Текст книги "Краткая история науки"

Глава 12
Падающие башни и телескопы Галилея

Должно быть, одно из самых странных зданий в мире – 850-летняя башня колокольни Пизанского собора в Италии. Вы могли слышать о ней как о Падающей или Пизанской башне, и обычное развлечение – сделать фото рядом с ней, чтобы казалось, что ваш друг поддерживает слегка покосившееся строение, не давая ему упасть.

Ходят истории о том, как Галилей использовал башню, чтобы ставить собственные опыты – бросал с верхушки два шара разного веса, пытаясь увидеть, какой достигнет земли первым. На самом деле это байка, но Галилео действительно проводил эксперименты такого рода, и благодаря им он понял, что шар весом в десять фунтов и в один фунт ударятся о грунт одновременно.

И точно так же как с Солнцем, которое не оборачивается вокруг Земли за сутки, результат противоречит нашему повседневному опыту. В конце концов, если уронить с башни перо и пушечное ядро, то они упадут вовсе не одновременно.

И почему два шара разного веса ведут себя иначе?

Галилео Галилей (1564–1642) родился в Пизе (Галилей – это фамилия, но нашего героя часто звали по имени). Его отец был музыкантом, и фактически Галилео вырос в соседней Флоренции, потом вернулся в Пизу, в университет как студент-медик, но куда больше интересовался математикой, поэтому он оставил учебу, заработав репутацию человека с острым и быстрым умом.

В 1592 году он перебрался в Падую, чтобы учиться математике и тому, что мы назвали бы физикой. Он находился там в то время, когда Уильям Гарвей, о котором мы скоро будем говорить, учился в этом же городе, но увы, эти двое, по всей вероятности, никогда не встречались.

Жизнь Галилео была полна противоречий, его идеи всегда бросали вызов общепринятым взглядам, в особенности той физике и астрономии, которой следовал Аристотель и прочие древние. Он оставался искренним католиком, но одновременно верил, что религия касается морали и веры, а наука имеет дело с материальным миром. Как он понимал. Библия говорит исключительно о том, как попасть на Небеса и как все происходит там, и это привело ученого к конфликту с католической церковью, яростно защищавшейся от тех, кто осмеливался выступить против ее идеалов и авторитета.

Церковь в то время начала контролировать все возрастающий поток печатных книг, помещая неприемлемые в особый перечень, именовавшийся Index Librorium Prohibitorium (Список запрещенных книг). У Галилея было множество друзей на высоких должностях (в их числе принцы, епископы, кардиналы и даже римские папы), он имел поддержку части клириков, но другие страстно желали уничтожить его идеи, оградить и сохранить устоявшуюся веками систему обучения.

Ранние труды Галилео касались сил, действующих на движущиеся объекты.

С самого начала он хотел наблюдать и делать измерения, и если это возможно, то выражать результат в виде уравнений. В одном из самых известных опытов он аккуратно скатывал шар по наклонной поверхности и измерял время, необходимое для того, чтобы тот прошел разные расстояния. Как легко представить, шар набирал скорость по мере того, как скатывался (мы бы сказали, что он ускоряется). Галилео увидел жесткую взаимосвязь между скоростью шара и временем, прошедшим с момента начала движения. Скорость связана с квадратом (число, умноженное само на себя, например 3 на 3) времени, так что если пройдет две секунды, то он будет двигаться в четыре раза быстрее, чем вначале.

Квадрат времени еще появится в работах ученых более позднего времени, так что присмотрим за ним. Природа, судя по всему, любит возведенные в квадрат величины.

И в этом, и в других экспериментах Галилей показал себя вполне современным исследователем, поскольку он понял, что результаты его измерений не всегда совпадают: иногда мы моргаем не вовремя, или требуется время для того, чтобы зафиксировать что-то, или дает сбой наше несовершенное оборудование. Но тем не менее так обстоит дело в любых наблюдениях, относящихся к реальности, и Галилео всегда интересовался в первую очередь физической реальностью как она есть, а не неким абстрактным миром, где все идеально и точно.

Ранние работы Галилея по поводу движущихся объектов показали, насколько иначе он видит мир в сравнении с Аристотелем и сотнями мыслителей, живших после того. И все это несмотря на все еще непоколебленный авторитет Аристотеля, которого держались в университетах, находившихся под управлением церкви.

В 1609 году Галилей узнал о новом инструменте, способном бросить еще более серьезный вызов старому образу мышления. Вскоре этот инструмент был назван «телескопом» от словосочетания «смотреть далеко», точно так же как телефон – от сочетания «говорить далеко», а микроскоп – «рассматривать маленькое».

И телескоп, и микроскоп сыграли важнейшую роль в истории науки.

Первый инструмент, созданный Галилеем, способен был на очень небольшое увеличение, но сам ученый оказался впечатлен. Быстро усовершенствовал свое творение, комбинируя линзы, и получил тем самым увеличительную силу примерно такую же, как у среднего современного бинокля – примерно в пятнадцать раз.

Звучит не очень сильно, но произвело сенсацию.

Используя его, можно было обнаружить корабли в море задолго до того, как они станут различимы невооруженным взглядом. Но более важным стало то, что Галилей повернул свой инструмент к небесам и оказался поражен тем, что там увидел: глянув на Луну, он сообразил, что это вовсе не идеальный, гладкий округлый объект, который представляли люди, что на ней есть горы и кратеры; направив телескоп на планеты, он смог наблюдать их движение, рассмотрел, что у одной из них. Юпитера, есть собственные «луны», а другую. Сатурн, окружают два расплывчатых пятна, которые мы называем «кольцами». Он имел возможность разглядывать Венеру и Марс и подтвердил, что они меняют направление движения и скорость регулярным и предсказуемым образом. На Солнце обнаружились темные области или пятна, немного сдвигавшиеся день за днем по некоему шаблону (Галилей научился смотреть на светило не прямо, чтобы уберечь глаза).

Его телескоп открыл, что Млечный путь – мы видим его в качестве изумительного, туманного покрывала из света, когда смотрим невооруженным глазом – на самом деле состоит из тысяч и тысяч звезд, расположенных очень далеко от нашей планеты.

Используя инструмент. Галилей сделал не только эти, но и другие важные наблюдения. Он написал о них книгу, озаглавленную «Звездный вестник», выход которой стал причиной суматохи. Каждое из открытий ставило под вопрос картину неба, в которую в Европе верили столетиями. Многие люди думали, что идеи Галилео основаны на фокусах, которые показывает его «труба», как тогда называли телескопы, поскольку то, что не видимо для обычного глаза, может и не существовать.

Галилею пришлось доказывать, убеждать людей в том, что телескоп показывает реальные вещи.

Куда более тревожным и даже опасным был тот факт, что наблюдения Галилея стали отличным доказательством того, что Коперник не ошибался – что Луна вращается вокруг Земли, а сама Земля вместе с Луной и другие планеты вращаются вокруг Солнца. К тому времени труд Коперника находился в печати более семидесяти лет, и у него имелось значительное число сторонников как среди протестантов, так и между католиков.

Официальная позиция католической церкви была такова – идеи Коперника полезны в том, что касается движения планет, но они не являются правдой в буквальном смысле. Если признать их истиной, то слишком многие положения Библии окажутся под сомнением и потребуют нового осмысления.

Но Галилей хотел рассказать людям о своих астрономических открытиях.

В 1615 году он прибыл в Рим, надеясь получить от церкви разрешение на преподавание. Многие люди – даже в Риме – относились к ученому с симпатией, но ему все же было запрещено писать о системе Коперника или рассказывать о ней. Он не отступился, возвращался в Рим в 1624 и 1630 годах, чтобы прозондировать почву, хотя к тому времени постарел и утратил здоровье.

В конечном счете Галилей пришел к убеждению, что пока он будет осторожен, пока он станет представлять схему Коперника только как одну из возможных, ему ничто не угрожает. Его собственная книга «Диалог о двух системах мира» написана как беседа между тремя людьми, один представляет Аристотеля, другой Коперника, а третий выступает в роли ведущего дискуссии. Только таким способом Галилео смог показать все за и против старых и новых идей об устройстве Вселенной, не говоря при этом, какая из них верна, а какая – ошибочна.

Это прекрасная книга, полная шуток и написанная, как и большинство работ Галилея, на его родном языке, итальянском (а ученые по всей Европе в те времена обычно писали на латыни). И с самого начала ясно, на чьей стороне находится автор, какое мнение он поддерживает, хотя бы потому, что последователь Аристотеля поименован Симплицио. В самом деле существовал комментатор Аристотеля, писавший под этим именем, но и на итальянском и на английском это слово похоже на существительное «простак», и персонаж не может похвастаться умом. Последователь Коперника, названный Сальвиати (однокоренное со словами «мудрый» и «надежный») озвучивает, без сомнений, лучшие идеи и аргументы.

Галилей приложил серьезные усилия, чтобы получить разрешение церкви на издание своего труда. Цензор в Риме, решавший, что может пойти в печать, относился с симпатией к автору, но понимал, что будут проблемы, так что оттягивал решение.

Галилео не стал ждать и опубликовал книгу во Флоренции.

Когда церковные иерархи прочли ее, они испытали совсем не радость и вызвали старика-автора в Рим. Кто-то извлек из архивов древнее запрещение на преподавание системы Коперника Галилеем, и после «суда», длившегося три месяца в 1633 году, его принудили заявить, что книга была ошибкой, продуктом тщеславия.

«Земля, – утверждал он в заверенном подписью признании, – не движется и находится в центре Вселенной».

Существует легенда, что сразу после вынесения приговора Галилей пробормотал: «Eppur si muove» («И все-таки она вертится»). Сказал он это вслух или нет, доподлинно неизвестно, и он точно верил в это, и никакие церковные запреты не могли заставить его переменить взгляды на устройство мира.

Церковь имела достаточно власти, чтобы заточить Галилея в тюрьму или даже пытать его, но судьи признали, что он очень необычный человек, и ограничились домашним заключением. Его первый «домашний арест» в городе Сиена стал не таким уж жестоким – он был душой многих званых обедов, – так что власти настояли, чтобы ученый вернулся в свой дом на окраине Флоренции, где все его гости оказались под наблюдением.

Одна из его дочерей, бывшая монахиней, вскоре умерла, и последние годы Галилей провел в одиночестве. Но он продолжил работу, вернувшись к проблемам падающих объектов и сил, производящих всякие движения, которые мы видим вокруг каждый день. Его знаменитый трактат «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (1638) стал одной из опор современной физики.

Галилей снова обратился к ускорению падающих предметов и использовал математику, чтобы доказать, что ускорение может быть измерено тем способом, который предвосхитил знаменитую работу Исаака Ньютона о гравитации. Он также предложил новый способ рассмотрения траекторий объектов, летящих по воздуху, вроде пушечных ядер, и показал, как можно рассчитать, где именно они упадут. После этой работы концепция «силы» – того, что заставляет объект двигаться определенным образом – заняла свое место в физике.

Если вы когда-либо слышали выражение «бунтарь без причины», то вот Галилей был бунтарем с причиной. Он сражался за то, что наука – это знание, которое в состоянии объяснить, как функционирует физический, реальный мир. Некоторые из его мятежных идей были позже оставлены, поскольку оказались неверными или объясняли все не до конца. Но это и есть тот способ, каким наука двигается вперед, и ни один из ее разделов не является закрытой книгой, в которой содержатся ответы на все вопросы.

Галилей это знал, как и положено современному ученому.

Глава 13
По кругу, по кругу

Слова «цикл» и «циркуляция» происходят от латинского термина, обозначающего «круг». Движение по кругу, или циркуляция, означает, что вы продолжаете двигаться и в конечном счете приходите в то место, откуда начали, при этом не обязательно замечаете, что вернулись к стартовой точке.

Правильных кругов в природе не так много, но круговых движений в ней множество. Земля кружится вокруг Солнца, вода циркулирует, испаряясь, а затем выпадая снова в виде дождя, многие птицы одолевают большие расстояния каждый год, чтобы вернуться в ту же самую местность, вывести птенцов, и вновь отправиться в путешествие. Несомненно, что целостный процесс рождения, роста и смерти, повторяемый одним поколением за другим, тоже некоего рода циркуляция.

В пределах нашего тела существует не один процесс такого вида, и самый важный завязан на сердце и крови. Каждая капля алой жидкости циркулирует через наш организм порядка пятидесяти раз каждый час нашей жизни. Понятно, что скорость эта меняется в зависимости от того, чем мы заняты: если мы бежим, то сердце должно биться чаще и время циркуляции сокращается, когда мы спим, сердце бьется медленнее и капле требуется больше времени, чтобы вернуться в сердце.

В наши дни мы изучаем это в школе, но не всегда все выглядело настолько очевидным. Человеком, открывшим тот факт, что наша кровь циркулирует, оказался английский врач по имени Уильям Гарвей (1578–1657).

Его отец был сначала фермером, но затем стал успешным торговцем, и пять из шести братьев Гарвея пошли по его стопам. Сам Уильям избрал себе карьеру медика, и после завершения образования в Кембридже в 1600-м, он поехал в университет Падуи, туда, где несколькими годами ранее трудился Везалий и где Галилей в тот самый момент изучал астрономию и физику.

Одним из наставников Гарвея в Падуе стал Иероним Фабриций (1537–1619), продолжавший традицию исследований, начатую задолго до Аристотеля, и его пример воодушевил молодого Уильяма.

Наставник и ученик взяли на вооружение два важных принципа Аристотеля.

Во-первых, органы или структуры в живых существах имеют некую форму потому, что они должны исполнять некую функцию. Например, кости и мускулы соединены для того, чтобы мы могли бегать или поднимать предметы, и если нет какого-то нарушения, то мы даже и не заметим, что они действуют таким образом, для которого и «спроектированы».

Аристотель также верил, что всякая часть внутри растений и животных имеет особую цель или функцию, поскольку Творец не мог создать ничего бесполезного. Наши глаза устроены так, а не иначе, чтобы мы могли видеть, и это касается всех частей организма, желудка, печени, легких и сердца. Каждый орган обладает своей структурой, и она позволяет ему выполнять определенные задачи.

Такой подход к пониманию того, как устроены наши тела, называли «практической анатомией», и он выглядел особенно полезным, когда стояла задача понять «логику» функционирования организма. Для медиков было очевидно, что кости тверды и сохраняют форму, поскольку они должны поддерживать тело, когда мы идем или бежим. Мускулы мягче, и пружинистей поскольку их сокращение и расслабление помогают нам двигаться. Но вот связь между сердцем, кровью и кровеносными сосудами не так очевидна, логика не столь проста.

В шутку можно сказать, что сердце находит место в череде телесных функций, поскольку у нас есть Гарвей, способный указать это место.

Во-вторых. Аристотель настаивал на том, что центральную роль в нашей жизни играют кровь и сердце, поскольку первым признаком жизни, который он обнаружил, наблюдая за зародышами птиц, оказалась пульсация в пятнышке крови. Гарвей принял этот постулат, и сердце и циркуляция крови стали его предметом изучения на всю жизнь.

Собственный наставник Уильяма. Фабриций тоже открыл кое-что, оказавшееся полезным для ученика: многие из больших вен снабжены клапанами. Они всегда расположены так, чтобы кровь могла двигаться только в одном направлении – в сторону сердца. Фабриций полагал, что их функция – предотвратить стекание крови в ноги или отлив ее от мозга со слишком большой силой. Гарвей запомнил все эти вещи и использовал их позже, когда закончил обучение в Падуе и вернулся в Англию.

Карьера Гарвея развивалась от одного успеха к другому, он открыл врачебную практику в Лондоне, получил работу в госпитале Святого Варфоломея и вскоре был призван читать хирургам лекции по анатомии и физиологии. Он стал придворным медиком двух английских королей Якова Первого и его сына Карла Первого.

Работа на династию Стюартов не принесла ему особой пользы, особенно после того как король был свергнут с трона группой пуритан (одна из разновидностей протестантизма). По случайности дом Гарвея был атакован и сожжен, и в пламени сгорели рукописи книг, которые он планировал издать. Большая потеря для науки, поскольку он изучал многие вещи, включая дыхание, мускулы и то, как животные формируются из оплодотворенного яйца.

Король Карл позволил использовать некоторых животных из королевских владений для экспериментов Гарвея.

Уильям всегда был зачарован кровью, он считал, что именно в ней заключена эссенция того, что мы именуем жизнью. Он вскрыл множество яиц и увидел, как и Аристотель, что первый признак жизни – ритмично пульсирующее пятнышко крови. Точно так же все оказалось и у других живых существ, которых ученый изучал на стадии эмбрионов (развивающихся в яйце или в теле матери).

Сердце, долгое время связывавшееся с кровью, тоже вызывало интерес Гарвея. Любому известно, что, когда сердце перестает биться, человек или животное умирают. Отсюда вывод – если кровь играет важнейшую роль в начале жизни, то ее конец отмечает момент, когда прекращаются сокращения сердца.

Большую часть времени наше сердце работает так, что мы о нем даже не думаем. Иногда тем не менее вы можете ощущать, как оно пульсирует, когда вы испуганы, например, или нервничаете, или когда выполняете упражнения – тогда можно почувствовать удары внутри грудной клетки, это постоянное тук-тук, тук-тук, тук-тук. Гарвей хотел понять, как именно «движется» сердце, какое движение происходит при каждом ударе.

Весь процесс делится на две части, сначала оно сокращается (эта фаза называется «систола»), а потом расслабляется («диастола»).

Гарвей вскрыл множество еще не умерших животных, чтобы изучить их бьющееся сердце, и использовал для этого змей и других хладнокровных существ (таких, которые не могут регулировать температуру своего тела). Их сердца сокращаются много медленнее, чем наши, так что исследователь мог наблюдать процесс более явственно.

Он увидел, как сосуды внутри сердца открываются и закрываются при каждом ударе, увидел всю последовательность событий. В процессе сокращения клапаны между камерами сердца закрыты, зато открыты те, которые соединяют сердце с кровеносными сосудами. Когда сердце расслабляется, все обстоит наоборот, внутренние клапаны открыты, а те, что отгораживают сердце от кровеносных путей (легочная артерия и аорта) – закрыты. Гарвей догадался, что эти клапаны действуют в точности так же, как те клапаны в венах, которые открыл Фабриций, и что их функция состоит в том, чтобы кровь всегда двигалась в одном направлении.

Гарвей поставил несколько опытов, чтобы продемонстрировать другим собственные догадки. Первый был очень прост, тугая повязка, именуемая жгутом, помещается на руку: если она очень тугая и кровь совсем не может проходить в конечность, тогда она становится очень бледной; если ослабить ее немного, то кровь попадает в руку, но не имеет возможности покидать ее, и рука становится красной.

Это показало, что кровь попадает в руку под постоянным давлением, которое жгут блокирует совершенно. Если ослабить повязку, то кровь сможет проходить по артериям, но обратный путь через вены все равно окажется закрыт.

Изучив большое количество сердец, потратив много времени на размышления. Гарвей смог совершить важный поворот в нашем понимании процесса. Он догадался, что за очень короткий отрезок времени через сердце проходит больше крови, чем есть ее в теле. И невозможно каждый раз создавать такое количество алой жидкости, чтобы хватало на удар сердца. Следовательно, кровь должна проходить из сердца через артерии в вены и по ним возвращаться обратно, начиная новый цикл «циркуляции».

«Я начал думать про себя, что надо бы рассмотреть движение крови как оно есть, в виде кругового» – он записал эти слова на латыни в 1628-м, в небольшой книге, озаглавленной «De motu cordis» («О движении сердца»). Все выглядит так, что Гарвей начал работать, имея в виду описать механизм сокращения и расслабления сердца, а закончил, открыв, какие функции выполняет этот процесс. Он догадался, что кровь накачивается в легкие (из правой камеры сердца) и в то же время в крупнейшую артерию тела, аорту (из левой). Из аорты кровь попадает в артерии меньшего размера, которые разносят ее по телу, затем она переходит в вены, где клапаны обеспечивают ее движение в правильном направлении, потом она возвращается к правой стороне сердца через крупнейшую вену, обычно именуемую нижней полой веной.

Подобно Везалию Гарвей всегда настаивал, что он желает узнать все о структуре и функциях человеческого тела из собственных исследований, а не просто из книг, написанных другими. В отличие от Везалия, он работал большей частью с живыми организмами, а не с трупами. Он не решился бросить вызов прошлым достижениям медицинской науки, но он понимал, что его находки будут встречены в штыки, поскольку они доказывали, что теория Галена о сердце и крови ошибочна.

Гарвей защищал свои гипотезы от критики со стороны некоторых людей, большей частью последователей Галена, думавших, что предположения английского врача слишком необычны. Но в его теории имелся один значимый пробел: он не мог ответить, как кровь попадает из мельчайших артерий в мельчайшие вены, чтобы начать обратный путь к сердцу.

Эта часть загадки была раскрыта примерно в год смерти Гарвея одним из его учеников. Марчелло Мальпиги (1628-94), который был экспертом в использовании нового инструмента, названного микроскопом. Изобрели его в 1590-х, но улучшили как раз во время жизни Мальпиги, так что он смог более детально, чем кто-либо до него, изучить тонкие структуры легких, почек и других органов. И в конечном счете открыл крошечные каналы, соединяющие мельчайшие артерии и вены: капилляры.

Тем самым «круг» Гарвея оказался завершен.

Своей работой, перевернувшей основы медицины. Гарвей показал, какой результат могут дать аккуратно проведенные эксперименты, и по мере того как его идеи распространялись все шире, английского врача стали признавать основателем экспериментального направления в биологии и медицине. Его пример воодушевил многих начать собственные исследования, изучить другие функции организма, например, то, что происходит в легких, когда мы дышим, и в желудке, когда перевариваем то, что съели.

И подобно тому как Везалий и Галилей до него. Гарвей помог людям понять, что научное знание может прирастать, что мы может знать больше, чем столь же умные персоны, жившие тысячу (или же пятьдесят) лет назад.