Принципы исследования

Эйнштейн говорил, что основные фундаментальные идеи науки, в сущности, просты, их может понять каждый, но, чтобы увидеть все следствия, вытекающие из общей идеи, нужно владеть утонченной техникой исследования.

В естественных науках существуют специальные правила и законы, которые позволяют избегать ошибок и быстрее приходить к цели.

Это принцип причинности, проверяемый на опыте; принцип наблюдаемости, сыгравший огромную роль в становлении физики XX в., — он требует, чтобы в науку вводились не умозрительные, а наблюдаемые величины; принцип соответствия, о котором мы уже упоминали, — он отражает преемственность науки; развитие науки стимулируют научные парадоксы, т. е. противоречие каких-то фактов привычным представлениям, уметь увидеть такое противоречие очень важно для ученого — убедительно обоснованные парадоксы много раз приводили к научным революциям; и наконец, не менее важное, чем все предыдущие, — требование красоты научной теории.

Принцип причинности

Ежедневно мы убеждаемся на собственном, иногда горьком опыте, что причина предшествует следствию: полученной двойке по физике предшествует длительная игра в хоккей или чтение детектива вместо учебника. Удару грома предшествует разряд, вспышка молнии. . . Но многовековая история науки учит не доверяться привычному, сомневаться и проверять на опыте. Как же проверить, точно ли соблюдается причинность?

Когда на какое-нибудь тело падает электромагнитная волна, в виде кратковременного импульса, она вызывает рассеянную волну — тоже кратковременный импульс. Если причинность существует, всплеск рассеянной волны должен произойти после падающего всплеска. Из этого требования строго математически вытекает связь между вероятностями рассеяния и поглощения волн — дисперсионное соотношение. Можно проверять не запаздывание импульса, а выполнимость этого соотношения; подставляя в него полученные на опыте вероятности рассеяния и поглощения, обнаружили, что в пределах ошибок эксперимента нет нарушения причинности: следствие возникает позже причины.

Если спутать причину со следствием или принять за причину случайно сопутствующее обстоятельство, может возникнуть серьезная ошибка, заблуждение и даже суеверие. Перед дождем раки зарываются в песок, значит, сказали люди, перепутав причину и следствие, чтобы пошел дождь, надо закопать в песок рака! И если во время рачьих похорон случайно действительно пойдет дождь, ложное убеждение окрепнет и будет передаваться в устных легендах от поколения к поколению. Говорят, что, вымазав палец чернилами, можно превосходно выдержать самый коварный экзамен. Но чернильная клякса, случайно оказавшая на пальце у какого-то счастливца, не причина пятерки, а одно из следствий упорных занятий. Это, конечно, не самое страшное, любую двойку можно исправить. Когда причину и следствие путает криминалист — в опасности судьба, а то и жизнь человека; когда их путает ученый — рождается лженаука.

То, что причинность была строго проверена на опыте, показывает важность этого принципа для науки — ведь научным утверждением считается то, что можно подтвердить или опровергнуть, а то, что не подлежит проверке, хотя бы мысленной, лежит вне науки.

Принцип причинности в физике, в частности, требует исключить влияние какого-либо события на все прошедшие события и влияние друг на друга одновременных событий, происшедших на таком расстоянии, что они не могут быть связаны каким-либо сигналом, даже световым.

Принцип наблюдаемости. Люди давно поняли, как опасно вводить в науку умозрительные понятия, основанные только на повседневном опыте. Галилео Галилей призывал меньше доверять чувствам, которые легко могут обмануть, и стараться, рассуждая, подтвердить предположение или разоблачить его обманчивость.

Принцип причинности

Галилей и его великие современники всеми силами старались оградить науку от умозрительных представлений, но лишь на рубеже XIX и XX вв. в физике возникло требование наблюдаемости вводимых понятий.

В конце прошлого века Анри Пуанкаре в своей статье «Измерение времени» подчеркивал, что необходимо ввести понятие времени, основанное на эксперименте.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн проанализировал понятие одновременности. Как проверить одновременность? Абсолютна она или же относительна? Изменяется ли понятие одновременности в движущейся системе координат? И оказалось, что одновременность относительна...

Но о теории относительности речь впереди, пока скажем только, что она возникла как результат последовательно примененного принципа наблюдаемости.

Огромна роль принципа наблюдаемости в анализе физического смысла квантовой теории. Один из ее создателей, — английский физик Поль Дирак говорил: «Наука имеет дело только с наблюдаемыми величинами, и мы можем наблюдать объект только в том случае, если дадим ему взаимодействовать с чем-то внешним по отношению к нему». На наблюдаемость проверили понятия координаты и скорости частицы, и оказалось, что они принципиально неопределенны. Отсюда следует неопределенность некоторых предсказаний квантовой механики, тогда как все предсказания классической физики строго определенны.

Парадоксы движут науку

Земля — это плоское тело, стоящее на спине трех китов, которые плавают по Мировому океану. Небо — это крыша, неподвижный свод, на котором укреплены звезды. Звезды расположены всегда одинаково, поэтому, если держать путь на звезду, придешь куда надо. Таково было привычное представление о космосе. Но стоило мореплавателям отплыть чуть подальше, увидеть новые горизонты, как они обнаружили, сверяя путь по звездам, что картина неба изменяется. Чем дальше, тем больше таких фактов накапливалось, — так возник научный парадокс, а из него в конечном счете открытие, что Земля круглая.

Краеугольные камни

Со времен Галилея было известно, что все тела падают с одинаковой скоростью. Значит, сила, с которой тело притягивается к Земле, строго пропорциональна его массе. Массе тела пропорциональны и силы инерции, которые возникают в ускоренно движущихся системах. Так как сила тяготения и сила инерции одинаково зависят от массы, предметы в свободно падающей камере находятся в состоянии невесомости: сила тяжести строго компенсируется силой инерции. Все это было известно много лет, и считалось само собой разумеющимся — так и должно быть, ничего странного. Увидеть и сформулировать парадокс было непросто. Это удалось сделать Эйнштейну: почему сила тяжести, независимо от состава тела, пропорциональна массе, мере инерции? Не следует ли из этого парадокса, что между инерцией и гравитацией есть глубокая внутренняя связь? С этой мысли началось построение одной из самых удивительных теорий — теории тяготения Эйнштейна.

Интереснейший парадокс возник не так давно. Все накопленные факты, все известное о свойствах элементарных частиц, доказывали, что адроны — самое многочисленное семейство элементарных частиц — состоят из кварков и антикварков, которые имеют дробный заряд. Физики абсолютно уверены в существовании кварков, но никто, никогда, ни в одном опыте так и не увидел ни одного кварка! Разрешить этот парадокс предстоит еще не завершенной теории сильного взаимодействия, согласно которой кварки — частицы особого рода, они существуют только в связанном состоянии, извлечь их из элементарных частиц нельзя.

Парадоксы движут науку

Парадоксы важны не только для построения новых теорий, глобальных задач; умение отыскать и сформулировать парадокс — важный познавательный прием и в повседневной научной работе.

Красота науки

Анри Пуанкаре говорил: «Полезные комбинации — самые красивые. Специальное эстетическое чувство — ощущение красоты — играет роль тонкого решета... Тот, кто не владеет им, никогда не будет истинным творцом». Истинное всегда прекрасно, но скажем больше — прекрасное часто оказывается истинным.

Древнегреческий астроном Птолемей разработал математическую теорию движения планет вокруг неподвижной Земли, и эта теория позволяла вычислять их положение на небе. В 1542 г был написан главный труд великого польского ученого Николая Коперника «Об обращении небесных сфер», совершивший переворот в естествознании, объяснивший движение небесных светил вращением Земли вокруг оси и обращением Земли и планет вокруг Солнца. Гелиоцентрическая система Коперника сменила сложную и путаную геоцентрическую систему Птолемея.

Согласно замечательной теории XX в. — теории относительности, законы природы можно формулировать в любой системе координат, даже во вращающейся. Во Вселенной не существует выделенной системы координат, и раз так, то обе точки зрения — и Птолемея, и Коперника — равноправны, первая принимает за систему отсчета Землю, а вторая — Солнце.

Но тут свое веское слово сказала красота — красота системы Коперника. Простота описания движения планет в гелиоцентрической системе так облегчает работу интуиции, что превращается в качественно новое явление, дает дорогу развитию теории. Открытие законов Кеплера, небесная механика Ньютона — следствия открытой Коперником красоты мира.

Физика ищет скрытую внутреннюю красоту мироздания, но и красота самой физической теории часто настолько убедительна, что заставляет физиков ставить сложнейшие эксперименты, чтобы подтвердить или опровергнуть сделанные предположения.

Когда ученый находит изящное построение, оно почти всегда или решает поставленную задачу, или пригодится в будущем для других задач. Поиски красоты ведут нас к познанию природы.