Алексей Капанадзе. Опытным путем. Эксперименты, изменившие мир. М.: Наука, 2019. Содержание
Книга Алексея Капанадзе представляет собой дайджест историй об исследованиях, результаты которых либо произвели революцию в науке, либо значительно повлияли на нее. Описание дается в хронологии, начиная с Фалеса Милетского (~ 624 — 546 до н. э.), заметившего, что, если янтарь потереть о шерсть, он начнет притягивать к себе легкие предметы (кстати, от греческого названия янтаря (ἤλεκτρον, «электрон») и образован термин «электричество»). Завершается же работа Алексея Капанадзе рассказом о социальном эксперименте — выплате базового безусловного дохода (2008–2017 гг.) в Кении, Намибии, Канаде и Финляндии, а также об опытах сенсорной и информационной депривации (при которых испытуемых погружают в состояние полной изоляции от внешнего мира).
«Горький» подготовил краткий (и далеко не исчерпывающий) путеводитель по экспериментальным вехам в истории науки. Начнем, как и полагается, с древности.
Голый человек на площади Сиракуз
«Ничего не существует, но даже если существует, то оно непознаваемо, и даже если познаваемо, то необъяснимо для другого», — Алексей Капанадзе приводит рассуждения софиста Горгия, ссылаясь на скептика Секста Эмпирика, критиковавшего подобный стиль мышления.
Одним из первых эмпирических исследователей, противоположных такой умозрительности, среди ученых мужей древности был Архимед, которому сиракузский правитель Гиерон II дал однажды задание (Архимед служил у тирана придворным астрономом): разобраться, не обманул ли его ювелир, изготовивший золотую корону для принесения в жертву богам. Гиерона терзали подозрения, что изготовитель присвоил себе часть золота, заменив его на более дешевое серебро.
Архимед знал, что у золота и серебра различная плотность, но, как понять, есть ли примесь в сплаве и в каком количестве? По легенде, озарение случилось, когда Архимед принимал ванну. Выплеснувшаяся под воздействием его массы вода навела на мысль — корону также нужно поместить в воду. Объем вытесненной жидкости будет равен объему изделия (он изменится, если сплав окажется нечистым).
По той же легенде, голый Архимед выбежал из купальни и с радостными криками «Эврика!» стал носиться по центральной площади Сиракуз (интересное было время).
Менее известны другие подробности, а именно: как, собственно, проводил этот эксперимент Архимед. Для выяснения истины правитель выделил придворному ученому слиток чистого золота, который вместе с вызывающей вопросы короной поместили на балансире-коромысле. «Изящество такого эксперимента в том, что вам даже не нужно вычислять объем вытесняемой воды: достаточно лишь посмотреть, наклонится ли коромысло», — пишет Алексей Капанадзе. Большинство исследователей сходятся в том, что Архимеду таки удалось разоблачить недобросовестного подрядчика, уличив в воровстве драгметалла на госзаказе.
Расхитители гробниц
Врачи долгое время проводили медицинские исследования без вскрытия. Однако уже Гиппократ не ограничивался визуальным осмотром больных и умерших, а ввел в медицинскую практику пальпацию (прощупывание) и аускультацию («прослушивание» звуков, издаваемых организмом).
Врач и философ Клавдий Гален (II в. н. э.) вскрывал собак, свиней и обезьян. На основе их анатомического строения он делал выводы о человеческом организме. Так, именно Гален пришел к тому, что не сердце, а головной и спинной мозг являются «средоточием движения, чувствительности и душевной деятельности».
Революцию в медицине многим позже совершил фламандец Андреас Везалий, издавший в 1543 году свой труд «De humani corporis fabrica» («О строении человеческого тела»). Везалий родился в Брюсселе, а большинство исследований проводил в Падуанском университете. Местные власти разрешили ему вскрывать человеческие трупы. И даже согласовывали время казней преступников так, чтобы после умерщвления тело казненного можно было передать в руки медикам.
Но еще недавно все было иначе. Алексей Капанадзе пишет, что, когда Везалий учился в Париже, он и его коллеги воровали покойников из могил: легального способа проводить анатомические вскрытия тогда просто не существовало.
Обложка первого экземпляра «О строении человеческого тела», раскрашенная вручную
Из-за того, что чаще казнили мужчин, тогдашние анатомы знали строение мужского организма лучше, чем женского. Так, например, в медицине долгое время считалось, что матка имеет «двуполосное» строение (по аналогии с молочными железами). Но уже Везалий опроверг устойчивое представление о том, что у мужчин на одно ребро меньше, чем у женщин.
Везалия не только поддерживали современники, но и яростно критиковали, как это делал, например, парижский медик Жак Дюбуа, некогда преподававший Везалию основы медицины. Он открыто называл бывшего ученика сумасшедшим, потому что «невозможно продвинуться в изучении анатомии дальше Галена».
Алексей Капанадзе обращает внимание: иногда Везалий подстраивался под подобную критику и сознательно делал уступки традиционным для своего времени представлениям:
«...в своей первой работе „Tabulae anatomicae sex“ („Шесть анатомических таблиц“, 1538 г.) он <...> явно показывает не то, что сам наблюдал: печень на иллюстрациях к этому труду предстает в виде цветка с пятью лепестками — так, как было принято изображать ее в Средневековье, а сердце и аорта напоминают обезьяньи — совсем по-галеновски».
Снежинки, мочевина и «чертовы псы»
Английский естествоиспытатель Роберт Гук публикует в 1665 году труд «Micrographia» («Микрография»), где описывает свои эксперименты по изучению «сверхмалых объектов» (насекомых — мух, блох, комаров) с помощью хитрой системы линз.
Обложка «Микрографии»
Это одна из влиятельнейших работ для своего времени по изучению микромира. В книге описаны 60 наблюдений. Для иллюстрации Гук сам нарисовал 58 гравюр (художественные навыки до появления фотографии ценились в научной среде — как иначе добиться наглядности?). С оговорками можно сказать, что «Микрография» стала научпопом XVII века, поскольку была написана не на латыни, понятной по большей части ученым, а по-английски — и потому рассчитана на широкий читательский круг.
Вдохновившись «Микрографией», Антони ван Левенгук, основоположник научной микроскопии, занялся изготовлением своих приборов.
Чтобы рассматривать этих персонажей под микроскопом, нужно было решить как минимум две задачи:
– обеспечить ярчайшее освещение; для этого Гук придумал конструкцию из стеклянных линз и емкостей с водой, выполнявших роль сферических линз;
– добиться неподвижности изучаемых объектов, не умерщвляя их (иначе ткани быстро съеживаются и высыхают). Даже если приклеить условного муравья клеем или воском, полной неподвижности не добьешься. Но исследователь нашел выход: он опаивал подопытных насекомых бренди.
Роберт Гук в свои увеличительные линзы рассматривал и объекты неживой природы. Например, он показал, сколько мельчайших неоднородностей может быть на кончике металлической иглы или на кромке бритвенного лезвия. Изучение древесного угля привело Гука к выводу о существовании клеток, а увиденные в микроскоп замерзшая моча и снежинка обнаружили между собой много общего — они представляют собой «аналогичные фигуры с шестью ветвями».
Как и в случае с Везалием (да и с другими учеными это случалось), многие современники критиковали Гука и даже откровенно высмеивали его. В 1676 году в Британии была популярна комедия Томаса Шедуэлла «Виртуоз», главный герой которой подозрительно похож на Роберта Гука: ученый-чудак, потративший «две тысячи фунтов на микроскопы, дабы уяснить себе природу угрей в уксусе, клещей в сыре, а также голубоватого налета на сливах, который, как он весьма остроумно установил, также являет собой мельчайших живых существ».
Роберт Гук ходил на премьеру. «Чертовы псы! Еще чуть-чуть — и публика стала бы показывать на меня пальцем», — такова была реакция ученого.
Меж тем в дальнейшем микроскоп зарекомендует себя как незаменимый инструмент для исследований в области физики, химии, геологии, палеонтологии и медицины.
Полоний в кармане и «радиевые девушки»
На рубеже XIX–XX веков исследователи открыли, что есть излучения, о которых ранее человечество не имело никакого представления (радиоволны, рентгеновские лучи, радиация).
Если говорить о радиоактивности, то ее существование экспериментально удалось подтвердить почти случайно. В 1857 году французский химик Абель Ньепс де Сен-Виктор разрабатывал метод получения цветных фотографических снимков, используя соли металлов, чувствительных к свету (это делалось в продолжении изысканий двоюродного брата исследователя, Жозефа Нисефора Ньепса, считающегося изобретателем фотографии).
Абель Ньепс обнаружил, что даже в полной темноте некоторые соли засвечивают фотографические эмульсии. Он пришел к выводу, что причина этого необычного явления — соли урана, а «свет», проявляющий фотопластинки, представляет собой не фосфоресценцию и не флуоресценцию. Удивительно, но урановые соли сохраняли способность засвечивать фотопластинки даже после полугодового пребывания в темноте.
Абель Ньепс заявил, что «никакая фосфоресценция не могла бы продлиться столь долго», а речь, видимо, идет о «некоем излучении, невидимом для человеческого глаза».
Параллельно изысканиями в схожем направлении занялся французский физик Эдмон Беккерель (отец химика Антуана Анри Беккереля, одного из первооткрывателей радиоактивности).
С трудами Беккереля была знакома другая известная в науке семейная чета — Мария и Пьер Кюри. В 1898 году они открыли, что радиоактивен не только уран, но и торий, радий и полоний. Говорят, что однажды Беккерель, готовясь к публичной лекции, одолжил у супругов Кюри радиоактивное вещество — пробирку с ним он положил в карман жилета. На теле ученого (в месте, где располагался жилетный карман) появилось покраснение — аккурат в форме пробирки.
Пьер и Мария Кюри
Пьера Кюри впечатлила эта история: он взял пробирку с радием, привязал к своему предплечью и не снимал десять часов. У него появилось покраснение, развившееся впоследствии в тяжелую язву, не заживавшую два месяца.
Так ученый мир понемногу открывал биологическое воздействие радиации.
Супруги Кюри продолжали исследования, не сильно заботясь о собственной безопасности. Например, ученые проводили часть экспериментов в переоборудованном под нехитрую лабораторию сарае на парижской улице Ломон. С 1898-го по 1902 году Кюри переработали около 8 тонн урановой смолки (она более радиоактивна, чем уран в чистом виде).
В те времена исследования радиоактивности не только не пугали, но и были в моде. Радий, например, использовали при производстве бытовых приборов — например, светильников (из-за голубоватого свечения радия в темноте). Часы с радиевым циферблатом активно выпускались американскими фирмами уже в 1917 году. Причем радиевая краска наносилась вручную — считалось, что это тонкая, женская работа. «Радиевые девушки», работавшие на часовых фабриках, тяжело болели и умирали.
Радий очень опасен для человека из-за сходства с кальцием по химическому составу — из-за этого организм не отторгает его, а охотно включает, «приняв за своего». Оказавшись в костях, радий приводит к возникновению опухолей, к повреждениям костного мозга, анемии и лейкемии. В те годы человечество об этом не знало — лишь в 1938 году приняли закон, запрещающий «производство радиоактивных потребительских товаров».
Мария Склодовская-Кюри умерла в 66 лет от апластической анемии, возникшей из-за радиации (хотя сама Кюри не признавала этой связи). Многие коллеги Кюри умерли от лейкемии еще в 1920-е годы. Дочь Марии Кюри, Ирен Жолио-Кюри, вместе со своим мужем Жаном Фредериком Жолио-Кюри продолжили исследования родителей и тоже ушли из жизни из-за болезней, вызванных долговременным облучением радиацией.
Рабочие дневники и журналы Марии Кюри радиоактивны. Они хранятся в Париже, в Национальной библиотеке. Их держат в специальных свинцовых контейнерах. Работать без дополнительных мер предосторожности с артефактами можно будет через ~ 1 600 лет. Именно таков период полураспада радиевых изотопов.
Радиоактивные дневники Марии Кюри
«Гриб» переплавил песок в стекло
В сентябре 1943 года США запускают «Манхэттенский проект», которым руководят физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гровс. Начинаются работы по созданию ядерного оружия (в ядерных реакторах научились производить уран‑235 и плутоний‑240, его важнейшие компоненты).
16 июля 1945 года. Штат Нью-Мексико, полигон Аламогордо в пустыне Хорнада-дель-Муэрто (переводится как «Странствие смерти»). Первое испытание ядерного оружия. Эксперимент вошел в историю как «Trinity» («Троица»).
На испытаниях присутствовали 425 человек — ученые, военные, техперсонал. Плутониевую бомбу имплозивного типа (в которой радиоактивные материалы обложены взрывчаткой, резко уменьшающей их объем при подрыве, создавая критическую массу, необходимую для запуска ядерной реакции) назвали «Gadget» («Штучка»). В центре бомбы — две полусферы из плутониево-галлиевого сплава, покрытые слоями серебряной и золотой фольги. Плутониевый шар разместили внутри уранового замедлителя.
«Штучку» взорвали в 5:29 утра (планировалось ровно в 4:00, но из-за погоды откладывали). Тротиловый эквивалент взрыва изначально определили в диапазоне от 10 до 19 кт, но в 2016 году провели новый анализ, давший другие цифры — 22,1±2,7 кт.
Взрыв «Gadget»
Взрыв расплавил песок, который превратился в светло-зеленое радиоактивное стекло (позже этот минерал искусственного происхождения назовут тринититом). Радиоактивный «гриб» поднялся на высоту 12 км, образовав кратер глубиной 1,5 м и шириной 9 м. Взрывная волна ощущалась на расстоянии до 160 км.
Алексей Капанадзе приводит размышления Оппенгеймера:
«„Мы понимали, что мир уже никогда не будет прежним“. Он полагал, что в тот момент не только ему пришли в голову слова <...> из „Бхагавад-гиты“: „Зри, я сделался самою Смертью, разрушительницей миров“».
В СССР первые испытания ядерного оружия проводили на полигоне в Семипалатинске (с 1949-го по 1989-й здесь взорвали более 600 ядерных зарядов). Эксперименты проводили также на Новой Земле, в Капустином Яру (на севере Астраханской области). 14 сентября 1954 года в ходе учений «Снежок», проходивших на Тоцком полигоне в Оренбургской области, с бомбардировщика «Ту‑4» сбросили ядерную бомбу мощностью 38 кт в тротиловом эквиваленте.
«5 августа 1963 года все ядерные державы (и даже многие страны, не обладавшие таким оружием) подписали в Москве Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой <...> Считается, что последние (уже только подземные) испытания ядерного оружия СССР провел в 1990 году, США — в 1992-м, Китай — в 1996-м. В том же 1996 году Генеральная ассамблея ООН приняла Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, но его до сих пор не ратифицировали многие ядерные державы — например, США и Китай. (Индия и Пакистан не подписали эти соглашения и проводили ядерные испытания до конца 1990-х», — пишет Алексей Капанадзе.)
Голова собаки профессора
Коротко остановимся на некоторых других важнейших для развития науки экспериментах, о которых рассказывается в книге.
Развитие трансплантологии. В начале ХХ века французский хирург Алексис Каррель ставил опыты на собаках, осваивая методы пересадки почек, селезенки и сердца. Он научился пересаживать большие участки артерий и вен, разработал новую эффективную методику зашивания сосудов. Вместе с Чарльзом Линдбергом он создал перфузионный насос — устройство для длительного сохранения донорских органов.
В 1920-е годы советские физиологи Сергей Брюхоненко и Сергей Чечулин добились того, что отделенная от тела собачья голова прожила один час сорок минут (ее подключили к аппарату искусственного кровообращения). Голова открывала и закрывала глаза, высовывала язык, проглатывала пищу, реагировала на громкие звуки и яркий свет. Другой наш соотечественник, Владимир Демихов, в 1950-е годы создавал «двухголовых собак».
Привет сверхновым и коричневым карликам
Современная техника позволяет изучать небесные тела не только в видимом диапазоне. Астрономы исследуют:
– гамма-излучение сверхновых и нейтронных звезд, пульсаров и черных дыр;
– рентгеновское излучение скоплений галактик и активных ядер галактик;
– ультрафиолетовое излучение Солнца и других звезд.
В видимом диапазоне они изучают звезды, туманности и галактики. В инфракрасном — очень холодные звезды (например, коричневые карлики) и очень далекие галактики. В микроволновом — космический микроволновой фон. В радиодиапазоне — остатки сверхновых звезд, гравитационные линзы, а также процессы звездообразования.
Алексей Капанадзе отмечает, что в ближайшее время планируется вывести на околосолнечную орбиту телескоп нового типа (Laser Interferometer Space Antenna), предназначенный для регистрации гравитационных волн.
А это значит, что эксперименты, расширяющие наше представление о мире (как о микро- , так и макро-), продолжаются. Какой-нибудь из этих или других экспериментов когда-нибудь этот мир в очередной раз необратимо изменит.
Лишь бы к лучшему.