Как рождаются открытия?

Как рождаются открытия?
Иван Александрович Сороковик

Книга посвящена научному творчеству, его мотивации, открытиям всемирно известных ученых, научно-нравственной атмосфере в научных сообществах. Имеются сведения и об исследователях Беларуси.

Написана на основе примеров и фактов как из печатных источников, так и личных наблюдений, обобщений автора. Адресуется всем тем, кто интересуется историей науки, и, прежде всего, школьникам, студентам, аспирантам, молодым ученым – той возрастной категории общества, у которой чаще других появляются вопросы (как? что? почему?) и желание их выяснить.

Иван Александрович Сороковик

Как рождаются открытия?

Как рождаются открытия

Если я видел дальше других, то потому,

что стоял на плечах гигантов.

    Исаак Ньютон

Прыжок через барьер

Кто не задумывался из нас в детстве о том, как рождаются открытия? Как появляются истины, которые совершенно необъяснимы с точки зрения существующих научных представителей? Действительно, как появилась идея полета человека в космическое пространство? Как появляются «на свет» новые месторождения полезных ископаемых? Как рождаются фундаментальные открытия в различных областях знания? Количество подобных вопросов может быть, наверное, бесконечно, по крайней мере не меньше, чем существует открытий: больших и малых. На одни из них мы получали ответы, а другие так и остались загадкой.

Ясно, что однозначно ответить на эти вопросы невозможно. История науки показывает, что это сложный и многогранный процесс. В нем «принимают участие» и знания, и личные качества исследователя, и обстановка, при которой рождалось открытие, и т. д. Скажем сразу, до конца эта проблема пока так и не решена. И здесь требуются усилия ученых различных отраслей науки: педагогов, философов, психологов, экономистов, кибернетиков и др. При комплексном решении проблемы можно значительно продвинуться в изучении истоков рождения открытий и вообще научного творчества, хотя сегодня мы располагаем некоторыми сведениями.

Практически открытие невозможно без глубокого знания изучаемой области исследования. В свое время В. И. Ленин говорил о необходимости обогащать память знанием всех тех богатств, которые выработало человечество. И только так можно стать настоящим ученым. Сегодня знания нужны каждому члену нашего общества, тем более они необходимы исследователю.

А как же объяснить открытия, сделанные Павлом Николаевичам Яблочковым (1847–1894), Томасом Альва Эдисоном (1847–1931), Иваном Петровичам Кулибиным (1735–1818), которые не имели соответствующего научного образования?

В жизни не бывает событий и явлений без исключения. Таким счастливым, прежде всего для общества, исключением и явились природные самоучки. Однако эти примеры тем более подтверждают положение о том, что человек постоянно должен заниматься самообразованием, если хочет что-то определенное достичь.

Но примеры с этими великими исследователями – не только исключение. В середине XVIII столетия Бенджамин Франклин (1706–1790) создал учение об электричестве. В этот период наука развивалась на уровне таких ученых, как Исаак Ньютон (1643–1727), Леонард Эйлер (1707–1783), Христиан Гюйгенс (1629–1695). Но именно Б. Франклину, раньше никогда не занимавшемуся физикой и живущему вдали от центров мировой науки, удалось достичь результатов, которые оказались недосягаемыми для великих ученых. И никто иной, как Майкл Фарадей (1791–1867) создал учение об электрическом поле, не имея необходимого научного образования.

Все эти примеры говорят о том, что на определенном этапе развития новых фундаментальных представлений, противоречащих известным нам фактам, одной эрудиции недостаточно. Для решения таких задач необходимы воображение, интуиция, конкретное мышление. Особенность великих ученых, Кулибина и Яблочкова, Эдисона и Фарадея, Франклина и других, в том, что они имели эти основные черты и эффективно их использовали.

Гениальной интуицией в области физики, необычайной силы внутренним видением обладал известный физик Нильс Хенрик Давид Бор (1885–1962). Его исключительная уверенность при выявлении ключевых вопросов не имела себе равных. Вместе с тем во владении математическим аппаратом Бор во многом уступал своим коллегам. Не случайно математическое «одеяние» квантовой механики, основы которой, по сути, опираются на работы Бора, создано не им самим, а Максом Борном (1882–1970), Вернером Гейзенбергом (1901–1976), Вольфгангом Паули (1900–1958), Полем Андриеном Морисом Дираком (1902), Эрвином Шрёдингером (1887–1961).

Из советских ученых гениальной интуицией особенно выделялись Игорь Васильевич Курчатов, Сергей Павлович Королев, Лев Давыдович Ландау и другие.

Научное творчество имеет свои законы развития, свои тенденции. Сначала это, как правило, получение отдельных данных, затем происходит их классификация, потом устанавливается взаимосвязь между отдельными группами фактов и явлений, и т. д.

Однако решающее значение в науке играет не сам по себе новый факт или новое наблюдаемое явление, ранее неизвестное, а его теоретическое объяснение, т. е. понимание его смысла, его существа. К примеру, Роберт Гук (1635–1703) еще в XVII в. видел клетку в растительных тканях, наблюдая их строение с помощью микроскопа. Но он не понял значение клетки, не смог объяснить ее роли в жизни живых организмов, а потому и не смог ее открыть. Клеточную теорию создали в конце 30-х годов XIX в. Маттиас Якоб Шлейден (1804–1881) и Теодор Шванн (1810–1882).

Точно также в конце XVIII в. Джозеф Пристли (1733–1804) и Карл Вильгельм Шееле (1742–1786) впервые наблюдали новое тело, найденное ими в природе – газ, способный поддерживать горение, но не поняли его значения. Ливуазье, напротив, дал правильное теоретическое толкование открытию, показал, что этот газ есть кислород.

Новое знание всегда выходит, основывается и отталкивается от знания прежнего. И поэтому никогда не отрицает, а лишь расширяет и углубляет его. Само же по себе ничто не появляется. И когда прежнего знания накопилось столько, чтобы одному или группе исследователей, которые в данный момент видят дальше других, убедиться в том, что их прежнего знания явно недостаточно для объяснения существующего порядка вещей, тогда и происходит открытие.

Другими словами, в соответствующей отрасли науки накопилось большое количество знания. Однако прогресс этой отрасли на какой-то период прекратился. Появилась преграда, которая не позволяет с прежней суммой знаний посмотреть, что делается впереди. Только новое знание позволит сделать это. Гениальность сможет преодолеть многовековую инерцию мышления. И только тогда появится открытие.

Появление нового знания чем-то напоминает преодоление сверхзвукового барьера самолетами. Сразу самолет не может преодолеть сверхзвуковой барьер. Только по достижении определенной скорости появляется возможность перескочить через него. Что-то похожее получается и с появлением новых знаний.

Подсказка или знания?

Часто приходится слышать и читать, что ученый сделал открытие якобы случайно, при помощи подсказки. К разряду случайных открытий некоторые авторы относят открытие закона сохранения энергии, выявленного немецким врачом Юлиусом Робертом Майером (1814–1878) в 1842 г. на острове Ява.

Случилось это следующим образом. Заболел матрос. И когда Майер сделал кровопускание больному, то был серьезно удивлен: цвет крови оказался необычайно алым. Сначала появился испуг – а вдруг он вскрыл вместо вены артерию. Но нет, ошибки не было. Но почему тогда такая яркая кровь? – задумался врач. Наверное, в ней много кислорода. А почему? Ведь на родине таких признаков при кровопускании никогда не было. Майер задумался. Обширные знания подсказали врачу, что в странах с тропическим и субтропическим климатом организм человека расходует меньше кислорода, чем на севере, где приходится возмещать затраты на выработку тепловой энергии. Следовательно… и тут Майера осенила мысль: химические процессы, теплота, механическое движение представляют качественно различные формы энергии, превращающиеся друг в друга при условии неизменных количественных соотношений.

Так Майер сделал фундаментальное открытие в науке. Действительно ли случайно оно, как говорят некоторые? Вряд ли. И вот почему. Ведь и до него видели изменения цвета крови, но никто открытия так и не сделал. Истина всегда проста. И многие проходят рядом с ней, не зная, что она существует. Исследователю всегда важно видеть в простом сложное, а в сложном – простое. Майер был человеком творческим и любознательным. Но главное в том, что не обладай он широкими знаниями, не знай общетеоретических положений, он, как и многие другие, прошел бы мимо открытия, хотя оно было на виду, рядом. На основе знаний Майер построил правильную логическую цепочку вопросов и так же правильно решал их, пока не пришел к открытию. И это не единственный пример.

Имеются сведения, что идея маятниковых часов пришла Галилео Галилею (1564–1642), когда он подолгу смотрел на колышущуюся от ветра бронзовую люстру в епископальной церкви. Измерив продолжительность колебаний люстры по биению собственного пульса, он определил, что большие и маленькие колебания люстры происходят за одно и то же время. Так был открыт изохронизм колебаний маятника – основной закон, позволяющий строить часы с маятником.

В свое время директор Института истории естествознания и техники Академии Наук СССР, академик Бонифатий Михайлович Кедров в «Комсомольской правде» рассказал о том, как родилась идея строительства висячих мостов.

Издавна люди строили мосты с помощью опорных быков на дне реки. Со временем возникла необходимость возвести мост через глубокую пропасть, где практически нельзя поставить быки: была очень большая высота. Долго бились изобретатели над этой проблемой, но безрезультатно. Однажды осенью ученый вошел в сад. На его лицо упала паутина. И вдруг исследователя осенило: если паук может построить мост-паутину через столь огромное для него расстояние, следовательно, принцип перебрасывания паутины через ветви деревьев может быть применен и к постройке моста. Так родилась идея висячих мостов, которая широко применяется на практике и сегодня.

Характерно, что в истории науки нередко сохраняется только подсказка (вспомните яблоко Ньютона), а сам процесс мышления исчезает. В действительности идея висячих мостов никогда не появилась бы, если бы ученый не обладал глубокими знаниями в области архитектуры и строительства, напряженно не работал бы в этом направлении. Существенно, что когда на его лицо упала паутина, он продолжал думать о своем мосте. Паутина только дала толчок к открытию нового явления. Таким образом, самым главным и решающим компонентом любого научного открытия является человеческий разум, глубокие и разносторонние знания исследователя, интуиция и целый ряд других характерных черт ученого. Это подтверждают и примеры из истории науки.

Вечером 8 ноября 1895 г. вюрцбургский физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) обернул вакуумную трубку светонепроницаемой черной бумагой, которая задерживала все видимые и ультрафиолетовые лучи. Когда он включил ток высокого напряжения в затемненном помещении, то заметил странную вспышку маленьких флуоресцирующих кристаллов, лежавших на лабораторном столе. Бумажная ширма, которая была покрыта платино-синеродистым барием, также засияла бледно-зеленым светом.

Ставя свои опыты, Рентген с их помощью узнал, что от вакуумных трубок действительно исходят невидимые лучи. Ни один физик не замечал этого и, разумеется, не сообщал об этом.

Рентген поместил между трубкой и ширмой несколько предметов, оказавшихся под рукой: книгу, кусок листового алюминия, разновесы в деревянном ящике и другие вещи. С удивлением он установил, что все эти вещества сильно пронизываются лучами. Теневые изображения различных вещей обозначались на экране.

Но еще большее удивление и волнение будущий лауреат Нобелевской премии получил, когда увидел скелет своей собственной руки, которую он держал между разрядным аппаратом и световым экраном.

Рентген никому не рассказал о своем наблюдении и на протяжении семи недель в одиночестве работал над исследованием новых лучей и их свойств. Чтобы исключить зрительный обман, он запечатлел то, что наблюдал на световом экране при помощи фотопластинки.

28 декабря 1895 г. исследователь выступил с первым сообщением о своем открытии перед Вюрцбургским физико-медицинским обществом. Оно было сразу же напечатано под заголовком «Новый ряд лучей». За несколько недель брошюра пережила пять изданий и была переведена на английский, французский, итальянский и русский языки.

Распространение публикации Рентгена и его фотографий вызвало такую сенсацию, которой не случалось в истории естествознания со времени сообщения Галилея об открытии спутников Юпитера. Ранее известный только узкому кругу коллег, профессор из маленького франконского университета за одну ночь стал наиболее популярным физиком.

Некоторые считают открытие Рентгена случайным. Действительно, то, что кристаллы лежали по соседству с трубкой, было случайностью. Но световая ширма оказалась в руках ученого безусловно не случайно, так как он уже много дней экспериментировал с катодными лучами.

Следует отметить также, что до времени открытия «Х-лучей» или, как стали позже говорить, «рентгеновских лучей», Рентген сделал важное открытие, обнаружив магнитное поле движущегося электрического заряда, а также выполнил ряд работ по физике кристаллов и др.

Макс фон Лауэ (1879–1960), оценивая достижения Рентгена, писал: «Насколько велико было открытие Рентгена, можно понять из того, что большое число других, часто выдающихся, физиков-экспериментаторов до Рентгена с теми же самыми вспомогательными средствами тем не менее не могли открыть этих лучей. Подробное наступление на совершенно не изученую область требует, кроме острого глаза, также большого мужества и самообладания, которое дает возможность, несмотря на радость и возбуждение в связи с первым открытием, сохранить спокойствие и умственную ясность. Рентген должен был много потрудиться, чтобы между 1895 и 1897 гг. написать три статьи, которые настолько исчерпывали предмет, что целое десятилетие не могло прибавить ничего нового. С какой гениальной тщательностью были написаны эти статьи! Я знаю лишь очень мало сочинений об открытиях, которые содержат так мало упущений. У Рентгена все было в полном порядке».

Макс фон Лауэ совершил свое гениальное открытие интерференции рентгеновских лучей в условиях, которые он сам оценивал как счастливую случайность. В нобелевском докладе он рассказывал, как в феврале 1912 г. ему пришла в голову та идея, которая оказалась такой плодотворной и богатой последствиями в научном отношении.

Пауль Эвальд, докторант Зоммерфельда, пришел к Лауэ посоветоваться по поводу трудностей, с которыми он столкнулся в работе по волновой оптике. Лауэ много лет работал в области оптики и считался глубоким знатоком этого круга проблем. И хотя он, в данном случае, не мог дать совет, во время беседы высказывал мысль, что нужно попробовать пропустить через кристаллы рентгеновские лучи.

Если рентгеновские лучи действительно имеют волновую природу и длина их волны в какой-то степени соответствует оценке Вина и Зоммерфельда, и если кристаллы действительно построены из пространственных решеток, то, по мнению Лауэ, при просвечивании кристаллов рентгеновскими лучами должны будут обнаруживаться явления дифракции и интерференции, которые уже давно были известны у обычного света.

Лауэ таким образом связал друг с другом две гипотезы из двух различных областей науки: волновую теорию рентгеновских лучей и гипотезу о пространственных решетках кристаллов.

Как и все простое, это соединение двух уже существующих, но до сих пор, однако, совершенно независимых друг от друга логических рядов оказалось сложным, и до Лауэ такая мысль никому не приходила в голову. «Лежавшая в основе идея, – говорил позднее ученый, – казалась мне после того, как я к ней однажды пришел, настолько сама собой разумеющейся, что я никогда не мог понять удивления, которое она вызывала в мире специалистов, равно как и сомнения, с какими ее встречали еще несколько лет спустя».

Творческая идея Лауэ была, как считал Макс Планк (1858–1947), не случайной внезапной мыслью, а «неизбежным результатом логической цепи идей». У Лауэ она созрела раньше, чем у любого другого физика, потому что она находилась в тесной связи с вопросами, которые занимали его научное мышление. «Сколько физиков уже пропускали рентгеновские лучи через кристаллы, не замечая дифракции лучей, – говорил Макс Борн (1882–1970) в юбилейной речи, посвященной открытию Лауэ. – Нужна была способность мысленно увидеть лучи прежде, чем они появятся на пластинке. Именно в этом заслуга Лауэ». Открытие Лауэ, в отличие от открытого Максом Планком квантования энергии, сразу же начало свое победное шествие по свету.

А что думают сами ученые?