«Представьте, что…»
10 самых знаменитых мысленных экспериментов
Понятие мысленного эксперимента ввёл в начале ХХ века австрийский физик Эрнст Мах. Он имел в виду прежде всего предварительное проигрывание в воображении реального эксперимента. Мах считал, что с помощью фантазии можно вводить любые условия опыта, вплоть до совершенно абсурдных, и это даёт возможность рассмотреть все варианты результата.
В истории науки хватает экзотических мысленных экспериментов, которые не только изменили общепринятые взгляды на мир, но и породили дискуссии, продолжавшиеся десятилетиями. Мы расскажем о десяти самых известных. Будьте осторожны — некоторые из них способны свести с ума!
Современные учёные не требуют чудес: они требуют экспериментов.
Для того, чтобы добиться идеальной чистоты эксперимента, его лучше проводить чисто теоретически.
Ахиллес и черепаха
Античные философы любили придумывать парадоксальные суждения, но мало кто мог в этом сравниться с греком Зеноном Элейским, жившим в V веке до н. э. Его апории (то есть «трудности») не сохранились в оригинальном виде и известны в пересказах Платона и Аристотеля. Зенон сформулировал как минимум сорок апорий, а до толкователей дошли только девять.
Самая известная апория Зенона — парадокс Ахиллеса и черепахи. Своим происхождением она обязана басне древнегреческого поэта Эзопа. Там рассказывается, как черепаха поспорила с зайцем, что сумеет обогнать его в честных бегах, и смогла это сделать. Она воспользовалась безалаберностью соперника, который решил передохнуть, уверенный, что успеет прибежать первым. Зенон заменил зайца на быстроногого героя Ахиллеса, воспетого в «Илиаде».
Представьте, что черепаха и Ахиллес решили соревноваться в беге. Ахиллес в десять раз быстрее, чем черепаха, и даёт ей фору в тысячу шагов. За то время, за которое Ахиллес пробежит это расстояние, черепаха проползёт сто шагов в ту же сторону. Когда Ахиллес пробежит сто шагов, черепаха проползёт ещё десять, и так далее. Погоня будет бесконечной, Ахиллес никогда не догонит черепаху. Следовательно, любое движение есть иллюзия.
Апория озадачивает, ведь с позиций формальной логики она выглядит безупречной, но на практике, как подсказывает опыт, любой бегун легко обгонит черепаху. Греческие философы всерьёз ломали головы над этим парадоксом. Он нашёл отражение и в литературе: о фиаско Ахиллеса писали Льюис Кэрролл, Лев Толстой и Хорхе Луис Борхес.
Конечно, утверждение Зенона, что Ахиллес никогда не догонит черепаху, ложно. Каждый следующий «отрыв» черепахи короче предыдущего, и Ахиллесу понадобится всего-то тысяча сто двенадцать шагов, чтобы вырваться вперёд. Парадокс возник потому, что Зенон и его последователи не понимали физико-
математического смысла задачи.
Буриданов осёл
Воображаемый Буриданов осёл, как известно, оказался между двумя одинаковыми охапками сена и умер от голода, не в силах выбрать между ними. Как ни странно, этого осла придумал вовсе не французский философ XIV века Жан Буридан. Самое давнее упоминание этой проблемы мы находим у Аристотеля. Он в шутку описывал вымышленную ситуацию, в которой умирающий от жажды и голода человек не может выбрать между водой и едой.
Идея оказалась плодотворной, и позже философы использовали тот же образ для иллюстрации равнодействующих сил. В 1100 году персидский учёный Абу Хамид аль-Газали всерьёз рассмотрел дилемму Аристотеля и заявил, что человек сделает выбор между одинаковыми вещами в пользу той, что лучше подходит ему в данный момент. Буридан же добавил, что в ситуации, когда рациональный выбор невозможен, человек обратится к моральным принципам и пойдёт по пути большего добра.
Осёл же появился благодаря нидерландскому философу Бенедикту Спинозе. Тот утверждал, что если человек, оказавшийся в ситуации выбора между одинаковыми возможностями, как «буриданов осёл», не сумеет совершить выбор, то он вряд ли может считаться человеком.
Математик Готфрид Лейбниц усложнил задачу выбора, описав осла, находящегося между одинаковыми охапками сена. Он полагал, что такой эксперимент не может быть реализован на практике, поскольку во Вселенной нет идеальной симметрии — одна копна всегда окажется предпочтительнее другой, даже если мы не замечаем этого преимущества.
Современные философы полагают, что проблема буриданова осла легко решается, если принять, что отказ от выбора между двумя охапками сена — тоже выбор. Осёл выбирает не между сеном и сеном, а между жизнью и смертью, посему выбор предопределён на уровне инстинкта: ишак выберет жизнь.
Опыт Галилея
Мысленный эксперимент с падающими предметами понадобился итальянскому физику и астроному Галилео Галилею, чтобы показать ошибочность заблуждения, что чем тяжелее тело, тем быстрее оно упадёт на землю. По легенде, в 1589 году Галилей залез на знаменитую «падающую» башню в Пизе и сбросил с неё два шара разной массы, которые достигли земли одновременно, подтвердив революционную гипотезу учёного. На самом деле он никуда не залезал, а опирался на чисто умозрительные соображения, которые изложил в трактате «О движении» (1590).
Представьте два предмета, один из которых тяжелее другого. Пусть их свяжут верёвкой друг с другом и сбросят эту связку с башни. Если тяжёлые предметы падают быстрее, чем лёгкие, то лёгкий предмет должен замедлять падение тяжёлого. Но поскольку рассматриваемая система в целом тяжелее, чем один тяжёлый предмет, она должна падать быстрее него. Мы приходим к противоречию, а значит, изначальное предположение (тяжёлые предметы падают быстрее лёгких) неверно.
Наше сознание противится идее, что молоток и перо, если сбросить их с одной высоты, упадут одновременно. В привычном нам мире атмосфера замедлит перо, и молоток упадёт быстрее. Но что, если поместить их в безвоздушную среду? Такой опыт проделали в 1971 году астронавты миссии «Аполлон-15»: на глазах миллионов телезрителей Дейв Скотт бросил на Луне геологический молоток и соколиное перо. Все смогли убедиться, что Галилей прав.