Утверждения, записи, результаты

Наблюдения и эксперимент - не одно и то же и даже не противоположные полюсы гладкого континуума. Очевидно, что многие интересные наблюдения не имеют ничего общего с экспериментом. Книга "Введение в экспериментальную медицину" Клода Бернара (1865) - классическая попытка различения понятий эксперимента и наблюдения. Он проверяет свою классификацию с помощью множества сложных примеров из медицины, где наблюдение и эксперимент смешались в одно. Доктору Бошаму во время англо-американской войны 1812 года на протяжении длительного времени удалось наблюдать работу пищеварительного тракта человека со страшными кишечными ранениями. Было ли это экспериментом или лишь последовательностью очень важных наблюдений в уникальных обстоятельствах? Я не хотел бы заниматься такими вопросами, вместо этого я хотел бы обратить внимание на нечто более заметное в физике, чем в медицине.
Эксперимент Майкельсона-Морли имеет то преимущество, что его хорошо знают. Он знаменит, потому что задним числом многие историки считают, что он целиком отвергает теорию электромагнитного эфира и в свое время послужил предвестником теории относительности Эйнштейна. Основной отчет, опубликованный в 1887 году, занимает 12 страниц. Наблюдения проводились на протяжении нескольких часов 8, 9, 11 и 12 июля. Результаты эксперимента потрясающе противоречивы. Майкельсон считал, что основной результат заключается в опровержении гипотезы о движении Земли по отношению к эфиру. Как я покажу в главе 15, он также считал, что эксперимент подорвал теорию, которую использовали для объяснения различий между действительным и видимым положением звезд. В любом случае эксперимент продолжался больше года. Этот процесс включал изготовление и переделку аппаратуры, приведение ее в рабочее состояние и, конечно же, получение любопытных фактов во время работы установки. Стало общим местом использовать ярлык "Эксперимент Майкельсона-Морли" для обозначения прерывистой последовательности работ, начавшейся с успеха Майкельсона в 1881 году (или даже с более ранних неудач) и закончившейся работами Миллера 1920-х годов. Можно сказать, что эксперимент продолжался полстолетия, в то время как наблюдения продолжались, может быть, полтора дня. Более того, основной результат эксперимента, хотя он и не является экспериментальным результатом, - это радикальное преобразование возможностей измерения. Майкельсон получил Нобелевскую премию за это, а не за вклад в теорию эфира.
Короче говоря, "фактические утверждения, отчеты о наблюдениях и экспериментальные результаты" Фейерабенда - вещи разных порядков. Свалив их в кучу, мы практически потеряем возможность заметить что-либо происходящее в экспериментальной науке. В частности, они не имеют ничего общего с различением длинных и коротких предложений того же Фейерабенда.

Наблюдение без теории

Фейерабенд говорит, что отчеты о наблюдении и тому подобное всегда содержат или утверждают некоторые теоретические предпосылки. Это утверждение вряд ли стоит обсуждения, поскольку оно очевидно ложно, пока словам не будет придан особый смысл, после чего утверждение станет истинным и одновременно тривиальным.
Большая часть словесной игры возникает из-за слова "теория", слова, которое лучше всего подходит для довольно определенного стиля рассуждений или высказываний с определенным смыслом. К сожалению, в указанной цитате Фейерабенд использовал слово "теория" для обозначения всякого рода неоформившихся, неявных или предполагаемых знаний. Попробуем представить не наносящую урона содержанию выжимку его слов о некоторых якобы существующих привычках и убеждениях:
"Наша привычка говорить о том, что стол коричневый, когда мы видим его при нормальных обстоятельствах, или говорить, что стол кажется коричневым, когда его рассматривают при других обстоятельствах.., наше знание того, что некоторые чувственные впечатления... правдивы, а другие нет.., что среда между нами и объектом не искажает.., что физический объект, который устанавливает контакт, несет истинную картину..."
Предполагается, что все это - теоретические предпосылки, лежащие в основе наших обычных наблюдений, и что "материал, который находится в распоряжении ученого, его самые тонкие теории и самые изощренные методы, структурированы совершенно тем же образом".
Если воспринимать эти слова буквально, то они могут показаться, мягко говоря, довольно опрометчивыми. Например, что такое "Наша привычка говорить о том, что стол коричневый, когда мы видим его при нормальных условиях"? Я сомневаюсь в том, что когда-либо в моей жизни я произносил фразу "стол коричневый" или "кажется, что стол коричневый". У меня определенно нет привычки произносить первую из этих фраз, когда я вижу стол при хорошем освещении. Я лишь однажды видел одного человека, помешанного француза, который постоянно повторял фразу "Это дерьмо" всякий раз когда видел экскременты в нормальных условиях при хорошем освещении, например, когда мы с ним удобряли поле навозом. Но я не буду приписывать несчастному безумцу какое-либо предположение из перечисленных Фейерабендом. Фейерабенд показал нам, как не надо говорить о наблюдениях, речи, теории, привычках или отчетах.
Конечно, у нас есть все виды предрассудков, мнений, рабочих гипотез и привычек, когда мы что-либо говорим. Мы выражаем некоторые из них. Часть из них выводится из контекста. Другие могут быть приписаны говорящему внимательным исследователем человеческого разума. Некоторые предложения, которые могут быть гипотезами или предположениями в одном контексте, не являются таковыми в контексте бытовой рутины. Так, я могу предположить, что воздух между мной и страницей книги не искажает формы слов, которые я вижу и, может быть, я способен исследовать это предположение. (Как?) Но когда я читаю вслух или делаю исправления на этой странице, я просто взаимодействую с чем-либо, представляющим для меня интерес, и неправильно говорить в данном случае о каких-либо теоретических предпосылках. У меня нет даже отдаленной идеи о теории неискажения изображения воздушной средой. Конечно, если вы хотите называть всякое мнение, предзнание, и знание, которое будет изобретено, теорией, то можете поступать и так. Но тогда заявление о теоретической нагруженности ничего не стоит.
В истории науки были важные наблюдения, которые вообще не имели теоретических предпосылок. Заключение предыдущей главы дает тому множество примеров. Сейчас мы приведем другой пример, относящийся к более позднему времени. В этом примере мы можем установить чистое предложение наблюдения.

Гершель и тепло излучения

Уильям Гершель был искусным и ненасытным исследователем полночного неба, человеком, который соорудил самый большой в свое время телескоп и необычайно расширил наш небесный каталог. Я расскажу о случайном событии 1800 года, когда Гершелю был 61 год. Это был год, когда, как мы теперь говорим, он обнаружил тепловое излучение. Он проделал около 200 экспериментов и опубликовал четыре больших статьи по этому вопросу, из которых последняя достигала сотни страниц. Все они могут быть найдены в Философских Трудах Королевского Общества за 1800 год. Он начал с того, о чем мы сейчас думаем как о правильном предположении относительно излучаемого тепла, но оказался в затруднительном положении, не будучи уверенным относительно того, где может скрываться истина.
В одном из своих телескопов он использовал цветные фильтры. Он заметил, что фильтры разных цветов передают разные количества тепла: "Когда я использовал некоторые фильтры, я ощущал тепло, хотя света было немного, в то время как другие фильтры давали много света, но едва вызывали ощущение тепла". Во всей истории физической науки мы не найдем лучшего отчета о чувственных данных. Конечно, мы помним это наблюдение не из-за качества ощущений, но благодаря тому, что последовало дальше. Почему Гершель сделал то, что он сделал далее? Прежде всего, ему нужны были фильтры, лучше приспособленные для того, чтобы смотреть на Солнце. Ну и, конечно, он думал о некоторых теоретических вопросах, которые выходили тогда на арену.
Он использовал термометры для измерения эффекта нагревания лучами света, разделенными с помощью призмы. Этот опыт действительно заставил его идти дальше, потому что он не только обнаружил, что оранжевый цвет греет больше, чем индиго (синий), но и то, что существует эффект нагревания за пределами видимого красного спектра. Его первая догадка об объяснении этого явления приблизительно совпадала с тем, что мы знаем сейчас. Он предположил, что Солнце излучает как видимые, так и невидимые лучи. Наши глаза чувствительны только к одной части спектра излучения. Нас согревает другая часть лучей, которая частично перекрывается с видимой частью. Поскольку Гершель был сторонником ньютоновской корпускулярной теории света, он думал в терминах лучей, состоящих из частиц. Вu дение соответствует частицам от фиолетового до красного, а ощущение тепла соответствует частицам от желтого до инфракрасного.
Тогда он начал исследовать эту идею, пытаясь понять, имеют ли тепловые лучи и световые лучи видимого спектра одинаковые свойства. Так, он сравнивал их отражение, преломление и дифференциальное преломление, их склонность к тому, чтобы задерживаться прозрачными телами, и их склонность к рассеиванию от грубых поверхностей.
На этом этапе в статьях Гершеля мы встречаем большое число наблюдений различных углов, пропорций излучаемого света и тому подобное. У него, конечно, была экспериментальная идея, но только одна и довольно туманная. Его теория была полностью ньютоновской: он думал, что свет состоит из лучей частиц, но это имело ограниченное влияние на детали его исследования. Его трудности были не теоретическими, а экспериментальными. Фотометрия - деятельность по измерению свойств излучаемого света - уже за 40 лет до этого достигла развитого состояния, но калориметрия практически не существовала. Существовали процедуры фильтрации световых лучей, но как можно фильтровать тепловые лучи? Гершель исследовал явление. Он делал множество заявлений о точности своих измерений, которые мы теперь подвергаем сомнению. Он утверждал, например, что измеряет не только передачу света, но и передачу тепла с точностью до одной тысячной. Он не мог этого сделать! Хотя вообще повторить то, что он делал, весьма проблематично, поскольку Гершель работал с самыми разными фильтрами, например, с бренди в графине. Как заметил один историк науки, его бренди, наверное, было черным как смола. Мы не можем повторить в наши дни опыт с использованием этого вещества, каким бы оно ни было.
Гершель показал, что тепло и свет сходны в отражении, преломлении и дифференциальном преломлении. Однако у него возникли проблемы с передачей. У него было представление о просвечивающейся среде, которая не пропускает некоторую часть определенных лучей, например, красных. Его идея красного цвета заключалась в том, что тепловой луч, который преломляется с коэффициентом преломления красного цвета, идентичен красному свету с тем же коэффициентом преломления. Таким образом, если x% света проходит, а тепло и свет идентичны в этой части спектра, то должно проходить также и x% тепла. Гершель задался вопросом "вызывается ли тепловое излучение, чей коэффициент преломления совпадает с коэффициентом преломления красных лучей, лучами этого цвета?" Оказалось, что нет. Некое стекло пропускает почти весь красный свет, но задерживает 96,2% тепла. Таким образом, тепло не то же, что свет.
Гершель отказался от своей исходной гипотезы и не знал, что и думать. Таким образом, к концу 1800 года, после 200 экспериментов и четырех больших публикаций, он сдался. На следующий год Томас Юнг, чьи работы по интерференции продолжили (или возродили) волновую теорию света, прочитал Бакеровскую лекцию, в которой он поддержал исходную гипотезу Гершеля. Значит, он был довольно безразличен к экспериментальной дилемме Гершеля. Может быть, волновая теория была более открыта по отношению к тепловому излучению, чем ньютоновская теория световых частиц. Однако скепсис относительно теплового излучения сохранялся еще долго после забвения ньютоновской теории. Вопрос был разрешен лишь с помощью приборов Македонио Меллони (1798-1854). Как только была изобретена термопара (1830), Меллони понял, что теперь у него есть инструмент, с помощью которого можно измерять передачу тепла разными веществами. Это предоставляет один из бесчисленных примеров, в которых некоторое изобретение позволяет экспериментатору предпринять еще одно исследование, проясняющее путь, которым должны следовать теоретики.
У Гершеля были более примитивные экспериментальные проблемы. Что он наблюдал? Этот вопрос задавали его критики, и он был довольно острым в 1801 году. Его экспериментальные результаты отвергались. Годом позже они были воспроизведены в большей или меньшей степени. Существовало множество как серьезных, так и простых экспериментальных трудностей. Например, свет, преломляемый призмой, не кончался четким красным. Какое-то размытое свечение располагалось за красным и выглядело как тусклый белый свет. Так может быть "инфра-красное" тепло вызывается этим белым светом? Здесь возникает новая экспериментальная идея. За фиолетовым участком нет существенного невидимого тепла, но может быть здесь нет и "излучения"? Было известно, что с хлоридом серебра начинается химическая реакция, если его поместить в фиолетовую часть спектра. (Этот факт лег в основу фотографии). Риттер поместил его за фиолетовым участком спектра и получил реакцию. Теперь мы говорим, что в 1802 году он обнаружил ультрафиолетовый свет.

О способности замечать

Гершель заметил явление дифференцированного нагревания цветным светом и сообщил о нем в форме одного из самых чисто-чувственных утверждений, какое мы только можем встретить в физике. Я не собираюсь принижать значение фактов, на которых настаивал Н. Р. Хэнсон, говорящих о том, что явление можно заметить, только если иметь теорию, которая их осмысляет. Очевидно, однако, что в случае с Гершелем именно отсутствие теории заставило его засесть за проведение наблюдений. Мы часто встречаем обратное явление - зависимость наблюдения от теории. Книга Хэнсона "Позитрон" (1965), хотя и содержит некоторые противоречивые истолкования открытия, явилась иллюстрацией такой зависимости. Автор утверждает, что следы позитронов могли быть увиденными, только если уже существовала какая-то теория, хотя после появления теории любой студент мог видеть те же самые следы. Мы можем назвать это учением о том, что наблюдение заряжено теорией.
Несомненно, что у людей есть тенденция замечать вещи, которые интересны, удивительны и так далее, и на такие ожидания и интересы влияют теории, которых люди могут придерживаться. Это не означает, что мы должны недооценивать возможности одаренного "чистого" наблюдателя. Существует тенденция выводить из таких случаев, как история с позитроном, то, что тот, кто, глядя на фотопластинку, говорит - "это позитрон", тем самым имеет в виду, или утверждает, обширную теорию. Я не думаю, что это так. Ассистент может научиться распознавать следы позитрона, не имея никакого представления о теории. В Англии до сих пор нередко встречаются моложавые лаборанты без высшего образования, которые не только необычайно умело обращаются с аппаратурой, но и быстрее всех замечают странности, например, на фотопластинке, которые получены с помощью электронного микроскопа.
Можно спросить, не находится ли среди истинностных условий или истинностных предпосылок того типа высказываний, которые мы можем представить предложением "это позитрон", сущность теории позитрона? Возможно это и так, но я сомневаюсь. Теория может быть оставлена или замещена совершенно другой теорией о позитронах, и при этом то, что к тому времени стало классом утверждений о наблюдении, представляемых утверждением "это позитрон", не будет затронуто. Конечно, существующая ныне теория может быть разрушена совсем другим способом, если, например, вдруг окажется, что так называемые позитронные следы являются артефактами экспериментальной аппаратуры. Но это лишь не намного вероятнее возможности обнаружить, что все овцы - лишь волки в овечьих шкурах. Об этом событии мы тоже говорили бы по-другому. Я не заявляю, что смысл предложения "это позитрон" менее связан с остальным контекстом, чем предложение "это овца". Я заявляю лишь, что его смысл не обязательно запирать в какую-либо особую теорию, так что всякий раз, когда говорится "это позитрон", то некоторым образом утверждается именно эта теория.

Наблюдение - это искусство

Другой пример, похожий на случай с Хэнсоном, показывает, что наблюдение - это искусство. Я думаю, что Кэролин Гершель (сестра Уильяма) за свою жизнь открыла больше комет, чем кто-либо другой за всю историю человечества. Как-то она открыла восемь комет за год. В этом ей помог ряд обстоятельств. Она была неутомима. Все безоблачные ночи она проводила в обсерватории. Ее брат был прекрасным астрономом. Она использовала прибор, который был улучшен лишь в 1980 году Майклом Хоскином. Этот прибор позволял ей каждую ночь просматривать все небо, слой за слоем, не пропуская ни одного уголка. Если ей удавалось обнаружить нечто "невооруженным глазом", то она использовала телескоп, чтобы посмотреть получше. Но самое важное заключается в том, что она могла сразу узнать комету. Все, за исключением, быть может, ее брата Уильяма, должны были следить за движением кометы до тех пор, пока не возникало какое-либо предположение относительно ее природы. (У комет параболические траектории.)
Говоря, что Кэролин Гершель могла определить комету путем простого наблюдения, я не хочу сказать, что она была неразмышляющим автоматом. Совсем наоборот, она имела одно из самых глубоких пониманий космологии и принадлежала к числу самых глубоких теоретических умов своего времени. Она была неутомима не потому, что ей особенно нравилось скучное занятие осмотра неба, но потому, что ей хотелось узнать больше о Вселенной.
Могло бы случиться так, что теория Гершель о кометах оказалась радикально неправильной. Она могла бы быть заменена к настоящему времени описанием настолько не похожим, что некоторые назвали бы его несоизмеримым с ее теорией. Но это не должно ставить под сомнение ее славу. Все равно осталось бы истинным то, что она открыла больше комет, чем кто-либо еще. Конечно, если бы какая-нибудь новая теория превратила кометы в ничто, оптическую иллюзию космического масштаба, тогда, может быть, открытие восьми комет за год могло бы вызвать скорее улыбку снисхождения, чем вздох восхищения, но это уже совсем другое дело.