Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

Легко видеть, что наше представление о строении атома только модель — невидимый атом описывается с помощью таких макроскопических понятий, как снаряды, бейсбольные шары, силы, действующие между магнитами, или же сила тяжести и т. д. Однако неловко признаться в том, что мы не знаем, что в действительности представляет собой атом, а можем лишь сказать, что он «ведет себя так, как если бы…». Более того, с прогрессом техники, с появлением микроскопа… электронного микроскопа… ионного микроскопа… можно подумать, что мы видим реальные атомы, а не их модели — например, в конце нашей книги мы приводим фотоснимок атомов вольфрама. Однако такое «наблюдение» микромира, каким бы очевидным оно ни казалось, все же не является непосредственным. Получаемые нами изображения следует интерпретировать в рамках тех моделей, которые определяют использование нами соответствующих приборов. В случайной беседе мы часто говорим: «Теперь мы знаем, что представляют собой атомы, как они расположены, как они движутся», но при серьезной дискуссии большинство ученых скажет: «Мы лишь показали, что наша модель хорошо работает, и получили некоторые подтверждения ее применимости». Мы пользуемся моделями почти во всех научных представлениях: атомы, молекулы, гравитация, магнитные поля, идеальные пружины… Моделями мы пользуемся для того, чтобы заменить плоглей.

Поскольку теория в значительной степени состоит из моделей, основанных на ряде фактов, мы всегда можем внести в нее изменеяия. Согласно авторам некоторых популярных книг, ученые весело и беспечно отбрасывают свои теории, когда появляются противоречащие им новые открытия; в действительности же большинство ученых отчаянно цепляется за старые теории. Когда ученые вынуждены изменять свои теории в соответствии с новыми данными, это происходит чаще эволюционным, а не революционным путем.

«Решающие эксперименты»

Иногда конкурирующие между собой теории приводят к различным следствиям; тогда можно решить, которая из них правильна, поставив «решающий эксперимент» [122]. Даже в этом случае решение не абсолютно достоверно: отвергнутую теорию обычно можно переделать — ей можно придать такую форму, которая выдержит проверку, подобно тому как демонов всегда можно наделить добавочными свойствами. Например, опыт Ньютона со свободным падением монеты и пера в пустоте дает ответ, какая из двух теорий падения правильна:

I. «Все тела падают с одинаковым ускорением, если не принимать во внимание сопротивление воздуха».

II. «Тела падают вниз со скоростью, пропорциональной их весу».

Однако вторую теорию можно привести в согласие с экспериментом, считая действие вакуумного насоса не полезным, а вредным:

«Тела… весу; но вакуум также действует с силой, направленной вниз и обратно пропорциональной весу тел».

(При опыте с барометром получается нечто еще более фантастичное.)

Только в немногих важных случаях решение представляется, окончательным, например при решении вопроса о том, в какой форме происходит перенос световой энергии — волнами или корпускулами (квантами). Фотоэлектрический эффект решительно свидетельствует в пользу квантов; при проверке специальной теории относительности в опытах со скоростью света решение также кажется однозначным… Однако даже в этих столь важных случаях решение вопроса определяется скорее относительным значением различных экспериментов, нежели неопровержимой проверкой с помощью одного-единственного эксперимента.

Интеллектуальное удовлетворение

Итак, проверкой качества теории служит не ее успех или неудача, а простота и экономичность по сравнению со все возрастающей сложностью или громоздкостью. Лучшая теория та, которая наиболее плодотворна, экономична, доступна и приносит наибольшее интеллектуальное удовлетворение.

Мы рассчитываем, что теория (или схема) будет давать плодотворные предсказания и объяснения, основываясь по возможности на минимальном числе допущений общего характера.

Следует помнить, что научное «объяснение» нельзя считать ни окончательным и бесспорным ответом на вопрос «почему», ни простым словосочетанием, описывающим наблюдаемые явления с помощью технических терминов. Оно представляет собой звено, связывающее наблюдаемые явления с другими хорошо известными фактами или сведениями более общего характера, полученными из наблюдений. Чем больше число связанных между собой таким образом фактов и чем они разнообразнее, тем большее чувство удовлетворения дает нам наша теория. По мере того как наше доверие к ней возрастает, мы начинаем «объяснять» некоторые факты, связывая их с умозрительными предположениями, следующими из нашей теории. Однако эти предположения связаны в свою очередь с экспериментальными данными, лежащими в основе нашей теории; это по существу такого же рода «объяснение», только основанное в данном случае на нашей вере в ее справедливость.