Чи може науковий експеримент бути прекрасним як витвір мистецтва?
Авторка: Мілена Іванова, викладачка кафедри історії та філософії науки Кембриджського університету.
Наука стала надзвичайно технократичною та складною. Чи справді простий і переконливий експеримент все ще залишається гідним ідеалом?
Серед науковців існує давня традиція порівнювати наукові моделі, ілюстрації, теорії та експерименти з витворами мистецтва. Можна почути думку, що теорія відносності Альберта Ейнштейна, структура подвійної спіралі молекул ДНК та зображення частинок, що стикаються, прекрасні як витвори мистецтва і викликають відчуття естетичного задоволення. Самих вчених, подібно до художників, також високо цінують за їх креативність, оригінальність та естетичну проникливість. Ейнштейн, наприклад, вважав «художником у науці» американського фізика Альберта Майкельсона, який у співпраці з Едвардом Морлі розробив експеримент для вимірювання швидкості Землі відносно ефіру, і стверджував, що Майкельсон не тільки турбувався про високу якість свого експерименту, а й хотів, щоб його творіння були красивими.
Отже, що мається на увазі, коли ми говоримо про «красивий експеримент»? Для початку розглянемо маятник Фуко, який дозволить нам проілюструвати три важливі критерії, що роблять експеримент красивим. У 1851 році французький фізик Леон Фуко придумав спосіб продемонструвати, що Земля обертається навколо своєї осі. Він підвісив важку металеву кулю на довгий дріт, прикріплений до внутрішньої сторони купола Пантеону в Парижі. Коли вчений запустив маятник, той повільно гойдався вперед-назад, прокреслюючи лінії на піску під ним. Через деякий час стало зрозуміло, що сліди не знаходяться на одній лінії через обертання Землі під маятником.
Очевидно, що цей маятник був візуально прекрасним – як свого роду кінетична скульптура з майже чарівним, повільним коливанням. Наукове обладнання справді може бути гарним, і часто саме так і буває. Візьмемо, наприклад, хімічні реторти, призми, мікроскопи та складні конструкції, створювані у лабораторіях. У музеях зберігаються чудово зроблені наукові прилади та обладнання з минулого, тому що ми усвідомлюємо їхні естетичні властивості. Явища, які ми вивчаємо в експериментальній установці – такі як кристали сульфату міді, веселки, створювані призмами, та мікроскопічна структура клітин, – теж можуть бути красивими. Але гарним експериментом маятник Фуко зробило щось більше, ніж його візуальна краса. Набагато важливішим є те, що він продемонстрував ефект обертання Землі – щось значуще, що не було показано раніше, і зробив це розумним, винахідливим та елегантним способом. Сам маятник був гарний зовні, але остаточна краса експерименту – це поєднання його значущості та дизайну.
Важко визначити найкрасивіший експеримент у науці, але один із найпрекрасніших у біології був розроблений американськими генетиками Метью Мезельсоном та Франкліном Сталем, щоб з’ясувати, як реплікується ДНК. Що ж такого в цьому експерименті, що робить його красивим? Щоб зрозуміти це, спочатку задумаємося про те, яку мету ставив перед собою експеримент. Він був проведений через кілька років після одного з найбільш захоплюючих наукових відкриттів XX століття, тобто після відкриття в 1953 році структури подвійної спіралі ДНК. Після того, як було відкрито структурну будову молекули ДНК, науковому співтовариству необхідно було знайти відповідь на наступне питання: Як відбувається реплікація ДНК? Вже було запропоновано три різні гіпотези: 1) консервативна реплікація, згідно з якою кожна з двох ниток батьківської молекули ДНК відтворюється в новій молекулі; 2) напівконсервативна реплікація, згідно з якою одна нитка батьківської ДНК зберігається в дочірній ДНК; та 3) дисперсійна реплікація, згідно з якою ланцюги батьківської ДНК розриваються через певні інтервали, а батьківські сегменти поєднуються з новими сегментами, утворюючи дочірню ДНК. Мезельсон і Сталь взяли за мету розробити експеримент, щоб дати відповідь на питання, як відбувається реплікація ДНК, і остаточно визначити, яка з трьох запропонованих гіпотез правильна.
1958 року ці двоє вчених опублікували результати свого експерименту. Для визначення правильної гіпотези реплікації ДНК вони годували бактерії поживними речовинами, які містять важкий ізотоп азоту, що в результаті метаболізму вбудовується у молекули бактерій. Вони вивчали генетичний матеріал у наступних поколіннях, знаючи швидкість розмноження бактерій. Замість використання радіоактивного маркування ниток ДНК, що було поширене на той час, вони вирішили використовувати щільність молекул і відокремили важку ДНК від легкої за допомогою центрифугування у градієнті щільності. Вивчивши співвідношення легкої, важкої та гібридної ДНК, Мезельсон і Сталь змогли виключити консервативну та дисперсійну гіпотези реплікації, довівши що ДНК насправді реплікується напівконсервативно.
Одна з причин, чому науковці відзначають цей експеримент, це те, що він є прикладом experimentum crucis, або «вирішального експерименту». Такі експерименти важливі; вони дають однозначну відповідь на запитання. Зазвичай експеримент вважається вирішальним, коли він підтверджує певну гіпотезу серед конкуруючих альтернатив і таким чином вирішує суперечку. Саме завдяки цій здатності дати вирішальну відповідь на питання про те, як реплікується ДНК, можна назвати експеримент Мезельсона-Сталя прекрасним. Результати вважаються ясними і прямими, якщо рішуче висловлюються на користь однієї з конкуруючих гіпотез, відкидаючи альтернативи. У своїй книзі «Красуня і чудовисько» (1999) німецький історик науки Ернст Петер Фішер стверджує, що «експерименти Мезельсона-Сталя говорять самі за себе і роблять усі подальші коментарі зайвими». У своїй історії «Мезельсон, Сталь та реплікація ДНК» (Meselson, Stahl, and the Replication of DNA, 2001) Фредерік Лоуренс Холмс далі стверджує, що простота і чіткість результату робить цей експеримент легко доступним навіть студентам, слугуючи зразковим експериментом для природничо-наукової освіти.
Вищевикладені міркування присвячені тому, що зробив експеримент Мезельсона-Сталя, значущості його результатів. Але ще один аспект його естетичної цінності полягає не тільки в тому, чому навчило нас це дослідження, а й у тому, як воно це зробило, і це наступне міркування стосується його дизайну. Дизайн експерименту Мезельсона-Сталя вважається елегантним і продуманим, оптимальним для досягнення поставленої мети. За обґрунтуванням експериментальної установки можна побачити геніальну красу дизайну, створеного вченими. Збільшивши, а згодом зменшивши масу генетичного матеріалу, Мезельсон і Сталь змогли отримати його та виміряти його вагу у наступних поколіннях. Саме ця ідея робить їх дизайн оригінальним та елегантним, і вони використали оптимальні матеріали та методи для виконання завдання. Так їх просте дослідження поєднує інноваційне та творче мислення, а також демонструє ефективність, досягаючи мети, задля якої і розробили цей елегантний експеримент – остаточного визначення правильної гіпотези.
Встановивши, що краса експериментів полягає в елегантності та простоті їх дизайну, значущості їх результатів та творчому мисленні їхніх розробників, я хочу тепер звернути увагу на те, чи ці естетичні ідеали перейшли в сучасні наукові експерименти.
Існує суттєва відмінність між експериментами столітньої давності та експериментами сьогодні. До попередніх експериментів, таких як експеримент Мезельсона-Сталя, часто залучали кілька вчених у приміщенні, відносно дешеве обладнання, і в цілому результати могли бути сприйняті або встановлені без тривалої інтерпретаційної роботи. Сьогодні експерименти виглядають інакше. Розглянемо, наприклад, експерименти ЦЕРН на Великому адронному колайдері (ВАК) під Женевою, які нещодавно зробили одне з найбільш вагомих відкриттів у історії фізики елементарних частинок – виявлення бозона Хіггса, передбаченого Стандартною моделлю. Цей експеримент включає в себе дуже складний механізм (який має свою красу) і аналіз даних; це результат спільної роботи тисяч вчених; і самі рамки експерименту виходять за межі країн. З огляду на їх складність та розміри, чи відповідають масштабні експерименти попереднім естетичним ідеалам? Втратили вони свою естетичну цінність, чи їх ще можна цінувати за естетичні властивості?
Безсумнівно, такі сучасні експерименти надзвичайно складні: від техніки, яку вони використовують, до даних, які вони виробляють, вони можуть вражати своїми розмірами та налаштуваннями. Однак, можливо, ще є шанс надати їм такої ж естетичної цінності, як експериментам минулих століть. На мою думку, незважаючи на складність широкомасштабних експериментів, дизайн і доцільність і надалі залишаються предметом естетичного задоволення, а також креативність і оригінальність, представлені в експериментальному дизайні дослідження. І це всупереч тому факту, що креативність, виявлену в експериментальному дизайні, нині краще приписувати колективному мисленню групи вчених, а не обов’язково конкретному індивіду, а оптимальність і доцільність дизайну приховані під складністю експериментальної установки і задіяної техніки.
Навіть якби ми могли стверджувати, що подібні естетичні категорії отримують схвальні відгуки в різних експериментальних традиціях, існує ще одна відмінність між експериментами столітньої давності та сучасності, що, можливо, повинна змусити нас переглянути твердження щодо подібності. Різниця пов’язана зі способом, яким ми отримуємо експериментальні результати. Як згадувалося раніше, одним з аспектів, який ми можемо цінувати в експериментах з реплікації ДНК, є їх безпосередність: ми можемо побачити результати внаслідок «особливої історичної події», як зазначив Холмс. Така безпосередність була характерна не для всіх, але для багатьох ранніх експериментів. Давайте повернемося до дослідів, які натурфілософи проводили з повітряним насосом, що дозволило їм вивчати багато явищ за допомогою нещодавно винайденого приладу, який міг витягувати повітря з циліндра.
Як зображено на картині Джозефа Райта з Дербі «Експеримент над птахом у повітряному насосі» (1768), можна було відразу помітити вплив на живу істоту, коли повітря з циліндра було витягнуто за допомогою насоса, який, у свою чергу, викликав різноманітні відгуки у глядачів, від захоплення й трепету до страху. Подібним чином ми бачимо веселку крізь призми Ісаака Ньютона, а також нитки генетичного матеріалу легкої, важкої та середньої щільності в експериментах Мезельсона-Сталя.
Але чи є щось безпосереднє, коли справа доходить до відкриття сил і частинок у величезному прискорювачі, наприклад, які виявляє ВАК? Чи можна тлумачити момент сприйняття результатів експериментатором як у певному сенсі «особливу історичну подію»? Масштабні експерименти часто передбачають тривалий аналіз статистичних даних, перш ніж вчені-експериментатори зможуть погодитись, що зібрані дані вказують на «подію» і що подія є відкриттям. Але ця асиметрія між експериментами з миттєвими результатами і тими, результати яких вимагають тривалого аналізу, не є дивною. Це просто показує нам, що цінування краси в науці та мистецтві не завжди охоплює особливості сприйняття, а естетична відповідь не обов’язково є безпосередньою. Зрештою, хоча безліч картин і скульптур можуть викликати в нас безпосередню естетичну реакцію, але вона, безумовно, не є обов’язковою, і, без сумніву, відрізняється від тих вражень, які ми отримуємо від таких творів мистецтва, як романи і концерти. Нам потрібно витратити певний час і докласти зусиль, щоб розглянути весь роман чи концерт, перш ніж ми зможемо повністю оцінити його красу та естетичне значення в цілому. Подібно до результатів багатьох, особливо дуже складних, експериментів, зрештою, саме усвідомлення взаємодії між дизайном і значущістю результату викликає естетичну реакцію.
Досі ми бачили, що дизайн є невід’ємною частиною естетичної оцінки експериментів, але ми також, здається, цінуємо ті експерименти, які зробили важливий внесок: результати яких допомогли підтвердити теорію або зробити відкриття. Останнє, що я хочу з’ясувати – як нам оцінювати значущість експериментів, які дають нульові результати, і чи можуть такі експерименти теж бути прекрасними? Обидва вищезгадані експерименти – Мезельсона-Сталя та Майкельсона-Морлі – були дуже оригінальними та елегантними у своєму дизайні. Але якщо перший допоміг підтвердити природу реплікації ДНК, то другий не досяг того, для чого він був розроблений: інтерферометр так і не виявив дрейфу ефіру, незважаючи на численні спроби. Чи втрачає тоді експеримент Майкельсона-Морлі своє право називатися прекрасним через нульовий результат?
У своїй статті «Естетика наукових експериментів» (2020) я стверджувала, що наше розуміння того, що вважається успішним експериментом, має бути набагато ширшим, ніж просто підтвердження гіпотези або виявлення передбаченої нею частинки. Наприклад, існування ефіру колись було безперечним припущенням, поки Майкельсон і Морлі не поставили свій неймовірно ретельний експеримент, який продемонстрував творчий підхід та винахідливість у своєму елегантному дизайні. Хоча виявилося, що ефіру не існує, їхні нульові результати поставили під сумнів загальноприйняті переконання того часу і спонукали до пошуку нової парадигми. Тож, експеримент Майкельсона-Морлі прекрасний, тому що він запропонував найелегантніший спосіб досягнення мети: двоє вчених виявили оригінальне та творче мислення, винайшли один із найточніших вимірювальних пристроїв того часу і провели експеримент, що має незаперечне наукове значення.
На відміну від Мезельсона і Сталя, які дали відповідь, що відповідає науковим очікуванням, результати експериментів Майкельсона-Морлі були руйнівними. Але саме цей руйнівний характер їх результатів дозволив виявити обмеженість наших знань і відчинив двері для перегляду та переформулювання нашої фізики, що призвело до прийняття спеціальної теорії відносності Ейнштейна та відмови від ньютонівської системи. Дизайн був прекрасним, установка – ретельною та оригінальною, а результати – руйнівними, дивовижними та захоплюючими. Подібно до багатьох творів мистецтва, які кидають виклик нашим фундаментальним уявленням про себе та своє місце у світі, красиві експерименти можуть дати результати, які спонукають нас переглянути робочі припущення. Їхнє естетичне значення нерозривно пов’язане зі станом нашого розуміння та ілюструє різноманітну природу естетичних переживань, які можуть викликати наукові винаходи та витвори мистецтва.
Стаття вперше була опублікована англійською мовою під заголовком «When is a scientific experiment like a beautiful work of art?» в журналі Aeon 2 грудня 2021 р.
Переклали студенти групи 31п Факультету іноземної філології Національного університету імені М.П. Драгоманова.
