Побуждения к научному творчеству

 Тебе чужда любви и страсти позолота, 
 Тебя влечет научная работа.
 Пройдет любовь, обманет страсть, 
 Но лишена обмана Волшебная структура таракана.

Н. Олейников

Побуждения к научному творчеству

Что толкает молодого человека к занятию наукой? Какие черты характера нужны для этого? Как воспитать в себе нужные качества?

Не будем касаться такого стимула, как понимание общественной полезности своей работы,- этот фактор в равной мере присутствует во всех областях человеческой деятельности. Обсудим лишь психологические побуждения, непосредственно связанные с научным творчеством. Они складываются из нескольких элементов.

Любопытство, самовыражение, самоутверждение

Наименее близко духу науки желание самоутверждения, желание доказать себе или другим, что ты можешь довести задачу до конца. Разумеется, мы оставляем в стороне жажду сделать карьеру или извлечь выгоду. Другой мотив - стремление к самовыражению, к наиболее полному проявлению своей индивидуальности. Но самое благородное и отвечающее духу науки побуждение - любопытство, желание узнать, как устроена природа. В этом случае чужой успех радует не меньше, чем свой собственный. Именно такое отношение к науке было у нашего замечательного физика-теоретика Исаака Яковлевича Померанчука - даже перед смертью, приходя в сознание, он расспрашивал о последних работах по теории элементарных частиц и радовался каждой новой идее.

Такой чистый случай встречается крайне редко, и это необязательное условие. Обычно смешиваются все три мотива.

Любопытство, самовыражение, самоутверждение

Иногда стремление к самовыражению проявляется настолько сильно, что занятия одной только наукой оказывается недостаточно. Макс Планк был хорошим пианистом. Эйнштейн играл на скрипке. Ричард Фейнман играет на барабане бонго. Один наш известный физик пишет стихи: "...Желаешь объяснения - познай атомосклад!" (Физикам эта строчка подскажет его имя.) В Москве с успехом проходила художественная выставка "Ученые рисуют"...

Есть люди, для которых жажда самоутверждения - главный стимул творческой активности. Но если эта жажда не обуздана безупречной добросовестностью, она почти неизбежно приводит к погоне за эффектными результатами и к невольной подтасовке фактов. Сколько талантливых людей погибло для науки из-за этого недостатка!

Среди людей, далеких от науки, широко распространено мнение, что ученый руководствуется в своей работе стремлением сделать открытие. Между тем задача научного работника - глубокое и всестороннее исследование интересующей его области науки. Открытие возникает только как побочный продукт исследования. Это не означает, что ученые так идеальны, что не хотят сделать открытие,- желание, разумеется, присутствует, но на втором плане; оно не должно даже и в малой степени влиять на добросовестность исследования.

Под словом "открытие" я здесь подразумеваю существенный скачок в понимании природы. Небольшие, обычно невидимые миру открытия делаются непрерывно, и именно они составляют радость повседневной работы. Любопытство, умение радоваться каждому малому шагу, каждому небольшому открытию - необходимое условие для человека, выбравшего научную профессию.

Способность удивляться и научные парадоксы

Любопытство исследователя самым непосредственным образом связано со способностью удивляться. Это качество необходимо для творческой активности в любой области, без него нет ни поэта, ни художника, ни ученого. Но в отличие от искусства, где главное - живая и непосредственная реакция на увиденное или услышанное, в науке нужно уметь удивляться тому, что возникает в результате размышления, осмысливания накопленных знаний. Когда ученый удивляется - значит обнаружилось противоречие каких-либо фактов с привычными представлениями, то есть возник научный парадокс. Словарь Даля определяет слово "парадокс" так: "мнение странное, на первый взгляд дикое, озадачливое, противное общему". Определение годится и для научного парадокса, нужно только добавить, что это мнение должно быть убедительно обосновано. Много раз парадоксы приводили к научным революциям.

Когда первые мореплаватели, сверяя курс по звездам, обнаружили, что картина неба меняется; когда люди задумались над тем, почему, подъезжая к городу, они сначала видят верхушки башен, возник научный парадокс, а из него открытие, что Земля круглая.

Со времен Галилея известно, что все тела падают с одинаковой скоростью, если отвлечься от сопротивления воздуха. Это означает, что вес тела, то есть сила, с которой тело притягивается к Земле, строго пропорционален его массе. Но массе пропорциональны и силы инерции. И из-за этой одинаковой зависимости сил от массы человек в свободно падающей камере находится в состоянии невесомости: сила тяжести строго компенсируется силами инерции. Мы так свыклись с этим, что не замечаем здесь никакой странности. Почему вес тел независимо от их состава, независимо от их состояния пропорционален массе, мере инерции? Не следует ли из этого парадокса, что между инерцией и гравитацией (силами тяготения) есть глубокая внутренняя связь? С этой мысли началось построение одной из самых удивительных физических теорий - теории тяготения Эйнштейна.

Согласно теории тяготения, вблизи тяжелых масс геометрия пространства изменяется - она отличается от нашей привычной евклидовой. Из-за этого изменения геометрии свет распространяется не по прямой: искривление лучей света было обнаружено при фотографировании света далеких звезд, проходящего мимо Солнца!

Почему звезды дают так мало света? Предположим, что звезды заполняют Вселенную более или менее равномерно. Тогда число звезд, лежащих внутри сферы радиуса R, окружающей Землю, растет пропорционально R³. Интенсивность же света от каждой отдельной звезды, как известно, падает пропорционально ¹/_R². Следовательно, полная интенсивность света от звезд, лежащих внутри сферы, пропорциональна R, и если бы Вселенная была бесконечна, яркость неба лимитировалась бы только ничтожным поглощением света в межзвездном пространстве. Небо должно было бы сиять "ярче тысячи солнц". Этот парадокс был известен очень давно, но оставался неразгаданным. Его объяснила космология Эйнштейна - неслыханное по смелости применение теории тяготения к миру в целом.

В первоначальном варианте теории Эйнштейн пытался найти решение своих уравнений, описывающее конечную Вселенную, замкнутую саму на себя, как поверхность шара. Тогда число звезд в такой Вселенной конечно, и парадокс ночного неба сразу же объясняется. Однако, как мы уже говорили, согласно Фридману, уравнения космологии Эйнштейна не допускают решения, не зависящего от времени. Вселенная когда-то состояла из сверхплотной материи и с тех пор расширяется. Астрономы нашли скорость, с которой звездные скопления удаляются друг от друга. Из этой скорости можно подсчитать, что Вселенная была сверхплотной 20 миллиардов лет тому назад. В расширяющейся Вселенной, независимо от того, конечна она или бесконечна, к нам приходит свет только тех звезд, которые находятся на достаточно близком расстоянии, меньшем, чем 20 миллиардов световых лет,- ведь 20 миллиардов лет назад звезд еще не было.

И в конечной, и в бесконечной Вселенной геометрия "кривая", отличающаяся от плоской евклидовой геометрии. Вопрос о том, в какой именно Вселенной мы живем, не может быть решен умозрительно. Это вопрос опыта.

Скачок в понимании Вселенной, связанный с переходом от плоского пространства евклидовой геометрии к пространству, имеющему кривизну, подобен скачку, который сделало человечество, обнаружив, что Земля не плоская, а имеет форму шара.

Очень глубокий парадокс возник в начале XX века, когда законы статистической физики применили к необычному объекту - стоячим электромагнитным волнам, которые могут возникать в ящике с отражающими стенками. Согласно этим законам каждое независимое колебание в тепловом равновесии из-за многократных излучений и поглощений стенками должно приобрести энергию кТ, где Т - абсолютная температура стенок, а к - число, которое называется "постоянной Больцмана". Но число возможных стоячих электромагнитных волн в ящике бесконечно. Действительно, стоячие волны могут образоваться в ящике, если от стенки до стенки укладывается целое число полуволн. Чем короче длина волны, тем больше возможных направлений, для которых это условие выполняется. А значит, чем короче длина волны, тем больше число возможных колебаний. Следовательно, электромагнитное поле должно забрать на себя всю тепловую энергию стенок, сколько бы тепла мы к ним ни подводили. Если бы на каждое колебание действительно приходилась энергия кТ, то, сделав дырку в ящике, мы получили бы источник ни с чем не сравнимой яркости. Этому парадоксу дали драматическое название "катастрофа Рэлея - Джинса", хотя на деле никакой катастрофы не происходит.

Пытаясь найти выход из противоречия, Макс Планк предположил, что частицы стенок, излучающие и поглощающие электромагнитные колебания, изменяют свою энергию порциями Δ Е = hω, где h - коэффициент пропорциональности, а ω - частота колебаний. Если минимальная возможная энергия колебания hco много больше кТ, колебание будет иметь малую интенсивность. Согласно законам статистической физики интенсивность такого колебания падает с увеличением частоты по экспоненциальному закону, высокочастотные колебания вносят малый вклад в тепловую энергию, и парадокс разрешается. Этот закон с колоссальной точностью выполняется на опыте, что позволяет определить величину h. Так впервые вошла в физику величина h -"постоянная Планка", характеризующая возможные дискретные значения излучателей электромагнитных колебаний, так возникло представление о скачкообразных процессах (точнее, здесь и в дальнейшем h = ^{постоянная Планка}/_2π).

В работе 1905 года по теории фотоэффекта Эйнштейн применил идею скачкообразности не только к излучателям, как Планк, а к самим электромагнитным волнам. Энергия электромагнитной волны частоты ω может изменяться только скачкообразно порциями hω, Минимальная порция энергии электромагнитного колебания была названа "квантом". Если энергия колебания содержит n порций hω, то говорят, что в ящике имеется n квантов, или n фотонов, частоты ω.

Почему атомы испускают свет только дискретных, точно определенных частот? Если бы электроны в атоме двигались по законам классической механики, они испускали бы свет всех частот. Может быть, электроны в атоме, как и электромагнитные колебания, могут иметь не любые энергии, а только строго определенные?

Размышления над этим и другими парадоксами привели Нильса Бора к созданию квантовой модели атома.

В 1934 году Павел Алексеевич Черенков, изучая люминесценцию растворов солей урана под действием Х-лучей радия (почти жестких квантов), обнаружил странное свечение, совершенно непохожее на то, что обычно наблюдалось.

В постановке и обсуждении опыта участвовал научный руководитель Черенкова Сергей Иванович Вавилов, ставший впоследствии президентом Академии наук СССР. Он сразу почувствовал значительность нового явления. Анализируя возможные причины свечения, Вавилов показал, что обычные механизмы не могут объяснить особенности обнаруженного излучения. Например, следует отбросить так называемое тормозное излучение - излучение, которое получается при рассеянии атомами быстрых электронов, сопровождающих γ-кванты (электроны вырываются квантами из атомов вещества).

Тормозное излучение идет под малыми углами к направлению движения энергичных электронов, тогда как обнаруженное Черенковым излучение наблюдается под большими углами. Явление стало казаться еще более странным, когда выяснилось, что излучение наблюдается только под строго фиксированным углом к направлению γ-квантов и тем самым к направлению вырываемых ими электронов.

Когда явление так резко противоречит теории, возникает соблазн подвергнуть сомнению надежность эксперимента. Но, несмотря на все возражения, Черенков с упорством подлинного экспериментатора продолжал свои работы, совершенствуя методику измерений. Он показал, что аномальное излучение есть у громадного числа различных жидкостей. Так возник научный парадокс.

Вавилов близко подошел к объяснению явления, предположив, что созданные γ-квантами электроны, двигаясь в среде, испытывают периодические возмущения и поэтому дают наблюдаемое свечение.

Но это объяснение отвергалось теоретиками - ведь электрон большой энергии движется в жидкости с постоянной скоростью, а заряженная частица излучает, только ускоряясь или замедляясь. Электрон излучает электромагнитные волны в каждой точке своей траектории, но когда он движется по прямой с постоянной скоростью, всегда найдутся такие участки траектории, которые дают волны в противофазе, погашающие друг друга. Если электрон изменяет свое направление в результате столкновения или при движении в электромагнитном поле, волны, испущенные до и после поглощения, перестают погашать друг друга, и возникает тормозное излучение.

Так объяснялось, почему электрон не излучает, двигаясь без изменения скорости. Но в этом рассуждении было одно незаметное предположение: скорость электрона предполагалась меньшей, чем скорость света. В пустоте это условие всегда выполнено. Ведь согласно теории относительности, как бы ни была велика энергия частиц, скорость их меньше скорости света. Но в жидкости энергичный электрон движется со скоростью, близкой к скорости света, а электромагнитные волны распространяются со скоростью с', заметно меньшей: с' = ^с/_n, где n - показатель преломления (для видимого света n ≅ 1,5).

Нетрудно сообразить, что в случае, когда v > c', есть такой угол излучения, при котором волны, идущие от всех участков траектории, складываются. Угол Θ просто связан со скоростью электрона и показателем преломления: cos Θ = ^c'/_v. Именно под этим углом и происходит излучение Черенкова - Вавилова.

Подобное явление, но не для света, а для звука, было обнаружено в прошлом веке Эрнстом Махом. Пуля, движущаяся со сверхзвуковой скоростью, излучает звук под углом, косинус которого равняется отношению скорости звука к скорости пули (угол Маха). Такое же излучение звука происходит и при движении сверхзвуковых самолетов.

В 1937 году Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк поняли, в чем физическая причина явления, названного излучением Черенкова - Вавилова, и построили его количественную теорию. Определяя угол, под которым происходит излучение, можно найти скорость заряженной частицы. Поэтому излучение Черенкова - Вавилова оказало большое влияние на экспериментальную физику высоких энергий - появился способ определять с большой точностью энергию, например, протонов, участвующих в столкновениях элементарных частиц.

В 1958 году И. Тамм, И. Франк и П. Черенков получили Нобелевскую премию "за открытие й интерпретацию эффекта Черенкова".

А вот как было открыто явление сверхтекучести академиком Петром Леонидовичем Капицей в Институте физических проблем АН СССР в 1937 году.

Изучались свойства жидкого гелия при низких температурах. Было известно, что при температурах, меньших 2,2 градуса Кельвина (-270,8 градуса Цельсия), жидкий гелий переходит в другую модификацию - гелий II, с совершенно другими свойствами. Голландский физик Биллем Кеезом обнаружил, что гелий II имеет теплопроводность в 10⁶ большую, чем медь, что уже само по себе очень странно. Затем обнаружилось, что у гелия II аномально малая вязкость - в 10³ раз меньшая, чем у воды. А микроскопический механизм теплопроводности и вязкости очень схож, и при большой теплопроводности всегда возникает и большая вязкость. Теплопроводность определяется скоростью передачи от слоя к слою тепловой энергии, а вязкость - скоростью передачи количества движения. Чем больше одно, тем больше и другое, а у гелия все получалось наоборот.

Размышления над этим парадоксом привели Капицу к идее, что никакой "сверхтеплопроводности" нет, что большая теплопроводность, обнаруженная Кеезомом, обусловлена потоками, возникающими в гелии II из-за того, что он находится в состоянии сверхтекучести. В этом состоянии жидкий гелий может проходить через трубки без всякого трения. Поэтому достаточно самой малой неоднородности плотности, возникающей при разности температур, чтобы под влиянием силы тяжести появились потоки, переносящие тепло.

Чтобы эта идея превратилась в достоверную истину, Капице понадобилось поставить десятки тончайших экспериментов. Первоклассный экспериментатор, он обсуждал свои опыты с первоклассным теоретиком Львом Давыдовичем Ландау. Теория и эксперимент стимулировали друг друга. Благодаря этому взаимодействию Ландау создал одну из лучших своих работ - теорию жидкого гелия II, с помощью которой удалось количественно описать все обнаруженные Капицей экспериментальные факты.

Ощущение красоты

Из этих примеров видно, какую роль в науке играет способность удивляться. Но, что еще более важно, они дают некоторое представление о красоте науки! Из незаметных на первый взгляд фактов после глубоких размышлений возникают неожиданные и важнейшие следствия. Слабое свечение неба заставляет пересмотреть наши взгляды на геометрию мира; закон сохранения энергии и равномерность хода времени оказываются теснейшим образом связанными; к электромагнитному полю применяются законы, найденные при изучении атомов нагретого газа, и это приводит к заключению, совершенно чуждому классической механике,- энергия электромагнитного колебания может изменяться только дискретными порциями...

Логическую взаимосвязанность результатов науки выразил выдающийся немецкий математик Давид Гильберт: "Разрешите мне принять, что дважды два - пять, и я докажу, что из печной трубы вылетает ведьма". Красота науки и в логической стройности, и в богатстве связей. Ощущение красоты помогает проверять правильность результатов и отыскивать новые законы. Это ощущение - отражение в нашем сознании гармонии, существующей в природе.

Понятие красоты настолько важно в науке, что мы еще много раз будем к нему возвращаться.

Умение чувствовать красоту вместе со способностью удивляться должно определять выбор научной профессии.