После «Структуры научных революций»

Прежде чем обратиться к первому примеру, позвольте мне – для тех, кто не очень хорошо знаком с моей терминологией – пояснить, что это за пример.

Революционное изменение частично определяется его отличием от нормального изменения, а нормальное изменение, как уже упомянуто, добавляет нечто к тому, что уже известно. Например, обычным результатом этого нормального процесса являются научные законы: иллюстрацией может служить закон Бойля. Его первооткрыватели предварительно имели понятие о давлении газа и его объеме, а также обладали инструментами для определения величины давления и объема. Открытие того факта, что для конкретного газа при постоянной температуре произведение давления на объем является константой, просто добавило что-то к нашему знанию о том, как ведут себя эти уже ранее известные переменные[4]. Громадное большинство научных достижений относится к этому нормальному виду развития. Но я не буду без нужды умножать примеры.

Революционные изменения являются иными и гораздо более проблематичными. Они включают в себя открытия, которые нельзя совместить с ранее используемыми понятиями. Чтобы сделать или ассимилировать такое открытие, человек должен изменить сам способ мышления и описания естественных феноменов. Открытие Ньютоном (в подобных случаях лучше говорить об «изобретении») второго закона движения принадлежит к этому типу. Понятия силы и массы, входящие в этот закон, отличаются от похожих понятий, использовавшихся до введения этого закона, и сам закон играет существенную роль в определении этих понятий.

Вторым, более развернутым, хотя и более простым примером может служить переход от астрономии Птолемея к астрономии Коперника. До этого перехода Солнце и Луна были планетами, а Земля планетой не была. После этого перехода Земля стала планетой, подобно Марсу и Юпитеру, Солнце стало звездой, а Луна превратилась в небесное тело нового вида – спутник.

Изменения подобного рода нельзя свести к исправлению чьих-то ошибок, содержащихся в системе Птолемея. Подобно переходу к законам движения Ньютона, они включают в себя изменения не только в законах природы, но также и в критериях, согласно которым термины, входящие в эти законы, применяются к природе. Более того, сами эти критерии частично зависят от теории, вместе с которой они вводятся.

Когда такие изменения в референции сопровождают изменения законов или теорий, развитие науки не может быть вполне кумулятивным. Нельзя перейти от старого к новому, просто добавив новое к уже известному. И это новое нельзя описать в словаре старого, и наоборот.

Рассмотрим составное предложение: «В системе Птолемея планеты вращались вокруг Земли; в системе Коперника они вращаются вокруг Солнца». Строго говоря, это предложение является бессвязным. Первое вхождение термина «планета» является птолемеевским, второе – коперниканским, и оба термина применяются к природе по-разному. Это составное предложение является истинным только вследствие отсутствия единого прочтения термина «планета».

Столь схематичные примеры лишь намекают на то, что происходит во время революционного изменения. Поэтому я хочу обратиться к более полным примерам, начав с того, который лет тридцать назад привел меня к осознанию революционных изменений, а именно: с перехода от физики Аристотеля к физике Ньютона. Здесь может быть рассмотрена лишь его небольшая часть, касающаяся проблем движения и механики, да и то весьма схематично. Вдобавок я переворачиваю историческую последовательность и описываю не то, что требовалось натуральному философу-аристотелианцу, чтобы прийти к ньютоновским понятиям, а то, что нужно мне, ньютонианцу, для того, чтобы прийти к понятиям философии природы Аристотеля. Я буду путешествовать в глубь веков, руководствуясь текстами, аналогично тому, как ранние ученые двигались вперед, руководствуясь не текстами, а самой природой.

Некоторые физические сочинения Аристотеля я впервые прочитал летом 1947 г. Будучи аспирантом-физиком, я хотел представить анализ конкретного случая развития механики для учебного курса по науке для неспециалистов. Неудивительно, что к текстам Аристотеля я подходил с позиций ньютоновской механики, которая казалась мне совершенно ясной. Я надеялся найти ответ на вопрос: что из механики было известно Аристотелю и что осталось открыть таким людям, как Галилей и Ньютон.

При таком подходе я быстро обнаружил, что Аристотель почти ничего не знал из механики. Практически все было сделано последующими поколениями, по большей части в XVI и XVII столетиях. Это был вполне стандартный вывод, и в принципе он мог быть справедливым. Однако он вызывал у меня беспокойство, поскольку, по мере чтения, Аристотель казался мне не только невеждой в механике, но и вообще чрезвычайно плохим ученым. В частности, его сочинения о движении казались мне наполненными ужасными ошибками – как в логике, так и в наблюдении.

Это было неправдоподобно, ибо Аристотель, в конце концов, был величайшим систематизатором античной логики. Спустя два тысячелетия после его смерти труды его играли почти такую же роль в логике, как труды Евклида в геометрии. Аристотель часто проявлял себя чрезвычайно тонким наблюдателем природы. В частности, в биологии его описания служили моделями, сыгравшими центральную роль при формировании современной биологической традиции в XVI и XVII столетиях.

Почему выдающиеся способности изменяли ему, когда он обращался к изучению движения и механики? Опять-таки если способности ему здесь изменяли, то почему его сочинения по физике привлекали столь серьезное внимание на протяжении многих столетий после смерти? Эти вопросы неотступно преследовали меня. Я мог бы легко поверить в то, что Аристотель ошибался, но казалось невероятным, что, обращаясь к физике, он вообще утрачивал разум. «Может, ошибаюсь я, а не Аристотель, – спрашивал я себя. – Возможно, для него и его современников слова означали не совсем то, что они означают для меня?»

Охваченный сомнениями, я продолжал ломать голову над его текстами, постепенно мои подозрения обрели прочную основу. Я сидел за своим письменным столом, перечитывая «Физику» Аристотеля с цветным карандашом в руке. Погруженный в размышления, я оторвался от текста и рассеянно взглянул в окно. Внезапно обрывки мыслей в моем сознании сложились в совершенно новую картину. Я вдруг понял, что Аристотель был очень хорошим физиком, но особого рода, о котором я никогда не думал. Теперь я смог понять, что он говорил, почему говорил и на чем основывался его авторитет. Утверждения, которые ранее казались мне ошибочными, теперь предстали в качестве элементов влиятельной и в целом успешной традиции.

Такого рода опыт – когда отдельные части вдруг объединяются по-новому – является первой общей чертой революционного изменения, которую я отмечу после дальнейшего рассмотрения примеров. Хотя научные революции не охватывают многих элементов, основное изменение нельзя воспринять постепенно, шаг за шагом. Оно представляет собой относительно неожиданную и цельную трансформацию, в которой некоторая часть приобретенного опыта организуется иначе и обнаруживает факты, которых не замечали раньше.

Чтобы конкретизировать все эти рассуждения, позвольте рассказать о некоторых деталях моего открытия способа чтения «Физики» Аристотеля, чтобы понимать ее смысл.

Первая иллюстрация многим известна. Когда термин «движение» встречается в физике Аристотеля, он говорит об изменении вообще, а не об изменении положения физического тела. Изменение положения, этот единственный предмет механики Галилея и Ньютона, является одним из подвидов движения для Аристотеля. Другие виды включают в себя рост (превращение желудя в дуб), изменение интенсивности (нагревание железной болванки) и многие другие более общие качественные изменения (переход от болезни к выздоровлению). Таким образом, хотя Аристотель осознает, что различные подвиды не похожи во всех отношениях, базисные характеристики, необходимые для выделения и анализа движения, должны быть применимы к изменениям всех видов. Это не просто метафора, ибо все варианты изменения рассматриваются как подобные друг другу, как образующие отдельное естественное семейство[5].

Вторым, еще более важным, аспектом физики Аристотеля является центральная роль качеств в его концептуальной структуре. Я имею в виду не просто стремление объяснить качества и их изменения, как делают другие физики. Физика Аристотеля переворачивает онтологическую иерархию материи и качества – ту иерархию, которая стала обычной с середины XVII столетия.

В ньютоновской физике тело состоит из частиц материи, и его качества являются следствием их связи, движения и взаимодействия. С другой стороны, в физике Аристотеля материя есть нечто несущественное. Это некий нейтральный субстрат, присутствующий там, где находится тело, то есть в каком-то пространстве или месте. Конкретное тело, субстанция, существующая в каком-то месте нейтрального субстрата, отличается тем, что субстрат, подобно губке, впитывает в себя качества – теплоту, влажность, цвет и т. п. Изменения связаны с изменением качеств, а не материи: одна и та же материя теряет одни качества и приобретает другие. Здесь существуют даже некоторые неявные законы сохранения, которым должны подчиняться качества[6].

Физике Аристотеля присущи и другие общие особенности, причем имеющие большое значение. Однако я буду говорить только об этих двух, ссылаясь на другие лишь по необходимости. Теперь я хочу начать с того, что по мере осознания тех или иных особенностей позиции Аристотеля они начинают подкреплять друг друга и соединяются в некую целостность, обладающую общим и нераздельным смыслом. В моем опыте проникновения в тексты Аристотеля новые куски сразу укладывались в возникшую целостную картину.

Начнем с понятия качественной физики. Когда конкретный объект анализируют, выявляя качества, налагаемые на вездесущую нейтральную материю, то одним из этих качеств оказывается положение объекта или, в терминологии Аристотеля, его место. Таким образом, положение объекта, подобно влажности или сухости, является его качеством, которое изменяется, когда объект движется или его двигают.

Следовательно, для Аристотеля локальное движение (движение tout court в смысле Ньютона) является изменением качества или изменением состояния, а не состоянием самим по себе, как у Ньютона. Однако именно рассмотрение движения как изменения качества позволяет объединить его с остальными видами изменения – например, с превращением желудя в дуб или болезни в здоровье. Это объединение является той стороной физики Аристотеля, с которой я начал, но я мог бы начать и с чего-то другого. Концепция движения как изменения и концепция качественной физики обнаруживают глубокую взаимную зависимость и кажутся почти эквивалентными. Это первый пример слияния разных частей в некое единство.

Как только это становится ясно, и другие стороны аристотелевской физики, которые сами по себе кажутся нелепыми, начинают приобретать смысл. По большей части качественные изменения, в частности в области органической жизни, являются асимметричными, по крайней мере когда предоставлены самим себе. Желудь естественным образом развивается в дуб, но не наоборот. Больной человек часто выздоравливает сам по себе, однако нужен некий внешний агент, или считается, что нужен, для того чтобы он заболел. Единый массив качеств, конечный пункт изменения, представляет собой естественное состояние тела, и само по себе тело остается в этом состоянии.

Такая же асимметрия должна быть присуща локальному движению, то есть изменению положения, и так оно и есть. Качество, которое стремится реализовать камень или другое тяжелое тело, есть его положение в центре универсума; естественное положение огня находится на периферии. Это объясняет, почему камень, если ему не мешают, падает к центру, а огонь стремится к небесам. Они реализуют свои естественные свойства точно так же, как реализует их желудь в процессе роста. Таким образом, становится понятной другая, ранее казавшаяся странной, часть учения Аристотеля.

Можно продолжать в том же духе, постепенно включая отдельные элементы аристотелевской физики в целостную картину. Однако я завершу рассмотрение примера иллюстрацией, а именно учением Аристотеля о пустоте, или вакууме. Оно с особой ясностью показывает, каким образом утверждения, которые сами по себе кажутся произвольными, взаимно подкрепляют друг друга.

Аристотель утверждает, что пустота невозможна. С его точки зрения, понятие пустоты внутренне противоречиво. Теперь должно быть ясно, почему это так. Если положение есть качество, а качества не могут существовать отдельно от материи, то везде, где есть положение, где может находиться тело, должна существовать и материя. Но это значит, что везде в пространстве должна существовать материя: пустота, пространство без материи, становится чем-то вроде круглого квадрата[7].

Это хороший аргумент, однако его предпосылка кажется произвольной. Аристотелю не обязательно истолковывать положение как некое качество. Возможно, это так, но мы уже заметили выше, что эта концепция лежит в основе истолкования им движения как изменения состояния, от нее зависят и другие аспекты его физики. Если бы пустота существовала, то универсум, или космос, Аристотеля не мог быть конечным. Поскольку материя и пространство коэкстенсивны, пространство заканчивается там, где заканчивается материя, и за пределами самой далекой сферы вообще ничего нет – ни пространства, ни материи.

Это учение тоже не кажется необходимым. Однако расширение сферы звезд в бесконечность поставило бы проблемы перед астрономией, поскольку эта сфера вместе со звездами вращалась вокруг Земли.

Другое, еще более важное затруднение возникает еще раньше. В бесконечном универсуме нет центра – любая точка может считаться таким центром, поэтому нет естественного положения, в котором камни и другие тяжелые тела могли бы реализовать свое естественное качество. Иначе говоря, в пустоте тело не могло бы знать, где его естественное место. Именно благодаря контакту со всеми положениями в универсуме через посредство всепроникающей материи тело способно найти путь к тому месту, в котором полностью реализуются его естественные качества. Только наличие материи придает пространству определенную структуру[8].

Таким образом, критика аристотелевского учения о пустоте угрожает и его теории естественного движения, и древней геоцентрической астрономии. Нет способа «исправить» взгляды Аристотеля на пустоту, не перестраивая значительной части всей его физики.

Хотя эти замечания являются упрощенными и неполными, все-таки они в достаточной мере иллюстрируют способ, с помощью которого аристотелева физика структурирует и описывает мир феноменов. Еще важнее, что они указывают, каким образом отдельные части этого описания, соединяясь вместе, образуют интегральную целостность, которая была разрушена и реформирована на пути к построению ньютоновой механики.

Теперь я сразу перейду ко второму примеру и обращусь к началу XIX столетия. 1800 год, помимо прочего, замечателен тем, что в этом году Вольта открыл электрическую батарею. Об этом открытии он сообщил в письме к сэру Джозефу Бэнксу, президенту Королевского общества[9]. Письмо предназначалось для публикации и было снабжено иллюстрацией, воспроизведенной на рис. 1.

Для современного читателя в этом рисунке есть нечто странное, хотя эту странность редко замечают даже историки. Если мы взглянем на так называемые «столбики» (из монет) в нижней части рисунка, то, двигаясь справа и снизу вверх, сначала увидим пластинку из цинка, Z, затем – пластинку из серебра, А, потом – кусочек мокрой промокательной бумаги, затем – вторую пластинку из цинка и так далее. Цикл, состоящий из цинка, серебра и промокательной бумаги, повторяется целое число раз, в оригинале – восемь. Теперь допустим, вам дали взглянуть на эту диаграмму, а затем попросили воспроизвести ее по памяти. Скорее всего тот, кто хотя бы немного знаком с физикой, поместит сначала цинк (или серебро), затем – промокательную бумагу и лишь потом – серебро (или цинк). В электрической батарее, как все мы хорошо знаем, жидкость находится между двумя разными металлами.

Приняв к сведению эту головоломку, начинаешь понимать, что для Вольты и его последователей отдельный элемент состоит из двух металлических пластинок, соединенных вместе. Источником силы является контакт металлов, в котором Вольта обнаружил источник электрического напряжения. Тогда роль жидкости состоит просто в том, чтобы связывать один элемент с другим, не создавая потенциала, способного нейтрализовать первоначальный эффект. Изучая текст Вольты дальше, приходишь к выводу, что свое новое открытие он относил к электростатике. Биметаллическое соединение оказывается конденсатором, или лейденской банкой, которая заряжает саму себя. Тогда столбик из отдельных элементов представляется как ансамбль или «батарея» самозаряжающихся лейденских банок. Вот так термин «батарея» начинает применяться к электричеству. Подтверждением может служить верхняя часть рисунка Вольты, иллюстрирующая структуру, которую он называет «связкой чашек».

Рис. 1

Хотя этот рисунок очень похож на диаграммы в современных элементарных учебниках, здесь опять-таки имеется странность. Почему чашки на двух концах диаграммы содержат только один кусок металла? Почему Вольта включает две половинки элемента? Ответ прежний. Для Вольты чашки являются не элементами, а простыми емкостями для жидкости, связывающей элементы. Сами элементы являются биметаллическими подковообразными прутиками. Незанятые места в крайних чашках мы должны представлять себе как связанные дополнительным прутом. В диаграмме Вольты нет половинок элементов.

Как и в предшествующем примере, такой взгляд на электрическую батарею приводит к разнообразным следствиям. Как показано на рис. 2, например, переход от представлений Вольты к современным сохраняет направление потока. Современное изображение элемента (рис. 2, в) можно получить из диаграммы Вольты (рис. 2, а) посредством перемещения левой пластины по кругу (рис. 2, б). При этом то, что было внутренним потоком, становится внешним, и наоборот. В диаграмме Вольты внешний поток идет от черной пластины к белой, поэтому черная пластина является положительной. В современном изображении и направление потока, и полярность противоположны.

Концептуально гораздо более важным является изменение понимания источника тока. Для Вольты существенным элементом ячейки и источником тока было соприкосновение металлических пластин. Когда ячейка была вывернута и жидкость стала соприкасаться с двумя металлическими пластинами, источником тока стал химический эффект этих взаимодействий.

Когда обе эти точки зрения были сопоставлены, то первая получила известность как контактная теория, а вторая – как химическая теория электрической батареи.

Рис. 2

Это лишь наиболее очевидные следствия электростатического понимания электрической батареи, но имеются и другие. Например, концепция Вольты не замечает концептуальной роли внешней цепи. То, что представляется нам внешней цепью, для Вольты является путем разряда, подобного разряду, который разряжает лейденскую банку. Поэтому ранние рисунки батареи не показывают внешней цепи, если нет стороннего вмешательства, например, электролиза или нагревания проволоки. Не раньше 1840-х годов в книгах по электричеству начинают появляться современные изображения электрических ячеек. На них уже можно видеть либо внешнюю цепь, либо указания на ее присутствие[10] (см. рис. 3 и 4).

Рис. 3

Рис. 4

Наконец, электростатическое истолкование электрической батареи ведет к отличному от современного пониманию электрического сопротивления. В тот период существовала электростатическая концепция сопротивления. Для изоляционного материала данного сечения сопротивление измеряли посредством толщины, которая позволяла ему не разрушаться и оставаться изолятором при данном напряжении. Для проводника определенного сечения сопротивление измеряли посредством той его длины, при которой он не расплавлялся, когда через него пропускали ток.

Сопротивление можно измерять таким способом, но результаты измерения несовместимы с законом Ома. Для получения этих результатов нужно представить электрическую батарею в виде гидродинамической модели. Здесь сопротивление становится похоже на трение протекающей воды о стенки трубы. Включение сюда закона Ома потребовало некумулятивного изменения подобного рода, поэтому для многих людей его принятие оказалось очень трудным. Это дает нам стандартный пример важного открытия, которое первоначально отвергалось или игнорировалось.

На этом я заканчиваю рассмотрение второго примера и перехожу к третьему, более современному и несколько более сложному.

До сих пор идут споры об источниках квантовой теории[11]. Главный предмет обсуждения – работа Макса Планка по проблеме черного тела – работа, ход которой можно представить следующим образом. Сначала Планк решил проблему черного тела в 1900 г., используя классический метод, разработанный австрийским физиком Людвигом Больцманом. Через шесть лет в его выводе была обнаружена небольшая, но принципиальная ошибка, затрагивающая один из важнейших элементов этого вывода. Планк исправил решение, но при этом был вынужден радикально отойти от традиции. В конечном счете этот разрыв с традицией привел к перестройке значительной части физики.

Начнем с Больцмана, который представлял себе газ как совокупность множества крохотных молекул, быстро движущихся в замкнутом сосуде и сталкивающихся друг с другом и со стенками сосуда. Из работ других физиков Больцман знал, какова средняя скорость молекул (точнее, каков в среднем квадрат их скорости). Но многие молекулы двигались, конечно, с меньшей, чем средняя, скоростью, а какие-то из них двигались быстрее. Больцман хотел установить, какая часть молекул двигалась с ½ от средней скорости, какая часть – с 4/3 средней скорости и так далее. Ни сам вопрос, ни ответ, который он нашел, не были открытием. Однако Больцман пришел к ответу новым путем, исходя из теории вероятностей, и этот путь имел фундаментальное значение для Планка.

Для нас здесь важен лишь один аспект метода Больцмана. Он рассматривал общую кинетическую энергию молекул Е. Чтобы использовать теорию вероятностей, он мысленно разделял эту энергию на маленькие кусочки, или элементы, величины г, как показано на рис. 5. Затем воображал случайное распределение молекул среди этих кусочков, вытаскивая пронумерованные бумажки из урны, чтобы установить место каждой молекулы, а потом исключая все распределения с общей энергией, отличной от Е. Например, если первая молекула попадала в последний отрезок (энергия Е), то единственно приемлемым распределением оказывалось бы такое, при котором все другие молекулы попадали в первый отрезок (энергия о).

Ясно, что такое распределение молекул в высшей степени невероятно. Более правдоподобной выглядит ситуация, когда большая часть молекул обладает какой-то энергией, и с помощью теории вероятностей можно обнаружить наиболее вероятное распределение энергии среди молекул. Больцман показал, как это сделать, и его результат совпадал с тем, что было получено ранее им самим и другими физиками.

Рис. 5

Этот способ решения проблемы был изобретен в 1877 г., а через двадцать три года, в конце 1900 г., Макс Планк применил его для решения иной проблемы – проблемы излучения черного тела. С физической точки зрения проблема состояла в том, чтобы объяснить, каким образом изменяется цвет нагретого тела в зависимости от его температуры.

Представьте, например, излучение железной болванки, которая по мере повышения температуры сначала начинает исходить жаром (инфракрасное излучение), потом краснеет и в конце концов становится ослепительно белой. Для анализа ситуации Планк вообразил контейнер, наполненный разного рода излучениями, то есть светом, теплом, радиоволнами и т. п. Вдобавок предположил, что в контейнере имеется некоторое количество «резонаторов» (представляя их в виде тонких электрических камертонов, каждый из которых настроен на излучение одной определенной частоты). Эти резонаторы поглощают энергию из общего потока излучения, и Планк ставит вопрос: как энергия, отбираемая каждым резонатором, зависит от ее частоты? Каково частотное распределение энергии среди резонаторов?

В таком понимании проблема Планка становится очень близкой к проблеме Больцмана, Планк применяет для ее решения вероятностную технику Больцмана. Грубо говоря, использует теорию вероятностей для нахождения пропорций, в которых резонаторы попадают в каждую отдельную ячейку, – точно так, как Больцман находил распределение молекул.