16. Экспериментирование
и научный реализм

Экспериментальная работа предоставляет самый сильный довод в пользу научного реализма. Это происходит не потому, что мы проверяем гипотезы об объектах, а потому, что с объектами, которые в принципе не “наблюдаемы”, можно манипулировать регулярным образом, с тем чтобы получать новые явления и исследовать другие аспекты природы. Они являются средствами, инструментами не мысли, а дела. Электрон – любимый объект философов. Я покажу, как электроны стали экспериментальными объектами или объектами экспериментатора. На ранних стадиях открытия того или иного объекта мы можем проверять гипотезу о том, что он существует. Даже это не является рутинной работой. Когда в 1897 году Томсон понял, что объекты, называемые им “корпускулами”, испаряются с катодов, первым, что он сделал, было измерение массы этих отрицательно заряженных частиц. Он произвел грубую оценку заряда e и измерил e/m. Он также получил довольно точную оценку m. Милликен следовал некоторым идеям, уже обсуждавшимся у Томсона в Лаборатории Кавендиша. К 1908 году ему удалось определить заряд электрона, то есть вероятную минимальную единицу электрического заряда. Следовательно, с самого начала ученые не столько проверяли существование электронов, сколько взаимодействовали с ними. Чем больше мы начинаем понимать причинные силы, связанные с электронами, тем больше мы можем построить приборов, с помощью которых можно получать хорошо известные эффекты в других областях природы. К тому времени, как мы становимся способными использовать электрон для манипуляции с другими объектами, электрон перестает быть чем-то гипотетическим, чем-то выводимым. Он перестает быть теоретическим и становится экспериментальным.

Большая часть физиков-экспериментаторов являются реалистами относительно некоторых теоретических объектов, а именно тех, которые они используют. Я заявляю, что они и не могут не быть ими. Несомненно, что многие также являются реалистами относительно теорий, но это не столь существенно для них. Экспериментаторы часто бывают реалистами относительно объектов, которые они исследуют, но они не обязательно должны быть ими. У Милликена, видимо, не было мучительных сомнений по поводу реальности электронов, когда он занялся измерением их заряда. Но он мог скептически относиться к тому, что он мог найти, до того, как он это нашел. Но и после этого он мог остаться скептиком. Он мог бы рассуждать так: может, и существует минимальная единица электрического заряда, но не существует частицы или объекта с точно таким количеством заряда. Экспериментирование с объектом еще не заставляет поверить, что он существует. Только манипулирование с объектом при экспериментировании с чем-нибудь другим может в этом убедить.

Более того, даже если вы используете электроны для экспериментирования с чем-то другим, это еще не делает невозможными сомнения в существовании электронов. Но понимая некоторые причинные свойства электронов, можно делать предположения о том, как построить очень сложный прибор, который позволит вам упорядочить электроны тем способом, которым вы хотите, для того чтобы увидеть, что случится с чем-то другим. Как только у вас есть правильная экспериментальная идея, вы наперед знаете, как построить прибор, потому что вам известно, как можно заставить электрон вести себя определенным способом. В этом случае электрон больше не является средством организации наших мыслей или средством спасения наблюдаемых явлений. Электроны оказываются средством создания явлений в другой области природы. Электроны становятся инструментами.

Существует важное экспериментальное различие между реализмом относительно объектов и реализмом относительно теорий. Предположим, мы говорим, что реализм относительно теорий – это вера в то, что цель науки – достижение истины. Вряд ли кто-либо из экспериментаторов будет это отрицать. Только философы сомневаются в этом. Но получение истины – это весьма далекая цель. В то время как такая цель, как получение электронного пучка, достигается посредством имеющихся в наличии электронов. Нацеливание точно настроенного лазера на определенный атом для того, чтобы выбить определенный электрон, тем самым приводя к созданию иона, – это опять-таки нацеливание на уже имеющиеся электроны. В настоящий момент не существует множества теорий, в которые необходимо верить. Если реализм относительно теорий является учением о целях науки, то это учение, нагруженное определенными ценностями. Если реализм относительно объектов – это вопрос об использовании электронов на следующей неделе или задача нацеливания на другие электроны неделю спустя, то это учение весьма нейтрально по отношению к ценностям. То, как экспериментаторы являются научными реалистами относительно объектов, совершенно отлично от того, как они могут быть реалистами относительно теорий.

Это различие проявляется, когда мы обращаемся от идеальных теорий к тем, которые существуют сейчас. Многие свойства надежно приписаны к электронам, но большинство свойств выражено в многочисленных теориях или моделях, о которых экспериментатор может знать довольно мало. Даже ученые из одной группы, которая работает над разными частями одного большого эксперимента, могут придерживаться различных и несовместимых теоретических описаний электрона. Это происходит потому, что различные части эксперимента будут использовать электрон по-разному. Модели, пригодные для одного аспекта электрона, будут плохими для других аспектов. Порой группа стремится выделить одного из своих членов с совершенно иными теоретическими представлениями для того, чтобы просто иметь кого-нибудь, кто может решать эти экспериментальные проблемы. Может быть выбран кто-нибудь с образованием, полученным в другой стране, чей теоретический язык сильно отличается от вашего, с целью получить тот эффект, который вы желаете.

Но существует ли общее ядро теории, общее мнение всех членов группы, которое и есть теория электрона и которой реалистически придерживаются все экспериментаторы? Я бы назвал это общим профессиональным знанием, а не общим ядром. Существует множество теорий, моделей и тому подобного, включающего электроны, но нет основания предполагать, что пересечение всего этого вообще есть теория. Нет так же и повода думать, что существует такая вещь, как “наиболее мощная нетривиальная теория, содержащаяся в пересечении всех теорий, в которую научили верить того или иного члена группы”. Даже если существует множество разделяемых мнений, то нет основания предполагать, что они образуют нечто, что стоит называть теорией. Естественно, что группы обычно складываются из единомышленников, работающих в одном институте, так что обычно существует некий общий теоретический базис для их работы. Это социологический факт, а не основание для научного реализма.

Я признаю, что многие философские теории, касающиеся научного реализма, являются учениями не о настоящем, а о том, что мы можем достигнуть; они об идеале, к которому мы стремимся. Так что отсутствие теории не может быть аргументом против оптимистической цели. Суть заключается в том, что такой научный реализм относительно теорий должен принять пирсовские принципы веры, надежды и любви. Научный реализм относительно объектов не нуждается в этих добродетелях. Он возникает из того, что мы можем сделать в настоящем. Чтобы понять это, мы должны рассмотреть подробнее построение прибора, который может заставить электрон успокоиться и вести себя прилично.

Даже если экспериментаторы являются реалистами относительно объектов, из этого не следует, что они правы. Может быть, это дело психологии, может быть, само мастерство заставляет талант экспериментатора сочетаться с особым складом ума, объективирующим все, о чем он мыслит. Хотя и это не так. Экспериментатор с готовностью полагает, что нейтральные бозоны являются чисто гипотетическими объектами^*, и в то же время считет электроны реальными. В чем различие?

Существует бесконечное количество способов, которыми можно делать инструменты, основывающиеся на причинных свойствах электронов, для того, чтобы произвести желаемый эффект непревзойденной точности. Сейчас я постараюсь проиллюстрировать этот факт. Аргумент, который может быть назван экспериментальным аргументом в пользу реализма, состоит не в том, что мы выводим реальность электрона из нашего успеха. Дело обстоит не так, что мы сначала делаем инструменты, затем выводим реальность электронов, как в том случае, когда мы проверяем гипотезу и начинаем в нее верить, потому что она прошла тест. По отношению к объектам такой временной порядок не проходит. Здесь дело обстоит так: к настоящему времени мы разработали прибор, который основывается на скромном наборе банальных истин относительно электронов, для того чтобы произвести несколько других явлений, которые мы желаем исследовать.

Это может навести на мысль, что мы верим в электроны, поскольку можем предсказать поведение нашего прибора, но это так же далеко от действительности. У нас есть ряд общих идей, скажем, о том, как подготовить поляризованные электроны. Мы тратим много времени на построение прототипов приборов, которые не работают. Мы избавляемся от неимоверного количества ошибок. Часто нам необходимо сдаться и попробовать другой подход. Отладка – это не дело теоретического объяснения или предсказания того, в чем ошибка. Частично она сводится к тому, чтобы избавиться от “шума” в приборе. Хотя слово “шум” также имеет точное значение, оно часто означает все те события, которые не укладываются ни в одну теорию. Инструмент должен быть способен физически выделять свойства объектов, которые мы хотим использовать и подавлять все остальные эффекты, которые могут нам помешать. Мы полностью убеждены в реальности электронов, когда мы регулярно пытаемся построить – и довольно часто с успехом строим – новые виды приборов, которые используют разнообразные, плохо понятные причинные свойства электронов для проникновения в другие, более гипотетические части природы.

Это невозможно понять без примера. Знакомые исторические примеры часто обрастают ложными философиями истории науки, ориентированными на теорию. Так что я возьму новый пример, относящийся к поляризующей электронной пушке с акронимом PEGGY II. В 1978 году она использовалась в фундаментальном эксперименте, который привлек внимание даже газеты “Нью-Йорк Таймс”. В следующем разделе я опишу суть изготовления PEGGY II. Для этого мне понадобится немного рассказать о некоторой области новейшей физики, описание которой можно пропустить и читать лишь следующий далее инженерный раздел.

И все же для читателя может представить интерес довольно легкое для понимания значение основных экспериментальных результатов, а именно (1) четность поляризованных электронов при рассеянии на дейтерии не сохраняется; и (2) более общий факт, согласно которому четность нарушается в слабых взаимодействиях нейтральных токов.

В природе существуют четыре основных типа сил, про которые нельзя сказать, что они совершенно различные. Сила тяжести и электромагнитные силы известны всем. Существуют еще сильные и слабые силы, которые воплощают исследовательскую программу Ньютона, изложенную им в “Оптике”. Ньютон утверждал, что вся природа должна пониматься в смысле взаимодействия частиц с различными силами притяжения или отталкивания, действующими на разных расстояниях (то есть с различными скоростями убывания их величин с отдалением).

Сильные взаимодействия в 100 раз сильнее, чем электромагнитные, но действуют на чрезвычайно малых расстояниях, не превышающих диаметр протона. Сильные силы действуют на “адроны”, которые включают в себя протоны, нейтроны и некоторые недавно открытые частицы, но не на электроны и другие частицы из класса, называемого “лептонами”.

Слабые взаимодействия в 10000 раз слабее электромагнитных сил и действуют на расстояниях в 100 раз меньших, чем расстояния, характерные для сильных взаимодействий, но зато они действуют как на адроны, так и на лептоны. Самым известным примером слабых взаимодействий служит b -радиоактивность.

Теорией, благодаря которой были получены такие выводы, была квантовая электродинамика. Эта теория чрезвычайно успешна и дает предсказания с точностью до одной миллионной, что является чудом современной физики.^* Она применима на расстояниях от диаметра Земли до 1/100 диаметра протона. Эта теория предполагает, что носителями всех сил служат некоторого рода частицы. Носителями электромагнитных взаимодействий служат фотоны. Есть гипотеза, что носителями гравитационной силы являются “гравитоны”. В случае со взаимодействиями, включающими слабые силы, существуют заряженные токи. Постулируется, что носителями этих слабых сил являются частицы, которые называются бозонами. Для заряженных токов бозоны могут быть положительными или отрицательными. В 1970 годах обнаружилась возможность того, что могут быть слабые “нейтральные” токи, в которых заряды не переносятся и не обмениваются. По простой аналогии с проверенными частями квантовой электродинамики, нейтральные бозоны постулированы как носители слабых взаимодействий.

Наиболее известное открытие в современной физике высоких энергий заключается в нарушении закона сохранения четности. Вопреки ожиданиям многих физиков и философов, включая и Канта, природа непререкаемо различает правостороннее и левостороннее. Это становится очевидным лишь для слабых взаимодействий.

То, что называется право- или левосторонностью в природе, конечно, имеет условный характер. Я уже говорил о том, что у электронов есть спин. Представьте, что ваша рука обнимает крутящуюся частицу так, что пальцы указывают в сторону вращения. В таком случае говорят, что большой палец направлен в сторону вектора вращения. Предположим, что такие частицы движутся в пучке, и рассмотрим отношение между вектором вращения и пучком. Если у всех частиц вектор вращения направлен в том же направлении, что и пучок, то имеет место правосторонняя поляризация, а если вектор вращения противоположен направлению пучка, то имеет место левосторонняя поляризация.

Открытие нарушения четности показало, что один из продуктов распада частиц, так называемое мюонное нейтрино, существует только в левосторонней поляризации.

Нарушения четности были обнаружены для слабых заряженных взаимодействий. Можно ли это утверждать для случая слабых нейтральных токов? Замечательная модель Вайнберга-Салама для четырех типов сил была предложена независимо Стивеном Вайнбергом в 1967 году и А. Саламом в 1968 году^*. Она подразумевает малые нарушения четности в слабых нейтральных взаимодействиях. Если считать, что эта модель – чистое умозрение, то ее успех совершенно удивителен и даже внушает благоговение. Так что стоит попытаться проверить предсказанное нарушение четности для слабых нейтральных взаимодействий. Это может обеспечить нас большей информацией о слабых силах, которые действуют на таких малых расстояниях.

Предсказание заключается в следующем: левосторонне поляризованные электроны, ударяясь об определенные препятствия, рассеиваются немного больше, чем правосторонние электроны. Немного больше! Разница в относительных вероятностных частотах рассеяний двух типов составляет 1/10000, сравнимую с различием вероятности между 0,50005 и 0,49995. Предположим, что используется стандартное оборудование, которое было доступно в Стэнфордском линейном ускорителе в начале 1970-х годов. Оно дает 120 импульсов в секунду, каждый из которых порождает одно электронное событие. В этом случае потребуется 27 лет для того, чтобы уловить такое малое различие в относительной частоте. Учитывая то, что один пучок используется сразу в нескольких экспериментах, разрешая различным экспериментаторам использовать различные импульсы и учитывая, что ни одна установка не может быть стабильной больше месяца, не говоря уже о 27 годах, можно понять, что такой эксперимент невозможен. Для успеха необходимо бесконечно больше электронов, выбрасываемых в каждом импульсе. Необходимо от 1000 до 10000 дополнительных электронов на импульс по сравнению с тем, что было возможно раньше. В первой попытке использовался прибор, который теперь называется PEGGY I. Он содержал, по существу, высококласный вариант горячего катода Дж. Дж. Томсона. Нагревалось некоторое количество лития и испарялись электроны. PEGGY II основана на совершенно отличных принципах.

Основная идея возникла, когда Ч. Я. Прескотт заметил (“случайно”!) статью в оптическом журнале о кристаллическом веществе под названием арсенид галлия – GaAs. Это вещество имеет любопытное свойство. Когда на него воздействуют циркулярно поляризованным светом подходящих частот, он излучает множество линейно поляризованных электронов. Имеется достаточно хорошее приближенное квантовое понимание того, почему это происходит и почему половина излучаемых электронов будет поляризована, причем 3/4 электронов поляризовано в одном направлении, а 1/4 – в другом.

PEGGY II использует этот факт, а так же то, что GaAs излучает множество электронов благодаря кристаллической структуре. После этого наступает черед для инженерного искусства. Его задача – освобождать электрон с поверхности. Известно, что здесь помогает покрытие поверхности подходящим веществом. В данном случае на кристалл наносился тонкий слой цезия и кислорода. Кроме того, чем меньше давление воздуха около кристалла, тем больше электронов покинет поверхность при данной интенсивности облучения. В связи с этим бомбардирование производилось в высоком вакууме при температуре жидкого азота.

Нам необходим подходящий источник света. На кристалле испытывается лазер с импульсами красного света (7100 ангстрем). Сперва свет проходит через обычный поляризатор, очень древний прибор из кальцита или исландского шпата. Это дает линейно поляризованный свет. Но нам нужно, чтобы кристалл обрабатывался циклически поляризованным светом. Поляризованный лазерный луч проходит через хитрый прибор, который называется батареей Покела. Он превращает линейно поляризованные фотоны в фотоны, обладающие круговой поляризацией. Как электрический прибор, он работает в качестве очень быстрого переключателя. Направление круговой поляризации зависит от направления тока в батарее. Следовательно, направление поляризации может меняться случайным образом. Это важно, поскольку мы пытаемся уловить очень маленькую асимметрию между право- и левосторонней поляризацией. Рандомизирование помогает нам избежать любого систематического “дрейфа” в оборудовании. Рандомизация порождается радиоактивным распадом, и компьютер записывает направление поляризации для каждого импульса.

Импульс фотонов, имеющих круговую поляризацию, воздействует на кристалл GaAs, в результате чего появляется импульс линейно поляризованных электронов. Пучок электронов с таким импульсом направляется магнитами на ускоритель на следующем этапе эксперимента. Этот пучок проходит через прибор, который проверяет степень поляризации вдоль нужного направления. Остальная часть эксперимента требует других приборов и детекторов, для изготовления которых нужна не меньшая изобретательность, но мы остановимся на PEGGY II.

Короткое описание делает все слишком простым, так что давайте остановимся и поразмыслим над возможными помехами. Многие из них так и остаются никогда не понятыми. Они устраняются методом проб и ошибок. Продемонстрируем три вида помех: (1) существенные технические ограничения, которые в конце концов должны быть включены в анализ ошибок; (2) простые механические дефекты, о которых не размышляют до тех пор, пока они не действуют на вас; (3) намеки на то, что могло бы быть неправильным.

(1) Лазерные пучки не так постоянны, как учит нас научная фантастика, и всегда имеется неустранимая “дрожь” в луче на протяжении любого отрезка времени.

(2) На более банальном уровне электроны из кристалла GaAs рассеиваются назад и возвращаются по тому же каналу, что и лазерный луч, используемый для удара о кристалл. Большинство их затем отклоняется под действием магнитного поля. Но некоторые отражаются от лазерного аппарата и возвращаются в систему. Так что необходимо уничтожить эти побочные электроны. Это совершается при помощи грубых механических средств, заставляющих электроны фокусироваться вне кристалла и таким образом уходить из него.

(3) Хорошие экспериментаторы остерегаются даже совсем невероятных помех. Что если предположить, что частицы пыли на экспериментальной поверхности ложатся плоско, когда поляризованный импульс ударяется о них, а затем “встают дыбом”, если подвергаются действию импульса, поляризованного в противоположном направлении? Может это быть источником систематической ошибки, если учесть, что мы улавливаем малую асимметрию? Как-то ночью одному члену группы пришла в голову такая мысль, и на следующее утро он стал яростно поливать установку противопылевым спреем. Это делалось на протяжении целого месяца, на всякий случай.

Требовалось около 10¹¹ событий для того, чтобы получить результат, который был бы признан действительным результатом, а не отнесен к систематической и статистической ошибке. Хотя идея систематической ошибки представляет интересные концептуальные проблемы, она, по-видимому, неизвестна философам. Существовали систематические неопределенности в определении право- и лево-сторонней поляризации, имела место некоторая дрожь, и существовали другие проблемы относительно параметров этих двух типов пучков электронов. Эти ошибки анализировались и линейно складывались со статистической ошибкой. Для занимающегося статистическим выводом это является настоящим протиранием штанов без какого-либо смысла. Может это и было так, но благодаря PEGGY II число событий было достаточно велико для того, чтобы дать результат, который убедил бы все физическое сообщество. Лево-поляризованные электроны рассеивались на дейтерии несколько более часто, чем право-поляризованные электроны. Это было первым убедительным примером нарушения четности в слабых взаимодействиях с нейтральным током.

Изготовление PEGGY II было явно не теоретическим процессом. Никто заранее не разрабатывал поляризационные свойства GaAs – он был найден случайно путем независимых экспериментальных исследований. Хотя элементарная квантовая теория кристаллов объясняет поляризационный эффект, она не объясняет свойства действительно используемого кристалла. Никому не удавалось заставить реальный кристалл поляризовать более 37% электронов, хотя в принципе должно быть поляризовано 50% электронов.

Сходным образом, хотя у нас имеется некоторая общая картина того, почему слои цезия и кислорода будут “производить отрицательное электронное сродство”^*, то есть давать электронам большую возможность для вылета, у нас нет количественного понимания того, почему это повышает эффективность до 37%.

Не было также никакой гарантии, что отдельные куски уложатся в общую картину. Чтобы дать более современную иллюстрацию, будущая экспериментальная работа, вкратце описанная ниже, заставляет желать даже большего числа электронов за импульс, чем могла бы дать PEGGY II. Когда информация об эксперименте по нарушению четности была опубликована в “New-York Times”, ученые из группы в Лаборатории Белла прочитали газету и увидели, что происходит. Ими уже была сконструирована кристаллическая решетка для совершенно других целей. В ней использовались слои GaAs и родственное соединение алюминия. Структура этой решетки давала основания ожидать, что с ее помощью все излучаемые электроны будут поляризованы. То есть появляется возможность удвоить эффективность PEGGY II. Но в настоящее время эта прекрасная идея встречается с большими трудностями. Новая решетка также должна быть покрыта веществом, уменьшающим работу выхода электронов. Цезиево-кислородное соединение наносится при высокой температуре. Следовательно, алюминий стремится к проникновению в соседний слой GaAs, и довольно искусно сделанная решетка становится слегка неправильной, ограничивая тем самым свои тонкие свойства, связанные с излучением поляризованных электронов. Таким образом, возможно, она никогда не будет работать. Одновременно Прескотт возродил термоэмиссионный катод, повышая его мощность, для того чтобы получить больше электронов. “Теория” не скажет нам, что PEGGY II превзойдет термоэмиссионный PEGGY I. Она также не скажет нам о том, будет ли PEGGY II превзойдена каким-либо термоэмиссионным PEGGY III.

Заметим, что сотрудники Лаборатории Белла не нуждались в знании теории слабого нейтрального тока для того, чтобы разрабатывать свои образцовые решетки. Они просто читали “New-York Times”.

Когда-то было вполне осмысленно сомневаться в том, что существуют электроны. Даже после того, как Томсон измерил массу своих корпускул и Милликен измерил их заряд, сомнение еще имело смысл. Необходимо было точно знать, что Милликен меряет ту же самую величину, что и Томсон. Требовалась большая теоретическая разработка. Идею нужно было использовать во множестве других явлений. Физика твердого тела, атом, сверхпроводимость – все это должно было играть свою роль.

Когда-то лучшим доводом в пользу мысли о том, что электроны существуют, мог быть успех в объяснении явлений. В главе 12 мы видели, как Лоренц объяснял эффект Фарадея с помощью теории электрона. Я уже говорил, что способность к объяснению не дает гарантии истинности. Даже со времени Дж. Дж. Томсона основными считались измерения, а не объяснения. Объяснения, конечно, помогали. Некоторые люди, может быть, верили в существование электронов, потому что постулирование их существования объясняло широкий класс явлений. К счастью, нам больше не нужно делать вид, что мы делаем вывод о существовании электронов из успешного объяснения (то есть из того, что создает комфорт нашему разуму). Прескотт и другие не объясняли явления с помощью электронов. Они знали, как использовать их. Ни один человек в здравом уме не думает о том, что электроны – “действительно” маленькие вращающиеся шарики, вокруг которых, имея достаточно маленькую руку, вы можете обернуть пальцы так, что большой палец будет указывать направление вращения. Вместо этого существует семейство причинных свойств, в терминах которых талантливые экспериментаторы описывают и раскрывают природу электрона для того, чтобы изучать что-либо еще, например, слабые нейтральные токи и нейтральные бозоны. Мы знаем огромное количество фактов о поведении электронов. Очень важно знать также то, что не имеет большого значения для электронов. Так, мы знаем, что попадание поляризованного электронного пучка в магнитную катушку не повлияет на поляризацию каким-либо существенным образом. У нас есть догадки, слишком сильные для того, чтобы их можно было бы игнорировать, и в то же время слишком тривиальные для того, чтобы проверять их независимо: например, пыль может колебаться при изменении направления поляризации. Эти догадки основаны на трудноуловимом смысле вещей, таких как электроны. (К этой догадке не имеет отношения вопрос о том, являются ли электроны облаками, волнами или частицами.)

Отметим радикальное различие между электронами и нейтральными бозонами. Мне говорят, что никто еще не может манипулировать пучком нейтральных бозонов, если они и существуют. Даже слабые нейтральные токи являются всего лишь тем, что появляется из тумана гипотез. К 1980 году достаточный объем убедительных экспериментов сделал их объектом исследования. Когда они потеряют свой гипотетический статус и станут обычной реальностью, такой как электроны? Когда мы станем использовать их для изучения чего-либо другого.

Я упомянул о желании сделать пушку, лучшую, чем PEGGY II. Почему? Потому что теперь мы “знаем”, что четность нарушается в слабых нейтральных взаимодействиях. Может быть, с помощью еще более абсурдного статистического анализа, чем тот, который входит в эксперимент по выявлению четности, можно выявить именно слабые взаимодействия. То есть у нас имеется множество взаимодействий, включая, скажем, электромагнитные. Можно подвергать их различным проверкам, но можно также статистически выделить класс слабых взаимодействий как именно тех, где не сохраняется четность. Это, возможно, откроет нам путь к достаточно глубокому исследованию вещества и антивещества. Чтобы наладить статистику, необходимо получать еще больше электронов на импульс, чем можно надеяться получить с помощью PEGGY II. Если бы такой проект удался, мы бы начали использовать слабые нейтральные токи как средства манипуляции для того, чтобы посмотреть на что-либо еще. Был бы сделан следующий шаг к утверждению о реальности таких токов.

Хотя реализм и антиреализм являются частями философии науки, лежащей глубоко в греческой предыстории, наши современные версии, в основном, восходят к спорам по поводу атомизма в конце девятнадцатого века. Антиреализм относительно атомов был частично делом физики: энергетисты думали, что в основе всего находится энергия, а не маленькие кусочки материи. Это было также связано с позитивизмом Конта, Маха, Пирсона и даже Дж. С. Милля. Молодой сотрудник Милля Александр Бейн характерным образом выразил эту точку зрения в своем учебнике “Логика дедуктивная и индуктивная”. В 1870 году для него было вполне естественно писать следующее:

“Некоторые гипотезы являются предположениями относительно мельчайшей структуры тел и операций с ними. Учитывая природу этих предположений, можно утверждать, что они никогда не могут быть доказаны прямым способом. Их достоинство заключается в их приемлемости для выражения явлений. Это Фикции теоретических Представлений.”

“Все утверждения относительно конечной структуры частиц материи”, – продолжает Бейн, – “являются и даже должны быть гипотетическими...” Кинетическая теория тепла, говорит он, “служит важной интеллектуальной функцией”. Но мы не должны считать ее правильным описанием мира. Это Фикция Представления.

Несомненно, что сто лет назад Бейн был прав. Предположения относительно мельчайшей структуры материи тогда не могли быть доказаны. Возможно было лишь непрямое доказательство, а именно то, что эти гипотезы, по-видимому, обеспечивают некоторое объяснение и помогают делать хорошие предсказания. Такие выводы, конечно, не являются достаточным основанием для того, чтобы убедить в реализме философа, склонного к инструментализму или какому-либо другому виду идеализма.

Эта ситуация очень похожа на ту, которая сложилась в эпистемологии семнадцатого века. В то время знание понималось как правильное представление. Но с точки зрения этой эпистемологии нельзя выйти за пределы представления для того, чтобы быть уверенным в том, что они соответствуют миру. Любая проверка представления является другим представлением. “Ничто не похоже на мысль больше, чем мысль”, как говорил епископ Беркли. Пытаться спорить о научном реализме на уровне теории, проверки, объяснения, предсказательного успеха, сходимости теорий и тому подобного означает быть замкнутым в мире представлений. Неудивительно, что научный антиреализм держится с таким постоянством. Это вариант “зрительской (созерцательной) теории знания”.

Ученые, в противоположность философам, стали, в общем, реалистами относительно атомов в 1910 году. Несмотря на изменения в интеллектуальном климате, некоторое множество антиреалистически ориентированных версий инструментализма или фикционализма оставалось сильной философской альтернативой реализму и в 1910-х, и в 1930-х годах. Это то, чему учит нас история философии. Урок заключается в следующем: думайте о практике, а не о теории. Антиреализм относительно атомов был весьма разумен сто лет назад, когда писал Бейн. Антиреализм относительно любых микроскопических объектов был состоятельным учением в те дни. Теперь все изменилось. “Прямое” доказательство существования электронов и им подобных объектов заключается в нашей способности манипулировать ими, используя хорошо понятные причинные свойства фундаментального уровня материи. Я, конечно, не утверждаю, что реальность создается человеческими манипуляциями. Способность Милликена определить заряд электрона внесла большой вклад в идею электрона: я думаю, больший, чем лоренцевская теория электрона. Определение заряда чего-либо заставляет верить в существовании этого гораздо больше, чем постулирование этого для объяснения чего-либо еще. Милликен наносит заряд на электрон – еще лучше. В 1925 году Уленбек и Гаудсмит приписывают угловой момент электронам, блестяще решив множество проблем. С тех пор у электрона появился спин. Еще более убедительным доводом становится то, что мы можем придавать электронам определенное направление спина, поляризовать их и заставлять их рассеиваться в немного различных пропорциях.

Существует, конечно, бессчетное количество объектов и процессов, о которых человечество никогда не узнает. Может быть много таких, о которых мы в принципе никогда не узнаем. Реальность больше нас. Наилучшее свидетельство в пользу постулируемого или выводимого объекта заключается в том, что мы начинаем измерять его или каким-либо образом понимать его причинные силы. В свою очередь, наилучшее свидетельство того, что мы обладаем этим типом понимания, заключается в том, что мы можем начать с пустого места строить машины, которые будут работать достаточно надежно используя ту или иную причинную силу. Следовательно, лучшим подтверждением научного реализма служит инженерия, а не теория. Мои нападки на научный антиреализм аналогичны нападкам Маркса на современный ему идеализм. Я, как и он, говорю, что суть заключается не в том, чтобы понять мир, а в том, чтобы изменить его. Может быть и есть объекты, о которых мы можем знать только в теории (черные дыры). Тогда наше свидетельство подобно тому, которое предоставил Лоренц. Может быть, и существуют объекты, которые мы будем только измерять и никогда не будем использовать. Экспериментальный аргумент в пользу реализма не говорит о том, что существуют лишь объекты экспериментатора.

Теперь я должен признаться в некотором скептицизме, скажем, по отношению к черным дырам. Я подозреваю, что должно быть другое представление вселенной, в равной степени согласованное с явлениями, но в котором нет черных дыр. Я унаследовал от Локка определенную неприязнь к оккультным силам. Вспомним, как он яростно нападал на ньютоновскую гравитацию как на оккультную силу. Потребовалось два столетия для того, чтобы показать, что он был прав. Ньютоновский эфир также был совершенно оккультен. Это учит нас многому. Максвелл описывал свои электромагнитные волны в эфире, а Герц подтвердил их существование. Майкельсон описал способ взаимодействия с эфиром. Он считал, что его опыт подтвердил стоксовскую теорию эфирного ветра, но в конце концов этот опыт стал одним из многих опытов, который заставил эфир испариться. Скептики вроде меня делают индуктивные выводы осторожно. Долгоживущие теоретические объекты, которыми в конце концов не могут манипулировать, обычно оказываются всего лишь замечательными заблуждениями.