Как поймать золотую рыбку? Взгляд ученого-физика.

…Удивился старик, испугался:
Он рыбачил тридцать лет и три года.
Я не слыхивал, чтоб рыба говорила.
«Сказка о рыбаке и рыбке»

Как поймать золотую рыбку? Рецепта нет. Можно лишь посоветовать терпеливо день за днем закидывать невод и надеяться на удачу. Но одной удачи мало. Математик сказал бы, что это условие необходимое, но недостаточное. Рыбак из пушкинской сказки был простодушным мечтателем. Иными словами, он принадлежал к той редкой породе людей, которые внутренне всегда готовы ко встрече с чудом. Он удивился, испугался, но не усомнился. А как поступил бы на его месте человек с трезвым складом ума, у которого к тому же «горит план» по бачкам в томате? Стал бы он вступать в разговоры с золотою рыбкой или попросту выкинул ее обратно в море, сказав: «Говорящих рыб не бывает»? Подобно рыбаку, ученый-экспериментатор год за годом закидывает свой «невод» в бездонные воды непознанного.

Но золотая рыбка капризна. Истекают тридцать лет и три года, отданные науке, а невод, бывает, по-прежнему возвращается «с одною тиной». Впрочем, у тины есть большое преимущество — ее изучение можно распланировать на тридцать три года вперед. Истина о необходимости черной работы в науке не нуждается в защите. Но и специалиста по тине, любящего свое дело, порой посещают сомнения: не прозевал ли он то неповторимое мгновение, когда сквозь тину блеснула золотая чешуйка?

Сомнения — прекрасная вещь, хотя бы потому, что они приучают к щедрости: ими всегда хочется поделиться. Из подобных размышлений и возникли эти заметки, написанные физиком по образованию, экспериментатором по роду занятий.

Легкомысленный призыв «ловите миг удачи» по отношению к занятиям наукой может показаться, по меньшей мере, неуместным. И все же в науках экспериментальных удача и случай играют порой ничуть не меньшую роль, чем самое совершенное оборудование. Любой эксперимент, результат которого неизвестен заранее, — это, по сути дела, игра. Случай и удача — полноправные участники этой игры, хотя говорить о них не считается признаком хорошего тона. Я вовсе не собираюсь утверждать, будто исследователи столь же суеверны, как игроки, полагающие, что упомянуть об удаче — верный способ ее спугнуть. Но и умолчание о роли случая — далеко не лучший способ постижения его закономерностей.

Изучение природы случайного на примере бросания игральной кости привело когда-то к созданию теории вероятности — раздела математики, который постепенно превращается в один из основных способов познания природы. «Игра с природой» — сегодня уже не художественный образ, а математический термин. Исследователь проводит эксперимент в условиях неполной информации: ведь получение недостающей информации как раз и является целью исследования. Ситуация незнания или неполного знания становится для исследователя источником внутреннего конфликта, а разрешение этого конфликта превращается в один из основных мотивов научной деятельности. (Духовное равновесие научного работника может быть уподоблено весам — на одной чаше все, что, по его мнению, он знает, а на другой — все, чего не знает.)

У каждой игры свои правила. Отражают ли правила научного исследования закономерности природы и закономерности человеческого познания, либо это — только результат открытого или негласного соглашения между исследователями, дань традициям и привычкам? Можно ли менять эти правила, и если можно, то как изменения отразятся на результатах игры? Много раз задавал я эти вопросы физикам, биологам, кибернетикам, и каждый отвечал на них по-своему.

Странное дело. Университетские программы точно и скрупулезно отмеряют минимум математических познаний, необходимых будущему физику, или химической информации, без которой не может обойтись биолог. В приложении к диплому перечислен длинный список научных дисциплин. Но тщетно в этом перечне наук мы стали бы искать свод правил — методологию научного эксперимента.

Прежде чем начинающий шахматист в первый раз в жизни передвинет королевскую пешку с е2 на е4, он должен выучить правила шахматной игры. Своими наборами правил обладают бокс, футбол и хоккей, и специальные судьи строго следят, чтобы спортсмены не пользовались правилами из чужого набора. Только экспериментаторы словно могут и не знать правил своей увлекательной игры.

Разумеется, каждый исследователь раньше или позже овладевает методологией научного исследования, но этот процесс удивительно напоминает обучение ребенка родному языку. Методология экспериментального исследования подобна грамматике. Можно блестяще владеть языком, так и не выучив ни одного грамматического правила, и все же знание грамматики никому еще не мешало писать грамотно.

В восточной, в частности буддийской, философии испокон веку живут две традиции: письменная и устная. Письменная — это тысячи рукописей и ксилографов (безнаборных книг, отпечатанных с резных досок), впитавших в себя подавляющую часть необходимой информации. Устная — это эстафета передачи знаний от учителя к ученику. Эти знания сравнительно невелики по объему, но они как бы служат ключом к запечатленной в книгах информации. Недаром передача эстафетной палочки связана тут с мистическими обрядами посвящения.

В науке передача устной традиции происходит буднично и незаметно, но, как это ни парадоксально, тем сильнее власть традиции над умами. Несколько фраз, брошенных вскользь научным руководителем, запоминаются молодым исследователем на всю жизнь. Придет время, и исследователь, став маститым ученым, передаст эстафетную палочку своим ученикам и, возможно, сделает это точно в тех же выражениях. Вот так, словно легенды и обряды, словно песни и поговорки, словно мальчишечьи и девчоночьи игры, переходят от одного поколения исследователей к другому правила научного исследования. Не бросаясь в глаза и почти не став еще сами объектом научного исследования, правила эти в значительной степени определяют образ действий исследователя.

Разумеется, методология науки не остается неизменной, но она меняется куда медленнее, чем техника эксперимента или объекты экспериментального исследования. Ведь и в языке новые, только что вошедшие в обиход слова спрягаются по старым грамматическим правилам.

Первое услышанное мною правило было любимой присказкой моего школьного учителя физики. Когда мы пытались заменить невыученный урок вдохновенной, но вольной импровизацией, он, печально качая головой, изрекал: «Чудес в природе не бывает».

«Чудес в природе не бывает!» Как часто я потом слышал эту фразу при самых различных обстоятельствах и всякий раз вновь чувствовал себя школьником, не выучившим урока. А может быть, чудеса все же хоть редко, да случаются? И вообще, что такое чудо? Удивительно трудно отвечать на, казалось бы, простые вопросы. В старину с чудесами все обстояло просто — они окружали человека на каждом шагу. Без них не обходились ни научные трактаты, ни сказки, ни сплетни, ни легенды. Так как все же ответить на вопрос, что такое чудо?

Может, так? Поскольку чудес в природе не бывает, тогда чудо то, чего не может быть. За неимением лучшего можно было бы примириться и с таким определением, но где взять перечень всего, что возможно?

А может, так? Чудо — это событие или явление, противоречащее законам природы. На первый взгляд звучит куда более научно, а на самом деле это просто перефразировка предыдущего высказывания. Ведь известные нам законы природы вовсе не являются истиной в последней инстанции, а лишь отражают уровень сегодняшнего познания природы. И если завтра будет открыто явление, противоречащее любому известному закону природы, и если затем самые тщательные исследования подтвердят, что это явление хорошо воспроизводимо и не связано с экспериментальными ошибками, то неизбежным следствием подобного открытия будет пересмотр старого закона и появление нового, более универсального, включающего в себя старый в виде частного случая.

Прошлый двадцатый век уже был свидетелем потрясений, связанных с необходимостью переосмысления законов классической механики, закона сохранения энергии, закона сохранения массы, закона сохранения четности, и появления в результате законов релятивистской механики, обобщенного закона сохранения энергии-массы, закона комбинированной четности. Сомневаться в справедливости самых фундаментальных научных положений стало у физиков-теоретиков своего рода хорошим тоном. Иными словами, каким бы странным и непонятным ни казалось нам какое-то явление, как бы ни противоречило оно всем нашим сегодняшним представлениям, но если оно воспроизводимо, то перестает быть чудом, и становится объектом научного исследования. А вот невоспроизводимое явление в некотором смысле равносильно чуду. И то, и другое — вне науки.

Физики высказываются на этот счет кратко и категорично: «…все, относимое к науке, должно быть воспроизводимо и в случае необходимости может быть проверено кем-то другим, в любом ином месте» (Г. Бонди, Гипотезы и мифы в физической теории).

«Один из критериев точности опыта — его воспроизводимость. Опыты, которые не удается повторить, научного значения не имеют» (М. В. Волькенштейн, Перекрестки науки).

Обратное утверждение неверно, поскольку не все опыты, которые удается повторять, имеют научное значение. Таким образом, можно сформулировать одно из нужных нам правил: необходимым условием достоверности экспериментального результата является его воспроизводимость.

Несомненно, правило, позволяющее отделять то, что относится к науке, от того, что к ней не относится, должно быть одним из самых важных. Поэтому в дальнейшем мы поговорим именно о нем. И прежде всего, коснемся его истории.

Лежавшее в основе средневекового мировоззрения представление о том, что «без воли Божьей ни один волос не упадет с головы человека», не было просто гипотезой, пытающейся объяснить происхождение лысин; оно возводилось в ранг универсального и единственного закона мироздания. В подобном мире бессмысленно было ставить эксперименты и задавать природе вопросы; в нем стиралась и исчезала разница между естественным порядком вещей и его антитезой — чудом.

Камень, выпущенный из рук, падал на землю, потому что такова была воля Божья. Но если бы в тысяча первый раз камень воспарил к верху, то это опять-таки было бы проявлением Божьей воли и ничем другим. Падение камня вниз и полет его без видимой причины вверх в равной степени были чудом; логически это были явления одного и того же порядка.

В эпоху Возрождения целенаправленный эксперимент становится массовым. Экспериментируют алхимики, экспериментируют ремесленники. Синтезируются новые вещества, возникают новые технологии. В мастерских ремесленников были созданы не только великолепные произведения рук человеческих — там медленно и неосознанно выковывалось принципиально новое отношение к природе, сделавшее возможным появление опытных наук.

Из науки была изгнана концепция чуда. Но если вера в чудо делала представление о воспроизводимости природных явлений излишним, то страстное отрицание чуда, в свою очередь, может быть, привело к абсолютизации требования воспроизводимости. И фраза «чудес в природе не бывает» равносильна требованию, чтобы любой факт поддавался экспериментальному воспроизведению в любых условиях и в любое время дня и ночи. Так или иначе, воспроизводимость стала паролем, по которому явления природы поодиночке «пропускали в науку».

Как известно, все в мире взаимосвязано. Эта всеобщая взаимосвязь причиняет экспериментаторам немало хлопот. Законы баллистики нельзя изучать, наблюдая за полетом волейбольного мяча на открытой площадке в ветреную погоду. Стеклянная палочка, потертая о шерсть, обычно притягивает мелкие кусочки бумаги или ткани, но не стоит и стараться повторить этот опыт при высокой влажности воздуха.

Стремясь изолировать явление от внешнего мира, экспериментатор окружает его толстыми стенами лаборатории, помещает в термостат с жидким гелием или в оболочку, из которой откачан воздух, создает стерильную чистоту, которой могут позавидовать лучшие операционные, опускает приборы в глубокие шахты земли или посылает их в космос.

Так вот, с этой точки зрения механические явления наименее капризны. Связи между механическими и немеханическими свойствами системы, как правило, очень слабы, и при небольшой точности опыта ими можно пренебречь. А это значит, что среди всех явлений природы механические явления должны выделяться наиболее высокой воспроизводимостью. И это обстоятельство сыграло далеко не последнюю роль в том, что физика начиналась с механики.

Классическая механика первой среди всех разделов физики была разработана с такой полнотой и законченностью, что превратилась в глазах ученых в недосягаемый образец для подражания. Высокая воспроизводимость механических явлений стала своего рода эталоном.

Огромные успехи девятнадцатого века в изучении электричества почти целиком относятся к электрическим явлениям в проводниках, главным образом в металлах. Электрические явления в проводниках прекрасно воспроизводились в любых лабораториях мира и хорошо укладывались в рамки существовавшей теории. По сравнению с благонравными металлами полупроводники вели себя как взбалмошные сорванцы. (Не случайно физики позапрошлого века называли их дурными проводниками. В этом названии нам сегодня слышится не только констатация физического факта, но и плохо скрытое неодобрение.)

Чем лучше очищали полупроводниковые материалы, тем капризнее они себя вели. Самые незначительные изменения условий опыта могли привести к качественному изменению эффекта. И вот результат: полвека спустя после открытия фотопроводимости селена известный физик О. Хвольсон в пятитомной монографии, своего рода энциклопедии экспериментальной физики того времени, отказывается даже рассматривать этот эффект из-за царящей в литературе путаницы, неразберихи и противоречий; чуть ли не впервые почтенному автору в этом месте изменяет обычная сухость и бесстрастность изложения. Полупроводники поплатились за свой дурной характер: гадкому утенку электроники пришлось почти сто лет дожидаться сегодняшней блистательной участи.

В курсах истории физики эту явную пристрастность к паинькам-металлам иногда пытаются объяснить тем обстоятельством, что важность металлов для практической электротехники была очевидна, а полупроводники, мол, были всего лишь забавным курьезом, исключением из правила. Но ведь сразу же после открытия эффекта фотопроводимости селена были высказаны догадки о возможности использования этого эффекта для передачи изображений по проводам. Еще более интересный пример разбирает академик А. Ф. Иоффе. Если бы после открытия эффекта термоэлектричества были созданы полупроводниковые термоэлектрические генераторы (а все технические предпосылки для этого существовали), то коэффициент полезного действия превращения тепловой энергии в электрическую у них был бы выше, чем у первых тепловых электростанций.

Будь полупроводники хоть немного популярнее и получи они хоть малую долю того внимания, которое уделяли металлам, вся история электроэнергетики, а возможно, и всей электротехники могла стать совершенно иной. Но время было упущено, и развитие техники пошло по другой эволюционной линии.

Позвольте, могут возразить, а социальный заказ, а понимание важности проблемы, а требования техники? Нельзя же сводить все движущие силы науки к одной только воспроизводимости. Конечно. И все же, если исходить только из важности проблемы, то царицей естественных наук, по справедливости, полагалось бы стать медицине. Вряд ли кто-нибудь станет оспаривать жизненную важность стоящих перед ней проблем. Увы, мы можем лишь горько пожалеть, что воспроизводимость явлений, связанных с телесным и психическим здоровьем человека, оказалась значительно ниже воспроизводимости явлений физических. Лишь огромная коллективная заинтересованность всего человечества не позволила этой древнейшей из наук зачахнуть под бременем бесчисленных разочарований.

Говорят, что порядок — это конечный продукт переработки хаоса. И пока еще не слышно опасений, что источник сырья угрожает иссякнуть. В наши дни, как и триста лет назад, воспроизводимость экспериментального явления — это практически единственный способ отделять драгоценные зерна истины от плевел добросовестных заблуждений и преднамеренных фальсификаций. Ни высокие ученые звания, ни прошлые научные заслуги, ни безукоризненный моральный облик — ничто не гарантирует исследователя от ошибок.

Ни одно открытие не будет безоговорочно признано, пока оно не будет, по крайней мере, несколько раз воспроизведено в разных условиях различными исследователями. Ученые шутят, что каждое крупное открытие проходит через две стадии: первая — «не может быть», вторая — «кто же этого не знает». Но между первым и вторым актами этой пьесы на подмостках науки ; закрытым занавесом разыгрывается интермедия воспроизведений, то стремительная, то затягивающаяся на долгие годы и десятилетия, но всегда исполненная подлинного драматизма.

Постоянная Планка и заряд электрона должны иметь одну и ту же величину в Париже и Нью-Йорке, Киеве и Мельбурне. Тщательное многократное воспроизведение одних и тех же явлений в различных лабораториях мира позволяет очистить их от налета субъективизма и случайных ошибок.

Я помню, как лет пятнадцать назад в одном сравнительно несложном эксперименте нам удалось опровергнуть сразу первый и второй законы термодинамики. Через несколько недель мы буквально впали в отчаяние от того, с какой прекрасной воспроизводимостью нарушались день за днем фундаментальные законы природы. В конце концов, мы все же выяснили, что во всем были виноваты мода и жаркое лето. Девушка-лаборант, одетая в «синтетику» с головы до пят, превращалась в некое подобие лейденской банки, заряженной до нескольких сот вольт и действующей на измерительную схему, как магнит на стрелку компаса. С некоторыми трудностями мы все же одели нашу помощницу в казенный хлопчатобумажный халат, а установку заэкранировали (что следовало сделать с самого начала) и со вздохом похоронили несостоявшуюся сенсацию.

Накопив некоторый опыт в подобного рода происшествиях, исследователь с годами начинает подозревать, что во всех странных и необъяснимых результатах виноваты примеси, наводки, случайные эффекты и прочие «скрытые параметры». От подобной подозрительности один лишь шаг до вынесения приговора без суда и следствия.

С точки зрения теории информации случайные результаты, вызванные плохой работой экспериментальной установки, могут быть названы экспериментальным шумом. Если уровень шума высок, то надо либо повышать уровень сигнала, либо увеличивать избыточность информации. Когда мы кричим в трубку телефона, помногу раз повторяя одно и то же слово, мы интуитивно выполняем рекомендации теории связи по передаче слабых сигналов в условиях помех.

Иногда поздно вечером, в сотый раз перебирая закапризничавшую установку, начинаешь думать: кто знает, может быть, природе, чтобы быть услышанной, до сих пор приходится кричать во весь голос?

А если так, то правила игры с ней нуждаются, — не скажу в пересмотре, — а хотя бы, для начала, в том, чтобы к ним внимательнее присмотрелись.

Значит ли это, что можно отказаться от требования воспроизводимости? Разумеется, нет, и в первую очередь потому, что сегодня его нечем заменить. Существующая методология эксперимента вырабатывалась в течение трех веков на простейших — с нашей сегодняшней точки зрения — явлениях природы.

Для объектов исследования современной науки, отличающихся несравненно большей сложностью и большим числом связей с внешним миром, эта методология то и дело становится прокрустовым ложем. Трудный и мучительный процесс выработки новых методологических приемов, возможно, является наиболее характерной чертой современного естествознания. Но об этом — в другой раз.

Автор: Ю. Эстрин.