Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Страница 12

Получение некоего результата в ходе эксперимента не похоже на получение правильного ответа на вопрос в тесте множественного выбора, поскольку в эксперименте важен любой результат, даже если он не оправдывает наши ожидания и оставляет нас в еще большем недоумении. Но его следствием все равно становится определенная научная трансформация. Здесь заключено одно из основных отличий между шахматами и математикой, на которые обращал внимание Харди. Играя в шахматы, мы не меняем правила игры, однако отыскание математического доказательства – или результат научного эксперимента – изменяет науку, добавляя к ней некое новое знание. Благодаря этому наши исследования не заканчиваются экспериментом, а лишь получают новый поворот и еще более углубляются.

По какой-то причине Мишель заинтересовалась проблемой падения тел. Мы не знаем, почему. Возможно, она что-то прочитала о Галилее и это удивило ее. Она достаточно серьезно подходит к проведению своего эксперимента. Совершенно очевидно также и то, что, какими бы ни были результаты ее эксперимента, он не станет завершением ее изысканий, так как поставит перед ней новые вопросы.

Повторение эксперимента без изменений превращает его в демонстрацию. В первом проведении экспериментатор и зритель – это один и тот же человек, эксперимент проводится ради того, чтобы прояснить нечто важное для самого экспериментатора и, возможно, его коллег. Демонстрация же – стандартизованная процедура, в которой демонстратор и аудитория не одно и то же. Если Галилей на самом деле сбрасывал шары различного веса с крыши Пизанской башни, вполне возможно, что он делал это в качестве демонстрации: не столько чтобы прояснить нечто для себя самого, сколько чтобы убедить других.

Сегодняшние ключевые эксперименты завтра превратятся в предмет обычных демонстраций. Демонстрация есть воспроизведение эксперимента с некой внешней целью, и в зависимости от цели – повышение мотивации учащихся, стремление убедить инвестора или произвести впечатление на журналистов – демонстрация организуется по-разному. Граница между экспериментом и демонстрацией не всегда четкая, так как нередко ученый уже в ходе планирования и подготовки эксперимента начинает понимать, каков должен быть его результат, и предприимчивый экспериментатор включает уже в первый эксперимент элемент демонстрации. С другой стороны, не все демонстрации проходят так, как первоначально планировалось. Иногда их ход нарушают вполне обыденные обстоятельства, но порой в них проявляется некий новый фактор, о котором ранее ничего не было известно.

Мы обычно сталкиваемся с демонстрациями во время посещения музея науки. К примеру, в Бостонском музее науки проводится демонстрация эксперимента с падением тел. Рядом стоят два плексигласовых цилиндра, в каждом из них механические клешни захватывают находящиеся на дне предметы разного веса, поднимают их наверх и одновременно бросают. Траектория и скорость падающих объектов отслеживаются с помощью электроники. К радости кураторов музея и некоторому неудовольствию уборщиков, у этой экспозиции всегда полно детей (в демонстрационный аппарат можно засовывать и собственные предметы).

В «Эксплораториуме» в Сан-Франциско можно наблюдать несколько иную демонстрацию. Там имеется отдельно стоящий четырехфутовый цилиндр из плексигласа, насаженный на специальную ось таким образом, что он может переворачиваться и вращаться. Внутри цилиндра находятся два предмета: перышко и какая-нибудь игрушка, например плюшевый мишка. Цилиндр присоединен к вакуумному насосу, который посетитель музея может собственноручно включать и выключать. Цилиндр начинает вращаться – и оба объекта оказываются на специальной полочке, когда же цилиндр полностью переворачивается, они с нее падают. Если в цилиндр впустить воздух, перышко начинает отставать в своем полете, ему потребуется несколько дополнительных секунд, чтобы приземлиться. Но когда из цилиндра полностью выкачан воздух, оба предмета приземляются одновременно. Демонстрация пользуется огромной популярностью, у стенда неизбежно собирается толпа детей.

Однако у демонстраций есть один недостаток: они несколько размывают представление о сложностях, связанных с планированием, проведением и пониманием экспериментов, создавая определенную дистанцию между зрителем и феноменом, которая в ходе настоящего эксперимента отсутствует. Кроме того, демонстрации частенько до крайности упрощают экспериментальный процесс, используя оборудование, специально спроектированное для получения «правильного» ответа.

Демонстрации и описания экспериментов, которые приводятся в учебниках, способны исказить представление о процессе научных исследований, создав у зрителя и читателя впечатление, что научный эксперимент – это всего лишь иллюстрация к заранее проработанной концепции. Поэтому демонстрация способна уничтожить то, что я именую красотой науки. Если научный эксперимент открывает какую-то совсем незначительную истину, писал историк науки Фредерик Холмс, эта истина извлекается из «матрицы сложности» и неизбежно направляет экспериментатора к неким новым измерениям сложности³⁸. Это в полной мере относится и к эксперименту на Пизанской башне. Ученым потребовалось довольно много времени, чтобы уяснить важность экспериментов с падением тел, которые, в конечном итоге, сделали науку не проще, а, напротив, еще более сложной.

Когда астронавты «Аполлона-15» бросали перышко и молоток на поверхность Луны, это, конечно же, было демонстрацией. Для научного эксперимента (если не брать в расчет наиболее грубые его разновидности) процедура была проведена чрезвычайно небрежно. Никто не измерил высоту, с которой предметы были сброшены. Никого не заботило то, что руки Скотта не были вытянуты параллельно поверхности планеты. Ничего не было сделано, чтобы гарантировать одновременное начало падения предметов, да и в момент их прилунения также не осуществлялось никаких измерений. Слова командира корабля («одним из тех, благодаря кому мы оказались сегодня здесь, был джентльмен по имени Галилей…») подтверждают, что ученым давно и в деталях известны сила притяжения Луны и законы поведения тел под действием ускорения (если бы они этого не знали, с их стороны было бы крайне безрассудно запускать на Луну космический корабль с людьми на борту).

Между прочим, демонстрация с перышком и молотком едва не закончилась полным провалом, даже не начавшись. За несколько мгновений до начала демонстрации командир корабля Дэвид Скотт с ужасом обнаружил, что под действием статического электричества перышко прилипло к перчатке его скафандра. Однако стоило включить камеру, как перышко чудесным образом отлипло, и демонстрация прошла удачно. Экзотическое место проведения, показ в прямом эфире по телевидению, а впоследствии и размещение видеоклипа на сайте НАСА сделали «эксперимент», проведенный командой «Аполлона-15», без сомнения, самой популярной научной демонстрацией в истории.

Рис. 5. Наклонная плоскость с желобом, экспонат Музея истории науки во Флоренции. Этот инструмент был изготовлен в конце XVIII века и предназначался для демонстраций во время лекций. Маятник в задней части плоскости снабжен колокольчиком, который звенит при каждом качании, отмечая, таким образом, равные промежутки времени. Вдоль наклонной плоскости также устанавливаются колокольчики, которые звенят всякий раз, когда мимо них прокатывается шар. Эти колокольчики можно передвигать вдоль желоба, и демонстратор путем подбора размещает их таким образом, чтобы катящийся по желобу шар задевал их одновременно с качаниями маятника. Измерив затем расстояния от начала желоба до первого колокольчика, а также между колокольчиками, демонстратор и его зрители обнаружат, что названные расстояния относятся друг к другу как последовательность нечетных чисел, начиная с единицы – то есть, что длины соответствующих отрезков пути по наклонной плоскости от начала движения прямо пропорциональны квадратам времени движения. Данное приспособление позволяет хорошо продемонстрировать справедливость закона Галилея, однако не существует никаких свидетельств того, что установка Галилея была именно такой