Пуденко С. П. Как работает современная наука

Знание и картина мира в астрономии

Непременным эпитетом к ней на протяжении уже сотни с лишком лет стало «бурно развивающаяся», теперь именно так говорят о двух последних десятилетиях. Впрочем, точно так же говорили о «науке о мироздании» ровно 100 лет назад, когда свершалась великая революция в физике. Термин «научная революция» без дальнейшего уточнения - в чем собственно она может заключаться - применительно, в частности, к современной астрономии уже затаскан и заболтан, на что обращал внимание академик В.Гинзбург. Нынешняя ситуация в «науке о небесных телах» и «явлениях», как всегда, как 50, 100 и 200 лет назад, совершенно специфическая, и бездумных эпитетов, аналогий ни с каким другим периодом истории без потери смысла проводить не стоит.

На ее примере, как своего рода фокусирующей линзе, можно попытаться разобрать, как функционирует и вырабатывает знание сообщество исследователей, ученых, как это знание устроено, зачем оно нужно и каковы перспективы развития науки в нынешней ситуации. На фоне нарастающих уже лет 20 разговоров о «кризисе» науки (физики, в том числе), о кризисе самих оснований и специфики научного метода, и на фоне предъявляемых к науке претензий и требований, это может оказаться полезным не только для отдельного научного цеха. По ходу я буду отсылать также к своей предыдущей работе по этой тематике – статье «Борьба за небо», где отчасти ставились обсуждаемые вопросы. в первую очередь о предмете науки. Как я там писал, само слово «знание» в астрономической литературе, как популярной, так и учебной, в отличие от «сведений» и «новых результатов», можно найти с огромным трудом, и то только лишь в контексте его недостатка, дефициентности. Это также исходный пункт для размышлений.

Приличное время существовал дефицит хорошей отечественной научно-популярной, учебной, энциклопедической актуальной литературы по астрономии и астрофизике. Было свернуто, по сути, астрономическое образование в школе. Причем это происходило на фоне стремительного или бурного развития, пополнения и обновления «сведений о космосе»… не вполне, впрочем, понятно, что именно и как пополнилось и обновилось по части знаний и методов в науке. После значительного перерыва – 25-30 лет – наконец появились отечественные обобщающие работы, нужда в которых из-за стремительного движения фронта исследований остро чувствовалась все эти годы. Одна из этих новых (по-настоящему современных) книг о космосе недавно заслуженно премирована как лучшая научно-просветительская работа. Будем пользоваться ими для своих целей, сопоставляя их для своих целей. Исходным пунктом или точкой отсчета тут можно считать выход фундаментальной и выполненной на высоком уровне энциклопедии «Физика космоса» (ФК, 1975, второе переработанное здание -1986). Инициатива создания такой необычной книги – полу-энциклопедии, полу-монографии или учебника-справочника принадлежала руководству тогдашней редакции «Советская Энциклопедия» и ведущему отечественному астроному Соломону Борисовичу Пикельнеру. С.Б.Пикельнер пригласил участвовать в этом издании выдающихся физиков, - академика Я.Б.Зельдовича, Франк-Каменецкого и других, и сам был ее главным редактором. Редактором второго, столь же замечательного и по сию пору не устаревшего, издания ФК был Р.А.Сюняев. Прошло более 20 лет, однако в любой лаборатории обсерваторий или астрономических институтов России книга «Физика космоса» является настольной книгой . Автор учился у С.Б.Пикельнера . Другим учителем в те годы и куратором нашего курса был замечательный ученый Ф.А.Цицин, интересовавшийся астрономией в широкой культурной перспективе, глубоко знавший ее историю и прививший нам вкус к освоению ее предмета не только в современной перспективе, но и вглубь, исторически. Это - не просто приложение к «теории», необязательный дополнительный ракурс своей «отрасли» знания, а необходимый метод, ее культурно-исторический срез. Можно добавить, что это еще один срез, для которого употребляют современное словцо –антропологический. Хотелось бы напомнить еще, что в свое время синонимичным названием астрономии были «мироведение», наука о мироздании, то есть не просто «сайенс» в современном смысле слова, а мировоззренческая дисциплина.

История нашей «отрасли» - это не безликая «поступь» или поток нескончаемой «новой информации о космических объектах» и т.п. сведений, это не описание приращения кумулятивно наращиваемого и дистиллированного «чистого знания» нескольких десятков «выдающихся светлых голов» плюс рати поденщиков на данном «научном поле». Это - прежде всего выработка картины мира, трансляция мышления, знаний и умений людей через связные цепи, через череду живущих в разной культурной среде конкретных персонажей, сообщества профессионалов и любителей-добровольцев, научные школы и объединения, существование которых теперь в России оказывается под большим вопросом.

Первое, что характеризует научную дисциплину – это ее предмет и средства его изучения. Казалось бы, что может быть яснее - уж с этим-то должна быть полная и жесткая определенность с самого начала. Предмет наук о Земле – Земля, о жизни –жизнь, о компьютерах и их применении… Но с предметом астрономии как раз дело обстоит вовсе не так просто, как представляется из учебников, даже лучших. Какая-то рябь, разнобой в самых первых определениях бросается в глаза, если приглядеться.

«Астрономия — наука о Вселенной, изучающая движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем.». Изучая строение и развитие небесных тел, их положение и движение в пространстве, астрономия в конечном итоге дает нам представление о строении и развитии Вселенной в целом. Она ставит перед собой три основные задачи:

1. Изучение видимых, а затем и действительных положений и движений небесных тел в пространстве, определение их размеров и формы ...

2. Изучение физического строения небесных тел...

3. Решение проблем происхождения и развития, т. е. возможной дальнейшей судьбы отдельных небесных тел и их систем.

Это первые, начальные строки из университетского учебника конца 20 века. Далее в нем идут первые положения о «месте», где эти «небесные тела» и их «системы» расположены, укоренены. Это - небесная сфера. За экономией места приведу всего одно четкое ее определение - «воображаемая сфера произвольного радиуса». Замечательно. Не будем думать дальше, что такое «сфера произвольного радиуса», и все путем. Замечу в заключении, что перед нами – наследие первой и главной (не только в астрономии) науки 18-19 веков, небесной механики. Она же - теоретическая механика, своим происхождением и развитием обязанная исключительно астрономии и решению поставленных ею проблем математическими средствами. Это ее язык, ее аппарат и ее идеализации, которые медленно путем экспансии действовали все это время, уже по инерции, когда ее окружали «астрометрия» и «звездная динамика», две другие вполне «механические» астрономические отрасли. На фоне стремительного взлета четвертой астронауки - астрофизики - в 20 веке в астрономию мощно проэкспансировали физические термины и методы. Когда же во второй половине 20 века аппараты вылетели за пределы земной атмосферы и затем стали физически попадать на другие (тоже физические) планеты, абсурдность старых дефиниций в их расширенном применении вылезла раз и навсегда, как шило из мешка.

Сразу отмечу, что в отечественных учебных пособиях 21 века (и зарубежных) говорится другое. «Астрономия – это наука о строении и развитии космических тел, их систем и Вселенной в целом». Понятно, почему. Авторы просто испытывают неловкость от устаревшего багажа и языка своей науки и осовременивают их, как им представляется по меркам нынешнего дня. Небо, по их представлениям – термин уже полностью не научный. Бытовой, религиозный, литературный… и трудно с ними не согласиться

В самом деле, что такое, если дать себе на минуту задуматься, небесное тело? физическое строение небесных тел и их «судьба» нам теперь, после ревайвилизации религии в обществе, могут живо напомнить скорее туники, бороды и локоны ангелов и богов, астральные такие детали и подробности, но не внутренности планет и звезд. Небо гражданское и небеса эзотерико-религиозные разведены в некоторых языках, например, в английском - sky versus heaven . Прекрасно получается! Название главного многотиражного издания по астрономии - Sky and Telescope – совершенно четко и предельно ясно отмечает предмет и средство науки, инструмент опытного познания его. В русском слова различаются тоже, но прилагательное от них одинаковое. Так что лучше уж отказаться в языке науки от неба и всех коннотаций с ним, оставив историческое наследие по минимуму . Небесная механика …В английском и других почтенную отрасль называют и будут до конца называть, как и у нас – celestial mechanics. За пределами наследия прежней математизированной механической науки эти термины не употребляются. В некоторых книгах слово небесный теперь заменяют на астрономический объект, двигаясь по пути тавтологии. Предмет а – объект а.

Итак, на смену неба и небесности в русском научном языке пришли космос и космический. Звучит лучше, но сомнение продолжает точить. Что такое по-русски космос? (и «тела» в нем)? Наука окончательно стала интернациональной, и ее предмет должен пониматься одинаково и в Китае, и в Америке, и в Бразилии. И как он там называется?

На всемирной вульгате – английском – соответствующий термин будет space , закрепившийся после сжатия ранее применявшегося outer space. Обращает на себя первое его значение в гражданском языке – пустое пространство, промежуток между вещами (телами). Пространство как отсутствие вещества, промежуточность (пустота). Это - вновь наследие классической картины мира с ее ньютоновским пустым абсолютным мировым пространством, потому он и укрепился в англоязычной традиции. Последние десятилетия, благодаря, в частности, плодотворной работе К. Сагана, в английский активно вводятся и « уширенный» до прежних, немеханистических коннотаций, термин cosmos и особенно прилагательное cosmic. В официальных документах НАСА, программе исследований до 2020 г, например, появилось примечательное сочетание cosmic order. Это уже прямая апелляция к греческому «исходнику». Очень хорошо.

Термин космос и его производные имеют богатейшую историю, которой невозможно отвести несколько абзацев. Принимаем пока без дальнейших уточнений его в отношении всего лишь характеристики места - пространства (протяженности) вне пределов земли и земной атмосферы и расположенную в нем материю и излучение всех видов. Одной из организованностей являются космические тела. Ближний космос (технический термин 20 века) является полем деятельности других, кроме астрономии, дисциплин (планетологии, космонавтики и др.). Дальний космос- за пределами Солнечной системы – только астрономии

Главной и определяющей чертой способа которым имеет дело астрономия со своим предметом, по всеобщему консенсусу (он в отличие от разобранного предмета –не претерпел сомнений и изменений) являются наблюдения (за небесными, ну или космическими) объектами. В отличие от всех прочих наук, предмет ее – принципиально недосягаем для достижения «руками» и манипулирования и не поддается пробным действиям исследователей - экспериментированию. Им доступны излучения или потоки частиц от объектов. Изменить их, трогать невозможно. Этим занимаются другие «науки о космосе», планетология, космонавтика и т.п. Их можно видеть, регистрировать их излучение и его разнообразные свойства и особенности.

Торжественные мантры астрономов о том, что «астрономия - наука НАБЛЮДАТЕЛЬНАЯ!», для них принципиальны и важны и имеют массу последствий.

Сразу нужно отмести предположение, что в отличие от прочих исследователей, астроном пассивен, «просто смотрит», вперивая взор в объект, разве что «пошире открывая глаза» (так сказать, напрягая зрение) – используя вместо зрачка 10 метровый телескоп .

Внимательное рассмотрение дела несколько смягчает категоричность таких утверждений. Методолог В.Степин в 1970х годах убедительно показал и продемонстрировал на конкретных примерах, что в 20 веке, да и раньше, астрономы умудрялись выстраивать свои исследования не просто как пассивное «смотрение», а как «квази-экспериментальные» исследования с помощью «квази-приборных ситуаций». Изощренное технологическое совершенствование средств наблюдений с самых давних времен (60- метровый угломерный квадрант Улугбека например) также свидетельствует о том, что тут первоочередное значение имеет технология наблюдений. Найденное из опыта «нестандартное» положение »небесных тел» на «небе» используется как часть такой технологии, выстраивания «приборной ситуации». К примеру, точные измерения положений и деталей радиоисточников. Пока разрешающей способности телескопов не хватало, удавалось компенсировать ее недостачу с помощью измерений положения и деталей объектов (туманностей, квазаров) во время их покрытия Луной. Луна исполняла роль заслонки «естественно-искусственного» прибора. Первой исторически ситуацией такого вида были самые обычные затмения, которые издавна можно было использовать и для наблюдений, и для нужд календарного летоисчисления, для предсказания будущих событий, что и проделывали с большим успехом еще в древнем Вавилоне, а может быть, даже в Стоунхендже . Впечатляющий размер, изощренность конструкции, использование для измерений реперов (меток), многие сотни лет функционирования «древней обсерватории» - Стоунхенджа - связаны не с эстетическими или ритуальными, а с измерительными потребностями людей.

Подобные «приборные» ситуации с естественными «реперами», «заслонками», «фильтрами», «линзами» стали обычными и достигли космологических масштабов. Теперь как заслонки или линзы (точнее, гравитационные линзы – само название прямо указывает на часть прибора) астрономы используют даже самые удаленные объекты Космоса – массивные галактические тела и самые далекие сверхскопления галактик. Степин довольно много и подробно о таких вещах пишет, правда, никогда ни у кого, кроме его, таких странных слов как «квази-эксперимент» и «квази-прибор», я не слыхивал. Зачем эти «снижающие» эпитеты, достаточно ознакомиться с любым археоастрономическим сооружением и «девайсом» – Стоунхенджем 2 тыс. до н.э, Гозеком 5 тыс. до н.э., диском из Небры 2 тыс. до н.э.. чтобы понять, что перед нами удивительно изощренные технологические изделия, приборы, материализованный результат столетий активных экспериментальных наблюдений за Луной и Солнцем, как минимум. Гораздо продуктивней рассматривать развитие опытного познания через совершенствование его технологий (мн.ч).

Не надо упускать и другую особенность, также порой игнорируемую астроцехом по крайней мере, часть дела. При получении исходного образа объекта дело не только в НЕпассивности поведения исследователя. Проблема еще в том, что понимается под термином «видеть», точнее в том, какой представляется и предполагается работа зрительного аппарата человека в целом, когда он исследует изображения, положения, спектры астрономических объектов, таких, как поверхности, туманности, звездные скопления, галактики и их морфологию. Астрономы хорошо знают эту специфику и верно толкуют в привязке к ней опыт и тренировку наблюдателя, есть и термины «тренированный глаз» и т.п. Но ведь хорошо известно натуралистам, что «глаз – это вынесенная наружу часть мозга». Зрение – не просто оптический феномен, наподобие фотосъемки, а комплексный, мыслительный, тесно связанный с работой воображения, с нетривиальной способностью «натасканного» на своем опыте человека «видеть вещь такой, какова она есть», as it is. Не вполне ясно, как соотносятся объект астрономического наблюдения (галактика с ее специфическими морфологическими деталями) с представленным, благодаря современным средствам обработки излучения, ее образом в представлении зрительным аппаратом + вообразительной способностью человека. Вообще говоря, существует такая новая дисциплина – визиология, наука о вИдении человека. У нас в стране мало известны работы такого уникального ученого, как Элкинса (малым тиражом на русском они изданы в Литве), который с привлечением десятков специалистов-предметников критически разобрал указанные междисциплинарные проблемы визиологии в применении к работе космологов и радиоастрономов в частности. Сложность в том, что их задачи должны совместно проработать специалисты разных областей, от художников и дизайнеров до узких специалистов. И так же мало включены в оборот у нас методологические работы выдающегося астронома Ф.Цвикки с его морфологическим подходом, выработанным им начиная с 1930-х, прежде всего, на колоссальном собственном материале наблюдений галактик и примененного прежде всего к ним. С тех пор главным объектом исследований астрономов стали не звезды, а галактики. Между тем, морфологическая классификация галактик, введенная в тот де период Хабблом и доработанная в 1960-е годы Вокулером, остается основной классификационной схемой этих космических объектов, в отличие от прочих (столетие назад аналогичную роль в отношении звезд выполнял их спектральный класс, см. далее).

Первый шаг в формировании понятия вещей – их различение. Основная родовая черта галактики – это ее морфологический тип. Исследователи, чтобы быть вполне профессиональными, обязаны овладеть навыками точно морфологически различать эти типы и использовать их в своих построениях и моделях. (+1) Продолжаются открытия новых и неожиданных типов галактики, прежде всего, по их видимым характеристикам - форме и морфологии, показателям цвета. В этом масштабном процессе, сопровождающемся открытиями на самом передовом рубеже науки, благодаря гигантскому потоку новых «сырых» наблюдательных данных, теперь успешно принимают участие сотни тысяч любителей (+2)

Довольно часто в числе «мантр» астрономов, сопровождающих разъяснения ими современных исследований, стал тезис «астроном давно уже не СМОТРИТ в телескоп». Он оперирует с экспериментальными данными, полученными в результате сложной и опосредованной компьютерными программами обработки сырых данных наблюдений. В своей односторонности тезис «глаз в окуляр давно не смотрит» способен ввести в заблуждение. После появления 50 лет назад ПЗС-матриц и почти полного вытеснения ими традиционных фотографических пластинок (фотоснимков) суть дела мало поменялась. Эти приемники излучения способны накапливать поток фотонов на пиксель изображения (начиная с единичных фотонов), но итоговым артефактом после обработки и фильтрования является, как и прежде, видимое изображение совершенно традиционного типа, не графический набор пикселей, оцифрованных камерой, а «картинка», привычная для зрения. Цифровые камеры, ПЗС в отличие от глаза и ФЭУ за счет эффекта накопления позволяют на тех же телескопах получать изображения источников в десятки раз слабее с «резкостью» в 2-3 выше, это уже не привычное нам «зрение глазами», так живые существа смотреть на мир не способны. Но итог – гораздо более четкая и насыщенная деталями картинка того же самого объекта, а не артефакт процесса наблюдения. Аналогично астрономы поступают с исходными данными, полученными с приемников инфракрасного, радио, рентгеновского и гамма-излучения. Их переводят не только в изофоты, линии равной яркости, но и в как бы видимое живым глазом изображение с оттенками разных цветов и насыщенностью. Почему-то рентген уже стандартно показывают голубым, а ИК и мм излучение – красным цветом разной насыщенности, и накладывают на изображение в видимой части спектра в естественных – черно-белых и слабо цветных тонах. Такие композитные снимки и представляют нашему взору, в том числе как результаты работы камер «Хаббла». Никогда и никто так звезды или другие объекты не видел и не увидит. Злоупотребление насыщенными цветами картинками галактик для «красоты» и маркетинга проектов вроде «Хаббла» вызвало довольно резкую критику Элкинса и других специалистов (астрономы предпочитают отмалчиваться, pretty pictures - это их бизнес и пиар). С самым лучшим разрешением естественных цветов на «небе» практически не заметно, галактики также выглядят беловато-люминисцентными, как и звезды. Для цветов светящихся космических тел есть удачные проф. Термины, например, - electric blue.

Можно сказать, что современная всеволновая астрономия просто простирает способность зрения и видения за пределы физиологической способности человека, а затем и фотоаппарата. Главным психофизиологическим процессом , маркирующим процесс познания в целом, остается вИдение как самих объектов, так и специально доработанных их образов. Плюс способность вИдения на композитных снимках, спектрограммах, графиках, гистограммах и прочих «-граммах» таких особенностей объектов и их совокупностей, которые не могут быть восприняты ни невооруженным, не вооруженным оптикой глазом. Опытное познание порождает преобладающий в этой науке вид знания – опытное знание. Его преобладание почему-то могут счесть «недостатком».

Астрономы не случайно в огромном количестве «показывают людям», прежде всего, все более впечатляющие детальные изображения галактик (мол, СМОТРИТЕ сами, и увидите!). Однако неопытные, неизощренные глаза, как их (точнее – воображение вкупе со зрением) не напрягай, не способны различить тех деталей морфологии и вообще морфологию, которую цепко мгновенно ухватывает взор специалиста или одаренного любителя. Употребляется даже термин «дешифровка» - в отношении «СЫРЫХ» ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ «квантов излучения».

Дело тут не в галактиках или туманностях как таковых. Точно такая же проблема сопровождала астрономические опыты с первых дней изобретения и использования ее главного орудия – оптического телескопа. Большинство собеседников Галилея, как он им не пытался продемонстрировать в свой телескоп горы на Луне и спутники Юпитера, разглядеть их с ходу не могли. Первое время не только «реакционеры» считали его открытия надувательством и самопиаром, в лучшем случае - иллюзией зрения, своего рода «духами» (термин употребляется и теперь), артефактами (также широко употребляемый термин) оптической технологии, а не реальными характеристиками «небесных тел». Кстати, вас может поджидать аналогичное разочарование, как и кардиналов коллегии тех времен, когда вы в первый раз посмотрите в телескоп и не обнаружите там разрекламированных «красот ночного неба». Глаз надо тренировать, обучать, что приходит ТОЛЬКО с самостоятельными систематическими занятиями

Технологии, вроде изощренных угломерных инструментов, использовались еще в античности, а точные реперы для засечки точек восхода светил – аж с 5 тыс. лет до н.э.. Тренированное зрение отдельных наблюдателей в дотелескопическую эпоху могло различать и размечать детали такой тонкости, которые приводят по сию пору в замешательство историков. Порой угломерные измерения достигали и даже превосходили физиологически достижимых пределов обычного глаза (около 1-2 угловой минуты). Гиппарха, Улугбека, Тихо Браге, Гевелия, работавших с такой точностью измерений, заслуженно называют гениальными наблюдателями неба, мастерами.

Отечественный исследователь Константин Иванов недавно выступил с программой разрабатываемой им визиологии на астрономическом материале, истории развития астрофизики в России в 20 вевк. У него две монографии и несколько статей в этой пионерной отрасли. Горячо рекомендую их для знакомства с проблематикой «визиологии» (см. список литературы)