Восемь минут в истории Вселенной
Кстати, количественные аномалии вовсе не обязательно должны бросаться в глаза, ибо даже микроскопические, часто играли решающую роль в развитии научных представлений.
Вспомним. В последней четверти XVI века близ Копенгагена на островке Иен была построена обсерватория — замок Уранибург. Европа еще не знала такой обсерватории, которую создал там изобретатель секстанта астроном Тихо Браге (1546—1601), датский астроном, оснастивший ее самыми лучшими инструментами того времени. Изо дня в день с необычайной пунктуальностью и тщательностью он наблюдал движение небесных тел и записывал результаты своих наблюдений. Итогом его 20-летних трудов стала, говоря сегодняшним языком, грандиозная «база данных», касающаяся планет, звезд и комет, которая отличалась не только своей полнотой, но и исключительной точностью. В последние годы своей жизни Тихо Браге оказался в опале и был вынужден жить в Праге, где его помощником стал молодой немецкий ученый Иоганн Кеплер (1571— 1630), немецкий математик, астроном. Год за годом тот обрабатывал результаты наблюдений своего учителя. Им был проделан колоссальный объем вычислений. Напомним, что логарифмы, которые, по словам, Карла Гаусса, удвоили жизнь астрономов, тогда еще не были изобретены (потомок старинного воинственного шотландского рода Джон Непер (1550—1617) опубликует свое знаменитое «Описание удивительных таблиц логарифмов» лишь незадолго до смерти, в 1614 году). Между тем первые два закона Кеплер опубликует в 1610 г. в своей книге «Новая астрономия», третий закон открывается им в 1618. Поэтому труд Кеплера не может не вызвать у нас изумления. Беспощадно требовательный к результату научного анализа, он не остановился даже перед тем, чтобы начать всю работу заново, когда обнаружил, что между теоретически предсказываемым и фактическим положением Марса существует расхождение в восемь минут дуги. Казалось бы, ошибка была не столь и велика, и другой на его месте, возможно, не обратил бы на нее внимание.
Для того, чтобы понять, порядок величины, о которой идет речь, нужно напомнить, что стопроцентное зрение человека позволяет различать объекты, линейные размеры которых достигают одной угловой минуты. Иначе говоря, все, что менее одной угловой минуты, нормальным глазом просто неразличимо. Так что восемь минут — это почти на границе видимости. Например, на том расстоянии, на котором обычно держат книгу, угловая минута — это примерно одна десятая доля миллиметра (стандарт полиграфического качества — 300 точек на дюйм — исходит именно из этой величины). Поэтому текст, набранный шрифтом, размер которого менее восьми угловых минут, т.е. менее 3 типографских пунктов, был бы чрезвычайно труден для восприятия. Ведь различению подлежит не бесформенное пятно, но детали его контура. Для сравнения укажем, что так называемый «мелкий шрифт» всякого рода дополнительных условий, которые хотят скрыть от потребителя, значительно больше.
Но не таков был Кеплер, чтобы пренебречь даже столь малым отклонением от расчетного. Он сам потом писал, что если бы желал пренебречь восемью минутами долготы, то давно закончил бы свой труд. Однако пренебречь ошибкой для него было невозможно. И в конечном счете именно это расхождение привело к одному из самых грандиозных открытий в науке. Девять лет аналитической работы увенчались созданием трех законов движения планет. Ничтожные восемь минут окончательно изменили всю картину мира.
Позднее предсказанные именно его законами отклонения траекторий движения небесных тел послужили индикатором того, что за орбитой Урана должна существовать еще одна массивная планета. И вот в 1846 году И. Галле по теоретическим предсказаниям У. Ж. Леверье и Дж. К. Адамса открывает Нептун, удаленность которого от Земли до того препятствовала его обнаружению.
Таким образом, результат любого сложения не может быть ограничен пустыми рамками какого-то абстрактного, отвлеченного от чего бы то ни было вообще «количества». Он всегда обязан учитывать качественные характеристики и того круга вещей, в котором выполняется «сложение», и той ступени классификации явлений, на которую экстраполируется вывод. Другими словами, получаемый результат еще подлежит определенному истолкованию. Только в контексте этого истолкования, которое обязано принимать в расчет решительно все, что отличает сформированную нами модель от среза объективной реальности, на которую мы хотим его распространить, достигается однозначность прочтения и точность. Взятый же сам по себе, вне какой бы то ни было интерпретации, вывод не говорит почти ни о чем. А зачастую, несмотря на совпадение с прогнозируемым итогом нашего «сложения», лишь заводит в тупик мысль исследователя, ибо это совпадение может быть и случайным.
Впрочем, трудности не ограничиваются только сказанным. Выше мы говорили о том, что приведение разнородных явлений к какому-то единому качеству достигается на пути последовательного обобщения данных. Там же, где анализируются однородные вещи, приходится искать решение не в восхождении к вершинам организации вещества, но в погружении на более фундаментальный уровень его строения. Так, современная физика пытается построить «теорию всего», гипотетическую физико-математическую теорию, которая описывает все известные фундаментальные взаимодействия (мы уже говорили о них), погружаясь в самые глубины атомного ядра.
Но во всех случаях можно заметить одно: теоретический результат осмысления и интерпретации данных, полученных в любом эксперименте, как правило, не имеет почти ничего общего с самими данными. Несколько утрируя действительное положение вещей, можно сказать, что в ходе опыта исследователь имеет дело лишь со стрелкой своего прибора, поэтому непосредственным итогом научного эксперимента является лишь совокупность каких-то абстрактных цифр или отображаемых графиками кривых. Так, например, астроном направляет свой телескоп на объект, удаленный от Земли на огромное расстояние; свет, поступающий в телескоп, он запечатлевает на фотографической пластинке; после этого он пытается придать смысл тем точкам и пятнам, которые отпечатываются на ней, теоретизируя по поводу того, каким может быть источник света. История науки сохранила суждение английского астрофизика, Артура Эддингтон, (1882—1944) который говорил, что для читателя, решившего сторониться теории и признавать только точные факты, которые являются результатом наблюдений, все книги по астрономии неприемлемы. Не существует никаких чисто экспериментальных фактов о небесных телах. Астрономические измерения все, без исключения, представляют собой измерения явлений, происходящих в наземной обсерватории или станции; только посредством теории их превращают в знания о внешней Вселенной.
Словом, задача исследователя состоит в построении такой категориальной системы, которая, не противореча результатам предыдущего опыта поколений его предшественников, объясняла бы и эти цифры, и эти кривые, и эти пятна. При этом в возводимой им теоретической конструкции каждая из цифр, кривых или точек на фотографическом слое обязана быть строго закономерной и необходимой. Кроме того, система должна обладать прогнозирующими свойствами, другими словами, быть в состоянии предсказывать появление каких-то новых цифр или каких-то новых графиков при изменении условий опыта. Ясно, что все это возможно только в том случае, если мы точно определим и глубоко осознаем в первую очередь качественную составляющую результата.
В общем, высшее мастерство исследователя как раз и заключается в способности интерпретировать результаты наблюдений, и чем большая дистанция разделяет масштаб самого эксперимента и масштаб той действительности, на которую распространяются вытекающие из него выводы, тем более велик ученый.
Легенда, когда-то пущенная в оборот Вольтером, гласит, что закон всемирного тяготения появился как результат размышлений Ньютона над падающим яблоком.
Джон Дальтон, о котором уже говорилось здесь, обнаружил всего лишь неодинаковые пропорции углерода и водорода в различных компонентах газов. Но именно это наблюдение в конечном счете привело его к мысли о том, что газы должны состоять из мельчайших частиц — молекул, которые, в свою очередь, должны содержать в себе еще меньшие неделимые далее элементы. Не имея возможности наблюдать их, Дальтон тем не менее установил даже относительные веса многих атомов. Кстати, его имя известно также и в среде дилетантов: ведь именно он первым в 1794 году описал дефект зрения, которым страдал сам, именно этот дефект позже был назван дальтонизмом.
В серии опытов Майкельсона (1852—1931), американского физика определялась лишь скорость прохождения луча света в перпендикулярных направлениях. Самый знаменитый из этих экспериментов был проведен им вместе с Морли (1839—1923), американским физиком, в 1887 году. Созданная ими интерферометрическая установка, как известно, была призвана определить скорость движения земли в мировом эфире. Полученный результат был совершенно неожиданным, если не сказать ошеломляющим. Он говорил о том, что никакого движения нет и в помине, и что, напротив, вся Вселенная, включая Солнечную систему, вращается вокруг маленькой неприметной планеты по имени «Земля». К чести Майкельсона, никто из физиков не усомнился в методологической выверенности и точности выполненной работы. Однако конечный вывод, который был сделан из этого результата позднее, был по-настоящему революционным. Именно он стал одним из краеугольных камней того фундамента, на котором была построена теория относительности. За эти опыты в 1907 году Майкельсону была присуждена Нобелевская премия.
Марсденом, сотрудником Резерфорда (1871—1937), английского физика, заложившего основы учения о радиоактивности и строении атома, было обнаружено, что всего-навсего одна из примерно 20 тысяч альфа-частиц,[86] проходя сквозь золотую фольгу, отклоняется на угол больше 90 градусов. Сам Резерфорд поначалу не поверил результату, но строгость эксперимента не оставляла никакой возможности для сомнений. И вот рассеяние альфа-частиц золотой фольгой были, наконец, объяснены тем, что они проходят на весьма малом расстоянии от других положительно заряженных частиц, размеры которых значительно меньше размеров атомов. Это и было рождением учения об атомном ядре.
В наши дни Дэвид Дойч в своей книге приводит пример рассуждений, приводящих к еще более грандиозным следствиям — к выводу о существовании так называемого мультиверсума, т.е. огромного конгломерата, состоящего из триллионов вселенных, которые насквозь пронизывают нашу, но остаются за пределами видимого. И этот вывод делается из анализа обыкновенной тени, которую отбрасывает один единственный фотон, проходя через перегородку с параллельными щелями.[87]
Все это примеры ярчайших побед человеческой мысли. Но ведь все эти победы начинались с осмысления микроскопических количественных аномалий, которые возникали вопреки абсолютно безупречной логике и технике проводимого исследования.
К слову, тем, кого не впечатляют восемь угловых минут в истории нашей Вселенной, можно привести другой пример. Общая теория относительности, в которую поначалу мало кто верил и еще меньше, кто понимал, предсказывала искривление луча света (до того времени понимавшегося как символ идеальной прямой), если он проходит вблизи массивного космического тела. Чтобы проверить предсказание в ходе солнечного затмения, которое должно было произойти 29 мая 1919 г., Артур Эддингтон организовал экспедицию на остров Принсипе, у западного побережья Африки. Наблюдения были проведены, обработка результатов потребовала времени, и в ноябре того же года газеты сообщили всему миру о революции в науке, о подтверждении нового взгляда на строение Вселенной. Эту революцию возвестила величина, стоявшая на самой грани разрешающей способности всего инструментария начала XX столетия, она была почти в триста раз меньше той, что смутила Кеплера, 0,00049 градуса или 1,75 угловых секунд.
Ну, а кого не приводит в священный трепет и эта величина, приведем еще одну. С появлением квантовой механики и общей теории относительности возникла необходимость согласования обеих теорий. Дело в том, что первая сохраняет свою справедливость на ультрамикроскопическом уровне, вторая — на астрономическом. Противоречие между ними проявляется только там, где масштаб величин становится меньше постоянной Планка, т.е. 10-33 сантиметра. Брайан Грин приводит впечатляющее сравнение: «Чтобы дать представление о масштабах, приведем такую иллюстрацию: если мы увеличим атом до размеров Вселенной, то планковская длина станет равной высоте среднего дерева».[88] Между тем именно этот исчезающий масштаб явлений сегодня оказывается в самом центре научного поиска.