Фальсификация и методология научно-исследовательских программ - Лакатос Имре (полные книги .TXT) 📗
Поскольку серии Бальмера и Пашена были известны до 1913 г., некоторые историки видят в этом пример бэконовского "индуктивного восхождения": 1) хаос спектральных линий, 2) "эмпирический закон" (Бальмер), 3) теоретическое объяснение (Бор). Это сильно напоминает три "этажа" Уэвелла. Но прогресс науки, наверняка, был бы замедлен, если полагаться на набивший оскомину метод проб и ошибок остроумного швейцарского школьного учителя: магистраль научной абстрагирующей мысли, проложенная смелыми умозрениями Планка, Резерфорда, Эйнштейна и Бора, дедуктивным образом привела бы к результатам Бальмера как к проверочным предложениям по отношению к их теориям, обходясь без так называемого "первопроходчества" Бальмера. Рациональная реконструкция истории науки не обещает авторам "наивных догадок" достойного вознаграждения за их муки. (185)
На самом деле проблема Бора заключалась не в том, чтобы объяснить серии Бальмера и Пашена, а в том, чтобы объяснить парадоксальную устойчивость атома Резерфорда. Более того, Бор даже не знал об этих формулах до того, как была написана первая версия его статьи. (186)
Не все новое содержание первой боровской модели M1 нашло подкрепление. Например, M1 претендовала на предсказание всех спектральных линий водорода. Однако были получены экспериментальные свидетельства о таких водородных сериях, которых не могло быть по боровской M1. Это были аномальные ультрафиолетовые серии Пикеринга-Фаулера.
Пикеринг нашел эти серии в 1896 г. в спектре звезды t, Кормы. Фаулер, после того как первый член серии был подтвержден также наблюдениями во время солнечного затмения в 1898 г., получил всю серию в экспериментах с разрядной трубкой, содержащей смесь водорода и гелия. Конечно, можно было предположить, что линии-монстры не имели ничего общего с водородом, поскольку и Солнце, и звезда t, Кормы содержат множество газов, а разрядная трубка содержала также гелий. И в самом деле серия не могла быть получена в трубке с чистым водородом. Но "экспериментальная техника" Пике-ринга и Фаулера, с помощью которой была фальсифицирована гипотеза Бальмера, имела достаточно разумное, хотя никогда специально не проверявшееся, теоретическое основание: а) их серии имели то же число схождения, что в серии Бальмера, и, следовательно, могли считаться водородными сериями;
б) Фаулер дал приемлемое объяснение, почему гелий не должен приниматься в расчет при образовании этих серий. (187)
Однако результаты "авторитетных экспериментаторов" не произвели на Бора особого впечатления. Он не сомневался в "точности экспериментов" или "осуществимости их наблюдений": под сомнение была поставлена "наблюдательная теория". И, действительно, Бор предложил альтернативу. Вначале он разработал новую модель (M1) своей исследовательской программы: ионизованный атом гелия, ядро которого имело заряд равный удвоенному заряду протона, с единственным электроном на орбите. Эта модель предсказывал ультрафиолетовые серии в спектре ионизованного гелия, которые совпадали с сериями Пикеринга-Фаулера. Это уже была соперничающая теория. Затем он предложил "решающий эксперимент": он предсказал, что серии Фаулера могут быть получены - и даже с более сильными линиями - разрядной трубке со смесью хлора и гелия. Более того, Бор объяснил экспериментаторам, даже не взглянув на их приборы, каталитическую роль водорода в эксперименте Фаулера и хлора в предложенном им самим эксперименте. (188) И он был прав. (189) Таким образом первое очевидное поражение исследовательской программы Бора было превращено в славную победу.
Однако эта победа была вскоре оспорена. Фаулер признал, что его серии относились не к водороду, а к гелию. Но он заметил, что "укрощение монстра" (monster-adjustment) (190) нельзя признать действительным:
длины волн в сериях Фаулера значительно отличались от значений, предсказанных Mg Бора. Следовательно, эти серии, хотя не противоречили M1, опровергали М2, но так как Mi и Мз тесно связаны между собой, то это опровергает и M1. (191)
Бор отверг аргументы Фаулера: ну, разумеется, ведь он никогда не относился к М2 с полной серьезностью. Предсказанные им значения основывались на грубых подсчетах, в основу которых было положено вращение электрона вокруг неподвижного ядра; разумеется, на самом деле электрон вращается вокруг общего центра тяжести; разумеется, как всегда, когда решается проблема двух тел, нужно заменить редуцироанную массу:
me'=me/[l+ (me/mn)]. (192 )Это была уже модифицированная модель Бора - Мз. И Фаулер должен был признать, что Бор опять прав. (193)
Явное опроверждение M2 превратилось в победу Мз; стало ясно, что М2 и Мз могли быть разработаны в рамках исследовательской программы Бора, как и Мп или Мао, без каких бы то ни было стимулов со стороны наблюдения или эксперимента. Именно в это время Эйнштейн сказал о теории Бора: "Это одно из величайших открытий". (194)
Развитие исследовательской программы Бора затем шло как по заранее намеченному плану. Следующим шагом было вычисление эллиптических орбит. Это было сделано Зоммерфельдом в 1915 г. с тем (неожиданным) результатом, что возрастание числа стационарных (возможных) орбит не вело к увеличению числа возможных энергетических уровней, так что, по видимости, не было возможности решающего эксперимента, способного выбрать между эллиптической и круговой теориями. Однако электроны вращались вокруг ядра с очень высокой скоростью, следовательно, в соответствии с механикой Эйнштейна, их ускорение приводило к заметному изменению массы. Действительно, вычисляя такие релятивистские поправки, Зоммерфельд получил новый порядок энергетических уровней и "тонкую структуру" спектра.
Переключение на новую релятивистскую модель потребовало значительно большей математической изощренности и таланта, чем разработка нескольких первых моделей. Достижение Зоммерфельда носило главным образом математический характер.
По иронии судьбы, дублеты водородного спектра уже были открыты Майкельсоном в 1891 г. iss-i (96) Мозли сразу же после первой публикации Бора заметил, что "гипотеза Бора не может объяснить появление второй, более слабой линии, обнаруживаемой в каждом спектре". (197) Это также не огорчило Бора, он был убежден, что положительная эвристика его исследовательской программы должна рано или поздно объяснить и даже исправить наблюдения Майкельсона. (198) Так и произошло. Конечно, теория Зоммерфельда была несовместима с первыми моделями Бора; более тонкие эксперименты - с исправленными старыми наблюдениями - дали решающие доказательства в пользу боровской программы. Многие недостатки первых моделей Бора были превращены Зоммерфельдом и его мюнхенской школой в победы исследовательской программы Бора.
Интересно, что точно так же, как Эйнштейн на фоне впечатляющего прогресса квантовой физики в 1913 г. остановился в нерешительности, Бор притормозил в 1916 г.;
и также, как ранее Бор перехватил инициативу у Эйнштейна, теперь Зоммерфельд перехватил инициативу у самого Бора. Различие между атмосферой копенгагенской школы Бора и мюнхенской школы Зоммерфельда было очевидным: "В Мюнхене использовались более конкретные и потому более понятные формулировки: там были достигнуты большие успехи в систематизации спектров и в применении векторной модели. Но в Копенгагене полагали, что адекватный язык для новых явлений еще не найден, были сдержаны по отношению к слишком определенным формулировкам, выражались более осторожно и более общо поэтому их было гораздо труднее понять". (199)
Все это показывает, как наличие прогрессивного сдвига обеспечивает доверие-и рациональность - по отношению к исследовательской программе с противоречием в основаниях. М. Борн в статье, посвященной памяти М. Планка, дает убедительное описание этого процесса: "Разумеется, само по себе введение кванта действия еще не означало возникновения истинной квантовой теории... Трудности, вызываемые введением кванта действия в общепризнанную классическую теорию, были ясны с самого начала. Со временем они не уменьшались, а возрастали; хотя по ходу исследований кое-какие из них преодолевались, в теории все равно зияли бреши, которые не могли не тревожить самокритичных теоретиков. В основу теории Бора легла гипотеза, которая несомненно была. бы отвергнута любым физиком предшествующего поколения. С тем, что некоторые внутриатомные квантованные (т. е. выделенные квантовым принципом) орбиты играют особую роль, еще можно было смириться; труднее было согласиться с тем, что электроны, движущиеся с ускорением по криволинейным траекториям, не излучают энергию. Но допущение о том, что точно определенная частота излучаемого кванта световой энергии должна отличаться от частоты излучения электрона, в глазах теоретика, воспитанного в классической школе, выглядело невероятным монстром. Тем не менее, вычисления [а точнее сказать, прогрессивные сдвиги проблем} решают все, и столы начинают вертеться. Если вначале это выглядело как остроумный прием, с помощью которого новый и странный элемент с наименьшим трением подгонялся под существующую систему общепринятых представлений, то затем, захватчик, освоив чужую территорию, стал изгонять с нее прежних обитателей; теперь уже ясно, что старая система треснула по швам, и вопрос только в том, какие швы и в какой мере еще можно сохранить". (200)
