Светоч разума. Рациональное мышление в XXI веке - Кристер Стурмарк

К счастью, подобных историй чрезвычайно мало, и, как и в тех случаях, о которых речь шла выше, каждый псевдонаучный мыльный пузырь раньше или позже лопается. (Хотя, как ни прискорбно, новые поколения псевдоученых раздувают новые мыльные пузыри.) В противоположность этому в науке обычно идут другим путем: первоначальные наблюдения подтверждают, уточняют, расширяют и развивают, и по мере появления новых открытий идеи становятся все глубже и глубже, все плодотворнее и плодотворнее.

Критики науки иногда утверждают: “Рассчитывать на науку нет смысла, ведь каждый день появляются новые факты, которые раньше считались ложными”. Часто как один из наиболее наглядных примеров приводят Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна. Аргументация такова: “В течение двух веков все свято верили в ньютоновскую картину мира, а затем появился Эйнштейн и показал, что великий Ньютон ошибался. И что же, Ньютона просто выбросили в мусорную корзину! Раз – и нет его! Рано или поздно то же самое случится и с Эйнштейном. И так будет продолжаться снова и снова. Поэтому ни на кого и ни на что в науке полагаться нельзя!”

Эта на первый взгляд правдоподобная интерпретация совершенно безосновательна, поскольку дает неверное представление об описанных событиях. Работа Ньютона относится к концу XVII – началу XVIII столетия. Он разработал теоретическую механику, основываясь на трех законах движения и законе всемирного тяготения, которые открыл. Это и была так называемая ньютоновская картина мира. В течение двухсот лет она позволяла с большой точностью описывать движение планет и земных механических систем. Кроме того, она прекрасно объясняла поведение газов (термодинамику), жидкостей (гидродинамику), машин, аэропланов и несказанного числа других механизмов.

Прошло двести лет, и в начале XX столетия Альберт Эйнштейн построил общую теорию относительности, описывающую пространство и время, которая в определенном смысле заменила модель Ньютона. Теория Эйнштейна несколько точнее теории Ньютона, но это не значит, что, согласно Эйнштейну, теория Ньютона далека от истины или бесполезна. Как он вообще мог прийти к такому выводу? В конце концов, теория Ньютона безотказно работала все эти годы!

На самом деле модель Ньютона вовсе не была опровергнута: она просто предстала в ином свете. Выяснилось, что его теория – предельный случай теории Эйнштейна. А именно: в теории Ньютона скорости не должны быть слишком большими, приближающимися к скорости света. Это условие выполняется для всех макроскопических объектов, таких как хоккейная шайба, человек, автомобиль “порше” или планеты. И силы гравитации тоже не должны быть слишком велики. Последнее условие выполняется как для всех земных, так и для всех солнечных гравитационных полей, где сила гравитации, существенно превышающая земную, делает возможным существование солнечной системы. Другими словами, теория Эйнштейна почти в точности совпадает с теорией Ньютона за исключением областей, где выполняются очень необычные для классической физики условия – фантастически велики скорости или невероятно велики гравитационные поля.

Будет правильно сказать, что общая теория относительности Эйнштейна лучше аппроксимирует реальность, чем теория Ньютона. Но также следует помнить, что до тех пор, пока мы остаемся в повседневном мире, предсказания теории Ньютона чрезвычайно точны, практически идеальны. Как мы уже говорили выше, сама теория Ньютона – строгое следствие теории Эйнштейна при “низких” скоростях (которые при этом гораздо больше самой быстрой из когда-либо созданных ракет) и “небольших” гравитационных полях (куда входят гравитационные поля обычных звезд и, конечно, гораздо более слабые поля планет). Теория Ньютона по-прежнему абсолютно надежна в том смысле, что ее всегда используют инженеры при строительстве мостов, ракет, спутников, кораблей и так далее. Только в тех случаях, когда речь идет о чрезвычайно точных измерениях, необходимых, например, в навигационных устройствах с использованием спутниковых систем, инженерам иногда приходится использовать теорию Эйнштейна, а также квантовую теорию, появившуюся несколько позднее.

Научные теории – это хорошая, постоянно улучшающаяся аппроксимация реальности. Теория относительности Эйнштейна и последовавшая за ней квантовая механика – лучшее приближение к реальности, чем теория Ньютона, но, вполне вероятно, что в будущем их “вытеснит” еще более точная теория. Однако даже если это и случится, прежние теории наверняка не будут “вышвырнуты в мусорную корзину”, как туда не была отправлена и теория Ньютона сто лет назад. Это просто заблуждение.

Приведем еще один пример. В XIX веке ни у кого не вызывало сомнения, что свет представляет собой электромагнитную волну. Это было прямым следствием выведенных шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом поразительных уравнений: красивая система из четырех уравнений объединяла считавшиеся ранее независимыми теории электричества и магнетизма. Как следствие этого поразительного единения появились радио, телевизор, телефон, электрические двигатели, кинофильмы, микроволновки и несчетное количество других технологических достижений XX века.

Но в 1905 году Альберт Эйнштейн, для того чтобы объяснить закономерности фотоэффекта, предположил, что, возможно, все-таки свет не является электромагнитным излучением, а состоит из частиц (корпускул)! Многие годы никто из физиков не обращал внимания на эту гипотезу. По отношению к этому вопросу Эйнштейн оставался отступником, нонконформистом, одиночкой. Но восемнадцать лет спустя, в 1920-х годах появились экспериментальные данные (главным было открытие эффекта Комптона), которые никак нельзя было объяснить, основываясь на уравнениях Максвелла. И тогда физики задумались: может, в 1905 году Эйнштейн все же был прав? Однако отсюда не следует, что Максвелл ошибался, описывая свет как электромагнитную волну. Это просто означает, что под внешним слоем картины, описывающей распространение света, скрывается еще один, более глубокий слой и что в некоторых очень необычных условиях свет демонстрирует поведение, которое можно объяснить, только приняв его корпускулярную природу. Но во всех ситуациях, где теория света Максвелла работала раньше, она продолжает и будет продолжать работать. А это значит, что эта теория применима практически во всех ситуациях, с которыми мы обычно сталкиваемся.

Еще раз: мы видим, что значения таких слов, как “истинно” и “ложно”, не столь однозначны, как нам представлялось. Теория может быть, строго говоря, неправильной, но совершенно верной для всех практических приложений! Это справедливо как для ньютоновской картины мира, о чем шла речь выше, так и для максвелловской теории световых волн. В какой-то момент каждая из них считалась универсальной, идеальной, окончательной. Но теперь мы понимаем, что данные теории имеют границы применимости. Это, однако, не означает, что они непригодны в обычных ситуациях. Действительно, старые теории лучше всего подходят, когда надо понять, что происходит в обычных ситуациях, и именно поэтому главным образом их изучают во всех курсах физики в старших классах и в университетах, и по-прежнему все инженеры используют именно их.

В настоящее время считается, что свет ведет себя двояко: иногда это волны, а иногда – частицы. Это равновесие шаткое, поскольку в реальной жизни люди не сталкиваются ни с чем, ведущим себя столь неоднозначно. Но приходится примириться с этим, поскольку таково наилучшее описание этого мистического явления. Даже Эйнштейн, создатель современного представления о свете, до конца жизни чувствовал себя обескураженно, глядя на свое создание – квант света или, как мы сейчас говорим, фотон. В 1951 году, всего за четыре года до смерти, он жаловался в письме своему старинному другу Мишелю Бессо: