Заслуживающие внимания наблюдения (Э)

Между 1600 и 1800 годами, на раннем этапе своего развития, оптика зависела от простого наблюдения какого-либо поразительного явления. Может быть, наиболее плодотворным из них было открытие двойного лучепреломления в исландском шпате, или кальците. Эразм Бартолин (1625-1698) изучал некоторые кристаллы, привезенные из Исландии. Если поместить такой кристалл на страницу этого текста, то напечатанное будет двоиться. Всем известна простая рефракция, и к 1689 году, когда Бартолин сделал свое открытие, законы преломления света были хорошо известны, а очки, микроскоп и телескоп были общедоступны. Эти опыты сделали исландский шпат замечательным с двух точек зрения. В настоящее время мы продолжаем поражаться и восхищаться этими кристаллами. Более того, восхищение вызывает физик того времени, который, зная законы преломления света, заметил, что помимо обычного отраженного луча, существует "необычный", как он поныне и называется.
Исландский шпат играет фундаментальную роль в истории оптики, потому что на нем впервые был получен поляризованный свет. Гюйгенс понял это явление весьма расплывчато, сделав предположение, что необычный луч имеет скорее не сферическую, а эллиптическую волну. Однако наше современное понимание возникло лишь тогда, когда была возрождена волновая теория света. Френель (1788-1827), основатель современной теории света, провел великолепное исследование, в ходе которого два луча оказались описанными одним уравнением, решение которого представляет собой двулистную поверхность четвертого порядка. Оказалось, что поляризация снова и снова приводит ко все более глубокому теоретическому пониманию природы света.
Имеется целая серия таких "замечательных" наблюдений. Гримальди (1613-1663), а затем Гук тщательно исследовали то, о чем физики смутно догадывались, - о том, что в тени непрозрачного тела имеется некоторая освещенность. Аккуратные наблюдения дали картину регулярных полос на краю тени. Это явление называется дифракцией, что первоначально означало "разделение на части" полосы света, падающего на тело. Наблюдения дифракции весьма примечательно предшествовали теории. Так же как и наблюдения дисперсии света Ньютоном, и работы Гука и Ньютона по цветам тонких пластин. Эти наблюдения закономерным образом привели к обнаружению интерференционного явления, называемого кольцами Ньютона. Первое численное объяснение этого явления было дано Томасом Юнгом (1773-1829) лишь столетие спустя, в 1802 году.
Конечно же, Бартолин, Гримальди, Гук и Ньютон не были нерассуждающими эмпириками, не имевшими за душой "идеи". Они видели то, что видели, потому что они были любознательными, въедливыми, рассуждающими людьми. Они пытались строить теории. Но во всех этих случаях очевидно, что наблюдения предшествовали созданию теории.

Стимуляция теории (Э)

В более поздние периоды мы находим заслуживающие внимания наблюдения, которые стимулировали появление теории. Полковник наполеоновских инженерных войск, Э. Л. Малю (1775-1812), экспериментировал с исландским шпатом и заметил действие вечернего света, отражаемого от окон неподалеку от Люксембургского дворца. Свет проходил через кристалл, когда тот находился в вертикальной плоскости, и не проходил через него, когда кристалл занимал горизонтальное положение. Аналогичным образом явление флюоресценции было впервые замечено Джоном Гершелем (1792-1871) в 1845 году, когда он обратил внимание на голубой свет, испускаемый раствором сульфата хины, когда тот определенным образом освещался.
По своей природе заслуживающие внимания наблюдения должны быть только началом исследования. Не следует ли в таком случае признать справедливым мнение, согласно которому имеются начальные наблюдения, которые предшествуют теории, но все же согласиться с тем, что все преднамеренные наблюдения определяются теорией, как это утверждает Поппер? Я думаю, что не стоит. Возьмем, к примеру, Давида Брюстера (1781-1868), теперь забытого, но когда-то очень плодотворного экспериментатора.* Брюстер был основной фигурой в экспериментальной оптике между 1810 и 1840 годами. Он определял законы отражения и преломления для поляризованного света. Он был способен вызывать двойное лучепреломление (то есть поляризационные свойства) в телах под действием давления. Он открыл двуосное двойное преломление и сделал первые фундаментальные шаги в открытии сложных законов металлического отражения. Теперь мы говорим о законах Френеля, законах синуса и тангенса для интенсивности отраженного поляризованного света, но Брюстер опубликовал их в 1818 году, за пять лет до того, как Френель описал их в рамках волновой теории. Работа Брюстера дала материал, на котором впоследствии основывались многие открытия в волновой теории. Но если можно говорить о его теоретических взглядах, то он, скорее, был ньютонианцем и считал, что свет состоит из потоков корпускул. Брюстер вообще не проверял и не сравнивал теорий. Он пытался понять, как ведет себя свет.
Брюстер твердо придерживался "неправильной" теории, изучая на опыте явление, которое мы можем понять только с помощью "правильной" теории, той теории, которую он громогласно отвергал. Он не "интерпретировал" свои экспериментальные находки в свете неправильной теории. Он установил некие явления, которые любая теория в конце концов должна описывать. Брюстер не был одинок в таком положении. Более поздний блестящий экспериментатор Р.У. Вуд (1868-1955) в промежутке между 1900 и 1930 годами внес фундаментальный вклад в квантовую оптику, сохраняя полную невинность по части знания квантовой механики и даже скептически относясь к ней.
Резонансная радиация, флюоресценция, поглощение спектров, спектры Рамана - все это требует понимания в терминах квантовой механики, но своим вкладом в науку Вуд обязан, так же как и Брюстер, не теории, а замечательной способности заставить природу вести себя по-новому.

Явления, не имеющие смысла

Я не настаиваю на том, что интересные наблюдения достаточны сами по себе. Множество явлений, вызывающих огромное интеллектуальное возбуждение, затем остается под сукном из-за того, что нельзя понять, что они означают, как они связаны с остальными явлениями, или как их можно использовать. В 1827 году ботаник Роберт Броун сообщил о неравномерном движении цветочной пыльцы, взвешенной воде. Это броуновское движение наблюдалось другими исследователями уже 60 лет назад. Некоторые считали, что это движение - проявление жизненной активности самой пыльцы. Броун провел кропотливые исследования, но долгое время они ни к чему не приводили. Только в первом десятилетии нашего века одновременно несколькими экспериментаторами, такими как Ж.Б. Перрен, и теоретиками, в том числе Эйнштейном, была проделана работа, показавшая, что пыльца приводится в движение молекулами воды. Именно эти результаты в конечном счете изменили позицию самых закоренелых скептиков в отношении теории газов.
Сходная история произошла с фотоэлектрическим эффектом. В 1839 году А.С. Беккерель заметил очень любопытную вещь. У него была маленькая электрическая батарея, то есть пара металлических пластин, погруженных в разбавленную кислоту. Освещение светом одной из пластин изменяло напряжение, создаваемое батареей. Это вызвало огромный интерес - приблизительно на два года. Были замечены и другие отдельные явления. Так, например, сопротивление металлического селена уменьшалось просто при его освещении (1873). И на этот раз выяснение того, что при этом происходит, было отложено до Эйнштейна. Открытые закономерности дали возможность сформулировать теорию фотона и разработать бесчисленные известные приложения, включая телевидение (фотоэлектрические ячейки преобразуют отраженный от предмета свет в электрические токи).
Таким образом, я не утверждаю, что экспериментальная работа может существовать независимо от теории. Это было бы слепой работой тех, кого Бэкон насмешливо называл "просто эмпириками". И все же остается справедливым то, что любой теории предшествует большое, поистине фундаментальное экспериментальное исследование.

Счастливые встречи

Некоторые фундаментальные экспериментальные исследования целиком порождаются теорией. Некоторые великие теории берут начало из дотеоретического эксперимента. Существуют теории, которые вянут из-за недостатка связи с реальным миром, также как существуют экспериментальные явления, остающиеся невостребованными из-за отсутствия теории. Но есть и счастливые "семьи", в которых теория и эксперимент, идущие с разных сторон, встречаются. Я приведу пример, в котором вера в правильность на самом деле ошибочного эксперимента приводит к прочно установленному факту, который неожиданно согласуется с теориями, относящимися к совершенно другой области.
В начальный период существования трансатлантического радио было очень много атмосферных помех. Большое число источников помех было обнаружено, хотя и не все из них могли быть устранены. Некоторые из этих помех происходили от электрических бурь. Еще в 1930-х годах Карл Янски, работавший в Телефонной Лаборатории Белла, обнаружил "шипение", исходящее из центра млечного пути. Таким образом, в космосе существовали источники радиоэнергии, которые накладывались на уже известные атмосферные помехи.
В 1965 году радиоастрономы Арно Пензиас и Р.У.Вильсон использовали для изучения этого явления радиотелескоп. Они ожидали обнаружить источники энергии, и это им удалось. Продолжив тщательные исследования, они обнаружили небольшое количество энергии, которое представлялось равномерно распределенным в космосе. Создавалось впечатление, что в космосе все, что не является локализованным источником излучения, имеет температуру выше 4 градусов по Кельвину. Поскольку это представлялось мало осмысленным, они попытались найти систематическую ошибку измерительных приборов. Например, Пензиас и Вильсон считали, что одним из источников излучения могут быть голуби, гнездящиеся на телескопе, и они потратили невероятно много времени в попытках избавиться от этих голубей. После того как они устранили все возможные источники помех, температура стала 3° К. Им не захотелось публиковать свои результаты, потому что заключение о совершенно равномерном фоне не имело смысла.
К счастью, как только они установили это, как казалось им, бессмысленное явление, группа теоретиков из Принстона опубликовала препринт, в котором качественно показывалось, что если Вселенная произошла в результате Большого Взрыва, то температура космоса должная быть выше абсолютного нуля благодаря остаточной энергии взрыва. Более того, эта энергия должна обнаруживаться в форме радиосигналов. Экспериментальная работа Пензиаса и Вильсона прекрасно согласовывалась с тем, что в противном случае могло бы остаться чистым вымыслом. Пензиас и Вильсон показали, что температура Вселенной почти всюду выше трех градусов по Кельвину, и это есть остаточная энергия творения. Это был первый результат, который заставил поверить в Большой Взрыв.
Иногда говорят, что в астрономии нет эксперимента; здесь мы можем только наблюдать. В самом деле, мы не можем проникать глубоко в отдаленные области космоса, но навыки, которые использовались Пензиасом и Вильсоном, совпадали с теми, которые использовались лабораторными экспериментаторами. Будем ли мы в свете этой истории утверждать вместе с Поппером, что в общем, "теоретик должен загодя сделать свою работу или, по крайней мере, наиболее важную часть своей работы: он должен сформулировать свои вопросы самым четким образом. Таким образом, именно он показывает путь экспериментатору"? Или мы скажем, что хотя иногда теория предшествует эксперименту, некоторые эксперименты и некоторые наблюдения предшествуют теории и долгое время могут иметь свою собственную, независимую от теории жизнь? "Счастливая семья", которую я только что описал, - это сочетание теории и умелого наблюдения. Пензиас и Вильсон - одни из немногих физиков-экспериментаторов, получивших Нобелевскую премию. Они получили ее не за опровержение чего-либо, а за то, что исследовали Вселенную.