Гипотез не измышляю: значение гипотезы в современной науке

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

«Гипотез не измышляю!» — знаменитое афористичное высказывание великого английского физика сэра Исаака Ньютона. Что хотел сказать ученый, когда говорил ее? Да и сама эта фраза — стоит ли ее помнить? Она ведь скорее остроумна, чем умна; а если вдуматься, так просто неверна: уж кто более, чем Ньютон, придумал гипотез, оказавшихся истинными? То, что сила тяготения между телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — это разве не была гипотеза? А то, что вращение Земли вокруг Солнца и морские приливы вызваны одной физической причиной — это не гипотеза? И так далее…

Да полно, произносил ли сэр Исаак такую фразу? Или перед нами один из анекдотов, выдуманных впоследствии?

Нет, оказывается, фразу эту Ньютон не только произнес, но и напечатал — в 1713 году, во втором издании своих знаменитых «Математических принципов натуральной философии» (о смысле этого заглавия мы поговорим чуть позже). Вдобавок сэр Исаак не имел склонности ни к юмору, ни к афоризмам. Значит, стоит нам призадуматься: что хотел объявить этой фразой старый мудрец и почему мы ее сейчас не понимаем? Итак, «Hypotheses non fingo» — «Гипотез не выдумываю». Выпишем естественные вопросы:

• Вы, сэр, гипотез не выдумываете. А кто же их выдумывает? И почему вы, как нам кажется, критикуете тех, кто это делает?
• Если вы не выдумываете гипотез, то что вы выдумываете? Или вы возражаете против самого термина — выдумывать?
• Кстати, что вы сами называете словом «гипотеза»? Может быть, мы обозначаем этим термином нечто совсем иное, оттого и не понимаем вас?

Начнем с последнего вопроса — он самый легкий. Мы сейчас называем гипотезой всякое умозрительное предположение, подлежащее экспериментальной проверке, на истинность: например, гипотезы о существовании кварков или «черных дыр». Если же предположение сформулировано так, что не допускает проверки в эксперименте (тезис о том, что Вселенная состоит из множества отдельных «капель», подобных нашей Метагалактике, которые не выпускают из себя ни свет, ни тяготение, ни нейтрино), то никто из физиков не назовет это гипотезой, а разве что — «догматом веры» и всерьез обсуждать не станет. А что было при Ньютоне?

Он пишет: «Гипотеза — это все, что не выводится из явлений… Гипотезы должны подчиняться природе явлений, а не пытаться подчинить ее себе, минуя опытные доказательства..! Если кто создает гипотезу только потому, что она возможна, то я не вижу, как можно в любой науке установить что-либо с точностью».

Вот он, крик души! Ньютон возражает именно против неограниченного выдумывания натурфилософских тезисов, не связанных с наблюдениями и не предназначенных их авторами к проверке на истинность — просто предлагалось всем желающим поверить в них, либо прельстившись их красотой, либо положившись на авторитет мужей, измысливших эти гипотезы. Такая традиция пришла из Древней Греции, укрепилась в средневековой западноевропейской схоластике и во времена Ньютона пронизывала всю науку. Сам Ньютон, не будучи по натуре полемистом, еще смолоду решил, что в спорах истина не рождается, и писал: «Я убедился, что либо не следует сообщать ничего нового, либо придется потратить все силы на защиту этого открытия».

Обычный человек, придя к такому выводу, вероятно, умолк бы навсегда. Но Ньютон-то был гений, «невольник мысли беспощадной»! Он чувствовал неодолимую потребность убедить ученый мир в значении своих открытий; но убедить надо было без споров. Как это сделать? Послушаем, что отвечал Ньютон на второй из наших вопросов — что и как надо измышлять?

«Вывести из явлений два или три общих принципа движения и затем изложить, как из них вытекают свойства и действия всех веществ и предметов,— вот что было бы очень большим шагом вперед… хотя бы причины этих принципов и не были еще открыты».

Вот она, Ньютонова программа для рождающейся физики. Сразу видно, что Ньютон не против свободного полета фантазии — иначе как можно вывести из набора конкретных явлений общие принципы, то есть законы, которым эти явления подчиняются? Только полет этот должен иметь прочную стартовую площадку и заранее осознанную цель. Далее — ясно, что программа Ньютона скопирована с программы Евклида, уже осуществленной в геометрии (построение системы аксиом и логический вывод из нее всех содержательных теорем). Слышится лейтмотив: «Придать физике математическую ясность, чтобы вызволить ее из болота бесплодных дискуссий о словах!».

И теперь, наконец, мы можем понять смысл заглавия главного труда Ньютона. «Натуральная философия» — это просто «философия природы» в исконном смысле этого слова, то есть наиболее общая наука о природе (и только о природе); мы в наше время называем эту науку общей физикой и справедливо считаем Ньютона ее основателем. А «математические принципы» общей физики — это те ее законы, которые допускают математическую формулировку и потому одинаково понятны для всех ученых.

Мы сейчас иных физических законов и не признаем, так крепко въелся в нас тезис: «Природа говорит с нами на языке математики». Сэр Исаак, вслед за Галилеем провозгласивший этот тезис и отстоявший его трудом всей жизни, наверное, порадовался бы тому новому смыслу, который обрели слова «гипотеза» и «принцип натуральной философии» в наше время. И наверняка он не огорчился бы тем, что мы перестали понимать его лозунг «Гипотез не измышляю». Он-то сам заявлял этим лозунгом только одно: в его книгах нет домыслов, а есть только общие утверждения о свойствах природы, основанные на рассмотрении природных явлений, которые всем одинаково видны, а не на словесных рассуждениях, которые одних убеждают, а других — нет.

Итак, мы умеем теперь читать Ньютона между строк и знаем, что он осуществлял в физике Евклидову «программу принципов», отказавшись от «программы тезисов», которую можно назвать Демокритовой в честь самого выдающегося ее представителя. Действительно, гипотеза Демокрита об атомарном строении вещества была до конца XIX века именно «гипотезой» в ньютоновском, а не в нашем, современном смысле — ни о каком ее экспериментальном подтверждении и речи не было, ибо сами атомы в обычный микроскоп не видны, а рассчитывать их свойства, исходя из наблюдаемых явлений, никто не умел.

Но ведь мы считаем сейчас и Демокрита гением, только другого, неньютоновского типа. Он не открывал новых законов, а лишь измыслил необыкновенно дерзкую гипотезу, оказался прав, и за это Шрёдингер назвал его основоположником квантовой механики.

Так давайте снова почитаем Ньютона и посмотрим: не упустил ли сей славный муж в своих поисках законов природы какую-нибудь гипотезу о ней, гипотезу не хуже Демокритовой? Заглянем во введение к «Математическим принципам»: «Рациональная механика есть учение о движениях, производимых какими бы то ни было силами, и о силах, требуемых для производства каких бы то ни было движений…».

Сказано — как отрезано. «Рациональная механика» — это то, что мы сейчас называем теоретической физикой; она должна заниматься движениями и силами и больше ничем. А чем бы еще она могла заниматься? Ньютон об этом умолчал как о вещи общеизвестной: испокон веку ведущей темой натурфилософии была природа различий между свойствами веществ, и велись бесконечные споры о «сущностях», или «субстанциях» тел, частиц, стихий и т. п. Ньютон изгнал из физики эти невразумительные сущности, заменил их новым понятием — «сила», которое измеримо в эксперименте и входит в математические формулировки законов механики, и он явно гордится этой своей реформой. Но почитаем дальше:

«Было бы желательно вывести из принципов механики и остальные явления природы, ибо многое заставляет меня полагать, что все эти явления обусловлены некоторыми силами, с которыми частицы тел, вследствие причин покуда неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры или же отталкиваются друг от друга. Так как эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы остались бесплодны».

Тут есть над чем поразмыслить. «Правильные фигуры, в которые сцепляются частицы» — это, видимо, кристаллы, строение которых Ньютон не сумел понять в рамках своей механики. И неудивительно — здесь действуют силы электромагнитного взаимодействия, которые могут вызывать не только сцепление, но и отталкивание частиц. Ньютон же сумел теоретически осмыслить лишь силы гравитации, хотя он сознавал: это еще не все, силы бывают разные, поскольку бывают разные движения. Почему же он здесь остановился, ограничившись намеком? Да потому, что, говоря о разных силах и не будучи в состоянии измерить разницу между ними в эксперименте, Ньютону неизбежно пришлось бы говорить о разных субстанциях, передающих эти силы! А ведь он только что торжественно изгнал из новорожденной «рациональной механики» само понятие «субстанция»! Он заменил это бессмысленное слово четким термином «сила» — и он от этого не отступит! А вперед шагнуть пока нельзя — техника эксперимента не позволяет; и вот мудрец умолкает на полуслове.

Но не может Ньютон перестать думать перед лицом таких проблем! Что такое гравитация — это он понял, ибо умеет описывать ее действие формулами. Что за силы скрепляют кристаллы и отталкивают натертые янтарем шерстинки друг от друга — этого он не понимает, но в этом, наверное, разберутся потомки. А вот что такое свет? Как стыдно, что он, создатель геометрической оптики, все еще не понял физический смысл этого явления! В отчаянии он пишет (конечно, в письме: нельзя же такие сомнительные фразы включать в «Математические принципы»!):

«Я считаю светом любую сущность или силу, которая, исходя по прямым от светящегося тела, дает возможность зрения…».

Да, если уж Ньютон готов приравнять бессмысленную «сущность» к ясной измеримой силе, это — трагедия! Создатель «физики принципов» сам попался в капкан своей системы! А ведь выбраться из этого капкана можно, надо только перестать быть самим собой и превратиться в безответственного выдумщика гипотез, вроде Демокрита. Действительно, предположим, что свет в самом деле есть некая особая «сущность», передающая от тела к телу особую силу. Тогда эта сила — не тяготение (ибо Земля одинаково притягивает Луну и в полнолуние и в новолуние). Где же проявляется эта сила? Допустим, что именно она образует кристаллы и расталкивает шерстинки — таким образом, мы убиваем сразу двух зайцев!

Вот, читатель, то дерзкое рассуждение, которого не мог себе позволить Ньютон как честный физик, не измышлявший «гипотез». Так он избежал репутации второго Демокрита, ибо электромагнитное взаимодействие между частицами действительно возникает в результате обмена между ними квантами электромагнитного излучения — фотонами, частицами света. Так утверждает современная квантовая теория поля. А ведь Ньютон к тому же был буквально в двух шагах от гипотезы о том, что фотон есть волна-частица! Еще в 1675 году он писал:

«…Если мы предположим, что световые лучи состоят из маленьких частиц, выбрасываемых по всем направлениям светящимся телом, то эти частицы… неизбежно должны возбуждать в эфире колебания различной глубины и толщины» (то есть частоты и амплитуды).

Итак, Ньютон отлично сознает непротиворечивость обеих гипотез о строении света и уверен в возможности их успешного синтеза с помощью понятия эфира. Но ведь эфир — опять-таки неизмеримая сущность! Тут что-то не так! Почему Ньютон возвращается к тому понятию, против которого во всех остальных случаях так решительно возражал? Об этом не говорят ни книги, ни письма Ньютона. Но, к счастью, есть еще воспоминания его друзей. И выясняется удивительно простая вещь: Ньютон не только верил в Бога вездесущего и всемогущего,— но и не мог представить Его себе иначе, чем в виде особой субстанции, пронизывающей все пространство и регулирующей все силы взаимодействия между телами, а тем самым — все движения тел, все, что происходит в мире. То есть Бог — это и есть эфир! С точки зрения церкви — это ересь, а с позиций Ньютоновой «программы принципов»— лишний домысел; и вот Ньютон (добрый христианин и добрый физик) не смеет писать об этом своем убеждении, а только иногда проговаривается в дружеских беседах. Бедный сэр Исаак!

А теперь предположим, что Ньютон решился бы изгнать из физики идею эфира (то есть опять вступил бы на тропу безбожного Демокрита). Тогда он пришел бы к выводу, что частицы света летят через пустое пространство, проявляя при этом свойства волн. Значит, это их собственные свойства! То есть свет есть поток частиц, являющихся в то же время волнами…

Вот была бы гипотеза, не уступающая Демокритовой — ни по дерзости, ни по близости к истине. Оцени же, уважаемый читатель, полезность той гипотезы, которую вполне мог бы высказать Ньютон,— если бы он сумел на время перестать быть самим собой и стать безудержным фантазером вроде Демокрита! Ньютон этого не умел; он сделал все, что мог, и только то, что мог,— и этого хватило для бессмертия.

Вот такие неожиданные мысли живого человека скрываются, видимо, за каждой строкой из «произведений классика естествознания». Не все из них мы сейчас способны восстановить, даже очень внимательно вчитываясь в текст. Но и то, что мы умеем расшифровать, открывает нам удивительные картины нереализованных вариантов развития науки — того процесса, который мы привыкли воображать однозначно определенным. А ведь однозначные маршруты пролегают по дебрям, часто упуская открытия, очевидные для будущих составителей учебников.

Попробуй, читатель, представить себе развитие физики в XVIII—XIX веках в том случае, если бы Ньютон или кто-нибудь из его учеников дерзнул бы провозгласить квантово-волновую гипотезу о природе света и других сил, не дожидаясь XX века! На сколько десятилетий раньше родились бы электродинамика и квантовая механика, основанные ведь именно на этом, квантово-волновом принципе!

Да, полезное это занятие — перечитывать классиков, выдумывая при этом разные гипотезы. Сразу все становится ясно: где Ньютон был прав, где он ошибся, где не довел до конца важную мысль. Это приятнейшее состояние духа грузинский поэт Шота Руставели выразил одной фразой: «Каждый мнит себя стратегом, видя бой со стороны…»

Нам, стоящим на плечах целой когорты гигантов — от Галилея до Гейзенберга, нетрудно судить любого из них. Только не будем забывать при этом: величие мыслей Ньютона измеряется от уровня его стоп, а величина наших мыслей о нем и о физике — от уровня плеч Гейзенберга, или Фейнмана, или других более современных физиков. Попробуем применить этот масштаб, читатель, может быть, мы станем от этого и скромнее, и умнее.

Автор: С. Смирнов, кандидат физико-математических наук.