Джейкоб Броновски - Восхождение человечества
Глава 11. Знание или достоверность
Цель естественных наук — воссоздать точную картину материального мира. Однако важнейшим открытием физики XX века стало доказательство того, что эта цель недостижима.
Попробую объяснить вышесказанное на хорошем конкретном примере — на примере человеческого лица. Представьте, что его изучает слепая девушка. Попробуем прислушаться к ее мыслям в момент, когда она обследует лицо своими чувствительными пальцами: «Я бы сказала, что человек очень немолод. Вероятнее всего, он — не англичанин, потому что у него слишком круглое лицо. Думаю, что он европеец, и скорее всего, выходец из Восточной Европы. На лице есть давние шрамы. Обладатель лица — не слишком счастливый человек».
Мы вместе со слепой девушкой изучали лицо Стефана Борграевича, который, как и я, родился в Польше. Его портрет написал польский художник Феликс Топольский. Очень интересно, что он пытался не столько передать сходство, сколько изучить черты лица, как будто на ощупь. Каждая морщинка, каждое пятнышко только усиливают изображение, не делая его совершенным и конечным, — таков художественный метод живописца.
Еще один способ изучения объектов — физика, которая в настоящее время очень продвинулась в этом направлении. Абсолютного знания не существует. Тот же, кто пытается его обрести — будь он ученый или священник, — рискует столкнуться с жестоким разочарованием. Вся информация несовершенна. Мы должны принимать это со смирением. Многозначность явлений, знаков и символов в буквальном смысле роднит человеческое существование с квантовой физикой.
Давайте изучим лицо человека, используя весь спектр электромагнитных излучений. Сформулирую вопрос: насколько мелкие и тонкие детали мы сможем рассмотреть, пользуясь самыми совершенными инструментами в мире?
Мы можем изучить не только те детали, что освещены видимым глазу светом. Джеймс Клерк Максвелл в 1867 году предположил, что свет представляет собой электромагнитные волны, и написал для них уравнения. Спектр видимого света располагается в пределах семи цветов радуги — от красных до фиолетовых лучей, подобно тому, как ноты образуют семиступенную октаву. Но подобно тому, как за пределами октавы остается еще множество звуков, существует и множество невидимых излучений за пределами самых длинных и самых коротких световых волн. Мы будем изучать их по очереди, словно морщинки на портрете.
Существование самых длинных из невидимых волн — радиоизлучения — в 1888 году доказал Генрих Герц, полностью подтвердив теорию Максвелла. Радар-сканер, работающий в диапазоне метровых волн, не увидит лица, если только мы не увеличим его до нескольких метров в поперечнике, как у мексиканских каменных статуй. Только уменьшив длину волны до долей метра, мы сумеем рассмотреть смутные очертания обычной человеческой головы.
Переходим в следующий диапазон, более короткий. Эти волны, длиной меньше миллиметра, получили название инфракрасные лучи. Открыл их в 1800 году астроном Уильям ГершелЬ, который заметил, что разложенный в спектр солнечный свет нагревает предметы, помещенные за красным концом полоски спектра.
Инфракрасная камера преобразует полученное изображение в условные цвета: более теплые участки изображения представляются синим цветом, а более холодные — красным. В силуэте на снимке можно будет угадать глаза, нос, рот человека, которые мы видим благодаря тому что от его ноздрей идет инфракрасное (тепловое) излучение. Мы, безусловно, узнаем о лице нечто новое, но отнюдь не разглядим деталей.
В диапазоне совсем коротких волн, длина которых составляет сотые миллиметра и менее, инфракрасное излучение постепенно переходит в видимый красный цвет. Пленка, которую мы применим в таком случае, будет чувствительна и к инфракрасному и к коротковолновому излучениям. Лицо на снимке оживет. Теперь оно вполне узнаваемо — это Стефан Борграевич.
При белом свете мы можем разглядеть все в деталях: маленькие волоски, поры на коже, шрамы и другие изъяны. Этот дневной (или искусственный белый) свет представляет собой смесь длинных волн (от красных до оранжевых), средних (от оранжевых до желтых), коротких (от желтого до сине-зеленого) и сверхкоротких (ультрафиолетовых). По идее, в ультрафиолете мы должны видеть лучше, чем в инфракрасных лучах, однако на практике разница в октаву нисколько не меняет изображение.
Художник, рассматривая лицо натурщика, сравнивает, сопоставляет черты относительно друг друга, разделяет цвета, чтобы сделать акцент на нужных деталях. Возникает естественный вопрос: должен ли ученый использовать микроскоп, чтобы выделить и проанализировать более тонкие черты? Да, конечно, должен. Однако следует понимать, что микроскоп увеличивает изображение деталей, резкость же изображения определяется используемой длиной волны. Мы можем разглядеть только детали, размер которых больше или равен длине волны, меньшие детали останутся невидимыми.
Двухсоткратное увеличение позволяет рассмотреть отдельную пору кожи при белом дневном свете. Чтобы получить более подробную информацию, нам потребуется еще более короткая длина волны. Значит, пора переходить к следующему типу волн — к ультрафиолетовым. Если бы человеческий глаз был способен видеть в ультрафиолете, то мы могли бы наслаждаться призрачным флуоресцентным пейзажем.
Построенный на этом принципе ультрафиолетовый микроскоп позволяет рассмотреть клетку в невидимых глазу сверхкоротких лучах, увеличивая ее изображение в три с половиной тысячи раз — при таком увеличении видны отдельные хромосомы. Однако это — предел, потому что свет не позволяет разглядеть человеческие гены в хромосоме.
Чтобы двигаться дальше, мы должны снова сократить длину волны, достигнув длины рентгеновских лучей. Однако они настолько всепроникающи, что у нас не получится сфокусировать их, а значит, мы не сумеем собрать рентгеновский микроскоп. Таким образом, мы должны довольствоваться тем, что можем направить эти лучи на объект и получить своего рода тень. Детальность будет зависеть от способности луча проникать внутрь материи. Например, зубной врач, чтобы проанализировать состояние зубов, изучает вид костей черепа на рентгеновском снимке. Подобное свойство рентгеновских лучей сделало их очень популярными почти сразу после открытия в 1895 году. С этого времени физика и медицина пошли рука об руку, а первооткрыватель и отец-основатель прикладной науки Вильгельм Конрад Рентген в 1901 году был удостоен первой Нобелевской премии по физике.
Обследование тела в рентгеновском излучении стало популярным почти сразу же после открытия этих лучей Рентгеном.
Одно из первых оригинальных пластинок Рентгена, на которой снят человек в обуви и с ключами в карманах брюк.
Удача в науке значит очень много, потому что иногда она заменяет собой долгие размышления и исследования, позволяя почти случайно разглядеть то, что, кажется, увидеть невозможно. Рентген не сумел увидеть отдельный атом, потому что он слишком мал и не отбрасывает тени даже при такой короткой длине волны. Тем не менее однажды рентгеновские лучи образовали узор, в котором в 1912 году Макс фон Лауэ сумел увидеть положение атомов. Иначе говоря, немецкий физик изобрел способ, благодаря которому ученые смогли изучать расположение атомов в кристаллах. Дифракционные картины, образуемые рентгеновскими лучами, проходящими через кристаллы, получили название лауэграммы. Они принесли двойную пользу: во-первых, послужили подтверждением реальности атома, во-вторых, доказали электромагнитную природу рентгеновских лучей.
Рентгеновские лучи образуют регулярный узор, по которому может быть воссоздано положение атомов.
Картина дифракции рентгеновских лучей на кристалле ДНК.
Позволю себе небольшое отступление от темы. Рассмотрим электронные микроскопы, в которых лучи настолько концентрированы, что затруднительно назвать их волнами или частицами.
Эти приборы работают по такому принципу: электронная пушка открывает огонь по объекту очерчивая его силуэт, словно метатель ножей, выступающий на ярмарке. Самый маленький объект, который мне доводилось видеть в такой микроскоп, — атом тория. Зрелище было неповторимым и захватывающим. Тем не менее его изображение выглядело нечетким, словно обозначенный ножами метателя силуэт девушки на ярмарочном стенде. Значит, даже самые энергичные электроны не позволяют получить четкий контур. Совершенное изображение так же далеко от нас, как свет далеких звезд.
Таким образом, мы подходим к ключевому парадоксу познания. Каждый год человек изобретает все более точные приборы для наблюдения природы. Однако когда мы изучаем данные, полученные с их помощью, то видим расплывчатые и невнятные изображения, по которым ничего нельзя понять. И так случается всегда, когда нам кажется, что мы уже на грани великого открытия.
