Светлана Жук
Как делаются научные открытия?
Ответ на вопрос, как делаются научные открытия очевиден: открытия делаются по разному. И все же, как можно открыть вдруг что-то до сих пор никому неизвестное? Есть ли какой-то особый метод делать научные открытия или каждое научное открытие – дело счастливого случая?
Представление о возможности счастливого случая для совершения научного открытия очень распространено. Оно нашло свое отражение и в легенде о яблоке, случайно упавшем на голову Исаака Ньютона и заставившего его задуматься, как же далеко простирается сила тяжести? Может быть и до самой Луны и заставляет ее двигаться вокруг Земли?
Публикация «Как делаются научные открытия?» размещена в разделах
Если даже и был такой случай, разве Ньютону первому упало яблоко на голову? Почему те, кому яблоко падало на голову раньше, не открыли закон всемирного тяготения?
Разве Ньютон первый увидел радугу? Ее видели все его современники и все люди жившие ранее, но никто из них не открыл явления разложения белого света в спектр, не объяснил происхождение радуги.
Каков же рецепт научного открытия? Конечно, никакого верного рецепта для совершения открытий не существует, но примеры из истории научных открытий могут помочь понять, каков верный путь к научному открытию.
Первыми советами могут служить высказывания Ньютона о его способе совершения научных открытий. Он писал: «Я постоянно держу в уме предмет моего исследования и терпеливо жду, пока слабое утреннее мерцание постепенно и мало-помалу превращается в блестящий свет». И далее: «Гений – это терпение мысли, сосредоточенной в известном направлении». Оценивая свои открытия, он писал: «Не знаю, каким я кажусь людям, но я себе представляюсь ребенком, который играет на берегу моря и радуется, когда ему удается отыскать гладкий камушек или красивую раковину не совсем обыкновенного вида, в то время как неизмеримый океан истин лежит передо мною неисследованным». И еще: «Если я узрел больше других, то только потому, что стоял на плечах гигантов.
Эти высказывания должны помочь понять простую истину, что открыть что-то новое, никому неизвестное можно только на основе овладения всеми ранее добытыми знаниями, только терпеливым и настойчивым трудом.
Открытие рентгеновских лучей.
Как не упустить счастливый случай.
Открытие рентгеновских лучей было одним из важнейших открытий девятнадцатого века. За это открытие Вильгельм Конрад Рентген в 1901 году получил Нобелевскую премию. Это была первая Нобелевская премия по физике.
Как было сделано выдающееся открытие?
Поздно вечером 8 ноября 1895 года Рентген работал в своей лаборатории. Он начинал исследования в новой для него области физики электрического разряда в разреженных газах. В его распоряжении было самое простое оборудование с каким уже несколько лет работали другие физики в нескольких десятках лабораторий. Основными приборами были стеклянная трубка с двумя металлическими электродами внутри и трансформатор. Из трубки был выкачан почти весь воздух и при подаче высокого напряжения с выхода трансформатора между электродами возникал электрический разряд.
Когда часы пробили одиннадцать, Рентген решил закончить работу. Выключив свет, он заметил в темной комнате на лабораторном стекле какое-то светлое пятно. Подойдя к столу, он увидел, что светятся лежащие на столе кристаллы платиноцианистого бария. Было известно, что эти кристаллы способны светиться короткое время после их освещения светом. Но здесь они светились в темноте без предварительного освещения.
И тут Рентген заметил, что забыл выключить напряжение, подаваемое на газоразрядную трубку на соседнем столе. Он выключил напряжение и тот- час же свечение кристаллов прекратилось. Включил напряжение – кристаллы вновь засветились.
Рентген продолжал опыты до утра. А утром он распорядился принести в лабораторию походную кровать, хотя его спальня находилась в том же доме этажом выше. Окна лаборатории были завешены черными шторами. Людям, приносящим пищу в лабораторию, было запрещено разговаривать.
Не выходя из лаборатории, Рентген продолжал опыты 50 суток: 28 декабря он представил рукопись сообщения об открытии нового вида лучей, способных проходить через непрозрачные для света материалы и давать на фотопластинке изображение внутренних органов человека.
Итак, научное открытие – дело счастливого случая? Не забудь Рентген выключить напряжение на трубке, не случайно нужных кристаллов на соседнем столе мы бы сегодня и не знали о существовании «рентгеновского» излучения, не имели рентгеновских аппаратов для медицинских обследований и лечения? Конечно, нет. Случай лишь немного приближает или отдаляет момент открытия.
Нужно понять, что Рентген случайно заметил лишь свечение кристаллов. Но это не есть научное открытие, это лишь случайное наблюдение. Подобные странные явления, происходящие вблизи работающих газоразрядных трубок, наблюдали несколько ученых до Рентгена и даже сообщали о своих наблюдениях в заметках в научных журналах. Но никто из них не понял, что Природа предоставляет им редкий случай сделать значительное научное открытие. А рентген сразу понял важность случайного наблюдения и целенаправленными экспериментами выяснил природу нового физического явления.
Открытие радиоактивности.
Два пути от гипотезы к открытию.
Всякое открытие есть находка. Чтобы чего-то найти, нужно искать. Но как искать нечто никому не известное и неизвестно где находящееся?
Первый помощник на этом пути – гипотеза, предположение о существовании какого-то физического явления или связи между какими-то явлениями. При этом возможны различные результаты. Гипотеза может оказаться правильной и получить экспериментальное подтверждение. Гипотеза может оказаться неправильной и открытие не состоится. И, наконец, гипотеза может оказаться неправильной, но в процессе ее проверки будет обнаружено новое явление и сделано неожиданное открытие.
Открытие радиоактивности Анри Беккерелем произошло как раз по последнему из возможных вариантов. Беккерель заинтересовался новым физическим явлением, открытым Рентгеном –возникновение проникающего излучения в газоразрядных трубках.
Было известно, что рентгеновские лучи излучаются из того места газоразрядной трубки, в котором наблюдается свечение стекла. Это свечение, называемое фосфоресценцией, вызывалось действием катодных лучей.
В беседе с Беккерелем его коллега Анри Пуанкаре высказал предположение, что рентгеновские лучи возможно возникают в процессе фосфоресценции стекла.
Если это предположение верно, то рентгеновское излучение должно наблюдаться и в случае фосфоресценции, вызванной другими причинами. Беккерель знал, что соли урана обладают способностью фосфоресцировать – светиться некоторое время после облучения солнечным светом. Он решил проверить, излучают ли урановые соли в процессе фосфоресценции и проникающее излучение, способное проходить сквозь черную бумагу и засвечивать фотопластинку.
Для этого он в темной комнате обернул фотопластинку двойным слоем черной бумаги, поверх бумаги насыпал урановую соль и выставил завернутую пластинку с солью на яркий солнечный свет. через четыре часа он проявил пластинку и обнаружил на ней потемнение против тех мест, где находилась урановая моль. Он повторил опыт и получил то же самые результаты.
По-видимому подтверждалось предположение о том, что фосфоресценция сопровождается испусканием рентгеновских лучей. Об этом открытии Беккерель сделал предварительное сообщение 24 февраля 1896 года на заседании Академии наук. Но уже через пять дней он сделал новое открытие, опровергающее проверяемую гипотезу.
Четыре дня были пасмурными и не было возможности облучить соли урана солнечным светом. Приготовленная для опыта фотопластинка вместе с солями урана пролежала все это время в темном ящике стола. 1 марта 1896 года был солнечный день. Беккерель хотел вынести приготовленную фотопластинку на солнечный свет, но вдруг почему-то передумал и решил ее проявить без освещения солей. как объяснял позднее Беккерель, такой контрольный опыт был у него запланирован на будущее, но он решил воспользоваться этим случаем сейчас. И не пожалел о своем решении: на пластинке обнаружились темные пятна против мест расположения урановой соли. Первоначальная гипотеза была опровергнута. Обнаруженное им проникающее излучение не было связано ни с рентгеновскими лучами, ни с фосфоресценцией. Было открыто совершенно новое физическое явление.
Беккерель обнаружил, что любые соединения урана являются источником невидимого излучения, но больше всего излучает чистый уран. Следовательно источником невидимого излучения являются атомы последнего химического элемента в таблице Менделеева – урана.
Следующий шаг в раскрытии загадки радиоактивности был сделан Марией Склодовской-Кюри и Пьером Кюри. Их исследования также начинались с выдвижения гипотезы. Они предположили, что открытое Беккерелем явление самопроизвольного испускания невидимого излучения может быть присуще не только атомам урана, но и атомам других химических элементов. Для проверки этой гипотезы нужно было проверить все известные химические элементы на способность испускать проникающее невидимое излучение. Для регистрации излучения Мария Кюри использовала электроскоп, изготовленный Пьером Кюри. Если на пластину заряженного электроскопа помещалось какое-либо химическое соединение урана, электроскоп постепенно разряжался, так как под действием «урановых лучей» происходила ионизация воздуха и ионы нейтрализовали заряд электроскопа. Однако в сотнях опытов со всеми другими химическими элементами и их соединениями, выполненных Марией Кюри, электроскоп не разряжался. Так продолжалось до опытов с торием.
Торий и его соединения разряжали электроскоп. Гипотеза о существовании других химических элементов, обладающих способностью испускать невидимые проникающие лучи, получили первое подтверждение.
Но Мария Кюри не прекратила на этом свои исследования. Когда были испытаны все известные химические элементы, она высказала предположение: может быть есть в природе еще не известные химические элементы, которые обладают свойствами, подобными свойствам урана и тория.
Но как можно проверить эту гипотезу, если сами эти элементы еще не открыты? Мария Кюри решила искать их в природных материалах по способности разряжать электроскоп. Исследованы были сотни минералов из различных коллекций, но если некоторые из них обнаруживали способность разряжать электроскоп, химический анализ обнаруживал в этих минералах соединения урана или тория. Но вот наконец пришел долгожданный успех: в июле 1898 года были обнаружены два минерала, хальколит и смоляная руда, которые разряжали электроскоп быстрее, чем чистый уран. Теперь нужно было выделить из этих минералов неизвестный активный химический элемент, если он существует. Мария и Пьер Кюри выделили новый элемент и назвали его полонием в честь родины Марии Кюри – Польши. Затем был выделен еще один новый химический элемент. Кюри назвал его радием (от латинского слова radius – луч). Радий испускал невидимые излучения примерно в 900 раз интенсивнее урана. Мария Кюри ввела в науку термин «радиоактивность» для обозначения нового физического явления, открытого Беккерелем.
Открытия Марии и Пьера Кюри могут служить примером того, как смелая научная гипотеза в сочетании с настойчивыми планомерными исследованиями могут привести к важным открытиям.
Открытие атомного ядра.
Чтобы делать открытия,
нужно уметь задавать природе вопросы
и понимать ее ответы.
История открытия атомного ядра, как и многих других открытий, начиналась со случайного наблюдения неожиданного явления.
Резерфорд исследовал прохождение альфа-частиц через газы и тонкие слои металлов. Опыты показали, что и в газах, и в твердых телах альфа-частицы движутся практически прямолинейно, отклоняясь от первоначального направления движения лишь на несколько градусов. Такой результат не вызывал особого удивления, так как альфа-частицы движутся со скоростями порядка 10 000 километров в секунду. Для того, чтобы отклонить так быстро движущийся «снаряд» от первоначального направления движения, нужны очень большие силы. Силы эти могли быть только электрической природы. Отрицательно заряженные электроны в атоме не могли оказать существенного воздействия на альфа- частицы, так как масса электрона в 7 тысяч раз меньше массы альфа- частицы.
Если положительный заряд в атоме распределен в шаре радиусом порядка 10 – 10 м, как это предполагалось в атоме Томсона, то напряженность электрического поля вне атома и внутри него должна быть так мала, что никакого существенного влияния на быстро движущуюся альфа-частицу это поле при одном столкновении не должно было оказывать. Именно такие результаты и наблюдались в опытах.
Правда, очень небольшая доля частиц испытывала отклонения на довольно большие углы и причина таких отклонений была не совсем понятна.
На этом этапе экспериментов сотрудник лаборатории Гейгер обратился к своему шефу Резерфорду с вопросом, не пора ли стажеру Марсдену дать какую-нибудь небольшую тему для самостоятельного экспериментального исследования. Резерфорд согласился и сказал: «Почему бы ему не посмотреть, не рассеиваются ли альфа-частицы на большие углы?»
Марсден провел серию наблюдений и сообщил результат: да, очень немного, но наблюдаются альфа-частицы, отражающиеся от золотой фольги в обратном направлении. Первой реакцией Резерфорда на это сообщение было указание хорошенько почистить стенки экспериментальной установки и повторить наблюдения, так как скорее всего наблюдаемые редкие вспышки обусловлены загрязнением стенок прибора радиоактивным веществом.
Повторные наблюдения, выполненные Гейгером, подтвердили существование отраженных частиц. Тогда Резерфорд повторил все наблюдения и спланировал дальнейшие исследования для изучения зависимости числа рассеянных частиц от угла рассеяния.
На рисунке представлена схема устройства экспериментальной установки. Радиоактивный источник альфа-частиц R помещался перед рассеивающей фольгой F. Узкий пучок частиц выделялся диафрагмой D. После рассеяния в фольге альфа-частицы попадали на экран S, покрытый сульфидом цинка, и вызывали в нем световые вспышки. Эти вспышки наблюдали с помощью микроскопа М. Экран и микроскоп могли вместе с платформой А вращаться относительно фольги, углы поворота отсчитывались по шкале.
Позднее, вспоминая о том, как было сделано открытие, Резерфорд сказал: «Я должен признаться по секрету, что не верил, будто это возможно… Это было, пожалуй, самым невероятным событием, какое я когда-либо переживал в моей жизни. Это было столь же неправдоподобно, как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас».
Итак, случай в виде удачной задачи, полученной от Резерфорда, пришел к Марсдену, и он наблюдал новое явление. В совместной статье Гейгер и Марсден сообщили о наблюдении обратного рассеяния альфа-частиц. Однако атомного ядра они не открыли, хотя держали это открытие в руках.
Атомное ядро открыл Резерфорд. Вот как рассказывал об этом открытии Гейгер: «Однажды Резерфорд вошел в мою комнату, очевидно, в прекрасном расположении духа и сказал: «Теперь я знаю, как выглядит атом!».
Как же разгадал Резерфорд внутреннее устройство атома? Он узнал из результатов опытов Марсдена и Гейгера, что некоторые альфа-частицы, примерно одна из восьми тысяч, отражаются от листочка золотой фольги в обратном направлении. Зная массу и скорость альфа-частиц, можно оценить радиус шара, в котором должен быть сконцентрирован электрический заряд и масса для такого отражения. И эта оценка дала Резерфорду значение порядка 10 – 15 м, что примерно в 100 тысяч раз меньше радиуса атома.
История открытия атомного ядра показывает, что Природа не скрывает от Человека свои тайны, она всегда готова правдиво ответить на правильно заданные ей вопросы, но она никогда не дает случайному человеку готовых ответов на важные свои тайны. Каждый ее ответ на вопрос сам есть новая загадка и разгадать смысл ответа может лишь человек, достойный такого открытия. Резерфорд без сомнения был именно таким человеком, который умел задавать вопросы Природе и умел понимать ее ответы.
Открытие протона и нейтрона.
Открытия охотнее приходят туда,
где их ждут.
После открытия атомного ядра, измерения его радиуса, заряда, массы естественно возникает вопрос о строении ядра. Различия атомных ядер по количеству элементарных электрических зарядов позволяет предположить, что сами атомные ядра состоят из каких-то еще более мелких частиц, каждая из которых обладает элементарным зарядом.
Естественным кандидатом на роль «строительного кирпича» для атомных ядер было ядро самого легкого изотопа водорода, обладающее элементарным электрическим зарядом и самой малой массой среди всех атомных ядер. Но одно дело предполагать, другое дело доказать.
Резерфорд доказал, что в ядрах различных атомов содержатся частицы, тождественные по свойствам с ядром атома самого легкого изотопа водорода. В 1919 году он исследовал прохождение альфа-частиц через газообразный азот и обнаружил, что в результате столкновения альфа-частиц с ядрами атомов азота появляются быстродвижущиеся частицы, обладающие элементарным положительным электрическим зарядом. Масса этих частиц оказалась равной массе ядра атома водорода.
Дальнейшие исследования показали, что при ударах альфа-частиц такие же частицы освобождаются из ядер атомов бора, фтора, натрия, алюминия, фосфора и ряда других химических элементов. Эти частицы назвали протонами.
С открытием протона проблема состава атомных ядер не была решена полностью. Если бы атомные ядра состояли только из протонов, то у всех ядер зарядовое число Z было бы равно массовому числу А. Но у всех изотопов всех химических элементов, кроме самого легкого изотопа водорода, зарядовое число Z отличается от массового числа А. Этот факт ясно показывает, что атомные ядра состоят не только из протонов. Они содержат еще какие-то частицы. Резерфорд в 1920 году высказал предположение, что внутри атомных ядер могут находиться нейтральные частицы с массой, примерно равной массе протона. Эти гипотетические частицы он назвал нейтронами.
Однако попытки Резерфорда и его сотрудников экспериментально обнаружить нейтрон долгое время были безуспешными. Нейтрон сначала предоставил возможность сделать открытие немецким физикам В. Боте и Г. Беккеру. В 1930 году они обнаружили, что при облучении бериллия и лития альфа-частицами возникает какое-то новое излучение неизвестной природы.
Боте и Беккер открыли новое явление, но не смогли разгадать природу открытого излучения. Они не думали о возможности существования такой частицы, не ждали ее появления.
Исследование нового типа проникающего излучения продолжили французы Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. В 1932 году они установили, что излучение, возникающее при облучении бериллиевой пластины альфа-частицами, способно выбивать из парафина протоны.
Но что собой представляет это проникающее излучение, и они не разгадали.
Завершающий эксперимент был выполнен в том же 1932 году англичанином Дж. Чедвиком. Он измерил энергию и импульс протонов, выбиваемых неизвестным излучением, и показал, что такие значения энергии и импульса могут быть переданы частицами с массой, примерно равной массе протона. Слабое поглощение нового вида излучения в веществе показывало, что эти частицы не обладают электрическим зарядом. Следовательно, это и есть предсказанные Резерфордом нейтроны.
Почему же Чедвик, в отличии от своих предшественников, сразу «узнал» нейтроны? По той простой причине, что он работал в лаборатории Резерфорда, где ждали их обнаружения и догадывались, какими свойствами должны обладать нейтроны.
За открытие нейтрона Дж. Чедвик был удостоен Нобелевской премии по физике. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри в этой истории упустили свою первую возможную Нобелевскую премию.
Зачем делаются научные открытия?
Не всем интересно знать, как делаются научные открытия. Сегодня многих людей больше интересует вопрос, зачем делаются открытия. Такой вопрос они задают, потому что сомневаются в пользе науки, опасаются непредвиденных последствий новых открытий.
Прежде всего нужно заметить, что сомнения в пользе науки не является достижением новейшего времени. отношение к ученым как к опасным колдунам, которые умышленно или по неосторожности могут навлечь беду на остальных людей, было характерно и для древнего времени и для средних веков. Ученых сжигали на кострах, за попытку узнать, как устроено тело человека, за попытку понять, что находится за пределами Земли.
И у современников Майкла Фарадея были сомнения в пользе его научных исследований. Фарадей не мог представить себе в то время, как изменится мир техники и повседневная жизнь людей благодаря открытию явления электромагнитной индукции, породившему электрогенераторы, электродвигатели, радио и многое другое.
Невозможно угадать прообраз будущего кинескопа телевизора и дисплея компьютера в трубке катодных лучей, с которой работал Дж. Дж. Томсон.
Сейчас ни у кого нет сомнений в пользе медицины, электричества, но в пользе открытия атомного ядра и исследований Марса сомнения есть у многих.
Эти сомнения вызываются фактами отрицательных последствий использования ядерной энергии, космических ракет для общего дома людей – планеты Земли.
Однако необходимо осознать, что приобретение новых знаний о мире и использование добытых знаний на практике не одно и то же.
Открытие радиоактивности и атомного ядра не принесло вреда ни одному человеку на Земле. Оно открыло новые возможности, а как эти возможности использовать, решают сами люди.
Большинство ученых сознает возможность отрицательных последствий от неразумного применения сделанных ими открытий и стремится предотвратить их, часто рискуя собственной жизнью.
И все же в большинстве случаев, относящихся не к прикладным наукам, а к так называемым фундаментальным наукам, изучающих основные законы природы, вместо вопроса: «Зачем делаются открытия?» правильнее задать вопрос: «Почему делаются научные открытия?».
И ответ на этот вопрос очень прост: открытия делаются потому, что человек любопытен. Именно любопытство позволило предкам человека выделиться из всего остального животного мира, осознать свое собственное существование и существование окружающего мира, научиться использовать открываемые свойства мира. И выжил человек в этом мире не благодаря острым зубам или могучей физической силе, а только благодаря своему уму. Конечно, любое новое открытие может принести в мир новые опасности, но без дальнейшего познания мира у человека нет шансов на выживание в этом мире.
Ученые являются «разведчиками» человечества в этом мире. Наукой они занимаются потому, что любопытны, потому что для них попытка узнать у Природы что-то новое, до сих пор никому не известное, есть самое интересное в жизни занятие.
