Как рождаются открытия?

Прыжок через барьер

Кто не задумывался из нас в детстве о том, как рождаются открытия? Как появляются истины, которые совершенно необъяснимы с точки зрения существующих научных представителей? Действительно, как появилась идея полета человека в космическое пространство? Как появляются «на свет» новые месторождения полезных ископаемых? Как рождаются фундаментальные открытия в различных областях знания? Количество подобных вопросов может быть, наверное, бесконечно, по крайней мере не меньше, чем существует открытий: больших и малых. На одни из них мы получали ответы, а другие так и остались загадкой.

Ясно, что однозначно ответить на эти вопросы невозможно. История науки показывает, что это сложный и многогранный процесс. В нем «принимают участие» и знания, и личные качества исследователя, и обстановка, при которой рождалось открытие, и т. д. Скажем сразу, до конца эта проблема пока так и не решена. И здесь требуются усилия ученых различных отраслей науки: педагогов, философов, психологов, экономистов, кибернетиков и др. При комплексном решении проблемы можно значительно продвинуться в изучении истоков рождения открытий и вообще научного творчества, хотя сегодня мы располагаем некоторыми сведениями.

Практически открытие невозможно без глубокого знания изучаемой области исследования. В свое время В. И. Ленин говорил о необходимости обогащать память знанием всех тех богатств, которые выработало человечество. И только так можно стать настоящим ученым. Сегодня знания нужны каждому члену нашего общества, тем более они необходимы исследователю.

А как же объяснить открытия, сделанные Павлом Николаевичам Яблочковым (1847–1894), Томасом Альва Эдисоном (1847–1931), Иваном Петровичам Кулибиным (1735–1818), которые не имели соответствующего научного образования?

В жизни не бывает событий и явлений без исключения. Таким счастливым, прежде всего для общества, исключением и явились природные самоучки. Однако эти примеры тем более подтверждают положение о том, что человек постоянно должен заниматься самообразованием, если хочет что-то определенное достичь.

Но примеры с этими великими исследователями – не только исключение. В середине XVIII столетия Бенджамин Франклин (1706–1790) создал учение об электричестве. В этот период наука развивалась на уровне таких ученых, как Исаак Ньютон (1643–1727), Леонард Эйлер (1707–1783), Христиан Гюйгенс (1629–1695). Но именно Б. Франклину, раньше никогда не занимавшемуся физикой и живущему вдали от центров мировой науки, удалось достичь результатов, которые оказались недосягаемыми для великих ученых. И никто иной, как Майкл Фарадей (1791–1867) создал учение об электрическом поле, не имея необходимого научного образования.

Все эти примеры говорят о том, что на определенном этапе развития новых фундаментальных представлений, противоречащих известным нам фактам, одной эрудиции недостаточно. Для решения таких задач необходимы воображение, интуиция, конкретное мышление. Особенность великих ученых, Кулибина и Яблочкова, Эдисона и Фарадея, Франклина и других, в том, что они имели эти основные черты и эффективно их использовали.

Гениальной интуицией в области физики, необычайной силы внутренним видением обладал известный физик Нильс Хенрик Давид Бор (1885–1962). Его исключительная уверенность при выявлении ключевых вопросов не имела себе равных. Вместе с тем во владении математическим аппаратом Бор во многом уступал своим коллегам. Не случайно математическое «одеяние» квантовой механики, основы которой, по сути, опираются на работы Бора, создано не им самим, а Максом Борном (1882–1970), Вернером Гейзенбергом (1901–1976), Вольфгангом Паули (1900–1958), Полем Андриеном Морисом Дираком (1902), Эрвином Шрёдингером (1887–1961).

Из советских ученых гениальной интуицией особенно выделялись Игорь Васильевич Курчатов, Сергей Павлович Королев, Лев Давыдович Ландау и другие.

Научное творчество имеет свои законы развития, свои тенденции. Сначала это, как правило, получение отдельных данных, затем происходит их классификация, потом устанавливается взаимосвязь между отдельными группами фактов и явлений, и т. д.

Однако решающее значение в науке играет не сам по себе новый факт или новое наблюдаемое явление, ранее неизвестное, а его теоретическое объяснение, т. е. понимание его смысла, его существа. К примеру, Роберт Гук (1635–1703) еще в XVII в. видел клетку в растительных тканях, наблюдая их строение с помощью микроскопа. Но он не понял значение клетки, не смог объяснить ее роли в жизни живых организмов, а потому и не смог ее открыть. Клеточную теорию создали в конце 30-х годов XIX в. Маттиас Якоб Шлейден (1804–1881) и Теодор Шванн (1810–1882).

Точно также в конце XVIII в. Джозеф Пристли (1733–1804) и Карл Вильгельм Шееле (1742–1786) впервые наблюдали новое тело, найденное ими в природе – газ, способный поддерживать горение, но не поняли его значения. Ливуазье, напротив, дал правильное теоретическое толкование открытию, показал, что этот газ есть кислород.

Новое знание всегда выходит, основывается и отталкивается от знания прежнего. И поэтому никогда не отрицает, а лишь расширяет и углубляет его. Само же по себе ничто не появляется. И когда прежнего знания накопилось столько, чтобы одному или группе исследователей, которые в данный момент видят дальше других, убедиться в том, что их прежнего знания явно недостаточно для объяснения существующего порядка вещей, тогда и происходит открытие.

Другими словами, в соответствующей отрасли науки накопилось большое количество знания. Однако прогресс этой отрасли на какой-то период прекратился. Появилась преграда, которая не позволяет с прежней суммой знаний посмотреть, что делается впереди. Только новое знание позволит сделать это. Гениальность сможет преодолеть многовековую инерцию мышления. И только тогда появится открытие.

Появление нового знания чем-то напоминает преодоление сверхзвукового барьера самолетами. Сразу самолет не может преодолеть сверхзвуковой барьер. Только по достижении определенной скорости появляется возможность перескочить через него. Что-то похожее получается и с появлением новых знаний.

Подсказка или знания?

Часто приходится слышать и читать, что ученый сделал открытие якобы случайно, при помощи подсказки. К разряду случайных открытий некоторые авторы относят открытие закона сохранения энергии, выявленного немецким врачом Юлиусом Робертом Майером (1814–1878) в 1842 г. на острове Ява.

Случилось это следующим образом. Заболел матрос. И когда Майер сделал кровопускание больному, то был серьезно удивлен: цвет крови оказался необычайно алым. Сначала появился испуг – а вдруг он вскрыл вместо вены артерию. Но нет, ошибки не было. Но почему тогда такая яркая кровь? – задумался врач. Наверное, в ней много кислорода. А почему? Ведь на родине таких признаков при кровопускании никогда не было. Майер задумался. Обширные знания подсказали врачу, что в странах с тропическим и субтропическим климатом организм человека расходует меньше кислорода, чем на севере, где приходится возмещать затраты на выработку тепловой энергии. Следовательно… и тут Майера осенила мысль: химические процессы, теплота, механическое движение представляют качественно различные формы энергии, превращающиеся друг в друга при условии неизменных количественных соотношений.

Так Майер сделал фундаментальное открытие в науке. Действительно ли случайно оно, как говорят некоторые? Вряд ли. И вот почему. Ведь и до него видели изменения цвета крови, но никто открытия так и не сделал. Истина всегда проста. И многие проходят рядом с ней, не зная, что она существует. Исследователю всегда важно видеть в простом сложное, а в сложном – простое. Майер был человеком творческим и любознательным. Но главное в том, что не обладай он широкими знаниями, не знай общетеоретических положений, он, как и многие другие, прошел бы мимо открытия, хотя оно было на виду, рядом. На основе знаний Майер построил правильную логическую цепочку вопросов и так же правильно решал их, пока не пришел к открытию. И это не единственный пример.

Имеются сведения, что идея маятниковых часов пришла Галилео Галилею (1564–1642), когда он подолгу смотрел на колышущуюся от ветра бронзовую люстру в епископальной церкви. Измерив продолжительность колебаний люстры по биению собственного пульса, он определил, что большие и маленькие колебания люстры происходят за одно и то же время. Так был открыт изохронизм колебаний маятника – основной закон, позволяющий строить часы с маятником.

В свое время директор Института истории естествознания и техники Академии Наук СССР, академик Бонифатий Михайлович Кедров в «Комсомольской правде» рассказал о том, как родилась идея строительства висячих мостов.

Издавна люди строили мосты с помощью опорных быков на дне реки. Со временем возникла необходимость возвести мост через глубокую пропасть, где практически нельзя поставить быки: была очень большая высота. Долго бились изобретатели над этой проблемой, но безрезультатно. Однажды осенью ученый вошел в сад. На его лицо упала паутина. И вдруг исследователя осенило: если паук может построить мост-паутину через столь огромное для него расстояние, следовательно, принцип перебрасывания паутины через ветви деревьев может быть применен и к постройке моста. Так родилась идея висячих мостов, которая широко применяется на практике и сегодня.

Характерно, что в истории науки нередко сохраняется только подсказка (вспомните яблоко Ньютона), а сам процесс мышления исчезает. В действительности идея висячих мостов никогда не появилась бы, если бы ученый не обладал глубокими знаниями в области архитектуры и строительства, напряженно не работал бы в этом направлении. Существенно, что когда на его лицо упала паутина, он продолжал думать о своем мосте. Паутина только дала толчок к открытию нового явления. Таким образом, самым главным и решающим компонентом любого научного открытия является человеческий разум, глубокие и разносторонние знания исследователя, интуиция и целый ряд других характерных черт ученого. Это подтверждают и примеры из истории науки.

Вечером 8 ноября 1895 г. вюрцбургский физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) обернул вакуумную трубку светонепроницаемой черной бумагой, которая задерживала все видимые и ультрафиолетовые лучи. Когда он включил ток высокого напряжения в затемненном помещении, то заметил странную вспышку маленьких флуоресцирующих кристаллов, лежавших на лабораторном столе. Бумажная ширма, которая была покрыта платино-синеродистым барием, также засияла бледно-зеленым светом.

Ставя свои опыты, Рентген с их помощью узнал, что от вакуумных трубок действительно исходят невидимые лучи. Ни один физик не замечал этого и, разумеется, не сообщал об этом.

Рентген поместил между трубкой и ширмой несколько предметов, оказавшихся под рукой: книгу, кусок листового алюминия, разновесы в деревянном ящике и другие вещи. С удивлением он установил, что все эти вещества сильно пронизываются лучами. Теневые изображения различных вещей обозначались на экране.

Но еще большее удивление и волнение будущий лауреат Нобелевской премии получил, когда увидел скелет своей собственной руки, которую он держал между разрядным аппаратом и световым экраном.

Рентген никому не рассказал о своем наблюдении и на протяжении семи недель в одиночестве работал над исследованием новых лучей и их свойств. Чтобы исключить зрительный обман, он запечатлел то, что наблюдал на световом экране при помощи фотопластинки.

28 декабря 1895 г. исследователь выступил с первым сообщением о своем открытии перед Вюрцбургским физико-медицинским обществом. Оно было сразу же напечатано под заголовком «Новый ряд лучей». За несколько недель брошюра пережила пять изданий и была переведена на английский, французский, итальянский и русский языки.

Распространение публикации Рентгена и его фотографий вызвало такую сенсацию, которой не случалось в истории естествознания со времени сообщения Галилея об открытии спутников Юпитера. Ранее известный только узкому кругу коллег, профессор из маленького франконского университета за одну ночь стал наиболее популярным физиком.

Некоторые считают открытие Рентгена случайным. Действительно, то, что кристаллы лежали по соседству с трубкой, было случайностью. Но световая ширма оказалась в руках ученого безусловно не случайно, так как он уже много дней экспериментировал с катодными лучами.

Следует отметить также, что до времени открытия «Х-лучей» или, как стали позже говорить, «рентгеновских лучей», Рентген сделал важное открытие, обнаружив магнитное поле движущегося электрического заряда, а также выполнил ряд работ по физике кристаллов и др.

Макс фон Лауэ (1879–1960), оценивая достижения Рентгена, писал: «Насколько велико было открытие Рентгена, можно понять из того, что большое число других, часто выдающихся, физиков-экспериментаторов до Рентгена с теми же самыми вспомогательными средствами тем не менее не могли открыть этих лучей. Подробное наступление на совершенно не изученую область требует, кроме острого глаза, также большого мужества и самообладания, которое дает возможность, несмотря на радость и возбуждение в связи с первым открытием, сохранить спокойствие и умственную ясность. Рентген должен был много потрудиться, чтобы между 1895 и 1897 гг. написать три статьи, которые настолько исчерпывали предмет, что целое десятилетие не могло прибавить ничего нового. С какой гениальной тщательностью были написаны эти статьи! Я знаю лишь очень мало сочинений об открытиях, которые содержат так мало упущений. У Рентгена все было в полном порядке».

Макс фон Лауэ совершил свое гениальное открытие интерференции рентгеновских лучей в условиях, которые он сам оценивал как счастливую случайность. В нобелевском докладе он рассказывал, как в феврале 1912 г. ему пришла в голову та идея, которая оказалась такой плодотворной и богатой последствиями в научном отношении.

Пауль Эвальд, докторант Зоммерфельда, пришел к Лауэ посоветоваться по поводу трудностей, с которыми он столкнулся в работе по волновой оптике. Лауэ много лет работал в области оптики и считался глубоким знатоком этого круга проблем. И хотя он, в данном случае, не мог дать совет, во время беседы высказывал мысль, что нужно попробовать пропустить через кристаллы рентгеновские лучи.

Если рентгеновские лучи действительно имеют волновую природу и длина их волны в какой-то степени соответствует оценке Вина и Зоммерфельда, и если кристаллы действительно построены из пространственных решеток, то, по мнению Лауэ, при просвечивании кристаллов рентгеновскими лучами должны будут обнаруживаться явления дифракции и интерференции, которые уже давно были известны у обычного света.

Лауэ таким образом связал друг с другом две гипотезы из двух различных областей науки: волновую теорию рентгеновских лучей и гипотезу о пространственных решетках кристаллов.

Как и все простое, это соединение двух уже существующих, но до сих пор, однако, совершенно независимых друг от друга логических рядов оказалось сложным, и до Лауэ такая мысль никому не приходила в голову. «Лежавшая в основе идея, – говорил позднее ученый, – казалась мне после того, как я к ней однажды пришел, настолько сама собой разумеющейся, что я никогда не мог понять удивления, которое она вызывала в мире специалистов, равно как и сомнения, с какими ее встречали еще несколько лет спустя».

Творческая идея Лауэ была, как считал Макс Планк (1858–1947), не случайной внезапной мыслью, а «неизбежным результатом логической цепи идей». У Лауэ она созрела раньше, чем у любого другого физика, потому что она находилась в тесной связи с вопросами, которые занимали его научное мышление. «Сколько физиков уже пропускали рентгеновские лучи через кристаллы, не замечая дифракции лучей, – говорил Макс Борн (1882–1970) в юбилейной речи, посвященной открытию Лауэ. – Нужна была способность мысленно увидеть лучи прежде, чем они появятся на пластинке. Именно в этом заслуга Лауэ». Открытие Лауэ, в отличие от открытого Максом Планком квантования энергии, сразу же начало свое победное шествие по свету.

А что думают сами ученые?

Что думают ученые о природе научного творчества, о том, как рождаются новые идеи, теоремы, законы? И думают ли они об этом?

Категорично, пожалуй, ответить нельзя, потому что иногда ученые, сделав открытие, не могли его по-настоящему оценить сами. Известно, например, что Шрёдингер по предложению Петера Дебая (1884–1966) неохотно согласился выступить на семинаре аспирантов Цюрихского университета о научных взглядах Луи де Бройля (1875–1960). Однако, прежде чем выступить, исследователь облачил взгляды де Броля в логическую последовательность математических формул, придал им математическую обработку. В результате возникло уравнение Шрёдингера, которое лежит в основе волновой механики. По утверждению академика П. Л. Капицы, «дебай говорил, что, выступая на семинаре, Шрёдингер сам не понимал, какое большое открытие он сделал».

Интересную историю однажды рассказал Эрнесту Резерфорду (1871–1937) Макс Планк. Когда он впервые выдвинул свою квантовую теорию света, люди не очень охотно ей доверяли, отчасти потому, что, согласно этой теории, заряд электрона должен быть равен 4,7 ⋅ 10–10, тогда как общепризнанной величиной считалась 3,4 ⋅ 10–10. У самого Планка вызывало сомнение это противоречие, но когда Ханс Гейгер (1882–1945) и Резерфорд обнародовали величину 4,65 ⋅ 10–10, Планк уверовал в справедливость своей теории.

Все же некоторые видные ученые не только задумывались над этой проблемой, но и сами старались объяснить процесс творчества.

Известный французский математик Жюль Анри Пуанкаре (1854–1912) в психологическом этюде о математическом творчестве рассказывает, как пришло к нему решение сложной математической проблемы: «В продолжении двух недель я старался доказать, что не существует никаких других функций, аналогичных тем, которые я назвал впоследствии фуксовыми функциями; я был тогда очень невежествен: каждый день я садился к рабочему столу и проводил за ним час или два; я перебирал огромное количество комбинаций и не приходил ни к какому результату. Однажды вечером я выпил черного кофе вопреки обыкновению и не мог заснуть; идеи толпой возникали в мозгу; я ощущал как бы их столкновения до тех пор, пока две из них не сцепились, так сказать, между собой, чтобы образовать стойкую комбинацию. Утром я установил существование одного класса фуксовых функций, происходящих из гипергеометрического ряда; мне оставалось только редактировать выводы, что отняло у меня всего несколько часов».

Однако на этом не была поставлена точка. У Пуанкаре появилась новая идея, но из этого ничего не получилось. Тогда ученый забросил свои математические головоломки и уехал путешествовать, стараясь не вспоминать больше о математике. «После этого, – продолжал А. Пуанкаре, – я принялся за изучение некоторых арифметических вопросов, не приходя к особенно значительному результату и на подозревая, что эти вопросы могут иметь хоть малейшее отношение к моим предыдущим исследованиям. Обескураженный неуспехом, я отправился на несколько дней на берег моря; голова моя была занята при этом совсем другими вещами. Однажды, когда я гулял по скалистому берегу, у меня явилась, как всегда, внезапная и отрывочная идея, справедливость которой была для меня непосредственно ясна». Но это еще не было окончательное решение. Великий ученый стал лишь лучше понимать трудности задачи. Решение пришло тоже неожиданно – во время прогулки по бульвару. «Передо мною, – отмечал Пуанкаре, – вдруг предстало разрешение затруднения, которое раньше остановило меня».

Не трудно заметить, что ученый продвигался к конечному результату постепенно, на основе больших знаний, большого теоретического напряжения, больших духовных затрат. Решив одну группу задач, он сделал перерыв, осмысливая пройденное, а затем принимался за другую группу задач. Понятно что, не работая так напряженно и много в одном и том же направлении, вряд ли исследователь приснил бы счастливые идеи. И другое, что, несомненно, существенно. Автору приснились те идеи, которые непосредственно относились к исследуемой им в данный период времени проблеме, а не другие и не о другом. Следовательно, это еще одно подтверждение того, что просто так, сами по себе идеи не возникают. И просто так, без приложения усилий и обладания знаниями, озарение не приходит к ученому.

Подтверждением этой мысли являются и размышления Героя Социалистического Труда, лауреата Государственной премии, академика С. Л. Соболева о зарождении идей. Новая идея возникает тогда, – говорил он, – и только тогда, когда человек, отключившись на некоторое время решительно от всех мыслей, думает только об одном – вживается в эту проблему и начинается мучительное, не совсем приятное состояние, когда есть только стремление разобраться в том, что тебя захватило.

Когда ученый вживается в образ, в те модели, которые создает, он начинает усматривать внутренние закономерности, которые были неясны. Вначале они туманны, потом становятся яснее, и вдруг идея начинает вырисовывается, приобретать ясность и четкие контуры.

Научное творчество – сложный и трудный процесс поиска истины, это бесконечный процесс интуитивных догадок, размышлений. Известно, например, что Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821–1894) жаловался, когда спасительные мысли не приходили к нему. Он целыми днями, месяцами в буквальном смысле слова мучился над трудными процессами. Решение приходило самым неожиданным образом – на прогулке, и, как правило, утром. «Но та гордость, какую мог внушать мне в этих случаях конечный результат, – говорил он, – значительно принижалась от сознания, что решение подобных задач почти всегда давалось мне не иначе, как путем постепенного обобщения удобных частных случаев, рядом счастливых проблесков блуждания по сторонам. Я могу сравнить себя с путником, который предпринял восхождение в гору, не зная дороги; долго и с трудом забирается он и часто вынужден возвращаться назад, ибо дальше нет прохода; то размышление, то случай открывает ему новые тропинки, они ведут несколько далее, и, наконец, когда цель уже достигнута, он, к стыду своему, находит широкую дорогу, по которой мог бы подняться, если бы сумел верно отыскать начало», – писал Г. Гельмгольц, описывая процесс своего творчества.

Характерно, что в обоих случаях, приведенных здесь из рассказов самих ученых, новые идеи явились после того, как напряженная работа сменялась отдыхом. В этом, наверное, одна из причин разгадки процесса научного творчества. Но на этот вопрос, пожалуй, лучше смогут ответить специалисты: физиологи и психологи. Отметим только, что ученому важно всегда уметь распределить свои силы, найти время и для активного отдыха.

Из истории науки известны и другие примеры рождения открытий, на которые влияли также иные факторы. Хорошей иллюстрацией является появление неэвклидовой геометрии. Молодой Николай Иванович Лобачевский (1792–1856) долгое время работал в школе для взрослых и каждый раз не был удовлетворен объяснением ученикам очевидности постулата о непересекаемости параллельных линий. Молодой ученый серьезно задумался над этой проблемой. Где же выход? Целеустремленность, настойчивость, обширные и глубокие знания, умение по-новому посмотреть на старое и привели к рождению неэвклидовой геометрии.

Может это единичный пример? Жизнь и деятельность многих всемирно известных ученых не позволяет сделать такое заключение. Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) читал лекции по основам химии и одновременно работал над монографией. Работа продвигалась очень медленно: ученый не мог так описать свойства химических элементов, чтобы их легко могли запомнить студенты. Проходили дни, недели, но положение от этого не изменилось: написание монографии не продвигалось. И вдруг Дмитрий Иванович получил письмо – он срочно должен был уехать из Петербурга в деревню. Ученый заторопился и неожиданно для себя обнаружил ряд ценных мыслей, которые тут же, на обороте только что полученного письма, записал. Он понял, что главное в решающей проблеме – сближение групп химических элементов по величине атомного веса. Он остался. Начал усиленно работать. От чрезмерного напряжения (трое суток не спал) ученый заснул и, что удивительно, во сне увидел, – как потом вспоминал, – таблицу, где элементы были расставлены так, как требуется. В две недели обоснование открытия было закончено. Так родилась знаменитая таблица Менделеева – периодическая система химических элементов.

Характерно, что и Шрёдингер нашел свои знаменитые уравнения квантовой механики в процессе объяснения работы Луи де Бойля группе аспирантов Цюрихского университета, а теорема Отокса появилась, когда математик предложил студентам в одной из задач доказать, что интеграл, взятый по контуру, связан с величиной потока, проходящего через этот контур.