Вклад Милликена в теорию электрона более значителен, чем вклад Кавендиша в теорию гравитации, не потому что он заполнил пустоту в теории. Скорее потому, что он подтвердил существование минимального электрического заряда. Теперь очевидно, что я разделяю убеждение ван Фраассена, отвергавшего модель науки, в которой экспериментаторы сидят рядом с теоретиками, ожидая, когда их попросят проверить, подтвердить или опровергнуть теории. Конечно, им приходится часто подтверждать теории, даже если это, как в случае с Милликеном, и не является изначальным мотивом. Мне представляется, что отношение опыта Милликена к теории состоит в том, что он подтвердил широкий спектр возможных размышлений по поводу того, что существует минимальный отрицательный электрический заряд, скорее всего, связанный с гипотетическим объектом, называемым электроном. Он также определил величину этого минимального заряда, но это число не имело отношения к теории. Как говорится в приведенном выше фрагменте из нобелевской речи, значение этого открытия заключалось в более точном определении других констант, которые, в свою очередь, оказали не очень большое влияние на развитие теории.
Существуют ли точные природные константы?
Единственным великим философом, знакомым с измерением, был Ч. С. Пирс, который долгое время работал в службе береговой и геодезической разведки США и Лоуэлловской обсерватории в Бостоне. Он разработал прекрасные маятниковые эксперименты для нахождения g . В отличие от кабинетных ученых, он с презрением относился к постулату о том, что “некоторые непрерывные величины имеют точные значения”. В 1892 году в эссе “Пересмотр учения о необходимости”, вошедшем в большинство антологий Пирса, он писал следующее:
“Тому, кто находится за сценой и знает, что наиболее точные сравнения масс, длин и углов, далеко превосходящие по точности все другие измерения, все же менее точны, чем банковские счета, и то, что обычные определения физических констант, которые появляются каждый месяц в журналах, стоят в одном ряду с измерениями драпировщиками ковров и занавесей, идея математической точности, демонстрируемая в лаборатории, покажется просто смешной”.
У Пьера Дюгема можно найти похожее положение. Он считал природные константы артефактами нашей математики. Мы порождаем теории, в которых есть пробелы, такие как g . Но конкретное значение g не есть объективный факт о нашей вселенной. Это качественный факт о том, что наша вселенная может быть представлена определенными математическими моделями и, исходя из этого, возникает другой качественный факт о том, что существует нечто вроде точного числа, которое согласуется наилучшим образом с нашей математикой. Эта мысль лежит в основе язвительного антиреализма Дюгема относительно теорий и природных констант.
Подтверждение в смысле наименьших квадратов
Не были ли введены в заблуждение Дюгем и Пирс тем, что имели дело с периодом, когда константы были не точны? Не совсем так. Посмотрим на то, что на протяжении последнего десятилетия было множеством наиболее широко принятых констант, рекомендуемых международному сообществу комитетом по данным науки и технологии. У редакторов, Коэна и Тэйлора, было большое количество фундаментальных констант, основанных на работе главных национальных лабораторий мира. Данные подразделялись на следующие типы: “более точные”, “менее точные БКЭД данные” и “менее точные КЭД данные”. КЭД обозначало работу с использованием квантовой электродинамики, а БКЭД обозначало работу без использования квантовой электродинамики. Наконец, было еще некоторое количество “других менее точных величин”. В последнем разделе мы встречаем нашу знакомую, гравитационную константу g . Относительно нее известно, что “в настоящее время не существует каких-либо верифицированных теоретических уравнений, связывающих g с какой-либо другой физической константой. Таким образом, она может и не иметь непосредственного отношения к результирующим значениям нашего упорядочивания” (стр. 698).
Что мы в основном делаем с другими константами – это определяем отношения пар констант. Таким образом, открытие в 1962 году эффекта Джозефсона (см. гл. 13), произвело радикальное изменение в точных измерениях, поскольку этот эффект предоставил удивительно простой способ определения величины e/h, отношения заряда электрона к константе Планка. К 1972 году точное значение отношения массы электрона к массе мюона стало известно с точностью до пятого знака. Само это отношение было определено, исходя из других отношений.
В итоге было получено большое количество численных оценок констант, после чего перешли к оценкам по методу “наименьших квадратов”. Грубо говоря, было постулировано, что все теории в рамках определенной группы являются истинными (например, КЭД или БКЭД). Таким образом, образовалось большое количество уравнений, связывающих большое количество чисел. Естественно, что числа не вполне подходили ко всем уравнениям. Затем мы нашли точное приписывание чисел, которое делает истинными все уравнения и которое минимизирует ошибки во всех наилучших независимых оценках различных констант и отношений констант. Естественно, что все на самом деле несколько более сложно, поскольку мы приписываем нашим измерениям разные уровни точности. “Наилучшее соответствие”, вместе с которым автоматически получается оценка частных ошибок, предоставляет одну оценку всех констант, за исключением, быть может, нескольких одиночек, таких как “первая” константа науки, то есть g .
Эффект Джозефсона изменил одно множество первоначальных оценок, которые все были “скорректированы”. Этот процесс никогда не кончается: “Тем не менее, после опубликования поправки 1973 года число новых экспериментов было пополнено, давая улучшенные значения для некоторых констант... Нужно понимать, однако, что поскольку поправки, основанные на методе наименьших квадратов, связаны сложным образом и изменение в измеренной величине одной константы обычно приводит к соответствующим изменениям в значениях других, необходимо быть осторожным при выполнении вычислений, использующих таблицу поправок 1973 года и результаты более поздних экспериментов.”
Несомненно, что когда появятся следующие приближения по методу наименьших квадратов (а это произойдет очень скоро), целая сеть из теории и чисел покажется на некоторое время более удовлетворительной. И все же скептик может настаивать на том, что все, что при этом делается, – это нахождение наиболее удобного набора чисел, которые можно подогнать под наши константы. Может быть, и всю эту процедуру можно представить по-дюгемовски. В любом случае, мы вряд ли сможем назвать эту специфическую форму определения констант “продолжением теории другими средствами”.
Измерение всего
Кун говорит, что страсть к измерениям относительно нова. При этом он цитирует Кельвина: “Я часто говорю, что когда вы можете измерить то, о чем вы говорите, вы знаете что-то об этой вещи. Когда вы не можете ее измерить, ... то ваши знания скудны и неудовлетворительны”. Поскольку Кельвин говорил это часто, существовали и искаженные версии его слов. Карл Пирсон вспоминает “утверждение Кельвина о том, что у вас может быть только плохое и неясное представление о явлении до тех пор, пока вы не измерили его и не превратили в числа”. Если кто-то думает, что энтузиазм по поводу измерений остался не затронутым идеологией, то пусть обратит внимание на следующий кусок из длинных графоманских виршей о лаборатории Райерсона в Чикаго, ставшей местом проведения опытов Майкельсона:
Это теперь Райерсона закон, что миру назначил цену:
Мерять учись, человек, а не то проиграешь войну.
Пирсон, Кельвин и лаборатория Райерсона существовали в конце девятнадцатого века, который начался просто с водопада чисел. Теперь мир воспринимается более количественным образом, чем когда-либо. Мир представляется составленным из численных величин. Каковы были последствия фетишизации точности измерения для развития естественных наук? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны обратиться к уже упоминавшемуся эссе Куна “Функция измерения в современной физической науке”, переизданному в его “Существенном напряжении” (“The Essential Tension”).
Функция измерения
Почему нужно измерять? Один из ответов можно найти в попперовской диалектике гипотез и опровержений. В соответствии с этим мнением, эксперименты служат для того, чтобы проверять теории. Лучшие эксперименты подвергают теории наибольшему риску. Следовательно, точные измерения должны соответствовать лучшим экспериментам, поскольку измеряемые числа скорее всего, будут конфликтовать с предсказанными.
Ребенок в сказке Андерсона сказал, что король гол. Кун подобен этому ребенку. Поскольку, несмотря на всю пышность идеи о гипотезах и опровержениях, то, о чем говорит Поппер, почти никогда не происходит. Точные измерения делаются не для того, чтобы проверять теории. Кавендиш вообще не проверял теории тяготения, он определял g . Физо получил лучшее значение скорости света, а затем использовал технологию, которую он разработал для этой цели, чтобы исследовать (а не проверять) возможность того, что свет может иметь различные скорости, которые будут зависеть от скорости среды, в которой он движется. Только 60 лет спустя Эйнштейн случайно обнаружил, что этот опыт служит “решающей проверкой”. В более банальных делах числа, определяемые в лаборатории, обычно не используются для того, чтобы подвергать суду теорию. Как настаивал Кун, эксперименты обычно имеют успех, если в них с некоторой точностью получаются числа, которые ученые более или менее ожидали получить.