Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Слова «красивый» и «прекрасный» постоянно всплывают в научных дискуссиях, заметках, письмах, интервью и так далее. «Прекрасно! Конечно же, необходимо это опубликовать, это прекрасно!» – записал в своем лабораторном блокноте в 1912 году нобелевский лауреат физик Роберт Милликен, хотя слова «красивый» и «прекрасный» в его опубликованной впоследствии научной статье отсутствуют. Джеймс Уотсон, увидев в начале 1953 года ныне широко известную фотографию молекулы ДНК, сделанную Розалиндой Франклин, охарактеризовал ее как «очень красивую спираль», а в первом варианте своей знаменитой статьи об открытии ДНК, написанной совместно с Фрэнсисом Криком, упомянул об «очень красивой» работе Франклин и других ученых из Королевского колледжа в Кембридже. Однако по настоянию коллег эту фразу исключили из окончательного варианта статьи. В те мгновения, когда чувства берут верх над интеллектом, ученые охотно прилагают слова «красивый», «прекрасный» к результатам своей работы, к методам, инструментам, уравнениям, теориям и, самое главное, к важнейшему двигателю научного прогресса – экспериментам2.

Когда ученые говорят о красоте в подобном контексте, они обычно используют это понятие в самом широком значении, порой двусмысленно, а иногда и просто противоречиво. Но вряд ли можно винить их за это. Есть ли на свете какой-то предмет, которому было бы столь же сложно дать точное определение? Виктор Вайскопф, один из великих физиков двадцатого века, заметил в 1980 году, что «прекрасно в науке то же, что прекрасно и у Бетховена». Однако всего несколько лет спустя он писал: «То, что называют „прекрасным“ в науке, имеет мало отношения к тому, что мы понимаем под прекрасным в искусстве»3. Вайскопф чувствовал, что между концептами красоты в науке и искусстве существуют одновременно и сходство, и различие, но не сумел четко их сформулировать.

Другие ученые, напротив, с большей осторожностью рассуждают о проблеме красоты. Один из них, британский математик Годфри Гарольд Харди, приводит в своей замечательной книге «Апология математика» несколько математических доказательств, которые характеризует как красивые и пытается обосновать данную характеристику. В качестве важнейших критериев красоты в своей области он называет неожиданность, обязательность и краткость, ну и, конечно, глубину или то, насколько фундаментальным является то или иное математическое доказательство. По мнению Харди, математическое доказательство может быть красивым, а шахматная задача – нет. Решение шахматной задачи не может поменять правила игры в шахматы, а новое математическое доказательство способно очень многое поменять в математике4.

Британский физик девятнадцатого века Майкл Фарадей прославился своими лекциями в Королевском институте в Лондоне. Одна из самых популярных его лекций называлась «Химическая история свечи». В самом ее начале Фарадей характеризует свечу как «красивую». Он добавляет, что не имеет в виду красоту цвета или формы. Более того, известно, что Фарадей не любил яркие цветные декоративные свечи. Напротив, прекрасное, говорит он, это «не то, что выглядит лучше всего, а то, что действует лучше всего». С точки зрения Фарадея свеча прекрасна потому, что ее элегантная и эффективная работа основана на широком диапазоне универсальных законов. Жар пламени плавит воск, заодно образуя восходящие потоки воздуха, охлаждающего воск по краям, и таким образом формируя углубление. Поверхность расплавленного воска сохраняет горизонтальное положение благодаря «той же силе притяжения, которая скрепляет миры». Капиллярный эффект влечет расплавленный воск вверх по фитилю из «чаши» у основания фитиля к пламени наверху в то время, как жар самого пламени вызывает химическую реакцию, поддерживающую горение пламени. Красота свечи заключается, по мнению Фарадея, в сложном взаимодействии научных принципов, от которых зависит ее функционирование, и в необычайной эффективности и экономичности данного взаимодействия5.

Но в чем же красота эксперимента? Эксперимент в отличие от картины или скульптуры динамичен. Он больше похож на драматическое представление, так как люди планируют его, организуют и наблюдают – с тем, чтобы получить те результаты, в которых они заинтересованы. Как узнать длину земной окружности, не протянув рулетку вдоль всего экватора? Как узнать, что Земля вращается, не взлетев в космос и не увидев этого собственными глазами? Откуда мы знаем, что находится внутри атома? Тщательным образом имитируя то или иное природное явление в лабораторных условиях – порой с использованием таких простых предметов, как призма и маятник, – мы добиваемся того, что ответы сами вырисовываются перед нашими глазами. Форма возникает из хаоса не чудесным, непредсказуемым образом – как кролик, появляющийся из шляпы фокусника, – а благодаря тому, что мы правильно организовали ее появление. Мы заставляем говорить величайшие загадки природы6.