Редкость явлений
Не случайно, что в эпоху Возрождения слово “явление” применялось преимущественно по отношению к небесным событиям. Не случайно также, что теперь астрономия – наиболее уважаемая из древних эмпирических наук. Одна из хороших, хотя и непроверенных гипотез заключается в том, что огромное разнообразие гигантских земляных сооружений, каменные кольца, Стоунхендж, храмы народа Майя и т. п. объекты, разбросанные по всем частям света, были построены огромной ценой, для того чтобы изучать звезды или приливы. Почему старая наука почти на каждом континенте развивалась, начиная с изучения звезд? Потому, что лишь небо предоставляет некоторые явления непосредственно, а все другие добываются – с помощью тщательного исследования и сопоставления. На фоне всеобщего хаоса только планеты и более отдаленные тела подчиняются правильной комбинации сложных закономерностей.
Но разве Бог не предоставил человечеству возможность заметить другие явления, отличные от небесных, такие как приливы и другие периодические явления, например, менструацию? Мне скажут, что мир полон очевидных явлений. В связи с этим будут приводить всякого рода аргументы пасторального характера. Но все они по-преимуществу упоминаются городскими философами, которые ни разу в жизни не собирали зерно и не доили козу. (Множество моих размышлений о недостатке явлений в мире происходят из моих ранних утренних наблюдений за дойкой нашей козы Медеи. Годы ежедневных наблюдений помешали нам сделать какие-либо истинные обобщения относительно Медеи, разве, может быть, то, что “Она часто своенравна”.) Когда я говорю, что в мире мало явлений, мне приводят в ответ традиционные практические знания матерей и охотников, моряков и поваров. И все же, когда мы говорим с романтиком, который советует нам стать мудрее и вернуться к природе, нам советуют не подмечать ее явления, а стать частью ее ритма. Кроме того, большая чать вещей, которые называются природными, например, дрожжи для закваски хлеба, имеют длинную технологическую историю.
За пределом планет, звезд и приливов, в природе существует достаточно мало явлений, ожидающих своего наблюдения. Каждый вид растений и животных имеет свои привычки, и я полагаю, что каждая из них может быть названа явлением. Может быть, история природы также полна явлений, как и ночное небо. Каждый раз, когда я говорю, что в природе существует столько-то явлений, которые предстоит наблюдать, скажем 60, мне мудро напоминают о существовании и других явлений. Но даже тот, кто составит самый длинный список, согласится, что большинство явлений современной физики было изготовлено. Явления, относящиеся к видам – например, заключающееся в том, что лев-самец во время охоты лишь страшно рычит, сидя неподвижно у своего жилища, в то время как самки преследуют и загоняют испуганную газель, – относятся лишь к единичным курьезным случаям. Но явления физики – эффект Фарадея, эффект Холла, эффект Джозефсона служат ключами, открывающими вселенную. Люди создают ключи, но также, видимо, и замки, которые ими открываются.
Эффект Джозефсона
Было давно известно, что при температуре около 4° К происходит масса занятных вещей. Вещества становятся сверхпроводящими, так что сменив тепловой режим и индуцируя ток в замкнутой электрической цепи, можно получить вечный электрический ток. Что произойдет, если сверхпроводники будут разделены тонким листом электроизолятора? Что произойдет, если два сверхпроводника будут соединены батареей? В 1962 году Брайан Джозефсон предсказал, что между двумя сверхпроводниками, разделенными изолятором, будет течь ток. Более того, если присоединить батарею, то возникнет режим автоколебаний.
Эффект Джозефсона выводим из теории сверхпроводимости, которую пятью годами ранее выдвинули Дж. Бардин, Дж. Н. Купер и Дж. Р. Шриффер (теория BCS*). Сверхпроводимость – это движение пар электронов, называемых куперовскими парами, которые не встречают никакого препятствия в охлажденном теле. Для того чтобы ток прекратился, все куперовские пары должны одновременно остановиться. Это происходит так же часто, как закипание воды в холодильнике. Когда сверхохлажденное тело нагревается, электроны разделяются, блуждая заходят в атом или что-либо еще и останавливаются. Джозефсон понял, что куперовские пары будут проходить через изолятор, создавая ток Джозефсона. Возможно, что этот удивительный эффект не был бы установлен, если бы уже не существовала теория BCS. Такая гипотеза могла бы показаться теперь анахронизмом, поскольку основная идея связана с квантованием электронного потока, о котором в то время много говорили. Только недавно квантование потока стало “очевидным” следствием теории BCS. Каковы бы ни были реальные тонкости, связанные с фактами, мы можем отметить все разнообразие явлений. Фарадей обнаружил свой магнитооптический эффект, потому что надеялся найти взаимодействие между электромагнетизмом и светом. Холл обнаружил свой эффект, потому что электродинамика Максвелла предполагала, что должно существовать два или три взаимодействия. Джозефсон обнаружил свой эффект, сделав блестящий вывод из теоретических посылок. Холл не “подтверждал” теории Максвелла, хотя и добавил еще один факт в духе Максвелла. Джозефсон в самом деле подтвердил новую теорию сверхпроводимости, но не потому, что теория дает наилучшее объяснение этого явления, а потому, что никому бы не пришло в голову создавать именно это явление без теории.
В последнем абзаце я сменил способ выражения: от нахождения эффекта к созданию явления. Это сделано намеренно. Эффект Джозефсона не существовал в природе до тех пор, пока у людей не было соответствующей аппаратуры. Эффект не предшествовал теории. Разговоры о создании явлений становятся наиболее убедительными, когда явление предшествует какой-либо сформулированной теории, но это не обязательно. Множество явлений создается после теории.
Эксперименты не идут
Нет более известного изречения, чем утверждение о том, что экспериментальные результаты должны быть повторяемы. На мой взгляд, это звучит как тавтология. Эксперимент – это создание явлений, а явления должны обладать различимой закономерностью, так что эксперимент, который не повторяем, не может создать явление.
У студентов другой опыт. Больше не существует общего мнения о том, что теоретический курс “надо оценивать” в лаборатории: эксперименты не идут, числа нужно подгонять, реагенты не реагируют, колония бактерий не растет. Лабораторию нужно усовершенствовать!
С этой проблемой сталкиваются не только на стадии обучения. В моем университете есть некий очень сложный и дорогой прибор X. Таких приборов в мире очень мало, может быть, только наш прибор работает очень хорошо. Это такой прибор, для работы с которым нужно заказывать время за год вперед, и ваша заявка будет бесконечно обсуждаться, после чего вам разрешают поработать на приборе два дня. Молодой энтузиаст A получает с помощью прибора X впечатляющие результаты. Признанный и опытный в той же области специалист B приезжает поработать два дня и терпит неудачу. Он предлагает с пристрастием посмотреть на результаты работы A. В самом ли деле A получил то, о чем он заявляет, или он всех обманывает? (Это подлинная история, основанная на случае, произошедшем с некоторым профессором, на чью работу мне довелось писать рецензию).
Конечно, в настоящее время некоторые лабораторные курсы просто ужасны. Порой уже старый B не имеет нужной сноровки, а может быть, молодой A действительно вводит всех в заблуждение. Тем не менее, парадоксальность обобщения заключается в том, что большая часть экспериментов большую часть времени “не идут”. Игнорировать этот факт означает забыть то, в чем, собственно, заключается эксперимент.
Экспериментирование означает создание, производство, уточнение и приведение к устойчивости явлений. Если явления были бы разнообразны по своей природе и их также легко можно было бы собирать, как лесные ягоды, то было бы удивительно, если бы эксперименты не шли. Но получение устойчивых явлений – тяжелый процесс. Вот почему я говорю о создании, а не просто об открытии явлений. Это долговременная трудная задача.
Или, скорее, это бесконечное число различных задач. Среди них – разработка эксперимента, который бы пошел, а также обучение тому, как сделать так, чтобы эксперимент пошел. Но, наверное, подлинное мастерство заключается в том, чтобы понять, когда эксперимент в самом деле идет правильно. Это одно из объяснений того, почему наблюдение, в научно-философском смысле этого слова, играет относительно малую роль в экспериментальной науке. Описание эксперимента у оксфордских философов, выглядящее как считывание и записывание показаний приборов, не имеет отношения к реальности. То, что имеет реальное значение, – это необыкновенная способность замечать все странное, неправильное, поучительное или искаженное в причудливом поведении приборов. Экспериментатор – не “наблюдатель” в смысле традиционной философии науки, а скорее бдительная и наблюдательная личность. Только когда экспериментатор наладит свои приборы, он может получать и записывать наблюдения. Но это уже пикник в конце пути.