженность земной окружности без непосредственного ее измерения? Оказывается, мы совсем не беспомощны и нам нет нужды ждать, пока кто-нибудь изготовит для нас рулетку в несколько десятков тысяч миль длиной. Умно организованный эксперимент с использованием доступных и, в принципе, весьма элементарных инструментов может заставить даже такую эфемерную и неуловимую вещь, как тень, раскрыть для нас самые сокровенные и неизменные тайны небес. Эксперимент Эратосфена дает нам метод упорядочения того, что, на первый взгляд, представляется хаосом, с помощью простейших инструментов нашего собственного изготовления.

Красота эксперимента Эратосфена проистекает из его невероятной, немыслимой широты. Некоторые эксперименты привносят порядок в хаос с помощью анализа, выделения или расчленения вещей в окружающем нас мире. Рассматриваемый эксперимент ведет нас совершенно в другом направлении. С его помощью измеряются огромные расстояния, отраженные в малом. Он расширяет наше восприятие мира, учит нас по-новому смотреть на очень простые вещи и отвечать на элементарный вопрос: «Что есть тень и как она возникает?»

Благодаря этому эксперименту мы начинаем понимать, что размеры тени, которая лежит у нас под ногами, связаны с шарообразностью Земли, с размерами Солнца и с расстоянием до него, с постоянно изменяющимся положением двух этих небесных тел по отношению друг к другу. В эксперименте Эратосфена громадное расстояние, отделяющее нас от Солнца, циклический ход времени и шарообразность Земли становятся почти физически ощутимыми. Таким образом, он воздействует на качество нашего восприятия и понимания действительности.Бытует мнение, что физические эксперименты заставляют человека чувствовать себе более ничтожным во Вселенной. Иногда кажется, что естественные науки лишают человека его привилегированного положения в природе, и многие, чтобы как-то восполнить эту воображаемую утрату, заменяют науку магией, начинают фантазировать, что Солнце, планеты и звезды каким-то образом мистически связаны с нашей судьбой. Но эксперимент Эратосфена, на первый взгляд совершенно абстрактный, более эффективно гуманизирует мир, наделяя нас реалистическим чувством того, кем мы являемся и в какой именно Вселенной находимся. В то время как многое в современном мире пытается возвеличить свой масштаб, силу и власть, данный эксперимент заставляет нас по достоинству оценить огромные возможности, заложенные в малом и временном, и осознать то, насколько связаны между собой вещи самого разного масштаба.

Интерлюдия Почему наука прекрасна?

Но в самом ли деле эксперимент Эратосфена можно назвать красивым? Даже если он удовлетворяет всем трем критериям, которые я упомянул во введении, – если он демонстрирует нечто фундаментальное относительно Вселенной, его составные части эффективным образом организованы и он ставит вопросы о Вселенной, а не о самом эксперименте, – все равно могут возникнуть возражения против характеристики «красивый». Я слышал, к примеру, что разговоры о красоте экспериментов бессмысленны, попахивают снобизмом и отвлекают от более важных вещей.

Те, кто говорит, что разговоры о красоте эксперимента бессмысленны, обычно имеют в виду, что красота ассоциируется с такими понятиями, как субъективность, мнение и эмоции, в то время как наука связана с понятиями объективности, факта и рационального разума. Некоторые критики считают, что называть эксперименты «красивыми» означает навязывать естественным наукам (занимающимся описанием природы) характер и цели деятельности искусств и гуманитарных наук (занимающихся изучением и обогащением человеческой жизни и культуры). По их мнению, это один из вариантов того, что философ Бенедетто Кроче называл «интеллектуалистским заблуждением» – необоснованным смешением искусства и идей. Художник и критик Джон Рескин подчеркивает важность подобного различения в своем определении красоты:

«Любой материальный объект, который способен вызвать в нас удовольствие благодаря простому созерцанию его внешних качеств без какого-либо прямого и определенного усилия интеллекта, я характеризую как в той или иной степени красивый»17.

Мы не очень склонны напрягать свой интеллект, чтобы оценить красоту чего-то. А так как эксперименты в естественных науках – творения интеллекта, заявляют возражающие, то их нельзя оценивать как красивые.

Те, кто говорят, что разговоры о красоте научных экспериментов отдают снобизмом, подчеркивают, что красота воспринимается интуитивно и непосредственно: только представьте, что вы должны оценить красоту картины Ван Гога или концерта Моцарта по их описанию! Если принять такой подход, то красота научного эксперимента может быть доступна только самому экспериментатору. Роберт Оппенгеймер как-то заметил, что для неспециалиста пытаться понять процесс рождения квантовой механики – который он назвал временем «ужаса и восторга» – все равно что слушать «воспоминания солдат, возвратившихся с военной кампании беспрецедентной сложности и героизма, или путешественников, покоривших Гималаи, или рассказы о тяжелой болезни, или впечатления мистика от его общения с Богом», и добавляет, что «подобные истории на самом деле очень мало говорят нам о том, о чем собирался сообщить нам рассказчик».

Красоты этого мира – а, как утверждают, вокруг нас их огромное количество – доступны только его обитателям. Таким образом, бо́льшая часть дворца красоты закрыта для тех, кто не принадлежит к касте ученых, что противоречит современным демократическим ценностям и попахивает снобизмом.

Третье и наиболее основательное возражение – «аргумент от искушения». Ученые говорят, что их работа состоит в открытии действующих теорий и что, если кого-то начнет по-настоящему заботить проблема создания прекрасных экспериментов, это в лучшем случае может отвлечь от более серьезной работы, а в худшем – станет просто опасным18. Ученые, дескать, начнут насиловать свой интеллект, заставляя его учитывать «красоту», тем самым снижая научную эффективность. Только люди, безразличные к эстетическому, по-настоящему готовы к проведению глубокой и результативной исследовательской работы. А у тех, кто непосредственно не занимается научными исследованиями, могут возникнуть подозрения, что все эти разговоры о красоте в науке суть не только поверхностные сантименты, но, по сути дела, являются скрытой рекламой с целью воздействия на общественное мнение.

Подобная точка зрения имеет веские основания. Образы, которые я обычно встречал в контекстах, посвященных красоте науки, возникли не в научных лабораториях, а в отделах исследовательских институтов, занимающихся связями с общественностью. Однажды я присутствовал на докладе, где последний слайд демонстрировал знаменитую фотографию Земли, восходящей над поверхностью Луны. Образ, безусловно, очень красивый. Однако несмотря на то, что в течение нескольких десятилетий эта фотография прекрасно выполняла свои рекламные функции для НАСА, астрономы никогда не рассматривали ее как источник научной информации.

Все три перечисленных возражения проистекают из полнейшего непонимания сущности красоты. Первое из них путает красоту с декоративностью. Самый простой способ утратить правильное понимание того, что такое красота в науке, – это начать эстетизировать эксперимент, обращая внимание лишь на его внешние проявления. Но подлинная красота эксперимента заключается в том, как он демонстрирует свою идею. Как мы увидим в дальнейшем, красота experimentum crucis Ньютона не имеет никакого отношения к цветам, получаемым с помощью призмы, но заключена в изяществе, с которым этот эксперимент раскрывает структуру света. Красота эксперимента Кавендиша со взвешиванием мира не имеет отношения к внешнему облику его чудовищного инструментария, но воплощена в предельной точности результата. А красота эксперимента Юнга проистекает не из банального узора черных и белых полос, а из того, каким образом он раскрывает сущностные характеристики света.