Никогда не делайте вывод, каким бы «очевидным» он ни был, не проведя сначала эксперимент.
Мы все любим наши самые заветные идеи о том, как устроен мир и Вселенная. Наше представление о реальности часто неразрывно связано с нашими представлениями о том, кто мы есть. Но быть ученым - значит быть готовым сомневаться во всем этом каждый раз, когда мы проверяем это. Все, что требуется, - это одно наблюдение, измерение или эксперимент, которые противоречат предсказаниям вашей теории, и вы должны рассмотреть вопрос о пересмотре или отбрасывании вашей картины реальности. Если вы сможете воспроизвести этот научный тест и убедительно показать, что он несовместим с господствующей теорией, вы подготовили почву для научной революции. Но если вы не хотите проверить свою теорию или предположение, вы можете просто совершить величайшую ошибку в истории физики.
В человеческой природе есть герои: люди, на которых мы равняемся, которыми восхищаемся и на которых стремимся быть похожими. В физике величайшим героем на протяжении многих веков был Исаак Ньютон. Ньютон представлял собой вершину научных достижений человечества. Его теория всемирного тяготения безошибочно описывала все, от движения комет, планет и лун до того, как предметы падали на Землю на протяжении столетий. Его описание того, как двигались объекты, включая его законы движения и то, как на них влияли силы и ускорения, остается верным почти при любых обстоятельствах даже сегодня. Бросать вызов Ньютону было глупой затеей.
Поэтому в начале 19 века молодой французский ученый Огюстен-Жан Френель должен был ожидать неприятностей, в которые он собирался попасть.
Хотя сегодня она не так известна, как его работы по механике или гравитации, Ньютон также был одним из пионеров в объяснении того, как работает свет. Он объяснил отражение и преломление, поглощение и передачу и даже то, как белый свет состоит из цветов. Лучи света преломлялись, переходя из воздуха в воду и обратно, и на каждой поверхности имелась отражающая составляющая и составляющая, которая проходила сквозь них.
Его «корпускулярная» теория света была основана на частицах, и его идея о том, что свет - это луч, согласовывалась с широким спектром экспериментов. Хотя существовала современная ньютоновской волновая теория света, выдвинутая Христианом Гюйгенсом, она не могла объяснить эксперименты с призмой. Оптика Ньютона, как и его механика и гравитация, были победителями.
Но на заре 19 века у него начались проблемы. Томас Янг провел ставший уже классическим эксперимент, в котором он пропускал свет через двойную щель: две узкие щели, разделенные очень небольшим расстоянием. Вместо того, чтобы свет вел себя как корпускула, проходя через одну или другую щель, он демонстрировал интерференционную картину: серию светлых и темных полос.
Кроме того, рисунок полос определялся двумя настраиваемыми экспериментальными параметрами: расстоянием между щелями и цветом света. Если красный свет соответствует длинноволновому свету, а синий - коротковолновому свету, то свет ведет себя точно так, как вы ожидаете, будь он волной. Эксперименты Юнга с двумя щелями имели смысл только в том случае, если бы свет имел принципиально волнообразную природу.
И все же успехи Ньютона нельзя было игнорировать. Природа света стала спорной темой среди ученых в начале 19 века. В 1818 году Французская академия наук организовала конкурс по объяснению света. Это была волна? Была ли это частица? Как вы можете проверить это и как вы можете проверить этот тест?
Огюстен-Жан Френель принял участие в этом конкурсе, несмотря на то, что получил образование инженера-строителя, а не физика или математика. Он сформулировал новую волновую теорию света, которой он был чрезвычайно увлечен, в значительной степени основанную на работе Гюйгенса 17-го века и недавних экспериментальных результатах Юнга. Все было готово для величайшей ошибки во всей физике.
После подачи заявки один из судей, знаменитый физик и математик Симеон Пуассон, подробно изучил теорию Френеля. Если бы свет был корпускулой, как хотел бы Ньютон, он просто двигался бы по прямой линии в пространстве. Но если бы свет был волной, он должен был бы интерферировать и преломляться, когда сталкивается с барьером, щелью или «краем» поверхности. Различные геометрические конфигурации привели бы к различным специфическим узорам, но это общее правило остается в силе.
Пуассон представил свет монохромного цвета: одна длина волны в теории Френеля. Представьте, что этот свет принимает форму конуса и сталкивается со сферическим объектом. Согласно теории Ньютона, вы получаете тень в форме круга, окруженную светом. Но в теории Френеля, как показал Пуассон, в самом центре тени должна быть единственная яркая точка. Это предсказание, как утверждал Пуассон, было явно абсурдным.
Пуассон попытался опровергнуть теорию Френеля, показав, что она ведет к логической ошибке: доведение до абсурда. Идея Пуассона состояла в том, чтобы вывести предсказание, сделанное теорией света как волны, которое имело бы столь абсурдные последствия, что должно было бы оказаться ложным. Если предсказание было абсурдным, волновая теория света должна быть ложной. Ньютон был прав; Френель был неправ. Дело закрыто.
За исключением того, что это само по себе является величайшей ошибкой в истории физики! Вы не можете сделать вывод, каким бы очевидным он ни казался, не проведя решающего эксперимента. Физика определяется не элегантностью, красотой, прямолинейностью аргументов или дебатами. Решается она обращением к самой природе, а значит, проведением соответствующего эксперимента.
К счастью для Френеля и для науки, глава судейской комиссии не потерпел бы никаких махинаций Пуассона. Отстаивая не только Френеля, но и процесс научного исследования в целом, Франсуа Араго, впоследствии прославившийся как политик, аболиционист и даже премьер-министр Франции, сам провел решающий эксперимент. Он создал сферическое препятствие и осветил его монохроматическим светом, проверяя предсказание волновой теории о конструктивной интерференции. Прямо в центре тени можно было легко увидеть яркое пятно света. Несмотря на то, что предсказания теории Френеля казались абсурдными, экспериментальные данные подтверждали ее. Абсурдно это или нет, природа сказала.
Большая ошибка, которую вы можете совершить в физике, состоит в том, что вы заранее знаете, каким будет ответ. Еще большей ошибкой будет считать, что вам даже не нужно проводить тест, потому что ваша интуиция подсказывает вам, что приемлемо, а что нет самой природой. Но физика не всегда является интуитивной наукой, и по этой причине мы всегда должны прибегать к экспериментам, наблюдениям и измеримым проверкам наших теорий.
Без такого подхода мы бы никогда не опровергли взгляды Аристотеля на природу. Мы бы никогда не открыли специальную теорию относительности, квантовую механику или нашу текущую теорию гравитации: общую теорию относительности Эйнштейна. И уж точно без него мы бы никогда не открыли волновую природу света.
Прошло 200 лет с момента величайшей ошибки в истории физики. То, что эта ошибка оказалась малозначительной, объясняется лишь научной честностью Франсуа Араго, не побоявшегося отстаивать важнейший принцип всей науки. Мы должны ответить на наши вопросы о Вселенной, проверив саму Вселенную. Ведь в своей «Оптике» сам Ньютон написал:
Моя цель в этой книге состоит не в том, чтобы объяснить свойства света с помощью гипотез, а в том, чтобы предложить и доказать их с помощью разума и экспериментов.
Без экспериментов у нас вообще нет науки. Предположение, что мы можем посмотреть на предсказание и объявить его абсурдным, является большой ошибкой с нашей стороны, как людей. Природа может быть абсурдной, а может и не быть; это не зависит от того, правильно это или нет. Чтобы понять правильно, нужно пройти тест. Без него вы вообще не занимаетесь наукой.