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

• Название: Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
• Автор: Роберт Криз
• Жанр: Научпоп
• Год: 2014

Может ли наука быть красивой? Автор этой книги, известный философ и историк науки Роберт Криз, уверен, что именно красота делает научный эксперимент по-настоящему убедительным. «Призма и маятник» – это увлекательное научное путешествие длиной в 2500 лет: от первых опытов Эратосфена по измерению окружности Земли до последних открытий в области физики элементарных частиц. Детальное описание великих экспериментов поможет нам понять, как устроено мышление гениальных ученых, сумевших открыть и наглядно продемонстрировать нам фундаментальные основы мира, в котором мы живем.

---

До недавнего времени с экспериментами Галилея с падающими телами было связано несколько загадок. Одна из них восходит к его странному наблюдению, приведенному в трактате «О движении», что менее плотное тело при падении вначале опережает более плотное тело, которое затем нагоняет его. В 1980-е годы историк науки Томас Сеттл повторил эксперименты Галилея с участием психолога и, к своему изумлению, обнаружил то же, на что в свое время обратил внимание Галилей. Дальнейшие исследования пролили свет на эту загадку: от удерживания более тяжелого предмета рука больше устает, что заставляет экспериментатора отпускать предмет медленнее, хотя сам он убежден, что бросает оба предмета одновременно36.

Еще одна недавно раскрытая загадка касается описания Вивиани и того, почему, если эксперимент на Пизанской башне действительно имел место, Галилей ни разу не упомянул о нем в своих собственных сочинениях. В 70-е годы ХХ столетия историк науки Стиллман Дрейк, изучавший наследие Галилея, внимательно проанализировал переписку ученого за 1641–1642 годы. Галилей, к тому времени уже практически слепой и находившийся под домашним арестом, просил Вивиани читать ему вслух приходившие письма и диктовал ответы. В начале 1641 года Галилей получил несколько писем от своего старого друга и коллеги Винченцо Реньери, который незадолго до того стал профессором математики в Пизанском университете, заняв ту кафедру, во главе которой когда-то стоял сам Галилей.

В одном из писем Реньери упомянул о своем эксперименте, в ходе которого он сбросил два шара – один деревянный, другой свинцовый – с «верха соборной звонницы», каковой и является знаменитая «Падающая башня». Ответ Галилея не дошел до нас, однако из следующего письма Реньери становится ясно, что Галилей в этом ответе сослался на собственное описание подобных экспериментов в «Беседах и математических доказательствах» и предложил Реньери повторить эксперимент с телами разного веса, но сделанными из одного и того же материала, чтобы выяснить, не влияет ли выбор материала на результат (как оказалось, не влияет). Письмо Реньери оживило воспоминания Галилея о его собственных экспериментах в Пизе с падающими телами из одинакового материала, которые он, вероятно, описывал Реньери или, по меньшей мере, Вивиани. Если это действительно так, то становится ясным, откуда Вивиани была известна история, которую сам Галилей мог давно забыть, и почему Вивиани в своем сочинении совершенно определенно сообщает, что Галилей пользовался шарами из одного и того же материала.

Конечно, труд Вивиани не свободен от неточностей; обычно это незначительные ошибки в хронологии, в оценке значимости и в отдельных мелких деталях. С другой стороны, почему Галилей должен был обязательно упоминать в своих сочинениях Пизанскую башню? Он упоминает о «высоких строениях», и тот факт, что одним из таких высоких строений была Пизанская башня – весьма второстепенная особенность эксперимента, никак не влияющая на достоверность и ценность его результатов. После анализа всех имевшихся в нашем распоряжении материалов Дрейк пришел к выводу, что в письме к Реньери Галилей, возможно, описал эксперимент с падающими телами, который он провел именно на Пизанской башне, и данное описание и стало источником знаменитой истории в книге Вивиани37.

Еще одного известного историка науки Бернарда Коэна утомили бесконечные вопросы: «бросал ли Галилей шары с Пизанской башни»» и «что будет, если их оттуда все же сбросить?» на которые ему приходилось постоянно отвечать: «Не знаю». Во время Международного конгресса по истории науки 1956 года, заседания которого проходили в разных городах Италии, включая Пизу, Коэн пришел к Пизанской башне, попросил коллег и студентов удалить всех прохожих от ее подножия и поднялся по скользким ступеням накренившейся лестницы на самый верх. Оказавшись там, он вытянул руки над парапетом южной стороны башни и – не без усилия – сбросил оттуда два шара разного веса. Они ударились о землю практически одновременно – бум - бум ! – на глазах у завороженных зрителей. Завороженных не тем, что они увидели нечто неожиданное, а совсем наоборот – они стали свидетелями исторического события: прославленный эксперимент Галилея был проведен у них на глазах.

И, возможно, вообще впервые.

Интерлюдия Эксперименты и демонстрации

«Мишель воспроизводит эксперимент Галилея на Пизанской башне» – так называется эта экспозиция в Бостонском музее науки. Мишель – это девочка-афроамериканка лет двенадцати в комбинезоне. Она взгромоздила на стол два ящика, затем сама взобралась туда и теперь держит в левой руке ярко-красный бейсбольный мяч, а в правой – ярко-желтый мяч для гольфа. Она уже, по всей видимости, собиралась бросить их, как вдруг вошла ее мать и в мгновение, запечатленное в скульптуре, с явным неодобрением смотрит на дочь. Как сообщает табличка у нее над головой, мать Мишель думает: «Господи, что тут такое происходит?!» Мысли Мишель совсем иные: «Интересно, какой из них упадет первым?»

«Как движутся падающие тела? – продолжает табличка. – Упадет ли бейсбольный мяч раньше, чем мяч для гольфа? Мишель, как Галилей за 400 лет до нее, решила сама это выяснить… „Я сам это проверю“ – так говорим мы всякий раз, когда не хотим просто принять чьи-то слова на веру».

Эта экспозиция демонстрирует концептуальную простоту легендарного эксперимента Галилея на Пизанской башне; но она также является свидетельством некоторого упрощения данной легенды и, наконец, иллюстрирует определенное различие между экспериментом и демонстрацией.

Мишель проводит эксперимент – некую последовательность действий, которые впервые откроют ей какую-то истину. Мы задумываемся о необходимости проведения подобной процедуры, когда отыскание ответа на определенный вопрос становится для нас принципиально важным, а отыскать его путем теоретических построений не удается. Для получения ответа нам необходимо спланировать эксперимент, осуществить его, тщательно пронаблюдать и интерпретировать результаты. Мы не можем знать заранее, каковы будут эти результаты. Подобная неуверенность заставляет нас с чрезвычайной тщательностью готовить все аспекты процедуры.

Получение некоего результата в ходе эксперимента не похоже на получение правильного ответа на вопрос в тесте множественного выбора, поскольку в эксперименте важен любой результат, даже если он не оправдывает наши ожидания и оставляет нас в еще большем недоумении. Но его следствием все равно становится определенная научная трансформация. Здесь заключено одно из основных отличий между шахматами и математикой, на которые обращал внимание Харди. Играя в шахматы, мы не меняем правила игры, однако отыскание математического доказательства – или результат научного эксперимента – изменяет науку, добавляя к ней некое новое знание. Благодаря этому наши исследования не заканчиваются экспериментом, а лишь получают новый поворот и еще более углубляются.

По какой-то причине Мишель заинтересовалась проблемой падения тел. Мы не знаем, почему. Возможно, она что-то прочитала о Галилее и это удивило ее. Она достаточно серьезно подходит к проведению своего эксперимента. Совершенно очевидно также и то, что, какими бы ни были результаты ее эксперимента, он не станет завершением ее изысканий, так как поставит перед ней новые вопросы.

Повторение эксперимента без изменений превращает его в демонстрацию. В первом проведении экспериментатор и зритель – это один и тот же человек, эксперимент проводится ради того, чтобы прояснить нечто важное для самого экспериментатора и, возможно, его коллег. Демонстрация же – стандартизованная процедура, в которой демонстратор и аудитория не одно и то же. Если Галилей на самом деле сбрасывал шары различного веса с крыши Пизанской башни, вполне возможно, что он делал это в качестве демонстрации: не столько чтобы прояснить нечто для себя самого, сколько чтобы убедить других.

Сегодняшние ключевые эксперименты завтра превратятся в предмет обычных демонстраций. Демонстрация есть воспроизведение эксперимента с некой внешней целью, и в зависимости от цели – повышение мотивации учащихся, стремление убедить инвестора или произвести впечатление на журналистов – демонстрация организуется по-разному. Граница между экспериментом и демонстрацией не всегда четкая, так как нередко ученый уже в ходе планирования и подготовки эксперимента начинает понимать, каков должен быть его результат, и предприимчивый экспериментатор включает уже в первый эксперимент элемент демонстрации. С другой стороны, не все демонстрации проходят так, как первоначально планировалось. Иногда их ход нарушают вполне обыденные обстоятельства, но порой в них проявляется некий новый фактор, о котором ранее ничего не было известно.