Велико внутреннее побуждение человека установить связь между собой и окружающим миром. Он не только интересуется, как устроен мир, как он был создан и что станется с ним, но, что еще более важно, каково место самого человека в сложном мироздании.
На протяжении всей своей истории человек пытается дать ответ на эти вопросы. Первые и наиболее примитивные представления человека об окружающем его мире основывались на случайных наблюдениях своего непосредственного окружения и более или менее произвольно сводились к часто тщательно разработанным фантастическим теориям. Систематическое накопление и обработка наблюдений, т. е. то, что обычно принято называть естественной наукой, подвело базу под наши теории и размышления о мире, которые совершенно непохожи на взгляды человека, жившего несколько тысяч лет назад. В предлагаемой книге мы и коснемся наиболее важных результатов, достигнутых естественной наукой за долгий период истории человечества.
Но прежде всего мы рассмотрим методы, используемые естественной наукой, а также цели, которые она ставит перед собой.
Великая промышленная революция, охватившая западные страны в девятнадцатом веке, во многом явилась результатом достижений естественных наук. Наука об электричестве дала нам электрический свет, электрические моторы, телефон, радио и телевидение! химия предложила огромное разнообразие новых материалов; биология разработала новые методы лечения и вывела улучшенные сорта зерновых. Но те же плоды науки используются также для изобретения все более ужасающих средств разрушения. Все это привело многих к убеждению, что целью науки является главным образом технический прогресс — что задача науки должна заключаться в создании наиболее совершенных телевизоров, более прочных нейлоновых чулок и более эффективных атомных бомб.
Такое представление о, науке целиком ошибочно. Цель естественной науки, во-первых, и главным образом, удовлетворить любознательность человека путем выяснения, как в самом деле выглядит окружающий нас мир, и внесения порядка в хаос наших знания и наблюдений То, что мы познаем о природе, дает нам возможность покорять ее и ставить на службу наших интересов, однако не это является основной целью науки. Например, предпосылками, обусловившими изобретение радио, явились знание законов электромагнетизма, открытие радиоволн, а также понимание того,
как используются свойства электронов в транзисторе. Однако ни Максвелл, сформулировавший законы электромагнетизма, ни Герц, открывший радиоволны, ни Томсон, открывший электрон, не думали о том, к каким практическим возможностям приведут их научным открытиям. А вот другой пример: основные успехи ядерной физики падают на годы между первой и второй мировыми войнами. И хотя именно эти успехи заложили научный фундамент, необходимый для создания атомной бомбы, никто из ученых-атомников не помышлял, во что это может вылиться.
Превращение науки в технику явилось результатом изобретательства и в большой степени ее систематической производной, называемой нами прикладным исследованием. Вопреки признанному практическому значению прикладного исследования мы тем не менее посвятим дальнейшее свое повествование исключительно «непрактической» стороне науки.
Огромный объем научной работы сделал радикальную специализацию совершенно необходимой. Химик, астроном или ботаник не располагают глубокими знаниями в области деятельности друг друга. Однако специализации в некоторой степени противостоит растущий интерес к многообещающим областям знаний, лежащим на стыках различных наук и получившим в последнее время большое развитие. Так, астрономия и физика породили астрофизику: с тех пор как физики открыли взаимосвязь, существующую между спектром, генерированным источником света и свойствами этого источника, астрономы получили возможность сделать очень важные выводы о составе звезд путем анализа спектров излучаемого ими света. Аналогичным образом физика в содружестве с химией создала новую науку — физическую химию, а применение химии в решении биологических проблем положило начало исключительно плодотворным исследованиям, которыми занимается биохимия.
И даже в пределах каждой научной дисциплины специализация возникла в результате необходимости применения многих различных методов при исследовании одного и того же объекта. Эта специализация определила три различных типа ученых.
К первой группе относятся собиратели образцов и систематизаторы. Они исследуют и каталогизируют цветы, птиц, насекомых или горные породы; анализируют и синтезируют известные и неизвестные химические вещества; считают звезды и классифицируют их или производят точные измерения линий спектра и рассчитывают энергетический уровень атомов. Именно эта группа исследователей несет ответственность за традиционный образ ученого: они невероятно усердны, точны, целиком поглощены своей работой, а потому и исключительно сосредоточены на своем внутреннем мире. Именно эта группа ученых создает прочный базис для всех наук.
Вторая группа ученых могла бы быть охарактеризована как инженеры от науки. Их задача — изобретать и создавать все более сложные приборы, необходимые для науки. Это люди, находящиеся целиком во власти технических характеристик: для них научный прогресс измеряется максимальным давлением или наивысшей температурой, которую можно достичь разрешающей способностью новейшего гигантского телескопа или же энергией частицы, полученной в новейшем ускорителе. Это они расширяют горизонты науки, делая возможным изучение еще более отдаленных звездных систем или частиц с еще более коротким временем жизни. Они запускают спутники и конструируют космические корабли. Этот тип ученого из всех трех стал самым знаменательным в глазах широкой публики. Их выдвижению на передний план, естественно, способствует тот факт, что многих гораздо легче впечатлить самым большим и величественным в мире телескопом, блещущим в своем великолепии, чем характеристиками незначительных звезд, для изучения которых этот телескоп был создан.
Третью группу составляют теоретики. Их обязанность обрабатывать результаты, полученные двумя первыми группами, выражая их в возможно более ясной и точной форме — другими словами, создавать теорию. Для них цель науки — просуммировать возможно большее количество опытного материала, продемонстрировать, что даже самые несопоставимые случаи могут по своему существу быть подобными, просто на первый взгляд разными аспектами одного основного явления. И хотя имена великих теоретиков хорошо известны, не каждый представляет себе, каким образом они работают. Часть их работы напоминает работу художника: и художник, и ученый отделяет существенное от хаоса чувственных впечатлений и представляет его в возможно более концентрированной и элегантной форме. Подобно тому как художник выражает свои мысли и чувства в красках, скульптор в глине, музыкант в звуках, так и профессионал от искусства науки использует формулы и законы, которые, подобно всему тому, что выражает обогащенный продукт мира, в котором мы живем, являют собой степень красоты. Высочайшей похвалой, которую теоретик может заслужить, показывая вновь выведенную формулу, это восторженный возглас своего коллеги: «Очень красиво!» Фактически красота формулы отличается от красоты музыки не более чем красота музыки от красоты картины. Правда, восприятие науки как искусства — исключительно сложный процесс и доставляет удовольствие лишь спустя долгие годы учебы; но ведь правильное понимание атональной симфонии или картины художника-кубиста также требует определенной подготовки — необходимо сначала привить вкус для их правильного восприятия. Древние греки относили астрономию к изящным искусствам, ее музой была Урания. Другие естественные науки не попали в их число лишь только потому, что еще не существовали в то время, когда родились девять знаменитых дочерей Мнемозины.
Хотя, как это совершенно очевидно, невозможно в одном небольшом разделе описать столь разнообразный и многогранный вид деятельности, каким является наука, мы можем сказать, что научная работа происходит следующим образом: с началом исследования в какой-то определенной области — то ли в давно известной, то ли в новой, явившейся результатом ряда новейших открытий, — немедленно делается попытка предугадать, какие законы применимы в этой области исследования. Выдвигаются гипотезы, которые затем постепенно оформляются в теории, по меньшей мере частично разработанные. Теории эти предназначены для обобщения всех обнаруженных фактов и даже для предсказания результатов новых исследований. Если эти предсказания впоследствии подтверждаются, теория считается «подтвержденной», если же нет, она должна быть заменена другой. Не так уж редко две и более соседние области исследования могут покрываться одной общей теорией, и, следовательно, желательно обобщать теории так, чтобы они подытоживали все результаты в пределах возможно более обширной области исследований.
Результаты опыта, составляющие теорию, должны быть сформулированы исключительно сжато, хотя зачастую и абстрактно. Поэтому наука нуждается в таком языке, который давал бы возможность получать концентрированные и логичные формулировки. Таким языком является математика. Математические формулы облегчают точное выражение теории, при помощи математических методов можно проанализировать содержание теории и предсказать ее следствия. Уже неоднократно высказывалось мнение, что человек не мог бы логически мыслить, не будь языка. Так это или нет, ясно одно — обычный язык во многом облегчает организованнее мышление. Язык же математики еще лучший помощник в формулировании научной мысли. «Математический аппарат» — общепринятое название для системы формул и арифметических законов, представленных математиками в распоряжение естественной науки — необходим для приведения к единой форме сложных доказательств и выводов.
Все теории можно было бы сформулировать обычным языком, но тогда большинству из них не доставало бы остроты и элегантности, которые придает им математика. Порой могла бы понадобиться целая книга для выражения словами того, что содержится в формуле, занимающей всего лишь половину строки. Перевод математических формул на литературный язык гораздо труднее, чем перевод китайской поэзии, красота же определенных формул при этом всегда теряется.
Часто можно слышать утверждение, что та или иная теория «математически доказана». Такое выражение лишь вводит в заблуждение и эквивалентно утверждению, что существует математическое доказательство того факта, что трава зеленая. Ведь теория является кратким изложением наблюдений, и вопрос об ее обоснованности может быть решен лишь сравнением ее и вытекающих из нее следствий с наблюдениями. Математика неоценима в том смысле, что она дает возможность исследовать уверенно и четко все следствия, вытекающие из теории, все, что ею подразумевается, однако окончательные «доказательства» точности теории могут быть представлены только лишь наблюдениями.
В качестве примера того, как работает естественная наука, мы остановимся на некоторых фактах из истории физики Хотя многие важные естественные законы были уже открыты средиземноморскими, индийскими и китайскими философами, тем не менее открытие Галилеем законов движения падающего предмета многими считается рождением современной физики. Пожалуй, еще большее значение, чем формулирование этих законов, имели введенные им новые принципы научного мышления. Самым важным для Галилея было выяснить, не почему камень падает, а как он падает, каковы законы, объясняющие прирост скорости, и как выразить взаимосвязь между высотой, с которой предмет падает, и продолжительностью его падения. Другими словами, он понимал, что не суть важно определить «первичную причину» явления, и ограничивался изучением самого явления. В результате такой дифференциации возникло и с тех пор существует разделение между метафизикой и физикой. Функции физики, стало быть, как и других естественных наук, заключаются скорее в описании и координации явлений, чем в их «объяснении». Наука старается установить взаимосвязь между возможно большим числом самых различных явлений, показать, что все это фактически разные аспекты одного и того же; но это не совсем то же самое, что «понимание» этих явлений. Астрономия развивалась во многом сходно с механикой Галилея. После того как утвердилась система Коперника, Кеплер смог сформулировать свои знаменитые законы движения планет, подытожив тем самым огромное число наблюдений над движением в небесном пространстве. В своем анализе Кеплер с глубоким доверием полагается на чрезвычайно точные (для того времени) измерения положений планет, произведенные Тихо Браге, что можно было бы сказать, что его законы являются синтезом всех измерений, сделанных Тихо Браге ясными ночами на протяжении многих лет.
Астрономия и наука о падающих телах, бывшие дотоле отдельными дисциплинами, были объединены Ньютоном, который показал, что законы падения Галилея и законы движения планет можно рассматривать как частные случаи гораздо более общих законов, применяемых к движению всех тел: к камню, брошенному с башни, к метеориту, летящему по направлению к Земле, к планетам, движущимся в небесах. Великий синтез Ньютона, обычно называемый в наше время классической механикой, был расширен и углублен на протяжении восемнадцатого века, впервые очерчивая престранную область, внутри которой все явления могут быть детально рассчитаны согласно единому основному закону. Применяя этот единый закон (который в математическом выражении занимает всего лишь полстроки), мы можем определить движение Луны и планет в космическом пространстве, место приземления запущенного снаряда, высоту и величину волн, идущих от теплохода, тон и звучность флейты или же максимальный груз, поднимаемый самолетом. Важным подтверждением классической механики является открытие того, что эти явно несопоставимые явления на самом деле являются просто разными аспектами одного и того же явления.
Наука об электричестве (электродинамика) также начиналась как две отдельные науки: электростатика, изучавшая явления, возникающие, когда кусок янтаря или стеклянная палочка становятся электрически заряженными в результате натирания; и магнитостатика, изучавшая магниты и магнитные поля. После того как Гальвани и Вольта показали, что электрический ток можно получить посредством химических элементов, а затем Эрстед установил, что полученный таким образом ток обладает магнитным эффектом, эти две науки слились в одну. Основоположником электродинамики был Максвелл, чьи знаменитые уравнения целиком охватывали все известные в то время знания в этой обширней области. Но Максвелл этим не ограничился. Изучая следствия, вытекающие из его уравнений, он обнаружил, что, помимо всего прочего, они предсказывают волновое движение электромагнитной природы. Пытаясь подтвердить предсказания Максвелла, Герц в самом деле нашел такие волны (которые мы сейчас называем радиоволнами). После того как было продемонстрировано, что свет также является электромагнитным волновым движением, оптика (наука о свете) стала еще одной отраслью электродинамики. Изучая, оптику, мы узнаем, что такие различные явления; как рефракция света в линзе или его отражение зеркалом и работа электромотора или телевизора, объясняются одним законом природы, сформулированным уравнениями Максвелла.
К концу девятнадцатого столетия классическая механика и электродинамика были в основном законченными главами. С приходом двадцатого века для физики начался хаотический период. Новые открытия сделали возможным изучение структуры атома, а вскоре выяснилось, что явления, происходящие в микромире атома, не подчиняются законам, применимым к явлениям, изучавшимся до того времени. Движение электронов по круговым орбитам вокруг сравнительно небольшого, но тяжелого ядра не согласовывалось с законами классической механики. Ответы на наши вопросы об электронах дала квантовая механика (или волновая механика), получившая свое развитие в двадцатые годы нашего века. В результате сейчас мы располагаем исчерпывающей информацией о строении атома за пределами Ядра.
Квантовую механику можно рассматривать как обобщение классической механики или, наоборот, классическая механика может считаться частным случаем квантовой механики. Как только мы начинаем исследовать такие исключительно «малые» явления, как, например, строение атома, мы должны использовать квантовую механику; однако при расчетах движения крупных тел квантовая механика всегда дает такие же результаты, как и классическая механика.
Итак, вот каким образом работает ученый. В первую очередь он ищет законы, применимые для определенной области науки. Найдя эти законы, он старается распространить их на новые области. В некоторых случаях они могут быть применимы без всяких поправок, как это случилось при использовании электромагнитных законов Максвелла для объяснения световых явлений. В других случаях законы должны быть выведены в более общей форме, применяемой для обеих наук, «объединяющихся» в одну, как это было с законами механики при ее объединении с атомной физикой. Можно утверждать, что конечной целью естественной науки является открытие единого общего закона (или формулы), который бы объяснил все опыты и наблюдения. Мы не знаем, как долго нам придется проработать, прежде чем эта цель будет достигнута, ясно одно — очень долго. Но мы уже покрыли порядочную часть пути — свидетельством тому служат определенные довольно обширные и важные области науки, как, например, наука об электричестве, которая все известные явления подытожила в единый закон.