Существует много примеров того, как отдельные ученые и даже целые научные сообщества пошли по этому пути. Например, в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон (см. Большой взрыв) — исследователи Лабораторий Bell в Нью-Джерси — занимались измерением космического микроволнового излучения. На заре спутниковой связи такие измерения были обычным делом — ведь для того, чтобы ловить сигнал от спутников на орбите, хорошо бы знать, что попадает в приемник, кроме собственно сигнала со спутника. Обследуя небесную сферу своим приемником, Пензиас и Уилсон регистрировали помехи из многочисленных известных источников. При этом они столкнулись с совершенно неожиданным явлением: куда бы они ни направили свои приборы, приемники неизменно ловили слабый входящий микроволновый сигнал (он проявлялся как тихое шипение в наушниках). Избавиться от него не удавалось, как они ни пытались. Пришлось даже выселить пару голубей, обосновавшихся в аппарате и покрывших части приемника, как тактично говорили ученые, «белым диэлектрическим веществом». В конце концов Пензиасу и Уилсону пришлось просто принять совершенно неожиданный факт, что Вселенная буквально пронизана микроволновым излучением. Теперь мы считаем это так называемое реликтовое электромагнитное излучение важным подтверждением теории большого взрыва — лучшей на сегодняшний день теории о происхождении Вселенной. За то, что они поверили полученным данным, несмотря на их полную неожиданность, Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике за 1978 год.
Объяснив, почему я считаю, что наблюдение и эксперимент имеют для науки центральное значение, я должен сказать, что эти два понятия, будучи похожи по смыслу, подразумевают несколько разные способы работы. Астроном не может построить звезду и подождать, пока она состарится, чтобы изучить ее поведение. Эволюционный биолог не может создать новое позвоночное и подождать несколько миллионов лет, чтобы посмотреть, во что оно разовьется. Геолог не может ускорить движение тектонических плит на поверхности Земли, чтобы посмотреть, как изменится конкретная формация. Во всех этих случаях ученым приходится довольствоваться наблюдениями над природой, поскольку предмет исследования им неподвластен.
Экспериментатор же старается управлять изучаемой системой, зачастую меняя по одному параметру, чтобы посмотреть, к чему приведет его изменение. Вот классический пример использования экспериментального метода. Эколог Дэйвид Тилман из Университета Миннесоты разделил большой участок прерии на Среднем Западе США решеткой, состоящей из квадратов со стороной в несколько метров. В одном из своих экспериментов он поддерживал все условия во всех квадратах одинаковыми, за исключением количества добавляемого азотного удобрения. Это позволило отделить действие одного элемента — азота — от всех остальных факторов, влияющих на рост растений. Другие экспериментаторы поступают аналогичным образом. Ядерный физик, сталкивающий субатомные частицы на огромных скоростях, обеспечивает неизменность условий всех столкновений, за исключением величины энергии налетающей частицы; химик поддерживает одинаковым соотношение всех участвующих в реакции веществ, кроме одного; исследователь рака при лечении опухоли у экспериментальных животных изменяет лишь по одному элементу и так далее. В этих и многих других экспериментах ученые делают сложность системы минимальной, чтобы подробно изучить один из элементов, отделив его от остальных.
Разница между наблюдением и экспериментом, будучи важна, все же не делит науки на два разных лагеря. Например, астрономы могут не только наблюдать звезды, но и использовать эксперименты с ядерными реакциями, чтобы понять, откуда берется их энергия. Эволюционным биологам экспериментальные данные о мутациях фруктовых мушек, живущих совсем недолго, помогают получить представления о продолжительном процессе эволюции, а геологи почти неизменно пользуются данными лабораторных экспериментов по получению минеральных соединений при изучении пород, составляющих ландшафт. Эксперимент не исключает наблюдений, и наоборот. В любой науке используется разумное сочетание того и другого.
Источник многих, если не большинства новых идей в науке — неожиданные результаты экспериментов или наблюдений, и это можно считать отправной точкой научного метода. Но у этого общего правила есть и исключения. Начало теории относительности, созданной в первые десятилетия XX века, было положено размышлениями Альберта Эйнштейна о существовавших в те времена фундаментальных научных теориях. Как я уже говорил, наука не всегда идет столбовой дорогой, известной наперед.
Закономерности
Следующий элемент научного процесса вступает в игру после того, как проведена серия экспериментов или наблюдений и ученые получили первое представление об определенном аспекте устройства природы. Это новое понимание обычно принимает форму той или иное закономерности, присущей природе. Например, в упомянутых выше экологических экспериментах по изучению влияния азота Тилман обнаружил, что по мере добавления азота количество растительного материала (биомасса) на участке увеличивается, в то время как число видов (биологическое разнообразие) уменьшается. По сути, несколько видов, воспользовавшись большей доступностью азота, вытесняют те виды, которым это не удалось.
Иногда вновь открытые закономерности можно описать простыми словами, как мы это сделали выше, но чаще прибегают к математическим терминам («при увеличении количества азота на x% биомасса вырастает на y%») или формулам. Как преподаватель научных дисциплин, я привык бояться момента, когда мне придется отказаться от удобства английского языка, написав на доске уравнение. Можно без преувеличения сказать, что, прибегая к математике, ученые начинают говорить на другом языке. Может быть, если вы будете помнить, что уравнение — лишь способ кратко выразить то, что на обычном языке можно описать лишь сложно или громоздко, это поможет вам смириться с необходимостью пользоваться математическим аппаратом.
Приведем важный исторический пример, иллюстрирующий роль закономерностей. В XVII веке одним из центральных вопросов, занимавших ученых, было место Земли в мироздании. Является ли она центром, как учили древнегреческие ученые, или движется по орбите вокруг Солнца (см. Принцип Коперника), как предположил Николай Коперник в 1543 году? Этот вопрос имеет глубокое религиозное и философское значение, в чем на свое горе убедился Галилей (см. Уравнения равноускоренного движения). Но с научной точки зрения, получить ответ на него можно только одним способом. Ученому следует посмотреть на небо и определить, какому из двух случаев лучше соответствует движение небесных тел — когда планета, с которой ведется наблюдение, стационарна или когда она движется по орбите.
Человеком, потратившим всю жизнь на создание инструментов и проведение необходимых измерений, был датский астроном Тихо Браге (1546–1601). К концу жизни он составил огромный список положений планет на небе, определенных в результате точных измерений. Список этот, кстати, имел огромную коммерческую ценность, потому что его можно было использовать для расчета гороскопов. После смерти Браге его помощник, немецкий математик Иоганн Кеплер, блестяще применив математическую дедукцию, использовал результаты этих измерений, чтобы показать, что все данные можно объяснить с помощью трех простых правил. Эти правила движения планет, называемые теперь законами Кеплера, гласят, что:
– все планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам,
– находясь ближе к Солнцу, планеты движутся быстрее, чем когда они находятся дальше от него, и
– чем сильнее удалена от Солнца орбита планеты, тем медленнее планета движется и тем длиннее ее «год».
У этих законов есть и математическая формулировка, и если вы знаете, например, на каком расстоянии данная планета находится от Солнца, третий закон позволит вам вычислить продолжительность ее года. Законы Кеплера, кстати, — хороший пример, иллюстрирующий сделанное выше замечание: полученную из наблюдений информацию можно обобщить с помощью нескольких простых правил, умещающихся на обороте конверта, вместо того чтобы пробиваться сквозь тома данных.
Здесь надо отметить еще вот что: ученые очень небрежно обращаются со словом «закон». В книге, посвященной разъяснению законов природы, эту проблему нельзя упускать из виду. Было бы очень удобно, если бы существовало простое правило, определяющее использование в науке таких слов, как «теория», «принцип», «эффект» и «закон». Например, можно было бы проверенное тысячу раз называть «эффектом», проверенное миллион раз именовать «принципом», а то, что проверили 10 миллионов раз, — «законом». Но так просто не поступают. Использование этих терминов основано на исторических прецедентах и не имеет отношения к тому, насколько ученые убеждены в верности каждого конкретного утверждения.
Например, закон всемирного тяготения Ньютона — одно из наиболее тщательно проверенных научных утверждений. Он, однако, входит в состав теории относительности Эйнштейна. Каждое подтверждение закона Ньютона — это одновременно и подтверждение теории Эйнштейна. Но существуют и подтверждения общей теории относительности, выходящие за рамки закона всемирного тяготения. Таким образом, мы имеем дело с «теорией», имеющей больше подтверждений, чем «закон». И это далеко не единичный пример. Некоторые аспекты поведения идеального газа описываются законом Шарля и законом Бойля-Мариотта, но эти законы можно вывести из (соответственно, более общей) теории — молекулярно-кинетической теории газов. Одна из наиболее проверенных научных идей, на которой зиждутся все биологические науки, описывает развитие жизни на нашей планете. Несмотря на все подтверждения, ученые все же говорят о теории эволюции.