Книга: Мир, полный демонов: Наука — как свеча во тьме
Назад: Глава 22. СВАЛКА СМЫСЛОВ
Дальше: Глава 24. НАУКА И ВЕДОВСТВО[147]
Глава 23.
МАКСВЕЛЛ И БОТАНЫ
А с чего нам субсидировать интеллектуальное любопытство?Рональд Рейган. Предвыборная кампания 1980 г.
Ничто не заслуживает нашего покровительства более, чем развитие науки и литературы. В любой стране знание — самая надежная основа общественного благосостояния.Джордж Вашингтон. Обращение к конгрессу 8 января 1790 г.
Стереотипов везде полно. Стереотипы об этнических группах, о гражданах других стран, представителях иных религий, о тендерных и сексуальных предпочтениях, о людях, рожденных в разные месяцы (зодиакальные гороскопы), и о профессиях. В лучшем случае мы можем отнести это явление на счет интеллектуальной лени: чем судить людей по индивидуальным заслугам и слабостям, проще ухватиться за элементарные сведения и отнести нового человека к одной из заранее определенных не слишком многочисленных категорий.
Грубая несправедливость стереотипа удобна: избавляет от труда думать, а заодно скрывает от недумающего человека огромное разнообразие людей, множество способов и вариантов быть человеком. Даже если стереотип был бы справедлив как среднее статистическое, в индивидуальных случаях он заведомо неверен: вариации в роде человеческом распределяются по колоколообразной кривой. Для каждой характеристики найдется некий средний показатель, но от него в обе стороны разбегаются меньшие числа вплоть до крайних полюсов — и там кто-нибудь найдется.
Порой стереотипы возникают из неумения контролировать переменные: какие-то дополнительные факторы просто не принимаются во внимание. Например, женщины раньше не занимались наукой, и многие ученые (мужчины) делали из этого вывод, что женщина неспособна к ученым занятиям. Наука не соответствует женскому темпераменту, слишком сложна для женских мозгов, эмоциональные дамы не могут соблюдать объективность, да и вообще, можете ли вы назвать хоть одну женщину — выдающегося физика? И так далее. В последние десятилетия барьеры рушатся, женщины приходят практически во все области науки. В моей сфере — астрономии и изучении планет — в последнее время женщины тоже лидируют, совершают открытие за открытием. С их приходом в науку повеяло свежим ветерком — а то воздух давно уже застоялся.
Какие же факторы не брали в расчет все эти ученые знаменитости мужского пола, которые в 1950-1960-х гг. и ранее столь авторитетно провозглашали непригодность женщины для науки? Сперва общество не дает женщинам заниматься наукой, а потом критикует их за то, что они ею не занимаются. Причина и следствие поменялись местами.
Вы хотите стать астрономом, юная леди? Не получится. Почему? Потому что вы не подходите. Откуда известно, что вы не подходите? Но ведь женщин-астрономов не бывает.
В такой формулировке «мужская» позиция звучит абсурдно. Но ведь те же предрассудки можно отстаивать и как-нибудь похитрее. Главное подать свои недостоверные аргументы с таким пылом, с таким презрением к «отверженным», чтобы многие, подчас и сами жертвы, не распознали в этом своекорыстное передергивание.
На любом собрании скептиков, как и в списках членов CSICOP, явно превалируют мужчины. С другой стороны, непропорциональное количество женщин, по-видимому, интересуется астрологией (любой «женский» журнал публикует гороскопы, но их редко увидишь в «мужских»), а также кристаллами, парапсихологией и т. п. Напрашивается вывод, будто скептический подход преимущественно свойственен мужчинам. Тут требуется жесткость, состязательность, готовность к конфронтации — а женщины склонны принимать, соглашаться и не готовы бросить вызов традиционным представлениям. Однако я знаю немало женщин-ученых, отточивших скептический анализ никак не хуже мужчин — это ведь непременный инструмент ученого. Стереотип на самом деле был подан под привычным соусом: если отпугивать женщин от скептического анализа и не тренировать их в этом нелегком деле, конечно же, большинство женщин будет мыслить некритически. Но откройте двери, дайте женщинам войти — и они окажутся скептиками не хуже иных прочих.
Сами ученые тоже подпадают под стереотип: зануды, социально неприспособленные люди, занимаются непонятными вопросами, какими ни один нормальный человек не заинтересуется — даже если бы не пожалел на это времени, но опять-таки у нормального человека на такие глупости времени нет. Жили бы нормальной жизнью — вот что хочется этим ботанам посоветовать.
Я попросил некоего эксперта по одиннадцатилеткам из числа моих знакомых кратко перечислить основные характеристики ботанов. Подчеркиваю: эта моя знакомая лишь излагает, но не разделяет ходячие предрассудки.
«Ботаны затягивают ремень прямо под грудью. В нагрудном кармане рубашки — защитная прокладка, туда они запихивают до ужаса много разноцветных ручек и карандашей. В специальной кобуре на поясе — калькулятор. У них у всех очки с толстыми стеклами, перемычка сломана и склеена пластырем. Общаться не умеют и сами не замечают за собой этого недостатка или не парятся по этому поводу. Не смеются, а ржут. Болтают друг с другом на непонятном жаргоне. Записываются на все факультативы, кроме спорта. Смеются над нормальными людьми, а те плевать на них хотели. Зовут их по большей части Норманами [Ага, а Нормандское завоевание — орда высокоподпоясанных и с калькуляторами на поясах ботанов, вторгшихся в Англию.] Ботанами чаще бывают мальчики, чем девочки, но и девочек тоже хватает. Ботаны не ходят на свидания. Ботаны не бывают клевыми. И клевые не бывают ботанами, само собой».
Разумеется, это стереотип. Некоторые ученые прекрасно одеваются, есть среди них и клевые, и потрясные, о свидании с которыми девушки только мечтают, и далеко не все являются в общество, вооружившись калькуляторами. В иных вы бы ни за что не опознали ученых, принимая их у себя дома.
Но есть и такие ученые, которые более-менее подходят под стереотип. У них действительно проблемы с общением. И вероятно, среди ученых куда больше ботанов, чем среди операторов снегоуборочных машин, дизайнеров модной одежды и инспекторов дорожного транспорта. Возможно, ученые больше похожи на ботанов, чем бармены, хирурги или повара фаст-фуда. Почему? Например, потому, что люди, которым общение дается с трудом, ищут убежища в занятиях, где человеческая составляющая сведена к минимуму, особенно в математике и естественных науках. Ияи же прилежное изучение таких трудных предметов отнимает столько времени, что не остается сил на тонкости этикета. Или тут действуют оба фактора.
Стереотип ботана столь же широко распространен в нашем обществе, как и образ чокнутого ученого, да они и родственны. Чем плохо, что люди немного позубоскалят насчет ученых? А тем, что если кому-то не по душе стереотипный образ ученого, то и науке поддержку не окажут. Зачем помогать этим придуркам в их нелепых, никому непонятных, бессмысленных проектах? Нет, мы-то знаем, зачем: науку нужно финансировать, потому что она приносит неисчислимые блага всем слоям общества. Об этом я уже говорил в предыдущих главах. А значит, у тех, кому противны ботаны, однако желанны плоды науки, возникает проблемка. Напрашивается решение: управлять деятельностью ученых. Не давать им денег на всякие глупости, а определить наши нужды — пусть изобретут то-то и то-то, наладят такой-то процесс. Не будем финансировать любознательность ботанов, направим все средства на благо общества.
Беда в том, что, если скомандовать человеку — иди и сделай такое-то открытие — это едва ли поможет, сколько ни заплати. Может быть, знаний не хватает, наука еще не дошла до того, чтобы создать нужный «обществу» прибор. К тому же история науки показывает, что изобретения редко делаются в лоб. Они рождаются, к примеру, в уме одинокого юноши, праздно мечтающего в захолустье. Порой специалисты пренебрегают ими, отбрасывают, пока не явится новое поколение ученых. Так что поощрять крупные практические изобретения, одновременно давя научную любознательность, — на редкость безнадежное занятие.
* * *
Вообразите себя Викторией, милостью божьей повелительницей Соединенного королевства Великобритании и Ирландии, защитницей веры и прочая и прочая. На дворе — самое славное и богатое столетие Британской империи. Ваши владения простираются по всей земле. Карта мира изобильно окрашена британским красным цветом. Вы стоите во главе самой технологической державы мира. Паровой двигатель доведен до совершенства именно в Британии в основном силами шотландских инженеров: они строят железные дороги и пароходы, соединяя дальние концы империи.
И вот в 1860 г. вам приходит в голову дерзкая мысль, настолько фантастическая, что ее отвергли бы даже издатели Жюля Верна: вы хотите создать аппарат, который разнес бы ваш голос и подвижные картины с изображением славы и красы империи по всем домам королевства. И пусть эти звуки и картины передаются не по трубам или проводам, а как-нибудь по воздуху, чтобы и работники в поле слышали вдохновенные призывы, внушающие им верность трону и трудовую этику. По тем же каналам, разумеется, будет передаваться и слово Божие. Найдутся этому аппарату и другие общественно-полезные применения.
Итак, при поддержке премьер-министра вы созываете кабинет, генеральный штаб и лучших ученых и инженеров империи. Вы готовы вложить миллион фунтов, говорите вы им, — огромные деньги по меркам 1860 г. Нужно больше — только скажите. Неважно, как они добьются этой цели, только бы получилось. И назовем это проект «Вестминстер».
Возможно, из вашей затеи родятся кое-какие полезные открытия — побочный продукт. Так всегда бывает, когда в развитие технологий закачивают большие деньги. Но проект «Вестминстер» как таковой почти наверняка провалится. Почему? Потому что теоретическая наука еще не добралась до такого уровня. К 1860 г. уже существовал телеграф. Если не пожалеть затрат, можно было в каждом доме установить телеграф, чтобы люди расшифровывали тире и точки морзянки. Но ведь королева хотела не этого. Ей подавай радио и телевидение, а до этого еще далеко.
В реальном мире открытия, благодаря которым появятся радио и телевидение, были сделаны в совсем иной области физики — там, где никто не мог бы этого ожидать.
В 1831 г. в столице Шотландии Эдинбурге появился на свет Джеймс Клерк Максвелл. Ему было два года, когда он сообразил: с помощью жестяной тарелки можно поймать солнечный зайчик и направить его на стены или мебель. Родители прибежали на радостный вопль: «Это Солнце! Я поймал его в тарелку!» В детстве его интересовали жуки и червяки, камни, цвета, линзы, механизмы. «Прямо-таки унизительно, когда маленький ребенок задает тебе столько вопросов, на которые ты не можешь ответить», — вспоминала его тетя Джейн.
К тому времени, как Максвелл пошел в школу, он успел заработать прозвище Идиот и со стороны действительно могло показаться, будто у него не все дома. На редкость красивый молодой человек одевался кое-как, заботясь лишь об удобстве, а не о моде. Смеялись, особенно в колледже, и над его провинциальными шотландскими ухватками, речью и поведением. Да и наклонности у юноши были странные.
Самый настоящий ботан.
С учителями он ладил не больше, чем со сверстниками. В школе Максвелл написал прочувствованные строки:
Катитесь, годы, поспешай к нам, время,
Когда детей пороть сочтут за преступленье.
Много лет спустя, в 1872 г., в торжественной речи при вступлении на кафедру экспериментальной физики Кембриджского университета Максвелл затронул стереотип ботана:
Не так давно всякий человек, увлекавшийся геометрией или любой другой наукой, требующей прилежания, считался заведомым мизантропом, позабывшим, конечно же, обо всем человеческом и предавшимся интересам столь далеким от деятельной жизни, что он сделался нечувствителен и к приманкам удовольствия, и к требованиям долга.
Подозреваю, что «не так давно» относится к собственным переживаниям Максвелла. И далее он сказал:
В наше время на людей науки уже не смотрят с прежним страхом и подозрением. Они сделались союзниками духа эпохи, они — своего рода передовая партия радикалов среди образованных.
Что до нашего времени, оптимизм по поводу благодеяний науки и техники поугас. Мы видели и обратную их сторону. Сейчас ситуация больше похожа на ту, о которой вспоминал Максвелл, — ту, что была в пору его детства.
Максвелл внес огромный вклад в физику и астрономию. Он окончательно доказал, что кольца Юпитера состоят из мельчайших частиц, обнаружил упругость твердых тел, разработал теорию движения газов и статистическую механику. Он первым доказал, что огромное количество крошечных молекул, которые двигаются независимо и сталкиваются друг с другом, не порождают хаос, но подчиняются точным статистическим законам. Свойства газа, состоящего из таких частиц, можно предсказать и описать. (Колоколообразная кривая, отражающая скорости молекул газа, названа именами Максвелла и Больцмана.) Изобрел Максвелл и мифическое существо — «демона Максвелла», чьи действия приводят к парадоксу, подвластному лишь современной теории информации и квантовой механике.
Природа света оставалась тайной со времен античности. Не утихали ожесточенные споры, состоит ли свет из частиц или волн. Широкая публика доходила в пародиях на эти споры до лозунга: «Свет — это вспыхнувшая тьма». Главным вкладом Максвелла в науку стало открытие, что электрические и магнитные силы совместно порождают свет. Привычное ныне понимание электромагнитного спектра волн — от гамма-лучей до рентгеновских, от ультрафиолетового до видимого света, от инфракрасного до радиоволн — заслуга Максвелла. И в конечном счете его заслуга — радио, телевидение и радар.
Но Максвелл вовсе не гнался за этими открытиями. Он хотел разобраться, каким образом электричество порождает магнетизм, а магнетизм — электричество. Я хотел бы разъяснить тут, что именно сделал Максвелл, но его исторические заслуги заключены в математические формулы, и на этих страницах я могу передать разве что вкус этих открытий. Если не вполне поймете, вы уж меня извините. Нам никак не понять работу Максвелла без капельки математики.
Месмер, изобретатель «месмеризма», верил, что ему удалось обнаружить магнитное излучение, «нечто подобное электрическому излучению» и пронизывающему все. Он и в этом ошибался: теперь нам известно, что особого магнитного излучения не существует, и всякий магнетизм, в том числе сила, заключенная в полосе или подкове магнита, порождается движением электричества. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед провел небольшой эксперимент: пропустил электрический ток по проволоке, и в находившемся рядом с проволокой магните задергалась, затанцевала игла. (Проволока и компас не соприкасались.) Великий английский физик Майкл Фарадей провел дополнительный опыт: включая и выключая магнитное поле, вызывал в проволоке электрический ток. Переменный электрический ток каким-то образом выходил за пределы проволоки и порождал магнитное поле, а переменное магнитное поле каким-то образом выходило за пределы магнита и порождало электричество. Это явление назвали «индукцией». Оно казалось таинственным, чуть ли не волшебным.
Фарадей высказал предположение, что магнит обладает невидимым силовым «полем», которое распространяется в пространстве вокруг магнита, и действует сильнее возле магнита, а в отдалении от него ослабевает. Форму поля можно проследить, насыпав на лист бумаги железные опилки и проведя под листом магнитом. Также и наши волосы после основательного расчесывания в засушливый день порождают электрическое поле, незримо окружающее голову и способное даже притягивать клочки бумаги.
Теперь мы знаем, что электричество в проволоке — это движение микроскопических частиц, электронов, на которые воздействует электрическое поле. Провод изготавливают из меди или материала с похожими свойствами, в котором много свободных, подвижных электронов. Большинство материалов, в отличие от проволоки, не являются хорошими проводниками — это изоляторы, «диэлектрики». В них мало свободных электронов, которые могли бы прийти в движение под действием электрического или магнитного поля, т. е. по ним не проходит ток. Разумеется, даже в этих материалах какое-то движение, «смещение» электронов наблюдается, и чем сильнее электрическое поле, тем заметнее такое движение.
Максвелл изобрел способ записать все то, что его современники выяснили об электричестве и магнетизме, подвести итоги всех этих экспериментов с проводами, электрическим током и магнитами. Вот они, четыре уравнения Максвелла, описывающие поведение электрических и магнитных сил:
Чтобы вникнуть в эти уравнения, потребуется несколько лет изучать физику на университетском уровне. Они выстроены с помощью особой разновидности математики — векторного исчисления. Вектор — величина, обладающая не только размерностью, но и направлением. 100 км/ч — не векторная величина, а 100 км/ч на север по шоссе номер 1 — векторная. Е и В в этих уравнениях обозначают электрическое и магнитное поле. Треугольник набла (он так назван из-за сходства с древней финикийской арфой) обозначает колебания электрического или магнитного поля в трехмерном пространстве. После набла указываются скалярное и векторное произведение — две разновидности пространственных вариаций поля.
Е и В обозначают вариации во времени — скорость изменений электрического и магнитного поля, a j — электрический ток. Строчная греческая буква ρ (ро) обозначает плотность электрических зарядов, а ε0 («эпсилон нулевое») и μ0 («мю нулевое») представляют собой не переменные, а свойства тех веществ, для которых замеряются Е и В в ходе эксперимента. В вакууме ε0 и μ0 являются константами.
Поразительно, какими простыми оказались эти уравнения, хотя в них и задействовано такое множество величин! Казалось бы, они должны занять множество страниц, но они все уместились в несколько строк.
Первое из четырех уравнений Максвелла показывает, как электрическое поле меняется в зависимости от электрических зарядов (электронов) и расстояния (чем дальше от источника поля, тем оно слабее, но чем выше плотность заряда — грубо говоря, чем больше на данном участке пространства электронов, — тем сильнее поле).
Второе уравнение демонстрирует, что для магнитного поля аналогичной зависимости нет, поскольку магнитных «зарядов», выдуманных Месмером (они же магнетические «монополии»), попросту не существует: распилите пополам магнит, и вы не отделите «южный полюс» от «северного», а получите два магнита, каждый с двумя полюсами.
Третье уравнение показывает, как переменное магнитное поле порождает электрическое поле.
Четвертое уравнение описывает обратную ситуацию — как переменное электрическое поле или электрический ток порождают магнитное поле.
Эти четыре уравнения — плод лабораторных исследований нескольких поколений ученых, преимущественно французских и британских. То, что я тут невнятно пытался передать на качественном уровне, уравнения передают четко и в цифрах.
А затем Максвелл задался неожиданным вопросом: как бы эти уравнения выглядели в пустом пространстве, в вакууме — там, где нет электрических зарядов и тока? Казалось бы, в вакууме не будет и электрического или магнитного поля, но Максвелл предположил, что в пустоте уравнения, описывающие магнитное и электрическое поле, будут выглядеть так:
Ученый приравнял ρ к нулю, обозначив, таким образом, отсутствие электрических зарядов. Он также приравнял к нулю j, указав на отсутствие электрического тока. Но он не стал сбрасывать со счетов последний элемент четвертого уравнения — (μ0ε0Ė— едва заметный ток (ток смещения) в изоляторах.
Почему? Как видно из уравнений, Максвелл интуитивно сохранял симметрию магнитного и электрического полей. Он предполагал, что даже в вакууме, там, где вовсе нет материи и электричества, все же переменное магнитное поле порождает электрическое поле, а то — магнитное. В этих уравнениях отразилась Природа, а Максвелл верил в красоту и изящество Природы. (Впрочем, для сохранения в вакууме тока смещения имелись и другие, технические резоны, о которых мы тут умолчим.) Формулы ботана, отчасти руководствовавшегося физикой, отчасти эстетическими соображениями, эти цифры и буквы, понятные в ту пору лишь нескольким таким же умникам, оказали на нашу цивилизацию куда большее влияние, чем десяток президентов и премьер-министров, вместе взятых.
Если кратко, применительно к вакууму четыре уравнения Максвелла гласят: 1) в вакууме нет электрических зарядов; 2) в вакууме нет магнетических монополий; 3) переменное магнитное поле порождает электрическое и 4) переменное электрическое поле в свою очередь порождает магнитное.
Вооружившись такими уравнениями, Максвелл мог доказать, что Е и В распространяются в пустом пространстве как волны. Более того, он сумел подсчитать скорость движения волны: единица, деленная на корень квадратный ε0 и μ0. Величины ε0 и μ0 уже были замерены в лаборатории и, подставив числа, ученые убедились, что электрическое и магнитное поля распространяются в вакууме с известной им скоростью света. Совпадение настолько точное, что случайным его никак не сочтешь. Внезапно электричество и магнетизм оказались одной природы со светом!
Поскольку обнаружилось, что свет ведет себя как волны и порождается электрическими и магнитными полями, Максвелл назвал его электромагнитным излучением. Странные эксперименты с проволоками и батарейками, проводившиеся где-то в лабораториях, оказывается, объясняли и яркое сияние Солнца, и то, как мы видим, и сам свет. Много лет спустя, вспоминая открытия Максвелла, Альберт Эйнштейн писал: «Мало кто из людей мог провести подобный опыт».
Сам Максвелл был озадачен полученным результатом. Вакуум вел себя как диэлектрик и мог «электрически поляризоваться». Живя в век механики, Максвелл считал обязательным представить распространение электромагнитных волн в вакууме в виде механической модели. Он воображал космос, наполненный таинственной субстанцией — эфиром, который поддерживает переменные электрические и магнитные поля. Эдакое невидимое, пульсирующее желе, расползшееся по Вселенной. Колебания эфира позволяют проходить сквозь него свету, подобно тому, как волны проходят по воде, а звуковые волны — сквозь воздух.
Очень странная это материя — эфир. Тонкая, разреженная, почти что нематериальная. Солнце и Луна, планеты и звезды проходят через эфир, не задерживаясь, не замечая его. И в то же время он достаточно плотен, чтобы поддерживать и распространять на огромной скорости волны.
Слово «эфир» и поныне не вышло из употребления. Существует прилагательное «эфирный» — воздушный, не от мира сего. Есть у него в английском языке и более страшный смысл — «обдолбанный», «под наркотиком». Зато в русском языке сохранилось выражение «в эфире», т. е. по радио. Ведь радиоволны, как доказал Максвелл, проходят через вакуум — через эфир. Воздух им только мешает.
Концепция эфира, в котором распространяются волны света и частицы материи, через 40 лет породила специальную теорию относительности Эйнштейна, E = mc2, и привела к другим ценным открытиям. Эксперименты, приуготовившие теорию относительности, убедительно опровергли идею эфира — среды, в которой распространяются электромагнитные волны (об этом Эйнштейн писал в знаменитой статье, отрывок из которой я привожу в главе 2). Волны распространяются сами по себе. Переменное электрическое поле порождает магнитное поле, переменное магнитное поле порождает электрическое. Так и поддерживают друг друга — в пустоте.
Многих физиков отмена «светоносного» эфира повергла в панику. Им требовалась какая-то механическая модель, чтобы объяснить, приблизить к пониманию, рационализировать эту странную мысль — распространение световых волн в вакууме. Эфир служил подпоркой, помогая осваивать области, где привычный нам здравый смысл перестает действовать. Вот как пишет об этом физик Ричард Фейнман:
Ныне мы яснее понимаем, что важны сами уравнения, а не положенная в их основу модель. Мы вправе задавать один лишь вопрос: верны эти уравнения или нет. Ответ нам дают эксперименты, а уравнения Максвелла подтверждены бесчисленными экспериментами. Даже убрав леса, которые понадобились Максвеллу, чтобы выстроить это здание, мы убедимся, что дивная постройка вполне способна стоять сама по себе.
Но что же такое эти переменные магнитные и электрические поля, охватывающие все пространство? Что значат эти Е и В? Нам куда ближе представление о вещах, соприкасающихся, толкающихся, тянущих друг друга, чем о каких-то полях, которые будто по волшебству двигают предметы на расстоянии, и уж вовсе чужды обычному разумению математические абстракции. Фейнман, однако, напоминает: бытовое восприятие «солидных физических реалий» — берешь, скажем, кухонный нож в руку и держишь — с физической точки зрения ошибочно. Что мы подразумеваем под физическим контактом? Что на самом деле происходит, когда берешь в руки нож, толкаешь качели, давишь на водяной матрас, и по нему пробегают волны? Глубинное исследование показывает, что физического контакта в привычном смысле слова нет: электрические заряды в руке влияют на электрические заряды рукояти ножа, качелей, водяного матраса, и это влияние взаимно. Вопреки повседневному опыту и здравому смыслу даже тут речь идет исключительно о взаимодействии электрических полей. Напрямую ничто ни с чем не соприкасается.
Никто из ученых не пускается в свой нелегкий путь, одержимый страстью побороть здравый смысл и заменить его какими-нибудь математическими абстракциями, понятными лишь парочке теоретиков. Нет, ученые люди, как и все, начинают со стандартных, подсказанных здравым смыслом и удобных представлений. Вот только природа не желает подстраиваться под наше удобство. И как только мы перестаем требовать, чтобы природа вела себя как полагается, а вместо этого с открытым и непредвзятым разумом всмотримся в природу, выяснится, что наш «здравый смысл» тут неприменим. Почему? Потому что наши представления о природе — и унаследованные, и благоприобретенные — складывались в те миллионы лет, когда наши предки были собирателями и охотниками. Они могли положиться на здравый смысл, ибо жизнь собирателей и охотников никак не зависит от теории переменных электрических и магнитных полей. За незнание уравнений Максвелла эволюция наказаний не предусматривала. В наше время все обстоит по-другому.
Уравнения Максвелла показывают, что быстро меняющееся электрическое поле (большое Е) порождает электромагнитные волны. В 1888 г. немецкий физик Генрих Герц провел эксперимент и обнаружил новый вид излучения — радиоволны. Семь лет спустя кембриджским ученым удалось передать радиосигнал за километр. В 1901 г. итальянец Маркони уже общался с помощью радиоволн с другим берегом Атлантического океана.
Экономическими, культурными, политическими связями, которые пронизывают весь современный мир, от радиовышки к радиовышке, а также радиорелейными линиями и спутниками связи мы обязаны гениальному решению Максвелла: включить в уравнения для вакуума ток смещения. Отсюда же родом и телевидение, с его не всегда удачными наставлениями и развлечениями, и радар, сыгравший решающую роль в Битве за Британию и в конечном поражении нацистов (тот мальчик-ботан, не вписывавшийся в свою среду, дотянулся в будущее и спас потомков своих насмешливых одноклассников). Отсюда же — навигационная система самолетов, кораблей и ракет, радиоастрономия и поиски внеземного разума, всевозможные применения электричества, микроэлектроника.
Более того, разработанная Фарадеем и Максвеллом теория поля оказала огромное влияние на концепцию атомного ядра, на квантовую механику и представление о тонкой структуре материи. Объединив электричество, магнетизм и свет во взаимосвязанных математических уравнениях, Максвелл вдохновил физиков на дальнейшие поиски единства физического мира в целом. Отчасти эти усилия объединить все силы, в том числе гравитацию и ядерные взаимодействия, оказались успешными, отчасти еще только начинаются. Максвелла с полным правом можно именовать родоначальником физики новой эры.
Современные представления о безмолвном мире, где работают просчитанные Максвеллом вектора переменного электрического и магнитного поля, Ричард Фейнман подытоживает в следующих словах:
Попытаемся вообразить, как выглядят электрическое и магнитное поле в данный момент, в пространстве этого лекционного зала. Прежде всего, здесь действует постоянное магнитное поле, происходящее от потоков внутри Земли. Это постоянное магнитное поле Земли. Далее нерегулярные, почти статичные электрические поля, порождаемые трением людей о сидения, соприкосновением рукавов с подлокотниками кресел.Другие магнитные поля возникают из-за колеблющихся токов в электропроводке. Эти поля изменяются с частотой 60 циклов в секунду синхронно с генератором на электростанции на плотине Гувера. Интереснее электрические и магнитные поля, меняющиеся с гораздо большей частотой. Например, пока луч света проходит от окна до пола и от стены к стене, на его пути возникают крошечные электрические и магнитные поля, движущиеся со скоростью 300 000 км/с. Существует также инфракрасное излучение — от теплых тел к холодной доске. И не будем забывать ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и радиоволны — все они проходят сквозь эту комнату.Через помещение проходят электромагнитные волны, несущие музыку джаз-банда. Другие волны, модулируемые цепочкой импульсов, передают картины событий, которые происходят в других частях света, или демонстрируют, как воображаемая таблетка аспирина растворяется в воображаемом желудке. Чтобы доказать реальность этих волн, всего-то и требуется — включить электронное оборудование, которое превратит их в картины и звуки.
Если мы углубимся в детали, пытаясь анализировать малейшие колебания, то вспомним и о малюсеньких электромагнитных волнах, которые доносятся к нам с огромного расстояния. Сейчас тут имеются, например, маленькие всплески, гребни которых разделены десятками сантиметров, а явились они, преодолев миллионы километров, с борта космического корабля «Маринер», который только что прошел мимо Венеры. Эти сигналы передают информацию о планетах (информацию, которая, в свою очередь, получена из электромагнитных волн, движущихся от планет к космическому кораблю).
И есть совсем незаметные электрические и магнитные поля, порожденные волнами, которые возникли миллиарды лет тому назад в дальних галактиках, в неведомых уголках Вселенной. Мы установили это, «заполнив пространство прослушкой» — построив антенны величиной с этот зал. С их помощью были обнаружены радиоволны из тех районов Вселенной, которые недоступны для крупнейшего оптического телескопа.
Да и функция оптических телескопов сводится все к тому же улавливанию электромагнитных волн. «Звезды» — экстраполяция той единственной физической реальности, с который мы соприкасаемся: мы вычисляем их, тщательно изучая сложнейшие колебания электрических и магнитных полей, достигающих Земли.
И список можно продолжить: поля, порожденные ударившей в десятках километров от нас молнией, поля заряженных космических частиц, проносящихся через комнату, и многое, многое другое. Какая сложная штука — окружающее нас электрическое поле!
Если бы королева Виктория созвала своих советников и министров и распорядилась срочно изобрести радио и телевидение, едва ли кто-нибудь из них мог бы предугадать, какой путь поведет от открытий Ампера, Био, Эрстеда и Фарадея, четырех векторных уравнений и решения сохранить ток замещения в вакууме. Полагаю, в 1860 г. проект «Вестминстер» не осуществился бы. А тем временем, сам по себе, руководствуясь лишь любопытством и почти ни гроша не стоя властям, ботан набрасывал свои формулы и даже не догадывался, к какому технологическому прорыву они приведут. Застенчивый, не умеющий вести себя в обществе мистер Максвелл вряд ли замахнулся бы на «общественно полезные» изобретения, а решись он, правительство разъяснило бы ему, над чем следует работать, а над чем не стоит, и не помогло бы его исследованиям, а сорвало бы их.
Но под конец жизни Максвелл и впрямь удостоился аудиенции у королевы Виктории.
Он готовился к этой встрече с большим волнением, прикидывал, как объяснить научные загадки непосвященному, но королева не слишком-то заинтересовалась, и аудиенция вскоре закончилась. Максвелл так и не удостоился рыцарского звания, как и четверо других его великих современников — Майкл Фарадей, Чарльз Дарвин, Поль Дирак и Фрэнсис Крик. Лайелю Кельвину, Дж. Дж. Томсону, Резерфорду, Эддингтону и Хойлу в этом отношении повезло больше. Максвелла нельзя было даже упрекнуть в разногласиях с Англиканской церковью: он был полностью привержен тогдашнему традиционному христианству, многих даже превосходил набожностью. Наверное, все дело в том, что он — ботан.
Средства массовой информации, эти орудия просвещения и развлечения, которые обязаны Джеймсу Клерку Максвеллу своим существованием, ни разу, насколько мне известно, не запустили даже минисериала, посвященного жизни и деятельности их благодетеля. А попробуйте-ка вырасти в Америке и ничего не узнать о жизни и делах Дэви Крокетта, Билли Кида или Аль Капоне!
Максвелл рано женился, но в этом браке не было детей, вероятно, и любви особой не было: вся страсть Максвелла сосредотачивалась на ученых занятиях. Этот пророк новой эпохи скончался в 1879 г., не дожив до 47 лет. Популярная культура почти забыла его имя, но его увековечили астрономы, с помощью радара открывающие иные миры: его именем названа высочайшая горная цепь на Венере. Обнаружили ее, посылая с Земли радиоволны, которые отражаются от Венеры и порождают еле слышное эхо.
* * *
Не прошло и ста лет с тех пор, как Максвелл предсказал существование радиоволн, а мы уже начали поиск радиосигналов от инопланетных цивилизаций. С тех пор мы провели немало поисков (кое о каких я уже рассказывал) в надежде обнаружить переменные электрические и магнитные поля, преодолевающие огромные межзвездные пространства. Их могли бы посылать разумные существа, которые совершенно не похожи на нас внешне и биологически, но и в их истории случился свой Джеймс Клерк Максвелл.
В октябре 1992 г. в пустыне Мохаве и в Пуэрториканской карстовой долине начались многообещающие, упорные, всеохватывающие поиски внеземного разума (проект SETI). Впервые такая программа организована и осуществляется NASA. В течение десяти лет предстояло изучить весь небосвод: небывалая доныне плотность проверки и чувствительность приборов. Если хоть с одной планеты, вращающейся вокруг любой из 400 млрд. звезд галактики Млечного пути, кто-нибудь посылает нам радиосигнал, у нас появился шанс услышать этот голос.
Но не прошло и года, как конгресс прекратил финансирование. Проект SETI — не первоочередной важности, не так уж интересен, а денег съедает много. Но ведь каждая цивилизация в человеческой истории жертвовала часть своих ресурсов на разгадку величайших тайн Вселенной, и трудно вообразить более существенную тайну, чем вопрос, одиноки ли мы во Вселенной. Подобный сигнал — даже если мы никогда не сможем расшифровать его содержание — раз и навсегда изменит наши представления о Вселенной и о самих себе. А уж если бы мы смогли разобрать послание технологически продвинутой цивилизации, то и практическую пользу получили бы неизмеримую. Проект SETI вовсе не был узкоспециальной программой, он пользовался поддержкой и научного сообщества, и популярной культуры. Все были, по вполне понятным причинам, заинтересованы, очарованы этим поиском. И не такая уж дорогая это затея — достаточно сократиться на один военный вертолет в год.
Если уж члены конгресса переживают за бюджет, почему бы им не присмотреться к Министерству обороны: Советский Союз канул в вечность, холодная война закончилась, а на оборону все еще уходит, с учетом всех статей, свыше $300 млрд. в год. (И немало других программ способствуют обогащению тех же отраслей, которые и без того не бедствуют.) Вполне возможно, потомки, оглядываясь на наши времена, удивятся этой нелепости: технологии позволяют нам найти другие цивилизации, а мы остаемся глухими и слепыми, потому что вбухиваем все средства в системы защиты от уже несуществующего противника.
Дэвид Гудстейн, физик из Калифорнийского технологического, пришел к интересному выводу: веками научное знание распространялось по экспоненте, и в дальнейшем такое развитие невозможно, иначе все жители планеты превратятся в ученых, а тогда уж точно рост остановится. Дэвид считает, что именно по этой причине, а не в силу какого-то фундаментального отвращения к науке, в последние десятилетия рост ее финансирования ощутимо замедлился.
Но меня беспокоит также и распределение финансирования. Отказ от SETI вполне может оказаться тревожным симптомом общей тенденции. Правительство и раньше побуждало Национальный научный фонд заняться поддержкой технологий, инженерного дела, практического применения науки вместо фундаментальных исследований. Конгресс предлагал покончить со всеамериканскими геологическими изысканиями, урезать финансовую помощь тем, кто изучает хрупкую экологию Земли. Помощь NASA в новых исследованиях и анализе уже полученных данных все более сокращается. Молодые ученые не то что не получают грантов — они уже и работу найти не могут.
Замедлились в последние годы и промышленные исследования за счет американских корпораций. В тот же период и правительство решило сэкономить за счет исследований и внедрения открытий (в 1980-е гг. растут только расходы на военную науку и технику). Первое место по ежегодным расходам на гражданскую науку и развитие технологий ныне занимает Япония. В таких сферах, как компьютеры, телекоммуникации, освоение воздушного пространства, роботехника и научная аппаратура, США теряют свою долю экспорта, а японцы наращивают. Одновременно США проиграли состязание с Японией по большинству полупроводниковых технологий, сократился наш сегмент рынка цветных телевизоров и видеомагнитофонов, фонографов, телефонных аппаратов, станков.
Фундаментальное исследование предполагает возможность удовлетворить любознательность ученых, свободно вопрошать природу и не спешить с осуществлением конкретной практической цели, но искать знание ради знания. Разумеется, ученым именно этого и хочется. Это их любимое занятие, ради такой свободы следовать за своим «нюхом» многие и идут в науку. Однако поддержать такие исследования — в интересах общества. На этом пути совершаются крупнейшие открытия во благо всего человечества. Стоит задуматься, не окажутся ли несколько крупных, амбициозных научных программ более выгодным вложением, чем множество локальных.
Нам редко удаются умышленные открытия, полезные для экономики или повышающие безопасность человеческого существования. Зачастую для таких открытий как раз и не хватает фундаментальных знаний. Зато если мы занимаемся разнообразными исследованиями природы, тут-то и находятся всевозможные практические применения, о каких мы и не мечтали. Не всегда, разумеется, но достаточно часто.
Давать деньги человеку вроде Максвелла — с виду глупо, это значило бы поощрять «праздное любопытство» науки. Практически мыслящие законодатели такого не одобрят. Расточать национальные средства на гранты, чтобы эти ботаны с их никому непонятным сленгом предавались любимым хобби, а тем временем важнейшие государственные задачи останутся нерешенными?! В такой перспективе понятно, почему некоторые считают ученых еще одной группой давления, лобби, которое хочет одного: побольше грантов, чтобы умникам не пришлось тяжко трудиться или искать средства на пропитание.
Максвелл и думать не думал о радио, радаре и телевидении, когда набрасывал фундаментальные уравнения электромагнетизма; Ньютон и не мечтал о космических полетах или спутниках связи, когда всматривался в движение Луны; Рентген исследовал таинственное излучение — настолько странное, что он именовал его Х-лучами, — не держа в уме возможности медицинской диагностики; Кюри не искала способ лечения рака, когда по крупицам добывала радий из урановой руды; Флеминг, едва завидев, что на плесени не размножаются бактерии, не сообразил сходу, что теперь-то он спасет миллионы жизней антибиотиками; Уотсон и Крик не рассчитывали разобраться с генетическими недугами, когда ломали себе голову над рентгеновской дифрактометрией ДНК; Роуленд и Молина, когда начали изучать роль галогенов в фотохимии стратосферы, не знали, что придут к выводу: фреон губит озоновый слой.
Члены конгресса и другие политические лидеры время от времени прямо-таки не могут удержаться и не пошутить насчет диковинных научных фантазий, на которые у правительства еще и денег просят. Даже такой умный сенатор, как Уильям Проксмайр, выпускник Гарварда, учредил премию «Золотое руно» и награждал ею те научные проекты, которые считал напрасной тратой денег, — этой участи не избежал и проект SETI. Перенести бы такой подход на другие времена, другие страны: «Золотое руно» мистеру Флемингу — додумался же изучать плесень на вонючем сыре. И той польке, которая перекопала тонны руды из Центральной Африки в поисках вещества, светящегося в темноте. Не забудем и мистера Кеплера — он вслушивается в гармонию сфер.
Подобные открытия и множество других, облагодетельствовавших нашу эпоху, — да некоторым из них мы просто жизнью обязаны! — были сделаны учеными, которым предоставили возможность исследовать фундаментальные проблемы Вселенной или то, что казалось наиважнейшим самим исследователям и их коллегам. Япония в последние два десятилетия находит великолепное применение — но чему? Выводам из все тех же фундаментальных исследований, попыткам проникнуть в самую суть природы. Так мы приобретаем новое знание — и лишь потом ему находится практическое применение.
Со своей стороны, ученые обязаны, особенно когда запрашивают большие суммы, ясно и честно объяснить, за каким знанием они гонятся. Суперпроводящий суперколлайдер (SSC) стал бы главным на Земле прибором для исследования тонкой структуры вещества и состояния ранней Вселенной. По оценкам, на него требовалось затратить от $10 млрд. до $15 млрд. Израсходовав $2 млрд., конгресс в 1993 г. прикрыл проект. Ни нашим ни вашим. Но в данном случае, как я полагаю, зловещую роль сыграл не упадок интереса к науке. Просто вряд ли кто в конгрессе понимал, зачем нужны высокоскоростные коллайдеры. В качестве оружия не годятся. Вообще никакой практической пользы нет. Коллайдер мог бы способствовать поискам чего-то с довольно-таки пугающим названием «теории всего». В этой теории задействованы кварки, шарм, аромат, звук, цвет — физики разнежились? Конгрессмены, с которыми мне довелось беседовать, выражались и похлеще: разгулялись ботаны. Не слишком любезное обозначение науки, служащей любознательности. Никто из тех, кто должен был отрядить на эту затею деньги, не знал, что такое бозон Хиггса. Я читал обращения в защиту SSC — нет, неплохие, только нигде не объясняется, зачем все это нужно, не объясняется на уровне, доступном умным скептикам, которые не изучали физику. Раз уж физики решились просить $10-15 млрд. на прибор, от которого не видать практической пользы, то пусть хотя бы подкрепят свои требования яркими иллюстрациями, образами, а еще вернее — внятными словами. Думаю, что провал данного проекта в первую очередь был связан именно с такого рода ошибкой, а финансовые просчеты, урезание бюджета, неумение вести интригу — это все вторично.
Утверждается рыночный подход к знаниям: пусть-ка научные учреждения безо всякой государственной поддержки состязаются со всеми другими претендентами, какие имеются в социуме. Но те первопроходцы, имена которых я перечислял, едва ли совершили бы свои великие открытия, если бы правительство отказало им в поддержке и обрекло на конкуренцию в условиях тогдашнего рынка. К тому же и стоимость фундаментальных исследований со времен Максвелла существенно возросла — и расходы на теоретическую часть, и в особенности на эксперименты.
Да в состоянии ли свободный рынок финансировать фундаментальные исследования? В фармацевтике сегодня хватает фондов лишь на 10% достойных предложений. Шарлатанам достается больше средств, чем уходит на все медицинские исследования вместе взятые. И что будет, если государство откажется от финансирования?
Фундаментальное исследование заведомо отличается тем, что применить его результаты удастся лишь в отдаленном будущем — спустя десятилетия, а то и века. И заранее предсказать, от какого исследования будет большая выгода, а от какого нет, невозможно. Если уж ученые этого определить не могут, чего требовать от политиков и промышленников? Поскольку интерес свободного рынка преимущественно сосредоточен на сиюминутной выгоде — а в США это безусловно так, и исследования за счет корпораций неуклонно идут на убыль, — то предложение отправляться на рынок равносильно отказу от фундаментальной науки.
Выгадать на фундаментальной науке — науке во имя любознательности — все равно что съесть семенной фонд. Да, ближайшая зима будет сытной, но что же мы будем сеять весной? Как мы и наши дети продержимся следующей зимой и все будущие зимы?
Конечно, и у нашей страны, и у всего человечества имеются неотложные проблемы. Но если сократить фундаментальные исследования — от этого проблемы легче не станут. Ученые не составляют значительную часть электората и напористого лобби не имеют, однако большую часть работы они выполняют в общих интересах. Отречься от фундаментальной науки — значит проявить недостаток мужества, недостаток воображения и той особой интуиции, шестого чувства, которым мы еще не научились толком распоряжаться. Инопланетяне — если они тут поблизости — удивятся нашему решению не заглядывать в будущее.
Никто не спорит: без начального и полного образования, здравоохранения, охраны труда, обороны, защиты окружающей среды, пенсий по возрасту, сбалансированного бюджета нам тоже не выжить. Но мы — страна не из бедных. Неужели нам не по карману собственные Максвеллы? Неужели — это всего лишь один символический пример — мы израсходуем семенной фонд, откажемся ради одного лишнего бомбардировщика в год от возможности услышать звезды?
Назад: Глава 22. СВАЛКА СМЫСЛОВ
Дальше: Глава 24. НАУКА И ВЕДОВСТВО[147]
