Мы должны понять, что связь между теорией и экспериментом различна на разных стадиях развития науки, а также что не все естественные науки проходят через одни и те же циклы развития. Если подумать, это может показаться довольно очевидным, но все это слишком часто отрицалось, в частности, Карлом Поппером. Естественно, мы должны ожидать, что Поппер был одним из наиболее откровенных среди тех, кто отдавал предпочтение теории перед экспериментом. Вот что он говорит в своей “Логике научного открытия”:
“Теоретик задает определенные вопросы экспериментатору, который посредством экспериментов пытается получить ясный и четкий ответ на эти, а не на какие-либо другие вопросы. Все другие вопросы он настойчиво пытается отклонить ... Было бы ошибкой полагать, что экспериментатор [... пытается] ‘облегчить задачу теоретика’ или ... снабдить теоретика материалом для индуктивных обобщений. Наоборот, теоретик задолго до начала эксперимента должен сделать свою работу, или по крайней мере ее наиболее важную часть: он должен поставить вопрос самым ясным образом. Именно теоретик указывает путь экспериментатору. Но даже экспериментатор не вовлечен главным образом в точные наблюдения; его работа носит по преимуществу теоретический характер. Теория доминирует над экспериментальной работой, начиная с первоначального замысла и кончая последними лабораторными проверками” (p. 107).
Таково было мнение Поппера, высказанное им в издании 1934 года. В более расширенном издании 1959 года он добавляет в сноске, что он должен также поддержать “взгляд, согласно которому наблюдения, а в еще большей степени утверждения, касающиеся результатов наблюдений и экспериментов, всегда являются интерпретацией наблюдаемых фактов; что они являются интерпретациями в свете теорий.” Краткий начальный обзор различных отношений между теориями и экспериментами хорошо было бы начать с очевидных контрпримеров Попперу. Одними из них могут быть наблюдения пузырьков воздуха на водорослях, которые проводил Дэви. Для него это не было “наблюдением в свете теории”, потому что вначале у Дэви вообще не было теории, а то, что свеча вспыхивает, не было интерпретацией [наблюдаемого]. Если бы он затем сказал “Ага, тогда это кислород”, то в таком случае он бы, конечно, интерпретировал. Но он этого не делал.
Заслуживающие внимания наблюдения (Э)
Между 1600 и 1800 годами, на раннем этапе своего развития, оптика зависела от простого наблюдения какого-либо поразительного явления. Может быть, наиболее плодотворным из них было открытие двойного лучепреломления в исландском шпате, или кальците. Эразм Бартолин (1625-1698) изучал некоторые кристаллы, привезенные из Исландии. Если поместить такой кристалл на страницу этого текста, то напечатанное будет двоиться. Всем известна простая рефракция, и к 1689 году, когда Бартолин сделал свое открытие, законы преломления света были хорошо известны, а очки, микроскоп и телескоп были общедоступны. Эти опыты сделали исландский шпат замечательным с двух точек зрения. В настоящее время мы продолжаем поражаться и восхищаться этими кристаллами. Более того, восхищение вызывает физик того времени, который, зная законы преломления света, заметил, что помимо обычного отраженного луча, существует “необычный”, как он поныне и называется.
Исландский шпат играет фундаментальную роль в истории оптики, потому что на нем впервые был получен поляризованный свет. Гюйгенс понял это явление весьма расплывчато, сделав предположение, что необычный луч имеет скорее не сферическую, а эллиптическую волну. Однако наше современное понимание возникло лишь тогда, когда была возрождена волновая теория света. Френель (1788-1827), основатель современной теории света, провел великолепное исследование, в ходе которого два луча оказались описанными одним уравнением, решение которого представляет собой двулистную поверхность четвертого порядка. Оказалось, что поляризация снова и снова приводит ко все более глубокому теоретическому пониманию природы света.
Имеется целая серия таких “замечательных” наблюдений. Гримальди (1613-1663), а затем Гук тщательно исследовали то, о чем физики смутно догадывались, – о том, что в тени непрозрачного тела имеется некоторая освещенность. Аккуратные наблюдения дали картину регулярных полос на краю тени. Это явление называется дифракцией, что первоначально означало “разделение на части” полосы света, падающего на тело. Наблюдения дифракции весьма примечательно предшествовали теории. Так же как и наблюдения дисперсии света Ньютоном, и работы Гука и Ньютона по цветам тонких пластин. Эти наблюдения закономерным образом привели к обнаружению интерференционного явления, называемого кольцами Ньютона. Первое численное объяснение этого явления было дано Томасом Юнгом (1773-1829) лишь столетие спустя, в 1802 году.
Конечно же, Бартолин, Гримальди, Гук и Ньютон не были нерассуждающими эмпириками, не имевшими за душой “идеи”. Они видели то, что видели, потому что они были любознательными, въедливыми, рассуждающими людьми. Они пытались строить теории. Но во всех этих случаях очевидно, что наблюдения предшествовали созданию теории.
Стимуляция теории (Э)
В более поздние периоды мы находим заслуживающие внимания наблюдения, которые стимулировали появление теории. Полковник наполеоновских инженерных войск, Э. Л. Малю (1775-1812), экспериментировал с исландским шпатом и заметил действие вечернего света, отражаемого от окон неподалеку от Люксембургского дворца. Свет проходил через кристалл, когда тот находился в вертикальной плоскости, и не проходил через него, когда кристалл занимал горизонтальное положение. Аналогичным образом явление флюоресценции было впервые замечено Джоном Гершелем (1792-1871) в 1845 году, когда он обратил внимание на голубой свет, испускаемый раствором сульфата хины, когда тот определенным образом освещался.
По своей природе заслуживающие внимания наблюдения должны быть только началом исследования. Не следует ли в таком случае признать справедливым мнение, согласно которому имеются начальные наблюдения, которые предшествуют теории, но все же согласиться с тем, что все преднамеренные наблюдения определяются теорией, как это утверждает Поппер? Я думаю, что не стоит. Возьмем, к примеру, Давида Брюстера (1781-1868), теперь забытого, но когда-то очень плодотворного экспериментатора.* Брюстер был основной фигурой в экспериментальной оптике между 1810 и 1840 годами. Он определял законы отражения и преломления для поляризованного света. Он был способен вызывать двойное лучепреломление (то есть поляризационные свойства) в телах под действием давления. Он открыл двуосное двойное преломление и сделал первые фундаментальные шаги в открытии сложных законов металлического отражения. Теперь мы говорим о законах Френеля, законах синуса и тангенса для интенсивности отраженного поляризованного света, но Брюстер опубликовал их в 1818 году, за пять лет до того, как Френель описал их в рамках волновой теории. Работа Брюстера дала материал, на котором впоследствии основывались многие открытия в волновой теории. Но если можно говорить о его теоретических взглядах, то он, скорее, был ньютонианцем и считал, что свет состоит из потоков корпускул. Брюстер вообще не проверял и не сравнивал теорий. Он пытался понять, как ведет себя свет.
Брюстер твердо придерживался “неправильной” теории, изучая на опыте явление, которое мы можем понять только с помощью “правильной” теории, той теории, которую он громогласно отвергал. Он не “интерпретировал” свои экспериментальные находки в свете неправильной теории. Он установил некие явления, которые любая теория в конце концов должна описывать. Брюстер не был одинок в таком положении. Более поздний блестящий экспериментатор Р.У. Вуд (1868-1955) в промежутке между 1900 и 1930 годами внес фундаментальный вклад в квантовую оптику, сохраняя полную невинность по части знания квантовой механики и даже скептически относясь к ней.
Резонансная радиация, флюоресценция, поглощение спектров, спектры Рамана – все это требует понимания в терминах квантовой механики, но своим вкладом в науку Вуд обязан, так же как и Брюстер, не теории, а замечательной способности заставить природу вести себя по-новому.
Явления, не имеющие смысла
Я не настаиваю на том, что интересные наблюдения достаточны сами по себе. Множество явлений, вызывающих огромное интеллектуальное возбуждение, затем остается под сукном из-за того, что нельзя понять, что они означают, как они связаны с остальными явлениями, или как их можно использовать. В 1827 году ботаник Роберт Броун сообщил о неравномерном движении цветочной пыльцы, взвешенной воде. Это броуновское движение наблюдалось другими исследователями уже 60 лет назад. Некоторые считали, что это движение – проявление жизненной активности самой пыльцы. Броун провел кропотливые исследования, но долгое время они ни к чему не приводили. Только в первом десятилетии нашего века одновременно несколькими экспериментаторами, такими как Ж.Б. Перрен, и теоретиками, в том числе Эйнштейном, была проделана работа, показавшая, что пыльца приводится в движение молекулами воды. Именно эти результаты в конечном счете изменили позицию самых закоренелых скептиков в отношении теории газов.
Сходная история произошла с фотоэлектрическим эффектом. В 1839 году А.С. Беккерель заметил очень любопытную вещь. У него была маленькая электрическая батарея, то есть пара металлических пластин, погруженных в разбавленную кислоту. Освещение светом одной из пластин изменяло напряжение, создаваемое батареей. Это вызвало огромный интерес – приблизительно на два года. Были замечены и другие отдельные явления. Так, например, сопротивление металлического селена уменьшалось просто при его освещении (1873). И на этот раз выяснение того, что при этом происходит, было отложено до Эйнштейна. Открытые закономерности дали возможность сформулировать теорию фотона и разработать бесчисленные известные приложения, включая телевидение (фотоэлектрические ячейки преобразуют отраженный от предмета свет в электрические токи).