Данилов Ю А Смородинский Я АФизик читает Кэрролла

Ю.А.Данилов, Я.А.Смородинский

Физик читает Кэрролла

Contraria non contradictoria,

sed complementa sunt.

Нильс Бор {*}

"О frabjous day: Callouh! Callay!"

He chortled in his joy.

"Jabberwocky" by Lewis Carroll {**}

{* "Противоположности не исключают, а дополняют друг друга" (лат.) афоризм, начертанный Нильсом Бором на доске во время его выступления на кафедре теоретической физики МГУ.

* Двустишие из стихотворения Кэрролла "Jabberwocky", выражающее неудержимый восторг и ликование. В нем появляются знаменитые "неологизмы" Кэрролла (см. английский и русский тексты стихотворения с комментарием Гарднера на с. 122 - 127). Различные поэты по-разному переводили это двустишие. Приведем два из этих переводов:

"Мой Блестянчик, хвала!... Урла-лап! Курла-ла!.."

Заурлакал от радости он.

(Пер. Т. Л. Щепкиной-Куперник)

"О, харара! О, харара! Какой денек героеславый".

(Пер. В. и Л. Успенских)}

В школе, которую Алиса _посещала каждый день_, физика не входила в число основных предметов. Физике (как и _стирке_) не обучали даже _за дополнительную плату_. Иначе, вспоминая впоследствии небольшое происшествие, приключившееся с ней в отвесном колодце, Алиса непременно _подумала бы, что ей следовало бы удивиться_. Ведь то, что произошло с ней в колодце, было гораздо необычнее, чем _Белый Кролик, достающий часы из жилетного кармана_!

Со времен Галилея известно, что на Земле все тела, будь то Алисы или пустые банки из-под апельсинового варенья, падают с одинаковым по величине ускорением. Таковы законы обычной, "несказочной" физики. Иные законы действуют в Стране чудес: находясь в свободном падении ("_Вот это упала, так упала_!"), Алиса опасается выпустить из рук прихваченную по дороге банку, боясь, как бы та _не упала вниз и не убила кого-нибудь_, и умудряется на лету засунуть банку в шкаф, не разбив ее при этом!

На читателя-физика маленькое двойное чудо {Чудо не состоявшееся - Алиса так и не осмеливается выпустить банку из рук, тем самым лишая нас возможности "экспериментально" проверить, сколь основательны ее опасения и как ведут себя в свободном падении тела в Стране Чудес, и чудо состоявшееся - поставленная на лету банка осталась цела!} с банкой из-под апельсинового варенья производит не менее сильное впечатление, чем появление Кролика, говорящего на бегу: "_Ах, боже мой, боже мой! Я опаздываю_!"

Разумеется, мнения различных людей относительно того, что следует считать чудом, значительно расходятся {"Словарь церковнославянского языка", составленный 2-м отделением императорской Академии Наук (СПб., 1868), определяет чудо как "по общим законам неудобоизъяснимое дело или событие".

Несколько иное определение чуда предлагает Джордж Макуиртер Фодерингей: "Чудо - это нечто противное законам природы, нечто вызванное огромным напряжением воли, без участия которой оно могло бы и не произойти" (Г. Уэллс. Человек, который мог творить чудеса).

Наконец, в современном словаре мы находим определение чуда, как "удивительного явления, вызванного действием сверхъестественных сил" (Concise Oxford Dictionary, 1952).}: то, что потрясает своей необычностью, удивительностью одного, сплошь и рядом не привлекает внимания другого. По словам Эйнштейна, "акт удивления, по-видимому, наступает тогда, когда восприятие вступает в острый конфликт с достаточно установившимся в нас миром понятий.

В тех случаях, когда такой конфликт переживается остро и интенсивно, он в свою очередь оказывает сильное влияние на наш умственный мир. Развитие этого умственного мира представляет в известном смысле преодоление чувства удивления - непрерывное бегство от "удивительного", от "чуда" {А. Эйнштейн. Автобиографические заметки. - Собрание научных трудов, т. 4, с. 361.} (в этом проявляется глубокое различие в восприятии чуда Эйнштейном и Кэрроллом: первый стремится уйти от чуда, второй настойчиво стремится к чудесам).

Физик читает Кэрролла не только в детстве (истины ради следует признать, что большинство физиков читает Кэрролла только не в детстве достигнув зрелого возраста и успев стать физиками) и, вопреки подозрениям их извечных оппонентов и своего рода идейных _антиподов_ (здесь трудно удержаться, чтобы вслед за Алисой не сказать "_антипатий_") - "лириков", отнюдь не с целью уличить автора в незнании элементарной физики. Поиск мелких ошибок и несоответствий канонам школьной физики (даже если бы таковые нашлись) в волшебном мире кэрролловской сказки, где "_все не так, все неправильно_", - занятие не только не этичное, но и бесплодное. То, что представляется мелкой ошибкой, на поверку может оказаться глубокой и тонкой идеей, оценить которую сразу не так-то просто! К тому же "поиск ошибок" Кэрролла - занятие отнюдь "не безопасное": Кэрролл - автор далеко не "ручной" и вполне способен умышленно ввести читателя в заблуждение - в надежде, что "_радость открытия ошибок и испытанное при этом чувство интеллектуального превосходства над автором в какой-то мере вознаградят счастливца за потерю времени и беспокойство_" {Предисловие к "Полуночным задачам, придуманным в часы бессонницы". - В кн.: Льюис Кэрролл. История с узелками. М., 1973, с. 92.}.

Убедительным примером "коварства" (и нетривиальности физического мышления) Кэрролла может служить знаменитая задача "Обезьяна и груз", придуманная Кэрроллом в конце 1893 г.: "_Через блок, прикрепленный к потолку, переброшен канат. На одном конце каната висит обезьяна, к другому прикреплен груз, вес которого в точности равен весу обезьяны. Предположим, что обезьяна начала взбираться вверх по канату. Что произойдет при этом с грузом_?"

Как и многие другие творения Кэрролла, его "обезьянья" задача породила многочисленные дискуссии и споры. Ей посвящена обширная литература. Потешаясь над своими учеными коллегами - профессорами физики Клифтоном и Прайсом, профессором химии Верной Харкортом и лектором колледжа Христовой церкви Оксфордского университета Сэмпсоном, Кэрролл сделал в своем дневнике следующую запись: "_21 декабря, четверг (1893 г.). Получил ответ профессора Клифтона к задаче "Обезьяна и груз". Весьма любопытно, сколь различных мнений придерживаются хорошие математики. Прайс утверждает, что груз будет подниматься с возрастающей скоростью, Клифтон (и Харкорт) считают, что груз будет подниматься с такой же скоростью, как обезьяна, а Сэмпсон полагает, что груз будет опускаться_". Нашлись и такие, кто считал, что груз останется на месте.

Споры по поводу того, какое решение "обезьяньей" задачи Кэрролла следует считать _единственно правильным_, время от времени возникают и поныне. (В действительности условия задачи _недоопределены_ и ответ зависит от дополнительных предположений, вводимых при решении задачи.) Задача "Обезьяна и груз" вошла в число 400 лучших задач, отобранных авторитетным жюри и составивших содержание специального выпуска журнала "The American Mathematical Monthly" {The Otto Dunkel Memorial Problem Book, ed. by H. Evans and E. P. Stark. - "The American Mathematical Monthly", 64.7 (Part II), 1957. Русский перевод см. в кн.: Избранные задачи. М., "Мир", 1977 (задача Э 8).}. Такой успех редко выпадает на долю автора физической задачи, тем более автора не профессионала, а любителя. Не один преподаватель физики мог бы присоединиться mutatis mutandis к словам В. Сибрука, написанным по поводу обратной ситуации - успеху выдающегося американского физика Роберта Вуда, выступившего в качестве любителя на литературном поприще: "Будь я проклят, если я стану сочувствовать автору-любителю, стихи которого выдержали девятнадцать изданий, а псевдонаучные сенсации были опубликованы в крупнейших журналах Америки" {Вильям Сибрук. Роберт Вуд. М., Физматгиз, 1960, с. 176.}.

Столь же отчетливо звучит "физическая тема" и в задаче о двух ведерках из "Истории с узелками" (Узелок IX). Суть ее сводится к следующему. Маленькое ведерко плавает в другом ведерке чуть больших размеров. Воды в большем ведерке - едва на донышке.

Ведерко плавает, подчиняясь, конечно, закону Архимеда, который в старых учебниках сформулирован так: "Тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость". Но откуда взять столько жидкости, если она едва покрывала дно большего ведерка?

И все же сколь ни интересны физические задачи Кэрролла, его произведения обладают неотразимой привлекательностью в глазах физической аудитории прежде всего потому, что "сумасшедшая" логика Кэрролла близка и созвучна логике современной физической теории, долженствующей сочетать в себе "_безумные_" идеи (по Бору) и _математическое изящество_ (по Дираку).

Желая лишить изучающего логику ориентиров, подсказываемых здравым смыслом, Кэрролл придумал логические задачи {"Символическая логика". - В кн. Льюис Кэрролл. История с узелками.}, в которых посылки находились в вопиющем противоречии с повседневным опытом. Но правила вывода, подобно улыбке Чеширского Кота, оставались и после того, как угасала надежда на помощь здравого смысла. Именно эти правила и позволяли найти решение задачи. Физику не приходится измышлять логические задачи с "безумными" посылками: их ставит перед ним сама природа.

В бесплотной игре внешне свободно трансформируемых слов (_имен_), составляющей по мнению некоторых филологов и философов {См., например: Elisabeth Sewell. The Field of Nonsense. L., 1952.} существо кэрролловского нонсенса, физик явственно ощущает отражение сложных отношений между реальными объектами - носителями имен (_денотатами_). Nonsense Кэрролла физик воспринимает не как отсутствие всякого смысла ("senselessness"), а как разрыв с обычным приземленным "здравым смыслом" ("common sense"), лишающим полета фантазию художника и ученого. Отказываясь от логики здравого смысла, Кэрролл приносит ее в жертву логике несравненно более глубокой, во многом напоминающей диалектическую логику современного научного исследования, подчас столь причудливую, что она кажется непостижимой, противоречивой и способной повергнуть в отчаяние не только человека, далекого от науки, но и самого исследователя.

Язык для Кэрролла не был набором пустых символов-слов, лишенных значения. Он видел в языке податливый пластический материал для проверки своих открытий. Предвосхитив своими смелыми экспериментами в области языка появление таких наук, как семантика и семиотика, Кэрролл, быть может, лучше, чем кто-нибудь другой, сознавал, какую опасность для непреложности выводов любой теории (Кэрролла прежде всего интересовала теория логического вывода) таят в себе неоднозначность живого языка, а также неумеренное использование интуитивных соображений, рассуждений по аналогии и отсутствие свода четко сформулированных правил вывода. Кэрролл сумел частично осуществить свои намерения, разработав оригинальный вариант математической логики, позволивший чисто формально, без обращения к содержанию посылок, решать не только силлогизмы, но и более сложные логические задачи - так называемые сориты.

Современный физик, на собственном опыте познавший не только плодотворность, но и ограниченность одной из разновидностей формализации _аксиоматического метода_, с пониманием относится к "формальным" исканиям Кэрролла. В них физик усматривает не бесплодные схоластические упражнения, а стремление обнаружить немногие _структуры_, скрытые за многообразием внешних форм. Неожиданная близость структур, таящихся в далеких на первый взгляд понятиях, служит своеобразным отражением единства материального мира не только в физической теории, но и в причудливом зеркале кэрролловского нонсенса.

Столь милую сердцу Кэрролла игру со словами (и словами) физик склонен воспринимать отнюдь не как забаву, а как формальную модель поиска в том или ином смысле оптимального решения в условиях конфликта, где противоборствующей стороной выступает пресловутый "здравый смысл". Именно поэтому игру, пронизывающую весь кэрролловский нонсенс, следовало бы отнести не столько к сфере психологии, сколько к компетенции одного из разделов современной математики - так называемой "теории игр", правда, с одной существенной оговоркой: эта игра _индуктивна_, ее правила заранее не известны.

Всякий раз, когда физик, накопив достаточно обширный экспериментальный материал, пытается найти в нем скрытые закономерности, природа также вступает с ним в игру, весьма напоминающую Королевский крокет, в котором "_правил нет, а если и есть, то их никто не соблюдает_". Сошлемся лишь на один из множества примеров этой удивительной аналогии: историю открытия Иоганном Кеплером двух первых законов движения планет.

Пытаясь разгадать законы движения Марса, Кеплер неожиданно для себя оказался втянутым в изнурительную игру с природой, правила которой (предполагаемая форма орбиты Марса и характер его движения) менялись каждый раз, когда окончательный результат казался уже близким. Игра велась столь "жестко", что аллегорическому посвящению к "Новой астрономии" - отчету о сделанных открытиях - Кеплер придал форму "реляции о победе". Блестящие литературные достоинства "Новой астрономии" и особенности кеплеровского мышления позволяют считать Иоганна Кеплера своего рода предтечей Кэрролла. Подробности описания "битвы с Марсом" и Королевского крокета совпадают в деталях, исключающих возможность случайной аналогии. Речь идет не о сходстве, а о чем-то более глубоком, своего рода _изоморфизме_ - двух внешне различных описаниях _одного_ и _того_ же явления.

В сценах Безумного чаепития и суда (так же, как и во многих других эпизодах из "Алисы в Стране чудес" и "Зазеркалья") физик без труда различает злую, но точную карикатуру на процесс развития физической теории. Сколь ни абсурдна схема судопроизводства "_Сначала приговор, потом доказательства_", именно она передает то, что не раз происходило в истории физики.

Вспомним хотя бы обстоятельства "рождения" квантовой механики. Многочисленные попытки описать спектр черного тела {В самом названии "черное тело" есть нечто кэрролловское. Физики давно не связывают его с "чем-то черным". Раскаленное тело может оказаться почти черным. Черное тело невидимо, если оно находится в тепловом равновесии с окружающим его электромагнитным полем. В темноте и невидимка черный.}, предпринятые физиками в конце XIX в., оказались неудачными. При больших частотах в ультрафиолетовой части спектра хорошо "работала" формула Вина, при малых совсем другая формула Рэлея-Джинса. Сшить оба куска в единое целое так, чтобы "_все было по правилам_" (как хотел того на суде Белый Кролик), не удавалось никому: безупречные логические доказательства приводили к софизму. И тогда Планк во имя спасения физики решился на предположение, которое противоречило всему опыту предшествующего развития физики. Он высказал знаменитую гипотезу квантов: энергия атома изменяется не непрерывно, а может принимать лишь дискретный ряд значений, пропорциональных кванту действия hv.

О своем "приговоре" Планк сообщил 14 декабря 1900 г. на заседании Берлинского физического общества. И, хотя формула Планка была проверена Экспериментально в ту же ночь, понадобилось не одно десятилетие, прежде чем были "собраны доказательства" и квантовая механика обрела статус физической теории.

О том, сколь тяжело дается разрыв с привычным, устоявшимся кругом идей и представлений, свидетельствует письмо Планка Роберту Вуду, написанное уже после создания квантовой механики в 1933 г.: "Дорогой коллега! Во время ужина, устроенного в мою честь в Тринити Холл, Вы высказали пожелание, чтобы я написал Вам более подробно о том психологическом состоянии, которое привело меня когда-то к постулированию гипотезы квантов энергии. Выполняю Ваше пожелание. Кратко я могу описать свои действия как акт отчаяния, ибо по своей природе я миролюбив и не люблю сомнительных приключений. Но я целых шесть лет, начиная с 1894 г., безуспешно воевал с проблемой равновесия между излучением и веществом. Я знал, что эта проблема имеет фундаментальное значение для физики; я знал формулу, которая дает распределение энергии в нормальном спектре, поэтому необходимо было найти теоретическое объяснение, чего бы это ни стоило. Классическая физика была здесь бессильна - это я понимал... (кроме двух начал термодинамики).

Я был готов принести в жертву мои установившиеся физические представления. Больцман объяснил, каким образом термодинамическое равновесие возникает через равновесие статическое. Если развить эти соображения о равновесии между веществом и излучением, то обнаружится, что можно избежать ухода энергии в излучение при помощи предположения, согласно которому энергия с самого начала должна оставаться в форме некоторых квантов. Это было чисто формальное предположение, и я в действительности не очень размышлял о нем, считая только, что, несмотря ни на какие обстоятельства сколько бы ни пришлось за это заплатить, я должен прийти к нужному результату" {Цит. по Я. А. Смородинский. Физика на рубеже века. - "Природа", 1970, Э 4, с. 60.}.

Схеме "_Сначала приговор, потом доказательство_" следует не только физика (и другие естественные науки), но и гораздо более абстрактная наука математика. Достаточно вспомнить хотя бы труды Эйлера, с непревзойденным искусством оперировавшего с рядами задолго до того, как возникла их теория, Хэвисайда, создавшего операционное исчисление и дерзавшего пользоваться им в расчетах, несмотря на полное отсутствие обоснования, Г. Кантора, создавшего теорию множеств, ставшую, несмотря на обнаруженные впоследствии многочисленные парадоксы, подлинным "_раем для математиков_" (Д. Гильберт).

Различие между судебным процессом, проходящим по обычной, "добропорядочной" схеме (сначала доказательства, потом вынесение приговора), и изображенной Кэрроллом нелепой "обратной" схемой по существу представляет собой различие между двумя направлениями в развитии науки. Одно направление условно можно назвать "_классическим_", или "_ньютоновским_", в честь его наиболее выдающегося представителя. Яркий пример великого труда классического направления - "Математические начала натуральной философии" Ньютона (здесь слово "математические", открывающее название этой великой книги, исполнено глубокого смысла). Но плавное развитие классической теории порой тормозят факты, упрямо не желающие укладываться в строгую логическую схему. И тогда успех приходит к сторонникам другого, "кеплеровского" направления, не боящимся сделать решительный шаг и сойти с торной дороги.

Физику близка и понятна любовь Кэрролла к парадоксам, которую тот пронес через всю жизнь. Еще в юношеские годы Кэрролл (бывший тогда еще только Ч. Л. Доджсоном) "опубликовал" в издаваемом им рукописном журнале "Misch-Masch" две "трудности": "Где происходит смена дат?" и "Какие часы лучше?". За два года до смерти (1896) Кэрролл опубликовал в философском журнале "Mind" два несравненно более тонких логических парадокса "Что черепаха сказала Ахиллу" и "Аллен, Браун и Kapp" {Обе трудности и парадоксы опубликованы в кн.: Льюис Кэрролл. История с узелками.}.

В физике парадоксы обычно возникают как противоречия между экспериментальными данными и заключениями, основанными на правдоподобных но нестрогих рассуждениях {См., например, книгу Г. Биркгофа "Гидродинамика" (М., 1963), целиком посвященную рассмотрению таких парадоксов.} (в других обстоятельствах те же аргументы превосходно работают).

Окидывая ретроспективным взглядом историю физики, мы видим, что иногда любимый прием Кэрролла - использование абсурдных посылок для получения истинных заключений - также (хотя порой и неосознанно) находит применение и в физике. Так, из абсурдной теории флогистона родилась термодинамика, а Максвелл при выводе своих знаменитых уравнений опирался в рассуждениях на некую механическую систему. Эфир, нужный как среда, в которой распространяются волны света, оказался лишним после создания теории относительности. В развитии физики не раз появлялся Кот, единственной целью которого было лишь оставить нам свою улыбку.

Физик отчетливо сознает, что любая физическая теория, даже когда она претендует на право называться картиной мира, неизбежно неполна и ее правильнее было бы называть шаржем, а не портретом реальности. Сохраняя определенное сходство, шарж утрирует главные черты и опускает множество второстепенных деталей.

Кэрролл также создает шаржированную картину реальности, но делает это иначе, чем физик. Картина мира, созданная физиком, - это _нереальная_ (и деталях) _реальность_. Сказочная картина, созданная Кэрроллом, - это _реальная_ (опять-таки в деталях) _нереальность_. Физик стремится по возможности отдалить появление противоречий. Кэрролл торопится ввести их "в игру" как можно скорее.

В небольшом по объему сочинении Галилея "Il Saggiatore" впервые было сформулировано кредо научного подхода к познанию мира: "Философия написана в той величественной Книге (я имею в виду Вселенную), которая всегда открыта нашему взору, но читать ее может лишь тот, кто сначала освоит язык и научится понимать знаки, которыми она начертана. Написана же она на языке математики, и знаки ее - треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без которых нельзя понять ни единого из стоящих в ней слов и остается лишь блуждать в темном лабиринте" {Galileo Galilei. Le Opere, v. VI. G. Barbira Editore, 1953.}.

Нам остается лишь добавить, что книги Кэрролла, как и Книга Природы, открывают свои сокровенные тайны лишь тому, кто "умеет смотреть". Чтобы ощутить новое, необходимо не утратить умения удивляться, а оно присуще лишь детям и немногим из взрослых, которые "выросли, но так и не стали взрослыми". Слова эти, отнесенные В. Сибруком к Роберту Вуду, в равной степени относятся к Эйнштейну {"Иногда меня спрашивают, как я создал теорию относительности. Я думаю, что это произошло по следующей причине. Нормальный взрослый человек никогда не размышляет о проблемах пространства и времени. О таких вещах он думает лишь в детстве. Мое же умственное развитие оказалось замедленным, и я принялся размышлять о пространстве и времени, лишь достигнув зрелого возраста. Естественно, что мне удалось глубже проникнуть в проблему, чем ребенку с обычными способностями" (Ronald W. Clark. Einstein. The Life and Times. NY, 1971, p. 27-28).} и Кэрроллу, Кеплеру и Марку Твену {В предисловии к "Приключениям Тома Сойера" Твен заметил, что написал книгу для развлечения мальчиков и девочек, а также для того, чтобы "напомнить взрослым, какими странными делами они занимались, когда были детьми". Сам Твен, судя по этим двум книгам, в таком напоминании не нуждался: на всю свою жизнь он так и остался мальчиком с Миссисипи.}.

Хитроумного Кэрролла не смущает вопрос, который физик признал 6ь бессмысленным. Ни один физик не сможет ответить на вопросы Алисы, как! выглядит циферблат часов "по ту сторону" зеркала и есть ли в Зазеркалье огонь в камине. Для физика Зазеркалье - иной мир, Кэрролл же "сшивает" его с реальностью. В погоне за чудом он оставляет физику далеко позади. Физик не осмеливается описывать мир, из которого к нам в принципе не могут приходить сигналы. Кэрролл, не смущаясь, выдумывает такой мир и вместо того, чтобы доказывать его существование, заставляет нас поверить в него. Физику в наше время все чаще и чаще приходится следовать примеру Кэрролла и придумывать новые модели. Правда, удел физика труднее: в его Зазеркалье устремляются толпы экспериментаторов, и горе тому, кто обманул их ожидания. Уже в начале "Зазеркалья" Алисе приходит в голову, что пить "зазеркальное" молоко может быть вредно для здоровья. Потребовалось более полувека, прежде чем модель антимира появилась в физике.

Наверное, можно найти другие подтверждения родственных связей выдуманного мира Кэрролла и реального мира современной физики. Но между Этими мирами есть и важное отличие. Кэрролл придумал свою Страну чудес, повинуясь лишь собственной фантазии. Задача естествоиспытателя - найти ту единственную модель, по которой он сможет понять реальный мир. Не его вина, что эта модель таит в себе сюрпризы, еще более неожиданные, чем те, которые встретились маленькой Алисе.

В этой современной картине мира мы встретили и еще встретим такие нелепицы, по сравнению с которыми нелепицы Кэрролла _разумны, как толковый словарь_.

ПРИМЕЧАНИЯ

К. А. Данилов, Я. А. Смородинский

ФИЗИК ЧИТАЕТ КЭРРОЛЛА

Данилов, Юлий Александрович (род. в 1936 г.) - советский математик. Смородинский, Яков Абрамович (род. в 1917 г.) - советский физик. Авторы ряда работ о Кэрролле.