Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
В описываемом эксперименте исследовалось то, что известно под названием «аномальный магнитный момент мюона». В нем была сделана попытка выяснить, какова прецессия спина частицы, время жизни которой было впервые измерено Конверси и Пиччони, в магнитном поле168. Измерение прецессии требует чрезвычайной точности, каковая, в свою очередь, нуждается в разработке весьма сложного эксперимента169.
С целью измерения прецессии спина мюонов ученые исследуют электроны и позитроны, возникающие при их распаде, используя при этом феномен нарушения четности, открытый Ву и ее коллегами, по которому определяется направление спина мюонов170. Когда данные о распаде миллиардов мюонов представляют в виде графика, то возникает потрясающая структура: последовательность максимумов, постоянно уменьшающихся по величине, что отражает частоту, с которой мюоны «колеблются» внутри камеры.
Рис. 25. Этот график колебаний фактора g-2, показывающего изменение четности в потоке позитронов, обладающих высокой энергией, как функции времени, стал первым свидетельством определенной частоты прецессии мюонов, полученным в Брукхейвенской лаборатории. Все присутствующие были настолько воодушевлены открытием, что поставили на графике свои подписи
Первые данные Брукхейвенского эксперимента были получены в мае 1997 года. Присцилла Кушман, физик из университета Миннесоты – первый исследователь, обработавший собранные за несколько дней данные и представивший их в виде графика, – сразу же обратила внимание на красноречивый рисунок. Позднее Кушман вспоминала, что, когда в комнату вошел Джерри Банс, еще один член команды g-2 , она «сунула ему под нос листок и воскликнула: „Посмотри! Кривая g-2!“ Он невозмутимо ответил: „Значит, сегодня вечером мы будем праздновать!“ Джерри был прав. Мы так долго ждали, искали финансирование, терпели нападки скептиков, утверждавших, что у нас никогда ничего не получится, потом запустили оборудование и две недели не получали никаких результатов, и внезапно этот прекрасный график как будто явился из ничего, и мы увидели на нем g-2!»
Спустя несколько лет, проведенных за сбором данных, исследователи совершили одно из самых точных измерений в физике элементарных частиц за все время ее существования и получили возможность сравнить полученную величину с теоретической, одной из самых точных величин в науке171. Результаты свидетельствовали о наличии расхождения с величиной, предсказанной теоретически, что говорит о возможности возникновения в недалеком будущем новой физики и, разумеется, вызывает сильнейший ажиотаж среди специалистов.
Эксперимент g-2 демонстрирует три важнейших элемента красоты, с которыми мы встречались в других экспериментах, упомянутых в нашей книге: глубину, то есть фундаментальность результатов; эффективность или экономичность, воплощенную в каждой из составляющих его частей; и определенность, означающую, что если в результате эксперимента возникают какие-то вопросы, то они относятся к структуре Вселенной (или к теории), а не к самому эксперименту.Несмотря на свою масштабность, эксперимент g-2 сравним по широте с экспериментом Эратосфена, так как соединяет различные масштабы Вселенной (явления, невероятно различающиеся по своим энергиям) в ходе измерения одной микроскопической величины – «качания» мюона. Он отличается и суровой красотой эксперимента Кавендиша по «взвешиванию» Земли, в котором экспериментатор фанатически преследовал одну цель – достижение возможно более высокой точности. Он обладает и энциклопедичностью эксперимента Милликена, так как в целях достижения результата объединяет множество различных законов Вселенной – от электромагнетизма и квантовой механики до принципов теории относительности172. При намеке на еще не исследованные измерения Вселенной в нем присутствует и нечто от высшей красоты эксперимента с маятником Фуко.
* * *
Во введении я поставил два вопроса относительно красоты научного эксперимента. Во-первых, что означает красота в контексте эксперимента? И во-вторых, как красота научного эксперимента влияет на сам концепт прекрасного?
Критерий ответа на первый вопрос – это способность эксперимента воздействовать на нас. Многие участники моего опроса упоминали эксперименты и демонстрации, виденные ими в детстве и юности. Более того, из всего объема информации, полученного на уроках естественных наук, только эти эксперименты и остались у них в памяти. Луна, в первый раз увиденная в телескоп; пульсирующие капилляры в плавниках золотой рыбки под микроскопом; ощущение сопротивления при попытке повернуть, держа его за втулку оси, вращающееся велосипедное колесо; мячик, удерживающийся на весу под воздействием сильного вертикального потока воздуха; консервная банка, сминающаяся словно сама по себе, когда из нее откачан воздух, – эти эпизоды надолго сохраняют способность пробуждать наше воображение.
Но эксперименты способны завораживать не только школьников, но и опытных ученых. Восторг открытия невозможно сравнить ни с какими другими переживаниями. Достаточно вспомнить реакцию шотландского инженера Джона Скотта Расселла, который в 1834 году впервые увидел в Эдинбургском канале солитон (структурно устойчивую уединенную волну, то есть такую отдельную волну, которая не рассеивается, в отличие от обычных волн). Он назвал этот день «самым счастливым днем своей жизни». В истории науки подобных примеров бесчисленное множество.
Историки и философы часто не обращают внимания на человеческие эмоции, проявляющиеся в подобных ситуациях. Некоторые – из-за того, что, по их мнению, подобный всплеск чувств может подорвать представление о рациональности и логичности науки. Однако если изъять из науки человеческие чувства, на ее месте останется роботизированный процесс создания, проверки и переформулирования гипотез – грандиозная интеллектуальная игра.
По другую сторону фронта некоторые историки и философы исследуют социальное измерение науки, ее социальный контекст, находящий свое проявление в выборе стратегий ее развития, финансирования и распределения грантов173. В данной сфере есть очень интересные исследования, тем не менее бо́льшая их часть сводится к утверждению, что наука не более чем грандиозная борьба различных заинтересованных структур, обладающих властью и деньгами и преследующих свои собственные цели174.
Если изучать науку исходя только из ее логики или только из стратегий ее развития, интересов организаторов, финансирования или материальных достижений, мы неизбежно придем к неправильному представлению о ней. Если же уделить некоторое время анализу эстетической стороны научных экспериментов, то можно вернуть эмоциональному измерению принадлежащее ему по праву место в науке.
Ответ на второй из заданных выше вопросов состоит в том, что красота научных экспериментов способна помочь нам добавить новые грани в традиционное представление о красоте в целом. В настоящее время термин «красивое» употребляется по отношению к произведениям искусства и явлениям природы, но так было не всегда. Если видеть прекрасное только в красоте пейзажей или музейных экспонатов, то невозможно по-настоящему оценить его роль в жизни и культуре человека. Древние греки не видели какой-то специальной связи между прекрасным, которое они называли τò καλόν , и искусством, считая прекрасным все, что имело ценность и на что было приятно смотреть. Они ассоциировали красоту не с украшениями и привлекательной формой, а скорее с тем, что может служить добрым примером: с законами, общественными институтами, человеческой душой и поступками. В результате древние греки ощущали внутреннюю связь между истиной, красотой и добром, воспринимали их как теснейшим образом взаимосвязанные сущности, порождаемые неким общим для них всех единым глубинным источником.
Платон называл красоту проявлением идеального в сфере зримого. Красота есть сияние, которое излучают истинные и благие вещи, проявляясь в мире, населенном и воспринимаемом смертными человеческими существами. Это сияние одновременно просвещает, влечет к себе и доставляет чувство удовлетворения. Высшие сферы бытия предстают перед любителями мудрости в виде красоты. По этой причине, полагал Платон, любовь к знанию не отвергает, а развивает чувство прекрасного, так как развитие и углубление в себе чувства прекрасного есть одновременно и более глубокое постижение истины.
Мир никогда не бывает полностью прозрачным, мы взираем на него сквозь призму усвоенных нами исторических и культурных стереотипов, которые многое открывают, но и многое скрывают от нас. Однако в мире встречается и то, что можно назвать прекрасным, то, что способно указать нам правильный путь из плена ложных представлений и невежества. Прекрасное, замечает Платон в «Пире», раскрывает перед нами мир, и надо все время, «словно бы по ступенькам, подниматься ради прекрасного вверх… пока не познаешь, что же это – прекрасное»175.
