Як зловити золоту рибку? Погляд вченого-фізика.
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
…Здивувався старий, злякався:
Він рибалив тридцять років і три роки.
Я не чув, щоб риба говорила.
«Казка про рибака і рибку»
Як зловити золоту рибку? Рецепта немає. Можна лише порадити терпляче день за днем закидати невід і сподіватися на вдачу. Але однієї вдачі мало. Математик сказав би, що ця умова необхідна, але недостатня. Рибалка з пушкінської казки був простодушним мрійником. Іншими словами, він належав до тієї рідкісної породи людей, які внутрішньо завжди готові до зустрічі з дивом. Він здивувався, злякався, але не засумнівався. А як вчинив би на його місці чоловік з тверезим складом розуму, у якого до того ж «горить план» по бичкам в томаті? Чи став би він вступати в розмови з золотою рибкою або просто викинув її назад в море, сказавши: «говорячих риб не буває»? Подібно рибаку, вчений-експериментатор рік за роком закидає свій «невід» в бездонні води непізнаного.
Але золота рибка примхлива. Минають тридцять років і три роки, віддані науці, а невід, буває, як і раніше повертається «з одною тіною». Втім, у тіни є велика перевага — її вивчення можна розпланувати на тридцять три роки вперед. Істина про необхідність чорної роботи в науці, не потребує захисту. Але і фахівця з тіни, люблячого свою справу, часом відвідують сумніви: чи не прогавив він ту неповторну мить, коли крізь тіну блиснула золота лусочка?
Сумніви — прекрасна річ, хоча б тому, що вони привчають до щедрості: ними завжди хочеться поділитися. З подібних роздумів і виникли ці нотатки, написані фізиком за освітою, експериментатором за родом занять.
Легковажний заклик «ловіть мить вдачі» по відношенню до занять наукою може здатися, щонайменше, недоречним. І все ж в науках експериментальних вдача і випадок грають часом нітрохи не меншу роль, ніж найдосконаліше обладнання. Будь-який експеримент, результат якого невідомий заздалегідь, – це, по суті справи, гра. Випадок і вдача — повноправні учасники цієї гри, хоча говорити про них не вважається ознакою хорошого тону. Я зовсім не збираюся стверджувати, ніби дослідники настільки ж забобонні, як гравці, які вважають, що згадати про вдачу — вірний спосіб її злякати. Але і замовчування про роль випадку – далеко не кращий спосіб осягнення його закономірностей.
Вивчення природи випадкового на прикладі кидання гральної кістки призвело до створення теорії ймовірності — розділу математики, який поступово перетворюється в один із основних способів пізнання природи. «Гра з природою» — сьогодні вже не художній образ, а математичний термін. Дослідник проводить експеримент в умовах неповної інформації: адже отримання відсутньої інформації як раз і є метою дослідження. Ситуація незнання або неповного знання стає для дослідника джерелом внутрішнього конфлікту, а вирішення цього конфлікту перетворюється в один з основних мотивів наукової діяльності. (Духовна рівновага наукового працівника може бути уподібнена терезам – на одній чаші все, що, на його думку, він знає, а на іншій — все, чого не знає.)
У кожної гри свої правила. Чи відображають правила наукового дослідження закономірності природи і закономірності людського пізнання, або це тільки результат відкритої або негласної угоди між дослідниками, данина традиціям і звичкам? Чи можна змінювати ці правила, і якщо можна, то як зміни позначаться на результатах гри? Багато разів ставив я ці питання фізикам, біологам, кібернетикам, і кожен відповідав на них по-своєму.
Дивна річ. Університетські програми точно і скрупульозно відмірюють мінімум математичних знань, необхідних майбутньому фізику, або хімічної інформації, без якої не може обійтися біолог. У Додатку до диплома перерахований довгий список наукових дисциплін. Але марно в цьому переліку наук ми стали б шукати звід правил — методологію наукового експерименту.
Перш ніж початківець шахіст в перший раз в житті пересуне королівського пішака з е2 на е4, він повинен вивчити правила шахової гри. Своїми наборами правил володіють бокс, футбол і хокей, і спеціальні судді строго стежать, щоб спортсмени не користувалися правилами з чужого набору. Тільки експериментатори немов можуть і не знати правил своєї захоплюючої гри.
Зрозуміло, кожен дослідник раніше або пізніше опановує методологію наукового дослідження, але цей процес дивно нагадує навчання дитини рідної мови. Методологія експериментального дослідження подібна граматиці. Можна блискуче володіти мовою, так і не вивчивши жодного граматичного правила, і все ж знання граматики ще нікому не заважало писати грамотно.
У східній, зокрема буддійській філософії споконвіку живуть дві традиції: письмова і усна. Письмова — це тисячі рукописів і ксилографів (безнаборних книг, надрукованих з різьблених дощок), що ввібрали в себе переважну частину необхідної інформації. Усна — це естафета передачі знань від вчителя до учня. Ці знання порівняно невеликі за обсягом, але вони як би служать ключем до відображеної в книгах інформації. Недарма передача естафетної палички пов’язана тут з містичними обрядами посвяти.
У науці передача усної традиції відбувається буденно і непомітно, але, як це не парадоксально, тим сильніше влада традиції над умами. Кілька фраз, кинутих побіжно науковим керівником, запам’ятовуються молодим дослідником на все життя. Прийде час, і дослідник, ставши маститим вченим, передасть естафетну паличку своїм учням і, можливо, зробить це точно в тих же виразах. Ось так, немов легенди і обряди, немов пісні і приказки, немов хлопчачі і дівчачі ігри, переходять від одного покоління дослідників до іншого правила наукового дослідження. Не кидаючись в очі і майже не ставши ще самі об’єктом наукового дослідження, правила ці в значній мірі визначають образ дій дослідника.
Зрозуміло, методологія науки не залишається незмінною, але вона змінюється куди повільніше, ніж техніка експерименту або об’єкти експериментального дослідження. Адже і в мові нові, що недавно увійшли в ужиток слова відмінюються за старими граматичними правилами.
Перше почуте мною правило було улюбленою приказкою мого шкільного вчителя фізики. Коли ми намагалися замінити невивчений урок натхненною, але вільною імпровізацією, він, сумно хитаючи головою, прорікав: «Чудес в природі не буває».
«Чудес в природі не буває!». Як часто я потім чув цю фразу при самих різних обставинах і всякий раз знову відчував себе школярем, який не вивчив уроку. А може бути, чудеса все ж хоч рідко, та трапляються? І взагалі, що таке чудо? Дивно важко відповідати на, здавалося б, прості питання. За старих часів з чудесами все йшло просто – вони оточували людину на кожному кроці. Без них не обходилися ні наукові трактати, ні казки, ні плітки, ні легенди. Так як все ж відповісти на питання, що таке чудо?
Може, так? Оскільки чудес в природі не буває, тоді чудо те, чого не може бути. Через брак кращого, можна було б примиритися і з таким визначенням, але де взяти перелік всього, що можливо?
А може, так? Чудо — це подія або явище, що суперечить законам природи. На перший погляд звучить куди більш науково, а насправді це просто перефразування попереднього висловлювання. Адже відомі нам закони природи зовсім не є істиною в останній інстанції, а лише відображають рівень сьогоднішнього пізнання природи. Та якщо завтра буде відкрито явище, що суперечить будь-якому відомому закону природи, і якщо потім самі ретельні дослідження підтвердять, що це явище добре відтворено і не пов’язане з експериментальними помилками, то неминучим наслідком подібного відкриття буде перегляд старого закону і поява нового, більш універсального, що включає в себе старий у вигляді окремого випадку.
Минуле двадцяте століття вже було свідком потрясінь, пов’язаних з необхідністю переосмислення законів класичної механіки, закону збереження енергії, закону збереження маси, закону збереження парності, і появи в результаті законів релятивістської механіки, узагальненого закону збереження енергії-маси, закону комбінованої парності. Сумніватися в справедливості самих фундаментальних наукових положень стало у фізиків-теоретиків свого роду хорошим тоном. Іншими словами, яким би дивним і незрозумілим здавалося нам якесь явище, як би воно не суперечило всім нашим сьогоднішнім уявленням, але якщо воно відтворено, то перестає бути чудом, і стає об’єктом наукового дослідження. А ось невідтворне явище в деякому сенсі рівносильне чуду. І те, і інше — поза межами науки.
Фізики висловлюються з цього приводу коротко і категорично: «…все, що відносилось до науки, має бути відтворено і в разі необхідності може бути перевірено кимось іншим, в будь-якому іншому місці» (Р. Бонді, Гіпотези і міфи у фізичній теорії).
«Один з критеріїв точності досліду — його відтворюваність. Досліди, які не вдається повторити, наукового значення не мають» (М. В. Волькенштейн, Перехрестя науки).
Зворотне твердження невірне, оскільки не всі досліди, які вдається повторювати, мають наукове значення. Таким чином, можна сформулювати одне з потрібних нам правил: необхідною умовою достовірності експериментального результату є його відтворюваність.
Безсумнівно, правило, що дозволяє відокремлювати те, що відноситься до науки, від того, що до неї не відноситься, має бути одним з найважливіших. Тому надалі ми поговоримо саме про нього. І перш за все, торкнемося його історії.
Уявлення, що лежало в основі середньовічного світогляду про те, що «без волі Божої ні один волос не впаде з голови людини», не було просто гіпотезою, яка намагається пояснити походження лисин; воно зводилося до рангу універсального та єдиного закону світобудови. В такому світі безглуздо було ставити експерименти і задавати питання природі; в ньому стиралася і зникала різниця між природним порядком речей і його антитезою — чудом.
Камінь, випущений з рук, падав на землю, тому що така була воля Божа. Але якби в тисяча перший раз камінь підлетів до верху, то це знову-таки було б проявом Божої волі і нічим іншим. Падіння каменя вниз і політ його без видимої причини вгору в рівній мірі були чудом; логічно це були явища одного і того ж порядку.
В епоху Відродження цілеспрямований експеримент стає масовим. Експериментують алхіміки, експериментують ремісники. Синтезуються нові речовини, виникають нові технології. У майстернях ремісників були створені не тільки чудові витвори людських рук — там повільно і несвідомо виготовляли принципово нове ставлення до природи, що зробило можливим появу дослідних наук.
З науки була вигнана концепція чуда. Але якщо віра в чудо робила уявлення про відтворюваність природних явищ зайвим, то пристрасне заперечення чуда, в свою чергу, може бути, призвело до абсолютизації вимоги відтворюваності. І фраза «чудес в природі не буває» рівносильна вимозі, щоб будь-який факт піддавався експериментальному відтворенню в будь-яких умовах і в будь-який час дня і ночі. Так чи інакше, відтворюваність стала паролем, по якому явища природи поодинці «пропускали в науку».
Як відомо, все в світі взаємопов’язано. Цей загальний взаємозв’язок завдає експериментаторам чимало клопоту. Закони балістики не можна вивчати, спостерігаючи за польотом волейбольного м’яча на відкритому майданчику у вітряну погоду. Скляна паличка, потерта об шерсть, зазвичай притягує дрібні шматочки паперу або тканини, але не варто і намагатися повторити цей дослід при високій вологості повітря.
Прагнучи ізолювати явище від зовнішнього світу, експериментатор оточує його товстими стінами лабораторії, поміщає в термостат з рідким гелієм або в оболонці, з якої відкачано повітря, створює стерильну чистоту, якій можуть позаздрити кращі операційні, опускає прилади в глибокі шахти землі або надсилає їх у космос.
Так ось, з цієї точки зору механічні явища найменш примхливі. Зв’язки між механічними і немеханічними властивостями системи, як правило, дуже слабкі, і при невеликій точності досліду ними можна знехтувати. А це значить, що серед всіх явищ природи механічні явища повинні виділятися найбільш високою відтворюваністю. І ця обставина зіграло далеко не останню роль в тому, що фізика починалася з механіки.
Класична механіка першою серед всіх розділів фізики була розроблена з такою повнотою і закінченістю, що перетворилася в очах вчених в недосяжний зразок для наслідування. Висока відтворюваність механічних явищ стала свого роду еталоном.
Величезні успіхи дев’ятнадцятого століття у вивченні електрики майже цілком відносяться до електричних явищ в провідниках, головним чином у металах. Електричні явища в провідниках чудово відтворювалися в будь-яких лабораторіях світу і добре вкладалися в рамки існуючої теорії. Порівняно з ґречними металами напівпровідники вели себе як нечемні байстрюки. (Не випадково фізики позаминулого століття називали їх поганими провідниками. У цій назві нам сьогодні чується не тільки констатація фізичного факту, але і погано приховане несхвалення.)
Чим краще очищали напівпровідникові матеріали, тим примхливіше вони себе вели. Самі незначні зміни умов досліду могли призвести до якісної зміни ефекту. І ось результат: через півстоліття після відкриття фотопровідності селену відомий фізик О. Хвольсон в п’ятитомній монографії, свого роду енциклопедії експериментальної фізики того часу, відмовляється навіть розглядати цей ефект через плутанину, що панує в літературі, безлад і протиріччя; чи не вперше поважному автору в цьому місці змінює звичайна сухість і неупередженість викладу. Напівпровідники поплатилися за свій поганий характер: гидкому каченю електроніки довелося майже сто років чекати сьогоднішньої блискучої долі.
У курсах історії фізики цю явну упередженість до металів іноді намагаються пояснити тією обставиною, що важливість металів для практичної електротехніки була очевидна, а напівпровідники, мовляв, були всього лише забавним курйозом, винятком із правила. Але відразу ж після відкриття ефекту фотопровідності селену були висловлені припущення про можливість використання цього ефекту для передачі зображень по проводах. Ще більш цікавий приклад розбирає академік А. Ф. Іоффе. Якщо б після відкриття ефекту термоелектрики були створені напівпровідникові термоелектричні генератори (а всі технічні передумови для цього існували), то коефіцієнт корисної дії перетворення теплової енергії в електричну у них був би вищим, ніж у перших теплових електростанцій.
Будь напівпровідники хоч трохи популярніше і отримай вони хоч малу частку тієї уваги, яку приділяли металам, вся історія електроенергетики, а можливо, і всієї електротехніки могла стати зовсім іншою. Але час був упущений, і розвиток техніки пішов по іншій еволюційній лінії.
Дозвольте, можуть заперечити, а соціальне замовлення, а розуміння важливості проблеми, а вимоги техніки? Не можна ж зводити всі рушійні сили науки до однієї тільки відтворюваності. Звичайно. І все ж, якщо виходити тільки з важливості проблеми, то царицею природничих наук, по справедливості, належало б стати медицині. Навряд чи хто-небудь стане оскаржувати життєву важливість проблем, що стоять перед нею. На жаль, ми можемо лише гірко пошкодувати, що відтворюваність явищ, пов’язаних з тілесним і психічним здоров’ям людини, виявилася значно нижче відтворюваності явищ фізичних. Лише величезна колективна зацікавленість всього людства не дозволила цій найдавнішій з наук зачахнути під тягарем незліченних розчарувань.
Кажуть, що порядок — це кінцевий продукт переробки хаосу. І поки ще не чути побоювань, що джерело сировини загрожує вичерпатися. У наші дні, як і триста років тому, відтворюваність експериментального явища — це практично єдиний спосіб відокремлювати дорогоцінні зерна істини від полови добросовісних помилок і навмисних фальсифікацій. Ні високі вчені звання, ні минулі наукові заслуги, ні бездоганний моральний вигляд — ніщо не гарантує дослідника від помилок.
Жодне відкриття не буде беззастережно визнано, поки воно не буде, принаймні, кілька разів відтворено в різних умовах різними дослідниками. Вчені жартують, що кожне велике відкриття проходить через дві стадії: перша — «не може бути», друга — «хто ж цього не знає». Але між першим і другим актами цієї п’єси на підмостках науки ; закритою завісою розігрується інтермедія відтворень, то стрімка, то така, що затягується на довгі роки і десятиліття, але завжди сповнена справжнього драматизму.
Постійна Планка і заряд електрона повинні мати одну і ту ж величину в Парижі і Нью-Йорку, Києві і Мельбурні. Ретельне багаторазове відтворення одних і тих же явищ в різних лабораторіях світу дозволяє очистити їх від нальоту суб’єктивізму і випадкових помилок.
Я пам’ятаю, як років п’ятнадцять тому в одному порівняно нескладному експерименті нам вдалося спростувати відразу перший і другий закони термодинаміки. Через кілька тижнів ми буквально впали в розпач від того, з якою прекрасною відтворюваністю порушувалися день за днем фундаментальні закони природи. Зрештою, ми все ж з’ясували, що в усьому були винні мода і спекотне літо. Дівчина-лаборант, одягнена в «синтетику» з голови до п’ят, перетворювалася в якусь подобу лейденської банки, зарядженої до декількох сот вольт і діючої на вимірювальну схему, як магніт на стрілку компаса. З деякими труднощами ми все ж одягли нашу помічницю в казенний бавовняний халат, а установку заекранували (що слід було зробити з самого початку) і з зітханням поховали невдалу сенсацію.
Накопичивши деякий дослід в подібного роду пригодах, дослідник з роками починає підозрювати, що у всіх дивних і незрозумілих результатах винні домішки, наведення, випадкові ефекти та інші «приховані параметри». Від подібної підозрілості один лише крок до винесення вироку без суду і слідства.
З точки зору теорії інформації випадкові результати, викликані поганою роботою експериментальної установки, можуть бути названі експериментальним шумом. Якщо рівень шуму високий, то треба або підвищувати рівень сигналу, або збільшувати надмірність інформації. Коли ми кричимо в трубку телефону, багато разів повторюючи одне і те ж слово, ми інтуїтивно виконуємо рекомендації теорії зв’язку з передачі слабких сигналів в умовах перешкод.
Іноді пізно ввечері, в сотий раз перебираючи капризну установку, починаєш думати: хто знає, може бути, природі, щоб бути почутою, досі доводиться кричати на весь голос?
А якщо так, то правила гри з нею потребують, — не скажу перегляду, — а хоча б, для початку, в тому, щоб до них уважніше придивилися.
Чи означає це, що можна відмовитися від вимоги відтворюваності? Зрозуміло, ні, і в першу чергу тому, що сьогодні її нічим замінити. Існуюча методологія експерименту вироблялася протягом трьох століть на найпростіших — з нашої сьогоднішньої точки зору — явищах природи.
Для об’єктів дослідження сучасної науки, що відрізняються незрівнянно більшою складністю і великим числом зв’язків із зовнішнім світом, ця методологія раз у раз стає прокрустовим ложем. Важкий і болісний процес вироблення нових методологічних прийомів, можливо, є найбільш характерною рисою сучасного природознавства. Але про це — іншим разом.
Автор: Ю. Эстрін.