История, ориентированная на теорию

Может показаться, что я преувеличиваю, когда утверждаю, что история, ориентирующаяся на теорию, искажает наше восприятие эксперимента. На самом деле я об этом говорил еще слишком мало. Например, я поведал историю о трех градусах по Кельвину так, как она расказывалась самими Пензиасом и Вильсоном в их автобиографическом фильме "Три градуса". Они проводили исследование и обнаружили равномерное фоновое излучение, не имея никакой теории. Но вот что происходит с этим же самым экспериментом, когда он становится "историей":
"Теоретические астрономы предсказали, что если миллиарды лет назад произошел Большой Взрыв, то охлаждение должно происходить и в настоящее время. Охлаждение снизило исходную температуру, которая, видимо, достигала миллиардов градусов, до 3° К - трех градусов выше абсолютного нуля.
Радиоастрономы считали, что если они могут нацелить очень чувствительный прибор на чистое место на небе, то есть на область, которая представляется пустой, то можно будет определить, правы ли были теоретики или нет. (курсив - Я. Х.) Это было проделано в начале 1970-х годов. Два ученых из Телефонных Лабораторий Белла (т. е. оттуда же, где Карл Янски открыл космическое радиоизлучение) поймали радиосигналы из 'пустого' космоса. Выяснив все возможные источники этих сигналов, они так и не смогли определить причину сигнала, соответствующего температуре 3° К. После первого эксперимента проводились и другие. Они всегда давали один и тот же результат - 3° К.
Космос не абсолютно холоден. По-видимому, температура Вселенной составляет 3° К. Это в точности та температура, которую должна иметь Вселенная, если она возникла 13 миллиардов лет назад в результате Большого Взрыва".
Другим примером переписывания истории может служить история с мезонами и мюонами, описанная в главе 6. Две группы исследователей обнаружили мюон, исследуя космические лучи с помощью пузырьковых камер и применяя формулу потери энергии Бете-Гайтлера. Теперешняя история говорит, что они будто бы искали "мезон" Юкавы и ошибочно полагали, что обнаружили его, хотя на самом деле они никогда не слышали о гипотезе Юкавы. Я не то чтобы хотел сказать, что компетентные историки науки представляют все в столь неверном свете. Я просто указываю на постоянный крен к теории в популярной истории науки и научном фольклоре.

Ампер - теоретик

Не следует думать, что в некоей новой науке эксперимент и наблюдение предшествуют теории, даже если позже теория и будет предшествовать наблюдению. А.-М. Ампер (1775-1836) - прекрасный пример того, как великий ученый начинает с теоретического основания. Первоначально он занимался химией и конструировал сложные модели атомов, которые он использовал для того, чтобы объяснять и развивать экспериментальные исследования. Эти занятия не увенчались особенным успехом, хотя Ампер и был среди тех, кто около 1815 года независимо пришел к тому, что мы теперь называем законом Авогадро: одинаковые объемы газа при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул независимо от типа газа. Как я уже замечал в главе 7, Ампер восхищался Кантом и настаивал на том, что теоретическая наука - это изучение ноуменов, лежащих в основе феноменов, явлений. Мы образуем теории о вещах самих по себе, то есть ноуменах, и тем самым способны объяснить феномены. Это не совсем то, что подразумевал Кант, но в данном случае это не важно. Час Ампера как теоретика пробил 11 сентября 1820 года. Он присутствовал при том, как Эрстед демонстрировал отклонение стрелки компаса электрическим током. Начиная с 20 сентября, Ампер в своих еженедельных лекциях излагал основы теории электромагнетизма. Он писал их по мере продвижения исследований.
Такова, по крайней мере, история. Ч. В. Ф. Эверитт указывает на то, что здесь должно быть нечто большее и что Ампер, не имея своей собственной посткантовской методологии, написал свою работу, чтобы как-то соответствовать методологии Канта. Великий теоретик и экспериментатор в области электромагнетизма Джеймс Клерк Максвелл провел сравнение Ампера и Майкла Фарадея, ученика Хэмфри Дэви, воздавая хвалу как "индуктивисту" Фарадею, так и "дедуктивисту" Амперу. Он описывает исследования Ампера как "одно из самых замечательных достижений в науке,...совершенных по форме, неопровержимых по точности..., заключенных в формулу, из которой могут быть выведены все явления". Но затем говорит, что в то время как работы Фарадея ясно показывали работу ума, -
"мы вряд ли можем поверить в то, что Ампер в самом деле обнаружил закон действия с помощью экспериментов, которые он описывал. Мы вынуждены подозревать, что на самом деле он открыл закон путем некоторого размышления, которое он нам не демонстрирует, и что построив прекрасное доказательство, он устраняет даже следы тех лесов, с помощью которых он воздвиг это здание."
В своей "Структуре научного вывода" Мэри Хессе замечает (pp. 201f, 262), что Максвелл называет Ампера Ньютоном электричества. Это наводит на мысль о другой традиции относительно природы индукции, которая восходит к Ньютону: он говорит о дедукции из феноменов, которая по сути является индуктивным процессом. Из явлений мы выводим высказывания, которые описывают явления в общем виде, а затем становимся способными, по размышлении, создать новые явления, о которых раньше и не думали. В любом случае, таковы были действия Ампера. Каждую свою лекцию он начинал с демонстрации аудитории некоего явления. Очень часто эксперимент, который создавал явление, придумывался лишь после предыдущей лекции.

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.