Часть 8.

Не просто подглядывайте, а вмешивайтесь

Философы склонны рассматривать микроскоп как черный ящик с источником света на одном конце и дыркой, в которую подглядывают, на другом конце. Как говорит Гровер Максвелл, существуют слабые и сильные микроскопы, являющиеся все более и более мощными приборами одного и того же типа. Это неправильно, как неверно и то, что микроскопы созданы для того, чтобы смотреть через них. На самом деле, философ, конечно же, не сможет видеть в микроскоп до тех пор, пока не научится пользоваться хотя бы несколькими микроскопами. Если его спросят о том, что он там видит, он может, как Джеймс Тербер, нарисовать свой собственный глаз или, как Густав Бергман, увидеть только “пятно света, которое ползет по полю зрения, как тень по стене”. Конечно же, он не будет в состоянии отличить частицу пыли от слюнной железы фруктовой мухи, пока он не начнет препарировать фруктовую муху под микроскопом малого увеличения.

В этом первый урок: вы учитесь видеть в микроскоп действуя, а не просто смотря. Здесь есть параллель с “Новой теорией в? дения” Беркли (1710), согласно которой мы приобретаем трехмерное зрение только узнав, что значит двигаться в мире и действовать в нем. Тактильные ощущения скоррелированы с предполагаемым двумерным изображением на сетчатке, и в результате обучения этому соответствию возникает трехмерное зрение. Точно так же аквалангист учится видеть в новой среде океана, лишь обплывая вокруг предметов. Был ли Беркли прав относительно первичного в? дения или нет, новые способы в? дения, приобретенные уже после младенчества, включают обучение путем делания, а не просто смотрения. Убеждение в том, что некоторая часть клетки находится там, где она видится, по крайней мере усиливается, когда с использованием простых физических средств жидкость вводится именно в данную часть клетки. Я вижу, как крохотная стеклянная иголка, изготовленная человеческими руками под микроскопом, проникает через стенку клетки. Видно, как липид (жир) вытекает с конца иглы, когда мы мягко поворачиваем большую, совершенно макроскопическую рукоятку. Ну вот! Из-за своей неумелости я только что разорвал стенку клетки и должен взять новый образец. Насмешки Джона Дьюи над “зрительской (созерцательной) теорией знания” так же уместны в отношении зрительской теории микроскопов. Все это не означает, что микроскописты-практики свободны от философских проблем. Приведем еще одну цитату [В] из одного из самых подробных учебников для биологов, книги Э. М. Слейтера “Оптические методы в биологии”:

[В] “Микроскопист может разглядывать знакомый предмет через слабый микроскоп и видеть несколько увеличенное изображение, которое 'такое же', как и предмет. Растущее увеличение может открыть детали предмета, которые невидимы невооруженному глазу. Естественно предположить, что эти детали 'такие же', как у исследуемого предмета. (На этой стадии необходимо установить то, что детали не появляются вследствие ущерба, нанесенного предмету при препарировании под микроскопом). Но что на самом деле подразумевается под утверждением, что 'изображение - такое же, как объект'?

Очевидно, что этот образ чисто оптический... 'Одинаковость' предмета и изображения на самом деле подразумевает то, что физические взаимодействия со световым лучом, которые делают объект видимым (или могут сделать его видимым, будучи достаточно большими), совпадают с теми, которые приводят к образованию изображения в микроскопе...

Тем не менее, предположим, что излучение, которое используется в микроскопе, - это ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи или электроны, или что микроскоп использует некий прибор, который преобразует разницу в фазе в изменения интенсивности. Тогда изображение, видимо, не может быть 'таким же', как предмет, даже в указанном выше ограниченном смысле! Глаз не способен ощущать ультрафиолетовое, рентгеновское или электронное излучение или уловить сдвиг фазы между световыми лучами...

Этот способ мышления открывает нам то, что изображение соответствует взаимодействию между предметом и излучением, создающим изображение” (стр. 261-263).

Автор продолжает, заявляя, что все упомянутые ею методы, а также и другие методы, “могут порождать 'истинные' изображения, которые в некотором смысле 'подобны' предмету”. Она также замечает, что с помощью таких методов как авторадиография, “'изображение' предмета получается ... исключительно с точки зрения расположения радиоактивных атомов. 'Изображение' такого типа настолько детализировано, что, вообще говоря, не поддается интерпретации без помощи дополнительного изображения от фотомикрографа, на который оно обычно накладывается”.

Микроскопист сказал бы, что мы видим через микроскоп, только когда физическое взаимодействие предмета и светового луча “идентичны” в случае образа в микроскопе и в глазу. Сопоставьте с моей цитатой [А], относящейся к более раннему поколению работ, в которой говорится, что, поскольку обычный световой микроскоп работает на основе дифракции, то даже он устроен не так, как обычное зрение, но совершенно своеобразен. Могут ли микроскописты [А] и [В], не соглашающиеся относительно простейшего светового микроскопа, занимать правильную философскую позицию относительно “зрения”? Пугливое употребление кавычек в которые взяты слова “изображение” и “истинный” делают [B] еще более двусмысленным. В микроскопии нужно быть особенно осторожным со словом “изображение”. Иногда оно означает нечто, на что можно указать, форму, брошенную на экран, микрограф или что-либо еще. Но в других случаях это означает то, что находится на входе самого глаза. Слияние происходит в геометрической оптике, где выстраивается система с предметом, находящимся в одном фокусе, и изображением, находящимся в другой фокальной плоскости, где “образ” показывает, чт? вы увидите, если ваш глаз будет находиться там. Я все-таки сопротивляюсь одному умозаключению, которое может быть выведено из цитаты [В]. Может показаться, что любое утверждение о том, что видно с помощью микроскопа, заряжено теорией - теорией оптики или теорией какого-нибудь излучения. Я не согласен с этим. Для того, чтобы сделать микроскоп, необходима теория, но для того, чтобы им пользоваться, теория не нужна. Теория может помочь понять, почему предметы, рассматриваемые через интеренференционно-контрастные микроскопы, имеют асимметричное окаймление, но можно научиться не замечать такой эффект вполне эмпирически. Вряд ли современный биолог знает оптику в такой мере, чтобы удовлетворить физика. Практика, под которой я вообще имею в виду делание, а не смотрение, дает возможность различать видимые артефакты препарирования или применения инструментов и реальные структуры, видимые через микроскоп. Эта практическая способность порождает уверенность. Она может потребовать некоторого понимания биологии, хотя бывают и первоклассные лаборанты, которые даже не знают биологии. В любом случае, физика просто не имеет никакого отношения к чувству микроскопической реальности. Наблюдения и манипуляции редко несут вообще какой-либо заряд физической теории, и все что в них находится, совершенно не зависимо от клеток или изучаемых кристаллов.

Плохие микроскопы

Мне встречалось мнение о том, что с момента изобретения микроскопа Левенгуком люди продолжали делать все лучшие и лучшие варианты одного и того же типа микроскопов. Я хотел бы скорректировать эту мысль.

Левенгук, хотя и не был первым микроскопистом, был техническим гением. В его микроскопах была единственная линза, и он делал линзу для каждого предмета, который он собирался исследовать. Предмет насаживали на булавку на подходящем расстоянии от линзы. Мы не знаем, как ему удавалось делать столь прекрасные рисунки своих предметов. Наиболее представительное собрание его линз-предметных пар находилось в Лондонском Королевском Обществе, которое потеряло всю коллекцию столетие спусти при обстоятельствах, которые вежливо названы подозрительными. Но даже к тому времени клей, которым его предметы держались на булавках, потерял свою силу, и предметы отвалились. Почти наверняка Левенгук получил свои прекрасные результаты скорее благодаря секретам освещения, нежели способу изготовления линз. Создается впечатление, что он никогда не учил людей своим приемам. Возможно, Левенгук изобрел освещение темного поля, а не микроскоп. Эта догадка должна послужить одной из первых в длинной череде возможных напоминаний о том, что множество важнейших достижений в микроскопии не имеют ничего общего с оптикой. Понадобились микротомы для того, чтобы делать более тонкие срезы, анилиновые красители, чистые источники света, а на более скромных уровнях - винтовой микрометр для подстраивания фокуса, фиксаторы и центрифуги.

Хотя первые микроскопы вызвали большое волнение в обществе, показывая миры внутри миров, важно отметить, что после составного микроскопа Гука технология не претерпела заметного улучшения. После возбуждения, связанного с начальными наблюдениями, не последовало новое знание. Микроскоп стал игрушкой английских леди и джентльменов. Игрушка состояла из микроскопа и коробки с препарированными объектами растительного и животного мира. Заметим, что коробка с такими препаратами могла стоить больше, чем покупка самого микроскопа. Нельзя было просто поместить каплю воды из пруда на кусок стекла и смотреть на нее под микроскопом. Почти всем, за исключением самых серьезных экспертов, было необходимо уже подготовленное предметное стекло с препаратом, чтобы увидеть хоть что-нибудь. Конечно, учитывая оптические аберрации, вызывает восхищение тот факт, что кто-либо когда-либо вообще что-то видел через составной микроскоп, хотя на самом деле, как и всегда в экспериментальной науке, по настоящему умелый лаборант может делать чудеса и на очень плохом оборудовании.

В простейшей световой микроскопии насчитывается около восьми основных типов аберраций. Две важнейших из них - это сферическая и хроматическая аберрации. Первая является результатом того факта, что линза шлифуется движениями, направленными случайным образом. Как можно показать, это дает сферическую поверхность. Для луча, проходящего под некоторым малым углом к оптической оси линзы, фокусное расстояние будет не то же самое, что для луча, который идет ближе к оси. Для углов i, таких, что sin i сильно отличается от i, мы не получим общего фокуса световых лучей, и точка на предмете будет видна через микроскоп как смазанное пятно. Это хорошо понимал Гюйгенс, который также хорошо знал, как это исправить в принципе, но реальное изготовление комбинации вогнутых и выпуклых линз, позволявшее избежать сферической аберрации, произошло не сразу.

Хроматические аберрации вызывались различиями в длинах волн разных цветов. Красный и синий свет, излучаемый одной и той же точкой предмета, сфокусируются в разных точках. Резкий красный образ накладывается на синее пятно или наоборот. Хотя богатые люди имели обыкновение держать дома микроскоп для развлечения, не удивительно, что серьезная наука не имела с ним дела. Ксавье Биша многими считается основателем гистологии, науки о живых тканях. Еще в 1800 году он не допускал микроскопы в свою лабораторию. В своем введении в “Общую анатомию” он писал: “Когда люди проводят наблюдение в условиях недостаточной видимости, каждый видит по-своему в соответствии со своими чувствами. Следовательно, мы должны руководствоваться непосредственными наблюдениями”, а не размытыми изображениями, предоставляемыми даже лучшими микроскопами.

Никто особенно не пытался создать ахроматические микроскопы, потому что Ньютон писал об их физической невозможности. Такие микроскопы стали возможны с появлением особого кремниевого стекла, флинтгласса, имеющего показатель преломления больший, чем у обыкновенного стекла. Пара линз с различными индексами преломления могут устранить аберрацию для данной пары красных и синих лучей, и хотя это решение не совершенно на всем спектре, результат может быть улучшен с помощью тройной линзы. Первый человек, которому пришла в голову правильная мысль, был настолько скрытен, что послал заказы на линзы из разного стекла разным подрядчикам. Эти подрядчики заключили субподряды с одним и тем же ремесленником, который затем сделал проницательное предположение о том, что линзы предназначены для одного и того же прибора. Так, в 1758 году идею украли. Дело о правах на патент, которое слушалось в суде, было решено в пользу укравшего, Джона Долланда. Высший Суд постановил: “Патента достоин не тот, кто занес изобретение в свои тайные записи, а тот, кто сделал его достоянием публики”. Но достояние публики от этого не очень изменилось. Вплоть до 1860-х годов шли серьезные споры о том, были ли капли, видимые через микроскоп, артефактами инструментов или подлинными продуктами живой материи. (На самом деле, это были артефакты). Но все же микроскопы стали лучше, а средства микроскопии развивались довольно быстро. Если рисовать график развития, то первый подъем придется где-то на 1660 год, затем очень медленный подъем вплоть до 1870-х годов, тут снова скачок; следующий большой скачок, который продолжается и сейчас, начался около 1945 года. Историк науки мог бы нарисовать такой график с большой точностью, используя в качестве масштаба пределы разрешающей способности приборов, дошедших от прошлых времен. Производя субъективную оценку великого применения микроскопа, мы могли бы нарисовать сходный график, отличающийся лишь тем, что контраст 1870/1660 годов был бы больше. До 1860 года с помощью микроскопа было обнаружено мало подлинно интересных фактов. Волна новой микроскопии была вызвана частично благодаря работам Аббе, но непосредственной причиной прогресса стала доступность анилиновых красителей. Живая материя в основном прозрачна. Новые анилиновые красители дали возможность увидеть микробы и многое другое.

Аббе и дифракция

Как мы “обычно” видим? В основном, мы видим отраженный свет. Но если использовать увеличительное стекло, чтобы посмотреть на предмет, освещаемый сзади, то мы “видим” передаваемый или поглощаемый свет. Таким образом, у нас может быть следующая мысль: увидеть что-либо сквозь микроскоп - это увидеть пятна темного и светлого, соответственно пропорциям пропускаемого или поглощаемого света. Мы видим изменения в амплитуде световых лучей. Я думаю, что даже Гюйгенс знал, что эта концепция может быть неверна, но лишь в 1873 году Аббе объяснил, как работает микроскоп.

Эрнст Аббе являл собой прекраснейший пример пути из нищеты к богатству. Сын рабочего прядильной фабрики, он выучил математику и получил финансовую поддержку на обучение в гимназии. Он преподавал математику, физику и астрономию. Его работа по оптике привела его на небольшую фирму Карла Цейса в Йене. Когда Цейс умер, Аббе стал хозяином фирмы и посвятил свою жизнь филантропическим занятиям. Бесчисленные математические и практические изобретения Аббе превратили фирму Карла Цейса в одну из самых известных оптических фирм. Здесь я упомяну лишь одно изобретение.

Аббе занимался проблемой разрешающей способности оптических приборов. Увеличение бессмысленно, если оно “увеличивает” две разные точки в одно большое пятно. Необходимо разрешить две точки в два различных образа. Это можно сделать с помощью дифракции. Самый известный пример дифракции - это факт, относящийся к тому, что тени предметов с острыми краями расплывчаты. Это следствие волновой природы света. Когда свет проходит через две узкие щели, некоторая часть луча идет прямо, некоторая часть отклоняется на некий угол от основного луча, а некоторая часть луча отклоняется на больший угол: это лучи дифракции первого, второго и третьего порядков.

Аббе взялся за задачу разрешить (то есть зрительно различить) параллельные линии на диатомее (крохотной океанической водоросли, которая миллиардами поглощается китами). Эти линии очень близки, равномерно удалены друг от друга и имеют одинаковую ширину. Вскоре он получил возможность использовать еще более регулярные дифракционные решетки. Его работа представляет интересный пример того, как применяется чистая наука: Аббе разработал теорию для чистого случая рассматривания диатомеи или дифракционной решетки и сделал из этого вывод, что эти случаи представляют бесконечное разнообразие физики, связанной с в? дением гетерогенного объекта в микроскопе.

Когда свет проходит чрез дифракционную решетку, большая часть его подвергается дифракции. Она испускается от решетки под углами дифракций первого, второго и третьего порядков, где величины углов дифракции частично зависят от расстояний между линиями решетки. Аббе понял, что для того, чтобы увидеть щели на решетке, необходимо собрать не только основной прошедший свет, но и, по-крайней мере, дифракционные лучи первого порядка. То, что мы видим, на самом деле лучше всего представляется как Фурье-синтез прошедших и рассеянных лучей. Таким образом, согласно Аббе, образ предмета производится интерференцией лучей света, излучаемых основным источником и вторичными образами источников света, являющихся результами дифракции.

У этого факта есть очень много практических приложений. Очевидно, что можно собрать большее количество рассеяных лучей с помощью более широкого отверстия на диафрагме объектива, но при этом больше будет и сферическая аберрация. Вместо этого можно изменить среду между предметом и линзой. В среде более плотной, чем воздух, как в случае с масляно-иммерсионным микроскопом, при данном размере диафрагмы можно получить большее количество дифракционных лучей и тем самым увеличить разрешение микроскопа.

Хотя первые микроскопы Аббе-Цейса были хорошими, теориям этих микроскопов не давали хода много лет, особенно в Англии и Америке, которые целое столетие царили на рынке микроскопов. Даже в 1910 году самые лучшие английские микроскопы, созданные на основе чисто эмпирического опыта и использующие воровским образом некоторые идеи Аббе, имели разрешение, сравнимое или даже лучшее, чем у цейсовских. Такая ситуация не совсем необычна. Хотя парусные корабли всегда были частью материальной культуры, самые большие усовершенствования в их конструкции были сделаны между 1870 и 1900 годами - в то время, когда пароход сделал их устаревшими. Именно на это время приходится пик ремесленнической изобретательности. Также и с микроскопами, но, конечно же, дорогие нетеоретические английские ремесленнические микроскопы были обречены, как и парусные суда.

Однако в достижениях Аббе людей заставляло сомневаться не только коммерческое или национальное соперничество. Выше я заметил, что цитата [А] используется в книге “Микроскопы” Гейга. В девятом издании этого учебника, авторы, ссылаясь на альтернативную теорию, говорят, что микроскопическое в? дение “то же самое, что и в? дение с помощью невооруженного глаза, телескопа, и фотокамеры. Это первичное в? дение, которое признается многими в наши дни”. В 11 издании (1916 г.) соответствующее место приобрело следующий вид: “Были проведены очень убедительные эксперименты, доказывающие точность гипотезы Аббе, но как указывается многими, обычное использование микроскопа никогда не включает условия, реализованные в этих экспериментах”. Это прекрасный пример того, что Лакатош называет регрессивной исследовательской программой. Это место в основном остается тем же даже в 17 издании (1941 г.). Таким образом, учение Аббе, которое, согласно [А] утверждало, что “невозможно никакого сопоставления микроскопического и макроскопического видения”, встречало глубоко укорененное неприятие.

Если придерживаться (как в случае более современного взгляда [В]) того мнения, что видимое нами - в основном дело особой обработки информации в глазу, то все остальное скорее оказывается в области оптической иллюзии или, в лучшем случае, некоторого соответствия изображения рассматриваемому объекту. В соответствии с этим описанием, системы Левенгука и Гука позволяют нам видеть. После Аббе даже обычный световой микроскоп является, в основном, Фурье-синтезатором дифракций первого или даже второго порядков. Таким образом, чтобы считать, что вы видите с помощью хорошего микроскопа, вы должны видоизменить ваше представление о видении. Прежде чем сделать вывод по данному вопросу, нам лучше исследовать некоторые более поздние приборы.

Изобилие микроскопов

Перейдем теперь к послевоенному периоду. Большая часть идей была известна еще в годы между мировыми войнами, но не продвинулась дальше прототипов до второй мировой войны. Одно из изобретений намного старше, но некоторое время оно не имело правильного использования.

Первая практическая проблема для цитолога - это то, что большая часть живой ткани не видна из-за своей прозрачности. Чтобы что-либо увидеть, нужно окрасить объект. Большинство анилиновых красителей - страшные яды, так что видимое вами - обычно совершенно мертвая клетка, которая скорее всего претерпела структурные искажения и демонстрирует структуры, являющиеся артефактами препарирования. Тем не менее, оказывается, что живые ткани отличаются по своим поляризационным свойствам. Поместим в наш микроскоп поляризатор и анализатор. Поляризатор будет передавать к предмету только поляризационный свет с определенными свойствами. В простейшем случае, поместим анализатор под прямым углом к поляризатору, так что он будет передавать только поляризованный свет, противоположный свету поляризатора. Результатом будет полнейшая темнота. Предположим теперь, что сам предмет создает поляризацию, тогда он может изменять плоскость поляризации падающего света, так что видимый образ может порождаться анализатором. Таким способом, можно наблюдать прозрачные волокна полосатой мышцы без подкрашивания, основываясь лишь на определенных свойствах света, который мы обычно “видим”.

Теория дифракции Аббе, дополненная поляризационным микроскопом, приводит к некоторой концептуальной революции. Мы не нуждаемся в “обычной” физике зрения для того, чтобы воспринимать структуры в живой ткани. На самом деле, мы редко ее используем. Даже в обычном случае мы скорее синтезируем рассеянные дифракцией лучи, чем видим предмет с помощью “обычной” зрительной физики. Поляризационный микроскоп напоминает нам, что у света существуют множество свойств помимо преломления, поглощения и дифракции. Мы можем использовать любое свойство света, взаимодействующего с предметом, для того, чтобы исследовать структуру предмета. На самом деле, можно использовать любое свойство любого волнового явления.

Даже если мы ограничимся световым микроскопом, нас ждет большое количество работы. Ультрафиолетовый микроскоп удваивает разрешающую силу, хотя его важнейшее преимущество связано с ультрафиолетовым поглощением, типичным для многих биологически важных веществ. Во флюоресцентной микроскопии падающее освещение исключается, и можно наблюдать лишь вторично излучаемый свет разной длины волны, использующий фосфоресценцию или флюоресценцию. Эта гистологическая техника незаменима для некоторых живых тканей. Однако более интересным, чем использование необычных режимов передачи или испускания света, представляются игры, в которые мы играем с самим светом: фазовый контрастный микроскоп Цернике и интерференционный микроскоп Номарского.

Прозрачный предмет однороден по отношению к поглощению света. Он может обладать невидимыми различиями в показателе преломления. Фазовый контрастный микроскоп преобразует эти отличия в видимые отличия интенсивности образа предмета. В обычном микроскопе образ синтезируется из рассеянных волн D и прямых волн U. В фазовом контрастном микроскопе волны U и D разделены гениальным, хотя и очень простым с точки зрения физики, способом. После этого одна или другая волна подвергается фазовой задержке, вследствие чего в фокальной плоскости возникают контрасты, соответствующие различию показателей преломления в предмете.

Интерференционный контрастный микроскоп наверное легче всего понять. Источник света просто разделен пополам посеребренным зеркалом, так что половина света проходит через предмет, а другая половина остается в качестве неизменной опорной волны, которая будет участвовать в восстановлении изображения на выходе. Таким образом, изменения в оптическом пути, создаваемые различиями в показателях преломления, вызывают интерференционные эффекты в опорном луче.

Интерференционный микроскоп создает иллюзорное окаймление предмета, но необыкновенно ценен, поскольку представляет количественное определение показателя преломления в предмете. Естественно, что если у нас есть под рукой подобные приборы, то могут быть сооружены его бесчисленные вариации, такие как поляризующие интерференционные микроскопы; микроскопы, основанные на интерференции множественного луча; интерференции, модулированной по фазе и так далее.

Теория и основания для уверенности

Некоторая часть теории света, конечно, существенна для построения микроскопа нового типа, и обычно важна для улучшения микроскопов старого типа. Интерференционные или фазовые контрастные микроскопы вряд ли могли быть изобретены без использования волновой теории света. Теория дифракции помогла Аббе и его компании делать лучшие микроскопы. Конечно, мы не должны недооценивать дотеоретическую роль изобретения и всяческой возни с ним. На протяжении нескольких десятилетий изготовители старых, основанных на эмпирических соображениях, микроскопов делали их лучше, чем Цейс. Воплощение идеи электронного микроскопа вызвало большое удивление, поскольку теория говорила о том, что объект почти немедленно поджарится, а затем полностью выгорит. Рентгеновский микроскоп давно был теоретической возможностью, но мог быть эффективно построен только в следующие несколько лет с использованием высококачественных лучей, поступающих из линейного ускорителя. Сходным образом, акустический микроскоп, который будет описан ниже, долгое время был очевидной возможностью, но лишь в последние 10 лет появилась быстрая электроника, способная произвести хороший высокочастотный звук и качественные сканнеры. Теория принимала лишь скромное участие в создании этих замечательных приборов. Эта теория обычно излагается в начальных институтских курсах физики. Более существенную роль в этих изобретениях сыграло инженерное мастерство, а не теория.

Может показаться, что теория перешла здесь на другой уровень. Почему мы верим изображениям, которые создает микроскоп? Не потому ли, что у нас есть теория, в соответствии с которой мы строим истинное изображение? Не является ли это другим вариантом замечания Шейпира о том, что наблюдение само определяется теорией? Это лишь частично так. Несмотря на отношение Биша, люди оправданно верили в реальность того, что они видели в микроскопы, изготовленные до Аббе, хотя у них была совершенно неадекватная и тривиальная теория. Визуальные образы удивительно устойчивы по отношению к изменениям в теории. Вы создаете демонстрацию и придерживаетесь некоей теории о том, почему небольшой предмет выглядит именно так. Позже вы изменяете теорию микроскопа, но все же верите в изображение. Может ли теория в самом деле быть источником нашей уверенности в том, что видимое нами совпадает с истинным состоянием вещей?

Как-то Хэйнц Пост написал мне о своих давних мыслях по поводу создания полевого эмиссионного микроскопа, который продемонстрировал бы важность продуцирования зрительных представлений больших молекул (его пример касался антраценовых колец). В то время этот прибор использовали для подтверждения того, что Ф.А. Кекуле (1829-1896) постулировал в 1865 году: молекулы бензола - это кольца из шести атомов углерода. Исходная теория полевого эмиссионного микроскопа говорила о том, что в этом микроскопе видны тени молекул, то есть наблюдается явление поглощения. Позже Пост узнал, что теория, лежащая в основе этого микроскопа, изменилась. Наблюдалось явление дифракции, но это не приводило ни к малейшим различиям. Люди продолжают рассматривать микрографии молекул как совершенно правильные представления. Не является ли все это колдовством, манипуляцией доверием? Так можно считать лишь на основе философии, в которой доминирует теоретизирование. Экспериментальная жизнь микроскопии использует внетеоретические представления для того, чтобы отделить артефакты от реальных вещей. Посмотрим, как это происходит.

Истина в микроскопии

Дифференциальный интерференционно-контрастный метод характеризуется следующим свойством: видимые очертания (края) предмета и непрерывные структуры (полосы) предстают в своем истинном виде.

Так написано в цейсовском каталоге. Что заставляет торговца-энтузиаста предположить, что изображения, производимые этими несколькими оптическими системами, “истинны”? Конечно, изображения истинны, только если научиться не замечать искажения. Существует множество оснований для убеждения, что воспринимаемая часть структуры реальна или истинна. Самое естественное из них является и самым важным. Я проиллюстрирую это с помощью моего первого опыта в лаборатории. Слабые электронные микроскопы показывают маленькие точки в тромбоцитах. Эти точки называются плотными телами: это означает просто то, что они плотные для электронов и видны на трансмиссионном электронном микроскопе без всякой предварительной подготовки. На основе движения или анализа плотности этих тел на разных этапах развития клетки или болезни делается догадка о том, что они играют большую роль в биологии крови. С другой стороны, они могут быть просто артефактами электронного микроскопа. Один тест очевиден: можно ли увидеть те же самые тела с использованием совершенно других физических методов? В этом случае проблема решается довольно легко. Электронный микроскоп с низким разрешением имеет почти то же увеличение, что и световой микроскоп с высоким разрешением. Не каждый метод позволяет увидеть плотные тела, их можно разглядеть, например, с помощью флюоресцентного подкрашивания и последующего наблюдения с помощью флюоресцентного микорскопа.

Слои красных тромбоцитов нанесены на микроскопическую решетку. Это в буквальном смысле решетка: если смотреть через микроскоп, можно увидеть решетку, ячейки которой помечены заглавными буквами. Электронные микрографии состоят из слоев, нанесенных на такие решетки. Образцы с особенно четкими конфигурациями плотных тел приготавливаются для флюоресцентной микроскопии. Наконец, результаты электронной и флюоресцентной микрографии сравниваются. То, что микрография показывает один и тот же участок, известно благодаря тому, что этот участок находится в ячейке с одной пометкой, скажем, P. В флюоресцентной микрографии имеется точно такое же устройство решетки, такая же ячеистая структура и “тела”, что и видимые в электронный микрограф. Делается вывод о том, что тела не являются артефактами электронного микроскопа.

Два физических процесса - эмиссия электронов и флюоресцентная реэмиссия - используются для выявления кровяных телец. Эти процессы практически не имеют ничего сходного. Они представляют совершенно не связанные области физики. Вряд ли возможно постоянное совпадение видимых конфигураций двух совершенно различных физических процессов, если бы эти конфигурации были просто артефактами физических процессов, а не реальными структурами клетки.

Заметим, что в реальности “аргумент совпадения” практически не возникает. Просто смотрят на две микрографии (лучше, если их больше), полученные от разных физических систем, и видят, что плотные тела возникают в точности в одном и том же месте в каждой паре микрографий. Это немедленно решает все проблемы. Мой учитель Роберт Скаер хотел доказать, что плотные тела суть артефакты. Спустя пять минут после того, как он увидел свои собственные экспериментальные микрографии, он признал ошибочность своей позиции.

Заметим также, что совершенно не обязательно иметь какое-то представление о том, что такое плотные тела. Все, что мы знаем, - это то, что существуют некоторые структурные признаки клетки, которые можно увидеть несколькими методами. Сама микроскопия не скажет всего об этих телах (если вообще существует нечто важное, что можно рассказать). Здесь должна быть призвана биохимия. Конечно же, мгновенное спектроскопическое разложение плотного тела на составляющие элементы возможно в наше время с помощью комбинации электронного микроскопа и спектроскопического анализатора, работа которого очень сходна с работой космического спектроскопического анализатора.

Совпадение и объяснение

Аргумент совпадения может показаться особым случаем аргумента упорядочивающей случайности, упомянутого в конце третьей главы. Теории объясняют различные явления, и было бы весьма маловероятно, что теория ложна и все же правильно предсказывает явления. Мы делаем “вывод к лучшему объяснению”, согласно которому теория истинна. Общей причиной этого явления должны быть теоретические объекты, существование которых постулируется теорией. Как аргумент в пользу научного реализма этот аргумент породил множество споров. Так что мой разговор о совпадении может привести меня в гущу продолжающейся дискуссии. Но нет! Мой аргумент гораздо более локализован.

Прежде всего такие аргументы часто облекаются в термины словаря наблюдений и теории. (“Бесчисленные счастливые случайности вызвали поведение, описываемое в словаре наблюдений, как если бы они были вызваны несуществующими вещами, о которых говорится в теоретическом словаре”). Ну и пусть, нас не интересует словарь наблюдений и теории. Может быть, для предметов, видимых в микроскоп, вовсе нет теоретического словаря - “плотное тело” не значит ничего, кроме чего-то плотного, то есть того, что видно в электронный микроскоп без окрашивания или другой подготовки. Во-вторых, нас не интересует объяснение. Мы видим одно и то же сочетание точек, используем ли мы электронный микроскоп или флюоресцентное окрашивание, и вряд ли “объяснением” этого было бы сказать, что некоторые определенные предметы (неизвестной до сих пор природы) постоянно вызывают данное сочетание точек. В-третьих, у нас нет теории, которая предсказывала бы широкий круг явлений. Четвертое и, пожалуй, самое важное отличие заключается в следующем: нас интересует то, как отличать артефакты от реальных объектов. В метафизических спорах о реализме позиции выглядят следующим образом: “реальные, хотя и ненаблюдаемые предметы” и “не реальные предметы, а инструменты мысли”. Благодаря микроскопу, мы знаем, что на микрографии видны точки. Вопрос заключается в том, являются ли они артефактами физической системы или они представляют некую структуру в самом образце? Мой аргумент от совпадения говорит просто о том, что чистое совпадение, по которому две совершенно разные физические системы выдали бы одно и то же сочетание точек на микрографии, противоречило бы здравому смыслу.

Аргумент решетки

Я рискну сделать философское отступление по поводу научного реализма. Ван Фраассен говорит, что мы видим через телескоп, потому что несмотря на то, что он необходим для наблюдения с Земли лун Юпитера, их можно увидеть и невооруженным глазом, отправившись в космос. Эта не такая уж фантазия как кажется, поскольку лишь очень малое количество современных людей может различить с Земли луны Юпитера невооруженным глазом. Для тех из нас, у кого меньшая острота зрения, такое наблюдение относится к области научной фантастики. Микроскопист избегает фантазий. Вместо того, чтобы лететь на Юпитер, мы уменьшаем видимый мир. Рассмотрим решетки, используемые для идентификации плотных тел. Маленькие решетки делаются из металла, и они едва видимы невооруженным глазом. Сперва их рисуют чернилами очень большими, аккуратно надписывая буквы в углу каждой ячейки. Затем их уменьшают фотографическим способом. Используя современные технологии, на результирующую микрографию наносят металл. Решетки продаются в пакетах или в трубках, по 100, 250 и 1000 штук. Процедуры изготовления таких решеток совершенно ясны и столь же надежны, как и любые другие массовые производственные системы высокого качества.

Короче говоря, вместо того, чтобы отправиться на Юпитер в воображаемом космическом корабле, мы самым будничным образом уменьшим решетку. Затем мы посмотрим на крохотный диск через какой-либо микроскоп и увидим в точности те же формы и буквы, которые были исходно написаны в большем масштабе. Невозможно всерьез считать, что крохотный диск, который я держу с помощью пинцета, на самом деле не имеет структуры помеченной решетки. Я знаю, что видимое мною в микроскоп соответствует действительности, поскольку сам сделал решетку такой. Я знаю, что процесс изготовления вполне надежен, поскольку результаты можно проверить с помощью микроскопа. Более того, мы можем проверить результаты с помощью микроскопа любого типа, используя с десяток физических процессов, не связанных с нашим, для того, чтобы получить изображение. Можем ли мы всерьез принять возможность того, что это все же невероятное совпадение? Ложно ли то, что диск микроскопически повторяет форму помеченной решетки? Или в результате неимоверного заговора тринадцати совершенно не зависимых физических процессов большая решетка была сжата с потерей своей формы так, что при наблюдении посредством двенадцати различных микроскопов она по-прежнему выглядит как решетка? Для того, чтобы остаться антиреалистом относительно этой решетки, видимо, не обойтись без зловредного декартовского демона микроскопа.

Аргумент решетки требует здравого признания разделенности науки, по крайней мере на феноменологическом уровне. Очевидно, что все световые микроскопы используют свет, но микроскопы, использующие интерференцию, поляризацию, фазовый контраст, прямую передачу, флюоресценцию и так далее, используют совершенно не связанные между собой свойства света. Если одну и ту же структуру можно различить с использованием этих различных аспектов световых волн, то нельзя всерьез предположить, что структура является артефактом всех этих различных физических систем. Более того, я подчеркиваю, что все эти физические системы сделаны людьми. Мы очищаем некоторые стороны природы, скажем, выделяя свойства света, связанные с фазовой интерференцией. Мы разрабатываем прибор, зная в точности принцип его работы, лишь потому, что оптика хорошо известна как наука. Мы тратим годы на то, чтобы наладить несколько прототипов, и, наконец, в наших руках имеется прибор, позволяющий видеть определенную структуру. Некоторые другие приборы, сконструированные, исходя из совершенно других принципов, показывают ту же структуру. Не испытывая декартовского скептицизма, невозможно предположить, что структура создается данным прибором, а не присуща самому предмету исследования.

В 1800 году было не только возможно, но и совершенно разумно исключить микроскопы из гистологической лаборатории просто на том основании, что они в основном показывали артефакты оптических систем, а не структуру волокон. Сейчас положение другое. Изобретение новых микроскопов всегда ставило вопрос о том, относится ли видимое к предмету, или к артефакту изготовления оптики. Но теперь у нас гораздо больше средств, чем в 1800 году, для того, чтобы решить эту проблему. Я подчеркиваю лишь “видимую” сторону. Даже здесь я упрощаю. Я говорю, что если можно видеть одни и те же фундаментальные свойства структуры, используя несколько различных физических систем, то имеется прекрасное основание для того, чтобы сказать “это - реально”, а не “это - артефакт”. Конечно, это не решающая причина. Но ситуация здесь не отличается от обычного зрения. Если черные заплаты на гудронированном шоссе видны в жаркий день с разных точек, но всегда в одном и том же месте, можно сделать вывод о том, что видны лужицы, а не мираж. И все же мы можем ошибаться. В микроскопии время от времени происходят ошибки. И простое сходство ошибок микроскопического и макроскопического восприятия может укрепить уверенность в том, что мы видим через микроскоп.

Я должен повторить, что так же как в макроскопическом зрении, реальные образы или микрографы составляют лишь малую часть нашей уверенности в реальности. В недавней лекции Г.С. Стент, специалист по молекулярной биологии, вспоминал, что в конце сороковых годов журнал Life поместил на всю обложку цветную микрографию с восторженной подписью “первая фотография гена” (это было 17 марта 1947 года). При той теории, точнее в отсутствие теории гена, говорил Стент, эта подпись не имела никакого смысла. Лишь большее понимание того, что есть ген, может привести к уверенности в том, что показывает микрография. Мы начали верить в реальность полос и межполосных промежутков на хромосомах не потому, что мы просто видим их, а потому что мы формулируем концепцию того, что они делают, для чего они предназначены. Но и в этом отношении микроскопическое и макроскопическое зрения не отличаются: лапландец, попавший в Конго, не увидит многого из новой необычной обстановки до тех пор, пока он не получит некоторой идеи о том, что происходит в джунглях.

Таким образом, я не выдвигаю аргумент совпадения в качестве единственного основания для нашего убеждения в том, что мы действительно видим в микроскоп. Это лишь один аргумент, весьма убедительный аргумент видимого, который сочетается с большим числом интеллектуальных способов понимания и с другими видами экспериментальной работы. Биологическая микроскопия без практической биохимии так же слепа, как кантовские созерцания в отсутствие понятий.

Акустический микроскоп

Сейчас мы забудем об электронном микроскопе, разновидностей которого не меньше, чем у светового микроскопа, поскольку в них используются все виды различных свойств электронных лучей. Здесь не место объяснять это, но если до этого мы слишком увлеклись примерами, относящимися к свойствам видимого света, давайте вкратце рассмотрим самый далекий от него вид излучения, звук.

Радар, изобретенный для воздушной обороны, и сонар, изобретенный для войны на море, напоминают нам о том, что продольные и поперечные волновые фронты могут использоваться для тех же целей. Ультразвук - это “звук” очень высокой частоты. Ультразвуковое исследование плода в матке недавно стало общепринятым. Более сорока лет назад советские ученые разработали микроскоп, использующий звук с частотой в 1000 раз выше частоты слышимого звука. Только недавно эта идея стала использоваться в технологии и уже используются некоторые полезные прототипы.

Акустическая часть микроскопа относительно проста. Электрические сигналы преобразуются в звуковые сигналы, а затем, после взаимодействия с предметом, преобразуются обратно в электричество. Тонкость современных инструментов заключается скорее в электронике чем в акустике. Акустический микроскоп - это сканирующий прибор. Он создает изображения, преобразуя сигналы в пространственный образ на телевизионном экране, микрографии, или, при изучении большого количества ячеек, на видеокассете.

Как всегда, новый тип микроскопов интересен из-за новых аспектов предмета, которые он может раскрыть. Изменения в показателе преломления для звука намного больше, чем для света. Более того, звук передается через совершенно непрозрачные предметы. Так, первые применения акустического микроскопа были в металлургии и в выявлении дефектов силиконовых чипов. Для биологов использование этого микроскопа также многообещающе. Акустический микроскоп чувствителен к плотности, вязкости и гибкости живой материи. Более того, сами короткие звуковые импульсы, используемые сканнером, не повреждают клетку. Следовательно, можно изучать жизнь клетки самым непосредственным способом: можно будет наблюдать изменения в вязкости и гибкости в процессе жизнедеятельности клетки.

Быстрое развитие акустической микроскопии не позволяет нам видеть направление ее развития. Еще несколько лет назад в исследовательских отчетах отвергалась сама идея ее соревнования с электронными микроскопами - довольствовались сравнением с разрешающей силой световых микроскопов. Теперь, с использованием свойств звука в сверхохлажденной твердой среде, можно соперничать с разрешающей способностью электронного микроскопа, хотя это не очень поможет исследователю живых тканей!

Так видим ли мы с помощью акустического микросокопа?

Наблюдение с помощью микроскопа

Первым шагом в технологии было наблюдение через линзу. Затем пришло наблюдение через трубу сложного микроскопа, но “смотреть в” микроскоп не обязательно. Можно изучать фотографии, сделанные с помощью микроскопа. Благодаря огромному фокусному расстоянию электронного микроскопа, естественно увидеть изображение на большой плоской поверхности, так чтобы каждый мог встать рядом и указать на то, что ему интересно. Сканирующие микроскопы обязательно создают изображение на экране или пластине. Любое изображение может быть оцифровано и передано на телевизионный экран и так далее. Более того, оцифровка замечательно подходит для устранения шума и даже для восстановления потерянной информации. Не пугайтесь технологии. При исследовании кристаллической структуры хороший способ избавиться от шума заключается в разрезе микрографии по определенному правилу, затем ее повторной склейке и перефотографировании с использованием интерференционного контраста. То есть, вообще-то мы не смотрим через микроскоп, а смотрим с его помощью. Но видим ли мы с его помощью? Было бы глупо оспаривать обыкновенное употребление слова “видеть”, особенно в свете употреблений, приводимых в конце последней главы, где говорится о “рассматривании” фермионов или “наблюдении” солнечного ядра с использованием нейтрино. Возьмем, к примеру, низколетящие реактивные самолеты, нагруженные ядерным оружием и скользящие в нескольких десятков метров от поверхности земли, чтобы избежать ловящего радара. Для пилота представляет интерес как вертикальная, так и горизонтальная шкала, поскольку ему необходимо видеть на сотни метров вниз и многие мили вдаль. Зрительная информация оцифровывается, обрабатывается и показывается на бортовом экране, расположенном на уровне головы. Расстояния сокращаются, а высота увеличивается. Видит ли пилот равнину? Конечно. Заметим, что это не тот случай, когда пилот мог бы видеть равнину, выбравшись из корабля и оглядев все вокруг. Невозможно оглядеть такое большое пространство без прибора.

Рассмотрим электронный дифракционный микроскоп, с помощью которого я получаю изображения кристаллов в обычном или обратном пространстве, в зависимости от положения переключателя. Поскольку точки изображения, создаваемого с помощью электронной дифракции, находятся в обратном отношении к атомной структуре кристалла, обратное пространство, грубо говоря, есть обычное пространство, вывернутое наизнанку. Близкое в нем становится далеким, а далекое - близким. Кристаллографы часто считают довольно естественным изучать свои образцы в обратном пространстве. Видят ли они их в обратном пространстве? Они говорят, что да, и подвергают сомнению кантовское учение о единственности пространства ощущений.

Как далеко можно развить понятие в? дения? Предположим, я беру электронную кисть и рисую на телевизионном экране аккуратную картину (a) ячейки, которую я уже изучал до этого с помощью оцифрованного и восстановленного изображения (б). Даже если я “смотрю на ячейку” в случае (б), в случае (a) я смотрю лишь на рисунок на ячейке. В чем разница? Важное отличие состоит в том, что в случае (б) существует прямое взаимодействие между источником волн, объектом и последовательностью физических событий, заканчивающихся созданием изображения объекта. Используя еще раз цитату [B], можно сказать, что в случае (б) мы имеем соответствие между исследуемым предметом и излучением, создающим изображение. Если соответствие хорошее, то (б) называется в? дением через микроскоп.

Несомненно, это весьма вольное обобщение понятия в? дения. Мы видим с помощью акустического микроскопа. Конечно же, мы видим с помощью телевидения. Но мы говорим, что мы видим покушение на убийство не с помощью телевизора, а по телевизору. Это, несомненно, идиома, унаследованная от той эпохи, когда говорили “я слышал это по радио”. Мы различаем прямую трансляцию и передачу по записи. Мы должны соблюдать различия для бесконечного количества наречий, прилагательных и даже предлогов. Но мне не известны случаи, когда слова о в? дении с помощью микроскопа вызвали бы путаницу.

Научный реализм

Если изображение есть карта взаимодействия между образцом и изображением, получаемым с помощью излучения, и эта карта хорошая, то мы говорим, что видим с помощью микроскопа. Что такое хорошая карта? Отсеяв аберрации или артефакты, карта должна представлять некую структуру в образце с помощью того же множества двух- или трехмерных отношений, которые на самом деле присутствуют в образце.

Имеет ли это отношение к научному реализму? Первым делом давайте проясним, что это отношение может быть лишь самым отдаленным. Вообразим читателя, изначально привлеченного ван Фраассеном, который считает, что объекты, наблюдаемые лишь с помощью светового микроскопа, не считаются наблюдаемыми. Такой читатель мог бы изменить свое мнение и принять эти объекты в класс наблюдаемых предметов. Но и это не затронуло бы все основные философские установки антиреализма ван Фраассена.

Но если мы сделаем вывод о том, что мы видим с помощью светового микроскопа, значит ли это, что видимые нами объекты реальны? Нет. Я сказал лишь только то, что мы не должны держаться за позитивизм и феноменологию - рутину девятнадцатого века, и должны разрешить себе говорить, что мы видим с помощью микроскопа. Такая рекомендация подразумевает сильное принятие реализма по отношению к микроскопии, но сама по себе довольно голословна. Это становится очевидным из приведенного мной фрагмента из физики высоких энергий, с его бодрым повествованием об электронном в? дении нейтрино и т.д. Физики также являются реалистами, они демонстрируют это, употребляя слово “видеть”, но это употребление не является безусловным аргументом в пользу того, что подобные объекты существуют.

Считается ли в микроскопии вопрос о реализме решенным? Нет. Мы убеждены в существовании структур, которые наблюдаются с помощью рзличных микроскопов. Наше убеждение частично возникает благодаря успехам в систематическом устранении аберраций и аретфактов. В 1800 году таких успехов не было. Биша изгнал микроскоп из своих препарационных кабинетов, поскольку в то время микроскоп не показывал структуры, которые можно было бы определенно назвать существующими в предметах. Но теперь мы в большей степени избавились от аберраций, мы устранили одни артефакты, можем не зависеть от других и всегда готовы к новым, еще не выявленным обманам. Мы убеждены в существовании структур, которые мы видим, поскольку мы можем вмешиваться в их существование физическим путем, например, с помощью микроинъекций. Мы убеждены в этом, потому что приборы, использующие совершенно различные физические принципы, приводят нас к наблюдению совершенно сходных структур в одних и тех же образцах. Мы уверены в этом благодаря нашему пониманию большей части физической теории, используемой для построения приборов, позволяющих нам видеть, но уверенность, порождаемая теорией, играет относительно малую роль. Нас больше убеждают замечательные сочетания с результатами биохимии, которые подтверждают то, что структуры, которые мы различаем с помощью микроскопа, отличаются также и определенными химическими свойствами. Нас убеждает не мощная дедуктивная теория клетки (такой и не существует), но большое количество зацепляющихся друг за друга обобщений более низкого уровня, которые позволяют нам управлять явлениями и порождать явления в микроскопе. Короче говоря, мы учимся ориентироваться в микроскопическом мире. “Новая теория зрения” Беркли, может быть, и не содержит полной истины о детском бинокулярном трехмерном зрении, но, несомненно, находится на правильном пути, когда мы входим в новые миры внутри миров, приоткрываемых для нас микроскопом.

12. Теоретизирование, вычисление,

модели, приближения

Таким образом, я отказался от идеи о том, что существует монолитная практика наблюдения. Применим ту же самую тактику к другой стороне старого дуэта теории и наблюдения. Теория - не в большей степени представляет собой единый тип вещей, чем наблюдение. Богатый, но простой пример поможет нам проиллюстрировать этот факт.

Эффект Фарадея

Майкл Фарадей (1791-1867), ученик переплетчика, в 21 год поступил на работу ассистентом к Хэмфри Дэви. Он углубил наши знания и преобразовал нашу технику. Его два самых глубоких прозрения шли рука об руку: изобретение электрического мотора (и обратного устройства - динамо-машины) и понимание того, что изменения в токе порождают изменения в напряжении магнитного поля (соответственно, вращение в магнитном поле порождает электрический ток). Известен еще так называемый эффект Фарадея, или магнито-оптический эффект. Фарадей обнаружил, что магнетизм может влиять на свет. Этот факт имел колоссальное историческое значение. Он заставил предположить, что может быть одна теория, объединяющая свет и электромагнетизм. Джеймс Клерк Максвелл объединил их к 1861 году и представил систематически в 1873 году. Эффект Фарадея был экспериментально показан в 1845 году.

Фарадей был глубоко религиозным человеком и считал, что все силы природы должны быть взаимосвязаны. Ньютон оставил простор для развития единой науки, которого хватило до 1800 года. Как мы уже говорили в 10-й главе, в этом году Уильям Гершель встретился с проблемой теплового излучения. В том же году Джузеппе Вольта сделал первую электрическую батарею. Впервые был создан источник постоянного тока, который, как вскоре показал Эрстед, мог оказывать действие на стрелку магнитного компаса. В 1801 году Томас Юнг провозгласил волновую теорию света, покончив с вековым господством ньютоновской корпускулярной теории света. Короче говоря, ньютоновское единство науки было разрушено. Более того, существовала очевидная связь между силами электромагнетизма, притяжения и света. Майкл Фарадей сам занялся этим вопросом. Дэвид Брюстер, великий экспериментатор, упомянутый в главе 9, в 1819 году показал, что под давлением некоторые виды стекла приобретают способность поляризовать свет. Рассуждая по аналогии, Фарадей предположил, что если давление может повлиять на передачу света, то и электрическое воздействие способно на это. Фарадей пытался обнаружить этот эффект несколько раз, в 1822, в 1834 и в 1844 годах. Затем, в 1845 году он забросил изучение электрического воздействия и взялся за магнитное. Но и здесь он не достиг успеха, пока не попробовал использовать плотное стекло, которое он получил много лет назад для других целей. Он обнаружил, что плоскость поляризации солнечного луча будет вращаться, если свет проходит через боросиликатное стекло, параллельно линиям магнитного напряжения. Французский физик М. Е. Верде (1824-1896) позже исследовал это свойство на целом ряде веществ, тем самым установив, что оно представляет собой общее свойство природы.

Объяснение эффекта Фарадея (Э)

У Фарадея не было теории того явления, которое он обнаружил. В следующем, 1846 году Г. Б. Эри (1801-1892) показал, как описать это явление аналитически в рамках волновой теории света. Уравнения света содержали некоторые вторые производные перемещения по времени. Эри добавлял ad hoc другие члены, содержащие первые или третьи производные. Это стандартный ход в физике. Для того, чтобы уравнения удовлетворяли явлению, с полки берутся стандартные дополнительные члены уравнения, без определенного представления о том, почему поможет один, а не другой.

В 1856 году Кельвин предложил физическую модель: магнитное поле заставляет молекулы в куске стекла вращаться вокруг осей, параллельных линиям напряженности. Это молекулярное вращение сочетается с вибрациями, производимыми световыми волнами, и, следовательно, заставляет вращаться плоскость поляризации.

Модель Кельвина была принята Максвеллом и помогла ему сформировать электромагнитную теорию света. Однако она не очень хорошо сочеталась с подробностями эксперимента, о которых сообщает Верде. Тогда Максвелл использовал аргументы симметрии для того, чтобы определить добавочные члены в уравнениях электромагнитного поля, используемого для описания явления. Наконец, в 1892 году Х.А. Лоренц совместил уравнения Максвелла со своей теорией электрона. Основанное на этом объяснение используется и поныне. Эффект описывали физически, в стиле Кельвина, как локальное движение вокруг линий напряжения. Но это не кельвиновское мистическое вращение молекул, которое просто имеет место и все. Это движение электронов, вызываемое электромагнитным способом.

Шесть уровней “теории”

В нашем рассказе участвует по крайней мере шесть разных уровней теории. Это не просто уровни большей или меньшей общности или логической силы, скорее разные типы теоретизирования. Первая экспериментальная работа была проделана Фарадеем, а затем Верде. “Теоретические” идеи можно представить следующим образом, в порядке появления:

1. Движимый верой в единство науки, Фарадей размышляет на тему о том, что должна быть некоторая связь между электромагнетизмом и светом.

2. Возникает фарадеевская аналогия открытию Брюстера: электромагнитные явления могут влиять на поляризационные свойства.

3. Эри дает математическое описание ad hoc.

4. Кельвин создает физическую модель, используя механическую картину молекул, вращающихся в стекле.

5. Максвелл использует аргумент симметрии для того, чтобы предоставить формальный анализ в рамках новой электромагнитной теории.

6. Лоренц предоставляет физическое объяснение в рамках теории электрона.

Я не хочу сказать, что эти различные типы гипотез появляются во всяком исследовании, а также то, что они должны появляться в таком порядке. Эта история в духе Бэкона начинается с глубокой идеи и аналогии, подтверждается экспериментом, а затем развивается во все более приемлимые теоретические формулировки. Конечно, очень часто вначале возникает большая теория (6). Наш пример лишь иллюстрирует банальный, но легко забываемый факт о том, что слово “теория” покрывает множество вопросов. Словарь говорит, что этимологически слово “теория” происходит от греческого слова, обозначающего, в том числе, спекулятивное мышление. Давайте остановимся на этом.

Спекуляция

Как и Ч. У. Ф. Эверитт, я придерживаюсь не двойной, а тройной классификации родов деятельности. Я называю их спекулятивным рассуждением, вычислением и экспериментом.

Слово “спекулирование” может быть применено ко всякого рода болтовне и играм на биржах. Я буду понимать под спекуляцией интеллектуальное представление чего-либо, имеющего интерес, игру в переструктурирование идей, которая может дать нам по крайней мере качественное понимание некоторых общих свойств мира.

Являются ли спекуляции только качественными? Конечно, нет. Физика - количественная наука. И все же большинство теорий имеют свободные параметры, значения которым даются в эксперименте. Основополагающая теория более качественна. Одна старая спекуляция заключалась в том, что путь, пройденный телом, свободно падающим на землю, зависит от квадрата времени падения. Он представляется как 1/2gt2. Численное значение местного ускорения свободного падения g не входило в исходную спекуляцию. Это лишь пустое место, которое мы заполняем при помощи не-теоретического измерения. В настоящее время всякая количественная теория в конечном счете говорит: “Уравнения имеют такую-то и такую-то форму, в которой определенные константы природы должны быть получены эмпирически”. Долгое время бытовала лейбницевская мечта о выведении мировых констант, но пока это лишь программа, а не результативная деятельность. Таким образом, несмотря на все свои количественные признаки, спекуляция может быть существенно качественной.

Существует по крайней мере столько же способов спекуляции, сколько и представлений. Существуют физические модели, иллюстрацией которых может быть описание эффекта Фарадея, предложенное Кельвином. Существуют математические структуры. Оба подхода привели к замечательным прозрениям. В соответствии с одним неверным стереотипом о науке второй половины девятнадцатого века немецкие физики использовали, в основном, математические подходы, тогда как британские создавали физические модели. На самом деле исследования этих двух типов взаимодействовали друг с другом, а исследователи часто открывали почти что одни и те же факты совершенно разными методами. Более того, при ближайшем рассмотрении оказывается, что большая часть физических моделей, например, Максвелла, включают абстрактные структуры. Таким образом, элементы его статистической механики были не твердыми частицами, а математическими дифференциалами без какого-либо явного физического значения. И наоборот, работа множества немецких прикладных математиков зависела от простых физических моделей. Эти стороны человеческого разума в общем не отделимы, а сочетаются и будут сочетаться и изменяться непредсказуемым способом.

Вычисление

Кун замечает, что нормальная наука - дело того, что он называет артикуляцией. Мы артикулируем теорию для того, чтобы она была лучше согласована с миром, была открытой для опытного подтверждения. Большая часть начальных спекуляций плохо согласуется с миром. Это происходит по двум причинам. Одна заключается в том, что из спекуляции вряд ли можно вывести следствия, которые даже в принципе будут проверяемы. Другая причина заключается в том, что высказывание, которое в принципе проверяемо, часто не бывает проверяемо, просто потому что никто не знает, как осуществить проверку. Требуются новые экспериментальные идеи и новые виды технологий. В примере с Гершелем и тепловым излучением потребовалась термопара и идеи Македонио Меллони, для того чтобы по-настоящему разработать исходные спекуляции Гершеля.

Таким образом, артикуляция Куна должна обозначать два типа вещей - артикуляцию теории и артикуляцию эксперимента. Более теоретическую из этих типов деятельности я условно назову “вычислением”. Я имею в виду не простой счет, а математическое воплощение данной спекуляции, приводящее ее к большей согласованности с миром.

Ньютон был великий мастер спекуляций. Он был также великим вычислителем. Он изобрел дифференциальное исчисление для того, чтобы понять математическую структуру своих спекуляций о движении планет. Ньютон был также одаренным экспериментатором. Мало кто из ученых проявил себя в обоих типах деятельности. П.С. Лаплас (1749-1827) представляет пример великолепного вычислителя. Его “Небесная механика”, написанная около 1800 года, была по тому времени самой тонкой разработкой ньютоновской теории движения планет. Ньютон оставил без ответа бесчисленное множество вопросов, для ответа на которые (а иногда даже и для постановки которых) потребовалась новая математика. Лаплас также известен благодаря своему выдающемуся вкладу в теорию вероятностей. В начале своей знаменитой вводной лекции о вероятности он сформулировал одну классическую версию детерминизма. Он сказал, что высший разум, обладающий знанием уравнений вселенной и множества граничных условий, в состоянии вычислить положение и скорости всех частиц в любом отдаленном будущем. Создается впечатление, что Лаплас представлял Высший Разум как несколько более совершенный вариант самого Лапласа, Великого Вычислителя. Лаплас применял ньютоновские идеи притяжения и отталкивания к большинству исследуемых вопросов, включая тепло и скорость звука. Как я уже заметил, так же как Лаплас увенчал достижения Ньютона мощными вычислениями, менее значительные экспериментаторы своими вольтовыми батареями, компасами и различными световыми фильтрами по крайней мере держали ньютоновскую программу на плаву.

Гипотетико-дедуктивная схема

Мое тройное деление - спекуляция, вычисление и эксперимент - не противоречит традиционным гипотетико-дедуктивным описаниям науки, таким как “Элементы физики” (Physics, the Elements) Н. Р. Кэмпбелла (1920, переиздано в “Основаниях науки”), и тем, которые описаны в “Научном объяснении” Брэйтвейта (1953). Кэмпбелл заметил, что даже в законченной теории теоретические утверждения не соединяются непосредственно с чем-либо наблюдаемым. Нет способа вывести экспериментальные тесты из, скажем, центральных положений классической физики. Следовательно, Кэмпбелл различает два слоя высказываний. Существуют гипотезы, а именно “предложения о некотором наборе идей, типичных для данной теории”. Далее, существует “словарь” - Брэйтвейт называет его кэмпбелловским словарем - “утверждений об отношениях между этими идеями и некоторыми идеями другой природы”.

Я не согласен с языковой формулировкой терминов, используемых в этом утверждении, но сама идея недалека от истины. Она ближе к реальности, чем двустадийная схема гипотез и опровержений. Кэмпбелл и Брейтвейт дают ответ на загадку. Если спекуляция предполагает качественную структуру некоей области, а экспериментирование, как я утверждаю, порой ведет свою собственную жизнь, в чем заключается их согласованность? Ответ таков: вычисление создает довольно жесткую гипотетико-дедуктивную структуру, которую иногда можно найти в элементарных учебниках. Вычислители создают словарь. Они строят семантический мост между теорией и наблюдением. Спекуляция и эксперимент не должны, по большому счету, быть тесно связанными, но тот род деятельности, который я называю вычислением, сводит их достаточно близко, чтобы увидеть количественное соответствие между ними.

Я не настаиваю на том, что классификация исчерпывается тремя пересекающимися формами научной жизни. Я говорю лишь, что более приемлемый вариант гипотетико-дедуктивного метода, включающий не два слоя, а три, является неясной, хотя и небезнадежно, мгновенной фотографией трех типов способностей, которые должны различаться в зрелых математизированных науках.

Модели

Ссылка на гипотетико-дедуктивную схему показывает, что деление на спекуляцию, вычисление и эксперимент довольно консервативно. Различные уровни теоретического утверждения, проиллюстрированные магнито-оптическим эффектом, не столь уж незнакомы. Книга Нэнси Картрайт “Как лгут законы физики” (How the Laws of Physics Lie) (1983) знаменует более радикальный разрыв с прошлой традицией. До сих пор я писал так, как если бы приведение теории в соответствие с возможными закономерностями природы являлось бы делом лишь артикулирования и вычисления. С позиции этого подхода мы начинаем со спекуляции, которую постепенно приводим в форму, из которой могут быть выведены экспериментальные тесты. Но это не так. Существует бесконечно широкое разнообразие типов деятельности, которое называется построением моделей.

Слово “модель” стало означать в науке различные вещи. В ранние дни молекулярной биологии модели молекул были подобны точным уменьшенным моделям самолетов, которые делают дети. То есть они были кусками проволоки, дерева, пластика и клея. Я видел целый чердак, забитый отвергнутыми микробиологическими моделями, изготовленными из пружинок, магнитов, большого количества фольги и тому подобного. Некоторые физики девятнадцатого века делали похожие модели внутреннего строения природы, которые можно потрогать руками, модели, построенные с помощью блоков, пружинок, веревок и сургуча. Однако в более общей форме, модель в физике - это, скорее, то, что можно держать в голове, а не в руках. Но даже и в этом случае существует странная смесь зрительного и математического. Заглянем в хороший учебник, скажем, “Волновую механику” Н. Мотта и И. Снеддона. Там мы найдем такие предложения:

“Следующая идеализированная проблема весьма поучительна, хотя и не относится ни к одному реальному физическому явлению” (стр. 49).

“Сперва будем считать, что ядро имеет бесконечную массу” (стр. 54).

“Будем считать молекулу твердым стержнем” (стр. 60).

“Теперь подсчитаем уровни энергии электрона в атоме, когда он внесен в магнитное поле. При этом не будем учитывать спина” (стр. 87).

“Для свободных частиц мы можем взять упреждающие или запаздывающие потенциалы или привести результаты к симметричному виду, что не повлияет на конечный результат” (стр. 342).

Последняя цитата явно льет воду на мельницу Картрайт. Три модели, по крайней мере одна из которых могла бы (логически) быть истинной для физического мира, используются независимо и взаимозаменяемо при решении каждой конкретной проблемы.

Роли моделей

Предположим, мы говорим, что существуют теории, модели и явления. Естественно было бы сказать, что модели - вдвойне модели. Они являются моделями явлений и моделями теорий. То есть теории всегда очень сложны для нас, чтобы различить их следствия, так что мы упрощаем их с помощью математически разрешимых моделей. В то же самое время эти модели являются приблизительными представлениями вселенной. В этой картине то, что Кун называет артикуляцией, частично становится делом построения моделей, которыми могут оперировать человеческий разум и известная вычислительная техника. Это приводит к следующей концепции.

1. Явления реальны, мы видим как они происходят.

2. Теории истинны, или по крайней мере нацелены на истину.

3. Модели - посредники, которые покрывают некоторые аспекты реальных явлений, соединяя их с помощью упрощающего математического аппарата в теории, управляющие явлениями.

В этой картине явления реальны, а теории нацелены на истину, часто бывая очень близкими к истине. Конечно, существуют примеры именно такого отношения. Картрайт замечает, что существуют также примеры и многих других типов отношений. Она подробно описывает некоторые из них. Здесь я упоминаю лишь два из них, не повторяя ее примеров.

Реализм о чем?

Данные вопросы тесно связаны с научным реализмом. По большому счету, Картрайт антиреалистка относительно теорий. Некоторое основание этому дают модели. Она замечает, что модели не только выводимы из теории, в которой они формулируются, но что физик может использовать в целях удобства некоторое количество взаимопротиворечащих моделей в рамках одной и той же теории. И все же эти модели - единственное доступное формальное представление феноменологических законов, которые мы считаем истинными. Она говорит, что у нас больше ничего нет, кроме этих феноменологических законов. Наше формальное моделирование этих законов все же не может быть истинным, поскольку они не являются взаимно непротиворечивыми. Нет также и хорошего основания полагать, что какой-либо из них в целом лучше, чем остальные. Ни один из них не поддерживает ту теорию, в рамках которой он выдвигается. Более того, модели часто бывают устойчивыми по отношению к изменениям в теории, то есть модель оставляется, а теория отбрасывается. В противоречивых моделях больше локальной истины, чем в более высоких теориях.

Можно сказать, что это замечание о современной стадии развития науки. Утверждается, что реалист говорит в идеале о будущем. Может наблюдаться сходимость к теориям, которые с помощью упрощающих моделей мы связываем с феноменологическими законами. Это истина, к которой мы стремимся. Я отвечаю на это, используя индуктивный вывод. Начиная с 1840 года каждый год только в каждодневной физической практике используется больше (несовместимых) моделей явлений, чем их использовалось в предыдущем году. Идеальной целью науки является не единство, а величайшая множественность.

Это замечание может сочетаться с восхищением по поводу проектов, которые пытаются объединить науку. Открытие Фарадеем магнитооптического эффекта служит уроком всем нам. Стефен Хокинг, великий космолог, назвал свою инаугурационную лекцию в Кэмбриджском университете “Виден ли конец теоретической физики?” Он считает, что да, у нас будет одна общая теория. Но тут же добавляет, что это не коснется большинства физиков, которые должны будут заниматься прикладной физикой, исследуя то, что происходит в каждом отдельном случае.

Приближение