Иван Сороковик - Как рождаются открытия?
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?
Что думают ученые о природе научного творчества, о том, как рождаются новые идеи, теоремы, законы? И думают ли они об этом?
Категорично, пожалуй, ответить нельзя, потому что иногда ученые, сделав открытие, не могли его по-настоящему оценить сами. Известно, например, что Шрёдингер по предложению Петера Дебая (1884–1966) неохотно согласился выступить на семинаре аспирантов Цюрихского университета о научных взглядах Луи де Бройля (1875–1960). Однако, прежде чем выступить, исследователь облачил взгляды де Броля в логическую последовательность математических формул, придал им математическую обработку. В результате возникло уравнение Шрёдингера, которое лежит в основе волновой механики. По утверждению академика П. Л. Капицы, «дебай говорил, что, выступая на семинаре, Шрёдингер сам не понимал, какое большое открытие он сделал».
Интересную историю однажды рассказал Эрнесту Резерфорду (1871–1937) Макс Планк. Когда он впервые выдвинул свою квантовую теорию света, люди не очень охотно ей доверяли, отчасти потому, что, согласно этой теории, заряд электрона должен быть равен 4,7 ⋅ 10–10, тогда как общепризнанной величиной считалась 3,4 ⋅ 10–10. У самого Планка вызывало сомнение это противоречие, но когда Ханс Гейгер (1882–1945) и Резерфорд обнародовали величину 4,65 ⋅ 10–10, Планк уверовал в справедливость своей теории.
Все же некоторые видные ученые не только задумывались над этой проблемой, но и сами старались объяснить процесс творчества.
