7 головних експериментів людства, які допомогли нам зрозуміти світ
Ми щодня проводимо експерименти: хтось намагається менше заззирати в телефон, щоб перевірити наскільки довше «протримається» батарея, хтось перевіряє, з яким недосипом може впоратися кава. До речі, фронтмен гурту Latexfauna Діма Зезюлін в одному з інтерв’ю пояснював, чому не варто зловживати чудодійною силою кави.
Але не всі експерименти проходили так само непомітно, як наші спроби якнайшвидше дістатися з точки А до точки Б без заторів. Ми вирішили поглянути в історію винаходів людства, щоб зрозуміти, без яких саме винаходів нам було б важче радіти життю сьогодні.
Дослід Ератосфена з визначення розмірів Землі
Що ми робимо, коли треба дізнатися площу України, відстань до Сонця чи вагу Землі? Правильно, заходимо до вікіпедії, дізнаємося і забуваємо через наносекунду. Але що відкривати, коли ти – античний вчений і тобі кортить щось дізнатися про Землю? Треба проводити експерименти.
Ератосфен жив у ІІІ–ІІ століттях до н. е. Давньогрецький науковець і письменник, один із надзвичайно різнобічних вчених античності. Ератосфен займався філологією, філософією, хронологією, математикою, астрономією, геодезією, географією, сам писав вірші й музику. Оскільки він був писемний, то міг листуватися. В одному з листів він писав, що в Сієні (йдеться не про сучасну Сієну в італійській Тоскані, а про Асуан — курорт на півдні Єгипту) в день сонцестояння опівдні сонце освітлює дно найглибших колодязів, і якщо заглянути у колодязь, то можна побачити тінь від своєї голови та віддзеркалення сонячних променів навколо цієї тіні.
Що це означає? Не знаємо, адже ми — найкраще лайфстайл-медіа, яке пише про все, що може зацікавити сучасного жителя міста, а не щомісячний бюлетень для вчителів геометрії. Та наскільки нам відомо, Ератосфен зацікавився цим фактом, оскільки Асуан перебуває на тій же довготі, що і Александрія, де він мешкав. Він-то знав, що в нього вдома тіла відкидають тінь, тобто сонце там відхилялося від зеніту на кут в 7,2. А якщо в Сієні можна зловити сонячного зайчика від дна колодязя, то значить там сонячні промені падають під прямим кутом.
Різниця цих кутів мала б стати кутом між двома лініями, які проведені від центру Землі до Сієни і Александрії відповідно. І розділивши коло у 360 градусів на частинки по 7.2 градуси, він зрозумів (за допомогою геометричних формул, не питайте яких), що відстань між цими об’єктами буде десь 1/50 частиною від окружності Землі. На жаль, у ті часи не було ґуґл-карт і відстань між містами визначалася довше. Ератосфен вимірював її стадіями. Стадій — старовинна одиниця вимірювання відстаней у багатьох народів, що була вперше введена у Вавилоні, а вже потім отримала свою грецьку назву. Стадій дорівнює відстані, яку проходила людина спокійною ходою за час сходу сонця, тобто протягом приблизно 2 хвилин. Стадій вавилонський дорівнював 194 метрам, єгипетський — 172 метри, грецький — 178 метрів, римський — 185 метрів, атичний – 177,6 метра.
Коротше, за вимірами Ератосфена відстань від Александрії до Сієни становила 5 тисяч стадій. Уся окружність складала б 250 тисяч (пізніше ця цифра відкоригувалась до 252 000). Але ми не знаємо, який саме стадій використовував вчений. Якщо свій, «рідний», грецький — то радіус Землі мав би бути близько 7 тисяч кілометрів. Також вчені згадують використання стадія в розмірі 157,2 метра, при якому радіус Землі дорівнював би 6 302 км. Сучасні виміри дають для усередненого радіусу Землі величину 6 371 км, що в будь-якому випадку робить вищеописаний розрахунок видатним досягненням і першим досить точним розрахунком розмірів нашої планети.
Вільям Харві як перший фітнес-трекер
Досить часто у нас в стрічці новин з’являються пости про те, як розумні годинники рятують життя людей. Комусь радять викликати швидку, якщо пульс аномально прискорюється, а комусь самостійно викликають екстрені служби, якщо власник гаджету «слабко подає ознаки життя». Люди, які займаються спортом, стежать за своїм пульсом під час занять за допомогою спеціалізованих гаджетів. А як рахували пульс раніше?
Не те щоб аж рахували. Оскільки досить довго вчені покладалися на погляди своїх античних предків — Клавдія Галена чи Арістотеля. Згідно з їхніми поглядами, кров виробляли внутрішні органи, зокрема печінка – з їжі. Потім кров проходила венами і «закінчувала свій шлях» в інших органах. Це зараз нам смішно читати таке, а тоді на сміх підіймали британського вченого Вільяма Харві, який зацікавився цим і засумнівався в усталених поглядах. Варто зазначити, що британець ще відбувся легким переляком. Тому що Мігеля Сервету, який ще за 70 років до Харві озвучив схожі ідеї, церква просто спалила на багатті.
Вільям став королевським лікарем, щоб мати більше можливостей займатись улюбленою анатомією. У його виші лікарі більше вчили богослов’я, ніж будову тіла, тому питання, що ж насправді всередині живих організмів, було для нього відкритим. Шляхом експериментів він і прийшов до своїх висновків. Однак, експерименти були, м’яко кажучи, досить негарні. Сьогодні якби Харві виклав фотозвіт своїх медичних експериментів у Фейсбуку, то, мабуть, отримав би місячний бан.
Британець викачував кров з тварин, зокрема з овець та свиней. Це його і підштовхнуло думати, що уявлення античних вчених не зовсім правильні, оскільки у тварин більше крові, ніж мало бути за підрахунками Галена. Він розумів, що не може стільки крові десь зникнути безслідно. І прийшов до висновку, що кров повертається до серця по замкнутому циклу. Вільям навіть привселюдно спускав кров з тварин, щоб наочно показати, що його теорія небезпідставна. Або, можливо, щоб показати, що він не займається дурнею, і не бути спаленим у вогнищі, – хто знає.
Лікар перекривав артерії, що ведуть до серця тварин, та документував, що воно блідніє і стискається. Також у живих тварин він закривав і вени, блокуючи крововідтік, від чого серце розбухало. Документуючи передсмертні удари сердець тварин, він здогадався, що, скоріше за все, саме ці удари і качають кров по організму.
У 17-му сторіччі розваг було не так багато, як сьогодні, тому люди погоджувалися добровільно брати участь в експериментах Харві. І завдяки ним вчений відкрив кола кровообігу людини, тим самим ставши батьком сучасної фізіології.
Грегор Мендель — батько генетики
Поки Тарас Григорович Шевченко колоритно змальовував фрагменти життя української селянської родини, розповідав, як діти можуть перейняти характер чи вдачу батьків, десь на теренах сучасної Чехії монах Грегор Мендель проводив досліди, завдяки яким ми сьогодні розуміємо, чому в дітей «батьківський носик» чи «дідова усмішка».
Грегор з дитинства цікавився природою, працював садівником, два роки повчився в інституті, а потім став монахом Августинського монастиря. Там була велика бібліотека, яка могла втамувати велику жагу Грегора до знань. З допомогою настоятеля храму майбутній генетик пішов вчитися до богословсього інституту і мав там чималі успіхи, навіть підміняв викладачів грецької і математики в одній зі шкіл, але провалив біологію і геологію на екзамені й не отримав звання вчителя. До речі, майже через 10 років ще дві спроби здати біологію теж закінчилися провалом.
Настоятель храму допоміг йому ще потрапити до Відня, щоб він там міг вивчити історію природознавства. Саме у Відін Грегор зацікавився гібридами рослин. Але досліди свої проводив, коли повернувся до рідного Августинського монастиря. Що спільного між пиріжком на вокзалі і дослідом Менделя? Вони обоє горохові. Майбутній вчений три роки садив різні сорти гороху на своїй грядці, щоб вивести декілька чистих видів. А потім почав перевіряти, якими будуть «нащадки» різних сортів.
Так, він документував, що якщо поєднати жовтий та зелений горох, то наступне покоління буде жовтим. Але якщо і надалі схрещувати ці види, то приблизно чверть вже третього покоління буде знову зеленим. Тож Мендель зрозумів, що під час створення майбутнього покоління поєднуються два гени, один з яких домінантний (жовтий), а другий – рецесивний (зелений).
Ці закони й лягли в основу сучасної генетики. А Мендель отримав визнання лише на початку наступного століття, вже після своєї смерті.
Дякуємо Ньютону за селфі
З 1665 року по 1666 рік в Англії відбувався масовий спалах бубонної чуми, під час якої померло приблизно 100 000 людей, 20% населення Лондона. У переддень Різдва 1664 року на лондонських будинках стали з’являтися червоні хрести – перші мітки Великої епідемії чуми. До літа смертоносна епідемія значно розширилася. Подалі від цієї страшної недуги втік один з найвизначніших винахідників у історії людства, Ісаак Ньютон. 8 серпня 1665 року заняття в його коледжі були припинені, а персонал розпущений до закінчення епідемії. Ньютон поїхав додому у Вулсторп, захопивши із собою книги, зошити, інструменти та ще дещо.
Варто зауважити, що значну частину своїх наукових відкриттів Ньютон зробив у самоті «чумних років». Одним з них є «ігри з прозорою призмою». Збереглися спогади працівників коледжу, які вчили молодого Ньютона. Тоді вони кепкували з нього, тому що він постійно грався своєї дитячою іграшкою — прозорою призмою.
У 17-му столітті всі гадали, що колір світла залежить від того, через що він проходить: сонячні промені проходять через церковні вітражі й утворюють червоні чи сині кольори. Але Ньютон піддав це сумніву. Зробивши маленький отвір у віконній рамі, він підставив під вузький пучок світла трикутну скляну призму. У ній пучок світла заломився, а на протилежній стіні з’явилася кольорова смуга з усіма кольорами веселки в тому порядку, який ми всі зараз чудово знаємо: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий. Ньютон зробив важливий висновок: розкладання білого світла в кольоровий спектр означає, що біле світло є сумішшю всіх кольорів веселки.
Нам його висновки нічого не дали, але вчені в наступних століттях розвивали уявлення Ньютона про оптику, і тепер завдяки оптиці у камерах наших мобільних телефонах ми можемо фотографувати смачні бургери.
Собаки-науковці у дослідах Івана Павлова
Ви проходили наш дуже складний тест з біології? Настільки складний, що там не було питань про умовні чи безумовні рефлекси. Адже багато хто пам’ятає, що умовні рефлекси — це ті навички, які ми отримали при певних умовах. Дуже логічно, і ми хотіли б, щоб більше наукових законів можна було так легко пояснити.
Досить легко пояснити й досліди лауреата Нобелівської премії у галузі фізіології і медицини 1904-го року Івана Павлова. До речі, тут можна пройти наш ще один тест і дізнатися, в якій номінації ти отримаєш заповітну Нобелівку.
Досліди Павлова не можна назвати етичними, як і експерименти Харві. Іван Петрович взявся досліджувати регуляцію травлення та нервову діяльність, яка з ним пов’язана. Піддослідних собак саджали до спеціальної звукоізольованої кімнати, де на них не впливали жодні зовнішні чинники. За ходом експерименту вчений міг спостерігати за допомогою спеціальної системи дзеркал, через які його не було видно. У кімнаті собаку позбавляли можливості рухатися. Павлов хотів дослідити особливості травлення, оцінити, скільки слюни виділяється у собак, коли вони бачать щось їстівне або ж навпаки. Але помітив, що коли асистенти заходили до цієї кімнати, то в собак вже виділялася слюна.
Він вирішив, що тварини реагують на білі халати співробітників. Павлов висунув гіпотезу, що виділення слини є рефлекторною реакцією собак на конкретний подразник і що вони асоціюють білі халати з отриманням їжі. За його припущенням, слиновиділення, яке починалося, коли собакам справді приносили їжу, було безумовним рефлексом, а виділення слини, викликане білими халатами, — рефлексом набутим, умовним.
Суть експерименту, який прославив Павлова, така: Павлов дзвонить у дзвіночок і дає собаці поїсти, потім знову, відтак ще раз і ще раз, а тоді одного разу дзвонить у дзвіночок, а їсти не дає. Собака все одно приготувалася прийняти їжу, ніби побачила перед собою улюблену їжу. У неї вийшла слина, і вона була за всіма ознаками схожа на собаку, перед якою лежав шматок м’яса. Почувши дзвоник, собака мимоволі готується до прийому їжі, облизується, ковтає слину – це і є умовний рефлекс.
Піддослідні піддавалися досить страшним операціям: їм у шлунок вставляли металеві трубки, видаляли стравохід тощо. Але не варто думати, що Павлов був безсердечним м’ясником. Операції виконувалися під наркозом, хоча й все одно для більшості піддослідних експерименти закінчувалися смертю. Але тих, кого вдалося врятувати, вчений забезпечував пожиттєво. Збереглися цитати дослідника щодо неоднозначності його дослідів: «Коли я починаю досліди, пов’язані наприкінці зі смертю тварини, я відчуваю важке почуття жалю, що перериваю радісне життя, що я є катом живої істоти. Коли я ріжу, руйную живу тварину, я глушу в собі їдкий докір, що грубою, неосвіченою рукою ламаю невимовно художній механізм. Але переношу це в інтересах істини, для користі людям».
Зараз подібні досліди піддали б публічному цькуванню, але в той час учений понад 10 років вивчав так рефлекси. Результати його досліджень стали фундаментом, на якому тримається сучасна фізіологія, а також психологія, зокрема на їхній основі було винайдено лікування від різних фобій, панічних і тривожних розладів. Питання, чи варте це життя сотень собак, залишається відкритим.
Чудовий Youtube-формат від Галілея. Чи ні?
Галілео Галілей, крім того, що має ім’я, яке б могло стати чудовим приспівом для нав’язливого поп-хіта, був одним із засновників сучасного експериментально-теоретичного природознавства. І, що круто, деякі його досліди можна повторити вдома. Хоча ми вже знаємо, чим все закінчиться.
Втім, так було не завжди. Він піддав сумніву теорію великого Арістотеля про те, що тіла падають на Землю у відповідності до своєї ваги. Тобто якщо випустити кавун вагою 10кг і літрову пляшку пива вагою приблизно 1кг, то кавун долетить до земної поверхні у 10 разів швидше. Неймовірно, але настільки примітивне у підтвердженні чи спростуванні правило ніхто за 2000 років не перевіряв. Однак у сучасних вчених є сумніви щодо одного з найвідоміших експериментів Галілея.
Учений скинув з Пізанської вежі гарматне ядро масою 80 кг і значно легшу мушкетну кулю масою 200 г. Обидва тіла мали приблизно однакову обтічну форму й досягли землі одночасно. Проте в архівах не збереглося жодних підтверджень, що такий експеримент справді проводився. Крім того, гарматне ядро і куля мають різний радіус, на них буде діяти різна сила опору повітря, тому вони не можуть досягти землі одночасно. Такий собі парадокс: Галілей мав рацію щодо недосконалості теорії Арістотеля, але таким експериментом цього б не довів.
Натомість італієць писав, що вага недостатньо впливає на швидкість падіння більш-менш однакових тіл. У своїх конспектах він припускав, що куля із золота при вільному падінні на відстані однієї сотні ліктів, напевно, випередила б кулю з міді не більше, ніж на чотири пальці. Зробивши це спостереження, він прийшов до висновку, що в середовищі, повністю позбавленому всякого опору, всі тіла падали б з однаковою швидкістю. Чудовий формат для фізичного Youtube-каналу — проводити подібні прості досліди. Шкода, що в епоху Відродження ще не було можливості забезпечити нащадків пруфами своїх теорій.
Попсовий Шредінгер як обличчя масової культури в науці
Стендап комік Артем Андрєєв вже звертав увагу на неймовірну невдачу Марка Юнія Брута. Той, мабуть, думав, що стане наступним з тисячі заколотників, які вчиняли змову проти свого керівника. Таке робили до Брута і продовжили робити після нього. Однак саме цей римський політик став синонімом до слова «зрадник», саме його ім’я стало асоціюватися з негідною поведінкою, діти в школах вивчають його вчинки. Не кожен випадковий перехожий назве більше двох гетьманів українського козацтва чи згадає котрогось з очільників Київської Русі. Але з великою ймовірністю кожен буде знати, що зробив Брут.
Таким же мемом став і кіт Шредінгера. Точніше не сам кіт, а ситуація до котрої він потрапив. А ситуація, варто нагадати, була майже смертельною. Австрійський фізик-теоретик Ервін Шредінгер хотів висміяти недосконалість квантовової механіки, а створив заготівку під жарт для тисяч коміків у наших фейсбук-стрічках. Втім, нагадаємо, в чому саме полягав експеримент, оскільки «об’єктом» Шредінгера у жартах ставав мабуть кожен предмет чи явище на цій планеті — від сексу до гірчиці в хот-дозі.
Для початку нагадаємо, що дослід відбувався уявно. Саме тому ситуацію, в якій опинився котик, ми і назвали майже смертельною. Так ось, Ервін Шредінгер уявив коробку з котиком. Мабуть, це був милий котик, який гарно мурчав, неначе з реклами котячого корму, він мав пухкенькі щічки та рожевий носик. Коти ж люблять залазити до коробки, тому в цьому аспекті есперимент був цілком логічний.
Потім Шредінгер зрозумів, що кіт у небезпеці — поруч, у тій же коробці був смертоносний механізм з радіоактивним ядром та посудиною з отруйним газом. «На таке здатен лише якийсь злий геній, це, мабуть був Джокер?», — запитаєте ви. Не знаємо, але кіт справді був у небезпеці в уявному експерименті фізика.
Імовірність розпаду ядра за годину приблизно така ж сама, як і ймовірність зустрічі динозавра на Позняках — 50%. Тобто ядро або розпадеться, або ні. Це можна пояснити з погляду квантового феномену суперпозиції, відповідно до якого об’єкт перебуває у всіх можливих станах одночасно, поки за ним ніхто не спостерігає. Якщо ядро розпадеться — котик вмирає. Якщо ні — продовжує жити і бігати за мухами своїми пухнастими лапками. Або залишиться у коробці і не буде бігати, хто їх знає, тих котів, що у них на думці.
Але ні Шредінгер, ні хтось інший не може дізнатися, чи у цей момент кіт живий, чи ні, доки не відкриє коробку. Тобто, як би смішно не звучало, — кіт і живий, і мертвий одночасно. Це неможливо, і саме це й хотів довести Шредінгер, висміявши недосконалість методів квантової механіки. Очевидно, що мурчик обов’язково мусить або вижити, або померти, оскільки не існує так званого проміжного стану. Ядро також або розпадеться, або ні. Це суперечить фундаментальному у квантовій механіці принципу суперпозиції.
Просто до австрійця вчені розуміли, що такий принцип діє на мікрочастинки. А Шредінгер як маркетолог 85 рівня просто «додав кота» і став одним з найвідоміших вчених-теоретиків.
