Наука третьего класса

5 фактов об экспериментах, результат которых может быть полностью предсказан теорией еще до их начала

Как нам известно еще со школьной скамьи, задача любой естественной науки, в том числе физики, — открытие новых знаний о природе, а также разработка принципиально новых технологий. К числу первых относятся работы Ньютона, Максвелла, Эйнштейна, Фейнмана. Примерами вторых являются изобретения транзистора и лазера — технологий, которые явились результатами целенаправленных научных изысканий, вошли в каждый дом и перевернули наш мир.

Однако в последние годы в мировую научную моду вошел совершенно другой класс работ. Это исследования уже известных явлений, которые, однако, открывают дорогу новой, неожиданной интерпретации, ломающей общепринятый стереотип, или иллюстрируют новую научную идею.

1. Траектории фотонов

В конце 2011 года авторитетное научно-популярное английское издание Physics World опубликовало рейтинг самых выдающихся достижений физики за 2011 год. На первом месте в списке стоит работа, проведенная в канадском университете Торонто под руководством профессора Эфраима Стайнберга. В чем суть этой работы? Согласно принципу неопределенности Гейзенберга — одному из краеугольных камней здания современной квантовой механики — невозможно одновременно измерить позицию и импульс (скорость) квантовой частицы. Поэтому нельзя узнать и ее траекторию: для вычисления траектории нужно знать не только то, где частица находится, но и то, как она движется. В этом одно из фундаментальных отличий квантовой физики от классической: траектория футбольного мяча или баллистической ракеты измерима и предсказуема.

Однако принцип неопределенности верен лишь для однократного измерения. Если приготовить множество одинаковых частиц, то и координату, и импульс можно измерить вполне точно. А значит, и в квантовом мире можно говорить о траектории частицы, можно ее предсказывать и измерять. Это и сделали коллеги из Торонто, впервые в истории экспериментально измерив траектории элементарных частиц света — фотонов.

2. О роли эксперимента в науке

Это остроумная и интересная работа, заставляющая физиков взглянуть по-новому на устоявшиеся принципы квантовой механики, задуматься. Но есть одно «но». Когда мы говорим «эксперимент», мы подразумеваем, что его результат не известен заранее.

Эксперимент, как правило, ставится для проверки некоей гипотезы, являясь абсолютным критерием ее верности. Эта роль эксперимента лежит в основе эмпирического подхода к получению знаний, универсального для всех наук и берущего начало еще от Аристотеля. Эксперимент же Стайнберга никакую гипотезу не проверяет; его результат полностью предсказуем в рамках общепринятой квантовой физики. По своей роли он скорее сродни демонстрационным опытам на лекциях, чья задача не сказать новое слово в науке, а помочь студентам понять формулы, которые пишет на доске профессор.

Для читателей, далеких от физики, приведу одну грубую аналогию. Общеизвестно: коровы не летают. Однако простой сельский пилот Валико Мизандари, по прозвищу Мимино, опроверг этот стереотип, прицепив корову к днищу вертолета и подняв ее в воздух. Этим экспериментом он доказал: при определенных условиях коровы могут летать. Жаль, что он не догадался опубликовать это достижение в журнале Science: многим маститым биологам пришлось бы съесть свои бороды.

Почему я останавливаюсь так долго на этой работе, рискуя испортить отношения с одним из любимых канадских коллег? Дело в том, что она весьма показательна в смысле тенденции, имеющей место в физике на протяжении последних десяти лет. В том же рейтинге Physics World top ten можно насчитать две или три таких работы. И, по моему собственному опыту, это достаточно точно отражает долю подобных исследований в современной физике, по крайней мере в моей области — квантовой оптике.

3. Наука третьего класса как социальный заказ

Что же заставляет физиков отказываться от вековых принципов и заниматься экспериментами, результат которых заранее известен? Как мне кажется, причин несколько. Не на последнем месте интерес общественности к науке, а точнее, к образу науки, создаваемому средствами массовой информации. Научная фантастика прочно заняла место в современной культуре. Голос из прекрасного далека зовет в чудесные края, и манящая дорога кружит голову. А дорога эта вымощена достижениями физики — так считает мыслящий обыватель, ибо знает, что именно ими был обусловлен технологический бум современности. С одной стороны, наличие у общественности понимания важности физических исследований отрадно — оно не позволяет нашему брату помереть с голоду. С другой — появляется давление на ученого со стороны общества: давай, мол, открой нам снова что-нибудь эдакое!

Ведущие научные журналы (Nature и Science), будучи коммерческими предприятиями, стремятся к увеличению тиража, и этот социальный заказ учитывают. Учитывают его и рейтинговые издания наподобие упомянутого выше Physics World. В результате одним из критериев оценки научной работы и ее годности для публикации в престижном журнале становится ее «популяризуемость», то есть способность пробудить интерес масс. И спрос рождает предложение.

Казалось бы, помимо редактора, рукописи, присылаемые в журнал, проходят анонимную экспертизу с участием профессиональных физиков. Почему же они дают зеленый свет таким публикациям? Очевидно, процесс шел постепенно и начинался с признанных корифеев, чьи работы принимались к публикации почти автоматически. А потом началась цепная реакция: «Чего Петьке можно, а мне нельзя?» В итоге теперь «можно» всем, и выросло целое поколение научных сотрудников, убежденных, что наука должна быть именно такой.

4. Вопросы этики

Наличие публикации в хорошем журнале может легко оказаться определяющим фактором в карьере молодого физика, в вопросе, получит ли он или она пожизненную профессуру или отправится водить такси. А как только дело затрагивает личное благосостояние, моральная планка резко снижается. Ведь речь не идет о таких смертных грехах (с точки зрения научной этики), как подделка результатов или плагиат. Чтобы добиться признания, необходимо лишь «выгодно продать» свою работу, убедить редакцию и рецензентов, что в ней содержится мессидж, интересный широкому кругу читателей. Вопрос, являлся ли эксперимент мерилом истины или лишь транспортным средством для доставки этого мессиджа, отходит на второй план.

Не будучи смертным грехом в этическом плане, эксперименты третьего класса, конечно, коррумпируют науку, способствует ее размыванию. Получается, что можно не утруждать себя сложными исследованиями, а сделать просто что-то, что интересно и красиво, и этого будет достаточно для того, чтобы получить признание и построить карьеру. А исследования первого и второго классов, наоборот, оказываются в загоне, ибо публикаций они дают меньше, а финансирования требуют, наоборот, большего.

5. Потенциальный кризис физики

Еще великий П.Л. Капица говорил, что приоритет принадлежит не тому, кто первый упомянул о чем-то, а тому, кто первый оценил важность этого и поставил восклицательный знак. Но едва ли он предполагал, что здоровая научная конкуренция сведется к вопросу, у кого этот восклицательный знак крупнее. А сейчас в физике существуют целые разделы, в которых дела обстоят именно так.



Появление «физики третьего класса», как мне кажется, является симптомом более масштабного процесса. Физика «выдыхается». Явления, имеющие место в доступных нам масштабах пространства и времени, объяснены и поняты. Для того чтобы получить доступ к неизведанному, нужно либо наблюдать за космосом, либо ставить эксперименты, по стоимости сравнимые с бюджетом небольшой страны (например, Большой адронный коллайдер). А публика требует хлеба, зрелищ и новых физических открытий. И в итоге истинные открытия замещаются мнимыми. Коровы продолжают летать.

Александр Львовский