Расплетая радугу: наука, заблуждения и тяга к чудесам: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Она никогда не дает ясно понять, кто эти поголовные, антинаучные «мы», и она вероятно, к настоящему времени сожалеет о тональности своего фрагмента. Но стоит обеспокоиться, откуда берется такая открытая враждебность.

Другим антинаучным примером, хотя в данном случае, возможно, воспринимаемым как забавный, является отрывок из Э. Э. Гилла, веселого, способного на все фельетониста в лондонской «Санди таймс» (8 сентября 1996 года). Он говорит о науке как об ограниченной экспериментом, и скучными, тяжелыми ступенями эмпиризма. Он сравнивает ее с искусством и театром, с магией огней, волшебной пылью, музыкой и аплодисментами.

«Унылые, скучные закорючки» — ссылка на открытие пульсаров Белл и Хьюишем в Кембридже в 1967 году. Гилл делал критический обзор телевизионной программы, в которой астроном Джоселин Белл Бурнелл вспоминала трепетный момент, когда она впервые узнала, глядя на распечатку радиотелескопа Энтони Хьюиша, что она видела нечто до настоящего времени неслыханное во вселенной. Молодая женщина на пороге карьеры, «унылые, скучные закорючки» на рулоне бумаги говорили с нею тонами революции. Ничто не ново под солнцем: целая новая разновидность солнца, пульсар. Пульсары вращаются настолько быстро, что оборот, на который нашей планете требуется 24 часа, у пульсара может занять долю секунды. Все же лучу энергии, который приносит нам новости, разносящемусяся во все стороны подобно свету маяка с такой удивительной скоростью, и отсчитываюшему секунды более точно, чем кристалл кварца, может потребоваться миллионы лет, чтобы достигнуть нас. Любимая, как скучно, как безумно эмпирично, моя дорогая! Дайте мне волшебную пыль в представлении в любое время.

Я не думаю, что такая сердитая, мелкая неприязнь следует из общей тенденции убивать гонца за дурную весть или обвинять науку в политических злоупотреблениях, как водородная бомба. Нет, враждебность, которую я процитировал, звучит лично для меня мучительным, почти угрожающим, беспокойным, ужасным оскорблением, потому что наука представлена как слишком трудная, чтобы с нею совладать. Достаточно странно, я не посмел бы зайти так далеко как Джон Кэри, профессор английской литературы в Оксфорде, когда он написал в предисловии к своей замечательной «Faber Book of Science» (1995):

Некоторые из более точных наук могут быть трудными, но ни для кого не должно составить труда понять циркуляцию крови и роль сердца в ее перекачке. Кэри рассказывал, как он цитировал строки Донна группе из 30 старшекурсников, последний год изучающих английский в большом университете: «Вы знаете, как кровь, текущая к сердцу, / Проходит от одного желудочка в другой?» Кэри спросил их, как на самом деле течет кровь. Ни один из этих 30 не смог ответить, а один неуверенно предположил, что это могло происходить «благодаря осмосу». Это не просто неправильно. Еще более потрясающе, это скучно. Скучно по сравнению с правдой, что общая длина круглых капилляров, через которые сердце качает кровь, от желудочка до желудочка, составляет больше 50 миль. Если 50 миль трубки упакованы в человеческом теле, Вы можете легко определить, как тонко и замысловато должно быть разветвлено большинство этих трубок. Я не думаю, что какой-нибудь настоящий исследователь мог бы отказаться признать это захватывающей мыслью. И в отличие, скажем, от квантовой теории или теории относительности, это, конечно, нетрудно понять, хотя в это может быть трудно поверить. Таким образом, я придерживаюсь более доброжелательного мнения, чем профессор Кэри, и задаюсь вопросом, не подвели ли этих молодых людей ученые, недостаточно вдохновившие их. Возможно, упор на практические эксперименты в школе, несмотря на то, что это отлично устраивает некоторых детей, может быть ненужным или решительно контрпродуктивным для тех, кто столь же умен, но умен иначе.

Недавно я сделал телевизионную программу о науке в нашей культуре (это была, фактически, программа, разобранная Э. Э. Гиллом). Среди полученного мною множества благодарных писем, было одно, начинавшееся колко: «Я учитель кларнета, чьим единственным воспоминанием о науке в школе был длительный период изучения бунзеновской горелки.» Письмо заставило меня задуматься, что можно наслаждаться концертом Моцарта, не умея играть на кларнете. Фактически, вы можете учиться, чтобы стать опытным знатоком музыки, не будучи в состоянии сыграть и ноту на каком-либо инструменте. Конечно, музыка прекратилась бы, если бы никто никогда не учился ее играть. Но если бы каждый рос, считая, что музыка была синонимом ее исполнения, подумайте, насколько относительно бедными были бы многие жизни.

Разве мы не могли бы учиться думать о науке таким же образом? Конечно важно, чтобы некоторые люди, в действительности одни из самых цепких и умных, учились науке как практическому занятию. Но не могли бы мы также изучать науку как нечто такое, что читаешь и радуешься, подобно тому, как слушать музыку, а не как отрабатывать музыкальные упражнения для пяти пальцев, чтобы ее играть? Китс избегал комнаты для вскрытия, и кто может в этом его упрекнуть? Так же как и Дарвин. Возможно, если бы его обучали менее практическим способом, то Китс бы более симпатизировал науке и Ньютону.

Именно здесь я искал бы точку соприкосновения с самым известным британским журналистским критиком науки, Саймоном Дженкинсом, бывшим редактором «Таймс». Дженкинс более грозный противник, чем другие, которых я процитировал, потому что он знает, что говорит. Он с готовностью признает, что научные книги могут быть вдохновляющими, но он возмущен высокой научной планкой, поднятой в современных программах обязательного образования. В записанной на пленку беседе со мной в 1996, он сказал:

Взгляд Дженкинса, что наука бесполезна, является настолько особенным, что я пройдусь по нему. Обычно даже самые строгие критики признают, что наука полезна, возможно слишком полезна, в то же самое время пропускают более важный момент Дженкинса, что она может быть замечательной. Для них наука в ее полезности подрывает нашу человечность или разрушает тайну, на которой, как иногда думают, процветает поэзия. Для другого созерцательного британского журналиста, Брайана Апплеярда, писавшего в 1992 году, наука наносит «ужасный духовный ущерб». Она «убеждает нас отступиться от самих себя, своей истинной сущности». Это возвращает меня к Китсу и его радуге, и приводит нас к следующей главе.

3. ШТРИХ-КОДЫ В ЗВЕЗДАХ

В декабре 1817 английский живописец и критик Бенджамин Хэйдон представил Джона Китса Уильяму Уордсуорту на обеде в своей лондонской студии, вместе с Чарльзом Лэмом и другими из английского литературного круга. На представлении была новая картина Хэйдона, изображавшая Христа, входящего в Иерусалим, сопровождаемого образами Ньютона в качестве сторонника и Вольтера в качестве скептика. Лэм, выпив, упрекнул Хэйдона за изображение Ньютона, «человека, который не верил ничему, если это не было столь же ясно, как три стороны треугольника». Ньютон, согласился с Лэмом Китс, разрушил всю поэзию радуги, сведя ее к разложенным призмой цветам.

«Невозможно было не поддаться ему, — сказал Хэйдон, — и все мы выпили за здоровье Ньютона и посрамление математики». Спустя годы, Хэйдон вспоминал этот «бессмертный обед» в письме к Уордсуорту, своему оставшемуся в живых приятелю.

Спустя три года после обеда Хэйдона, в своей длинной поэме «Ламия» (1820) Китс написал:

Уордсуорту следовало бы уважать науку и Ньютона («одиноко путешествующего по неведомым морям мысли»). Он также, в своем предисловии к «Лирическим балладам» (1802), предвкушал время, когда «самые отдаленные открытия химика, ботаника или минералога будет подходящим объектом поэтического искусства, как и любые, на которых оно может применяться». Его соавтор Кольридж сказал в другом месте, что «души 500 сэров Исааков Нютонов станут компенсацией за Шекспира или Милтона». Это может быть расценено как неприкрытая враждебность выдающегося романтика к науке вообще, но случай Кольриджа более сложен. Он изучал многие науки и представлял себя научным мыслителем, не в последнюю очередь по вопросу света и цвета, где он утверждал, что предвосхитил Гете. Некоторые из научных спекуляций Кольриджа, оказывается, плагиат, и он, возможно, проявил неумение выбирать тех, у кого заимствовать. Кольридж проклинал не ученых вообще, а Ньютона в частности. Он был высокого мнения о сэре Хэмфри Дэйви, чьи лекции он посещал в Королевской ассоциации, «чтобы возобновить свой запас метафор». Он чувствовал, что открытия Дэйви, по сравнению с открытиями Ньютона, были «более интеллектуальными, больше облагораживали и вдохновляли человеческую природу». Использование им слов облагораживали и вдохновляли предполагает, что Кольридж, возможно, имел добрые намерения относительно науки, или даже относительно Ньютона. Но он был не в состоянии жить согласно своим собственным идеалам, «развить и упорядочить» свои идеи в «четких, ясных и передаваемых концепциях». Непосредственно по вопросу о спектре и расплетении радуги, в письме от 1817 года он стал почти вне себя от унижения:

В другом письме 1817 года Кольридж развил свою тему:

Возможно, Кольридж просто родился слишком рано, чтобы быть постмодернистом:

Это с http://www.cs.monash.edu.au/links/postmodern.html, где можно найти буквально несметное количество подобной ерунды. Бессмысленная игра слов модных франкоязычных ученых, блестяще представленная в «Интеллектуальных уловках» Алана Сокала и Жана Брикмона (1998), кажется, не имеет никакой другой функции, чем произвести впечатление на легковерного. Они даже не хотят, чтобы их понимали. Коллега призналась американскому приверженцу постмодернизма, что она считает его книгу очень трудной для понимания. «О, большое спасибо,» — улыбнулся он, очевидно, наслаждаясь комплиментом. Научные скитания Кольриджа, в отличие от этого, кажется, показывают, некоторое подлинное, хотя и непоследовательное, желание понять мир вокруг него. Мы должны представить его как уникальную аномалию и двигаться дальше.

Почему в «Ламии» Китса философия правил и границ «холодная», и почему все очарование при этом исчезает? Что столь угрожающего в объяснении? Тайны не теряют свою поэзию, когда они разгаданы. Совсем наоборот; разгадка часто оказывается красивее, чем загадка, и в любом случае, когда вы разгадали одну тайну, вы обнаруживаете другие, возможно, чтобы пробудить большую поэзию. Выдающегося теоретического физика Ричарда Фейнмана друг обвинил в том, что ученый не замечает красоту цветка, изучая его. Фейнман ответил:

Разложение Ньютоном радуги на свет с различными длинами волн привел к теории электромагнетизма Максвелла и отсюда к специальной теории относительности Эйнштейна. Если вы думаете, что у радуги есть поэтическая тайна, вы должны попробовать теорию относительности. Сам Эйнштейн открыто делал эстетические оценки в науке и, возможно, зашел слишком далеко. «Самая красивая вещь, с которой мы можем столкнуться, — сказал он, — это загадочное. Оно — источник всего настоящего искусства и науки.» Сэр Артур Эддингтон, собственные научные труды которого были отмечены за поэтический талант, использовал солнечное затмение 1919 года, чтобы проверить Общую Теорию Относительности, и возвратился с острова Принсипи, чтобы объявить, по выражению Банеша Хоффманна, что в Германии живет самый великий ученый столетия. Я читал эти слова с комом в горле, но сам Эйнштейн отнесся весьма спокойно. В случае любого другого результата он «сожалел бы за [ошибку] дорогого Господа. [Поскольку] Теория верна.»

Исаак Ньютон создал личную радугу в темной комнате. Маленькое отверстие в ставне пропускало солнечный луч. На его пути он поместил свою знаменитую призму, которая преломляла (изгибала) солнечный луч на угол, первый раз, когда тот проникал в стекло, затем снова, когда он проходил через дальнюю грань снова в воздух. Когда свет падал на дальнюю стену комнаты Ньютона, цвета спектра ясно отображались. Ньютон был не первым, кто сделал искусственную радугу призмой, но он был первым, кто использовать ее, чтобы продемонстрировать, что белый свет является смесью различных цветов. Призма разделяет их, изгибая на различные углы, синий на более крутой угол, чем красный; зеленый, желтый и оранжевый — на промежуточные углы. Другие, понятное дело, думали, что призма изменяла качество света, безусловно подкрашивая его вместо того, чтобы выделить цвета из существующей смеси. Ньютон окончательно решил вопрос в двух экспериментах, в которых свет проходил через вторую призму. В своей решающем эксперименте за первой призмой он поместил разрез, который позволил проходить только маленькой части спектра, скажем, красной. Когда этот красный свет снова преломлялся второй призмой, появлялся только красный свет. Это показывало, что свет качественно не изменялся призмой, а просто разделялся на компоненты, которые обычно смешаны. В своем другом итоговом эксперименте Ньютон переворачивал вторую призму вверх тормашками. Спектральные цвета, которые были разделены первой призмой, сводились снова вместе второй. То, что получалось, было воссозданным белым светом.

Самый легкий способ понять спектр — через волновую теорию света. Особенность волн в том, что ничто фактически не проходит весь путь от источника до конечного пункта. Такое движение локальное и мелкомасштабное. Локальное движение вызывает движение в следующем локальном участке, и так далее на всем протяжении линии, как знаменитая волна на футбольном стадионе. Первоначальная волновая теория света, в свою очередь, была заменена квантовой теорией, согласно которой свет передается в виде потока дискретных фотонов. Физики под моим нажимом признают, что поток фотонов течет от солнца так, как не путешествуют футбольные болельщики с одного конца стадиона в другой. Однако остроумные эксперименты в этом веке показали, что даже в квантовой теории фотоны также все таки ведут себя и как волны. Для многих задач, включая нашу в этой главе, мы можем забыть квантовую теорию и рассматривать свет просто как волны, распространяющиеся от источника света, как рябь на воде, когда брошен камень. Но волны света движутся несравнимо быстрее и распространяются в трех измерениях. Расплетать радугу означает разделять ее на составные части с различными длинами волн.

Белый свет — смешанная комбинация длин волн, визуальная какофония. Белые объекты отражают свет всех длин волн, но, в отличие от зеркал, они при этом рассеивают его беспорядочно. Поэтому Вы видите свет, но не ваше лицо, отраженное от белой стены. Черные объекты поглощают свет всех длин волн. Цветные объекты, из-за атомного строения своих пигментов или поверхностных слоев, поглощают свет некоторых длин волн и отражают другие длины волн. Оконное стекло позволяет свету всех длин волн проходить сквозь него. Цветное стекло пропускает свет некоторых длин волн, поглощая свет других длин волн.

Что же такого в преломляющем свойстве стеклянной призмы или, при надлежащих условиях, капле дождя, что расщепляет белый свет на отдельные цвета? И вообще, почему лучи света преломляются стеклом и водой? Преломление происходит из-за замедления света, когда он переходит из воздуха в стекло (или воду). Он ускоряется снова, когда выходит из стекла. Как это может быть, учитывая авторитетное мнение Эйнштейна, что скорость света является великой физической константой вселенной, и ничто не может двигаться быстрее? Ответ в том, что легендарная предельная скорость света, выражаемая символом c, достигается только в вакууме. Когда свет распространяется через прозрачное вещество, такое как стекло или вода, он замедляется фактором, известным как «коэффициент преломления» этого вещества. Он замедляется также воздухом, но в меньшей мере.

Но почему замедление преобразуется в изменение угла? Если луч света будет прямо направлен на стеклянный блок, то он продолжится под тем же самым углом (прямо вперед), но будет замедленным. Однако если он попадает на поверхность под углом, он отклоняется к меньшему углу, поскольку начинает распространяться медленнее. Почему? Физики выдумали «Принцип наименьшего действия», который, будучи не совсем удовлетворительным в качестве окончательного объяснения, по крайней мере делает его чем-то, что мы можем близко воспринимать. Вопрос хорошо излагается в «Возвращаясь к вопросу о Сотворении» Питера Аткинса (1992). Некоторая физическая сущность, в данном случае пучок света, ведет себя, как будто добиваясь экономии, стараясь что-то минимизировать. Вообразите себя спасателем на берегу, мчащимся, чтобы спасти тонущего ребенка. Дорога каждая секунда, и вы должны потратить как можно меньше времени, чтобы добраться до ребенка. Вы можете бежать быстрее, чем плыть. Ваш путь к ребенку сначала проходит по земле и поэтому быстрее, затем через воду и намного медленнее. При условии, что ребенок находится в море не прямо напротив Вас, как Вы минимизируете время преодоления пути? Вы могли бы взять направление по прямой, минимизируя расстояние, но при этом не будет минимизировано потраченное время, потому что остается слишком большой путь через воду. Вы могли бы бежать прямо к тому месту на краю моря, которое находится непосредственно напротив ребенка, затем плыть в море прямо. Это максимизирует бег за счет плавания, но даже это — не самый быстрый курс из-за большего общего покрываемого расстояния. Легко понять, что самый быстрый курс должен пролегать к берегу под критическим углом, который зависит от отношения скорости Вашего бега к скорости Вашего плавания, затем резко переключиться на новый угол для пути вплавь. В терминах аналогии, скорость плавания и скорость бега соответствуют коэффициентам преломления воды и воздуха. Конечно, лучи света не «стараются» преднамеренно минимизировать время пути, но все, что касается их поведения, имеет смысл, если вы предполагаете, что они бессознательно делают нечто эквивалентное. Аналогия может быть выражена приемлемо в терминах квантовой теории, но это здесь выходит за пределы моей области, и я рекомендую книгу Аткинса.

Спектр зависит от того, что свет различных цветов, замедляется в различной степени: коэффициент преломления данного вещества, скажем стекла или воды, больше для синего света, чем для красного. Вы можете представить себе синий свет, как более медленного пловца, чем красный, запутавшегося в дебрях атомов в стекле или воде из-за своей короткой длины волны. Свет всех цветов меньше запутывается среди более редких атомов воздуха, но синий все равно распространяется медленней, чем красный. В вакууме, где вообще нет никаких дебрей, свет всех цветов имеет одну и ту же скорость: великую, всеобщую максимальную c.

Капли дождя имеют более сложный эффект, чем призма Ньютона. Будучи примерно сферической, их задняя поверхность действует как вогнутое зеркало. Таким образом, они отражают солнечный свет после его преломления, что является причиной, почему мы видим радугу в области неба напротив солнца, а не тогда, когда смотрим в направлении солнца сквозь дождь. Представьте, что Вы стоите спиной к солнцу, глядя в направлении дождя, желательно на фоне свинцового неба. Мы не увидим радугу, если солнце в небе будет выше, чем 42 градуса над горизонтом. Чем ниже солнце, тем выше радуга. По мере того, как солнце встает утром, радуга, если она видна, садится. По мере того, как солнце садится вечером, радуга поднимается. Поэтому давайте предположим, что сейчас раннее утро или время перед закатом. Представьте отдельную каплю дождя в виде сферы. Солнце сзади и немного выше Вас, и свет от него попадает в каплю дождя. На границе воздуха с водой он преломляется, и различные длины волн, составляющие солнечный свет, изгибаются на различный угол, как в призме Ньютона. Развернутые цвета проходят через внутреннюю часть дождевой капли, пока не достигают ее вогнутой дальней стенки, где они отражаются назад и вниз. Они снова покидают каплю дождя, и некоторые из них заканчиваются в Вашем глазу. В то время как они проходят из воды обратно в воздух, они преломляются второй раз, различные цвета снова изгибаются на различный угол.

Так, полный спектр — красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый — покидает нашу одну каплю дождя, и подобный же спектр покидает другие дождевые капли рядом. Но лишь маленькая часть спектра от любой капли дождя попадает в Ваш глаз. Если Ваш глаз получает луч зеленого света от одной конкретной капли дождя, синий свет от этой же капли дождя идет выше вашего глаза, а красный свет от этой конкретной капли — ниже. Тогда почему Вы видите полную радугу? Потому что есть много различных капель дождя. Полоса из тысяч дождевых капель дает Вам зеленый свет (и одновременно дает синий свет любому, кто мог бы соответственно находиться выше Вас, и одновременно дает красный свет кому-то еще ниже Вас). Другая полоса из тысяч капель дождя дает Вам красный свет (и дает кому-то еще синий…), другая полоса из тысяч капель дает вам синий свет, и так далее. Дождевые капли, доставляющие вам красный свет, все находятся на фиксированном расстоянии от вас, что является причиной, почему красная полоса изогнута (вы — центр круга). Капли, предоставляющие Вам зеленый свет, также находятся на фиксированном расстоянии от вас, но на более коротком. Таким образом круг, на котором они расположены, имеет меньший радиус, и зеленая кривая находится внутри красной кривой. Затем в ней располагается синяя кривая, и вся радуга построена в виде ряда кругов с Вами в центре. Другие наблюдатели будут видеть иные радуги, центрированные на наблюдателе.

Итак, радуга отнюдь не берёт начало в особом «месте», где феи могли прятать горшочек с золотом. Радуг столько, сколько глаз смотрит на ливень. Различные наблюдатели, смотрящие на один и тот же дождь с разных позиций, обнаружат свои собственные радуги, использующие свет из различных множеств капель. Строго говоря, даже ваши оба глаза видят разные радуги. И когда мы едем вдоль дороги, глядя на «одну» радугу, на самом деле мы видим множество радуг, быстро сменяющих друг друга. Я думаю, если бы Уордсуорт осознавал всё это, он бы написал что-то превосходящее строки «Моё сердце выпрыгивает, когда я вижу радугу в небе» (хотя, я должен сказать, трудно превзойти последующие строки).

Следующее осложнение состоит в том, что капельки дождя сами по себе падают, или развеваются. Так что отдельная капля может пройти сквозь отрезок, на котором она посылает, скажем, красный свет к вам, а затем переместиться в жёлтую область. Но вы продолжаете видеть красный участок, если ничто не изменилось, потому что новые капли дождя занимают место прошлых. Ричард Уилан, в его любимой Книге Радуг (1997), которая является источником многих моих радужных цитат, цитировал Леонардо да Винчи:

Иллюзия радуги сама по себе остаётся неподвижной, несмотря на то что капли, которые её создают, падают и разносятся ветром. Кольридж писал: