Гіпотез не вигадую: значення гіпотези в сучасній науці

«Гіпотез не вигадую!» – знамените афористичне висловлювання великого англійського фізика сера Ісаака Ньютона. Що хотів сказати вчений, коли говорив його? Та й сама ця фраза – чи варто її пам’ятати? Адже вона швидше дотепна, ніж розумна; а якщо вдуматися, так просто невірна: вже хто більше, ніж Ньютон, придумав гіпотез, що виявилися істинними? Те, що сила тяжіння між тілами обернено пропорційна квадрату відстані між ними – це хіба не була гіпотеза? А те, що обертання Землі навколо Сонця і морські припливи викликані однією фізичною причиною – це не гіпотеза? І так далі…

Так повно, чи вимовляв сер Ісаак таку фразу? Або перед нами один з анекдотів, вигаданих згодом?

Ні, виявляється, фразу цю Ньютон не тільки вимовив, а й надрукував — в 1713 році, у другому виданні своїх знаменитих «математичних принципів натуральної філософії» (про сенс цього заголовка ми поговоримо трохи пізніше). До того ж сер Ісаак не мав схильності ні до гумору, ні до афоризмів. Значить, варто нам задуматися: що хотів оголосити цією фразою старий мудрець і чому ми її зараз не розуміємо? Отже, «Hypotheses non fingo» — «Гіпотез не вигадую». Випишемо природні питання:

• Ви, сер, гіпотез не вигадуєте. А хто ж їх вигадує? І чому ви, як нам здається, критикуєте тих, хто це робить?
• Якщо ви не вигадуєте гіпотез, то що ви вигадуєте? Або ви заперечуєте проти самого терміна – вигадувати?
• До речі, що ви самі називаєте словом «гіпотеза»? Може бути, ми позначаємо цим терміном щось зовсім інше, тому і не розуміємо вас?

Почнемо з останнього питання – воно найлегше. Ми зараз називаємо гіпотезою всяке умоглядне припущення, що підлягає експериментальній перевірці, на істинність: наприклад, гіпотези про існування кварків або «чорних дір». Якщо ж припущення сформульовано так, що не допускає перевірки в експерименті (теза про те, що Всесвіт складається з безлічі окремих «крапель», подібних нашій Метагалактиці, які не випускають з себе ні світло, ні тяжіння, ні нейтрино), то ніхто з фізиків не назве це гіпотезою, а хіба що — «догматом віри» і всерйоз обговорювати не стане. А що було при Ньютоні?

Він пише: «гіпотеза — це все, що не виводиться з явищ… Гіпотези повинні підкорятися природі явищ, а не намагатися підпорядкувати її собі, минаючи дослідні докази..! Якщо хтось створює гіпотезу тільки тому, що вона можлива, то я не бачу, як можна в будь-якій науці встановити що-небудь з точністю».

Ось він, крик душі! Ньютон заперечує саме проти необмеженого вигадування натурфілософських тез, не пов’язаних зі спостереженнями і не призначених їх авторами до перевірки на істинність — просто пропонувалося всім бажаючим повірити в них, або спокусившись їх красою, або поклавшись на авторитет чоловіків, які вигадали ці гіпотези. Така традиція прийшла з давньої Греції, зміцнилася в середньовічній західноєвропейській схоластиці і за часів Ньютона пронизувала всю науку. Сам Ньютон, не будучи по натурі полемістом, ще змолоду вирішив, що в суперечках істина не народжується, і писав: «я переконався, що або не слід повідомляти нічого нового, або доведеться витратити всі сили на захист цього відкриття».

Звичайна людина, прийшовши до такого висновку, ймовірно, замовкла би назавжди. Але Ньютон-то був геній, «невільник думки нещадної»! Він відчував нездоланну потребу переконати вчений світ у значенні своїх відкриттів; але переконати треба було без суперечок. Як це зробити? Послухаємо, що відповідав Ньютон на друге з наших питань – що і як треба вигадувати?

«Вивести з явищ два або три загальних принципи руху і потім викласти, як з них випливають властивості і дії всіх речовин і предметів, — ось що було б дуже великим кроком вперед… хоча б причини цих принципів і не були ще відкриті».

Ось вона, Ньютонова програма для нової фізики. Відразу видно, що Ньютон не проти вільного польоту фантазії – інакше як можна вивести з набору конкретних явищ загальні принципи, тобто закони, яким ці явища підкоряються? Тільки політ цей повинен мати міцну стартову площадку і заздалегідь усвідомлену мету. Далі – ясно, що програма Ньютона скопійована з програми Евкліда, вже здійсненої в геометрії (побудова системи аксіом і логічний висновок з неї всіх змістовних теорем). Чується лейтмотив: «надати фізиці математичну ясність, щоб визволити її з болота безплідних дискусій про слова!».

І тепер, нарешті, ми можемо зрозуміти сенс головної праці Ньютона. «Натуральна філософія» – це просто «філософія природи» в споконвічному сенсі цього слова, тобто найбільш загальна наука про природу (і тільки про природу); ми в наш час називаємо цю науку загальною фізикою і справедливо вважаємо Ньютона її засновником. А «математичні принципи» загальної фізики – це ті її закони, які допускають математичне формулювання і тому однаково зрозумілі для всіх вчених.

Ми зараз інших фізичних законів і не визнаємо, так міцно в’їлася в нас теза: «Природа говорить з нами мовою математики». Сер Ісаак, слідом за Галілеєм проголосив цю тезу і відстояв його працею всього життя, напевно, порадів би тому новому змісту, який знайшли слова «гіпотеза» і «принцип натуральної філософії» в наш час. І напевно він не засмутився б тим, що ми перестали розуміти його гасло «гіпотез не вигадую». Він-то сам заявляв цим гаслом тільки одне: в його книгах немає домислів, а є тільки загальні твердження про властивості природи, засновані на розгляді природних явищ, які всім однаково видно, а не на словесних міркуваннях, які одних переконують, а інших — ні.

Отже, ми вміємо тепер читати Ньютона між рядків і знаємо, що він здійснював у фізиці Евклідову «програму принципів», відмовившись від «програми тез», яку можна назвати Демокрітовою на честь найвидатнішого її представника. Дійсно, гіпотеза Демокріта про атомарну будову речовини була до кінця XIX століття саме «гіпотезою» в ньютонівському, а не в нашому, сучасному сенсі — ні про яке її експериментальне підтвердження й мови не було, бо самі атоми в звичайний мікроскоп не видно, а розраховувати їх властивості, виходячи з спостережуваних явищ, ніхто не вмів.

Але ж ми вважаємо зараз і Демокріта генієм, тільки іншого, неньютонівського типу. Він не відкривав нових законів, а лише вигадав незвичайно зухвалу гіпотезу, виявився правий, і за це Шредінгер назвав його основоположником квантової механіки.

Так давайте знову почитаємо Ньютона і подивимося: чи не упустив цей славний чоловік у своїх пошуках законів природи якусь гіпотезу про неї, гіпотезу не гірше Демокрітової? Заглянемо у вступ до «математичних принципів»: «Раціональна Механіка є вчення про рухи, вироблених якими б то не було силами, і про сили, необхідні для виробництва яких би то не було рухів…».

Сказано як відрізано. «Раціональна Механіка» – це те, що ми зараз називаємо теоретичною фізикою; вона повинна займатися рухами і силами і більше нічим. А чим би ще вона могла займатися? Ньютон про це промовчав як про речі загальновідомі: споконвіку провідною темою натурфілософії була природа відмінностей між властивостями речовин, і велися нескінченні суперечки про «сутності», або «субстанції» тіл, частинок, стихій і т. п. Ньютон вигнав з фізики ці незрозумілі сутності, замінив їх новим поняттям «сила», яке вимірно в експерименті і входить в математичні формулювання законів механіки, і він явно пишається цією своєю реформою. Але почитаємо далі:

«Було б бажано вивести з принципів механіки й інші явища природи, бо багато що змушує мене вважати, що всі ці явища обумовлені деякими силами, з якими частинки тіл, внаслідок причин поки невідомих, або прагнуть один до одного і зчіплюються в правильні фігури або ж відштовхуються один від одного. Так як ці сили невідомі, то до сих пір спроби філософів пояснити явища природи залишилися безплідні».

Тут є над чим поміркувати. «Правильні фігури, в які зчіплюються частинки» — це, мабуть, кристали, будову яких Ньютон не зумів зрозуміти в рамках своєї механіки. І не дивно – тут діють сили електромагнітної взаємодії, які можуть викликати не тільки зчеплення, але і відштовхування частинок. Ньютон же зумів теоретично осмислити лише сили гравітації, хоча він усвідомлював: це ще не все, сили бувають різні, оскільки бувають різні рухи. Чому ж він тут зупинився, обмежившись натяком? Та тому, що, говорячи про різні сили і не будучи в змозі виміряти різницю між ними в експерименті, Ньютону неминуче довелося б говорити про різні субстанції, що передають ці сили! Але ж він тільки що урочисто вигнав з новонародженої «раціональної механіки» саме поняття «субстанція»! Він замінив це безглузде слово чітким терміном «сила» – і він від цього не відступить! А вперед зробити крок поки не можна – техніка експерименту не дозволяє; і ось мудрець замовкає на півслові.

Але не може Ньютон перестати думати перед обличчям таких проблем! Що таке гравітація – це він зрозумів, бо вміє описувати її дію формулами. Що за сили скріплюють кристали і відштовхують натерті бурштином шерстинки одна від одної — цього він не розуміє, але в цьому, напевно, розберуться нащадки. А ось що таке світло? Як соромно, що він, творець геометричної оптики, все ще не зрозумів фізичний сенс цього явища! У розпачі він пише (звичайно, в листі: не можна ж такі сумнівні фрази включати в «Математичні принципи»!):

«Я вважаю світлом будь-яку сутність або силу, яка, виходячи за прямими від світного тіла, дає можливість зору…».

Так, якщо вже Ньютон готовий прирівняти безглузду «сутність» до ясної вимірної силі, це — трагедія! Творець «фізики принципів» сам попався в капкан своєї системи! Але ж вибратися з цього капкана можна, треба тільки перестати бути самим собою і перетворитися в безвідповідального вигадника гіпотез, на зразок Демокріта. Дійсно, припустимо, що світло справді є якась особлива «сутність», що передає від тіла до тіла особливу силу. Тоді ця сила – не тяжіння (бо Земля однаково притягує Місяць і в повний місяць і в молодик). Де ж проявляється ця сила? Припустимо, що саме вона утворює кристали і розштовхує шерстинки — таким чином, ми вбиваємо відразу двох зайців!

Ось, читач, то зухвале міркування, якого не міг собі дозволити Ньютон як чесний фізик, що не вигадував «гіпотез». Так він уникнув репутації другого Демокріта, бо електромагнітна взаємодія між частинками дійсно виникає в результаті обміну між ними квантами електромагнітного випромінювання – фотонами, частинками світла. Так стверджує сучасна квантова теорія поля. Але ж Ньютон до того ж був буквально в двох кроках від гіпотези про те, що фотон є хвиля-частинка! Ще в 1675 році він писав:

«…Якщо ми припустимо, що світлові промені складаються з маленьких частинок, що викидаються в усіх напрямках світним тілом, то ці частинки… неминуче повинні порушувати в ефірі коливання різної глибини і товщини» (тобто частоти і амплітуди).

Отже, Ньютон відмінно усвідомлює несуперечливість обох гіпотез про будову світла і впевнений в можливості їх успішного синтезу за допомогою поняття ефіру. Але ж ефір – знову-таки незмірна сутність! Тут щось не так! Чому Ньютон повертається до того поняття, проти якого у всіх інших випадках так рішуче заперечував? Про це не говорять ні книги, ні листи Ньютона. Але, на щастя, є ще спогади його друзів. І з’ясовується дивно проста річ: Ньютон не тільки вірив в Бога всюдисущого і всемогутнього,— але і не міг уявити Його собі інакше, ніж у вигляді особливої субстанції, що пронизує весь простір і регулює всі сили взаємодії між тілами, а тим самим — всі рухи тіл, все, що відбувається у світі. Тобто Бог – це і є ефір! З точки зору церкви — це єресь, а з позицій Ньютонової «програми принципів»— зайвий домисел; і ось Ньютон (добрий християнин і добрий фізик) не сміє писати про це своє переконання, а тільки іноді промовляється в дружніх бесідах. Бідний сер Ісаак!

А тепер припустимо, що Ньютон зважився б вигнати з фізики ідею ефіру (тобто знову вступив би на стежку безбожного Демокріта). Тоді він прийшов би до висновку, що частинки світла летять через порожній простір, проявляючи при цьому властивості хвиль. Значить, це їх власні властивості! Тобто світло є потік частинок, які є в той же час хвилями…

Ось була б гіпотеза, що не поступається Демокрітовій – ні по зухвалості, ні по близькості до істини. Оціни ж, шановний читачу, корисність тієї гіпотези, яку цілком міг би висловити Ньютон, – якби він зумів на час перестати бути самим собою і стати нестримним фантазером на кшталт Демокріта! Ньютон цього не вмів; він зробив все, що міг, і тільки те, що міг,— і цього вистачило для безсмертя.

Ось такі несподівані думки живої людини ховаються, мабуть, за кожним рядком з «творів класика природознавства». Не всі з них ми зараз здатні відновити, навіть дуже уважно вчитуючись в текст. Але і те, що ми вміємо розшифрувати, відкриває нам дивовижні картини нереалізованих варіантів розвитку науки — того процесу, який ми звикли уявляти однозначно певним. Але ж однозначні маршрути пролягають по нетрях, часто упускаючи відкриття, очевидні для майбутніх укладачів підручників.

Спробуй, читачу, уявити собі розвиток фізики в XVIII-XIX століттях в тому випадку, якби Ньютон або хто-небудь з його учнів наважився б проголосити квантово-хвильову гіпотезу про природу світла та інших сил, не чекаючи XX століття! На скільки десятиліть раніше народилися б електродинаміка і квантова механіка, засновані адже саме на цьому, квантово-хвильовому принципі!

Так, корисне це заняття – перечитувати класиків, вигадуючи при цьому різні гіпотези. Відразу все стає ясно: де Ньютон був правий, де він помилився, де не довів до кінця важливу думку. Це приємний стан духу грузинський поет Шота Руставелі висловив однією фразою: «кожен вважає себе стратегом, бачачи бій з боку…»

Нам, що стоять на плечах цілої когорти гігантів – від Галілея до Гейзенберга, неважко судити будь-якого з них. Тільки не будемо забувати при цьому: велич думок Ньютона вимірюється від рівня його стоп, а величина наших думок про нього і про фізику — від рівня плечей Гейзенберга, або Фейнмана, або інших більш сучасних фізиків. Спробуємо застосувати цей масштаб, читач, може бути, ми станемо від цього і скромніше, і розумніше.

Автор: С. Смирнов, кандидат фізико-математичних наук.