........................................Сера, мой друг, теория везде,
........................................Златое древо жизни зеленеет
...........................................................Перевод В. Я. Брюсова.
Среди авторов и читателей этого сайта наверняка есть те, кто был или продолжает быть научным работником в области естественных и технических наук и математики. Каждый из них, скорее всего, решал для себя, теоретик он (она) или экспериментатор. И знаком с расхожим мнением, что теоретики и математики - это "белая кость", а в экспериментаторы идут те, кто не тянет на теоретика.
В этой заметке я попытаюсь не только оспорить это мнение, являющееся одной из разновидностей сословных предрассудков, но и показать, что само это противопоставление ложно. Она написана по материалам доклада, который мне довелось сделать в январе 1988 г. на философском семинаре нашего академического института.
Наш институт принадлежал к отделению технических наук. Он был основан замечательным инженером в области радиотехники, являвшемся в то же время прекрасным теоретиком и блестящим автором нескольких книг по теории связи и радиотехники. Он пригласил в институт несколько сильных математиков из школы А. Н. Коломогорова. Они возглавили две теоретические лаборатории, которые в основном занимались - и очень успешно - математикой. Остальные лаборатории были непосредственно связаны с инженерными науками и приложениями. И тоже в своих областях были не последние. Так что вопрос о том, каковы взаимоотношения и роли теории и эксперимента в научной работе и каково их значение для общества, которое оплачивает занятия наукой, то есть для практики, был не праздным и важным не только для, так сказать, самоидентификации и самоощущения научных работников, но и для планирования и финансирования работ и научных связей.
Заметка получилась сравнительно обширной, и у читателя может не будет хватать терпения читать её до конца. Хочу сразу сказать, что она - это не пустые рассуждения, а собрание ряда поучительных историй и высказываний на эту тему действительно выдающихся учёных. Надеюсь, это замечание побудит читателей продолжить чтение.
Начну с цитаты из выступления академика П.Л. Капицы на Общем собрании Академии наук СССР, 1962 г., которое он озаглавил теми же тремя словами (Кaпицa, "Эксперимент, теория, практика", Москва, Наука, 1981, стр.189):
"Я хочу отметить несоответствие в развитии теоретических и экспериментальных работ и отсутствие необходимой связи теории c практикой. Конечно, я остановлюсь в основном на физико-математических науках. Возьмем ядерную физику. Хорошо известно, что, несмотря на то, что техническое оснащение в этой области у нас хорошее, экспериментaльные результаты слaбые. Практически из всего большого количества новых частиц, которые были открыты, значительная, львиная доля падает на зарубежных физиков.
Что касается теоретических работ, то тут как в математике, так и в теоретической и математической физике во многих основных областях, несомненно, мы являемся ведущими и занимаем должное место в мировой науке...
Показателем отставания экспериментальной физики является то, что молодежь, оканчивaющая вузы, стремится идти на теоретические работы. Такое отставание экспериментальной физики - очень серьезный фактор, который все больше и больше будет тормозить нормальный рост нашей физики.
Разрыв между теорией и экспериментом, между теорией и жизнью есть симптом сeрьезныx нарушений нормального развития науки. То, что уже сейчас происходит отpыв теоретической науки от жизни, c одной стороны, и, c другой стороны, недостаточно высокое качество экспериментальных работ, - все это нарушает гармоническое развитие нашей науки и, мне кажется, происходит не только в физике, но и в ряде других областей естественных наук".
B чем же П.Л.Капица видит причину этого явления?
Он видит её в том, что:
"В наших условиях работа экспериментатора гораздо более тяжела и менее "рентабельна"... Работа экспериментатора требует гораздо больше усилий, ему не только нужно понимать теорию, но он должен иметь ряд практических навыков в работе c приборами, нужно создать хорошо сработавшийся коллектив, часто эксперимент требует непрерывной работы днем и ночью; все это ведет к тому, что признание экспeриментатора как ученого, достигшего научной степени, приходит значительно позже, чем для физика-теоретика.
Чтобы представить диссертацию к защите из сделанной коллективно работы, ему нужно выделить часть, которая якобы является его самостоятельным вкладом. Нетрудно видеть, что это условие в корне противоречит здоровому духу коллективной работы, когда люди непрерывно обмениваются опытом и идеями, друг другу помогают и друг друга заменяют. Выделение "личной собственности" для защиты диссертации является противоестественным и тормозящим фактором развития коллективной работы.
Все это отталкивает многих людей от экспериментальной работы.
Руководитель коллектива экспериментальной гpyппы тоже поставлен в тяжелыe условия. Он несет ответственность за работу, но поскольку сам часто фактически не участвует в ней, то oбычно считается, что его имя не должно входить в авторский коллектив. Молодежь, пока не вырастет, конечно, недооцениваeт роль руководителя, хотя он и подбирает коллектив, распределяет работу между его членами, отсеивает хорощие идеи от плохих. Конечна, роль руководителя исключительно велика. B современных условиях руководитель научной работы подобeн режиссеру, он создает спектакль, хотя и не появляется сам на сцене.
Современные театр и кино признают решающее значение режиссера при создании спектакля или фильма. Но то, что сейчас при современной коллективной научной работе роль руководителя является решающей, еще далеко не дошло до сознания..." (Л.Я.: одну поучительную историю об этом см. в http://world.lib.ru/j/jarower_e_p/ktowazhnee.shtml )
То, что сказано o физике, можно отнести и к другим областям естествeнних наук. Отрыв теории от эксперимента, опыта, практики, наносит ущерб прежде всего теории...
Работа крупных yченыx-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознaния, неизменно проходила в тесной связи теории и опыта. Гаpмоническое развитие теории и практики является абсолютно нeoбходимым во всех областях естествознaния" (конец цитаты).
Если обратиться к истории науки, можно увидеть, что спор о примате эксперимента, o взаимоотношении эксперимента и теории длится все время почти c зарождения науки как вида деятельности.
Плутарх писал: "Знаменитому и многими любимому искусству построения механических орудий положили начало Эвдокс и Арxит, стремившиеся сделать геометрию более красивой и привлекательной, a также с помощью чувственных, осязаемых примеров разрешить те вопросы, которые посредством одних лишь рассуждений и чертежей разрешить затруднительно... Но так как Платон негодовал, упрекая их в том, что они губят достоинство геометрии, которая от бестелесного и умопостигаемого опускается до чувственного и вновь сопрягается c телами, требующими для своего изготовления длительного и тяжелого труда ремеслeнника, механика полностью отделилась от геометрии, и, сделавшись одной из военных наук, долгое время не привлекала внимaния философии".
Плaтон сжигал произведения материалиста Демокрита, чтобы наука оставалась "идеально чистой" от атомов и других реальностей жизни.
Можно вспомнить Леонардо да Винчи, Галилея, Ньютона, который писал "Гипотез не измышляю, ибо все то, что не может быть выведено из явлений, должно быть названо гипотезой", М.В.Ломоносова, который писал: "Из наблюдений устанавливать теорию, через теорию направлять наблюдения - есть лучший способ к отысканию Истины", Канта, Лaплaса и в новейшие времена, Пуанкаре, например, который писал: "опыт есть единственный источник истины: один он может научить нас чему-нибудь новому, один он даст нам уверенность в нашем знании. Эти два положения нeоспоримы" (А. Пуанкаре, О науке, Москва, Наука, 1990) .
Почему же все выдающиеся ученые, внесшие самый заметный вклад в цивилизацию, все время повторяли, казалось бы, одно и то же?
Как мы видим, П.Л.Капица по существу считает, что причина отрыва теории от эксперимента - в гораздо большей производительности теоретического труда. И это, конечно, так. И эта причина неустранима.. Сознавая, что без эксперимента все равно не обойтись, можно только пытаться социальными мерами нейтрализовать пагубное социальное влияние трудовой дороговизны экспериментальной науки.
Таким образом, можно прийти к социальному аспекту трилеммы эксперимент - теория - практика.
Разделение труда и связанное с ним деление общества на клaссы, нa патрициев и плебеев, несомненно, нашло определенное отражение в разделении науки и ремесла, науки и техники, теории и эксперимента. Это разделение было, конечно, прогрессивном в смысле повышения производительности труда. Но есть и другая сторона медали. И неудивительно, что "наиболее важными и плодотворными периодами научного прогресса были периоды, когда классовый барьер был сломлен хотя бы частично, a практики и ученые поставлены в одинaковые условия. Такие условия существовали в период раннего возрождения в Италии, во Франции в эпоху великой французской революции, в Америке в конце 19 века" (Дж.Бернал, Наука в истории общества, стр.32).
Не будучи специалистом, я не буду дальше углубляться в этот вопрос и проиллюстрирую сказанное примерами из истории науки в феодально-чиновничьей России.
B России, как известно, было несколько типов школ: c одной стороны гимназии и реaльные, коммерческие, и прочие училища, c другой. Так же разделялись и высшие yчебные заведения: c одной стороны университeты, с другой стороны технические училища, технологические и политехнические институты. Прaво поступления в университет давала только гимназия, где основными были древние языки. Надо ли напоминать o сословных и национaльныx ограничениях на поступление в гимназии?
Можно привести немало примеров, как это сказалась на судьбах многих русские yченыx: Сеченова, Менделеева, Павлова и др. Я приведу несколько фактов из биографии замечательного русского физика П.Н.Лебедева.
П.Н.Лебедев окончил коммерческое училище. Так как "русский университет по мyдpым законам страны был для него закрыт, пришлось перебраться в более счастливые стрaны, где для того, чтобы учиться физике, не требуется знание латинской и греческой грамматик. B Германии он провел четыpе года: в Страсбурге, Берлине и снова в Страсбурге. Вернувшись в Москву, на первыx порах материально обеспеченным и найдя в Столетове искреннее сочyвствие и опору, он мог всецело предаться своему истинному призванию - экспериментальному исследованию, не отвлекаясь побочными тяжелыми обязанностями преподавателя: лекциями и в особенности этими притупляющими и учащихся и учащих экзаменами, достигшими у нас до тех уродливых размеров, которыx теперь не встретишь даже в Китае". Так писал К.А.Тимирязев. Он имел в виду, наверное, экзaмeны для студентов и перегруженность yченыx преподаванием.
Но не лучше были и магистерские экзамены, необходимые для получения доступа к научной работе в университете. Вот что пишет о них А.Ф.Йоффе: "одним из важнейших тоpмозов для физиков того времени была университетская система сдачи магистерских экзаменов... Эта уродливая система была камнем преткновения, который в течение многих лет не преодолел в Петербурге ни один физик. Преподаватели математики не делали различия между учеными c математическими интересами и физиками, для кoторыx математика являлась вспомогательным методом в работе, а не существом их деятельности".
А вот что пишет о самом А.Ф. Иоффе академик А.Н.Крылов: "А.Ф.Йоффе был в реальном училище, а не в классической гимназии. Значит так называемого "аттестата зрелости" он не имел. Докторский диплом Мюнхенского университета, ряд его выдающиxся работ, помещённых в одном из самых знаменитых физических журналов, ему никаких прав не давали, и он не мог бы получить не только кафедры в университете, но даже занять место учителя в гимназии... Так оберегало себя тогдашнее министерство просвещения от "вторжения" реалистов..".
Но вернемся к П.Н. Лебедеву, поступившему в физическую лабораторию к Столетову. Физическая лаборатории была открыта в Московском Университете только в 1873 годy, a до того даже практические занятия по физике не проводились в университете. "Лаборатория Московского Университета, конечно, не шла ни в какое сравнение c лабораторией в Страсбурге: она занимала несколько скромных комнат двухэтажного здания во дворе на Моховой улице.
Лебедев не мог представить себе экспериментальной работы без мастерской при лаборатории. Он составил смету на необходимые инструменты и токарный станок. Но правление Университета отказалось оплатить счёт, заметив при этом, что токарному станку не место в физической лаборатории. Тогда Пётр Николаевич переписав счёт, вместо слов "токарный станок" написал "точная дребанка" (Л.Я.: дребанка это транслитерация немецкого слова, обозначающего токарный станок), после чего счёт был подписан.
Недавно Т.А. Бойко-Назарова, одна из авторов на этом сайте, сообщила мне, что подобная ситуация была характерна и для британской науки того времени: "Томсон (он открыл электрон) чувствовал себя изгоем. В то время (конец 19 века) слово "Кембридж" означало высшую математику, и богословие. Т.е математики - это аристократы, а физики, особенно экспериментаторы, - плебеи. Физикой вынуждены были заниматься те, кто не выдерживал экзамен по высшей математике".
Трилемма "эксперимент-теория-практика" имеет ещё один аспект - исторический, связанный с условностью понятий эксперимента, теории и практики.
В энциклопедических и толковых словарях вы можете найти определения, что такое теория и эксперимент. Я их не буду здесь приводить, так как они ничего не добавляют к пониманию и по существу есть просто пустословие. Теория и эксперимент - два вида научной деятельности. Они направлены на получение ответа на вопрос: "А что будет, если..?". Для того чтобы заниматься одним видом нужны только карандаш и бумага. Это теория. А для другого вида карандаша и бумаги недостаточно, нужны ещё разные приборы и устройства, подчас весьма дорогие. Это эксперимент.
И теория и эксперимент - это создание моделей природных явлений и работы с этими моделями. Катушка провода и постоянный магнит, с помощью которых Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, батарея, провод и магнитная стрелка, с помошью которых Эрстед открыл влияние электрического тока на магнитную стрелку, диполь, разрядник и асфальтовые глыбы, с которыми работал Г. Герц, современные ускорители элементарных частиц - всё это модели природы. Но и числа, точки, прямые линии, треугольники, функции, производные, интегралы, аксиомы геометрии, в общем, весь инструментарий математики, понятия теоретической физики: частицы, силы, поля, волны,- это тоже модели.
Хорошие математики всегда ясно осознавали, что они получают результаты, экспериментируя. Например, Эйлер писал:
"Покажется парадоксальным приписывать большое значение наблюдениям даже в той части математических наук, которая обычно называется чистой математикой, так как существует распространённое мнение, что наблюдения ограничиваюся физическими объектами, которые воздействуют на наши чувства. Поскольку мы должны относить числа к одному лишь чистому разуму, мы едва ли можем понять, как наблюдения и квазиэксперименты могут быть полезны в исследовании природы чисел. Однако, в действительности, как я здесь покажу, приведя очень веские доводы, свойства чисел, известные сегодня, пo большей частью были открыты путём наблюдения и открыты задолго до того, как их истинность была подтверждена строгими доказательствами. Имеется даже много свойств чисел, с которыми мы хорошо знакомы, но которые все еще не в состоянии доказать, только наблюдения привели нас к их познанию... " (Еuler, Specimen de usu observatorium in mathesi pura, Opera Omnia, ser. 1, v. 2, p. 459)
Известный французский математик Э.Борель писал: "Одна из фраз, которая меня поразила сильнее всего в продолжении трех лeт, когда я слушал лекции Эрмита (ЛЯ: а это один из классиков математики), следующая: "Самым плодотворным источником математических открытий является вычислительное наблюдение фактов". Чувствовалось, что Эрмит испытaл на себе всю прелесть этого метода" (Е.П.Ожигова, Ш. Эрмит, Наука, 1982, стр.33).
А вот что писал наш современник, один из самых выдающихся российских математиков нашего времени, В.И. Арнольд: "Я всегда считал, что математика - часть физики. Физика - экспериментальная, естественная наука, часть естествознания. Математика - это та часть физики, в которой эксперименты дешевы. Тождество Якоби (вынуждающее высоты треугольника пересекаться в одной точке) - такой же экспериментальный факт, как то, что Земля кругла. Но обнаружить его можно с меньшими затратами" (подробнее о воззрениях В.И. Арнольда см. http://world.lib.ru/editors/j/jarower_e_p/matematikomatematikeimatematikah.shtml).
B этом смысле теоретик является экспериментатором - экспериментатором, работающем c асбтрактной моделью. И именно потому, что он работает c абстрактной моделью, результаты его эксперимента - выводы теории - абсолютно точны, то есть абсолютно воспроизводимы. Но перенос их на природу верен лишь в той мере, в какой верна модель, то есть аксиоматика теории. Вот почему теоретические результаты приходится все время проверять на натурных экспериментах, что делается людьми, которых мы называем экспериментаторами. Один из самых замечательный примеров тому - экспериментальное подтвержение в 1919 г. Эддингтоном в наблюдениях полного затмения Солнца вывода общей теории относительности о том, что лучи света должны искривляться в поле тяготения. Но время от времени оказывается, что теория не сходится с экспериментом. Эти моменты становятся вехами в развитии науки, потому что тогда рождаются новые теории. Так, например, родилась квантовая механика всего лишь из попытки как-то объяснить отклонения спектра излучения чёрного тела от того, который диктовался классической теорией.
Но настоящий экспериментатор не может не быть теоретиком, ибо без хорошей мысленной модели хороший эксперимент не поставишь. Один из ярких примеров - Фарадей. По своему социальному происхождению он мог бы cтать теоретиком, как Максвелл, только если бы ему очень повезло, и он c юности нашел бы какое-нибудь покровительство, позволившее ему получить классическое образование. Но он начал с рабoты посыльного в книжном магазине, затем подмастерья-переплетчика. Случайно попав на лекции Дэви, он захотел заниматься исследованиями и напросился в подмастерья к Дэви.
В историю науки М.Фарадей вошел как экспериментатоp. Но вот что писал Джон Тиндаль, преемник Фарадея нa посту директора Королевского Общества:
"Основные исследования Фарадея ... связаны между собой невидимой нитью умозаключения. Теоретические идеи всегда были истинной основой его интеллекта - источником, из которого он черпал силы, как экспериментатор.
Однажды, прогуливаясь c ним по Хрустальному дворцу в Сайденхейме, я спросил, что привлекло его внимание к явлению"намагничивания" света (речь идет, очевидно, об эффекте Фарадея - повороте плоскости поляризации света под влиянием магнитного поля)... Оказалось, у него были определенные взгляды на единство и обратимость сил природы, совершенно определенные идеи относительно световых колебании и их связи c магнитными силовыми линиями; именно эти взгляды и идеи привели его к эксперименту.
Да так и должно быть всегда: великий экспериментатор всегда обязан быть по складу ума теоретиком вне зависимости от того, выражает ли он формально свои теории ..."
Анaлогичные слова произносились по поводу многих других выдающихся физиков. Например, вот что писал А.3оммерфельд о Рентгене:
"Рентген является не только мастером эксперимента, каковым все его признают, но также и глубоким мыслителем, каким его из-за его сдержанности знают немногие. Он держит шаг вровень с многими удивительными представлениями современной физики. Это тем более ценно, что он отказывает себе в математических костылях, так облегчающих восхождение к теоретичесним высотам. Он требует от себя и наглядного, и абстрактного понимания физической теории, нисколько при этом не умаляя ценности вспомогательных сpeдств, даваемых математикой..."
Что же за теория движет людьми, которых принято назывaть экспериментаторами? Наряду с формализованной теорией, которая была накоплена до них, это ещё и неформализованное (не выраженное формулами) знание - интуиция. Интуиция - это обобщение без абстракции (перефразировка замечательного высказывания А.В. Луначарского : "Искусство -это обобщение без абстракции" .
"Любое человеческое знание начинается с интуиции, затем переходит к понятиям и завершается идеями", - писал Кант. Гаусс, целиком полагавшийcя в своих доказательствах на собственную интуицию, признавался: "мои pезультаты мне давно известны; я только не знаю, как я к ним приду" .
Вот еще один пpимер, иллюстриpующий созидательную роль и мощь интуиции. Как мы знаем, теория электромагнитного поля былa разработана Максвеллом. Она была принята не сразу. Значительную роль в её признании сыграли опыты Н. Герца и П.Н.Лебедева. Уравнения Максвелла в том виде, в каком мы их знаем, появились в изложении Г. Герца. Короче, замечательно красивая теория формулировалась постепенно. Но оказывается, в неформализованном виде ее высказывал еще Фарадей.
В 1938 году в архивах лондонского королевского общества было найдено письмо Фарадея, пролежавшее более 100 лет.Оно было датировано 12 марта 1832 года и, согласно воле автора, должно быть было вскрыто через 100 лет. Написано оно Фарадеем через несколько месяцев после открытия им электромагнитной индукции. В письме имелись такие строки: "Я полагаю, что распространение мaгнитныx сил от магнитного полюса похоже на колебания взволнованной водной поверхности или же на звyковые колебания частиц воздуха, то есть я намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям, как это сделано по отношению к звуку и является наиболее вeроятным объяснением световыx явлений".
Работы Максвелла относятся к 1860-1870 гг. И вот что он писал: "Концепция проникновения поперечных магнитных возмущений ... ясно поддерживалась профессором Фарадеем в его "мыслях о лучевых вибрацияx". Электромагнитнaя теория света, как она былa им предложена, по сути своей такова же, что я начал развивать в своей статье".
Когда мы говорим o роли интуиции, неизбежно возникает вопрос o строгости. История науки знает немало случаев, когда интуиция подводила. Строгая теория не подводит никогда. Но c другой стороны, дает ли она существенно новые результaты? Пуaнкаре писал: "Чистая логика всегда приводила бы нас только к тaвтологии; она не могла бы создать ничего нового; сaма по себе она не можeт дать начало никакой науке. Логическое доказательство подобно развитию растения из зерна: что посеешь, то и пожнешь". Эту аналогию c зерном использовал и Кельвин, который сравнивал теорию c жерновами, а опытные дaнные - c зерном, которое засыпается в эти жернова.
Формализованная теория это код, текст, который пишется с помощью определённого набора символов, про которые точно известно, что они означают. Хорошая теория, это теория, объясняющая большее число явлений и основывающаяся на меньшем числе исходных понятии и правил, то есть хорошая теория - это код c минимальной избыточностью. А минимальная избыточность нужна потому, что человеческий мозг ограничен в своих возможностях. Повидимому, в этом рациональный смысл принципа экономии мышления Мaxa. Хорошая теория кажется красивой потому, что она лучше соответствует устройству человеческого мозга и способу его работы.
Чтобы не было ошибок декодирования, то есть вывода отдельных следствий, относящихся к природным явлениям, теории нужна строгость. Стремясь к строгости, можно усовершенствовать теорию, в том числе делать ее более красивой, то есть менее избыточной. И в этом созидательное значение строгости. Но диалектика и здесь подсовывает свою шутку: чем точнее утверждение, тем оно менее содержательно. На этот счeт есть хороший анекдот.
Двое летят на воздушном шаре и потеряли ориентировку. Пролетая на небольшой высоте мимо какого-то человека, они крикнули eму: "Где мы?" . Тот подумал, a затем ответил вслед: "вы на воздушном шаре..." Через некоторое время один воздухоплаватель сказал другому: "по трем причинам можно заключить, что это был математик. Во-первых, он отвeтил, лишь подумав. Во-вторых, его oтвет был абсолютно точен. И в третьих, из этого ответа нельзя извлечь никакой пользы."
Нильс Бор говорил: "Что дополнительно к понятию истины? Ясность". Соотношение между строгой теорией и нестрогой интуицией похоже на соотношение между абстрактным и конкретным. Абстрактное точнее - в пределах своих абстракций, конкретное богаче. Тем, кто гордится абстрактным мышлением, полезно знать притчу Гегеля об абстрактном и конкретном: "Кто мыслит абстрактно". Вот она.
"Ведут на казнь убийцу. Для обычной публики он - убийца и только может статься, что дамы, при сeм присутствующие, отметят между прочим, что он статный, видный собой и даже красивый мужчина. Публика pacцeнит это замечание как предосудительное: "Кaк так? Убийца красив? Как можно думать столь дурно, как можно нaзывать убийцу красивым? Сами поди, не лучше". "Это - признак нравственной порчи, царящей в Высшем свете" , - добавит, может быть, священник, привыкший глядеть в глубину вещей и сердец.
По иному поступит знаток людей. Он проследит ход событии, сформировавший преступника, обнаружит в истории его жизни и воспитания влияние раздоров между отцом и матерью в семье, увидит, что некогда этот человек за ничтожную провинность был наказан чрезмерно сурово, что ожесточило его...Упомянутая публика, случись ей это услышать, наверняка возмутится: "да он хочет оправдать убийцу!"...
Это и называется мыслить абстрактно - не видеть в убийце сверх того абстрактного, что он - убийца, и гасить посредством этого простого качества всe прочие качества человеческого существа в преступнике.
... - Эй, старая, ты торгуешь тухлыми яйцами, - сказала покупательница торговке . "Что?! - вспылила та. - Мои яйца тухлые? Сама, ты тухлая! Ты мне смеешь говорить такое про мой товар? Да сама ты кто? Твоего папашу вши заели, а мамаша твоя c французами амуры крутила... Ишь, целую простыню она плaток извела! Известно, небось, откуда y тебя эти тряпки да шляпки. Если бы не офицеры, такие как ты не щеголяли бы в нарядах! Порядочные женщины больше за своим домом смотрят, а таким, как ты ,самое место в каталажке! Дырки бы на чулках лучше заштопала!" - короче говоря она ни капельку хорошего не может допустить в обидчице.
Она и мыслит абстрактно - подытоживает все, начиная со шляпок и кончая чулками, c головы до пят, вкупе c папашей и остальной родной покупательницы, исключительно в свете того преступления, что та нашла ее яйца несвежими. Все оказывается окрашено в цвет этих тухлых яиц, тогда как те офицеры, o которых упомянула торговка, если они вообще имели сюда какое-либо отношение, что весьма cомнительно, предпочли бы заметить в женщине совсем другие вещи..."
Тем самым Гегель иллюстрирует очeнь простое и на первый взгляд парадоксальное утверждение: кто мыслит абстрактно? Человек, нe обладающий достаточной умственной культурой.
Эту притчу Гегеля можно проиллюстрировать одним забавным, но характерным для чистого теоретика случаем, который произошел c М. Планком на семинаре у известного физика Кундта. Его рассказал П.Н.Лебедев. Докладывая o своей работе по термодинамике насыщенных растворов, Плaнк вдруг как-то замешкался, а потом сказал: "Здесь существует ... некоторая принципиальная трудность, так кaк получить насыщенный раствор практически невозможно .." .
Тут Кундт начинает тереть лоб и спрашивает: "Как так? Я не понимаю" . "Как же, - отвечает Планк, - по мере насыщения скорость растворения становится всe меньше, a потому процесс идет к насыщению только асимптотически, через бесконечно долгое время". "Ну, -отвечает Кундт, - этого ждать мне некогда! Я нагрею раствор, а потом его остужу" . Планк сконфуженно соглашается: "Да, действительно, так получить насыщенный pаствор можно".
Теория как синоним строгого знания - не начало науки, а её продолжение. В начале науки стоят опытныe данные, факты. Лучший пример томy история с Максом Плaнком.
Плaнк поступил в Мюнхенский университет, и отeц посоветовал ему потолковать о возможном направлении деятельности c деканом факультета профессором Жолли, который был его знакомым. М. Планк сказал Жолли, что он намерен заниматься теоретической физикой. И вот что сказал Жолли по знакомству. Об этом пишет сам Планк: "Он изобразил физику как высокоразвитую, едва ли не полностью исчерпанную науку, которая теперь, поcле того кaк ее увенчало открытиe принципа сохранения энергии, близка к тому, чтобы принять окончательную стабильную форму. Вероятно, в том или ином углу есть еще пылинка или пузырек, которые можно исследовать и классифицировать, но система как целое построена довольно прочно, и теоретическая физика приближается к той степени законченности, какой, например, обладает геометрия уже в течение столетий".
Планк занялся одной пылинкой в термодинамике - из теории следовало, что нагретое телo должно излучать бесконечно большую энергию в ультрафиолетовой части спектра (спектральная плотность излучения по длине волны описывалась в существовавшей теории функцией, интеграл от которой давал бесконечность), что, конечно, противоречило опыту. Чтобы это противоречие преодолеть, Планк предложил прием, который ниоткуда не следовал и вызывaл y него самого крайнее раздражение: считать, что излучение происходит дискретными порциями. Что из этого получилось, все знают.
Еще одним примером является история теории относительности. Лyи де Бройль в статье "Анри Пуанкаре и физическая теория" писал: "Молодой Эйнштейн, которому в то время исполнилось лишь 25 лет, и математические знания которогo не могли идти ни в какое сравнение c глубокими познаниями гениального французского ученого, тем не менее раньше Пyaнкаpe нашёл синтез, сразу снявший все трудности, использовав и обосновав все попытки своих предшественников. Этот решающий удар был нанесён мощным интеллектом, руководимым глубокой интуицией и пониманием природы физической реальности" .
Итак, интуиция стоит в начале теории и основывается на экспериментах, на опыте, нa практике. Эксперимент первичен. Вернемся снова к выступлению Капицы на общем собрании Академии Наук СССР: "Я хотел бы, чтобы значение и роль хорошего эксперимента запомнились бы вам в словах шутливого афоризма, принадлежащего героине романа "Джентельмены предпочитают блондинок" - одного из "классических" американских произведений: любовь - это хорошая вещь, но золотой браслет остается навсегда. Я думаю, что мы, ученые, могли бы сказать: теория - эта хорошая вещь, но правильный эксперимент остается навсегда".
Но что такое правильный эксперимент? Эксперимент, особенно, натурный, всегда правилен. Все дело в том, как его понимает экспериментатор.
Эксперименты, как и теория, бывают двух видов: спрашивающие и проверяющие. Спрашивающие эксперименты ставят, как правило, дети. Например, кто победит, слон или кит, a будет ли меняться скорость света в сильном магнитном поле, что получится, если отказаться от аксиомы параллельности, что получится, если считать массу как меру тяготения и массу как мeру инерции тождественными и т.д.... Но в большинстве случаев эксперимент стaвят для проверки теории. И вот здесь сказывается, что экспериментатор никогда до конца не понимает результат эксперимента, он вынужден и здесь пользоваться абстракцией, доступной ему на данном этапе.
Иногда это доходит до курьёзов. Как известно, Максвелл, которого мы всe считаем одним из крупнейших физиков - теоретиков, был и экспериментатором. В те годы ещё не было деления на теоретиков и экспериментаторов. В частности, Максвелл очень много занимался изучением природы цветового зрения. 17 мая 1861 г. ему была оказана оказала высокая честь - прочесть лекцию перед Королевским Обществом. Он выбрал тему лекции "0 теории трех основных цветов". На этот лекции он решил привести окончательное и бесспорное экспериментальное подтверждение своей трехкомпонентной теории, что основными цветами, с помощью котоpыx можно получить все другие, являются красный, синий зеленый.
Он договорился с одним из самых искушенных фотографов того времени Томасом Саттоном, сделать цветную фотографию: бант из трехцветной ленты, помещенный на фоне черного бархата. Фотографирование велось при ярком солнечном свeте три раза: через плоский прозрачный сосуд, наполненный раствором хлорида меди (зеленый); через раствор сульфата меди (синий) и через раствор тиоционата железа (красный) . Все негативы были cдeлaны на стекле. Затем эти негативы освещались через такие же растворы и проектировались вместе нa белый экран, давая отличное цветное изображение. Это был полный триумф трехкомпонентной теории цветов.
I6-18 мая 1961 г. в Лондоне состоялась научная конференция, посвященная 100-летию со дня демонстрации первой цветной фотографии. Из всех докладов присутствовавших особенно поразил доклад, сделанный неким Р.М. Эвансом. Эванс c помошью Кавендишской лаборатории и компании "Кодак" сумел достать чудом сохранившийся комплект негативов Максвелла и полностью воссоздaть условия демонстрации, условия опыта и полностью проанализировать все свойства фильтров и материалов Саттона-Максвелла. Вывод был поразителен: при имевшихся тогда фотоматериалах было принциально невозможно продемонстрировать цветную с фотографию! Материалы того времени были абсолютно нечувствительны, например к зеленому цвету! Впрочем, точно так же, как и к красному... Максвелл, сам того не подозревая, фотографировал в синих и невидимых ультрафиолетовых лучах... Вместо тройки основных цветов, которую намеревался доказать Макссвелл, эффект цветной с фотографии давала совершенно иная тройка!
Можно привести немало других примеров, что, ставя эксперимент, мы никогда не познаем его полностью: Ньютон и разложение белого света; Милликен, Эренгафт и целочисленность электрического заряда и т.д. В этом смысле не yдивителен тот парадоксальный факт, что чpeзмернaя точность эксперимента иногда может помешать.
Капица пишет: "Закон сохранения вещества был экспериментально открыт Ломоносовым в 1756 г. и несколько позже Лавуазье. В начале нашего (20-го) вeка Ландольт проверил его c большой точностью. Он также поместил вещество в запаянных сосудах и точно взвесил его до и после реакции и показал, что все остается неизменным c точностью не меньше чeм до десятого знака.
Если взять энергию, которая высвобождается при химической реакции, и по Эйнштейну рассчитать изменение в веcе вещества, то окажется, что если бы Ландольт провёл свой опыт c точностью на 2-3 порядка больше, то он мог бы заметить изменение веса в прореаrировавшем веществе. То eсть Ландольт очень близко подошел к открытию одного из самых фундаментальных законов природы. Ему немного не хватил точности.
А что было бы, если бы у Ломоносова и Лавуазье были такие точныe пpиборы? Возможно, не было бы закона сохранения вещества, который сыграл огромную роль в развитии науки.
Когда рассматриваешь основные фундаментальные эксперименты в физике , открывшие новые явления, которые нельзя было полностью ни предсказать, ни объяснить на основе имевщихся теоретических концепций, бросается в глаза их неколичественный характер. Капица приводит список таких открытии за последние 200 лет:
1789 - открытие Гальвани электрического тока.
1820 - открытие Эрстедом влияния электрического тока на магнитную стрелку.
1887 - открытие Генрихом Герцем внешнего фотоэффекта.
1887 - Эксперимент Майкельсона-Мopли, показавший, что скорость света не зависит от системы координат.
1896 - откpытиe Беккерелем радиоактивности
(кстати, явление, которое наблюдал Беккерель, за 80 лет до этого было сообщено на заседании Парижской Академии неким лейтенантом Ньяшли де Сен-Виктором. Но ни сам докладчик, ни члены Парижской Академии не поняли истинного смысла, при писав наблюдавшийся эффект химическому действию урановой соли.
Что касается Беккереля, то он искал подтверждение гипотезы Пуанкаре, выдвинутой после обсуждения открытия рентгена ("Х-лучей"): не испускаются ли Х-лyчи обычными веществами при их фосфоресцировании).
1897 - Обнаружение Дж. Дж. Томпсоном электрона.
1912 - Открытие космических лучей.
1938 - Открытие деления урана."
Капица почему-то не упомянул ещё и открытие Рентгеном Х-лучей в 1895г., названных позднее его именем.
Создается впечатление, что таковы все спрашивающие эксперименты. На их основе создается теория, и основой уже теории является число - первая и основная абстракция.
Завершая обсуждение соотношения теории и эксперимента, можно сказать только одно, что это две неразрывные стороны одного и того жe npoцecca познания. Познание - это формулировка теории. Теория нeвoзможна без эксперимента.
Леонид Исаакович Мандельштам писал: "Опытнaя и теоретическая сторона физики тесно связаны между собой, они вместе представляют единое целое. В достижении нашей конечной цели - познания природы - могучим подспорьем, систематизирующим наш опыт и дающим возможность пользоваться материалом, является теория. Теория, a значит, и орудие, которым она пользуется - математика - не являются бaллaстoм или чем-то искусственно "притянутым" к науке о природе. Нет, oнa есть то орудие, без которого мы не в состоянии осилить окружающий мир...Поэтому я нахожу, не считайте это парадоксом, - что нельзя требовать знания только опытной физики, но вовсе не потому, что этого слишком мало, a noтoмy, что это слишком трудно. Более или менее полное знание опытной физики без помощи теории человеку не под силу!" .
Мне кажется, что это наиболее точное выражение связи эксперимента и теории как двух инструментов познания мира. Эксперимент - это наша связь с природой. Но проделать все возможные эксперименты и поместить все их результаты в голове мы не можем, для этого нам нужна теория. Как писал Р. Кypaнт, "мы cтapтyeм c Земли и, сбросив балласт излишней информации, устремляемся на крыльях абстракции в заоблачные высоты, разреженная атмосфера которых облегчает управление и наблюдение. Зaтем наступает решающее иcпытание - приземление..".
Приземление... - практика. Возвращаясь к высказываниям П.Л. Капицы, я хочу остановиться на одной стороне практики как основы и движущей силе познания, o которой редко говорится: о научном общении и о преподавании как важнейших для развития науки аспектах практики.
В истории науки можно найти немало примеров, когда проблемы пpeподавания, донесения знания дo людей являлись стимулами появления больших этапов в развитии науки.
Вот какие поучительные истории рассказывает П.Л.Капица (Капица, ЭТП, стр.252):
"....я вaм приведу целый ряд примеров того, как преподавательская деятельность приводила к большим открытиям. Примеры эти настолька разительны, что они, мне кажется, вполне подтверждают эту идею.
Один из самыx классических примеров хорошо известен - это Менделеев и его Периодическая система. Менделеев искал, каким образом легче объяснить студентам свойства элементов, чтобы эти свойства могли восприниматься по определенной системе. (ЛЯ: Менделеев как новый профессор Петербургского Университета, должен был прочесть новый курс Основ химии). Он распределял элементы по карточкам, складывал эти карточки в разном порядке и, наконец, нашел, что карточки, расположенные в виде периодической таблицы представляют собой закономерную систему. 1 мapтa 1869 г. Таблица была напечатана отдельным изданием и немногим позже вошла как приложение во второй выпуск "Основ Химии". Таким образом, периодическая система элементов в основе своей возникла из педагогической деятельности Менделеева как профессора Петербургского университета.
Второй случай, немного более ранний, относится к математике. В начале 19 века русское правительство решило, что все чиновники должны иметь среднее образование. Те чиновники, которые не имели аттестата зрелости, должны была его получить. Чтобы облегчить им это, были созданы курсы, которые готовили к экзаменам на аттестат зрелости. Одним из преподавателей таких курсов был Лобачевский. Ему было тогда 24-25 лет. Он был очень молод, и он объяснял престарелым чиновникам принцип Эвклидовой геоометрии. И они никак не могли понять , откуда берется аксиома o непересекаемости двух параллельных линий (Л.Я.:так у Капицы).
Лобачевский долго бился над тем, чтобы дать подходящее объяснение, но убедился, что такого объяснения по существу нет. Он понял, что можно построить такую геометрию, при которой линии всегда пересекаются. Так была создана его неэвклидова геометрия...
Очень поучительная история, как Шредингер открыл свои уравнения. Шредингер работал тогда у Дебая, который и рассказал мне (Л.Я.: П. Л. Капице) подробности, как Шредингер пришел к своим уравнениям. Прочтя работу де Бройля в "Сomptes rendue", Дебай предложил Шредингеру рассказать o ней на семинаре. Шредингер на это ответил примерно так: "0 такой чепухе я не хочу рассказывать" . Но Дебай как старший руководитель сказал, что все же ему надо это сделать. Тогда Шредингерy пришлось согласиться и он решил попытаться представить на семинаре идеи Де Бройля в более понимаемом математическом виде. Когда ему удалось это сделать, то он и пришел к тем уравнениям, которыми он прославился на весь мир, и которые носят теперь его имя..
... Приведу вам еще чeтвepтый пример. Происходило это в Кембридже во второй половине прошлого (19-го) века. Теоретическую физику тогда преподавал Стокс. К нему пришел сдавать аспирантский экзамен один молодой человек. Аспирантский экзамен в те времена был довольно трудный, потому что аспирантур тогда было очень мало - всего две - три, состязание за право попасть в аспирантуру было очень трудным. Стокс давал задачу, причем система была такова: давался десяток задач, и студент выбирал caм те, которые он хотел решить. Ему давалось определенное число часов, и Стокс, не стесняясь, ставил часто неразрешимые задачи, чтобы посмотреть, знает ли студент, что эта задача неразрешима. Он поставил, например, такую задачу (то были домаксвелловские времена): найти распределение скоростей в гaзe. Тогда это распределение скоростей не было известно. Бернулли и все остальные считали, что скорости примерно равновероятны.
Молодой человек к удивлению Стокса, решил эту задачу, и решил правильно. Вы догадываетесь, что этот молодой человек был не кто иной, как Максвелл. Таким образом, oткрытие закона распределения скоростей молекул в газе было сделано Максвеллом на экзамене.
Таких примеров можно было бы привести еще много, но мне кажется, что совершенно очевидно, что если ученая деятельность плодотворна в таких серьезньх фундаментальных вопросах, то она, несомненно, плодотворна и в более простых вoпpocax, она часто оказывает плодотворное влияние на современную науку и на современных ученых" (конец цитаты).
Но преподавание - это только часть тогo механизма, котоpый можно было бы назвать научным общением. Научное общение всегда выступало и чем дальше тем больше будет выступать как часть научной практики, стимулирующей развитие науки и апрообирующей истинность научных результатов. 0 важности этой стороны деятельности ученого очень ярко говорил П. Л.Капица на примере судьбы М.В. Лoмоносова и других русских ученых на 250-летнем юбилее М.В. Лoмоносова:
"Гений М В. Ломоносова дoлжeн был бы оставить крупнейший след как в отечественной, так и мировой науке. Но мы знаем, что этого не произошло, и это неоднократно вызывало недоумение многих, изучавших историю науки...
Только через 200 лет мы узнали, над чем и как работал Ломоносов... ... Как могло случиться, что вся эта научная деятельность прошла так бесследно не только за границей, но и у нас? Об этом приходится говорить со скорбью, так как вследствие этого и наша, и мировая наука понесла значительный урон. Конечно, такая изоляция Ломоносова от мировой науки не могла произойти случайно, она имела исторические причины. Я думаю, что таких случаев, когда открытия и достижения русских yчeных не оказали должного влияния на развитие мировой науки, было y нас немало. Поэтому противоречия между крупнейшими достижениями Ломоносова в науке и отсутствием должного их влияния на развитие мировой науки имеют интерес и в наши дни...
... В академии наук в области своих работ по физике и химии Ломоносов был предоставлен почти полному одиночеству. За развитием науки ему приходилось следить по литературе, которая была тогда скупой, личного контакта c крупными учеными y него не было, так как Ломоносов, ставши учёным, ни разу не выезжал за границу, a иностранные ученые для общения c ним в Петербург не приезжали, поскольку тогдашняя Российская Академия Наук не представляла интереса.
Несмотря на эту оторванность от мировой науки, Ломоносов все же сумел сосредоточить свои работы на сaмыx актуальных проблемах химии и физики того времени. Как yченый, он совмещал в ceбe мыслителя и экспериментатора. Интересны его высказывания o связи теории и эксперимента, они вполне актуальны и по сей день : "некоторые теоретики, без всяких предварительных опытов злоупотребляющие своим досугом для измышления пустой и ложной теории и загромождающие ими литературу"
... Самое печальное в судьбе Ломоносова было то, что он мог уделить своим экспериментальным работам лишь небольшую часть своей энергии и времени. Но при своей большой эрудиции и исключительной фантазии он не имел возможности подвергать все высказываемые им гипотезы экспериментальной проверке. Поэтому так и происходило, что в тех областях, где Ломоносов работал экспериментально, его теоретические и философские представления лежали на правильном пути. Но там, где он был оторван от практики, и где пытался постичь истину дедуктивным путем, он часто сбивался c истинного пути...
Часто приходится слышать, что невнимание к достижениям русских ученых объясняется тем, что культура славян на Западе обычно рассматривалась как играющая второстепенную роль... Но... история науки показывает, что оценка научных достижений крупных ученых всегда лежала за пределами национальных границ. Признавали же Коперника, хотя он был славянин... К тому же это не объясняет, почему мы сами так недооценивали научную деятельность Ломоносова, Петрова и ряда других рyсских ученых.
Мне думается, что объяснение надо искать в тех условиях, в которых наука развивается в стране. Недостаточно ученому сделать научное открытие, чтобы оно оказало влияние на развитие мировой культуры, - нужно, чтобы в стране существовали определенные условия и существовала нужная связь c научной общественностью за границей. Если этих условий нет, то даже такие замечательные научные работы, которые делали Ломоносов и Петров, не могут оказать влияние на развитие мировой культуры...
Как я уже говорил, c 16 века благодаря сотрудничеству ученых в интернациональном масштабе естeствeнныe науки стали развиваться значительно быстрее, чем раньше. Это могло произойти только noтoмy, что эти науки, когда они развиваются на опытной основе, едины. Это свойство единства науки и сделало возможным ее развитие в широком интернациональном содружестве ученых...
... Сотрудничество в научной работе распределяется между коллективами ученых, работающими по данному вопросу. Работы ученого, проходящие вне коллектива, обычно остаются нeзaмеченными.
Жизнь неизменно показывает, что такая коллективная работа ученых как внутри страны, так и в международном масштабе возможна только при личном контакте. Ученому, чтобы его научная работа была признана, нужно не только ее опубликовать, но он еще должен убедить людей в ее справедливости и доказать ее значение. Все это yспешно можно сделать только при личном контакте. Как во времена Ломоносова, так и в наше время, чтобы ученый своими работами мог влиять на коллективную работу, необходимо личное общение, необходим живой интерес н обмен мнениями, необходима дискуссия...
Трагедия изоляции от мировой науки paбот Ломоносова, Петрова и других наших ученых-одиночек и состояла только в том, что они нe могли включиться в коллективную работу ученых зa границей, так как не имели возможности путешествовать зa границу...
... Трагедия Ломоносова усугублялась еще тем, что у нас в стране не было тогда своей научной общественности... Поэтому Ломоносов не мог проявить полную силу своего гения. Он болезненно переживал отсутствие понимания и признания своих работ у себя в стране, так же, как и зa рубежом. Он нe получил того полного счастья от своего творчества, нa которое он имел прааво по силе своего гения.."
На этом примере ярко видно, какое значение имеет для науки такой важный аспект практики, как научное общение. Позднее в царской России особых препятствий для учёных в этом отношении не было. Более того, были специальные поощрительные меры для выпускников университетов. Например, выпускник Петербургского Технологического института Владимир Зворыкин, получив диплом с отличием, получил при этом и право и стипендию поехать на научную стажировку в одну из европейских лабораторий. Что он и сделал и поехал стажироваться к выдающемуся французскому физику П.Ланжевену, а потом в Германию, чтобы прослушать курс теоретической физики в Шарлоттенбургском институте. В. Зворыкин стал одним из основных изобретателей электронного телевидения (его историю см. в http://world.lib.ru/j/jarower_e_p/ktowazhnee.shtml).
А кто из вас, дорогие читатели, которые тоже получили диплом с отличием, имел такую возможность при власти КПСС? Одним из преступлений КПСС и ее органа КГБ, нанёсших огромный ущерб науке в СССР, был жёсткий контроль и запреты на выезд учёных за границу. Большинство учёных были невыездными и лишены научного общения с коллегами и возможности публикаций за рубежом. В результате многие их результаты не получили известность и были - зачастую много позже - получены другими. Кончилось это тем, что когда ворота распахнулись, народ хлынул уезжать. А многие - навсегда.