Чи бувають наукові відкриття випадковими
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Геніальний кроманьйонець присів на камінчик, задумався — і відкрив закон всесвітнього тяжіння. Чи можливо таке? А чому б і ні? Хіба не народжувалися генії в усі часи та епохи? Народжувалися. І бачили, як падають яблука або каміння. І відкриття робили. Але не які доведеться, а жорстко обумовлені епохою і обставинами навколишнього середовища. І ні закону всесвітнього тяжіння, ні теорії відносності кроманьйонець, та що там — всебічно розвинений древній грек, відкрити не міг.
Навіть щось більш просте, ніж закони природи,— хімічні елементи — відкривалося людьми не в стихійній послідовності, а строго закономірно. Ось у чому переконує невелика книга В. Річа «Полювання за елементами». Втім, висновки після, а зараз почнемо по порядку.
Необхідність
Для народів давнини раніше чи пізніше питанням життя або смерті могло стати відкриття нового металу або удосконалення технології металообробки (слова «технологія» ще не було, а виробничі секрети, що охоронялися не менш строго, ніж в наш час, існували). Наприклад, хети залишалися непереможними, поки залізо, яке спочатку вміли добувати з руди тільки вони, не стало доступним і для сусідів. Суперники хетів, ассірійці, освоївши нову технологію, розтрощили державу, від якої вони залізо отримали.
Існування держав і народів залежало від твердості мечів, від міцності плугів — іншими словами, від мистецтва коваля і металурга. Тому спостережливість і фантазія геніїв, які напевно народжувалися тоді на світ нітрохи не рідше, ніж в епоху загальної грамотності, були спрямовані саме на ці істотні питання. Не випадково більшість елементів, відомих древнім – метали!
Інша сторона справи: елементи, які, цілком можливо, неодноразово відкривалися в стародавні часи, але не знаходили застосування, настільки ж успішно забувалися. Цинк або, скажімо, уран, потрап вони в руки древніх, могли просто не привернути до себе уваги: ні мечів з них не зробиш, ні намист. З цинком, до речі, так і вийшло: відкривали його в далекому минулому, мабуть, не раз; знайдений в Трансільванії ідол, відлитий задовго до нової ери, на 87 відсотків складається з цього металу. Але широкого застосування для цинку не знаходилося. І лише у XVIII столітті він був відкритий остаточно.
Можна оспівувати необхідність, можна, принаймні, віддавати належне її могутній стимулюючій силі, але неможливо заперечувати і те, що чисто утилітарний підхід неабияк гальмував розвиток знання (про це, до речі, корисно пам’ятати і у вік кібернетики). Не випадково потік відкриттів набрав повну силу не раніше, ніж людська допитливість вирвалася з кайданів миттєвої потреби,— і з’явилася наука в сучасному сенсі цього слова.
Серед перших її досягнень було чітке усвідомлення самого поняття «хімічний елемент». Адже відкриття нових елементів гальмувалося не тільки утилітаризмом, а й старозавітними теоріями, що зв’язують, наприклад, кожен метал з певною планетою на небесах. В результаті «справжніх» металів не могло бути більше семи — ось і доводилося цинк називати «індійським оловом», вісмут — «сірим оловом» або «блідим свинцем», сурму— теж «свинцем». Елементам ставало тісно на небосхилі — не допомагали навіть хитромудрі спроби прилаштувати до справи нові астрономічні відкриття, зроблені з появою телескопів, прив’язати якісь метали до виявлених Галілеєм супутників Юпітера… Справа не зрушувалася з мертвої точки, поки метали не повернулися на нашу грішну Землю не тільки в матеріальному, але і в теоретичному сенсі.
Метод
До XV століття знали півтора десятка елементів. Потім, до середини XVIII століття, зуміли відкрити тільки один — фосфор. Що ж сталося з людським генієм? Вичерпався він, чи що?
Таке припущення абсурдно, адже мова йде про епоху Відродження та промислову революцію, що послідувала за нею. Не геній вичерпався, а щось інше — метод. Ось чому блискучий час — Відродження і XVII століття — виявилося, за висловом В. Річа, «трьохсотлітньою пустелею».
З кам’яного віку до епохи пари і електрики метод відкриття елементів, по суті, не змінювався. Якщо не брати до уваги самородки, утворені окремими металами, то всі елементи були відкриті «за допомогою багаття». З усіх можливих способів впливу на речовину застосовувався один – тепловий. Між багаттями древніх мисливців, які із захопленням помічали, що деякі камені здатні «перетворюватися у воду» — плавитися — і витонченими печами середньовічних металургів принципових відмінностей немає: піч — це всього лише технологічно вдосконалене багаття. Перетворення речовини і тут і там зводяться до термічного розпаду молекул, до окислення одних речовин киснем повітря або відновлення інших горючою речовиною, найчастіше вугіллям. Зрозуміло, що елементи, що не піддаються виділенню в результаті подібних перетворень, не міг відкрити навіть самий геніальний експериментатор.
Ось вам ще одна об’єктивна перешкода випадковим відкриттям – технічна неможливість їх здійснення.
Як зазначає В. Річ, «трьохсотлітня пустеля» виявилася далеко не безплідною: в надрах інших, не хімічних галузей знання дозрівали нові ідеї, нові способи впливу на речовину, але в хімічний побут все це проникало далеко не раптом.
Найбільшим кроком вперед стадо усвідомлення того факту, що елементи можуть бути не тільки твердими або рідкими, але і газоподібними. В результаті кінець XVIII століття не тільки збагатив список елементів воднем, киснем, азотом, а й взагалі породив на світ хімію як науку. Однак активні метали, що не піддаються відновленню вугіллям, і окислювачі, сильніші, ніж кисень,— такі речовини як і раніше залишалися недоступними. Тривало це, втім, зовсім недовго: зусилля фізиків привели до створення нового інструменту впливу на молекули — електричної батареї. І як же швидко хіміки їм опанували!
Калій, натрій, кальцій, магній, барій, стронцій, бор — цілих сім нових елементів було виділено всього за два роки, 1807 і 1808. Деві, Гей-Люссак, Берцеліус пустили в хід електроліз. Великі люди були, хто ж сперечається, але чи тільки особистими їх достоїнствами пояснюється такий потік подій?
Потік цей дав потужні відгалуження: отримавши в руки відновники невідомої раніше сили — калій і натрій, хіміки дісталися і до інших важкодоступних металів, раніше відомих тільки в складі сполук. Уран, титан, молібден, перші рідкоземельні елементи — їх відкриття теж було непрямим результатом застосування електричного струму.
Незабаром, однак, почала скудіти і ця жила. 1817 рік, наприклад, збагатив хімію трьома елементами, 1824 – двома, 1825 і 1827 дали по одному. А після 1844, коли Казанський професор Карл Карлович Клаус відкрив метал, названий рутенієм, настала шістнадцятирічна перерва. Знову вичерпався метод і ніякі таланти, ніякі зусилля в рамках звичних хімічних маніпуляцій зрушити віз з місця не могли.
Було потрібно нове віяння, віяння ззовні — і воно з’явилося в 1860 році. Бунзен і Кірхгоф винайшли спектроскоп. Чи хімічний це був винахід? Ні, фізичний. А рушив вперед хімію.
Що ж сталося? Прилад Бунзена і Кірхгофа не вносив нічого нового в техніку виділення речовин, ніяк не впливав на теорії, якими хіміки намагалися пояснити їх поведінку, але робив зір дослідника більш гострим. І до того багато елементів були виявлені по незвичайному, характерному забарвленню їх самих або утворених ними з’єднань. Нерідко це закріплювалося і в назвах («йод» — фіолетовий, «хлор» — жовто-зелений, «родій» — рожевий, за кольором солей цього металу). Спектроскоп же дозволяв бачити не колір взагалі, а вузькі спектральні лінії, індивідуальні для кожного елемента.
А коли хіміки переконувалися, що якийсь невідомий елемент — у них перед очима, ніякі сили запобігти його виділенню вже не могли. Завзятості і винахідливості цим людям було не позичати. Спектроскоп ж, до речі, допомагав і контролювати процес виділення: яскравіше стали лінії — значить, вдалося збагатити зразок шуканим елементом; зблідли,— стало бути, експеримент йде по хибному шляху. З’явилася можливість швидко налагоджувати те, що в наші дні звуть зворотним зв’язком. І ось результати: в 1860 році відкрито цезій, в 1861— рубідій і талій, в 1867 — індій.
Спектроскоп мав інші подвиги, але часи змінилися. Розвиток методів став випереджати реалізацію їх можливостей. Не встигли ще відсвяткувати десятиліття чудового приладу, а на світ з’явилося щось, що виходить за рамки будь-яких технічних удосконалень і винаходів, з’явився метод, що дозволяє не впізнати елемент, не виділити його з суміші з іншими, ні, беріть вище – передбачити, обчислити його властивості. З’явився Періодичний закон Менделєєва.
Відкрилася сама захоплююча глава історії хімії – глава, яка, на жаль, залишилася за рамками книги «полювання за елементами», що представляє собою, треба сподіватися, лише першу частину задуманого автором твору.
Кларк
Отже, можливості відкриття елементів обмежувалися, з одного боку, утилітарними, господарськими потребами, а з іншого — доступними методами дослідження. Однак найбільшою самовпевненістю було б вважати, що вся справа — тільки в цих факторах. Соціальних, людських. Адже не в лабораторній шафі містилися руди і мінерали, з яких люди добували різні метали і металоїди,— на реальній планеті. Повинні були, значить, надавати свій вплив обставини геохімічні, з розвитком суспільства ніяк не пов’язані.
Виявлення цієї сторони справи, закономірності якої, наскільки відомо, досі осмислені не були,— одне з головних достоїнств книги В. Річа, воно надає їй і самостійну наукову цінність.
Ключова ідея проста. Кожен з нас, не замислюючись, відповість на питання, що легше підняти на дорозі — іржавий цвях або діамант. Навіть якщо залишити осторонь ощадливість, зазвичай властиву власникам діамантів, не можна не визнати, що цвяхів на світі в мільйони разів більше. Тому і знахідка іржавої залізяки куди ймовірніше.
А тепер дайте відповідь: що легше було людям відкрити – залізо, що становить майже одну двадцяту маси нашої планети, або який-небудь цирконій, якого на все про все — 0,021 відсотка? Відповідь однозначна. Імовірність відкриття елемента тим вище, чим більше він поширений. Накладаються тут, звичайно, фактори іншого роду — хімічна активність елемента (чим він інертніше, тим легше його витягти із сполук), мінливості попиту на ті чи інші матеріали,— але при інших рівних умовах справу вирішує поширеність. Мірою ж її служить кларк – величина, введена в науковий побут століття з невеликим назад американським геохіміком Ф. У. Кларком, названа його ім’ям і рівна якраз згаданій вище величині, процентному вмісту елемента в земній корі.
Аналіз подій, виконаний автором «Полювання за елементами», показує, що в багатьох випадках справу дійсно вирішував кларк. Індій, найближчий родич талію, поширений, проте ж, в десяток разів менше і знайдений був не до, а після талію. Барій – найрідкісніший з лужноземельних металів, зустрічається в сотні разів рідше, ніж кальцій. Чи не природно що мінералів, що містять барій, до XVII століття не знали?
..Необхідність, метод, кларк – скільки ж образливих обмежень накладають природа і закономірності суспільного розвитку на дослідницьку діяльність людини! Але ж прийнято думати, що успіх або неуспіх в ній визначаються тільки талантом і працьовитістю вченого…
Що ж залишається на його долю? Народитися вчасно? Вловити віяння епохи раніше інших і тим самим випередити їх з відкриттям на місяць-другий? На жаль, часом буває важливо і це. А все ж без таланту, завзятості та й без вдачі відкриття в руки не даються. Без цих доданків безсила будь-яка закономірність.
Автор: В. Зяблов.