История научных открытий и случайностей приведших к ним
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Кто не знает о «яблоке Ньютона» о лампаде Галилея, о лягушке Гальвани? Известно, что Рентген занимался с трубкой Крукса, накрытой футляром из черного картона. На столе случайно оказался лист бумаги, покрытой платиносинеродистым барием. Пропустив ток через трубку, ученый заметил, что бумага ярко люминесцирует (опыт проходил в затемненной комнате). Ученый убедился, что свечение бумаги вызывают лучи, иознинающие в трубке и проникающие через черный картон.
А вот как Лавуазье пришел к закону постоянства вещества. Изучая распад сахара при спиртовом брожении он установил: вес образующегося спирта и углекислоты точно соответствовал весу сброженного сахара. А между тем при этом брожении образуется также целый ряд побочных продуктов, не замеченных ученым. Баланс у него сошелся только благодаря случайности: ошибки, случайности опыта покрыли друг друга.
Открытие или… монета под ногами
Американский ученый А. Ромер пишет: «поступаем несправедливо по отношению к Рентгену, когда настаиваем на случайном открытии. Научное открытие — это нечто большее, чем случайное наблюдение, это больше, чем поднять валяющуюся монетку с тротуара». Иначе говоря, нужно обладать большим запасом знаний, могучей силой ума, одаренностью, чтобы понять и оценить «случай». Рентген заметил то, на что другие исследователи, занятые подобными же опытами, просто не обращали внимания. Наука необходимо разрешает задачи, поставленные самой логикой ее развития. Но решают эти задачи в конкретных обстоятельствах ученые, и каждый из них имеет свои индивидуальные особенности, поэтому любое разрешение научной проблемы становится «ожидаемой» случайностью, облекается в форму случайности.
Что же было с Рентгеном
Но вернемся к Рентгену. Открытие Х-лучей в то время уже становилось своего рода необходимостью: изучением катодных лучей занимались тогда многие физики, а поскольку Х-лучи сопутствуют катодным лучам, то обнаружение Х-лучей не заставило бы себя долго ждать. Более того, уже было известно, что фотоматериалы вуалируются там, где работают с круксовой трубкой. Достаточно было кому-нибудь расценить порчу фотопластинок не как случайное совпадение, а как факт, достойный изучения,— и открытие совершилось бы. Кстати, обнаружение рентгеновских лучей натолкнуло на еще более важное открытие — открытие радиоактивности.
В 1896 году Беккерель занимался проверкой гипотезы Пуанкаре (которая оказалась ошибочной), предположившего, что испускание рентгеновских лучей связано с явлениями флуоресценции. Для проверки он брал фотографическую пластинку, заворачивал ее в два листа плотной черной бумаги и вместе с положенным поверх бумаги веществом, способным флуоресцировать, выставлял на несколько часов на солнце. При проявлении пластинки на черном фоне становился заметным силуэт кристаллов соли урана.
Пасмурная погода помешала Беккерелю повторить опыт, и приготовленная для этого пластинка в черном пакете вместе с лежащими на ней кристаллами сернокислой соли урана несколько дней находилась в темном шкафу. Когда пластинка была проявлена, то оказалось, что она почернела гораздо сильнее, чем в первом опыте. Ученый исследовал большое количество различных химических соединений и обнаружил, что только вещества, содержащие уран, способны испускать лучи, проникающие через черную бумагу, покрывающую фотопластинку, причем большинство этих веществ не обладает способностью флуоресцировать. Так была открыта радиоактивность.
И, казалось, открытие не совершилось бы, если бы отец Беккереля, директор Парижского естественнонаучного музея, не обладал исключительно редким препаратом соли урана, которая попала в число первых веществ, исследованных Беккерелем. Другой элемент случайности: несмотря на затянувшуюся пасмурную погоду, Беккерель все же проявил пластинку. Казалось бы, сплошное сплетение случайностей! Но нет. Случай, благоприятствующий Беккерелю, был здесь лишь поводом к открытию, объективные предпосылки для которого возникли после открытия лучей Рентгена. Парижская Академия наук за 1895 год получила около 260 научных работ о всевозможных проникающих лучах (правда, большая часть этих открытий не подтвердилась). Иначе говоря, радиоактивность могла бы быть открыта и не физиками, а, например, метеорологами, изучающими ионизацию воздуха в ураноносных районах.
А может быть все же случай
Противопоставление одних открытий, будто бы чисто случайных, другим совершившимся с необходимостью, оказывается, как правило, несостоятельным, иногда даже вопреки свидетельству автора данного открытия. Часто за случай принимается элемент внезапности. Например, Пристли, открывший кислород при прокаливании с помощью зажигательного стекла ртутной окалины, целиком приписывает это счастливому случаю.
В действительности открытие кислорода необходимо вызывалось кризисом теории флогистона. Поэтому не случайно, что одновременно с Пристли кислород открыл и Шееле. Гальвани тоже говорит о случайности своего открытия (речь идет об открытии контактного электричества и явления сокращения мышцы лягушки при прохождении через нее тока). Но если бы он не делал специального акцента на случайности, то мы, живущие спустя два века, учитывая современный Гальвани уровень знания по теории электричества, считали бы его опыты естественным следствием этих знаний.
Академик Вальдек писал: «Почти все великое, что у нас имеется и в науке и в технике, главным образом найдено при помощи случая». Творчество научное (и художественное) но может представляться игрой капризных фантазий, а является закономерным проявлением особой причинной связи творческих замыслов, уровнем научного развития. Зальдену можно ответить остроумным выражением психолога С. Грузенберга; «Наивно было бы приписывать, например, происхождение младенца случайному падению его матери, вызвавшему во время ее беременности преждевременные роды». Случай — не причина, а лишь повод к открытию.
Необходимость и случайность
«Случайность так же объективна и имеет свои причины, как и необходимость. Разница лишь с том, что необходимость имеет свои причины в самой сущности данного процесса, а случайность имеет свои причины в перекрещивании внешних и внутренних для данного процесса обстоятельств».
Эту мысль четно подтверждают случаи одновременных открытий. Давно уже замечено, что время от времени идеи, как говорят, носятся в воздухе. Не многим дано их «уловить». Случай не ставит преграду открытиям, но он исключает необходимости их появления, поскольку сама потребность в том или ином открытии, изобретении очень часто осознается одновременно несколькими учеными или изобретателями.
Случай наводит нас на нужную мысль, «только когда мысль эта для нас не случайна, когда мы сосредоточены на ней и ищем ее», — говорил один психолог. Поэтому внешний толчок к открытию, как мельчайший кристалл, падая на пересыщенный раствор, мгновенно вызывает его кристаллизацию.
Рассмотрим предысторию открытия Менделеевым периодического закона. Закономерность в мире элементов пытались найти многие. «Закон октав» Ньюлендса соотносился с музыкально-чувственным образом, а закономерности де Шанкуртуа, тоже явившиеся преддверием к открытию периодического закона, соотносились с абстрактно-геометрическим образом (сравнивалось периодическое повторение свойства элементов, расположенных по величине их атомных весов с наматыванием спиральной линии на боковую поверхность цилиндра). Менделеев прибег к составлению карточек элементов, мысленно связав задачу выработки общей системы элементов с раскладыванием карточного пасьянса, которым он любил заниматься в минуты отдыха.
Тот исторический факт, что почти одновременно в разных странах разные ученые взялись за выполнение одной и той же задачи, причем взялись по-разному, говорит о том, что, во-первых, эта задача необходимо и объективно назрела для развития науки, во-вторых, что нет субъективных и психологических ограничений возможных путей ее разрешения. Появление новых идей есть ответная реакция на зов эпохи. И если этот зов слышит один человек, то может услышать и другой.
Место случая в процессе открытия
Открытие — это последняя, завершающая и самая главная комбинация идей. Открытие Ньютона, например, было подготовлено работами Галилея, Кеплера. «Открытия заключаются именно в сближении идей, — считает Лаплас,— которые способны к взаимной комбинации, но оставались пока изолированными одна от другой».
Английский физик Рамзай говорил, что когда природе ставятся разумные вопросы в определенном порядке, путь науки ведет к открытиям. Оттого хронологический порядок научных открытий в какой-то мере соответствует логике развития науки.
С развитием науки роль случайности в открытии не уменьшается. Но сила случая вовсе не всеобъемлюща. Есть открытия, где случай или заведомо исключен, или сведен к минимуму. Случай больше всего действует в так называемых «исходных» открытиях, например, открытие Менделеевым периодического закона — исходное открытие, а открытие новых элементов с учетом закона Менделеева — последующее; теория Максвелла по электродинамике — исходное, а опыт физика П. Лебедева по световому давлению — последующее. Иначе говоря, опыт Лебедева не был случайным потому, что он знал, что ищет.
Исходные, первоосновные открытия ведут к цепной реакции последующих открытий, где роль случайности необходимо падает, сводится к минимуму. Таким образом, случайность действует преимущественно там, где речь идет о появлении новых разделов знания, совершенно новых представлений.
В общем виде случайное открытие намечает первые штрихи большой идеи, а дальше уже идет ее разработка, углубление, логическое расшифровывание. Любое открытие можно «разложить» на триаду:
1) гипотеза, появление идеи,
2) логический анализ гипотез и идей, умозрительное построение опыта, подтверждающего их,
3) постановка эксперимента.
В разной степени комбинация случайностей может проникать во все эти составные части открытия через стихию действия многих факторов; повод работы, широта эрудиции, сила соображения, культура логического мышления (то есть индивидуальные особенности мышления), обстоятельства выполнения работы. Рассмотрим некоторые примеры.
Гипотеза и случайность
Ученики Резерфорда рассказывают, что однажды вечером после длительной работы ученый вышел из лаборатории прогуляться и, глядя на звезды, по аналогии с планетной системой пришел к гипотезе строения атома (ядро атома — Солнце, электроны — планеты). Случайное чтение работы Мальтуса «О народонаселении» послужило для Чарльза Дарвина отправной точкой к идее биологической борьбы видов. Об этом факте сообщает сам Дарвин в своей «Автобиографии». Иногда даже абсурдность исходной гипотезы приводит к открытию. Так, средневековый ученый Бранд, отыскивая философский камень в моче… открыл фосфор.
Замысел опыта и случайность
Луи Пастер, прививая курице холеру и не имея под рукой свежей культуры, взял ту, которая простояла уже некоторое время. Курица выздоровела и не умерла. Так было впервые открыто действие ослабленного вируса.
Эксперимент и случайность
Химик Фальберг, как рассказывают его современники, сел за стол, не помыв руки, и во время обеда ощутил сладковатый привкус. Заинтересовавшись этим, он обнаружил среди веществ, выброшенных им после очередного опыта, сахарин. А Флеминг, перебирая свою коллекцию культур разных микробов, растущих в чашках Петри на питательном бульоне, случайно обратил внимание на одну чашку, где росли стафилококки. На одном ее участке образовалось светлое пятно плесени, вокруг которого была зона, свободная от стафилококков. Ученый очень сожалел с потерянной культуре. Но был вознагражден открытием пенициллина.
Преждевременные открытия
Как важно родиться ученому в свое время? «Предположим, — пишет один известный биолог, — что на островах Самоа родился ребенок, гений которого подобен гению Моцарта. Что мог бы он сделать? Самое большее — расширить гамму с трех до четырех или семи тонов и сочинить несколько более сложных мелодий, но он не мог бы создать симфонии, как не мог Архимед изобрести динамо-машину». Сколько творцов потерпело неудачу за недостатком необходимых условий. Бэкон предвидел многие из наших великих открытий, Кардано и Кубанский — интегральное и дифференциальное исчисление, Бан-Гельмонт — химию.
Один французский фотограф, Ньепс, за 30 лет до Беккереля почти при аналогичных обстоятельствах «открыл» явление радиоактивности. Но это не имело никаких последствий. Вот что значит «открытие не созрело»!
Бывает и так. Ученый не видит открытия, проходит мимо него. Один французский бактериолог в двадцатых годах прошлого века установил бактериостатическое действие некоторых видов плесени. Но он интересовался лишь туберкулезными бациллами, а плесень действовала только на другие микробы. Он остался к этому факту безучастным и таким образом «воздержался» от открытия пенициллина.
В связи с этим встает вопрос о преждевременных открытиях, упавших на неподготовленную почву и заглохших со временем. Чаще всего к таким открытиям принадлежат открытия (прежде всего случайные), оказывающиеся вне основной линии развития науки, вне возможности их истолкования и применения на данном уровне развития науки. Такие открытия или забываются, как открытие Ньепса, или, как в случае с Менделем, возвращаются в определенное время науке. По крайней мере, вероятность их возникновения почти равна вероятности их забвения.
По словам одного ученого, то что случайно найдено путем эксперимента и еще не осмыслено, не понято людьми, принадлежит им только лишь наполовину. Сколько легенд рассказывается о восточных бальзамах, о прочной и нержавеющей дамасской стали, о долговечных красках художников Возрождения, о железном столбе в Индии и т. д.! Многие секреты древности утрачены сейчас. Почему же люди забыли эти открытия? Причина, видимо, лежит в преждевременности их появления. Случай дал эти открытия в руки человеку, случай же и отнял их.
С другой стороны, даже самые безумные теории, граничащие с фантастикой, могут быть со временем реализованы, если они выражены с предельной отчетливостью и имеют хотя бы одну исходную конкретную точку, доступную экспериментальной проверке. Иначе такие теории будут находиться в состоянии анабиоза веками, несмотря на их ценность.
Автор: Р. Глебов.