Для ртутного барометра можно взять любую стеклянную трубку — изящество этого прибора в том, что диаметр трубки не имеет значения, главное, чтобы постоянной оставалась ее длина. Чем толще столбик ртути, тем больше его масса, стремящаяся вниз, но ее точно компенсирует атмосферное давление, толкающее обратно вверх: все ртутные барометры любой конструкции покажут вам одно и то же значение.
Когда у вас появляется новый инструмент, он открывает недоступные прежде возможности исследования мира, и это часто ведет к мощной волне новых открытий. Попробуйте, например, отнести ваш новенький барометр на вершину горы и проследите, как с высотой местности меняется атмосферное давление, или постройте таблицу соответствий незначительных колебаний атмосферного давления и смены погоды в вашей округе. Врачи поныне считают кровяное давление в соответствующих единицах ртутного столба: нормой считается значение около 80 мм ртутного столба между ударами сердца.
Для измерения температуры понадобится устройство похитрее. Температуру предметов мы определяем посредством органов чувств: прикоснувшись, понимаем, теплый предмет или холодный. Но как сделать прибор, который точно измерит чувственное восприятие, выразит теплоту в цифрах? Фокус в том, чтобы найти физические эффекты, коррелирующие с тем, что вы ощущаете: так вы можете заметить, что при нагревании вещества, бывает, расширяются. Тогда следующим шагом будет конструирование такого прибора, который, опираясь на это явление, объективно измерит температуру. Простой индикатор можно сделать из тонкой стеклянной трубки, запаянной с обоих концов и наполовину заполненной какой-нибудь жидкостью, — так эффект ее расширения при нагреве особенно нагляден. Прицепите эту трубку к линейке с делениями, и уровень жидкости покажет вам температуру нужного объекта. Теперь можно, не полагаясь на субъективное восприятие, сравнивать нагрев разных предметов.
Но уровень жидкости, соответствующий той или иной температуре, а значит, и значение, которое вы получаете, целиком зависит от шкалы и других особенностей конструкции прибора (в отличие от рассмотренного выше простейшего барометра): вы не сможете сопоставить свои измерения с данными других термометров. Нужна стандартная температурная шкала, которую всякий может перенять и нанести на свой термометр. А для этого надо найти способ задать фиксированные значения — события или состояния вещества, которые наблюдаются всегда при одной и той же температуре и потому могут служить точкой отсчета для термометра. Представляется естественным взять за эталонное вещество воду, потому что в быту мы сталкиваемся со всем диапазоном ее состояний — от наледи на утренних дорогах до кипящей кастрюли. При наличии верхней и нижней точек шкалы остается простая задача разбить ее на удобное ровное число делений, чтобы можно было делать информативные замеры. Шкала Цельсия основана на точках замерзания и кипения воды, в которых он, соответственно, разместил отметки в 0° и 100°
[61]. Но вы не станете заливать воду в термометр, обнаружив, что ртуть расширяется более равномерно и, значит, дает более высокую точность измерения. Чтобы изобрести прибор, показывающий температуру выше точки кипения ртути, например чтобы измерять жар горна или домны, придется обратиться к другим физическим явлениям. Например, изучение электричества покажет вам, что сопротивление проводника часто возрастает при его нагревании.
Научный метод: продолжение
Вот это и есть основополагающий процесс создания надежных приборов для измерения каких угодно физических величин. Открывая новые причудливые явления природы, возрождающееся человечество будет создавать новые области научного познания. Чтобы понять новые явления и изучить возможность их практического применения, нужно сначала создать инструменты для оценки параметров этих явлений и отображения их в каком-то измеримом виде. Например, когда ученые впервые столкнулись с электричеством и пытались как-то измерить это новое явление, они могли только субъективно оценивать силу получаемого удара. Но при дальнейшем изучении обозначились некоторые повторяющиеся эффекты, которые затем использовались для измерения, — моторный эффект, например, отклоняет стрелку на шкале амперметра. Научные инструменты — не просто примочки для лабораторных опытов: это и градусник, измеряющий жар у ребенка, и счетчик, записывающий расход электричества в вашей квартире, и сейсмометр, будто страж, замечающий слабые толчки, предвестие большого землетрясения, и спектрометр, с помощью которого в больничной лаборатории анализируют вашу кровь.
Эти орудия измерения мира и стандартизированные единицы, в которых считаются их показания, — основные инструменты науки. Мир познается путем внимательнейшего наблюдения, а еще лучше — путем тщательной организации некоторых предзаданных условий для детального изучения того или иного аспекта явления. То есть путем эксперимента.
Эксперимент — это способ искусственно сузить ситуацию, попытаться устранить помехи и осложняющие факторы, чтобы яснее увидеть некоторые особенности изучаемого предмета. Суть эксперимента в том, чтобы задать Вселенной четко сформулированный вопрос и пристально наблюдать ее ответ. Экспериментирование — это ответ человека, не удовлетворенного тем, что показывает ему природа, и его способ путем разнообразных воздействий вытащить на свет тончайшие детали устройства мира. Если вам удалось отодвинуть в сторону все помехи и рассмотреть со всех сторон какой-то аспект явления, можете перейти к следующему, и т. д., систематически проверяя систему, пока не поймете, как сцепляются все ее части.
Кроме инструментов, расширяющих человеческое восприятие и замеряющих различные параметры — термометра, микроскопа, магнитометра и пр., — строгий и детальный сценарий какого-то из экспериментов может потребовать особых приборов: оборудования, сконструированного специально для создания определенных явлений, подлежащих изучению. Важно при этом, чтобы ваши наблюдения и результаты опытов записывались в численном выражении — чтобы качественное описание опыта было дополнено точной количественной оценкой. Ведь математика — это далеко не только числовая оценка и точное сравнение, ее язык служит отличным инструментом для описания структуры и поведения Вселенной и взаимоотношений ее составных элементов. Формула — это краткий смысл какого-то сложного отрезка реальности, его сущность. Она дает вам способность спрогнозировать и вычислить исход каких-то новых, ранее не наблюдавшихся ситуаций, иначе говоря, точно предсказывать события
[62].
