Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Шрифт:
Рис. 2. Угол между лучом солнца в тот момент, когда оно находится в зените в Александрии, и вертикальным шестом (гномоном) в Сиене (х) равен углу между земными радиусами (y), проведенными к Александрии и Сиене. Следовательно, отношение длины дуги окружности EF к полному кругу таково же, что и отношение длины дуги AE (расстояние от Сиены до Александрии) к окружности Земли
Евклид доказал, что внутренние накрест лежащие углы, образуемые прямой, пересекающей две параллельные прямые, равны. Таким образом, угол х , образуемый тенями в Александрии, равен углу у с вершиной в центре Земли, образуемому двумя лучами, проходящими через Александрию и Сиену ( ВС и ВА ). Это, в свою очередь, означает, что соотношение между длиной дуги гномона ( FE ) и полной окружности вокруг гномона (см. рис. 2) такое же, как и соотношение между расстоянием от Сиены до Александрии и длиной земной окружности. Эратосфен пришел к выводу, что если измерить названное относительно небольшое расстояние, то можно вычислить длину земной окружности. Хотя Эратосфен мог произвести свои измерения целым рядом разных способов, историки науки уверены, что он проделал их с помощью греческой разновидности солнечных часов, так как дуга их тени достаточно
Рис. 3. Вероятно, Эратосфен измерял, какую часть всей окружности солнечных часов составляет длина тени (EF), то есть какую часть полного угла составляет угол (х) между лучом и отвесной линией
В полдень того же дня Эратосфен выяснил, что сектор, занимаемый тенью, составляет 1/50 полной окружности (мы бы сейчас сказали: составляет 7,2 градуса). Таким образом, расстояние между Александрией и Сиеной равнялось пятидесятой части протяженности всего меридиана. Умножив 5000 стадий на 50, он получил 250 000 стадий для длины земной окружности. Позже, внеся некоторые уточнения, Эратосфен увеличил цифру до 252 000 стадий (в переводе на современные меры длины и то и другое число – это чуть больше 25 000 миль). Причина, по которой Эратосфен внес данное уточнение, не совсем ясна, но, скорее всего, это как-то связано с его стремлением упростить расчет географических расстояний.
Эратосфен делил круг на шестьдесят частей, и на каждую такую часть приходилось по равному количеству в 4200 стадий при общей протяженности земной окружности в 252 000 стадий. Но какую бы из двух названных величин мы ни использовали, 250 000 или 252 000 стадий (при том что, как мы уже знаем, не существует абсолютно точной формулы перевода стадий в современные меры длины), результат, полученный Эратосфеном, лишь незначительно отличается от величины, которая считается правильной сегодня, – 24 900 миль.
Важнейшим условием успешности эксперимента Эратосфена была его картина Вселенной. Без нее он не смог бы прийти к своей идее. К примеру, в древнекитайском картографическом тексте «Хуайнаньцзы» («Философы из Хуайнани») тоже отмечается, что гномоны одинаковой высоты, но находящиеся на разных (север – юг) расстояниях друг от друга, в одно и то же время отбрасывают тени различной длины15. Исходя из предположения, что Земля плоская, автор трактата объясняет названную разницу тем, что гномон, отбрасывающий более узкую тень, находится ближе к положению солнца на небе, и приходит к выводу, что разницу в длине теней можно использовать для расчета высоты неба!
Данные Эратосфена и его вычисления были достаточно приблизительными. Возможно, он знал, что Сиена расположена не совсем на той линии, которую мы сейчас называем Тропиком Рака. И что находится она не прямо к югу от Александрии. И что расстояние между обоими городами не равняется в точности пяти тысячам стадий. А так как солнце на небе представляет собой не световую точку, а небольшой диск (примерно в половину градуса шириной), свет от одной стороны диска падает на гномон не совсем под тем же углом, что и свет от другой его стороны, таким образом слегка смазывая тень.
Но если исходить из уровня развития науки и техники во времена Эратосфена, то его эксперимент был проведен блестяще. Полученный им результат в 252 000 стадий в течение нескольких столетий рассматривался как вполне достоверная оценка протяженности земной окружности. В первом веке нашей эры римский автор Плиний называл Эратосфена «великим ученым, особенно славным» в вопросе длины земной окружности, и характеризовал его эксперимент как «дерзкий», рассуждения – как «тонко обоснованные», а полученный результат – как «общепризнанный»16.
Примерно через сто лет после Эратосфена другой греческий ученый попытался на основании разницы между углом, под которым из Александрии была видна яркая звезда Канопус, и углом, под которым она же была видна с Родоса (где, как считалось, эта звезда находится прямо на горизонте), измерить протяженность земной окружности, но его результат оказался ненадежным. Даже целое тысячелетие спустя арабские астрономы не смогли улучшить результат Эратосфена, несмотря на то, что пытались сделать это, измеряя земной горизонт, видимый с вершины горы известной высоты, и высоту звезды над горизонтом из двух различных точек одновременно. Результаты Эратосфена сумели улучшить лишь в наше время, когда стали доступны более точные данные о положении небесных тел.
Эксперимент Эратосфена стал причиной настоящего переворота в географии и астрономии. Во-первых, теперь любой географ мог определить расстояние между любыми двумя точками на земной поверхности известной широты, например между Афинами и Карфагеном или между Карфагеном и дельтой Нила. Эратосфен определил размеры и положение известной ему обитаемой части Земли, а его преемники получили в свое распоряжение измерительную методику для определения космических расстояний – например, расстояний до Луны, Солнца и звезд. Короче говоря, благодаря эксперименту Эратосфена полностью преобразились представления тогдашнего человечества о Земле, ее положении во Вселенной (или, по крайней мере, в Солнечной системе) и о месте человека во всем этом.
Эксперимент Эратосфена не требует каких-либо особых условий и может быть проведен многими различными способами. Именно поэтому он и явился значительным вкладом в человеческую культуру. Его составляющие просты и знакомы каждому: тень, измерительный инструмент и элементарные правила геометрии. Для его проведения необязательно отправляться в Александрию или иметь в своем распоряжении греческие солнечные часы. Даже совсем необязательно дожидаться дня летнего солнцестояния. Сотни школ по всему миру включают эксперимент Эратосфена в свои программы в качестве обязательного. Некоторые при его проведении используют солнечные часы собственного изготовления, другие – флагштоки или башни. В последнее время подобные эксперименты часто проводятся совместно несколькими школами – по электронной почте и с использованием различных картографических интернет-ресурсов. Подобные воспроизведения эксперимента Эратосфена не похожи, скажем, на реконструкции старинных сражений (такие реконструкции часто устраивают любители истории). В ходе такой реконструкции основной целью является историческая достоверность или, по крайней мере, игровое уподобление прототипу. Что касается эксперимента Эратосфена, то учащиеся не копируют и не реконструируют его, они просто проводят его, словно в первый раз, и эксперимент демонстрирует тот же результат снова и снова – с прямотой и ясностью, в которой невозможно усомниться.
Эксперимент Эратосфена является ярчайшей иллюстрацией самих основ процесса экспериментирования в целом. Каким образом ученые могут узнать протяженность земной окружности без непосредственного ее измерения? Оказывается, мы совсем не беспомощны и нам нет нужды ждать, пока кто-нибудь изготовит для нас рулетку в несколько десятков тысяч миль длиной. Умно организованный эксперимент с использованием доступных и, в принципе, весьма элементарных инструментов может заставить даже такую эфемерную и неуловимую вещь, как тень, раскрыть для нас самые сокровенные и неизменные
Красота эксперимента Эратосфена проистекает из его невероятной, немыслимой широты. Некоторые эксперименты привносят порядок в хаос с помощью анализа, выделения или расчленения вещей в окружающем нас мире. Рассматриваемый эксперимент ведет нас совершенно в другом направлении. С его помощью измеряются огромные расстояния, отраженные в малом. Он расширяет наше восприятие мира, учит нас по-новому смотреть на очень простые вещи и отвечать на элементарный вопрос: «Что есть тень и как она возникает?»
Благодаря этому эксперименту мы начинаем понимать, что размеры тени, которая лежит у нас под ногами, связаны с шарообразностью Земли, с размерами Солнца и с расстоянием до него, с постоянно изменяющимся положением двух этих небесных тел по отношению друг к другу. В эксперименте Эратосфена громадное расстояние, отделяющее нас от Солнца, циклический ход времени и шарообразность Земли становятся почти физически ощутимыми. Таким образом, он воздействует на качество нашего восприятия и понимания действительности.
Бытует мнение, что физические эксперименты заставляют человека чувствовать себе более ничтожным во Вселенной. Иногда кажется, что естественные науки лишают человека его привилегированного положения в природе, и многие, чтобы как-то восполнить эту воображаемую утрату, заменяют науку магией, начинают фантазировать, что Солнце, планеты и звезды каким-то образом мистически связаны с нашей судьбой. Но эксперимент Эратосфена, на первый взгляд совершенно абстрактный, более эффективно гуманизирует мир, наделяя нас реалистическим чувством того, кем мы являемся и в какой именно Вселенной находимся. В то время как многое в современном мире пытается возвеличить свой масштаб, силу и власть, данный эксперимент заставляет нас по достоинству оценить огромные возможности, заложенные в малом и временном, и осознать то, насколько связаны между собой вещи самого разного масштаба.Интерлюдия Почему наука прекрасна?
Но в самом ли деле эксперимент Эратосфена можно назвать красивым? Даже если он удовлетворяет всем трем критериям, которые я упомянул во введении, – если он демонстрирует нечто фундаментальное относительно Вселенной, его составные части эффективным образом организованы и он ставит вопросы о Вселенной, а не о самом эксперименте, – все равно могут возникнуть возражения против характеристики «красивый». Я слышал, к примеру, что разговоры о красоте экспериментов бессмысленны, попахивают снобизмом и отвлекают от более важных вещей.
Те, кто говорит, что разговоры о красоте эксперимента бессмысленны, обычно имеют в виду, что красота ассоциируется с такими понятиями, как субъективность, мнение и эмоции, в то время как наука связана с понятиями объективности, факта и рационального разума. Некоторые критики считают, что называть эксперименты «красивыми» означает навязывать естественным наукам (занимающимся описанием природы) характер и цели деятельности искусств и гуманитарных наук (занимающихся изучением и обогащением человеческой жизни и культуры). По их мнению, это один из вариантов того, что философ Бенедетто Кроче называл «интеллектуалистским заблуждением» – необоснованным смешением искусства и идей. Художник и критик Джон Рескин подчеркивает важность подобного различения в своем определении красоты:
«Любой материальный объект, который способен вызвать в нас удовольствие благодаря простому созерцанию его внешних качеств без какого-либо прямого и определенного усилия интеллекта, я характеризую как в той или иной степени красивый»17.
Мы не очень склонны напрягать свой интеллект, чтобы оценить красоту чего-то. А так как эксперименты в естественных науках – творения интеллекта, заявляют возражающие, то их нельзя оценивать как красивые.
Те, кто говорят, что разговоры о красоте научных экспериментов отдают снобизмом, подчеркивают, что красота воспринимается интуитивно и непосредственно: только представьте, что вы должны оценить красоту картины Ван Гога или концерта Моцарта по их описанию! Если принять такой подход, то красота научного эксперимента может быть доступна только самому экспериментатору. Роберт Оппенгеймер как-то заметил, что для неспециалиста пытаться понять процесс рождения квантовой механики – который он назвал временем «ужаса и восторга» – все равно что слушать «воспоминания солдат, возвратившихся с военной кампании беспрецедентной сложности и героизма, или путешественников, покоривших Гималаи, или рассказы о тяжелой болезни, или впечатления мистика от его общения с Богом», и добавляет, что «подобные истории на самом деле очень мало говорят нам о том, о чем собирался сообщить нам рассказчик».
Красоты этого мира – а, как утверждают, вокруг нас их огромное количество – доступны только его обитателям. Таким образом, бо́льшая часть дворца красоты закрыта для тех, кто не принадлежит к касте ученых, что противоречит современным демократическим ценностям и попахивает снобизмом.
Третье и наиболее основательное возражение – «аргумент от искушения». Ученые говорят, что их работа состоит в открытии действующих теорий и что, если кого-то начнет по-настоящему заботить проблема создания прекрасных экспериментов, это в лучшем случае может отвлечь от более серьезной работы, а в худшем – станет просто опасным18. Ученые, дескать, начнут насиловать свой интеллект, заставляя его учитывать «красоту», тем самым снижая научную эффективность. Только люди, безразличные к эстетическому, по-настоящему готовы к проведению глубокой и результативной исследовательской работы. А у тех, кто непосредственно не занимается научными исследованиями, могут возникнуть подозрения, что все эти разговоры о красоте в науке суть не только поверхностные сантименты, но, по сути дела, являются скрытой рекламой с целью воздействия на общественное мнение.
Подобная точка зрения имеет веские основания. Образы, которые я обычно встречал в контекстах, посвященных красоте науки, возникли не в научных лабораториях, а в отделах исследовательских институтов, занимающихся связями с общественностью. Однажды я присутствовал на докладе, где последний слайд демонстрировал знаменитую фотографию Земли, восходящей над поверхностью Луны. Образ, безусловно, очень красивый. Однако несмотря на то, что в течение нескольких десятилетий эта фотография прекрасно выполняла свои рекламные функции для НАСА, астрономы никогда не рассматривали ее как источник научной информации.
Все три перечисленных возражения проистекают из полнейшего непонимания сущности красоты. Первое из них путает красоту с декоративностью. Самый простой способ утратить правильное понимание того, что такое красота в науке, – это начать эстетизировать эксперимент, обращая внимание лишь на его внешние проявления. Но подлинная красота эксперимента заключается в том, как он демонстрирует свою идею. Как мы увидим в дальнейшем, красота experimentum crucis Ньютона не имеет никакого отношения к цветам, получаемым с помощью призмы, но заключена в изяществе, с которым этот эксперимент раскрывает структуру света. Красота эксперимента Кавендиша со взвешиванием мира не имеет отношения к внешнему облику его чудовищного инструментария, но воплощена в предельной точности результата. А красота эксперимента Юнга проистекает не из банального узора черных и белых полос, а из того, каким образом он раскрывает сущностные характеристики света.
Второе возражение, подобно первому, упускает из виду, насколько тесно связано наше восприятие (основанное, конечно, на обширной интеллектуальной информации) с нашими чувствами. Мы не tabulae rasae [3] ни в научной лаборатории, ни в художественной галерее. Мы оцениваем красоту живописи, музыки, поэзии не на основе «чистого» восприятия, а восприятия «подготовленного», детерминируемого нашим прошлым интеллектуальным опытом. И мы часто неспособны ощутить красоту простых вещей, восприятие которых не требует от нас «большого напряжения интеллекта» (к примеру, в одном из стихотворений Пабло Неруды «Ода моим носкам» воспевается красота этой скромной части нашего гардероба).