И Лакатос - Фальсификация и методология научно-исследовательских программ

Теперь вернемся к логике открытия старой квантовой теории, в частности, остановимся подробнее на ее положительной эвристике. По замыслу Бора, вначале должна была войти в игру теория атома водорода. Его первая модель состояла из ядра-протона и электрона на круговой орбите; во второй модели он вычислил эмпирическую орбиту электрона в фиксированной плоскости; затем он отказывается от явно искусственных ограничений, связанных с неподвижностью ядра и фиксированностью плоскости вращения электрона; далее, он хотел учесть возможность вращения (спин) электрона;' (182) затем он надеялся распространить свою программу на структуру сложных атомов и молекул, учитывая воздействие на них электромагнитных полей, и т. д. Этот замысел существовал с самого начала: идея аналогии между строением атома и планетарной системой уже намечала в общих чертах весьма обнадеживающую, хотя длительную и нелегкую, программу исследований и даже указывала достаточно ясные принципы, которыми эта программа должна была руководствоваться. (183) "В 1913 году казалось, что тем самым найден подходящий ключ к проблеме спектра, и нужны только время и терпение, чтобы разрешить эту проблему окончательно". (184)

Знаменитая статья Н. Бора 1913 года была первым шагом в реализации этой исследовательской программы. В ней содержалась первая модель (обозначим ее M1), которая уже была способна предсказывать факты, до этого не предсказуемые ни одной из предшествующих теорий: длины волн спектральных линий водорода [в ультрафиолетовой и дальней инфракрасной областях]. Хотя некоторые длины волн водородного спектра были известны до 1913 г. [серии Бальмера (1885) и серии Пашена (1908)], теория Бора предсказывала значительно больше, чем следовало из этих известный серий. Опыты вскоре подкрепили это новое содержание теории: дополнительные боровские серии были открыты Лайманом (1914), Брэккетом (1922) и Пфундом (1924).

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)