Мегасайенс по старинке

Ранняя история научных исследований не богата примерами приспособлений, специально предназначенных для изучения природы; а имевшиеся столь незатейливы, что трудно себе представить, как с их помощью можно открыть что-то серьезное. И все же именно такие простейшие приборы заложили краеугольные камни в фундамент современного мировоззрения.

Надо сказать, что древняя наука во многих отношениях продвинулась дальше средневекового уровня. Однако в Древнем, особенно античном, мире не было столь жесткой монополии на истину, как в Средние века, поэтому впоследствии многие плодотворные идеи потерялись в хоре версий и были забыты на столетия или тысячелетия либо оказались под запретом по требованию церквей монотеистических религий. Таковы, например, догадки об атомном, в сегодняшней терминологии, строении вещества (Демокрит, Левкип, Эпикур, Анаксагор, Лукреций), гелиоцентрическая картина мира (Аристарх Самосский), представления о шарообразной Земле (философы пифагорейской школы, римский энциклопедист Плиний Старший и др.), о вращении нашей планеты вокруг своей оси (Филолай), биологической эволюции (Эмпедокл) и так далее. А сколько идей древних не дошли до нас! Ведь большинство известны лишь по косвенным пересказам, обрывкам утраченных рукописей, неоднократным искаженным переводам!

В то же время науку Древнего мира — будь то вавилонская, египетская, античная, китайская или индийская — нередко упрекают в оторванности от практики, от эмпирических исследований: древние-де либо делали умозрительные заключения, либо отстраненно наблюдали действительность, не моделируя природные явления в опытах (речь идет о большинстве тех, кого мы сегодня называем философами), либо совершенствовали орудия и навыки, не стремясь к широким научным обобщениям и не вдаваясь глубоко в «посторонние» детали (ремесленники, изобретатели и др.). Действительно, подходы к постижению окружающего мира тогда отличались от современных, но все же были исключения: Древний мир оставил нам (или скрыл на века) ряд примеров настоящих эмпирических исследований. Благодаря им достижения науки давно минувших тысячелетий не ограничиваются теорией — среди них немало практических результатов, полученных с помощью остроумных опытов, поставленных с применением первых научных приспособлений.

Яркий пример — достаточно точное определение размеров Земли греческим ученым Эратосфеном, работавшим в Александрии Египетской на границе III и II веков до н. э. Для этого он использовал скафис (скафиум) — разновидность солнечных часов. Определив разницу углов падения солнечной тени в полдень летнего солнцестояния в двух местностях Северной Африки: Сиене (ныне Асуан, Египет), где Солнце в это время находится в зените, и в Александрии, где светило в то же самое время немного не доходит до зенита, — он рассчитал угловой размер и длину дуги окружности Земли между двумя названными точками. Они составили, по его оценке, одну пятидесятую часть полной окружности планеты; из этого следовали геометрические параметры земного шара. Хотя полученный Эратосфеном результат известен лишь приблизительно, он отличается от современных оценок не более чем на несколько процентов. С учетом неточности исходных данных, которыми располагал ученый, и погрешностей измерения это считается выдающимся открытием — первым в истории научно достоверным определением размеров нашей планеты.

Есть иные случаи, когда важные научные методы или инструменты появились не вследствие продуманной теории (как в описанном случае), а как плод практических потребностей, далеких от научных изысканий. Таков, допустим, первый известный науке сейсмоскоп, созданный в начале II века китайским ученым Чжан Хэном. «Флюгер землетрясений» указывал, как считалось, направление на эпицентр землетрясения; в эпоху, когда новости из дальних концов большого государства доходили до столицы лишь за много дней, это позволяло быстрее реагировать на стихийные бедствия. Прибор представлял собой большой, изящно оформленный бронзовый сосуд диаметром восемь традиционных китайских единиц длины чи (всего около 190 см), на внешних стенках которого располагались восемь одинаковых фигурок драконов (по числу частей света, согласно тогдашним представлениям); в пасти каждого имелся металлический шарик, а прямо под ним стояла бронзовая лягушка с раскрытым ртом. Колебания почвы через чувствительный внутренний механизм прибора передавали первый импульс тому из драконов, который, как считалось, был ближе к эпицентру землетрясения; дракон открывал пасть и со звоном ронял шарик в рот лягушке, тем самым предупреждая о начале землетрясения и указывая вероятное направление, где ожидались наибольшие разрушения; при этом специальное устройство блокировало выпадение остальных шариков. До наших дней дошли лишь общее описание сейсмоскопа (наиболее предметное — в летописи династии Хань) и упоминание о его корректном срабатывании; детали внутренней конструкции прибора неизвестны. В Китае, Японии и других странах было изготовлено несколько действующих моделей этого прибора, отражающих разные версии его внутреннего устройства, а также несчетное число реплик с вариантами внешнего вида древнего сейсмоскопа; некоторые из них выставлены в музеях в разных странах.

Имеется и ряд исторических примеров, когда механизмы, создававшиеся ради забавы, представляются нам выдающимися для своего времени экспериментальными моделями, в которых заключен глубокий научный смысл, не понятый ни их современниками, ни многими поколениями потомков. В связи с этим интересны работы одного из выдающихся инженеров и ученых древности — Герона Александрийского, жившего предположительно в I веке. Он написал серию сочинений («Механика», «Катоптрика», «Метрика», «Пневматика» и др.), в каждом из которых систематизировал достижения античной науки и техники в определенной области. Скрупулезное описание передовых для того времени устройств и методов, дополненное в более поздних изданиях рисунками, часть которых отсутствовала в оригинале, создало Герону славу едва ли не величайшего изобретателя всех времен. Не умаляя исторического значения этой личности, стоит все же отметить, что Герон не был автором всех устройств, описанных в его работах, о чем сам он упоминает, например, во вводной части «Пневматики», говоря о заслугах «древних» (то есть предшественников, живших за столетия до него) в создании некоторых описанных в этом труде механизмов и своем намерении обобщить их достижения. Ряд изобретений, нередко ассоциируемых с Героном, упоминаются у живших в III веке до н. э. древнегреческих инженеров Ктесибия и Филона, древнеримского инженера I века до н. э. Витрувия; даже названия некоторых сочинений Герона шаблонны для той эпохи: подобные трактаты (по сути учебники) писали и другие.

Именно из «Пневматики» Герона человечество узнало об устройстве, заслуживающем особого внимания с точки зрения истории науки. И речь не об описанных в этом сочинении хитроумных средствах автоматизации, ряд которых смотрелись бы эффектно даже в XIX веке, а о так называемом эолипиле, или шаре Эола — повелителя ветров в древнегреческих преданиях (нередко это устройство ошибочно называют шаром Герона или Героновым шаром, путая с другим механизмом, описанным инженером) — это первая получившая известность работоспособная паровая машина, по существу разновидность реактивной турбины. При хорошем качестве изготовления ее ротор мог вращаться без нагрузки с частотой свыше 3 тыс. оборотов в минуту. Похожие механизмы были заново придуманы лишь спустя более 1,5 тыс. лет после Герона и, будучи усовершенствованы, стали одной из основ Промышленной революции, приведшей человечество к технологическому взлету. Не исключено, что должное осмысление и дальнейшее развитие этого изобретения могли бы, как минимум, ускорить технический прогресс на века. Однако этого не случилось.

Есть и другие примеры древних устройств, в чем-то предвосхитивших конструкции научных инструментов последующих тысячелетий. Таков сложный древнегреческий прибор, получивший название «Антикитерский механизм» — от греческого острова Андикитира, возле которого в 1901 году было обнаружено затонувшее старинное судно со множеством ценных артефактов, включая остатки этой конструкции. Механизм, созданный, очевидно, во II веке до н. э., представляет собой инструмент для долгосрочного предсказания основных астрономических событий в известной тогда Вселенной, включая положение на небе Солнца, Луны и пяти из шести первых планет Солнечной системы, наступление и характер солнечных и лунных затмений. Прибор, вобравший многовековой опыт наблюдения за небесными явлениями, был создан исходя из геоцентрической картины мира с круговыми орбитами небесных тел (что усложняло расчеты его создателей) и, вероятно, мог выдавать корректную информацию на некоторых средиземноморских широтах. Поскольку, согласно тогдашним поверьям, движение небесных тел обуславливало земные явления, греки и римляне также могли рассматривать его как устройство для метеорологических предсказаний и определения дат, подходящих для проведения различных культовых, общественных и сельскохозяйственных мероприятий.

Конструкция Антикитерского механизма напоминает механическое вычислительное устройство доэлектронной эпохи. Его уникальность заключается в том, что по сложности и утонченности исполнения он превосходит все известные механизмы похожего назначения, созданные в Древнем мире, не уступая некоторым арифмометрам, изобретенным в XVII—XVIII вв.еках. Заложенные в нем конструктивные принципы, при изначальном приспособлении к иным задачам, позволили бы выполнять математические расчеты. Однако за 120 лет изучения фрагментов этого прибора ученые так и не пришли к единым ответам на ключевые вопросы: о точном назначении Антикитерского механизма, корректности его работы и способах изготовления ряда деталей, требующих инструментов, о существовании которых в Древнем мире не было известно.

Вплоть до новейшего времени наука, как правило, довольствовалась скромными ресурсами, и все же среди замечательных старинных инструментов встречаются не только гениально остроумные и неожиданно сложные, но и исполинские конструкции, сравнимые с современными. Один из примеров — оборудование обсерватории Улугбека, построенной в начале XV столетия в районе Самарканда (ныне Узбекистан). Мухаммед Тарагай (1394−1449), известный под именем Улугбек, был внуком Тимура (Тамерлана) и правителем одного из среднеазиатских государств — осколков империи деда. Однако в исторической памяти он остался прежде всего как выдающийся ученый позднего Средневековья, великий астроном и покровитель наук. Его стараниями в 1420-х годах в пригороде Самарканда была возведена одна из крупнейших, вплоть до Нового времени, обсерваторий, которая вошла в число ведущих мировых научных центров своего времени. В воздвигнутом на небольшом холме круглом трехэтажном здании диаметром 46 и высотой 30 метров, с глубокой подвальной частью, был установлен, наряду с прочими передовыми для той эпохи астрономическими инструментами, грандиозный угломер (разновидность секстанта или квадранта) в виде напоминающего трамплин участка окружности длиной около 63 метров; его нижняя часть уходила глубоко под землю, а верхняя взмывала к крыше здания. Дуга соответствовала ¼ окружности радиусом 40,212 метра и имела рабочий (используемый при измерениях) участок в 60^о.

Как показали современные оценки, секстант был ориентирован по меридиану с юга на север с очень малой погрешностью. Через проем в крыше здания ученые фиксировали положение небесных объектов с привязкой к угломеру. В силу размеров этого крупнейшего, вплоть до XX века, научного прибора каждый градус квадранта составлял ~0,7 метра, что позволяло проводить измерения с необычайной для того времени точностью на уровне угловых минут. К незаурядным характеристикам научного оборудования следует прибавить и некоторые естественные преимущества места, выбранного для обсерватории: она располагается на высоте свыше 700 метров над уровнем моря, в местности с, как правило, ясным небом. Многие звездочеты Древнего мира и Средних веков работали в приморских районах, в менее благоприятных условиях, разница которых была особенно ощутима в дооптическую эпоху астрономии.

Неудивительно, что среди заслуг группы ученых во главе с Улугбеком, работавших в этой обсерватории, — создание в течение примерно двух десятилетий наиболее полного каталога звездного неба из всех появившихся до изобретения телескопа (так называемый «Зиджи Гураган», или «Звездные таблицы Улугбека», включавшие 1018 звезд), который также отличался исключительной точностью, впервые превзойденной лишь в конце XVI века знаменитым датским астрономом Тихо Браге. Звездный каталог Улугбека входил в состав сборника, содержавшего целый ряд других достижений астрономии. После гибели Улугбека в результате покушения и эмиграции его ученика Али Кушчи в османский Константинополь этот труд попал в Европу и впоследствии неоднократно публиковался, а Улугбек признан одним из наиболее выдающихся астрономов в истории человечества.

Открытия Улугбека — лишь один из последних отголосков превосходства восточной науки в Средние века. После заката античного мира Европе потребовалось порядка тысячи лет, чтобы выйти из научного застоя. Зато в конце эпохи Возрождения этот континент постепенно превратился в локомотив мирового научно-­технического прогресса. В XV веке Европа стала зачинательницей многовекового процесса глобализации, усилившего обмен идеями и ресурсами между разными племенами человеческого рода и содействовавшего расширению его кругозора.

Основы научного переворота были заложены в следующем, XVI столетии, а в XVII веке началась настоящая революция в естествознании. Ей способствовало изобретение ряда инструментов, обеспечивших первую научную революцию. Речь идет, в частности, о воздушном (разряжающем) насосе, ртутном и водяном барометре, термометре, а также о микроскопе и телескопе; последние два буквально раздвинули границы познания, дав человеку возможность проникнуть в дотоле неведомые ему макро- и микромир.

Вопрос о приоритете и точном времени создания микроскопа и зрительной трубы (вскоре появились ее версии: подзорная труба и телескоп) окончательно не решен; считается, что они появились на границе XVI и XVII столетий в Голландии — стране, которой мир обязан целым рядом инноваций в этот период. Галилео Галилей писал, что взяться за оптические методы исследования в астрономии его побудило полученное в 1609 году известие о том, будто «какой-то нидерландец» изобрел «инструмент, посредством которого можно видеть отдаленные предметы так же ясно, как близкие». Чаще всего авторами увеличительных устройств, совмещающих более одной линзы, называют (в том числе официально в Нидерландах) Захариаса Янсена и Ханса Липперсгея — двух мастеров по изготовлению оптики, бывших одно время соседями; каждый из них и их потомки безуспешно пытались доказать свой приоритет. Помимо них, на изобретение претендовали и другие, и уже в первое десятилетие XVII века устройства для многократного увеличения изображения на основе нескольких стекол делали разные мастера — сначала в Нидерландах, а затем в других странах Европы.

На протяжении XVII столетия микроскоп и телескоп были существенно усовершенствованы. Идеи, превратившие зрительную трубу в телескоп, принадлежали известному физику и астроному Иоганну Кеплеру (не способному самостоятельно их воплотить из-за имевшейся у него патологии зрения), а реализованы они были немецким ученым-­иезуитом Кристофом Шейнером в начале 1610-х годов. Первые важные открытия в астрономии с помощью доработанной им самим зрительной трубы сделал Галилео Галилей (усовершенствовавший также микроскоп). В частности, он в 1610 году обнаружил четыре спутника Юпитера. Ключевые идеи зеркального телескопа были высказаны (и поначалу практически не замечены современниками) в 1636 году французским ученым-­энциклопедистом Марином Мерсенном, более всего известным как ведущий координатор переписки и общения множества европейских ученых в первой половине XVII века, в дальнейшем способствовавших созданию Французской академии наук.

Зеракальный телескоп был впервые сконструирован в конце 1660-х годов Исааком Ньютоном; в результате наука получила качественно новое средство, которое затем непрерывно совершенствовалось. Столь мощное орудие помогло подтвердить и дополнить новую физическую картину мира, созданную Г. Галилеем, И. Ньютоном и другими учеными, и в частности, начать осмысление первой из четырех фундаментальных сил природы, осознанных человечеством в XVII—XX вв.еках, — гравитации.

Микроскоп позволил получить важные научные результаты во второй половине XVII века. В частности, разносторонний английский ученый Роберт Гук с помощью этого прибора изучал анатомию насекомых, микроструктуру растений. В ходе своих исследований он ввел понятие живой клетки, еще не имея возможности изучать внутриклеточные структуры. Микробиология возникла спустя более чем полвека после изобретения микроскопа, когда голландец Антони ван Левенгук открыл и описал некоторые одноклеточные организмы и структуры, бактерии; результаты его исследований были впервые опубликованы в 1670-х годах. При этом А. ван Левенгук использовал собственную увеличительную конструкцию, не похожую на классические микроскопы, посредством которой впервые добился увеличения в несколько сотен раз.

Таким образом, изобретение телескопа и микроскопа содействовало прорыву в астрономии, физике, биологии и ряде других ­дисциплин.

Также с конца XVI столетия начался новый этап в исследовании электрических и магнитных явлений, в понимании которых в Средние века человечество не продвинулось ни на шаг по сравнению с древней эпохой. Прежде такие работы сдерживались отсутствием подручных источников статического электричества и тем более тока: единственным способом получения слабого заряда было трение, например, янтаря о ткань (как известно, слово «электричество» происходит от древнегреческого «янтарь»). Долгое время люди даже не отождествляли друг с другом разрозненные формы электричества, считая их разными явлениями, не видели связи между ним и магнетизмом. С изобретением источников электричества возникла экспериментальная база для исследований, которая за пару веков продвинула науку в понимании одной из важнейших областей природы несравненно дальше, чем за предыдущие несколько тысяч лет, и позволила осмыслить второе из упомянутых четырех фундаментальных физических взаимодействий.

Важным импульсом для дальнейшего развития этой научной области стала опубликованная в 1600 году работа английского ученого Уильяма Гилберта, обобщившая накопленные до этого знания об электричестве и магнетизме и добавившая к ним некоторые новые выводы автора, в числе которых было и геофизическое открытие: У. Гилберт предположил существование земного магнетизма в понимании, близком к современному. Этот труд подтолкнул исследователей к созданию специальных источников электрического заряда. Одна из первых конструкций была придумана в середине XVII века Отто фон Герике (изобретателем версии барометра и упомянутого выше воздушного насоса). Это был примитивный электростатический генератор в виде большого шара из серы, натираемого при его вращении руками экспериментатора; на счастье автора и последующих пользователей, получаемый заряд был сравнительно невелик. С помощью своего шара О. фон Герике обнаружил, в частности, эффекты электрической люминесценции и отталкивания некоторых (как мы сегодня знаем, однополюсных) заряженных тел; ранее считалось, что электричество порождает лишь притяжение.

Изобретение О. фон Герике совершенствовалось, и подобные трибоэлектрические (то есть формирующие заряд посредством трения) генераторы служили основными первоисточниками электричества на протяжении более чем столетия. Однако разным конструкциям электростатических генераторов недоставало одного — способности накапливать большие заряды. Она появилась с изобретением так называемой лейденской банки, получившей название от голландского города Лейдена или Лейденского университета. Именно там профессор Питер ван Мушенбрук и его ученики изготовили в 1745 году первый вариант этого устройства, получивший известность в Европе. Оно представляло собой стеклянную банку или бутылку с водой, закрытую пробкой или крышкой, сквозь которую проходили гвоздь либо проволока, погруженные в воду. Обкладками конденсатора служили вода с гвоздем/проволокой и руки экспериментатора, державшие банку. В усовершенствованных вариантах внутренняя и внешняя обкладки изготавливались из оловянной фольги или других материалов, прилегавших к стеклу с обеих сторон.

Помимо ряда заслуг в науке, П. ван Мушенбрук обладал деловой хваткой и занимался поставкой исследовательских инструментов, включая созданные им и его учениками, для различных учреждений Европы. Возможно, именно этим объясняются быстрое распространение лейденской банки и ее название. Между тем в том же году подобный конденсатор придумал прусский священнослужитель Эвальд Кляйст, который умер через три года после изобретения, не сумев реализовать свой приоритет.

Лейденская банка в различных усовершенствованных вариантах, заряжаемая электростатическими генераторами (поначалу устройствами О. фон Герике), полвека служила основным источником электричества для его исследователей. В середине XVIII столетия американский физик и государственный деятель Бенджамин Франклин дал адекватное объяснение основному принципу работы лейденской банки (верно оценив роль диэлектрика — стекла) и одним из первых создал батарею из множества конденсаторов, что позволило исследователям многократно увеличивать электрическую емкость.

Подлинный прорыв в исследовании электричества и магнетизма наступил в XIX веке, после изобретения источников электрического тока — поначалу постоянного. Первый такой источник придумал в 1799 году итальянец Алессандро Вольта. Он представлял собой пластины из двух металлов (А. Вольта экспериментировал с пáрами из меди, цинка, серебра, свинца), проложенные тканью, смоченной электролитом (соленой водой, кислотой или щелочью). Чередуя «бутерброды» из пластин и влажных прокладок круглой формы, А. Вольта составлял целые колонны, которые после сенсационного признания его изобретения в 1800 году получили название «вольтовы столбы» (по сути, батареи из элементов А. Вольты).

Сам А. Вольта назвал новый источник электричества в честь соотечественника и современника (умершего за два года до триумфа Алессандро) Луиджи Гальвани, анализ опытов которого (воздействие электричества на биологические ткани) и ошибочных выводов натолкнул Алессандро на его идею. Впоследствии были созданы разные варианты принципиально схожих с вольтовым столбом источников, в которых постоянный ток возникает в результате необратимых химических процессов. За такими источниками закрепилось название «гальванические элементы» — в честь ученого, не сделавшего ни одного правильного вывода из своего эксперимента.

В начале XIX века создавались всё более крупные и совершенные гальванические батареи, давшие в руки ученым невиданно мощные источники электричества: составлялись батареи с напряжением в тысячи вольт, позволявшие получить электрическую дугу, плавить металл, пытаться создать источники электрического освещения, исследовать прохождение токов через проводники и электролиз, получать отдельные химические элементы и открывать новые. Гальванические батареи вытеснили электростатические генераторы и заняли место основных источников электричества вплоть до последней трети XIX века. Они стали также первыми электрическими устройствами, которые со временем начали применяться не только для экспериментов и шоу, но и с практическими целями, в частности — для некоторых технологических процессов (таких как гальванопластика, изобретенная в России и использованная при оформлении Исаакиевского собора) и освещения.

Это явление — внедрение научных инструментов и экспериментальных моделей в повседневную практику — становится все более характерным с середины XIX века, когда наука начинает постепенно превращаться в базовую производительную силу, без которой все труднее обойтись при усовершенствовании и особенно создании принципиально новой техники. Исследование электрических цепей привело, в частности, к изобретению проводных средств электросвязи на дальних расстояниях, а позже — технологий передачи электроэнергии и формированию электросетей. Открытие электромагнитной индукции Майклом Фарадеем повлекло за собой создание электрических машин, превратившихся из сугубо лабораторных устройств в одну из основ цивилизации Новейшего времени.

Разработка Джеймсом Максвеллом теории электромагнитного поля в 1860-х годах и открытие Генрихом Герцем предсказанных Д. Максвеллом электромагнитных волн в конце 1880-х годов позволили в течение пары десятилетий создать радиотехнику и различные вытекающие из нее технологии. Эксперименты с лабораторными катодными трубками привели к открытию рентгеновских лучей, совершивших переворот в методах медицинской диагностики, промышленного контроля и многих научных исследованиях. Развитие химии на границе XIX и XX столетий натолкнуло ученых на открытие радиоактивности, спустя полвека давшей в руки человечеству принципиально новый, невиданно мощный источник энергии и другие возможности. Создание в начале XX столетия ускорителей не только содействовало фундаментальным исследованиям и открытиям, но и породило новые направления в промышленных, медицинских и прочих технологиях. Изобретение в середине XX века электронно-­вычислительных машин для решения военно-­научных задач к концу минувшего столетия обернулось информационной революцией, продолжающейся до сих пор.

Осознавшие значение науки государства и компании стали инвестировать в нее все большие средства. Соответственно, повышалась оснащенность лабораторий, рос уровень сложности научных инструментов. В некоторых случаях они приобрели колоссальные масштабы, порой превосходящие даже многое из того, на что государства издавна тратятся охотнее и больше всего — средства убийства и разрушения. Эмпирическая наука, когда-то начавшая свой путь с солнечных часов и иных простейших устройств, со второй половины XX столетия вышла на мега-уровень.