Каждый читатель может на себе проверить, как его интуитивное понимание законов движения соотносится с механикой Ньютона, поразмышляв о том, куда направить мяч, который на бегу нужно подбросить вверх и снова поймать. Сначала многие интуитивно полагают, что мяч надо бросить вперед (а не просто вертикально вверх, что было бы правильно). Если они сделают именно так, то им придется сделать сильный рывок, чтобы поймать мяч. Вот еще одна несколько более сложная задача для самопроверки: представьте себе, что вы стоите в саду и видите, как яблоко отрывается от ветки. Случайно у вас в руке оказалась гнилая груша, и вы вдруг захотели попасть в падающее яблоко. При этом возникает вопрос: куда же надо целиться – в позицию, которую яблоко занимает в момент броска, или в позицию, которой яблоко достигнет в момент пересечения вашего снаряда с его траекторией? Интуитивно многие принимают решение в пользу второго варианта – и при этом забывают о механике Ньютона: гнилая груша, которую вы бросаете, также совершает движение вниз. Вы просто должны целиться в яблоко – туда, где вы его видите в данный момент, а не туда, где вы его ожидаете увидеть позже. Вот таким простым иногда может быть сложное.
Внутренняя сила
Тех, кто хочет изучить ложные ходы интуиции, разумеется, интересует и то, на чем основывались студенты, давая свои ответы. Обсуждая законы движения, необходимо использовать для этого понятие «импульс», которое и у Ньютона играет решающую роль. Это произведение массы тела и его скорости и есть то, что остается неизменным до тех пор, пока на тело не действует сила. Итак, на занятиях по физике студенты узнали о понятии «импульс» и использовали его в дальнейшем при обосновании своих ответов. Когда же студентов, наконец, спрашивали, что точно означает импульс, получали типичный ответ: «Это нечто, продолжающее двигать объект вперед после того, как на него перестает действовать сила. Его можно было бы назвать движущей силой. Это нечто, удерживающее тело в состоянии движения». Хоть студенты и говорили об импульсе, они имели в виду нечто иное – некую внутреннюю силу, которую, например, легкоатлет сообщает копью или диску и которая позволяет снаряду лететь дальше в намеченном метателем направлении. Для этой силы, этого внутреннего импульса со времен Средневековья существует название «импетус». Тогда возникла даже теория импетуса – как критика аристотелевой теории движения. Считалось, что утверждение Аристотеля о том, что предмет способен двигаться только под действием внешней силы, было неправильно истолковано: «Как же тогда можно вообще подбросить камень в воздух, ведь он же продолжает лететь даже после того, как я его уже не держу в руке, а моя сила его уже не достигает и не может управлять им?»
Теория импетуса преодолела эти проблемы, придумав вложенную силу, сообщенную копью его метателем, то есть импетус. Эта теория – физика здравого смысла. Ее сторонники описали движение брошенного копья очень наглядно. Сначала метатель сообщает копью импетус, который помогает ему преодолеть свой вес. Во время движения вложенная сила исчерпывается, ее поглощают внешние силы сопротивления (воздух). Как только импетус полностью израсходуется, копье упадет на землю.
Открытым остается вопрос о том, почему эти представления об импетусе настолько интуитивно убедительны. Вероятно, их можно понять, обратившись к биологии и психологии.
Обратные связи
Ошибки здравого смысла имели свои последствия. Одно из них заключается в том, что понять результаты естественнонаучного исследования порой очень сложно. Приходится идти против самого себя и становиться скептиком, причем всегда именно в тот момент, когда мысль работает четко и ясно.
Кроме того, мы не всегда способны предсказывать последствия наших действий. Сегодня природа наносит нам ответный удар, она вынуждает нас помнить о том, что существует обратная связь, которую мы до сих пор игнорировали. Нам необходимо принять к сведению, что мы часть природы, и это нам дается гораздо сложнее, чем понять законы Ньютона. Наша главная сегодня цель – как можно большему числу людей обеспечить максимально здоровую жизнь без материальной нужды, без холода и голода. И к ней ведет только один путь – путь науки и техники. И тут мы не можем ни бездействовать, ни полагаться на здравый смысл.
Часть вторая
О методологии
Наука работает по законам логики
«Логика и рост научного знания» – так называется знаменитое произведение философа науки Карла Поппера, опубликованное осенью 1934 года издательской компанией Юлиуса Шпрингера в Вене (с указанием года выпуска 1935). В подзаголовке есть ссылка на то, что в книге содержатся статьи «о теории познания в современном естествознании», которые вышли в 1959 году на английском языке, правда, под названием «Логика научного открытия».
В своей часто цитируемой книге Поппер прежде всего констатирует: «Деятельность научного исследователя заключается в том, чтобы разрабатывать и систематически проверять законы и системы законов». При этом в науках, основанных на опыте, – философы называют их эмпирическими – главным являются гипотезы, которые надлежит проверить с помощью экспериментов или наблюдений. Вместе с ними возникает проблема, веками мучившая мыслителей: проводя эксперимент, исследователь делает единичное наблюдение, которое он может сформулировать в частном законе, например: «Кусок медной проволоки при нагревании удлиняется». Но на самом деле его интересует общий закон, например: «Материя расширяется с повышением температуры». Задача, возникающая при этом, – философы говорят о «проблеме индукции», – заключается в том, чтобы понять, при каких обстоятельствах перенос частного на целое, общее может оказаться ошибочным.
Черные лебеди и белые вороны
Поппер поясняет это на ставшем уже широко известным примере (причем белые лебеди в другом месте книги заменены на черных ворон): «Независимо от того, сколько белых лебедей мы наблюдали, у нас нет права считать, что все лебеди белые», и действительно, уже давно были замечены черные лебеди – сначала в Австралии, а позднее и во многих других местах.
Чтобы спасти логику исследования – поскольку речь идет прежде всего о логике, – Поппер делает эффективное предложение, которое закрепилось под названием «фальсификация». По Попперу, научная работа начинается с гипотезы, которую можно проверить, проведя эксперимент (или наблюдения). (Кстати, если этот критерий не выполнен, то, по мнению Поппера, нельзя говорить о научности.) Проводимый с этой целью эксперимент может либо подтвердить, либо опровергнуть гипотезу. В первом (подтвержденном) случае Поппер говорит о верификации, а во втором (отвергнутом) случае – о фальсификации гипотезы. Тем самым он хочет сделать следующее важное разграничение, с помощью которого и сформулирована собственно логика исследования: если гипотеза верифицирована, то наука – как ни странно это звучит – мало что выиграла (или вообще ничего не выиграла, поскольку она осталась при том знании, которым располагала до эксперимента). Если же гипотеза фальсифицирована, то у науки есть шанс продвинуться вперед, так как теперь ученые должны создать новую гипотезу, и проверить это, вероятно, более качественное предположение при помощи новых наблюдений или экспериментов.
Такова логика исследования, говорит Поппер. Она начинается с гипотез, которые можно проверить, и стремится фальсифицировать их.
Многие исследователи твердо верили в логику Поппера и решительно следовали ей (во всяком случае, так они говорят). Среди них – лауреат Нобелевской премии Джон Экклс. В 1940-1950-е годы он пытался выяснить, является ли передача нервных сигналов в мозге химическим или электрическим процессом, и долго не мог найти удовлетворительного ответа. Во время исследований Экклс познакомился с книгой Поппера, которая произвела на него сильное впечатление. «От Поппера я узнал, в чем заключается сущность научного исследования, – писал он. – Создавая гипотезу, можно давать волю своему воображению, но потом следует проверить ее с максимально возможной строгостью, привлекая для этого все существующие знания и проводя самые строгие эксперименты. Поппер даже научил меня радоваться опровержению полюбившейся гипотезы, поскольку это тоже научный прогресс и опровержение теории может многому научить».
На первый взгляд логика фальсификации Поппера кажется действительно убедительной, и представляется совершенно очевидным, что значительные части общепринятой науки, нашедшие отражение в дипломных работах или в докторских диссертациях и в научных публикациях, можно понять при помощи этой схемы. Например, биохимик высказывает гипотезу о том, что энергия, необходимая клетке для обмена веществ, поступает с молекулами сахара. Или генетик исходит из предположения о том, что биологическая информация, наследуемая организмами, сохраняется в форме нуклеиновых кислот. Тому и другому приходится – и в этом заключается конкретная и сложная задача докторантов и дипломантов – придумывать эксперименты, позволяющие проверить сделанные предположения. И если первая гипотеза фальсифицируется, а вторая верифицируется, то можно опубликовать статью в престижном научном журнале.
