Теория и основания для уверенности

Некоторая часть теории света, конечно, существенна для построения микроскопа нового типа, и обычно важна для улучшения микроскопов старого типа. Интерференционные или фазовые контрастные микроскопы вряд ли могли быть изобретены без использования волновой теории света. Теория дифракции помогла Аббе и его компании делать лучшие микроскопы. Конечно, мы не должны недооценивать дотеоретическую роль изобретения и всяческой возни с ним. На протяжении нескольких десятилетий изготовители старых, основанных на эмпирических соображениях, микроскопов делали их лучше, чем Цейс. Воплощение идеи электронного микроскопа вызвало большое удивление, поскольку теория говорила о том, что объект почти немедленно поджарится, а затем полностью выгорит. Рентгеновский микроскоп давно был теоретической возможностью, но мог быть эффективно построен только в следующие несколько лет с использованием высококачественных лучей, поступающих из линейного ускорителя. Сходным образом, акустический микроскоп, который будет описан ниже, долгое время был очевидной возможностью, но лишь в последние 10 лет появилась быстрая электроника, способная произвести хороший высокочастотный звук и качественные сканнеры. Теория принимала лишь скромное участие в создании этих замечательных приборов. Эта теория обычно излагается в начальных институтских курсах физики. Более существенную роль в этих изобретениях сыграло инженерное мастерство, а не теория.
vМожет показаться, что теория перешла здесь на другой уровень. Почему мы верим изображениям, которые создает микроскоп? Не потому ли, что у нас есть теория, в соответствии с которой мы строим истинное изображение? Не является ли это другим вариантом замечания Шейпира о том, что наблюдение само определяется теорией? Это лишь частично так. Несмотря на отношение Биша, люди оправданно верили в реальность того, что они видели в микроскопы, изготовленные до Аббе, хотя у них была совершенно неадекватная и тривиальная теория. Визуальные образы удивительно устойчивы по отношению к изменениям в теории. Вы создаете демонстрацию и придерживаетесь некоей теории о том, почему небольшой предмет выглядит именно так. Позже вы изменяете теорию микроскопа, но все же верите в изображение. Может ли теория в самом деле быть источником нашей уверенности в том, что видимое нами совпадает с истинным состоянием вещей?
Как-то Хэйнц Пост написал мне о своих давних мыслях по поводу создания полевого эмиссионного микроскопа, который продемонстрировал бы важность продуцирования зрительных представлений больших молекул (его пример касался антраценовых колец). В то время этот прибор использовали для подтверждения того, что Ф.А. Кекуле (1829-1896) постулировал в 1865 году: молекулы бензола - это кольца из шести атомов углерода. Исходная теория полевого эмиссионного микроскопа говорила о том, что в этом микроскопе видны тени молекул, то есть наблюдается явление поглощения. Позже Пост узнал, что теория, лежащая в основе этого микроскопа, изменилась. Наблюдалось явление дифракции, но это не приводило ни к малейшим различиям. Люди продолжают рассматривать микрографии молекул как совершенно правильные представления. Не является ли все это колдовством, манипуляцией доверием? Так можно считать лишь на основе философии, в которой доминирует теоретизирование. Экспериментальная жизнь микроскопии использует внетеоретические представления для того, чтобы отделить артефакты от реальных вещей. Посмотрим, как это происходит.

Истина в микроскопии

Дифференциальный интерференционно-контрастный метод характеризуется следующим свойством: видимые очертания (края) предмета и непрерывные структуры (полосы) предстают в своем истинном виде.
Так написано в цейсовском каталоге. Что заставляет торговца-энтузиаста предположить, что изображения, производимые этими несколькими оптическими системами, "истинны"? Конечно, изображения истинны, только если научиться не замечать искажения. Существует множество оснований для убеждения, что воспринимаемая часть структуры реальна или истинна. Самое естественное из них является и самым важным. Я проиллюстрирую это с помощью моего первого опыта в лаборатории. Слабые электронные микроскопы показывают маленькие точки в тромбоцитах. Эти точки называются плотными телами: это означает просто то, что они плотные для электронов и видны на трансмиссионном электронном микроскопе без всякой предварительной подготовки. На основе движения или анализа плотности этих тел на разных этапах развития клетки или болезни делается догадка о том, что они играют большую роль в биологии крови. С другой стороны, они могут быть просто артефактами электронного микроскопа. Один тест очевиден: можно ли увидеть те же самые тела с использованием совершенно других физических методов? В этом случае проблема решается довольно легко. Электронный микроскоп с низким разрешением имеет почти то же увеличение, что и световой микроскоп с высоким разрешением. Не каждый метод позволяет увидеть плотные тела, их можно разглядеть, например, с помощью флюоресцентного подкрашивания и последующего наблюдения с помощью флюоресцентного микорскопа.
Слои красных тромбоцитов нанесены на микроскопическую решетку. Это в буквальном смысле решетка: если смотреть через микроскоп, можно увидеть решетку, ячейки которой помечены заглавными буквами. Электронные микрографии состоят из слоев, нанесенных на такие решетки. Образцы с особенно четкими конфигурациями плотных тел приготавливаются для флюоресцентной микроскопии. Наконец, результаты электронной и флюоресцентной микрографии сравниваются. То, что микрография показывает один и тот же участок, известно благодаря тому, что этот участок находится в ячейке с одной пометкой, скажем, P. В флюоресцентной микрографии имеется точно такое же устройство решетки, такая же ячеистая структура и "тела", что и видимые в электронный микрограф. Делается вывод о том, что тела не являются артефактами электронного микроскопа.
Два физических процесса - эмиссия электронов и флюоресцентная реэмиссия - используются для выявления кровяных телец. Эти процессы практически не имеют ничего сходного. Они представляют совершенно не связанные области физики. Вряд ли возможно постоянное совпадение видимых конфигураций двух совершенно различных физических процессов, если бы эти конфигурации были просто артефактами физических процессов, а не реальными структурами клетки.
Заметим, что в реальности "аргумент совпадения" практически не возникает. Просто смотрят на две микрографии (лучше, если их больше), полученные от разных физических систем, и видят, что плотные тела возникают в точности в одном и том же месте в каждой паре микрографий. Это немедленно решает все проблемы. Мой учитель Роберт Скаер хотел доказать, что плотные тела суть артефакты. Спустя пять минут после того, как он увидел свои собственные экспериментальные микрографии, он признал ошибочность своей позиции.
Заметим также, что совершенно не обязательно иметь какое-то представление о том, что такое плотные тела. Все, что мы знаем, - это то, что существуют некоторые структурные признаки клетки, которые можно увидеть несколькими методами. Сама микроскопия не скажет всего об этих телах (если вообще существует нечто важное, что можно рассказать). Здесь должна быть призвана биохимия. Конечно же, мгновенное спектроскопическое разложение плотного тела на составляющие элементы возможно в наше время с помощью комбинации электронного микроскопа и спектроскопического анализатора, работа которого очень сходна с работой космического спектроскопического анализатора.

Совпадение и объяснение

Аргумент совпадения может показаться особым случаем аргумента упорядочивающей случайности, упомянутого в конце третьей главы. Теории объясняют различные явления, и было бы весьма маловероятно, что теория ложна и все же правильно предсказывает явления. Мы делаем "вывод к лучшему объяснению", согласно которому теория истинна. Общей причиной этого явления должны быть теоретические объекты, существование которых постулируется теорией. Как аргумент в пользу научного реализма этот аргумент породил множество споров. Так что мой разговор о совпадении может привести меня в гущу продолжающейся дискуссии. Но нет! Мой аргумент гораздо более локализован.
Прежде всего такие аргументы часто облекаются в термины словаря наблюдений и теории. ("Бесчисленные счастливые случайности вызвали поведение, описываемое в словаре наблюдений, как если бы они были вызваны несуществующими вещами, о которых говорится в теоретическом словаре"). Ну и пусть, нас не интересует словарь наблюдений и теории. Может быть, для предметов, видимых в микроскоп, вовсе нет теоретического словаря - "плотное тело" не значит ничего, кроме чего-то плотного, то есть того, что видно в электронный микроскоп без окрашивания или другой подготовки. Во-вторых, нас не интересует объяснение. Мы видим одно и то же сочетание точек, используем ли мы электронный микроскоп или флюоресцентное окрашивание, и вряд ли "объяснением" этого было бы сказать, что некоторые определенные предметы (неизвестной до сих пор природы) постоянно вызывают данное сочетание точек. В-третьих, у нас нет теории, которая предсказывала бы широкий круг явлений. Четвертое и, пожалуй, самое важное отличие заключается в следующем: нас интересует то, как отличать артефакты от реальных объектов. В метафизических спорах о реализме позиции выглядят следующим образом: "реальные, хотя и ненаблюдаемые предметы" и "не реальные предметы, а инструменты мысли". Благодаря микроскопу, мы знаем, что на микрографии видны точки. Вопрос заключается в том, являются ли они артефактами физической системы или они представляют некую структуру в самом образце? Мой аргумент от совпадения говорит просто о том, что чистое совпадение, по которому две совершенно разные физические системы выдали бы одно и то же сочетание точек на микрографии, противоречило бы здравому смыслу.

Аргумент решетки

Я рискну сделать философское отступление по поводу научного реализма. Ван Фраассен говорит, что мы видим через телескоп, потому что несмотря на то, что он необходим для наблюдения с Земли лун Юпитера, их можно увидеть и невооруженным глазом, отправившись в космос. Эта не такая уж фантазия как кажется, поскольку лишь очень малое количество современных людей может различить с Земли луны Юпитера невооруженным глазом. Для тех из нас, у кого меньшая острота зрения, такое наблюдение относится к области научной фантастики. Микроскопист избегает фантазий. Вместо того, чтобы лететь на Юпитер, мы уменьшаем видимый мир. Рассмотрим решетки, используемые для идентификации плотных тел. Маленькие решетки делаются из металла, и они едва видимы невооруженным глазом. Сперва их рисуют чернилами очень большими, аккуратно надписывая буквы в углу каждой ячейки. Затем их уменьшают фотографическим способом. Используя современные технологии, на результирующую микрографию наносят металл. Решетки продаются в пакетах или в трубках, по 100, 250 и 1000 штук. Процедуры изготовления таких решеток совершенно ясны и столь же надежны, как и любые другие массовые производственные системы высокого качества.
Короче говоря, вместо того, чтобы отправиться на Юпитер в воображаемом космическом корабле, мы самым будничным образом уменьшим решетку. Затем мы посмотрим на крохотный диск через какой-либо микроскоп и увидим в точности те же формы и буквы, которые были исходно написаны в большем масштабе. Невозможно всерьез считать, что крохотный диск, который я держу с помощью пинцета, на самом деле не имеет структуры помеченной решетки. Я знаю, что видимое мною в микроскоп соответствует действительности, поскольку сам сделал решетку такой. Я знаю, что процесс изготовления вполне надежен, поскольку результаты можно проверить с помощью микроскопа. Более того, мы можем проверить результаты с помощью микроскопа любого типа, используя с десяток физических процессов, не связанных с нашим, для того, чтобы получить изображение. Можем ли мы всерьез принять возможность того, что это все же невероятное совпадение? Ложно ли то, что диск микроскопически повторяет форму помеченной решетки? Или в результате неимоверного заговора тринадцати совершенно не зависимых физических процессов большая решетка была сжата с потерей своей формы так, что при наблюдении посредством двенадцати различных микроскопов она по-прежнему выглядит как решетка? Для того, чтобы остаться антиреалистом относительно этой решетки, видимо, не обойтись без зловредного декартовского демона микроскопа.
Аргумент решетки требует здравого признания разделенности науки, по крайней мере на феноменологическом уровне. Очевидно, что все световые микроскопы используют свет, но микроскопы, использующие интерференцию, поляризацию, фазовый контраст, прямую передачу, флюоресценцию и так далее, используют совершенно не связанные между собой свойства света. Если одну и ту же структуру можно различить с использованием этих различных аспектов световых волн, то нельзя всерьез предположить, что структура является артефактом всех этих различных физических систем. Более того, я подчеркиваю, что все эти физические системы сделаны людьми. Мы очищаем некоторые стороны природы, скажем, выделяя свойства света, связанные с фазовой интерференцией. Мы разрабатываем прибор, зная в точности принцип его работы, лишь потому, что оптика хорошо известна как наука. Мы тратим годы на то, чтобы наладить несколько прототипов, и, наконец, в наших руках имеется прибор, позволяющий видеть определенную структуру. Некоторые другие приборы, сконструированные, исходя из совершенно других принципов, показывают ту же структуру. Не испытывая декартовского скептицизма, невозможно предположить, что структура создается данным прибором, а не присуща самому предмету исследования.
В 1800 году было не только возможно, но и совершенно разумно исключить микроскопы из гистологической лаборатории просто на том основании, что они в основном показывали артефакты оптических систем, а не структуру волокон. Сейчас положение другое. Изобретение новых микроскопов всегда ставило вопрос о том, относится ли видимое к предмету, или к артефакту изготовления оптики. Но теперь у нас гораздо больше средств, чем в 1800 году, для того, чтобы решить эту проблему. Я подчеркиваю лишь "видимую" сторону. Даже здесь я упрощаю. Я говорю, что если можно видеть одни и те же фундаментальные свойства структуры, используя несколько различных физических систем, то имеется прекрасное основание для того, чтобы сказать "это - реально", а не "это - артефакт". Конечно, это не решающая причина. Но ситуация здесь не отличается от обычного зрения. Если черные заплаты на гудронированном шоссе видны в жаркий день с разных точек, но всегда в одном и том же месте, можно сделать вывод о том, что видны лужицы, а не мираж. И все же мы можем ошибаться. В микроскопии время от времени происходят ошибки. И простое сходство ошибок микроскопического и макроскопического восприятия может укрепить уверенность в том, что мы видим через микроскоп.
Я должен повторить, что так же как в макроскопическом зрении, реальные образы или микрографы составляют лишь малую часть нашей уверенности в реальности. В недавней лекции Г.С. Стент, специалист по молекулярной биологии, вспоминал, что в конце сороковых годов журнал Life поместил на всю обложку цветную микрографию с восторженной подписью "первая фотография гена" (это было 17 марта 1947 года). При той теории, точнее в отсутствие теории гена, говорил Стент, эта подпись не имела никакого смысла. Лишь большее понимание того, что есть ген, может привести к уверенности в том, что показывает микрография. Мы начали верить в реальность полос и межполосных промежутков на хромосомах не потому, что мы просто видим их, а потому что мы формулируем концепцию того, что они делают, для чего они предназначены. Но и в этом отношении микроскопическое и макроскопическое зрения не отличаются: лапландец, попавший в Конго, не увидит многого из новой необычной обстановки до тех пор, пока он не получит некоторой идеи о том, что происходит в джунглях.
Таким образом, я не выдвигаю аргумент совпадения в качестве единственного основания для нашего убеждения в том, что мы действительно видим в микроскоп. Это лишь один аргумент, весьма убедительный аргумент видимого, который сочетается с большим числом интеллектуальных способов понимания и с другими видами экспериментальной работы. Биологическая микроскопия без практической биохимии так же слепа, как кантовские созерцания в отсутствие понятий.

Акустический микроскоп

Сейчас мы забудем об электронном микроскопе, разновидностей которого не меньше, чем у светового микроскопа, поскольку в них используются все виды различных свойств электронных лучей. Здесь не место объяснять это, но если до этого мы слишком увлеклись примерами, относящимися к свойствам видимого света, давайте вкратце рассмотрим самый далекий от него вид излучения, звук.
Радар, изобретенный для воздушной обороны, и сонар, изобретенный для войны на море, напоминают нам о том, что продольные и поперечные волновые фронты могут использоваться для тех же целей. Ультразвук - это "звук" очень высокой частоты. Ультразвуковое исследование плода в матке недавно стало общепринятым. Более сорока лет назад советские ученые разработали микроскоп, использующий звук с частотой в 1000 раз выше частоты слышимого звука. Только недавно эта идея стала использоваться в технологии и уже используются некоторые полезные прототипы.
Акустическая часть микроскопа относительно проста. Электрические сигналы преобразуются в звуковые сигналы, а затем, после взаимодействия с предметом, преобразуются обратно в электричество. Тонкость современных инструментов заключается скорее в электронике чем в акустике. Акустический микроскоп - это сканирующий прибор. Он создает изображения, преобразуя сигналы в пространственный образ на телевизионном экране, микрографии, или, при изучении большого количества ячеек, на видеокассете.
Как всегда, новый тип микроскопов интересен из-за новых аспектов предмета, которые он может раскрыть. Изменения в показателе преломления для звука намного больше, чем для света. Более того, звук передается через совершенно непрозрачные предметы. Так, первые применения акустического микроскопа были в металлургии и в выявлении дефектов силиконовых чипов. Для биологов использование этого микроскопа также многообещающе. Акустический микроскоп чувствителен к плотности, вязкости и гибкости живой материи. Более того, сами короткие звуковые импульсы, используемые сканнером, не повреждают клетку. Следовательно, можно изучать жизнь клетки самым непосредственным способом: можно будет наблюдать изменения в вязкости и гибкости в процессе жизнедеятельности клетки.
Быстрое развитие акустической микроскопии не позволяет нам видеть направление ее развития. Еще несколько лет назад в исследовательских отчетах отвергалась сама идея ее соревнования с электронными микроскопами - довольствовались сравнением с разрешающей силой световых микроскопов. Теперь, с использованием свойств звука в сверхохлажденной твердой среде, можно соперничать с разрешающей способностью электронного микроскопа, хотя это не очень поможет исследователю живых тканей!
Так видим ли мы с помощью акустического микросокопа?