Наука стала необычайно технократической и сложной. Является ли простой и решительный эксперимент достойным идеалом?

У ученых существует давняя традиция сравнения научных моделей, изображений, теорий и экспериментов с произведениями искусства. Нам говорят, что теория относительности Альберта Эйнштейна, двойная спиранная структура молекул ДНК и изображения столкнувшихся частиц прекрасны, и, как и произведения искусства, они вызывают в США эстетические реакции.

Сами ученые, как и художники, хвалят за их творчество, оригинальность и эстетическую чувствительность. Эйнштейн, например, считал американского физика Альберта Майкельсона, который вместе с Эдвардом Морли разработал эксперимент по измерению скорости земли относительно эфира, как «художник в науке», утверждая, что Михельсон не только разрабатывал хороший эксперимент, но и хотел, чтобы его творения были красивыми.

Так что же значит, что эксперимент будет красивым? Начнем с примера маятника Фуко, который позволяет нам проиллюстрировать три важных способа, в которых эксперимент может быть красивым. В 1851 году французский физик Леон Фуко разработал способ демонстрации того, что Земля вращается вокруг своей оси.

Он повесил тяжелый металлический груз на длинный трос, прикрепленный к внутренней части купола Пантеона в Париже. Когда он привел этот маятник в движение, он медленно качался взад и вперед, прослеживая линии в песке, расположенном под ним. Через некоторое время стало ясно, что следы не все в одной линии из-за вращения Земли под маятником.

Этот маятник был прекрасен в очевидном визуальном смысле — как своего рода кинетическая скульптура с почти гипнозом, медленным движением вперед-назад. Научное оборудование действительно может быть красивым, и часто есть. Возьмем, например, химические реторты, призмы, микроскопы и сложные конструкции, построенные в лабораториях.

В музеях прошлых лет прекрасно создают научные инструменты и оборудование, потому что мы можем оценить их эстетические особенности.

Феномены, которые мы изучаем в экспериментальной установке, такие как кристаллы сульфата меди, радуги, созданные призмами, и микроскопическая структура клеток, тоже могут быть красивыми.

Но то, что сделало маятник Фуко прекрасным экспериментом, — это больше, чем его визуальная красота.

Что еще более важно, он показал эффекты вращения Земли, что-то важное, чего раньше не было продемонстрировано, и сделал это умным, творческим и элегантным образом.

Сам маятник был прекрасен, но высшая красота эксперимента — это сочетание его значимости и его дизайна.

Трудно определить самый красивый эксперимент в науке, но один из самых красивых в биологии был разработан американскими генетиками Мэтью Мезелсоном и Франклином Штальом, чтобы узнать, как ДНК реплицируется.

Что такого в этом эксперименте, что делает его красивым?

Чтобы понять это, сначала давайте поразмышляем над тем, что намеревался сделать эксперимент.

Он был выполнен всего через несколько лет после одного из самых захватывающих научных открытий 20 века: открытия в 1953 г.

двойной спирали структуры ДНК.

С установленной структурой ДНК следующим вопросом, которое необходимо было решить научному сообществу, было то, как реплицировалась ДНК.

Предлагались уже три разные гипотезы: 1) консервативная репликация, согласно которой в дочерней ДНК репликация каждая из двух цепей родительской молекулы ДНК репликируется; 2) полуконсервативная репликация, согласно которой в дочерней ДНК сохраняется одна цепь родительской ДНК, и 3) дисперсионная репликация, согласно которой цепи родительских ДНК разрываются через интервалы, при этом родительские сегменты объединяются в дочернюю ДНК.

Мезелсон и Шталь решили дать ответ на вопрос о том, как ДНК реплицируется, разрабатывая эксперимент, который решительно различал бы три предложенные гипотезы.

В 1958 году два ученых опубликовали результаты этого эксперимента.

Что они сделали для определения правильной гипотезы о репликации ДНК, так это кормление бактерий питательными веществами, содержащими тяжелый изотоп азота, который встраивается в молекулы бактерий посредством метаболизма.

Они изучали генетический материал через следующие поколения, зная, какую скорость размножают бактерии.

Вместо использования радиоактивной маркировки цепей ДНК, что было обычным в то время, они решили использовать плотность и отделили тяжелую ДНК от света с помощью центрифугирования градиента плотности.

Изучая соотношения легкой, тяжелой и гибридной ДНК, полученных ими, Мезелсон и Шталь смогли устранить консервативные и диспергирующие гипотезы репликации, подтверждая, что ДНК на самом деле реплицируется полуконсервативно.

Еще одним аспектом его эстетической ценности является не только то, чему нас научило это исследование, но и то, как оно это сделало, одна из причин, по которой этот эксперимент прославляется в науке, заключается в том, что он является примером креста эксперимента или «важным экспериментом».

Такие эксперименты важны, они дают решительный ответ на вопрос.

Обычно эксперимент считается решающим, когда он подтверждает гипотезу среди альтернативных конкурентов и, таким образом, разрешает спор.

Именно из этой способности дать решающий ответ на вопрос о том, как ДНК реплицирует, можно считать эксперимент Мезелсона-Шталя для получения своей красоты.

Считается, что результаты были четкими и прямыми, чтобы решительно высказываться в пользу одной из претендентских гипотез и отклонить альтернативы.

В своей книге «Красавица и чудовище» (1999) немецкий историк науки Эрнст Питер Фишер утверждает, что «эксперименты Мезелсона-Шталя говорят сами за себя и сделали все дальнейшие комментарии лишними».

В своей истории Мезелсон, Шталь и репликация ДНК (2001) Фредерик Лоуренс Холмс также утверждает, что простота и ясность результата делают этот эксперимент легко презентабельным даже для студентов, служа примером для естественных наук.

Приведенные выше соображения сосредоточены на том, что сделал эксперимент Мезелсона-Шталя, на значение его результатов, но еще один аспект его эстетической ценности заключается не только в том, чему научило нас это исследование, но и на то, как оно это сделало, и это более позднее рассмотрение касается его дизайна.

Эксперимент Мезелсона-Шталя считается имеющим элегантный и подходящий дизайн, который оптимально подходит для достижения цели.

Следуя аргументам их экспериментальной установки, раскрывается гениальная красота дизайна, созданного учеными.

Сделав генетический материал изначально тяжелым, а затем легким, Мезелсон и Шталь могли извлечь и измерить его вес через следующие поколения.

Именно эта идея делает их дизайн оригинальным и элегантным, и они использовали оптимальные материалы и техники для работы.

Таким образом, их простой эксперимент объединяет инновационное и творческое мышление и показывает уместность, представляя, для чего был создан элегантный эксперимент, убедительно решая, какая гипотеза верна.

Установив, что красота экспериментов заключается в элегантности и простоте их дизайна, в значении их результатов и творческого мышления их дизайнеров, я теперь хочу рассмотреть, перенеслись ли эти эстетические идеалы на современные эксперименты в науке.

Существует явная асимметрия между экспериментами столетия назад и экспериментами сегодня.

В прошлых экспериментах, таких как эксперимент Мезелсона-Шталя, часто участвовали несколько ученых в комнате, относительно дешевое оборудование, и, как правило, результаты могли быть восприняты или установлены без длительной интерпретационной работы.

Эксперименты сегодня выглядят совсем иначе.

Возьмем, к примеру, эксперименты ЦЕРН на большом адронном коллайдере (LHC) недалеко от Женевы, который не так давно сделал одно из самых значительных открытий в истории физики элементарных частиц: обнаружение бозона Хиггса, предсказанный стандартной моделью.

В этом эксперименте входит очень сложный механизм (который имеет свой вид красоты) и анализ данных, который является результатом совместной работы тысяч ученых, а сама граница эксперимента выходит за рамки стран.

Учитывая их сложность и размер, соответствуют ли крупномасштабные эксперименты предыдущим эстетическим идеалам?

Стали ли они эстетически неоправданными или их все еще можно хвалить за их эстетические черты?

Неоспоримо, что такие современные эксперименты очень сложны: от механизма, который они используют, до данных, которые они производят, они могут перегружать свои размеры и установку.

Однако, возможно, еще есть возможность присвоить им эстетическую ценность, аналогичную им, как экспериментам вековой давности.

Мне кажется, что, несмотря на сложность крупномасштабных экспериментов, дизайн и ловкость по-прежнему являются предметом эстетической оценки, как и творчество и оригинальность, проявляющиеся в дизайне эксперимента.

И это несмотря на то, что творчество, проявляемое в плане эксперимента, теперь лучше приписывается коллективному мышлению сообщества, чем обязательно конкретному человеку, и оптимальность и меткость проекта скрываются под сложностью экспериментальной установки и задействованного механизма.

Взгляд на красоту в науке и в искусстве не обязательно для нас незамедлительно, даже если мы можем привести аргумент, что подобные эстетические особенности хвалятся в разных экспериментальных традициях, есть еще одно отличие экспериментов с сегодняшнего дня и сегодняшних, которые, возможно, должны заставить нас пересмотреть утверждение о сходстве.

Разница касается того, как мы приходим к экспериментальным результатам.

Как упоминалось ранее, одним из аспектов, которые мы можем оценить в экспериментах по репликации ДНК, является их непосредственность: мы можем наблюдать результаты в «единственном историческом событии», как отметил Холмс.

Такая непосредственность была характерна для многих, хотя и, конечно, не всех ранних экспериментов.

Вернемся к экспериментам, которые природные философы проводили с воздушным насосом, что позволило им изучить многие явления с помощью недавно изобретенного инструмента, способного извлекать воздух из цилиндра.

Как изображает на картине «Птица в воздушном насосе» (1768) Джозефа Райта из «Дерби», можно сразу же заметить влияние на живое существо, когда воздух из цилиндра был извлечен с помощью воздушного насоса, который, в свою очередь, вызвал в аудитории множество откликов, от восхищения и трепета до ужаса.

Точно так же мы можем видеть радугу через призмы Исаака Ньютона и видеть полосы генетического материала легкой, тяжелой и средней плотности в экспериментах Мезелсона-Шталь.

Эксперимент на птице в воздушном насосе (1768 г.) Джозефа Райта из Дерби.

Предоставлено Национальной галереей, Лондон, но есть ли что-то немедленное, когда дело доходит до обнаружения частиц и сил в огромном ускорителе частиц, таких как обнаруженные LHC?

Есть ли смысл, в котором экспериментатор воспринимает результат в «единственном историческом событии»?

Крупномасштабные эксперименты часто включают длительный анализ статистических данных, прежде чем ученые-экспериментаторы смогут согласиться, указывает ли сбор данных на «событие» и представляет ли это событие открытие.

Но эта асимметрия между экспериментами с сразу ощутимыми результатами и теми, чьи результаты включают анализ, занимающий много времени, хотя и примечательно, неудивительно.

Это просто показывает нам, что понимание красоты в науке и в искусстве не всегда связано с восприятием, и эстетическая реакция не обязательно является для нас немедленной.

В конце концов, хотя многие картины и скульптуры могут вызвать у нас немедленную эстетическую реакцию, это, безусловно, не обязательно, и, конечно же, не так, когда мы рассматриваем такие произведения, как романы и концерты.

Нам нужно некоторое время и поработать, чтобы пройти весь роман или концерт, прежде чем мы сможем в полной мере оценить его красоту и эстетическое значение в целом.

Точно так же, как и в результатах многих, особенно очень сложных экспериментов, именно понимание взаимодействия между дизайном и значимости результата провоцирует эстетическую реакцию.

До сих пор мы видели, что дизайн является неотъемлемой частью нашего эстетического понимания экспериментов, но мы, кажется, ценим и те эксперименты, которые сделали что-то важное: результаты чьи результаты помогли подтвердить теорию или сделать открытие.

Последнее, что я хочу рассмотреть, это то, как мы можем понять значение экспериментов, которые приносят нулевые результаты — могут ли такие эксперименты быть красивыми?

Оба вышеупомянутых эксперимента — Мезелсон-Шталь и Михельсон-Морли — были очень оригинальными и элегантными по своему дизайну.

Но в то время как первая помогла подтвердить характер репликации ДНК, вторая не выполнила то, для чего она была предназначена: интерферометр никогда не обнаруживал дрейфа эфира, несмотря на продолжающиеся попытки.

Отстранен ли тогда эксперимент Майкельсона-Морли из-за нулевых результатов?

Я утверждал, что наше понимание того, что квалифицируется как успешный эксперимент, должно быть намного шире, чем просто подтверждение гипотезы или открытие ее предсказанной частицы.

Например, существование эфира когда-то было бесспорным предположением, пока Майкельсон и Морли не начали свой невероятно тщательный эксперимент, который проявил творчество и воображение в его элегантном дизайне.

Несмотря на то, что не существует такой вещи, как эфир, их нулевые результаты в то время оспаривали принятые убеждения и побудили исследовать новую парадигму.

Так что эксперимент Майкельсона-Морли прекрасен, потому что он предлагал самый элегантный способ достижения своей цели: два ученых демонстрировали оригинальное и творческое мышление, изобретая одно из самых точных измерительных устройств периода и предлагая эксперимент непреодолимой научной значимости.

В отличие от Мезелсона и Шталь, которые пришли к ответу, согласующемуся с научными ожиданиями, результаты экспериментов Майкельсона-Морли были разрушительными.

Но именно этот разрушительный характер их результатов побудил выявить ограничения наших знаний и открыл дверь для пересмотра и переформулировки нашей физики, что привело к принятию специальной теории относительности Эйнштейна и отказу от ньютоновской рамки.

Дизайн был красивым, установка осторожна и оригинальна, а результаты были разрушительными, удивительными и наводящими на удручение.

Как и многие произведения искусства, которые бросают вызов нашим фундаментальным предположениям о нас самих и нашем месте в мире, прекрасные эксперименты могут принести результаты, которые побудят нас пересмотреть наши рабочие предположения.

Их эстетическое значение замысловато связано с нашим состоянием понимания и иллюстрирует разнообразную природу эстетического опыта, который могут вызвать научные продукты и произведения искусства.