Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Когда ученые говорят о красоте в подобном контексте, они обычно используют это понятие в самом широком значении, порой двусмысленно, а иногда и просто противоречиво. Но вряд ли можно винить их за это. Есть ли на свете какой-то предмет, которому было бы столь же сложно дать точное определение? Виктор Вайскопф, один из великих физиков двадцатого века, заметил в 1980 году, что «прекрасно в науке то же, что прекрасно и у Бетховена». Однако всего несколько лет спустя он писал: «То, что называют „прекрасным“ в науке, имеет мало отношения к тому, что мы понимаем под прекрасным в искусстве»3. Вайскопф чувствовал, что между концептами красоты в науке и искусстве существуют одновременно и сходство, и различие, но не сумел четко их сформулировать.

Другие ученые, напротив, с большей осторожностью рассуждают о проблеме красоты. Один из них, британский математик Годфри Гарольд Харди, приводит в своей замечательной книге «Апология математика» несколько математических доказательств, которые характеризует как красивые и пытается обосновать данную характеристику. В качестве важнейших критериев красоты в своей области он называет неожиданность, обязательность и краткость, ну и, конечно, глубину или то, насколько фундаментальным является то или иное математическое доказательство. По мнению Харди, математическое доказательство может быть красивым, а шахматная задача – нет. Решение шахматной задачи не может поменять правила игры в шахматы, а новое математическое доказательство способно очень многое поменять в математике4.

Британский физик девятнадцатого века Майкл Фарадей прославился своими лекциями в Королевском институте в Лондоне. Одна из самых популярных его лекций называлась «Химическая история свечи». В самом ее начале Фарадей характеризует свечу как «красивую». Он добавляет, что не имеет в виду красоту цвета или формы. Более того, известно, что Фарадей не любил яркие цветные декоративные свечи. Напротив, прекрасное, говорит он, это «не то, что выглядит лучше всего, а то, что действует лучше всего». С точки зрения Фарадея свеча прекрасна потому, что ее элегантная и эффективная работа основана на широком диапазоне универсальных законов. Жар пламени плавит воск, заодно образуя восходящие потоки воздуха, охлаждающего воск по краям, и таким образом формируя углубление. Поверхность расплавленного воска сохраняет горизонтальное положение благодаря «той же силе притяжения, которая скрепляет миры». Капиллярный эффект влечет расплавленный воск вверх по фитилю из «чаши» у основания фитиля к пламени наверху в то время, как жар самого пламени вызывает химическую реакцию, поддерживающую горение пламени. Красота свечи заключается, по мнению Фарадея, в сложном взаимодействии научных принципов, от которых зависит ее функционирование, и в необычайной эффективности и экономичности данного взаимодействия5.

Но в чем же красота эксперимента? Эксперимент в отличие от картины или скульптуры динамичен. Он больше похож на драматическое представление, так как люди планируют его, организуют и наблюдают – с тем, чтобы получить те результаты, в которых они заинтересованы. Как узнать длину земной окружности, не протянув рулетку вдоль всего экватора? Как узнать, что Земля вращается, не взлетев в космос и не увидев этого собственными глазами? Откуда мы знаем, что находится внутри атома? Тщательным образом имитируя то или иное природное явление в лабораторных условиях – порой с использованием таких простых предметов, как призма и маятник, – мы добиваемся того, что ответы сами вырисовываются перед нашими глазами. Форма возникает из хаоса не чудесным, непредсказуемым образом – как кролик, появляющийся из шляпы фокусника, – а благодаря тому, что мы правильно организовали ее появление. Мы заставляем говорить величайшие загадки природы6.

Красота эксперимента заключается в том, каким образом он дает новую информацию. Из предложенного Харди сравнения научного доказательства и шахматной задачи можно сделать вывод, что красивый эксперимент – тот, который демонстрирует нам нечто фундаментальное относительно Вселенной, переворачивает наше представление о ней. Описание, которое Фарадей дал красоте свечи, наводит нас на мысль о том, что составные части эксперимента должны быть эффективным образом организованы. Как Харди, так и Фарадей полагают, что красивый эксперимент должен иметь однозначный результат, не требующий дальнейших обобщений и уточнений. Если в ходе красивого эксперимента появляются вопросы, то это вопросы к Вселенной, а не к самому эксперименту.

Все три упомянутых компонента красоты – фундаментальность, эффективность и определенность – постоянно встречаются в наиболее глубоких и систематизированных аналитических описаниях понятия прекрасного, которые на протяжении столетий выходили из-под пера философов и художников. Некоторые из них, от Платона до Хайдеггера, обращали первостепенное внимание на то, что прекрасное произведение связывает нас с чем-то большим, чем оно само, – с идеей Истины и Красоты. Это проникновение Единого во многое, Бесконечного в конечное, Божественного в земное.

Другие мыслители, такие как Аристотель, сосредоточивали внимание на структуре прекрасного объекта, подчеркивая роль симметрии и гармонии, значимость каждого его элемента. Третьи, среди них Дэвид Юм и Иммануил Кант, считали наиболее важным то особое удовольствие, которое в нас вызывает прекрасный объект. Порой мы даже не знаем, чего ожидаем, пока наши бессознательные ожидания не оправдываются. И тогда, глядя на этот прекрасный объект, мы делаем радостное открытие: «Вот то, чего я на самом деле хотел!» Эксперимент могут отличать все перечисленные достоинства, и тогда его по праву можно называть красивым: не в переносном смысле, неоправданно расширяя исходное значение слова, а совершенно «законным» способом, используя исконный смысл слова «красота».

В «Простаках за границей» Марк Твен описывает свой визит в баптистерий Пизанского собора, где ему показали знаменитую качающуюся люстру, которая, согласно легенде, вдохновила семнадцатилетнего Галилео Галилея на импровизированный эксперимент: измеряя при помощи своего пульса период затухающих колебаний отклоненной от положения равновесия люстры, он обнаружил их изохронность – то есть период колебаний не зависел от амплитуды. (Изохронность колебаний маятника, как хорошо было известно Твену, – принцип, который лежит в основе работы любых механических часов.) Маятник для Твена воплощал одновременно и патрицианские, и плебейские черты. Глядя на него, он преисполнился благоговения перед открытием Галилея, которое позволило человечеству найти способ точного измерения времени, и испытал некое ранее незнакомое ему чувство родства со всей Вселенной.

«Трудно поверить, что этому скромному предмету мир науки и механики обязан таким гигантским расширением своих пределов! Его вид наводит на множество размышлений, и мне показалось, что передо мной возникла целая сумасшедшая вселенная качающихся дисков – трудолюбивых отпрысков этого степенного родителя. У него такое умное выражение, словно он знает, что он вовсе не светильник, а маятник – маятник, который для достижения каких-то глубоко обдуманных и загадочных целей изменил свою внешность; и к тому же не простой маятник, а самый первый маятник, маятник-патриарх, маятник-Авраам7».

В своей неподражаемой манере Твен дает ясное представление о красоте, которой может обладать даже самый простой эксперимент, если он открывает нам некую фундаментальную истину о мире, демонстрирует ее простым и непосредственным образом, так, что у нас не возникает никакой потребности в дополнительных доказательствах.

Раскачивание люстры; лучи света, проходящие сквозь набор призм; почти одновременное приземление падающих предметов с различным весом, брошенных одновременно; соотношения скоростей масляных капель – все это в случае правильной организации эксперимента способно открыть нам некие фундаментальные знания о самих перечисленных процессах и о Вселенной в целом. Эти опыты похожи одновременно и на пейзажи, которые восхищают, завораживают и просвещают нас, и на карты, благодаря которым мы находим правильный путь в окружающем нас мире. Эксперимент всегда предполагает возможность выхода за пределы обыденного. В качестве материала в нем могут использоваться самые обычные и простые вещи, но они служат неким мостом, соединяющим нас с областью высших смыслов и высшего знания. Красота ведет нас в мир идей, одновременно привязывая к чувственному миру, как любил повторять немецкий поэт и философ Фридрих Шиллер. «Красота – это момент перехода, как будто некая форма уже готова перелиться в другие формы», – писал американский эссеист Ральф Уолдо Эмерсон8.