ФИЗИКА КАК НАУКА И ИСКУССТВО

Карл Дарроу

Из выступления  на собрании,  посвященном 20-летию со дня основания   Американского    инсти­тута  физики

Свое выступление мне, очевидно, следует начать с определения, что такое физика. Американский институт физики сформулировал уже это определение, и, выступая в таком месте, просто неприлично исполь­зовать какую-нибудь другую дефиницию. Это, собственно говоря, определение того, что такое «физик», но понять из него, что такое «физика», тоже очень легко. Выслушайте это определение.

«Физиком является тот, кто использует свое обра­зование и опыт для изучения и практического приме­нения взаимодействий между материей и энергией: в области механики, акустики, оптики, тепла, элект­ричества, магнетизма, излучения, атомной структуры ядерных явлений».

Прежде всего я хочу обратить ваше внимание на то, что это определение рассчитано на людей, которым «знакомо понятие «энергия». Но даже для столь про­свещенной аудитории это определение явно недостаточно продумано. Действительно, человек, знакомый с понятием энергии, вспомнит, по-видимому, уравнение

Е = mс²,

с помощью которого он овладел тайной атомной бомбы, и это уравнение само будет поистине атомной бомбой для цитированного определения. Ибо в опре­делении подразумевается, что материя четко отли­чается от энергии, а приведенное уравнение это на­чисто опровергает. Оно пробуждает в нас желание переиначить определение и сказать, что физик — это тот, кто занимается взаимодействием энергии с энергией, а это звучит уже совсем нелепо.

Далее в определении говорится об «изучении и практическом применении», что явно носит отзвук ставшего классическим противопоставления чистой физики физике прикладной. Давайте поглубже рас­смотрим это противопоставление. Прежде всего попробуем четко определить различие между чистой и при­кладной физикой.

Обычно  считается,   что   «чистый  физик»  интере­суется приборами и механизмами лишь постольку, поскольку   они  иллюстрируют  физические   законы, а   «прикладной   физик»   интересуется   физическими законами лишь постольку, поскольку они объясняют работу приборов и механизмов. Преподаватель физи­ки  объясняет ученикам устройство динамомашины, чтобы они поняли, что такое законы Фарадея, а пре­подаватель электротехники излагает     ученикам законы Фарадея, чтобы они поняли, что такое динамо-машина. «Чистый физик» совершенствует свои при­боры только для того, чтобы расширить наши знания о природе. «Прикладной физик» создает свои приборы для любой цели, кроме расширения   наших   знаний о природе.

С этой точки зрения Резерфорд был «прикладным физиком» на заре своей карьеры, когда он пытался изобрести радио, и стал «чистым физиком», когда бросил эти попытки, а Лоуренс был «чистым физиком», пока изобретенные им циклотроны не начали использоваться для производства изотопов, а изо­топы — применяться в медицине. После этого Лоуренс «лишился касты». Уже из этих примеров ясно, что наше определение следует считать в высшей сте­пени экстремистским, и надо быть фанатиком, чтобы отстаивать такую крайнюю позицию. Это станет совсем очевидным, если мы рассмотрим аналогичную ситуацию в искусстве.

Возьмем, например, музыку. Композитора, соз­дающего симфонии, мы, очевидно, должны считать «чистым музыкантом», а композитора, сочиняющего танцевальную музыку,— «музыкантом прикладным». Но любой дирижер симфонического оркестра знает, что слушатели не станут возражать, а даже будут очень довольны, если он исполнит что-нибудь из произведений Иоганна Штрауса и Мануэля де Фалья. Сам Рихард Вагнер сказал, что единственная цель его музыки — усилить либретто; следовательно, он «прикладной» музыкант. Еще сложнее дело обстоит с Чайковским, который всю жизнь был «чистым» музыкантом и оставался им еще пятьдесят лет после смерти, пока звучная тема одного из его фортепьян­ных концертов не была переделана в танец под наз­ванием «Этой ночью мы любим».

Обратимся к живописи и скульптуре. Назовем «чистым» художником того, чьи картины висят в му­зеях, а «прикладным» того, чьи произведения укра­шают жилище. Тогда Моне и Ренуар — прикладные художники для тех, кто может себе позволить заплатить   двадцать   тысяч   долларов за картину.   Для остальных грешных, в том числе и для нас с вами,- они чистые художники. Я не уверен только, к какой категории   отнести   портретиста,   за   исключением, пожалуй, того случая, когда его картина называется «Портрет  мужчины»   и   висит   в   музее,— тогда   он, несомненно, чистый художник. Я уверен, что многие современные живописцы ждут, что я отнесу к чистым художникам тех, чьи произведения ни на что не по­хожи и никому не понятны,   а  всех  остальных — к  прикладным.   Среди  физиков   такое   тоже   встре­чается.

Законченный пример прикладного искусства, ка­залось бы, должна являть собой архитектура. Од­нако отметим, что существует такое течение, которое называется «функционализм»; сторонники его стоят на том, что все части здания должны соответствовать своему назначению и служить необходимыми деталями общей конструкции. Само существование такой докт­рины говорит о том, что есть строения, имеющие детали, в которых конструкция здания вообще не нуждается и без которых вполне могла бы обойтись. Это очевидно для всякого, кто видел лепной карниз. Теневая сторона этой доктрины заключается в том, что она запрещает наслаждаться зрелищем величест­венного готического собора до тех пор, пока инженер с логарифмической линейкой в руках не докажет вам, что здание рухнет, если вы удалите хоть какую-нибудь из этих изящных арок и воздушных подпорок. А как быть с витражами? Они:

а) функциональны (способствуют созданию мисти­ческого    настроения и как-никак это окна),

б)  декоративны (нравятся  туристам),

в) антифункциональны (задерживают свет).

Первая точка зрения принадлежит художникам, создавшим окна собора в Шартре, вторую разделяют гиды, а третьей придерживались в XVIII столетии прихожане, которые выбили эти окна, чтоб улучшить освещение, и забросили драгоценные осколки в мусорные ямы.

Итак, в соборе нелегко отделить функциональное от декоративного. Но так и в науке. И если некото­рые тончайшие черты в облике готических соборов обязаны своим происхождением тому простому факту, что тогда в распоряжении зодчих не было стальных балок, а современные строители, в распоряжении которых эти балки есть, возводят здания, которым таинственным образом не хватает чего-то, что нам нравится в древних соборах, то аналогии этому мы можем найти, сравнивая классическую физику с тео­риями наших дней.

Попробуем заменить названия «чистая» и «при­кладная» физика словами «декоративная» и «функци­ональная». Но это тоже плохо. Прикладная физика — либо физика, либо не физика. В первом случае в словосочетании «прикладная физика» следует отбро­сить прилагательное, во втором — существительное. Архитектура остается архитектурой независимо от того, создает она здание Организации Объединенных Наций или Сент-Шапель. Музыка есть музыка — в венском вальсе и в органном хорале, а живопись и в портретном жанре, и в пейзажном — все живо­пись. И физика есть физика — объясняет ли она уст­ройство телевизора или спектр гелия.

Однако различие в действительности должно быть все-таки больше, чем я склонен был признать до сих пор, поскольку люди постоянно твердят о «фунда­ментальных исследованиях», предполагая, таким образом, существование чего-то противоположного, «нефундаментального». Хорошее определение «фунда­ментального исследования» все будут приветствовать. Попробуем изобрести его.

Начать следует, разумеется, с определения, что такое исследование. К несчастью, понятие это со­держит в себе негативный элемент. Исследование — это поиски, когда вы не знаете, что найдете; а если вы знаете, значит, уже нашли, и вашу деятельность нельзя назвать исследовательской. Но если резуль­тат ваших исследований неизвестен, откуда вы знаете, что он будет фундаментальным?

Чтобы выйти из этого тупика, попытаемся отнести понятие фундаментальности не к конечному резуль­тату исследований, а к самому процессу исследова­ния. Мы можем, например, назвать фундаментальными такие исследования, которые ведутся незави­симо от того, будут ли результаты иметь практическое значение или не будут. Между прочим, здесь не следует перегибать палку. Было бы неблагоразумно определять фундаментальные исследования,   как такие    исследования,     которые    прекращаются,     как только  появляются  признаки того,  что  результаты могут быть применены на практике. Такая концепт ция рискует навлечь на себя гнев  финансирующая организаций. Но даже самого упрямого и скаредного финансиста можно ублажить, сказав, что фундаментальные исследования— это те, которые не дают немедленного практического выхода, но наверняка дадут таковой рано или поздно.

Увы, и это определение не вполне удовлетворительно. Оно оставляет впечатление, что вы перед кем-то оправдываетесь, а это уже признак вины. Неужели нельзя определить фундаментальное исследование так, чтобы оно представляло ценность само по себе, без всякой связи с будущими практи­ческими приложениями?

Назовем фундаментальными такие исследования, которые расширяют и продвигают теорию физических явлений. Следовательно, нам придется немного потеоретизировать насчет теории.

Существует несколько точек зрения на теорию. Од­на из них состоит в том, что теория раскрывает нам глубинную простоту и стройность мироздания. Не­теоретик видит лишь бессмысленное нагромождение явлений. Когда он становится теоретиком, явления укладываются в стройную и исполненную величия систему. Но, к сожалению, в последнее время бла­годаря квантовой механике и теории поля все большее число людей, выбирая из двух зол меньшее, нагро­мождение явлений предпочитают нагромождению теорий. Другую точку зрения высказал недавно Кондон. Он полагает, что теория должна дать нам возмож­ность рассчитать результат эксперимента за более короткое время, чем понадобится для проведения самого эксперимента. Не соглашаться с Кондоном опасно, так как обычно он оказывается прав; но я же думаю, что это определение приятно теоретикам; они обрекаются, таким образом, на бесконечную игру в салочки, которую заведомо проиграют в та­ких, например, случаях, как при установлении сопро­тивления серебряного провода или длины волны не­которой линии в спектре германия.

Согласно другой точке зрения, теория должна служить для придумывания новых экспериментов. Здесь есть разумное начало, но это низводит теоре­тика до положения служанки экспериментатора, а та­кая роль ему вряд ли понравится.

Есть еще одна точка зрения, что теория должна охлаждать горячие головы и не допускать потери времени на бесполезные эксперименты. Я предпола­гаю, что только изучение законов термодинамики по­ложило конец некоторым попыткам создать поистине невозможные тепловые двигатели.

Давайте польстим теории и дадим ей определение, которое не будет низводить ее до положения хитроумного приспособления для экономии времени или роли прислуги в эксперименте. Предлагаю считать, что теория — это интеллектуальный собор, воздвиг­нутый, если хотите, во славу божию и приносящий глубокое   удовлетворение   как   архитектору,   так   и зрителю. Я не стану называть теорию отражением действительности. Слово  «действительность»  пугает меня, поскольку я подозреваю, что философы знают точно, что оно значит, а я не знаю и могу сказать что-нибудь   такое,   что их обидит.  Но сказать, что теория — вещь   красивая,   я   не   постесняюсь,   поскольку красота   — дело вкуса, и тут я философов не боюсь. Разовьем нашу аналогию с собором.

Средневековые соборы никогда не   достраивались, до   конца.   Это   же   можно  сказать и  про  физические теории.   То   деньги кончались,   то   архитектурная   мода   менялась.   В   последнем   случае   старая часть собора иногда разрушалась, а   иногда  к   ней просто пристраивалась новая. Можно найти строгие и массивные римские хоры в мирном соседстве с парящей готической аркой, которая близка к границе опасной неустойчивости. Римские хоры — это   клас­сическая   физика,   а   готическая   арка — квантовая механика. Я напомню вам, что арка собора в Бовэ обрушивалась дважды (или даже трижды), прежде чем архитекторы пересмотрели свои планы и построили нечто, способное не упасть. Собор состоит обычно из нескольких часовен. Часовня физики твердого тела имеет лишь самое отдаленное отношение к часовне теории относительности, а часовня акустики вообще никак не связана с часовней фи­зики элементарных частиц. Люди, молящиеся в одной из часовен, вполне могут обходиться без остальной части собора; их часовня может устоять, даже если все остальное здание рухнет. Сам собор может ка­заться величественным даже тем, кто не верит в бога, да и тем, кто построил бы совсем другое здание, будь он в состоянии начать все сначала.

Остаток своей речи я хочу посвятить совсем дру­гому вопросу. Мы восхищаемся нашим величествен­ным собором. Как заразить молодежь этим восхище­нием? Как заманить в физику будущих ферми, кондонов, слэтеров?

Обычный в этих случаях метод — удивить, пот­рясти. Беда в том, что человека нельзя удивить, если он не знаком с той ситуацией, в которую ваш сюр­приз вносит решающие изменения. Не так давно я прочел, что некто проплыл 100 ярдов за 49 секунд. Это совершенно меня не удивило, потому что я не знал, чему равнялся старый рекорд — 39, 59 или 99 секундам. Но я читал дальше и обнаружил, что старый рекорд составлял 51 секунду и держался в течение нескольких лет. Первое сообщение теперь пробудило во мне слабый интерес — едва отличный от нуля, но по-прежнему никакого удивления! Те­перь представьте себе физика, меня например, который пытается удивить аудиторию, состоящую из дилетантов, сообщением о том, что сейчас вместо двух элементарных частиц мы знаем целую дюжину или что олово совсем не оказывает сопротивления электрическому току при температурах ниже некоторой, а новейший циклотрон разгоняет протоны энергии 500Мэв. Ну и что? Это просто не дает эффекта! И если я оснащу свое   сообщение   экстравагантными утверждениями, это произведет не более впечатления, чем размахивание руками и крики лектора перед глухонемой аудиторией.

Ошибочно также мнение,  что аудиторию можно потрясти, продемонстрировав решение какой-нибудь загадки.  Беда здесь  в том,  что никто не заинтересуется ответом на вопрос,  которого он не задавал. Автор детективных рассказов всегда создает тайну прежде чем ее решать. Можно было бы последовать его примеру, но труп неизвестного человека, с которого   обычно   начинается   детектив,— зрелище   существенно более захватывающее, чем труп известной теории,  с которого должен начать физик.