Изобретение (Э)
Вопрос, поставленный в терминах теории и эксперимента, уводит в неправильную сторону, потому что он рассматривает теории как один, достаточно однородный тип вещей, а эксперимент – как явление другого типа. Я обращусь к разнообразию теорий в главе 12. Мы уже видели разнообразие типов экспериментов, но существуют и другие релевантные категории, среди которых одной из самых важных является изобретение. История термодинамики – это история практического изобретения, которое постепенно приводит к теоретическому анализу. Один из путей к новой технологии – это разработка теории и эксперимента, которые затем применяются к практическим проблемам. Но есть и другой путь, на котором изобретения идут своим ходом, а теория создается попутно. Наиболее очевидный и лучший пример – паровой двигатель.
Можно отметить три фазы изобретения парового двигателя и несколько экспериментальных концептов, использовавшихся при этом. Этими изобретениями являются атмосферный двигатель Ньюкомена (1709-1715), конденсирующий двигатель Уатта (1767-1784) и двигатель высокого давления Тревитика (1798). В основе половины разработок, следовавших за исходным изобретением Ньюкомена, лежало понятие “производительности” двигателя, что означало число футофунтов воды, которое закачивалось на бушель угля. Кому принадлежала идея этой единицы, теперь не известно. Наверное, этот человек не вошел в историю науки, это, скорее, какой-нибудь прижимистый владелец шахты на Корнуэлле, который замечал, что некоторые двигатели работали более эффективно, чем другие, и не мог допустить того, чтобы на соседней шахте была большая норма выработки. Вначале успех ньюкоменского двигателя был не очень явным, поскольку лишь на глубоких шахтах достигалось существенное преимущество перед лошадиным приводом. После семнадцати лет проб и ошибок Уатт создал двигатель с производительностью по крайней мере в четыре раза выше, чем у лучшего ньюкоменского двигателя. (Представьте себе обычный автомобиль, обладающий той же мощностью, но расходующий литр бензина не на десять километров, а на сорок).
Уатт первым ввел отдельный холодильник, затем сделал двигатель двойного действия, то есть позволил пару входить с одной стороны цилиндра, создавая вакуум с другой стороны. Наконец, в 1782 году Уатт ввел принцип расширительного действия, разделяя поток пара в цилиндре в начале его течения так, что он начинает расширяться остальную часть цикла под своим собственным давлением. Расширительное действие означает некоторую потерю в мощности, но выигрыш в “производительности”. Из всех этих идей самой полезной была идея расширительного действия. С практической стороны очень помогла индикаторная диаграмма, изобретенная около 1790 года помощником Уатта Джеймсом Саузерном. Индикатор был самопишущим устройством, который можно было присоединять к двигателю, для того чтобы отмечать давление в цилиндре в зависимости от объема пара, поступающего за данный такт: площадь под такой кривой была мерой работы, проделанной за данный такт. Индикатор использовали для того, чтобы максимально эффективно настроить двигатель. Эта самая диаграмма стала частью цикла Карно в теоретической термодинамике.
Большим достижением Тревитика, первоначально имевшем больше отношения к его решительности, чем к теории, было продолжение конструирования двигателей, работавших под большим давлением, хотя это и увеличивало опасность взрыва. Первый аргумент в пользу работы с большим давлением – это компактность: можно получить большую мощность от двигателя того же размера. В 1799 году Тревитик построил первый успешный локомотивный двигатель. Вскоре был достигнут другой результат. Если двигатель высокого давления работал с расширением и ранним отсечением части пара, его производительность становилась выше (в конечном счете намного выше), чем у лучших двигателей Уатта. Потребовался гений Сади Карно (1796-1832) для того, чтобы понять это явление и увидеть, что преимущество двигателя высокого давления состоит не только в давлении, но и в росте точки кипения воды, находящейся под давлением. Эффективность двигателя зависит не от разницы давлений, а от разницы температур пара, входящего в цилиндр, и расширившегося пара, выходящего из цилиндра. Так на свет появился цикл Карно, понятие термодинамической эффективности и, наконец, когда идеи Карно соединились с принципом сохранения энергии, – сама наука термодинамика.
Что же означает “термодинамика”? Эта наука имеет дело не только с потоками тепла, которые могли бы быть названы его динамикой, но и тем, что могло бы быть названо термостатическими явлениями. Может быть, название неправильное? Нет, Кельвин придумал слово “термодинамический двигатель” в 1850-м году для обозначения любой машины, сходной с паровым двигателем или идеальным двигателем Карно. Эти двигатели были названы динамическими, потому что они преобразуют тепло в работу. Так, само слово “термодинамика” напоминает нам, что эта наука возникла из глубокого анализа известной последовательности изобретений. Развитие этой технологии включало бесконечные “эксперименты”, но не в попперовском смысле экспериментов по проверке теории или индукции в смысле Дэви. Эксперименты были изобретательными попытками улучшить технологию, которая лежит в центре промышленной революции.
Множественность экспериментальных законов, ожидающих своей теории (Э)
“Теория свойств металлов и сплавов” (1936) – это обычный учебник, составители которого – известные авторы Н. Ф. Мотт и Х. Джонс среди прочих вещей обсуждают проводимость электричества и тепла в различных металлических веществах. Что должна объяснять хорошая теория этого предмета? Мотт и Джонс говорят, что теория металлической проводимости кроме прочего должна объяснять следующие экспериментальные результаты:
(1) Закон Видеманна-Франца, который устанавливает, что отношение тепловой проводимости к электрической равно LT, где T – абсолютная температура, а L – константа, одинаковая для всех металлов.
(2) Абсолютное значение электрической проводимости чистого металла и его зависимость от места металла в периодической таблице, например, большая проводимость одновалентных металлов и малая проводимость переходных металлов.
(3) Относительно высокий рост сопротивления, вызываемый небольшими нарушениями чистоты раствора, и правило Матиссена, которое устанавливает, что изменение в сопротивлении из-за малого количества постороннего металла в твердом растворе не зависит от температуры.
(4) Зависимость сопротивления от температуры и давления.
(5) Возникновение сверхпроводимости.
Мотт и Джонс продолжают, заявляя, что “за исключением пункта (5), теория проводимости, основанная на квантовой механике, дала по крайней мере качественное представление всех указанных результатов” (p. 27). (Квантовомеханическое понимание сверхпроводимости было окончательно достигнуто в 1957 году).
Экспериментальные результаты из этого списка были установлены задолго до того, как возникла теория, которая свела их воедино. Закон Видеманна-Франца (1) был открыт в 1853 году, правило Матиссена (3) – в 1862 году, связь между проводимостью и положением в периодической системе (2) – в 1890 году и сверхпроводимость (5) – в 1911 году. Данные были известны давно, не хватало связывающей их теории. Различие между этим случаем и случаями с оптикой и термодинамикой заключается в том, что здесь теория не появляется непосредственно из данных. Она следует из более общего понимания атомной структуры. Квантовая механика была в данном случае одновременно и стимулом и решением. Никто не мог доказать, что организация феноменологических законов в рамках общей теории – предмет лишь индукции, аналогии или обобщения. Теория в конечном счете имеет решающее значение для знания, его роста и применений. Сказав это, не будем делать вид, что различные феноменологические законы физики твердого тела нуждались в теории – какой-нибудь теории – до того, как о них узнали. Экспериментирование имеет много собственных жизней, независимых от теории.
Слишком много примеров?
После этого бэконианского изобилия примеров относительно множества различных связей между экспериментом и теорией читателю может показаться, что какое-либо обобщающее заключение вообще не может быть сделано. Это уже достижение, потому что, как показывают цитаты из Дэви и Либиха, односторонний взгляд на эксперимент определенно неправилен. Давайте перейдем к какому-либо положительному финалу. Что такое наблюдение? Разве мы видим реальность в микроскоп? Существуют ли решающие эксперименты? Зачем люди с одержимостью измеряют некоторые величины, чье значение, вычисленное по крайне мере до третьего знака, не представляет никакого внутреннего интереса для теории или технологии? Есть ли что-либо в природе экспериментирования, что превращает экспериментаторов в научных реалистов? Начнем с начала. Что такое наблюдение? Заряжено ли теорией каждое научное наблюдение?
10. НАБЛЮДЕНИЕ
Общеизвестные факты о наблюдении искажены двумя модными философскими установками. Одна из них – это мода на то, что Куайн называет семантическим восхождением (не говорите о вещах, говорите о том, как говорить о вещах). Другая – это утверждение о доминировании теории над экспериментом. Согласно первой установке, нужно думать не о наблюдении, а о предложениях о наблюдении – словах, используемых для отчета о наблюдениях. Согласно второй, каждое предложение наблюдения нагружено теорией и нет наблюдения, предшествующего теории. Значит, мне лучше начать с некоторых нетеоретических нелингвистических тривиальностей.