Игра случая. Математика и мифология совпадения - Джозеф Мазур

Это были научные открытия необычных людей, которым по непостижимой случайности повезло столкнуться с совпадениями и распознать в них ключи к ответам на сложные вопросы. Они показывают нам, что незапланированные события могут быть так же полезны для новых открытий, как и отработка целенаправленных гипотез. Что случайности, происходящие во время научных наблюдений, могут формировать наш образ мышления и изменять мир к лучшему. Таких историй много, в том числе история о том, как случайно полученные Уильямом Перкинсом красители помогли развитию иммунологии и химиотерапии; открытие пенициллина Александром Флемингом, Говардом Флори и Эрнстом Чейном: в не слишком чистой лаборатории Флеминга культура стафилококка оказалась загрязнена плесенью, которая окружила и уничтожила стафилококки. Примем во внимание также историю Алана Тьюринга, Ральфа Тестера и других криптоаналитиков времен Второй мировой войны из Блетчли-парка, взломавших считавшуюся невзламываемой систему шифрования «Энигма», что сыграло значительную роль в том, какая из сторон впоследствии выиграет войну. Все они были очень одаренными людьми, но лишь благодаря нескольким ошибкам, допущенными немецкими шифровальщиками, английские криптографы смогли разобраться в логике немецких шифровальных машин. Полученные сведения не только помогли союзникам победить в войне, но и способствовали изобретению первых в мире компьютеров.

В 1869 г. Дмитрий Менделеев увидел сон, в котором расположил элементы в таблице согласно их атомным весам{154}. Проснувшись на следующее утро, он записал таблицу. Это было время, когда национальные метеорологические агентства начинали собирать данные о температуре, осадках и других достойных доверия климатических параметрах. В те годы умы химиков занимали уже не атомы. Научные основы химии были заложены почти за 100 лет до создания таблицы, когда Антуан Лавуазье открыл значение кислорода для горения и сформулировал закон сохранения массы. Однако в 1869 г., когда Менделеев впервые опубликовал свою периодическую таблицу, химики в своих экспериментах все еще работали вслепую, ничего не зная о внутреннем устройстве атома. Это были простые времена; железные дороги связали между собой города по всей Западной Европе и в России, хотя добраться из одной страны в другую все же было непросто. Санкт-Петербург, город белых ночей, где жил и преподавал Менделеев, был городом высокой моды, состоятельных аристократов и захватывающих развлечений; городом перенаселенным, нездоровым, со скверной водой, многие жители недоедали; плохи были дела с санитарией, быстро распространялись и подолгу не унимались болезни{155}. В том же году швейцарский медик Фридрих Мишер выделил ДНК из гноя, взятого с использованных бинтов. Мишер, также работая вслепую, так и не узнал, что это была молекула наследственности, кодирующая генетические инструкции, тем не менее его открытие привело к осознанию того, что ДНК – носитель наследственности.

Примерно в это же время многие физики экспериментировали с трубками Крукса – стеклянными трубками под вакуумом с электродами на каждом из концов. Целью экспериментов было понять причину свечения внутри трубок. Сейчас мы знаем, что происходит, когда на трубку Крукса, содержащую разреженные газы, подается высокое напряжение: небольшое число заряженных молекул газа (положительные ионы) в поисках электронов возбуждаются и сталкиваются с другими молекулами газа, выбивая некоторое число электронов, что создает еще больше положительных ионов. Положительные ионы устремляются к отрицательному электроду. Когда они сталкиваются с поверхностью металла электрода, они выбивают большое число электронов. Привлеченные положительным электродом, они движутся по трубке, создавая светящийся пучок электронов – катодный луч. Более чем за 30 лет опытов ученые экспериментировали с различными газами, без какого-то глубокого понимания того, что же на самом деле происходит. Они ничего не знали об отрицательно заряженных частицах, тех самых электронах в атомах газа. Как ничего не знали и о причине свечения. Новую информацию получали в результате случайностей или совпадений, которых не понимали. Одно стекло давало красное свечение, другое – зеленое. Фундаментального понимания причин этого практически не было. Например, они не знали, что в вакууме множество электронов, обладающих очень малой массой, движутся к положительному электроду благодаря электрическому полю. Чем ближе оказываются эти электроны к положительному электроду, тем сильнее становится притяжение. Сейчас нам известно, что эти электроны, направляющиеся к положительному электроду, набирают скорость, относительно близкую к скорости света. Некоторые из них пролетают мимо электрода и сталкиваются с атомами стекла трубки, на мгновение выбивая из них электроны на более высокие энергетические уровни, после чего те снова возвращаются на исходные уровни. При этом излучаются элементарные световые частицы (фотоны), поэтому стекло и светится зеленовато-желтым светом.

Рентгенолюминесценция, т. е. излучение света под воздействием электромагнитного излучения, немного сложнее. Вильгельм Конрад Рентген открыл рентгеновское излучение случайно, когда экспериментировал с электрическим током в стеклянном сосуде под вакуумом. Экран, покрытый цианоплатинитом бария (флуоресцентный материал), по воле случая оказался в его лаборатории и предназначался для другого эксперимента. Если бы этого экрана там не было, кто знает, сколько людей прожили бы значительно меньше, потому что рентгеновские лучи и способы их практического применения открыли бы позже. Рентген не смотрел на экран, который находился на некотором расстоянии от него. Не ожидая, что это будет иметь какое-либо отношение к эксперименту, он краем глаза что-то заметил на экране. Происходило нечто, не зависящее, по-видимому, от его эксперимента. Это была случайность, но случайность с множеством последствий.

Давайте пройдемся по лаборатории Рентгена в Вюрцбургском университете в том виде, в каком она была 8 ноября 1895 г.{156} Большое окно выходит на узкий Норвежский бульвар, где стоят почти облетевшие клены. Столы красного дерева разной высоты выстроились под светлым окном. На столах в беспорядке навалены инструменты, образцы металлов и катушки проволоки, какие-то двигатели и разнообразная химическая посуда. На стене рядом с полкой, с которой свешиваются провода различной длины, располагаются часы с маятником. На одном из столов сложены стеклянные трубки. Потолок венчает электрический светильник с лампой накаливания, его низко висящий провод соединен с розеткой, расположенной около настенных часов. Остальная часть комнаты практически пуста. Занавески на окнах отсутствуют. Лишь яркое естественное освещение отличает эту комнату от любой другой химической лаборатории XIX в.

Человек, находящийся в лаборатории, – сам Рентген. Ему пятьдесят. У него густые черные волосы. В его окладистой черной бороде видна седина. С начала 1895 г. он экспериментирует с электричеством, раз за разом прогоняя заряды через стеклянные трубки. 8 ноября он экспериментировал с катодными лучами, которые создавали видимое свечение в стеклянных сосудах. Лучи не видны в отсутствие вакуума, поэтому у ученого возникает естественный вопрос: может ли часть невидимых лучей покинуть стеклянный сосуд?{157} В попытке блокировать перемещение лучей или зафиксировать мгновение, когда они выходят за пределы сосуда, он накрывает сосуд картонным кожухом и затемняет комнату. Висящий на противоположной стене экран начинает светиться, а Рентген, изменяя глубину вакуума и силу тока в стеклянной трубке, управляет его свечением. Экран продолжает слабо светиться. Эксперимент за экспериментом – результат тот же. Даже если отодвинуть экран подальше или полностью затемнить лабораторию, результат не меняется. Ученый накрывает стеклянный сосуд более толстым кожухом, но и это не меняет дела. Колеблющийся свет на экране не может быть результатом чего-либо иного, кроме катодных лучей, производимых электрическим током в стеклянном сосуде. Это означает, что лучи, проходя через кожух и пролетая по воздуху, ударяются об экран и вызывают свечение. Это был новый, неизвестный тип излучения, неизвестные лучи.