Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

В настоящее время наши знания представляют собой обширную систему понятий, которой мы доверяем, так как она удовлетворяет нашим представлениям о ней, составленным на основании самых различных точек зрения. Хотя нам придется подвергать эту систему в будущем значительным изменениям, придется, может быть, изменить всю схему наших представлений об атомной физике, мы все же уже обладаем большим количеством знаний, достоверность которых подтверждается самыми различными экспериментами. Для критика извне, которому кажется, что мы смотрим лишь через одну дверь, доказательства, которыми мы располагаем, представляются слишком хрупкими и ненадежными, а наши выводы — умозрительными. Но те, кто создает науку, говорят: «Мы уверены, что стоим на правильном пути, так как, если бы мы в чем-нибудь серьезно ошибались, где-то обязательно проявилась бы несовместимость, расхождение по крайней мере в одном из направлений наших экспериментальных исследований».

Такое чувство уверенности должно лежать в основе каждого научного метода. Эрнст Нагель утверждает, что если существует единый научный метод, то он должен заключаться в той взаимной проверке и перепроверке с помощью рассуждений, проводимых с различных точек зрения, и экспериментов, в результате которых ученые приходят к убеждению в правильности своих выводов.

Понимание — это полуфабрикат. Модели

Вот почему наука кажется сначала трудной для понимания и изучения: мы последовательно приобретаем знания, рассматривая повторно проблему с иной точки зрения, и именно поэтому верим в ее надежность. Мы не обязательно считаем, что полученная нами картина природы буквально совпадает с реально существующим миром. Многие ученые считают, что это всего лишь рабочая модель.

Легко видеть, что наше представление о строении атома только модель — невидимый атом описывается с помощью таких макроскопических понятий, как снаряды, бейсбольные шары, силы, действующие между магнитами, или же сила тяжести и т. д. Однако неловко признаться в том, что мы не знаем, что в действительности представляет собой атом, а можем лишь сказать, что он «ведет себя так, как если бы…». Более того, с прогрессом техники, с появлением микроскопа… электронного микроскопа… ионного микроскопа… можно подумать, что мы видим реальные атомы, а не их модели — например, в конце нашей книги мы приводим фотоснимок атомов вольфрама. Однако такое «наблюдение» микромира, каким бы очевидным оно ни казалось, все же не является непосредственным. Получаемые нами изображения следует интерпретировать в рамках тех моделей, которые определяют использование нами соответствующих приборов. В случайной беседе мы часто говорим: «Теперь мы знаем, что представляют собой атомы, как они расположены, как они движутся», но при серьезной дискуссии большинство ученых скажет: «Мы лишь показали, что наша модель хорошо работает, и получили некоторые подтверждения ее применимости». Мы пользуемся моделями почти во всех научных представлениях: атомы, молекулы, гравитация, магнитные поля, идеальные пружины… Моделями мы пользуемся для того, чтобы заменить плоглей.

Поскольку теория в значительной степени состоит из моделей, основанных на ряде фактов, мы всегда можем внести в нее изменеяия. Согласно авторам некоторых популярных книг, ученые весело и беспечно отбрасывают свои теории, когда появляются противоречащие им новые открытия; в действительности же большинство ученых отчаянно цепляется за старые теории. Когда ученые вынуждены изменять свои теории в соответствии с новыми данными, это происходит чаще эволюционным, а не революционным путем.

«Решающие эксперименты»

Иногда конкурирующие между собой теории приводят к различным следствиям; тогда можно решить, которая из них правильна, поставив «решающий эксперимент»[122]. Даже в этом случае решение не абсолютно достоверно: отвергнутую теорию обычно можно переделать — ей можно придать такую форму, которая выдержит проверку, подобно тому как демонов всегда можно наделить добавочными свойствами. Например, опыт Ньютона со свободным падением монеты и пера в пустоте дает ответ, какая из двух теорий падения правильна:

I. «Все тела падают с одинаковым ускорением, если не принимать во внимание сопротивление воздуха».

II. «Тела падают вниз со скоростью, пропорциональной их весу».

Однако вторую теорию можно привести в согласие с экспериментом, считая действие вакуумного насоса не полезным, а вредным:

«Тела… весу; но вакуум также действует с силой, направленной вниз и обратно пропорциональной весу тел».

(При опыте с барометром получается нечто еще более фантастичное.)