Текст книги "Краткая история науки"

Глава 14
Знание – сила. Бэкон и Декарт

На протяжении столетия, что прошло от Коперника до Галилея, наука перевернула мир кверху дном. Земля больше не находилась в центре Вселенной, а новые находки в анатомии, физиологии, химии и физике напомнили людям, что древние в конце концов знали далеко не все.

Осталось множество того, что еще не открыто и не исследовано.

Люди также начали думать о науке самой по себе: как лучше всего ей заниматься? Как мы можем быть уверены, что новые знания являются верными? И как мы можем использовать науку, чтобы увеличить комфортность нашей жизни, добиться счастья и здоровья?

Два человека внесли особенно большой вклад в науку в целом: английский юрист и политик, а также философ из Франции.

Англичанина звали Френсис Бэкон (1561–1626), его отец. Николас Бэкон, поднялся из низов и стал могущественным чиновником при королеве Елизавете Первой. Николас хорошо знал, какое значение имеет образование, и поэтому послал отпрыска в Кембридж.

Френсис тоже служил Елизавете, а после ее смерти и королю Якову.

Он был специалистом по английскому праву, принял участие в нескольких больших процессах, а после того как его назначили лорд-канцлером, стал одной из важнейших фигур в стране. Еще он активно работал как член английского парламента.

Бэкон с большим интересом относился к науке, тратил много времени на химические эксперименты и на наблюдение за всякого рода необычными вещами в природе, начиная от животных и растений и заканчивая погодой и магнетизмом. Но важнее любого сделанного им открытия оказались элегантные и убедительные рассуждения по поводу того, почему наука стоит того, чтобы ей заниматься, и как это необходимо делать.

Бэкон помог многим осознать ценность науки, и в историю вошло его изречение «Знание – сила», и он показал, что наука – наилучший путь добыть это самое знание. Он побудил Елизавету и Якова использовать государственные деньги для строительства лабораторий, для обеспечения ученых местом, где они могли бы работать. Специалисты по науке, полагал он, должны формировать сообщества, или академии, где они смогут встречаться, обмениваться идеями и результатами наблюдений.

Наука, как говорил он, предоставляет людям средства познать природу и с помощью этого познания контролировать ее.

Бэкон четко и последовательно описал наилучший путь добиться успеха в науке. Ученым необходима уверенность в том, что использованные ими слова точны и их с легкостью понимают другие. Им необходимо подходить к предмету исследований с открытым разумом, не пытаясь доказать то, что они якобы уже знают. И что важнее всего – они должны повторять свои эксперименты и наблюдения, чтобы не сомневаться в результатах.

Этот метод работы называется индуктивным умозаключением.

Например, подсчитывая, взвешивая или смешивая вещества снова и снова, химик может быть полностью уверен в том, что он делает. Или по мере того как ученые собирают больше и больше фактов или частных положений, они получают больше и больше знаний о том, что наблюдают. На основе этих частных положений они могут сформировать общее положение, принцип или правило и уже отсюда вывести закон, управляющий природой в области наблюдений.

Идеи Бэкона вдохновляли ученых на протяжении многих столетий, не устарели они и сейчас.

И точно так же, хоть немного и по-другому, не потеряли значения мысли француза Рене Декарта (1596–1650). В своих научных трудах он использовал одновременно подходы и Гарвея и Галилея. Подобно второму Декарт был католиком, страстно верившим в то, что религия не должна касаться физического мира, подобно первому он изучал тела людей и животных и старался объяснить принципы их функционирования, выходя за рамки, поставленные Галеном.

Но на самом деле Декарт в куда большей мере, чем его предшественники, пытался выстроить здание науки и философии на новом основании. И хотя сегодня мы помним его в первую очередь как философа, он имел намного больше дела с практической наукой, чем тот же Бэкон.

Родился он в Лаэ, в провинции Турень. Франция, и умного мальчика отправили в знаменитую школу Ла Флеш, в регионе Луары, где изготавливают замечательные французские вина. В школе он узнал об открытиях Галилея, сделанных с помощью телескопа, о системе Коперника, поместившего Солнце в центр мира, и о последних достижениях в математике.

Степень по праву Декарт получил в университете Пуатье, а потом он совершил очень необычный поступок, поступил добровольцем в армию протестантов. Война свирепствовала в Европе на протяжении всей взрослой жизни Декарта (так называемая Тридцатилетняя война), и почти девять лет он был ее частью.

Декарт никогда не принимал участия в сражениях, хотя его знание математики, умение рассчитывать полет пушечных ядер могли пригодиться на поле боя. Он пребывал в распоряжении как протестантской, так и католической армий на протяжении всех этих лет, и все выглядело так, словно он всегда оказывался там, где имели место важные политические или военные события. Мы в точности не знаем, чем именно он занимался и как он добывал деньги на то, чтобы путешествовать.

Вполне вероятно, что Декарт был шпионом и, скорее всего, работал на католиков, к которым всегда сохранял лояльность.

Когда его приключения только начинались, 10 ноября 1619 года в теплой, освещенной углями в печи комнате пребывавший в полусне Декарт сформулировал два умозаключения. Во-первых, если он когда-либо попробует добыть знания, то он придет к ним сам по себе, а не изучая писания Аристотеля и других авторитетов древности. Необходимо начать все снова, с начала. Во-вторых, единственный способ начать снова состоит в том, чтобы во всем сомневаться!

Позже той же ночью его посетили три сна, которые он понял так, что его выбор получил благословение свыше. Тогда Декарт ничего не опубликовал, и вообще его военная карьера только начиналась, но в этот ключевой день (и ночь) он вступил на путь, выстроенный из попыток объяснить Вселенную и все в ней и из попыток сформулировать правила, которые могут помочь другим получать надежное научное знание.

Сомневаться во всем означает ничего не принимать на веру, а понемногу, кусочек за кусочком соглашаться с тем, в чем можно быть уверенным. Но в чем он мог быть уверенным? В первую очередь – в единственной вещи: именно он запланировал этот научный и философский проект. Он размышлял, как прийти к надежному знанию, ну а проще говоря – он размышлял!

«Cogito, ergo sum», – написал Декарт на латыни, «Я мыслю, следовательно я существую». Я существую потому, что имею эти мысли. Это простое утверждение стало для Декарта отправной точкой, но мы-то можем сказать: прекрасно, но что дальше? Для Декарта из первой мысли немедленно выводилось далеко идущее заключение. Я существую, поскольку я мыслю, но я могу вообразить, что могу мыслить без тела. Тем не менее, если у меня будет тело, но не будет возможности размышлять, я об этом не узнаю. Следовательно, мое тело и моя мыслящая часть (разум или душа) должны представлять две отдельные сущности.

И это оказалось базисом дуализма, точки зрения, согласно которой Вселенная сформирована двумя принципиально отличающимися началами: материей (например, человеческое тело, кресло, камень, планета, собаки и кошки) и духом (человеческий разум или душа). Декарт таким образом настаивал, что наши разумы – то, с помощью чего мы осознаем собственное существование – занимают особое место в мироздании.

Само собой, люди и до Декарта и после него признавали, что человек – животное очень специфическое. У нас есть такие способности, которыми больше никто на Земле не обладает: читать и писать, выводить смысл из сложной картины окружающего мира, строить реактивные самолеты и проектировать атомные бомбы. Специфичность вовсе не была чем-то новым в размышлениях Декарта по поводу разделения тела и разума.

Поразительным оказалось то, что он сделал со всем, лежащим вне разума, с внешним миром. «Разум и материя – то, из чего создан наш мир, – заявил Декарт, – и материя является субъектом науки». Это означает, что материальная, не-мыслительная часть того, как мы функционируем, может быть понята в простых физических терминах. Кроме того, это означает, что все растения и животные, не имеющие души, тоже могут быть сведены до материи, организованной определенным образом.

Деревья и цветы, рыбы и слоны в некоторой степени не более чем сложные машины. Если верить Декарту, они всего лишь вещи, которые могут быть поняты до конца.

Декарт знал об автоматонах, механических фигурах в виде живых существ, специально изготовленных так, чтобы они могли двигаться и делать определенные вещи (сейчас мы бы назвали их роботами). Например, множество городских часов семнадцатого века украшены маленькими движущимися фигурками, чаще всего – человеком, выходящим раз в час, чтобы ударить в гонг.

Они были в моде во времена Декарта, а многие функционируют и до сих пор.

И люди тогда задумывались – ага, если мы можем изготавливать такие хитрые механизмы, способные двигаться, изображать животных и людей, то, может быть, найдется более искусный механик, и он сумеет сделать собаку, которая станет есть и лаять, а не только ходить. У Декарта не было желания заниматься этими игрушками, но в его размышлениях растения и животные представали просто как исключительно сложные автоматоны, без реальных чувств, способные только реагировать на то, что происходит вокруг.

Эти машины были материей, которая понималась тогда учеными в терминах механических и химических принципов. Декарт читал работу Уильяма Гарвея о «механической» деятельности сердца и циркуляции крови, и он верил, что она служит доказательством его умопостроений (его собственное объяснение того, что происходит, когда кровь доходит до сердца, и почему она циркулирует, давно забыто).

Он питал большие надежды, что эти идеи смогут помочь нам узнать больше о здоровье и болезнях и в конечном счете дадут человечеству знание о том, как жить если не вечно, то очень долгое время.

Представив к собственному удовлетворению, что Вселенная состоит из двух принципов, материи и разума. Декарт оказался перед загадкой – как человеческий разум и тело связаны между собой. Он спрашивал себя, как они могли быть соединены, если материя – это вещество и занимает пространство, а разум, наоборот, расположен нигде и везде и не имеет материального вместилища.

Общепринятым со времен Гиппократа было связывать нашу мыслительную активность с мозгом. Удар в голову может лишь человека сознания, и многие медики наблюдали, как травмы и болезни головного мозга ведут к изменению ментальных функций. С одной стороны, все выглядело так, что Декарт верил – человеческая душа находится в железах, расположенных в мозге, но он знал, что в соответствии с логикой системы, им же созданной, материя и разум не могут взаимодействовать физически.

Позже эту модель человеческого существа назвали «призрак в машине», имея в виду, что напоминающее автомат тело каким-то образом управляется похожим на привидение разумом или душой. Проблема, следовательно, заключалась в том, каким образом собаки, шимпанзе, лошади и другие животные имеют некоторые из наших мыслительных способностей, не обладая при этом «призраком». Кошки и собаки могут демонстрировать гнев или страх, а собаки даже выражают любовь к хозяевам (кошки считаются только с собой).

Любопытный и сильный разум Декарта озадачивали и многие другие вещи, так что ничего удивительного, что он написал книгу, озаглавленную просто «Мир» («Le Monde»). Он принял идеи Коперника по поводу взаимоположения Земли и Солнца, но был куда более осторожным, чем Галилей, в изложении своих мыслей, поскольку не желал злить церковные власти. Он также писал о движении, падающих объектах и других проблемах, которые затрагивал итальянец, но, к сожалению, несмотря на наличие последователей и в наши дни, идеи Декарта по поводу устройства Вселенной не могли конкурировать с системами гигантов вроде Галилея или Исаака Ньютона, и сейчас мало кто помнит о физике Декарта.

И пусть он не стал примером для тех, кто изучает физику, вы идете по следам Декарта, даже не зная об этом, всякий раз, когда решаете алгебраические или геометрические задачи. Именно ему в голову пришла блестящая идея использовать буквы a, b, с для обозначения известных величин и х, у, z для обозначения неизвестных.

Так что, когда вас просят решить уравнение вроде х = a + b², вы используете ту технику, которую создал Декарт. И когда вы рисуете что-либо на чертеже с вертикальной и горизонтальной осями, вы точно так же используете его изобретение. Он сам решил множество алгебраических и геометрических задач и описал их в книге, посвященной математике.

Но столь резко разделив тело и разум, материальный и ментальный миры. Декарт подчеркнул, насколько важен физический мир для науки. Астрономия, физика и химия имеют дело именно с ним, и точно так же биология, и пусть даже идея животного-машины выглядит немного надуманной, биологи и врачи до сих пор пытаются понять, как животные и растения функционируют именно в терминах их материальных частей.

Декарту просто сильно не повезло, его мысль насчет того, что медицина должна показать людям, как жить долго, сильно опередила свое время. Он сам отличался хорошим здоровьем, пока не принял приглашение отправиться в Швецию, чтобы обучать шведскую королеву философии и тому, как устроен мир.

Она поднималась рано и настаивала на том, чтобы уроки проходили в утренние часы. Декарт же ненавидел холод, и не пережил даже первой своей зимы в Швеции. Подхватив инфекцию, он умер в феврале 1650 года, семью неделями ранее своего пятьдесят четвертого дня рождения.

Это был печальный конец для того, кто верил, что может прожить по меньшей мере сто лет.

И Бэкон, и Декарт высказывали возвышенные идеи по поводу науки, и пусть они различались в подходах к тому, как наука должна прогрессировать, но оба пылко верили, что должна. Бэкон видел науку как совместное, спонсируемое государством предприятие. Декарт скорее склонялся к работе в одиночестве.

Оба хотели, чтобы другие люди присоединились к процессу и развивали их замыслы. Оба верили, что наука – это особый вид деятельности, более высокой, чем суета обычной жизни. Она заслуживает того, чтобы быть обособленной от остального, поскольку лишь она позволяет наращивать объем доступных нам знаний и развивает нашу способность понимать природу.

Ну а понимание может улучшить нашу жизнь и увеличить общественное благо.

Глава 15
Новая химия

Если у вас есть набор для химических опытов, то вы можете знать, что такое лакмусовая бумага. Маленькие полоски бумаги могут сказать вам, является ли жидкость кислотной или щелочной. Если вы добавите немного уксуса в воду (сделав ее кислой) и окунете в нее голубую бумажку, то она станет красной, если сделаете то же с хлоркой (которая является щелочью), то красная бумага станет синей.

В следующий раз, используя лакмусовую бумагу, вспомните о Роберте Бойле, ведь он создал этот тест более трехсот лет назад.

Бойль (1627–1691) родился в большой аристократической семье в Ирландии, он был младшим, и никогда не имел нужды беспокоиться из-за денег. Он провел несколько лет в Итоне, элитном колледже в Англии, а затем путешествовал по Европе, обучаясь у частных наставников. В отличие от большинства обеспеченных людей. Бойль всегда был великодушен, и значительную долю своего состояния он отдал на дело благотворительности, например, он оплатил перевод Библии на языки американских индейцев.

Религия и наука играли равно важную роль в его жизни.

Бойль вернулся в Англию, где свирепствовала гражданская война; часть его семьи держала сторону короля Карла, другая часть – парламента, желавшего свергнуть короля и установить республику.

Его сестра уговаривала Роберта присоединиться к парламентаристам, и именно через нее он познакомился с энергичным реформатором в социальной, политической и научной области по имени Сэмюель Хартлиб. Подобно Бэкону Хартлиб верил, что наука обладает силой улучшить жизнь человечества, и убеждал молодого Бойля, что изучение агрономии и медицины может привести к таким улучшениям.

Бойль начал с медицины, с поиска лекарств от различных болезней, и с тех времен он сохранил непреходящее восхищение перед химией.

Некоторые религиозные люди боятся знакомить себя или своих детей с новыми идеями, поскольку думают – эти идеи могут подорвать их веру. Роберт Бойль не принадлежал к их числу, его вера была столь сильна, что он читал все, связанное с его областью научных интересов. Декарт и Галилей считались противоречивыми фигурами в дни его молодости, но он тщательно изучил труды обоих – «Звездный вестник» Галилео он прочитал в 1642-м во Флоренции, в том же самом месте и в тот год, где и когда умер автор книги, – а позже использовал их находки в собственных работах.

Бойль также интересовался ранними атомистами (глава 3), хотя он не был всецело убежден в том, что Вселенная состоит только из «атомов и пустоты». Он знал несомненно, что существуют некие базовые кирпичики материи, которые он именовал «корпускулами», но он мог заниматься своими исследованиями, избегая ассоциаций с безбожным (атеистическим) атомизмом древних греков.

Бойль был в равной степени не удовлетворен теорией четырех элементов Аристотеля – воздух, земля, огонь и вода, – и он показал своими экспериментами, что она неверна. Он сжигал ветку, только что срезанную ольхи, и демонстрировал, что дым, исходивший в процессе, вовсе не является воздухом; и в равной степени жидкость, сочившаяся из среза сгоревшего куска дерева, не представляла собой обыкновенную воду. Пламя отличается в зависимости от того, что горит, так что не существует чистого универсального огня, и пепел, остающийся после сгорания, не является землей.

Тщательно анализируя результаты этих простых экспериментов. Бойль сделал достаточно, чтобы показать – нечто столь обычное, как дерево, не состоит из воздуха, земли, огня и воды. Он также указал, что некоторые вещества, например золото, не могут быть разложены на частицы.

Если его нагреть, золото плавится и течет, но оно не меняется подобно сжигаемому дереву. Когда оно охлаждается, то просто возвращается к первоначальному состоянию. Бойль распознал, что вещи, которые окружают нас каждый день, такие как деревянные столы и стулья, шерстяные платья и шляпы, состоят из сложного набора компонентов, но вовсе не могут быть сведены ни к четырем элементам древних греков, ни к трем принципам Парацельса.

Некоторые верят, что Бойль подошел к современному определению химического элемента. Вне всяких сомнений, он подобрался к нему близко, когда описывал элементы как вещи «не сделанные из других субстанций, или друг из друга». Но он не сделал из этого положения выводов и не использовал его в собственных химических опытах.

Зато определение «корпускулы» как единицы материи отлично подходило к его экспериментальным целям. Бойль показал себя неутомимым экспериментатором, он проводил часы в собственной лаборатории либо один, либо с друзьями и описывал все опыты детально. Частью именно его внимание к подробностям и обеспечило ученому важное место в истории науки.

Бойль и его коллеги хотели, чтобы наука была открытой, доступной для всех, чтобы другие могли пользоваться знанием, результатом их трудов. Недостаточно уже было просто заявить о том, что ты открыл некий секрет природы, как делал Парацельс. Ученый должен быть в состоянии показать этот секрет другим, лично или с помощью описания-текста.

Настойчивое требование открытости было одним из руководящих правил в научных кругах, в которых вращался Бойль. Первым из них стала неформальная группа в Оксфорде, где он жил в 1650-х; когда большая часть ее членов перебралась в Лондон, они объединились с другими, чтобы образовать то, что стало в 1662 году Лондонским королевским обществом (до сих пор остается одним из ведущих научных сообществ мира).

Они знали, что воплощают в жизнь призыв, провозглашенный за полвека до того Френсисом Бэконом.

С самого начала Бойль стал одним из лидеров этого клуба для людей, посвятивших себя развитию науки. С самого начала его члены сошлись в том, что открытые ими новые знания должны приносить пользу.

Одним из лучших сотрудников Бойля стал другой Роберт, несколькими годами моложе: Роберт Гук (1635–1702). Он был даже умнее, чем Бойль, но в отличие от коллеги происходил из бедной семьи и всегда должен был пробивать дорогу в жизни с помощью ума. Гук был нанят королевским обществом, чтобы проводить эксперименты на каждой встрече, так что он стал очень искусен в изобретении разного рода научного оборудования и обращении с ним.

Он придумал множество экспериментов, например, как измерить скорость звука или оценить, что происходит, если перелить кровь одной собаки другой. В некоторых случаях собака, которой переливали кровь, выглядела даже более оживленной, чем ранее, и ученые решили повторить опыт на человеке, перелив ему кровь ягненка, но в этом случае ничего не получилось.

В Париже похожий эксперимент привел к тому же результату, подопытный умер, и от таких попыток решено было отказаться.

Задача Гука во время еженедельных встреч общества состояла в том, чтобы приготовить два или три не столь смертоносных опыта, способных воодушевить его членов на свершения.

Гук оказался одним из первых ученых мужей, сумевших извлечь пользу из микроскопа. Он использовал прибор, чтобы открыть целый мир вещей, недоступных обычному взгляду, распознать структуры, образующие растения, животных и другие объекты, настолько тонкие, что иначе их не рассмотреть. Члены общества любили смотреть в микроскоп во время своих встреч, и в дополнение к демонстрациям Гука они получали известия от других микроскопистов того времени, например, от голландца Антони ван Левенгука (1632–1723).

Левенгук был торговцем тканями, но в свободное время создавал и полировал очень маленькие линзы, позволяющие увеличивать больше чем в двести раз. Ему приходилось изготавливать новые линзы для каждого нового наблюдения, и произвел он их за долгую жизнь многие сотни.

Каждая линза помещалась в металлический кронштейн, под которым находился объект, предназначенный для изучения. Левенгук таким образом увидел крохотные организмы в капле воды из пруда, бактерии в соскобе с собственного зуба и множество других удивительных вещей.

Гук тоже верил, что микроскоп позволит исследователю подобраться ближе к природе, и иллюстрации в его книге «Микрография», опубликованной в 1665-м (год лондонской чумы), произвели настоящую сенсацию. Многие из этих картинок выглядят странными для нас, поскольку они показывают очень больших, увеличенных насекомых, таких как мухи или вши, и все же они стали знаменитыми.

Также он заполнил книгу обозрениями и рассуждениями по поводу увиденных через микроскоп структур и других вещей, а также их функций. На одной из иллюстраций изображен увеличенный кусок коры пробкового дерева – материала, использующегося для того, чтобы закрывать винные бутылки. Маленькие прямоугольные структуры, хорошо на нем различимые. Гук назвал «клетками».

Это не совсем то, что мы именуем клетками сейчас, но название осталось.

И у Бойля, и у Гука было одно и то же любимое механическое устройство – их собственная версия воздушного насоса. Он работал по тому же принципу, что и тот насос, который мы используем, чтобы накачать футбольный мяч или шины велосипеда: имеется большая центральная полость, плотно заткнутая с одного конца, и еще одно отверстие с другого конца, где находится клапан, через который газ может только выходить.

Выглядит не особенно впечатляюще, но это нехитрое устройство помогло решить одну из главных научных загадок того времени: возможно ли создать вакуум, то есть абсолютно пустое пространство, лишенное даже воздуха. Декарт настаивал, что вакуум невозможен («природа не терпит пустоты» было общей фразой).

Но если, – возражал Бойль, – материя в конечном счете состоит из корпускул разных форм, должно быть некоторое количество пространства между ними. Если нечто вроде воды нагреть, чтобы она начала испаряться и превращаться в газ, те же самые корпускулы никуда не денутся, сказал он, но газ займет больше места, чем занимала ранее жидкость.

После множества экспериментов, когда жидкости нагревали до превращения их в газ, он увидел, что все газы ведут себя одинаково, если попадают в воздушный насос. Бойль и Гук тогда пришли к заключению, до сих пор известному как закон Бойля: при постоянной температуре объем, занимаемый любым газом, находится в прямой математической связи с тем давлением, под которым он находится.

Иначе говоря, объем напрямую зависит от этого самого давления, и если увеличить давление, уменьшая объем, то газ сожмется (а если поднять температуру, то газ расширится и давление увеличится, но это все выводы из одного и того же принципа). Много позже, в будущем, закон Бойля поможет создать паровую турбину, так что запомните его.

Бойль и Гук использовали свой воздушный насос, чтобы изучить характеристики многих газов, включая воздух, которым мы дышим. Воздух, как мы помним, был одним из элементов древности, но для многих людей уже в семнадцатом веке стало ясно, что прозрачный газ, обеспечивающий нашу жизнь, не такое уж и простое вещество.

Он очевидным образом включен в процесс дыхания, поскольку мы втягиваем воздух легкими.

Но каковы другие его особенности?

Бойль и Гук, и вместе, и порознь, сильно интересовались тем, что происходит, когда горит кусок дерева или угля. Они также задавали себе вопрос, почему кровь выглядит темно-красной до того, как она попадает в легкие, и ярко-красной после того, как там побывает.

Бойль объединил эти два вопроса и предположил, что в легких происходит особая разновидность «горения» и воздух приносит с собой некую субстанцию, связывающую дыхание и воспламенение. Гук немало времени потратил на работу над этой проблемой, но трудности, связанные с составом и природой воздуха, а также с тем, что происходит в процессе дыхания, продолжали интриговать ученых более чем век после эпохи этих двух ученых, и их последователи повторяли эксперименты и ставили новые.

Вряд ли можно найти такую область науки, которой не касался Роберт Гук.

Он изобрел часы, приводимые в движение набором пружин (большой вклад в дело сохранения времени), размышлял о происхождении окаменелостей и исследовал природу света. У него нашлось что сказать по поводу проблемы, о которой мы упоминали ранее и на которую более детально взглянем в следующей главе: физика движения и сила.

Гук исследовал эти вопросы в то же самое время, что и Исаак Ньютон.

Как мы увидим. Ньютон сам по себе является той причиной, по которой многие слышали о сэре Исааке, но мало кто помнит о мистере Гуке.