Из истории научных построений

8 апреля 2004 г.

Вместо рассуждений о смысле работы теоретика я хочу представить тебе один из первых примеров правильного теоретического построения, принадлежащего Галилею. В средние века философы и богословы, бывшие тогда единственными учёными, много сделали для того, чтобы скомпрометировать всякую «теорию». Неуважение к этому слову сохранилось у практичных англичан до девятнадцатого века, когда выражение “this is a theory” означало пустое умствование. В ту пору естествознание сводилось к некоторому числу известных фактов, хотя из древности были унаследованы геометрия в виде «Начал» Эвклида и начала астрономии в «Альмагесте» Птолемея. Теории, содержавшиеся в этих книгах, в средние века не применялись, а иногда заучивались. В частности, у Птолемея была теория, по которой Земля была шаром, что противоречило общеизвестным фактам. Но Колумб принял эту теорию всерьёз, потому что были уже учёные, понимавшие её и объяснившие её этому способному молодому человеку. Вследствие этого он поплыл в Китай не на восток, а на запад, и случайно открыл Америку, которую теория Птолемея не предсказывала. Но я хочу описать менее известную теорию, из которой возникла современная наука. От Аристотеля дошла среди прочих его сочинений, «Физика». Аристотеля европейцы получили от арабов в Испании, в арабском переводе, и его продукция пользовалась большим авторитетом у арабских философов, так как он был учитель великого Искандера. Это уважение от них унаследовали европейские схоласты, ездившие учиться в Испанию – около тысячного года. Всё это ты, конечно, знаешь: отсюда пошло особое положение Аристотеля в европейской философии. Так вот, физика Аристотеля была собранием глупостей. Среди них было утверждение, что тела падают на землю с разной скоростью: тяжелые быстрее лёгких. Все этому верили, но Галилей пришёл к другому выводу. Он понял, что падение всех тел происходит совершенно одинаково. Создалась легенда, будто он сбрасывал с пизанской башни шары тела разного веса и обнаружил, что если их отпускать одновременно, то они достигают земли за одно и то же время. Но сам он нигде не пишет об этих опытах. В действительности он ему был не нужен, потому что он поставил первый «мысленный эксперимент». Представим себе, что одновременно и рядом друг с другом отпускаются с высоты два одинаковых предмета. Они будут падать отдельно с той же скоростью, как один из них, потому что они не связаны. Теперь соединим их в одно тело, например, склеим, и отпустим вместе. Падение обеих половин полученного тела происходит так же, как каждой из них, потому что возможное их взаимодействие может быть только по горизонтали и не влияет на вертикальное движение. Значит, удвоенное тело падает с той же скоростью. Exit Аристотель!

В действительности Галилей показал, что все тела падают с одинаковым ускорением, увеличивающимся пропорционально времени падения. А его ученик Торичелли в самом деле поставил опыт, где разные тела, такие как металлические шарики и перья, падали в трубке с выкачанным воздухом: Галилей знал уже, что сопротивление воздуха не одинаково для тел разной формы, и учёл эту поправку.

Но важнее всего был открытый Галилеем закон инерции. Аристотель писал, что для равномерного движения тела надо тянуть или толкать его с постоянной силой. Этот факт знает каждый, кто видел движение телеги, но Галилей в этом усомнился. Он смотрел, как скатывают с кораблей бочки в Венеции, и увидел, что с уменьшением наклона настила они скатываются со всё меньшим ускорением. В пределе, если бы бочки скатывались по горизонтальной плоскости, то они двигались бы равномерно. Этот мысленный эксперимент подсказал Галилею, что без всякой горизонтальной силы тела движутся равномерно. Но так не получается на опыте! Может быть, он думал о движении по льду гладкого куска металла, который долго движется равномерно. Во всяком случае, Галилей догадался, что есть ещё сила трения, и что если её убрать, то тело, вовсе не подверженное движению сил, будет сохранять свою начальную скорость. Рассуждения о бочках были теорией, и из неё вышла механика, а потом и вся физика. Отличие Галилея от других, наблюдавших те же факты, состояло в его умении произвести мысленно предельный переход к горизонтальной плоскости и смело отбросить силу трения, которая меньше мешает при качении под углом, чем при качении по горизонтали. Обрати внимание, что вывод Галилея, в наглядном смысле, оправдывается лишь в космическом пространстве, где нет трения, но он верен, если учесть все действующие силы. Силы природы действуют вместе, и понять их можно только рассмотрев идеальные случаи, когда лишь одна из них имеет значение. Такие случаи редки. Факты, действительно наблюдаемые в повседневной жизни, как правило не соответствуют применению одного закона природы, а изображают ещё искажения, происходящие от других. Теоретик – это человек, способный мысленно отделить силы природы друг от друга, и тогда они обнаруживаются в их гармонической красоте. Нет ничего прекраснее хорошей теории. Но применять её на практике могут только настоящие экспериментаторы, способные учесть все помехи. Для «непосвящённых» говорят о «патологии», хотя в природе патологии нет. Итак, опыт доставляет нам смесь разных воздействий. Теоретик – тот, кто умеет выделить составляющие их простые силы. Он говорит, как поставить опыты, чтобы эти силы можно было увидеть без искажений. Когда построенная мною теория системы химических элементов разошлась в нескольких случаях с таблицами известных данных, их перемерили в одном московском институте скептически настроенные физики (не понимавшие теорию), и оказалось, что табличные данные были ошибочны. Сам я не понимал даже, какими методами производятся измерения. Ю.Б. Румер, один из создателей квантовой химии, в юности прославился работой о молекуле какого-то гидрозина. Он рассказал мне об этой работе, но когда я спросил его, что такое этот гидрозин, он возмутился, потому что ничего не знал о конкретных веществах. В производстве это называется разделением труда. В физике теоретики создали не только основу всей современной техники, но и образцы построения научных теорий. При этом отнюдь не самое важное – применение математики, на первых порах важнее навыки выделения составляющих сил, допускающих простое описание. Разложение смеси, сумбура мироздания на относительно простые элементы – это и есть задача теоретиков. Но они должны следовать примеру успешных теорий, а не средневековых схоластов.

Любой монтёр знает лучше меня, как устроены электрические сети и приборы. Но если надо будет понять сложное явление, то экспериментатор составит для меня понятное мне описание, а я сумею применить уравнения Максвелла. Таким образом происходит в науке разделение труда: монтёр даже не может формулировать вопрос в виде, понятном теоретику. Передо мной лежит прекрасный учебник оптики для студентов-физиков, но я не хочу его читать, потому что мне не важны описания приборов – к тому же давно устаревших после издания этой книги. Мне нужны схематические описания, отбрасывающие все детали, важные для практики, но не меняющие существа дела. Я ищу книгу другого уровня. Ведь я всё равно не буду проектировать оптические приборы. Это сделает прикладной физик. Я понимаю теорию относительности лучше Майкельсона, который поставил решающий опыт, но не знаю подробного устройства его интерферометра. Но вот Эйнштейн просто не знал об этом опыте, когда писал свою первую работу. Его беспокоили определённые теоретические трудности.

Если ты поймешь, как сложно устроен мир, тебе придётся примириться с тем, что теоретики не знают многих деталей. Я ещё один из более разносторонних! И хуже всего популяризаторы, упрощающие всё до уровня собственного понимания. Все популярные изложения науки – за редчайшими исключениями – просто невежественны. Аттенборо является исключением. Но я уверен, что он не оспаривает общепринятых в этологии законов Лоренца, а предлагает поправки к ним. В науке законы не опровергаются, а уточняются. Во всяком случае, в его цикле телевизионных лекций, изданном в виде книги, не было никаких возражений против основ этологии, а были интересные иллюстрации к ним. Если он пришёл впоследствии к другим выводам, то было бы интересно прочесть об этом.

В восемнадцатом веке классическая механика считалась сомнительным новшеством и называлась «ньютонианством». В двадцатом веке теория относительности трактовалась как идеологическое извращение, и мнение большинства физиков совпадало вначале с консервативной философией. Опыты по отклонению электронов считались противоречащими формулам Эйнштейна. Всё это не беспокоило тех, кто понимал эти формулы. Кажется, этология всё ещё не пробила себе путь к общему признанию, потому что её выводы противоречат и сентиментальному любованию животными, и представлению Гоббса о «борьбе всех против всех». Этология не является идеологической конструкцией. Она опирается на строго доказанные факты. Книга Лоренца The Foundations of Ethology описывает, как были получены эти факты. На странице 52 я вижу заголовок: Knowing Animals: A Methodological Sine Qua Non. Это предостережение мне, как теоретику. Сам Лоренц, как и Ньютон, был ещё одновременно и теоретиком, и экспериментатором. Разделение труда происходит, таким образом, во мне. Но всё же я думал об этих вещах сорок лет, и очень хотел бы знать, ошибаюсь ли я только в деталях, или в главных идеях. Главы 1 и 2 написаны пять лет назад. С тех пор я следил за работами о происхождении человека, по интернету, где для меня это делал человек, умеющий там искать. Все находки этого периода не противоречили моим догадкам. Я исходил из логического анализа данных, имевшихся в то время. Но, конечно, я должен был полагаться на заключения антропологов, а не на их непосредственные данные. Но я разошёлся с популярной книгой Ричарда Лики (сына Луиса) The Origins, написанной им в сотрудничестве с журналистом Левиным и изображающей наших предков безобидными пожирателями падали. Я не спорю с его находками, но он никудышный теоретик. Ты мог заметить, что моё описание происхождения человека свободно от всякой сентиментальности.

Страница 19 из 30 Все страницы