"Standardowa edukacja zapewni Ci przeżycie. Samokształcenie - fortunę".   Jim Rohn

"Jeśli trwacie w nauce mojej, jesteście prawdziwie moimi uczniami i POZNACIE PRAWDĘ ,A PRAWDA WAS WYZWOLI"    - Jezus z Nazaretu







Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (18)


Nauka aktywna i pasywna

Świat możemy poznawać na różne sposoby, wszystkie ważne. W eksperymentach mamy ogromną zaletę, że możemy zmieniać parametry (rozmiar, masę, czas, temperaturę, prędkość, prąd elektryczny, pole magnetyczne, właściwości chemiczne itp.), dzięki czemu badane zjawisko może być badane w różnych warunki. Dzieje się tak zazwyczaj w fizyce, chemii i kilku innych dziedzinach. Warunki laboratoryjne są kontrolowane i możemy powtarzać eksperyment tyle razy, ile chcemy, zmieniając parametry, aby wydobyć maksimum informacji. Ale kiedy nie ma się kontroli nad warunkami, jedyną opcją jest obserwacja i nagrywanie. Tak jest oczywiście w astronomii i w dużej części biologii. Jednak nawet w astronomii wciąż można stawiać hipotezy i wykorzystywać nowe obserwacje do ich testowania. Dzisiejsze obserwacje są niezwykle mocne. Dzięki satelitom można wykorzystać całe spektrum elektromagnetyczne. Przeglądy gwiazd i galaktyk nad ogromnymi obszarami nieba miały ogromne znaczenie w historii astronomii. Katalogi gwiazd sięgają czasów starożytnych, a w nowszej historii Tycho Brahe, William i John Herschel oraz wielu innych astronomów i głównych obserwatoriów krajowych wnieśli ważny wkład. Odkryto, że widma mogą ujawnić chemię i fizykę odległych gwiazd i galaktyk. Klasyfikacja gwiazd umożliwiła zrozumienie ich ewolucji za pomocą diagramu Hertzsprunga-Russella. "Zbieranie" gwiazd zmiennych przez Henriettę Leavitt doprowadziło do odkrycia zmiennych cefeid i skali odległości wszechświata. Współczesne katalogi galaktyk różnych typów na różnych długościach fal umożliwiły badanie ich ewolucji, a ostatecznie wielkoskalowej struktury i ewolucji Wszechświata. Nasze rozumienie wszechświata i jego zawartości jest niezwykłe, biorąc pod uwagę, że opiera się na "zwykłej obserwacji". Podczas badania zachowań i procesów poznawczych zwierząt zrozumiałe jest, że naukowcy początkowo wprowadzali zwierzęta do laboratorium i próbowali je przetestować w warunkach laboratoryjnych, tak jak robiłyby to z ludzkim niemowlęciem. Ale w końcu zdano sobie sprawę, że w badaniach nad wieloma gatunkami było to kontrproduktywne. Oczywiście większość zwierząt nie radziłaby sobie dobrze w sztucznym otoczeniu, a my naprawdę możemy wiedzieć, do czego są zdolne, obserwując je w ich naturalnym środowisku. Na szczęście opracowaliśmy wyrafinowane kamery, czujniki i inne urządzenia, które pozwalają nam obserwować ich "prywatne życie" w nocy, na drzewach, w ich tunelach, pod wodą, w locie oraz przy niskich i dużych prędkościach. Jednymi z najbardziej znanych wczesnych pionierów, którzy badali zwierzęta w ich naturalnym środowisku, byli Karl von Frisch, Konrad Lorenz i Nikolaas Tinbergen, którzy w 1973 r. wspólnie otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny "za odkrycia dotyczące organizacji i wywoływania indywidualnych i społecznych wzorców zachowań ". Tinbergen skomentował, że on i pozostali dwaj laureaci Nagrody Nobla byli początkowo uważani za "zwykłych obserwatorów zwierząt", ale mocno promował podejście "obserwowanie i zastanawianie się" w badaniu zachowania zwierząt. Wyniki tych i wielu innych badań na przestrzeni lat są zdumiewające i możemy być jedynie pod wrażeniem niesamowitych talentów innych zwierząt. Podobnie jak w astronomii, kolekcjonowanie i klasyfikacja również odgrywały kluczową rolę w naukach przyrodniczych. Sięgają one czasów starożytnych Greków: Arystoteles był "ojcem zoologii", a Teofrast był "ojcem botaniki". John Ray i Francis Willughby byli odpowiednikami podczas rewolucji naukowej, podróżując po Anglii i Europie kontynentalnej i torując drogę dla schematu klasyfikacji Carla Linneusza, który jest nadal używany. Sam Darwin był kolekcjonerem, a jego szeroka wiedza była oczywiście niezbędna do sformułowania teorii ewolucji przez dobór naturalny. Dziś znamy miliony gatunków: około 300 000 gatunków roślin, 70 000 gatunków grzybów, milion gatunków owadów, 300 000 gatunków innych zwierząt i znacznie więcej w mikroskopijnym świecie. Dzięki temu bogactwu informacji stało się możliwe zobaczenie relacji i złożenie jednego "drzewa życia", które jest centralne we współczesnej biologii. Zbieranie i badanie skamieniałości sięga tysięcy lat. Arystoteles zauważył, że niektóre skamieniałości w skałach były podobne do muszelek widzianych na plażach, co sugeruje, że skamieliny były niegdyś żywymi stworzeniami. Angielski inżynier William Smith zauważył na początku XIX wieku, że skały w różnym wieku (w oparciu o prawo superpozycji zaproponowane pod koniec XVII wieku przez Duńczyka Nicolasa Steno) zawierają różne grupy i typy skamieniałości, co sugeruje, że następowały one po sobie w zwykły sposób. Ta zasada "sukcesji faunalnej" stała się jednym z kluczowych dowodów ewolucji Darwina. Od czasów Darwina zapis kopalny został rozszerzony do mikroskamieniałości i stromatolitów sprzed ponad 3,4 miliarda lat. W XX wieku stało się możliwe wykorzystanie bezwzględnych metod datowania radiometrycznego do weryfikacji i poprawy względnego wieku skamieniałości, a zapis kopalny obejmuje obecnie wszelkie zachowane szczątki niegdyś żyjącego stworzenia, od kości, muszli i egzoszkieletów po skamieniałe drewno, włosy oraz fragmenty DNA. Skamieniałości odegrały kluczową rolę w ustaleniu teorii ewolucji Darwina i pozostają ważne do dziś, dodając kolejne ważne szczegóły do drzewa życia. Dzisiejsze "kolekcje" stały się tak ogromne, że mówi się o "Big Data". Ogromne, jednorodne bazy danych wszelkiego rodzaju mogą być analizowane w sposób, który nigdy wcześniej nie był możliwy. Dane można "wydobyć" pod kątem bardzo subtelnych lub bardzo rzadkich zjawisk, których nigdy nie można wykryć w małych próbkach. To nowy sposób uprawiania nauki - nowe narzędzie do odkrywania - a zastosowań jest nieskończona. Jeden z nich polega na wykorzystaniu uczenia komputerowego i sztucznej inteligencji, aby znaleźć obiecujące cząsteczki dla nowych leków z podzbiorów setek miliardów cząsteczek w ogromnym wszechświecie chemicznym. Innym jest wykorzystanie komputerów do porównywania noc po nocy cyfrowych obrazów tych samych pól setek tysięcy gwiazd w poszukiwaniu rzadkich i nieznacznych zmian jasności poszczególnych gwiazd - oznak wewnętrznych procesów fizycznych, planet pozasłonecznych lub soczewek grawitacyjnych. System o nazwie DNAStack został opracowany przez Google, aby pomóc globalnej społeczności genetyków w organizacji i analizie ogromnej liczby próbek DNA z całego świata w celu identyfikacji chorób i defektów, zapewniając nauce moc obliczeniową na skalę przemysłową. Wielki Zderzacz Hadronów wytwarza 600 milionów zderzeń protonów na sekundę, z których tylko około sto jest interesujących; wymaga to filtrowania w czasie rzeczywistym i odrzucania ponad 99,9999% zdarzeń. Starożytne sztuki kolekcjonowania i analizowania wymagają obecnie najpotężniejszych komputerów i sztucznej inteligencji. Odkrywa to bogate źródło nowej wiedzy. Może obejmować eksplorację, obserwację, eksperyment, a często przypadek. Galileusz skierował teleskop w niebo i odkrył wiele cudów. Fraunhofer odkrył ostre linie absorpcyjne w widmie Słońca. Maxwell odkrył, że stała w jego równaniach jest równa prędkości światła. Lemaître i Hubble odkryli ekspansję wszechświata. Crick i Watson odkryli strukturę podwójnej helisy DNA. Mayor i Queloz odkryli pierwszą planetę pozasłoneczną. W 1981 roku Martin Harwit opublikował przełomową książkę zatytułowaną Cosmic Discovery. Omówił w nim koncepcję wielowymiarowej obserwacyjnej przestrzeni parametrów w dziedzinie astronomii. Parametry obejmują rodzaj nadchodzącego nośnika (fotony, promienie kosmiczne, neutrina lub fale grawitacyjne), długość fali lub energię nośnika, który można wykryć, rozdzielczość kątową, widmową i czasową instrumentu, właściwości polaryzacyjne, czułość oraz czas i kierunek obserwacji. Każdy parametr jest osią w tej wielowymiarowej przestrzeni. Celem jest prowadzenie obserwacji, które są otwarte na największą możliwą objętość w tej obserwacyjnej przestrzeni parametrów, aby zmaksymalizować szansę na nowe odkrycie ("świadome oczekiwanie nieoczekiwanego"). Harwit uważał "odkrycie" za zjawisko, które jest oddzielone od innych co najmniej tysiąckrotnie w dowolnym parametrze. Ta koncepcja była bardzo przydatna w myśleniu o nowych obserwacjach lub eksperymentach. Oprócz ukierunkowania pomiaru lub zjawiska na wynik, który jest praktycznie gwarantowany ("znana niewiadoma", w żargonie zarządzania ryzykiem i NASA, co zadowoliłoby konserwatywną komisję przeglądową), wszelkie obserwacje, eksperymenty, nowy teleskop lub nowy instrument powinien być również otwarty na nieoczekiwane nowe odkrycia ("nieznane niewiadome"). Taka była również filozofia usprawiedliwiająca przenoszenie małych detektorów lub eksperymentów na duże teleskopy naziemne, podczas gdy te wykonują swoje główne misje - piggy-backers są niedrogie, ale mogą zapewnić ogromne korzyści w postaci zupełnie nowych i nieoczekiwane odkrycia. Istnieje wiele innych możliwych sposobów "planowania" odkryć. Na przykład, gdy duży obszar nieba został zbadany zarówno za pomocą obrazowania wielokolorowego, jak i spektroskopii, zamiast od razu szukać nieznanego, można zacząć od poszukiwania znanego. Baza danych milionów obiektów może być najpierw przeanalizowana automatycznie przez komputer, który identyfikuje znane klasy obiektów (gwiazdy, galaktyki itp.) i umieszcza je w "znanym" pliku; pozostałe obiekty to te interesujące, które należy badać jeden po drugim, aby odkryć nowe zjawiska. Odkrywanie jest jedynym sposobem poznania wielu zjawisk. Na przykład pulsary nigdy nie były przewidywalne. Są to niezwykle regularne błyski światła wytwarzane przez szybko obracające się jądra zapadniętych gwiazd. Są zbyt skomplikowane i obejmują zbyt wiele nieprawdopodobnie nałożonych warstw fizyki. Podobnie wiele zjawisk w złożonym świecie biologii można poznać tylko poprzez odkrycie. Mówi się, że we wszechświecie "to, co nie jest surowo zabronione, jest absolutnie obowiązkowe". Natura wymyśli na to sposób. I tylko odkrycie go znajdzie.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (17)


Samotność i praca zespołowa

To naprawdę niezwykłe, jak samotna była nauka o aktywności do ostatniego półwiecza. Jak wspomniano powyżej, prawie 90% prób jednych z najważniejszych naukowców na świecie urodzonych przed 1900 r. pracowało samotnie. Współczesny świat naukowy, w którym żyjemy, ze wszystkimi jego technicznymi cudami, jest dziełem zaledwie kilkuset kluczowych naukowców, którzy pracowali głównie w pojedynkę. Oczywiście utrzymywali kontakt z innymi poprzez kontakty, publikacje, korespondencję i dziwne spotkania, a wielu naukowców pracowało na uniwersytecie lub instytucie, gdzie możliwe były codzienne interakcje. Ale w dużej mierze sami wykonywali swoją pracę. Pomyśl o nazwiskach takich jak Kopernik, Galileo, Newton, Hooke, Herschel, Einstein, Hubble, Zwicky, Boyle, Black, Priestly, Cavendish, Lavoisier, Dalton, Mendelejew, Boltzmann, Planck, de Broglie, Schroodinger, Huygens, Young, Faraday , Maxwella, Lyella, Darwina i Mendla. Chociaż wszyscy żyli i mieszali się w społeczeństwie, ich praca naukowa należała wyłącznie do nich. Na przestrzeni lat zdarzały się przypadki, w których kilku naukowców połączyło siły, na przykład Tycho z Keplerem jako asystentem, Ray z Willughbym oraz Michelson i Morley. Ale te przypadki były rzadkie przed ostatnim stuleciem. Zdarzały się również przedsięwzięcia naukowe, w których brały udział zespoły składające się z setek, jeśli nie tysięcy naukowców, ale prawie wszystkie z nich były całkiem nowe. Jedyną dużą współpracą przed ostatnim stuleciem był tranzyt ekspedycji Wenus w latach 1761 i 1769. Były to prawdziwie międzynarodowe kolaboracje - stu lub dwustu obserwatorów z dziewięciu lub dziesięciu krajów, którzy podróżowali po całym świecie, aby prowadzić obserwacje. Ponieważ były one uważane za "misje dla całej ludzkości", uczestniczące kraje nakazały swoim wojskom wsparcie obserwatorów podróżujących przez ich ziemie, nawet jeśli kraje te były ze sobą w stanie wojny. To były niezwykłe i wyjątkowe przedsięwzięcia. W ostatnim czasie miały miejsce kolaboracje na ogromną skalę. Wielkie akceleratory cząstek i ich detektory są niezwykle drogie i niezwykle złożone, w co zaangażowały się tysiące naukowców. Wielki Zderzacz Hadronów to wspólny wysiłek 21 państw członkowskich CERN i kilku innych krajów, z centrami obliczeniowymi w 35 krajach i angażujący tysiące naukowców i techników. Astronomia stała się również "wielką nauką". Duże teleskopy optyczne i radiowe oraz ich oprzyrządowanie są drogie, a duże międzynarodowe zespoły często angażują się nie tylko w tworzenie tych obiektów, ale także w analizę i publikowanie wyników naukowych. Satelity i misje kosmiczne są również bardzo drogie i ponownie zaangażowane są setki naukowców. Dwa zespoły, które odkryły przyspieszenie ekspansji Wszechświata, obejmowały kilkudziesięciu indywidualnych naukowców, a współpraca, która odkryła fale grawitacyjne w 2015 roku, zaangażowała ponad tysiąc naukowców pracujących w ponad 80 instytucjach naukowych. Projekt genomu ludzkiego obejmował tysiące osób pracujących na ponad 20 uniwersytetach i instytutach w sześciu krajach. Pozostaje największym na świecie wspólnym projektem w naukach przyrodniczych. Przyglądając się historii nauki podanej w rozdz. 2, jasne jest, że duża współpraca jest nowym zjawiskiem, które pojawiło się zaledwie w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat i jest obecnie stałą cechą współczesnej nauki.

Znajomości

Czasami osobiste powiązania pomogły naukowcom na różne krytyczne sposoby, na przykład zająć strategiczne pozycje, które umożliwiłyby im osiągnięcie ich celów naukowych lub zdobycie środków lub wskazówek, które pomogą im w ich pracy. Jedno bardzo szczęśliwe połączenie powstało na początku XVII wieku - takie, które utorowało drogę Newtonowi do stworzenia jego teorii powszechnej grawitacji. Kiedy astronom Tycho Brahe przeniósł się do Pragi w 1600 roku wraz ze swoim obszernym zestawem dokładnych danych astronomicznych, zatrudnił młodego matematyka Johannesa Keplera jako swojego asystenta. Wkrótce potem Tycho zmarł, a Kepler miał pełny dostęp do cennych danych. Dzięki matematycznemu zapleczu i kopernikańskiemu modelowi Kepler był w końcu w stanie wyprowadzić swoje trzy prawa ruchu planet, które były kluczowe dla prac Newtona kilkadziesiąt lat później. Inne połączenie pomogło uruchomić prace Newtona nad powszechną grawitacją. Edmund Halley, znajomy Newtona z Royal Society, złożył ważną wizytę w Newton w 1684 roku, wspominając dyskusję, jaką odbył z Robertem Hooke i Christopherem Wrenem na temat tego, czy odwrotne kwadratowe prawo przyciągania może wyjaśnić prawa Keplera. W ciągu kilku miesięcy Newton udowodnił, że może, a w ciągu dwóch lat opublikował Principia. Dla kariery Karola Darwina kluczowe znaczenie miało także osobiste powiązanie. Podczas pobytu w Cambridge Darwin studiował pod kierunkiem Johna Henslowa, profesora botaniki, który bardzo cenił Darwina. W 1831 roku, kiedy Admiralicja przygotowywała wyprawę pomiarową, którą miał przeprowadzić HMS Beagle pod dowództwem kapitana Roberta FitzRoya, Henslow zaproponował zaproszenie Darwina do udziału w ekspedycji w celu zbadania historii naturalnej i geologii Ameryki Południowej. Darwin chętnie zaakceptował, a reszta, jak mówią, jest historią. Innym ważnym połączeniem w historii nauki była przyjaźń uczniów, którą Einstein nawiązał z Marcelem Grossmannem. Kiedy Einstein był bezrobotny przez dwa lata po ukończeniu ETH, to teść Grossmanna pomógł mu znaleźć pracę w Szwajcarskim Urzędzie Patentowym w Bernie. I właśnie wtedy, gdy Einstein pracował w Bernie, miał błyskotliwe spostrzeżenia, które doprowadziły do jego czterech słynnych artykułów w 1905 roku. Kiedy Francis Crick i James Watson próbowali zrozumieć strukturę DNA w Cambridge na początku lat pięćdziesiątych, byli w pełni świadomi kluczowe zdjęcia rentgenowskie zostały uzyskane przez Rosalind Franklin w grupie kierowanej przez Maurice'a Wilkinsa w King's College w Londynie. W krytycznym momencie, w styczniu 1953 roku, Wilkins pokazał im najlepsze obrazy Franklina bez wiedzy i zgody Franklina. To nieautoryzowane "połączenie" dało Crickowi i Watsonowi jedną z ostatnich wskazówek do rozwiązania struktury DNA. (Franklin był wówczas także bliski rozwiązania; niestety zmarła w 1958 roku, cztery lata przed przyznaniem za tę pracę Nagrody Nobla - Crickowi, Watsonowi i Wilkinsowi).

Zapylenie krzyżowe

Przeniesienie wiedzy zdobytej w jednej dziedzinie na inną może być niezwykle korzystne. To może być rewolucyjne. Może się to zdarzyć na kilka sposobów - naukowcy z dwóch różnych dziedzin rozmawiają ze sobą, naukowiec czytający lub przenoszący się do innych dziedzin lub adoptujący nową technologię z innej dziedziny. W 1943 roku znany fizyk Erwin Schrödinger wygłosił w Dublinie serię publicznych wykładów na temat wykraczający poza jego własną dziedzinę wiedzy - życie. Zastanawiał się, jak podstawowa fizyka i chemia w komórce mogą wyjaśnić tajemnice życia. Na podstawie swoich wykładów napisał w 1944 roku bardzo wpływową książkę zatytułowaną Czym jest życie? Książka ta przyciągnęła uwagę wielu innych, między innymi Francisa Cricka. Crick był fizykiem, który pracował nad projektami wojennymi, a w 1947 zaczął studiować biologię, po części motywowany książką Schrödingera. Udał się do Cambridge, gdzie poznał Jamesa Watsona, a ich współpraca doprowadziła do odkrycia struktury DNA. W latach 80. Crick zajął się innym ze swoich zainteresowań: świadomością. Zdał sobie sprawę, że świadomość od dawna była uważana za temat tabu przez wielu neuronaukowców, i w 1994 roku opublikował książkę The Astonishing Hypothesis: The Scientific Search for the Soul, w której twierdził, że neuronauka rozwinęła się do takiego stopnia, że powinna być zdolna. badania, w jaki sposób mózg może wytwarzać świadome doświadczenia. Jego książka była inspirująca, a badanie świadomości stało się aktywnym polem badań. Robert May to kolejny fizyk, który przeniósł się do nauk przyrodniczych. Jest fizykiem teoretykiem, który zainteresował się dynamiką populacji zwierząt. Wniósł znaczący wkład w dziedzinę biologii populacyjnej, wykorzystując swoje umiejętności matematyczne, pomógł rozwinąć ekologię teoretyczną i zastosował te narzędzia do badań nad chorobami i bioróżnorodnością. Niektóre dziedziny matematyki rozwinięte dawno temu zostały przyjęte i wykorzystane do zupełnie nieprzewidzianych celów. Transformacja Fouriera, opracowana przez Josepha Fouriera na początku XIX wieku dla jego badań nad przepływem ciepła, jest centralnym narzędziem w krystalografii rentgenowskiej i radioastronomii; "szybka transformata Fouriera" jest główną funkcją Wi-Fi, z której wszyscy dzisiaj korzystamy. A wielowymiarowa geometria Riemanna, opracowana z czystego zainteresowania w połowie XIX wieku, została wykorzystana przez Einsteina siedemdziesiąt lat później w jego ogólnej teorii względności.

Timing

Często zdarza się, że czas jest "właściwy" na dokonanie konkretnego odkrycia naukowego lub rozwoju. Nauka dokonana w ciągu poprzednich lat lub dziesięcioleci przygotowała drogę i wszystko, co jest potrzebne, to aby naukowiec (naukowcy) wykonali decydujący krok. Czasami powoduje to, że dwóch lub więcej naukowców ma ten sam pomysł w tym samym czasie. Kilka głównych odkryć przedstawionych w rozdz. 2 zostały wykonane niezależnie przez różne osoby lub zespoły. Teoria ewolucji przez dobór naturalny została opracowana niezależnie przez Darwina i Wallace′a i Darwinowi przypisuje się to. Układ okresowy pierwiastków został opracowany niezależnie przez czterech naukowców, a Mendelejew otrzymał uznanie. Prawa dziedziczenia Mendla zostały odkryte niezależnie przez pięciu naukowców, ale w tym przypadku Mendel wyprzedził pozostałych czterech o 30 lat, więc przysługiwał mu. Ekspansję wszechświata zaproponowali zarówno Georges LemaÎtre, jak i Edwin Hubble; Hubble miał przekonujące dane i otrzymał uznanie. Strukturę DNA odkryli zarówno Franklin, jak i Crick i Watson; Crick i Watson szybciej napisali wynik, więc otrzymali uznanie. Mikrofalowe tło zostało przypadkowo odkryte przez Penziasa i Wilsona, ale Dicke i jego zespół budowali w tym momencie teleskop specjalnie po to, by je znaleźć, i zrobiliby to w ciągu kilku miesięcy. Przyspieszenie ekspansji wszechświata zostało odkryte przez zespoły Perlmuttera oraz Schmidta i Reissa zasadniczo w tym samym czasie. Istnieje wiele innych przykładów. Pod koniec XVII wieku nadszedł czas na powszechne prawo grawitacji. Galileusz dostarczył decydujących dowodów dotyczących prawa grawitacji na powierzchni Ziemi, a Kepler przedstawił swoje trzy prawa ruchu planet. Edmund Halley, Robert Hooke i Christopher Wren z Towarzystwa Królewskiego dyskutowali o możliwości wyjaśnienia praw Keplera za pomocą odwrotnego kwadratu prawa przyciągania. Można się jednak zastanawiać, czy ktokolwiek poza Newtonem mógł to wszystko połączyć w tak przytłaczające arcydzieło jak Principia. Podobnie na początku XX wieku każdy fizyk wiedział, że prędkość światła w równaniach Maxwella jest stała, a eksperyment Michelsona-Morleya nie znalazł dowodów na istnienie "eteru". Ale znowu, wymagało to geniuszu Einsteina, aby przepracować swoje "eksperymenty myślowe" i wymyślić specjalną teorię względności. Jego ogólna teoria względności również była arcydziełem, chociaż w tym przypadku nikt inny nie był bliski zrobienia tego, co on robił. Kiedy zastosował ją do wszechświata, stała się (i nadal jest) teoretyczną ramą kosmologii. Ale inni szybko doszli do wielu jego implikacji. W dzisiejszych zatłoczonych dziedzinach nauki nie dziwi fakt, że wielu naukowców martwi się możliwością "złapania" przez innego naukowca, który tylko trochę szybciej publikuje ten sam wynik.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (16)


Determinacja

To imponujące, jak wiele z tych osób naprawdę walczyło o zdobycie pozycji, w której mogliby uprawiać naukę. Byli silnie zmotywowani, wytrwali i zdeterminowani. Sam Galileusz najpierw wstąpił do klasztoru, a następnie został studentem medycyny, zanim w końcu zakochał się w matematyce i porzucił uniwersytet, aby zostać nauczycielem matematyki i filozofii naturalnej. Newton został zabrany ze szkoły w wieku 16 lat, aby zarządzać rodzinną farmą. Uciekł przed tym losem i udało mu się uzyskać posadę w Cambridge. W dużej mierze zignorował formalny program nauczania, aby poświęcić się nauce i matematyce. Na szczęście poradził sobie na tyle dobrze, że mógł zostać w Cambridge. Pracował jako samotnik, często z wielką intensywnością, a jego Principia była absolutnym tour de force. Herschel zbudował własne gigantyczne teleskopy i spędził dekady samotnych nocy badając niebo. Humphry Davy, syn farmera, nie miał formalnego wykształcenia poza prowincjonalnym gimnazjum. Nauczył się francuskiego, a w wieku 18 lat przeczytał arcydzieło Lavoisiera w oryginalnym języku. Udało mu się zostać asystentem w instytucie badawczym w Bristolu, gdzie zasłynął ze swoich eksperymentów, a w wieku 23 lat został profesorem chemii w Royal Institution w Londynie. John Dalton również zaczynał od skromnych początków, jako syn tkacza. Uczęszczał do lokalnej szkoły, a gdy miał zaledwie 15 lat, dołączył do swojego brata w prowadzeniu szkoły Quaker. Wygłaszał również publiczne wykłady i ostatecznie był w stanie utrzymać się jako prywatny nauczyciel w Manchesterze, dając mu czas na wykonywanie swojej słynnej nauki. Matka Karola Darwina zmarła, gdy miał osiem lat, a podstawowe wykształcenie otrzymał w szkole z internatem. W wieku 16 lat został wysłany do szkoły medycznej w Edynburgu, ale zmienił się na kursy z historii naturalnej. Następnie został wysłany do Cambridge na wykształcenie odpowiednie dla duchownych, ale będąc upartym, ponownie przeszedł na kursy z historii naturalnej. Niedługo po ukończeniu studiów otrzymał list, który zmienił jego życie - zaproszenie do wyprawy na Beagle. Dymitr Mendelejew był najmłodszym w 14-osobowej rodzinie na Syberii. Jego ojciec oślepł i zmarł, gdy Mendelejew miał 13 lat. Jego matka próbowała opiekować się rodziną i zabrała Mendelejewa do Sankt Petersburga, aby otrzymać wykształcenie. Początkowo nie mogąc dostać się na uniwersytet, został studentem-nauczycielem, zanim mógł studiować chemię i rozpocząć karierę naukową. Gregor Mendel urodził się w biednej rodzinie rolniczej. Wykształcenie podstawowe otrzymał w miejscowej szkole i odbył dwuletnie studia uniwersyteckie, zanim skończyły mu się pieniądze. Został zakonnikiem w klasztorze, co ostatecznie doprowadziło do ukończenia uniwersytetu i powrotu do klasztoru, gdzie prowadził swoje słynne badania. Mówią, że "naukowiec z problemem jest jak pies z kością" - jest zdeterminowany i nie podda się. Na przestrzeni lat było kilka niezwykłych przykładów tej wytrwałości. Albert Einstein przez całe życie wykazywał niezwykłą determinację. Poszedł do szkoły w Monachium, ale nienawidził szkolnego reżimu i wyjechał, aby dołączyć do swojej rodziny, która przeniosła się do Włoch. W tym czasie napisał krótki artykuł na temat stanu eteru w polu magnetycznym - zapowiedź tego, co ma nadejść. W wieku 16 lat próbował, ale nie udało mu się zapisać do prestiżowego ETH w Zurychu, i ukończył szkołę średnią w lokalnej szwajcarskiej szkole. Następnie udało mu się wejść do ETH i ukończył ich program z matematyki i fizyki. Spędził dwa frustrujące lata na poszukiwaniu pracy, aż w końcu, dzięki znajomości (Marcel Grossmann), został egzaminatorem w szwajcarskim urzędzie patentowym w Bernie. Tam napisał swoje słynne artykuły z 1905 roku, początek jego gwiezdnej kariery. Przez następne dziesięć lat męczył się i zmagał z nowym projektem, który miał zakończyć się jednym z największych naukowych triumfów w historii. Wiedział, że jego szczególna teoria względności jest niekompletna, ponieważ dotyczy tylko ruchu jednostajnego, i chciał uogólnić ją tak, aby obejmowała grawitację i przyspieszenie. W 1907 miał to, co nazwał "najszczęśliwszą myślą w moim życiu": równoważność masy grawitacyjnej i bezwładnej, zwaną "zasadą równoważności". Zdał sobie sprawę, że grawitacja zagina promienie świetlne i spowalnia zegary. W 1911 zaczęły się pojawiać pewne podstawowe cechy ogólnej teorii względności, ale dopiero w 1912 zdał sobie sprawę, że właściwa teoria wymaga geometrii nieeuklidesowej. Na szczęście był to właśnie obszar wiedzy jego starego przyjaciela Marcela Grossmanna, który zapoznał Einsteina z pracami Bernharda Riemanna, wielkiego matematyka, który w latach pięćdziesiątych XIX wieku opracował geometrię wielowymiarowej przestrzeni zakrzywionej. Fizyczna teoria ogólnej teorii względności wymagałaby czterowymiarowej czasoprzestrzeni, w której "czasoprzestrzeń mówi materii, jak się poruszać, a materia mówi czasoprzestrzeni, jak się zakrzywiać" (według słów fizyka Johna Wheelera). Einstein i Grossmann wspólnie realizowali dwie przeciwstawne strategie, jedną wychodząc od znanych wymagań fizyki klasycznej, a drugą wychodząc od czysto matematycznego formalizmu. Mieli nadzieję, że zbiegną się one w jedną poprawną teorię. Einstein i Grossmann otrzymali teorię, która spełniała wymagania fizyczne, ale nie była prawidłowa we wszystkich układach współrzędnych - to znaczy, że nie była ogólnie kowariantna. To było rozczarowanie, ale uznali, że to najlepsze, co można było zrobić, i w 1913 opublikowali to w tak zwanym artykule Entwurf (Zarys). W tym samym roku Einstein i Michele Besso użyli równań pola Entwurfa do obliczenia dobrze znanego postępu peryhelium Merkurego; uzyskana przez nich wartość była znacznie mniejsza niż obserwowana. W tym samym artykule zbadali obracające się układy odniesienia i uzyskali błędny wynik, który ich zdaniem potwierdzał słuszność zasady Macha - że bezwładność jest wynikiem połączonego efektu całej materii we wszechświecie, a nie "przestrzeni absolutnej" fizyki Newtona. Te nieprawidłowe wyniki, w połączeniu z dokuczliwą obawą Einsteina, że równania pola Entwurfa nie są ogólnie kowariantne, skłoniły go do wznowienia wysiłku jesienią 1915 r. Tym razem zaczął od matematycznego punktu widzenia i zażądał ogólnej kowariancji. W szaleńczym wysiłku układał kawałki w całość. Wśród tego wszystkiego miał przedstawić cztery artykuły w Królewskiej Pruskiej Akademii Nauk w listopadzie 2015 roku. W pierwszym z nich szczerze podsumował wszystkie błędy, które popełnił w ciągu ostatnich kilku lat, wyjaśnił swoje ponowne poszukiwania kowariancji równania pola i triumfalnie przedstawił swój nowy wynik. W drugim wykładzie wprowadził niewielką, ale znaczącą poprawę. W trzecim wykazał, że jego nowa teoria dała poprawny wynik dla postępu peryhelium Merkurego. A w czwartym i ostatnim wykładzie zrobił ostatni, decydujący krok; w ten sposób osiągnął swój cel, jakim była prawdziwie kowariantna teoria ogólnej teorii względności - ogromne osiągnięcie intelektualne i monumentalny krok w nauce. Einstein sam był zdumiony siłą formalizmu matematycznego, która prowadzi do poprawnej teorii. O swoich zmaganiach skomentował jednemu koledze "niestety uwieczniłem swoje ostatnie błędy w tej bitwie w papierach akademickich", drugiemu "co roku [Einstein] wycofuje to, co napisał rok wcześniej", a do trzeciego podpisał słowami "zadowolony, ale kaput". Einstein, zdeterminowany do końca, spędził resztę życia na donkiszotowskim wysiłku aby stworzyć zunifikowaną teorię, która łączyłaby grawitację i elektromagnetyzm. Nigdy mu się to nie udało i nawet dzisiaj zunifikowana teoria łącząca wszystkie siły natury pozostaje świętym Graalem współczesnej fizyki. Innym bardzo zdeterminowanym naukowcem był niemiecki meteorolog Alfred Wegener, który był pod wrażeniem tego, że kształty dzisiejszych kontynentów na mapie świata wydają się pasować do siebie jak gigantyczna układanka. Czy to możliwe, że kontynenty były w przeszłości razem, a z czasem rozeszły się? Inni spekulowali na ten temat już wcześniej (nawet wracając do Aberhama Orteliusa w XVI wieku), ale Wegener zaczął go bardziej brać na serio. Porównał typy skał, geologię i skamieniałości po przeciwnych stronach Oceanu Atlantyckiego i stwierdził, że wydają się one do siebie w znacznym stopniu do siebie pasować. W 1912 zaproponował, że kontynenty rzeczywiście się rozeszły, a w 1915 opublikował książkę O powstawaniu kontynentów i oceanów. Ale jego teoria była w większości wyśmiewana, głównie z powodu braku przekonującego mechanizmu. Jego przeciwnikami byli zawodowi geolodzy, którzy widzieli w nim outsidera, a jego raczej dogmatyczny styl nie pomagał. Niemniej jednak był zdeterminowany, trzymał się swojej teorii i nadal przedstawiał więcej dowodów. Niestety zginął podczas wyprawy na Grenlandię w 1930 roku w wieku 50 lat, kilkadziesiąt lat wcześniej zanim jego teoria została ostatecznie i dramatycznie potwierdzona. Na początku lat sześćdziesiątych napływały nowe, niezwykłe dowody wspierające teorię "dryfu kontynentalnego", a pod koniec tej dekady teoria ta została w przeważającym stopniu potwierdzona. Wiele nowych dowodów pochodzi z badań dna morskiego za pomocą echosond i magnetometrów, które ujawniły rozległe grzbiety śródoceaniczne sączące się z magmy, powodujące równoległe strefy odwracających się kierunków pola magnetycznego, promieniujących symetrycznie po obu stronach jak paski zebry - w efekcie gigantyczny magnetofon okresowych przeskoków w polu magnetycznym Ziemi. Tempo oddzielenia obu Ameryk od Europy i Afryki wynosi kilka cm rocznie - mniej więcej tak szybko, jak rosną paznokcie, wystarczająco szybkie, aby można je było rutynowo obserwować w czasie rzeczywistym za pomocą pomiarów GPS i wystarczająco, aby Ocean Atlantycki uformował się w zaledwie 200 miliony lat, bardzo krótko w geologicznej skali czasu. Niedawno w Australii, oddalonej o 11 000 km, znaleziono kawałek tarczy kanadyjskiej, co potwierdza istnienie superkontynentu, który zaczął się rozpadać ponad miliard lat temu. Wegener jest teraz honorowany jako ojciec założyciel tej wielkiej rewolucji naukowej. Jeszcze innym przykładem determinacji jest Leonard Hayflick, badający niektóre właściwości komórek zwierzęcych i ludzkich od 1958 roku. Od dawna "wiedziano", że wszystkie normalne komórki są nieśmiertelne. Kiedy Hayflick badał hodowle tkankowe, ku swojej frustracji odkrył, że komórki, nad którymi pracował, reprodukowały się tylko ograniczoną liczbę razy - około 50 razy w jego badaniach. Walczył, żeby zobaczyć, co robi źle, ale w końcu przyszło mu do głowy, że być może komórki rzeczywiście mają skończone czasy życia. On i jego kolega Paul Moorhead przeprowadzili następnie skrupulatne eksperymenty w 1961 roku, pokazując, że rzeczywiście tak jest, ale ich artykuł, który zaprzeczał półwiecznemu dogmatowi, został początkowo odrzucony. Potrzeba było czasu, aby ich wyniki zostały powszechnie zaakceptowane, ale odkrycie zostało ostatecznie okrzyknięte wielkim przełomem, a zjawisko stało się znane jako "limit Hayflicka". Było to monumentalne odkrycie, pokazujące, że komórka ma kluczowe znaczenie zarówno dla śmierci, jak i dla życia. Od tego czasu stwierdzono, że limit Hayflicka jest związany z długościami niekodującymi powtarzające się sekwencje zlokalizowane na końcach nici DNA zwanych telomerami; chronią one DNA, dopóki nie zostaną wyczerpane przez kolejne replikacje, kiedy komórka umiera. Z drugiej strony istnieje enzym zwany telomerazą, który może uzupełniać telomery i nieśmiertelność niektórych komórek (takich jak komórki macierzyste i komórki rakowe). Te i późniejsze badania miały poważne konsekwencje dla biologii komórki i ogólnych dyskusji na temat starzenia się. Zaskakującą konsekwencją ograniczenia Hayflicka jest to, że atomy i cząsteczki w naszych ciałach pojawiają się i znikają z czasem; są nieustannie wymieniane. Skala czasowa zależy od rodzaju tkanki - w niektórych przypadkach dni, w innych lata. Przez dziesięciolecia praktycznie wszystkie atomy w naszym ciele zostały zastąpione. Więc jeśli spojrzysz na zdjęcie zrobione sobie 20 lub 30 lat temu, patrzysz na zupełnie inne ciało - żaden z atomów i cząsteczek tej osoby nie jest teraz w tobie obecny! Przechowywana jest informacja, a nie atomy. Informacje są zakodowane w twoim DNA i mózgu; jest to ta informacja, która określa, kim jesteś i nadaje ci tożsamość na całe życie. Badacz z Perth w Australii Zachodniej był tak zdeterminowany, że ryzykował życiem, aby udowodnić swoją teorię. Od dawna wierzono, że śmiertelne wrzody żołądka i dwunastnicy są spowodowane stresem, a firmy farmaceutyczne zarabiały miliardy dolarów rocznie na lekach zobojętniających. Ale pod koniec lat 70. patolog Robin Warren z Perth Australia zauważył, że małe zakrzywione bakterie często znajdują się w pobliżu obszarów zapalnych. Barry Marshall był młodym stażystą w tym samym szpitalu i zainteresował się odkryciami Warrena. W 1982 roku oboje rozpoczęli badanie biopsji od stu pacjentów. Odkryli, że wszyscy pacjenci z wrzodami dwunastnicy mieli nadmiar bakterii, które stały się znane jako Helicobacter pylori, a następnie zdali sobie sprawę, że to właśnie te bakterie faktycznie spowodowały wrzody. Kiedy ogłosili swoje odkrycia, nastąpiła burza niedowierzania. Ich artykuł został odrzucony. Zdali sobie sprawę, że ich odkrycia zagrażają nie tylko przemysłowi wartemu 3 miliardy dolarów, ale także całej dziedzinie gastroendoskopii. Aby definitywnie udowodnić swój przypadek, musieli zarazić zwierzęta tymi bakteriami. Nie byli w stanie tego zrobić na szczurach lub myszach, ponieważ H. pylori atakuje tylko naczelne. W desperacji, wiedząc oczywiście, że nie może przeprowadzić eksperymentu na innym człowieku, Marshall wyhodował niektóre bakterie od pacjenta, zmieszał je z bulionem i sam wypił! Po 5 dniach zachorował, a 10 dni później, gdy endoskopia wykazała niezliczone ilości bakterii, zapalenia i zapalenia żołądka, zażył antybiotyki i został wyleczony. Jego eksperyment na sobie był znany na całym świecie, a on i Warren zostali nagrodzeni w 2005 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny "za odkrycie bakterii Helicobacter pylori i jej roli w zapaleniu żołądka i chorobie wrzodowej". Dramatyczny przykład bardzo zdeterminowanego naukowca.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (15)


Ciekawość

Ciekawość była głównym motorem - być może głównym motorem - prawie wszystkich naukowców opisanych w historii wcześniej. Ze słownikowych definicji jest to "chęć poznania lub nauczenia się czegoś". Dlatego często prowadzi to do eksperymentu, obserwacji lub koncepcji, których wynik lub implikacje nie są jeszcze znane: "Zastanawiam się, co by się stało, gdyby … ". Kopernik zastanawiał się, jak wyglądałby Układ Słoneczny, gdyby uważano, że Słońce znajduje się w centrum, a nie Ziemia, i wymyślił implikacje. Galileusz był ciekaw, jak szybko kulki o różnych masach staczają się po pochyłych płaszczyznach i obserwował niebo przez jego nowy teleskop. Newton chciał zrozumieć właściwości światła. Halley był zaintrygowany tym, czy gwiazdy poruszają się po niebie. Young był ciekaw, co by się stało, gdyby światło przeszło przez dwie bliskie równoległe szczeliny. Faraday zastanawiał się, czy magnes może indukować prąd elektryczny. Darwin chciał wiedzieć, jak ewoluowały gatunki. Mendel interesował się dziedzicznością grochu. Michelson i Morley byli zainteresowani tym, czy mogą wykryć eter za pomocą eksperymentów na świetle. Einstein zastanawiał się, jak by to było jeździć na wiązce światła i wymyślił swoją słynną specjalną teorię względności. Rutherford był ciekaw, co by się stało, gdyby cząstki alfa zostały wrzucone do złotej folii. Millikan chciał wiedzieć, czy może obalić efekt fotoelektryczny Einsteina. Gamow chciał wiedzieć, jakie byłyby konsekwencje, gdyby nasz wszechświat zaczął się w gorącej i gęstej fazie. Hamilton zastanawiał się, jak organizm mógłby skorzystać z pomocy swoim krewnym. Perlmutter, Schmidt, Riess i ich koledzy byli ciekawi, jak ewoluowała ekspansja wszechświata. Czysta ciekawość zawsze była głównym motorem nauki. Niedawnym imponującym przykładem jest Nicky Clayton, która zaczęła obserwować zachowanie zachodnich sójek podczas przerwy na lunch na trawnikach Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis. W przeciwieństwie do większości z nas, którzy po prostu od niechcenia zauważyli sójki i ruszyli dalej, stała się naprawdę bardzo zaciekawiona ich zachowaniem - tak ciekawa, że stało się to głównym programem badawczym, kiedy pojechała do Cambridge. Jeśli sójka ma więcej pożywienia, niż potrzebuje w tej chwili, będzie buforować (przechowywać i ukrywać) nadmiar, czasami raz za razem. Wymaga to doskonałej pamięci. Ponowne buforowanie ma miejsce tylko wtedy, gdy inne sójki obserwują lub słuchają, i robią to tylko doświadczeni złodzieje ("trzeba złodzieja, aby go poznać"). Ponowne buforowanie jest bardziej prawdopodobne, jeśli druga sójka jest dominującym członkiem grupy i mało prawdopodobne, jeśli ta druga sójka jest jej własnym partnerem, z którym normalnie dzieliłaby się jedzeniem. Badania te mają duże znaczenie w dziedzinie poznania zwierząt. Dodają dowody na to, że niektóre zwierzęta wykorzystują swoją wiedzę o przeszłości do planowania przyszłości i sugerują, że te sójki mogą, podobnie jak ludzie, mieć "teorię umysłu" - zdolność przypisywania świadomości lub "umysłu" innym . Przypadkowa ciekawość trawnika w Davis doprowadziła do wielkiego przełomu w zachowaniu zwierząt. Ryszard Maleszka był ciekaw, w jaki sposób larwy pszczoły miodnej mogą stać się pszczołami robotnicami (dziesiątki tysięcy w ulu, które umierają w ciągu kilku tygodni) lub królowymi (po jednej w ulu, która żyje kilka lat) - dokładnie tym samym genomem, dając bardzo różne wyniki . Jedyną znaną różnicą było to, że pszczoły robotnice karmią larwy obfitymi ilościami substancji zwanej "mlekiem pszczelim" i to właśnie te larwy mogą stać się królowymi składającymi jaja. Kiedy w 2006 roku zsekwencjonowano genom pszczoły miodnej, Maleszka zobaczył dowody na metylację (mechanizm kontroli epigenetycznej) i zastanawiał się, czy to właśnie stanowi różnicę między larwami, które stają się robotnicami, a królowymi. On i jego koledzy odkryli, że mogą naśladować działanie mleczka pszczelego poprzez wyciszenie metylacji genomu. Mogły kontrolować, które larwy rozwijają się w królowe, a które w robotnice zasadniczo "za naciśnięciem przycisku"; w swoim eksperymencie udało im się sprawić, że 72% larw zamieniło się w królowe, podczas gdy zwykle w ulu liczącym dziesiątki tysięcy pszczół jest tylko jedna królowa. To dowiodło, że za różnicę między robotnicami a królowymi odpowiada proces epigenetyczny, a wszystkie szczegółowe instrukcje, jak zachowywać się jak robotnica lub królowa, są zakodowane w tym samym genomie. Wykazał również niezwykłą kontrolę nad całym gatunkiem.

Wyobraźnia

Wyobraźnia jest w historii nauki niemal tak samo widoczna, jak ciekawość, a obie te cechy zwykle pojawiają się razem w życiu poszczególnych naukowców. Ponownie ze słownika wyobraźnia to "zdolność do tworzenia nowych pomysłów". Newton wyobraził sobie siły rządzące otaczającym nas światem i wpadł na pomysł, że to samo prawo grawitacji może rządzić wydarzeniami zarówno w kosmosie, jak i na Ziemi. Linneusz wykonał ważny krok koncepcyjny w tworzeniu systemu klasyfikacji roślin i zwierząt, który jest nadal używany. Dalton, badając gazy na początku XIX wieku, opracował teorię atomową bardzo podobną do współczesnego poglądu. Darwin ocenił ogromne ilości informacji o świecie życia i miał wgląd w to, że gatunki ewoluują w wyniku doboru naturalnego. To wciąż zdumiewające, że ta jedna teoria, tak prosta w koncepcji, wyjaśnia ogromną różnorodność życia na planecie. Maxwell miał wyobraźnię i matematykę, aby zjednoczyć elektryczność i magnetyzm w swojej teorii elektromagnetyzmu. Mendelejew i inni mieli wyobraźnię, aby zobaczyć, jak właściwości pierwiastków są powiązane z ich masami atomowymi, a Mendelejew miał wgląd, aby zostawić luki w tej tabeli, które zostaną wypełnione przez jeszcze nieodkryte pierwiastki. Planck zastanawiał się nad promieniowaniem ciała doskonale czarnego i doznał błysku inspiracji, że wytwarzające je oscylatory mogą być skwantowane. Einstein miał "szczęśliwą myśl", że przyspieszenie i grawitacja są równoważne i stworzył swoją ogólną teorię względności. Bohr wyobraził sobie, jak można rozwiązać problemy z modelem atomu, zakładając skoki kwantowe między poziomami energii. W swojej pracy doktorskiej Louis de Broglie wysunął śmiałą sugestię, że cząstki materialne można opisać za pomocą fal, wprowadzając koncepcję dualizmu falowo-cząsteczkowego. Po niekończących się dyskusjach z Bohrem Heisenberg wymyślił zaskakującą "zasadę niepewności", pokazującą, że w subatomowym świecie panuje prawdopodobieństwo. Na podstawie zaobserwowanych ruchów i odległości galaktyk Lemaître i Hubble zdali sobie sprawę, że wszechświat się rozszerza, a Lemaître wyciągnął wniosek, że musiał być "początek". Waddington zastanawiał się, w jaki sposób geny mogą powodować zróżnicowany rozwój w różnych typach komórek ciała i wprowadził koncepcję "krajobrazu epigenetycznego". Hoyle i współpracownicy wymyślili pomysłową "teorię stanu ustalonego" wszechświata jako alternatywę dla teorii Wielkiego Wybuchu. Gell-Mann wynalazł "kwarki", aby uprościć fizykę cząstek w czasie, gdy odkryto ogromną liczbę cząstek. Guth pomyślał o "inflacji" jako o sposobie rozwiązania problemu , głównego problemu ówczesnej kosmologii. A Mayor i Queloz opracowali genialną metodę odkrycia pierwszej pozasłonecznej planety. Na szczególną uwagę zasługuje jeden wybitny przykład natchnionej wyobraźni. Karl von Frisch, Austriak pracujący w Monachium w 1917 roku, odkrył osobliwy wzorzec behawioralny u pszczół miodnych. Kiedy pszczoła wraca do ula, czasami wykonuje to, co nazywał "wanzltanz" (taniec tańczenia). Idzie w linii prostej, machając brzuchem w przód i w tył, potem zawraca i powtarza ten występ raz za razem. Podejrzewał, że może to być jakaś forma komunikacji symbolicznej i miał rację. Kierunek prostego marszu kołyszącego jest skorelowany z kierunkiem do nowego źródła pożywienia w stosunku do kierunku Słońca. Długość marszu z kołysaniem związana jest z odległością od jedzenia. A wigor tańca machającego jest związany z pożądaniem zaopatrzenia w żywność. To było zdumiewające. Von Frisch kontynuował te badania przez dziesięciolecia. Jego wnikliwe badania początkowo spotkały się z burzą niewiary i krytyki, gdy zostały ogłoszone, ale taniec pszczół miodnych jest obecnie powszechnie uważany za najbardziej wyrafinowany znany przykład komunikacji z innymi naczelnymi. Von Frisch podzielił nagrodę Nobla z 1973 roku w dziedzinie fizjologii lub medycyny za tę niezwykłą pracę.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (14)


Drogi do wiedzy

Szeroki przegląd historyczny przedstawiony poniżej ,wielu naukowców i ich osiągnięć daje możliwość przyjęcia ortogonalnego podejścia i przyjrzenia się różnorodności sposobów, w jakie poszczególni naukowcy faktycznie wykonywali swoją pracę i osiągali wspaniałe wyniki. Byli sami czy w grupach? Czy była to czysta inspiracja i kreatywność, czy wytrwałe dążenie do zbierania danych i stawiania hipotez? Czy wiedzieli, czego szukać, czy natknęli się na odkrycia? Czy byli we właściwym miejscu we właściwym czasie? Drogi do wiedzy nie zawsze są tak czyste i uporządkowane, jak sugerowałaby to klasyczna, podręcznikowa metoda naukowa. Jaka jest więc nauka? Tu zostanie wykazane, korzystając z indywidualnych historii i anegdot, że nauka może być tak złożona, jak każda ludzka działalność, oraz że w proces naukowy można włączyć dowolną z różnorodnych cech, czynników i metod. Niektóre z nich, w przypadkowej kolejności (a czasem nakładające się, czasem sprzeczne), to automotywacja, inteligencja, pasja, pragmatyzm, wolność, powiązania, błędy, eksperymentowanie, ciekawość, praca zespołowa, edukacja, odkrywanie, obserwacja, dedukcja, wytrwałość, kontakty towarzyskie, osąd, myślenie lateralne, zapylanie krzyżowe, kreatywność, samotność, wyobraźnia, pomysłowość, zbieranie, synteza, wytrwałość, intuicja, okazja, wgląd, fałszowanie, technologia, instynkt, sceptycyzm, nieporozumienia, otwarty umysł, uczciwość, wyczucie czasu, zbieg okoliczności, determinacja, weryfikacja, eksploracja, interpretacja, komunikacja, inspiracja, indukcja, doświadczenie, teoria, spekulacje, hipotezy, refleksje - a jest wiele innych. Ciekawość, inteligencja, wolność, wykształcenie, motywacja i determinacja są oczywiście niezbędne. Szczęście i zbieg okoliczności mogą czasami odgrywać pewną rolę - natknąć się na odkrycie lub znaleźć kluczową wskazówkę, która prowadzi do poważnego rozwoju. Błędy mogą się zdarzyć, a czasem mogą okazać się korzystne. Wiele wspaniałych wyników naukowych pochodzi z zawziętych i czasochłonnych eksperymentów, obserwacji i pobierania próbek. Bardzo ważne mogą być powiązania - inne, które kierują naukowca na właściwe tory lub we właściwej roli. Czasami nawet ignorancja może być czynnikiem; naukowiec beztrosko kontynuuje śledztwo, nie wiedząc, że inni powiedzą, że nie da się tego zrobić, i natrafia na ważny wynik, który zaskakuje wszystkich. Samotność jest czasem niezbędna do spokojnej refleksji i inspiracji; w innych przypadkach praca zespołowa jest pomocna, a nawet niezbędna. Myślenie lateralne (lub "myślenie nieszablonowe") często prowadzi do nowych wyników. Zapylenie krzyżowe między różnymi dyscyplinami może przynieść świeże pomysły i technologie, dzięki czemu pomaga poznać ludzi z różnych dziedzin; rezultaty mogą czasami być rewolucyjne. Wyobraźnia może prowadzić do zupełnie nowych ścieżek nauki. Argumenty i nieporozumienia są naturalnymi i ważnymi składnikami procesu naukowego: dyskutowane są różne poglądy, czego rezultatem jest zwiększenie ścisłości w naszej wiedzy na badany temat. Zdecydowanie największymi krytykami każdego naukowca są inni naukowcy. Większość nauki, którą zajmujemy się dzisiaj, zależy od technologii - narzędzi, których używamy do dokonywania naszych odkryć i obserwacji. A teoria jest niezbędnym partnerem w eksperymentach i obserwacjach, wyjaśnianiu wyników, budowaniu naukowego światopoglądu i przewidywaniu nowych zjawisk. Formalna edukacja jest niezbędna w dzisiejszej nauce, chociaż warto zauważyć, ilu naukowców z przeszłości było w dużej mierze samokształceniem. Wojna i pokój to z pewnością ważne czynniki. Podczas gdy talent naukowy i zasoby są przekierowywane w czasie wojny, "wojna jest matką wynalazków" i doprowadziła do rozwoju technologicznego, który później miał duży wpływ na naukę: radar doprowadził do radioastronomii, łamanie kodów doprowadziło do komputerów, rozwój bomby atomowej do głównych powojennych obiektów do badania świata subatomowego, a Sputnik doprowadził podczas zimnej wojny do wielu satelitów i technologii, które otworzyły całe spektrum elektromagnetyczne do obserwacji wszechświata. Stało się jasne, że zaawansowana technologia będzie niezbędna w przyszłych wojnach, a powojenne finansowanie nauki i technologii gwałtownie wzrosło. Ale pokój jest oczywiście niezbędny dla długoterminowego rozwoju nauki. We współczesnej nauce komunikacja i kontakt są o wiele ważniejsze niż sto czy dwieście lat temu. Terminy są krótsze, a komunikacja szybsza. Finansowanie musi być zabezpieczone, więc trzeba umieć dobrze przygotowywać wnioski o dotacje i czas na korzystanie z dużych obiektów. Udział w konferencjach i kontakt z innymi jest ważny, zarówno aby być na bieżąco z najnowszymi osiągnięciami, jak i poznawać innych naukowców z całego świata. Częściowo to dzięki takim osobistym kontaktom, jak i publikacjom, buduje się swoją reputację w danej dziedzinie. Pewne wyobrażenie o roli, jaką przez lata odgrywały różne cechy i czynniki, można uzyskać z przeglądu karier i osiągnięć setki najważniejszych naukowców, których nazwiska pojawiły się ponizej. W żadnym wypadku nie jest to wszechstronna ani nawet dobrze zdefiniowana próba statystyczna (sam fakt, że są to jedni z najbardziej odnoszących sukcesy naukowców w historii, wskazuje na silny efekt selekcji), ale mając na uwadze te zastrzeżenia, może to dać przybliżone pojęcie jak rozwijała się nauka. Wszyscy ci naukowcy byli inteligentni, silnie zmotywowani i zdeterminowani. Wszyscy kierowali się czystą ciekawością (pieniądze nie były celem, nie wykonywali rozkazów i nie mieli na myśli wniosków). Wszyscy byli dość dobrze wykształceni jak na ówczesne standardy; większość z nich miała formalne wykształcenie, a niektórzy byli samoukami. Naprawdę uderzające jest to, że prawie 90% naukowców urodzonych przed 1900 r. pracowało i publikowało samodzielnie. Podczas gdy większość z nich miała jakieś "powiązania" - pomocne kontakty i współpracowników na całym świecie, którzy wymieniali z nimi poglądy i informacje - ci naukowcy mieli własne pomysły, wyciągali własne wnioski i publikowali na własną rękę. A niektóre z nich rzeczywiście były samotne. Pozostali pracowali w partnerstwach lub małych grupach. Tendencja do współpracy rosła powoli z czasem, szczególnie w ciągu ostatniego stulecia, i znacznie mniej niż połowa naukowców urodzonych po 1900 roku publikowała samodzielnie. Dziś oczywiście są bardzo duże zespoły, nawet w tysiącach. Połowa z tych stu naukowców była zaangażowana w jakieś prace eksperymentalne (chociaż tylko około połowa z tych przypadków zostałaby uznana za "standardowe eksperymenty podręcznikowe"). Ponad jedna trzecia wykonała prace obserwacyjne. Technologia na pewnym poziomie była oczywiście zaangażowana w większość tych eksperymentów i obserwacji, a nowe odkrycia były wynikiem około dwóch trzecich z nich. Ponad połowa naukowców wykonała prace teoretyczne. (Należy zauważyć, że eksperyment, obserwacja, odkrycie i teoria nie wykluczają się wzajemnie). Tylko niewielka część naukowców była "zbieraczami znaczków" - wykonującymi wyczerpującą i drobiazgową, ale niezbędną pracę terenową, polegającą na katalogowaniu wszystkich form życia i skamieniałości z całego świata oraz wszystkich gwiazd i galaktyk na niebie. I szczęście było w pracach mniej niż jednej piątej naukowców, chociaż wiele książek zostało napisanych na temat zbiegów okoliczności w nauce, ponieważ historie są tak niezwykłe i fascynujące. Ostatecznie w tym przeglądzie pojawiły się tylko dwa błędy - słynne Einsteina i Paulinga - ale jest to niewątpliwie efekt selekcji, ponieważ tych stu naukowców należy do najbardziej udanych wszechczasów. Nawiasem mówiąc, po szybkim spojrzeniu widać, że większość filozofów przyrody i naukowców żyła stosunkowo długo. W okresie greckim, islamskim, średniowiecznym i "nowoczesnym" (od 1600 do chwili obecnej) mediana długości życia wynosiła odpowiednio 73, 75, 62 i 75 lat. Natomiast średnia długość życia od epoki paleolitu do jednego lub dwóch wieków temu wynosiła zaledwie 25-35 lat; średnia światowa w 1900 r. wynosiła 31. W klasycznym Rzymie i Wielkiej Brytanii w 1850 r. oczekiwana długość życia od urodzenia wynosiła odpowiednio 20-30 lat i 40 lat, a nawet dla tych, którzy przeżyli niemowlęctwo do dziesiątego roku życia, całkowita długość życia wynosiła odpowiednio wciąż tylko odpowiednio 48 i 58 lat. Co może wyjaśnić długie życie filozofów przyrody i naukowców? Dorobek naukowy zwykle osiąga szczyt pod koniec lat 30., jeśli nie wcześniej, więc nie ma to nic wspólnego z długim czasem życia. Być może wynikało to z ich stosunkowo spokojnego, odosobnionego i refleksyjnego życia w dość dobrych warunkach społeczno-ekonomicznych, z dala od niebezpieczeństw i trudów normalnego życia. Bez względu na przyczynę, wszyscy odnieśliśmy wiele korzyści z ich długiego życia w nauce. Niektóre cechy i czynniki w nauce omówiono w poniższych sekcjach, wraz z przykładami i anegdotami ilustrującymi ich udział w rozwoju jednej lub więcej dziedzin nauki.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (13)


Nasze ewoluujące perspektywy

Patrząc wstecz, możemy wyraźnie zobaczyć szerokie kontury historii, która doprowadziła do współczesnej nauki. Nasi przodkowie żyli jako zwykli łowcy-zbieracze przez 99,9% czasu, odkąd oddalili się od szympansów około 7 milionów lat temu. Zmiany były lodowato powolne. Minęły miliony lat, zanim wynaleźli kamienne narzędzia, a kolejny milion lat minął, zanim zaczęli używać ognia. Dziesiątki tysięcy lat temu zaczęli opracowywać szereg innowacji, począwszy od ulepszonej broni, biżuterii, malowideł jaskiniowych i symboli po obrzędy pogrzebowe. Po milionach lat ewolucji w końcu upodobnili się do współczesnych ludzi. Dziesięć tysięcy lat temu rozwinęli rolnictwo, a ich świat się zmienił. Byli w stanie żyć w osadach, populacje rosły, a pierwsze główne cywilizacje powstały około pięciu tysięcy lat temu. Nastąpił rozwój oparty na elementarnej nauce - astronomii, inżynierii i innych dziedzinach - ale żadna z tych cywilizacji nie stworzyła filozofii naturalnej, racjonalnego badania świata przyrody i podstaw współczesnej nauki. Czemu? Głównym powodem było niewątpliwie istnienie dobrze ugruntowanych religii, które twierdziły, że wyjaśniają świat w kategoriach bogów i mitów, najwyraźniej nie pozostawiając nic więcej do zrobienia. A ich imponujące kapłaństwo, głęboko zakorzenione w hierarchii państwowej, powstrzymałoby każdą próbę wolnego myślenia. Ale w szóstym wieku p.n.e. miał miejsce pierwszy z dwóch fundamentalnych kroków w rozwoju nauki - "cud grecki". Świat miał być wyjaśniony racjonalnym myśleniem w kategoriach przyczyn, które były częścią samej natury, a nie religiami, bogami i mitami. To był rewolucyjny rozwój. Dlaczego Grecja? Składał się ze zdecentralizowanych państw-miast, a obywatele byli stosunkowo wolni. W Grecji z pewnością istniała religia, ale była ona podzielona, bez ogólnej kasty kapłańskiej, która narzucałaby dogmaty. Debata była zwyczajem, a nowatorskie pomysły mogły się rozwijać. Filozofem, który miał decydującą intuicję, był Tales z Miletu, wykształcony, mądry w świecie i erudyta. Uważany jest za ojca filozofii przyrody. Ta filozoficzna tradycja w Grecji trwała tysiąc lat, osiągając szczyt około 300-500 r. p.n.e., czasy Sokratesa, Platona i Arystotelesa. To Arystoteles wniósł największy wkład w filozofię przyrody, a jego prace zdominowały krajobraz naukowy na prawie dwa tysiące lat. Ale ta grecka tradycja filozoficzna stopniowo zanikała, bez wyraźnego powodu. Być może uważano, że powiedziano wszystko, co można było powiedzieć - że mądrość wielkich postaci epoki klasycznej nigdy nie zostanie przekroczona. Późniejsze lata nałożyły się na Cesarstwo Rzymskie, które nie miało czasu na tak frywolne rozważania, a nowy kult chrześcijaństwa był antagonistyczny wobec "pogańskich" studiów. Do roku 500 n.e. Wielka Biblioteka Aleksandryjska została zniszczona, a Rzym upadł. Ale w siódmym wieku nastąpił ważny nowy rozwój: powstanie islamu. Zainteresowanie klasykami greckimi było duże i podjęto poważne wysiłki w zakresie tłumaczenia na język arabski. Podążając za tradycją grecką, nauka islamska, zwłaszcza w astronomii, matematyce i medycynie, rozkwitła w Islamskim Złotym Okresie, który osiągnął szczyt około 1000 r. n.e., ale potem osłabł, gdy postawa utwardziła się wobec "zagranicznych" i nieislamskich studiów. Tymczasem w Europie Zachodniej na łacinę tłumaczono klasyki greckie, niektóre z oryginalnej greki, a wiele innych z dostępnych kopii arabskich. Klasztory odegrały w tej działalności znaczącą rolę. W latach 1100-1200 powstało kilka uniwersytetów w Europie Zachodniej, a programy nauczania koncentrowały się na klasyce greckiej. W ciągu następnych kilku stuleci wielu średniowiecznych i renesansowych myślicieli europejskich na tych uniwersytetach wykroczyło poza poziom oryginalnych greckich filozofów przyrody, ale do 1600 roku dominującym światopoglądem nadal pozostał pogląd Arystotelesa i Ptolemeusza. W szesnastym i siedemnastym wieku miał miejsce drugi fundamentalny krok w rozwoju nauki - rewolucja naukowa. Kopernik zmienił centrum kosmosu z Ziemi na Słońce, Kepler i Galileusz dostarczyli przekonujących dowodów na poparcie tej heliocentrycznej koncepcji, a Newton udowodnił jedność Ziemi i kosmosu oraz ustanowił prawa fizyczne, które rządzą wszystkim. Wydarzenia można było przewidzieć i to z zadziwiającą dokładnością. To był monumentalny krok. Arystoteles i Ptolemeusz zostali zepchnięci na półki historii. Świat działa zgodnie z podstawowymi prawami fizycznymi, które wielokrotnie sprawdzano. Była to oszałamiająca i kompletna rewizja naszego spojrzenia na świat. Narodziła się nowoczesna nauka. W XVIII i XIX wieku ten światopogląd stał się jeszcze bardziej ugruntowany. Termin "filozofia przyrody" został stopniowo zastąpiony słowem "nauka" w odniesieniu do studiów nad światem przyrody i świata fizycznego. Eksperymenty Faradaya i równania Maxwella wyjaśniły i zunifikowały elektryczność i magnetyzm, Darwin przedstawił swoją przekonującą teorię ewolucji przez dobór naturalny, a fizyka wydawała się być prawie ukończona - nie wydawało się, aby było wiele więcej do zrobienia. Ale potem, na początku XX wieku, miało miejsce więcej rewolucji. Teoria względności Einsteina zastąpiła koncepcję absolutnej przestrzeni i czasu Newtona, a mechanika kwantowa pojawiła się, aby stworzyć podstawę naszej wiedzy o świecie atomowym i subatomowym. Genetyczne podstawy życia stały się znane. Stwierdzono, że nasz wszechświat jest znacznie większy niż oczekiwano i odkryto jego ekspansję. Nauczyliśmy się latać, wynaleźliśmy radio, telewizję, energię atomową i Internet, polecieliśmy na Księżyc. Wzrost naszej wiedzy naukowej i możliwości technologicznych w ciągu zaledwie kilku tysięcznych jednego procenta naszej egzystencji był spektakularny. Fakt, że filozofia przyrody powstała tylko raz - w Grecji - podkreśla jej wyjątkowość i znaczenie: była cennym skarbem dla całej ludzkości. Przeszła delikatną linią przez historię, od Greków, przez okresy islamu i średniowiecza, po rewolucję naukową, aż po dzień dzisiejszy. A teraz jest dostępny dla całego świata. Warto zauważyć, że nie było ogólnego planu rozwoju nauki. Jednostki po prostu dodały na swój własny sposób wiedzę o swoich czasach, a wynikiem netto na przestrzeni wieków jest ogromny zasób wiedzy naukowej, którą mamy dzisiaj. Tak więc w całej historii nauki miały miejsce tylko dwie główne rewolucje: pojawienie się greckiej filozofii naturalnej w VI wieku p.n.e. wprowadzającej pojęcie przyczyn naturalnych oraz rewolucja naukowa w XVII wieku wprowadzająca przewidywania ilościowe i sprawdzalne prawa natury. Co by się stało, gdyby te dwa fundamentalne kroki w Rise of Science nie miały miejsca? Wystarczy spojrzeć na rozwój reszty świata przez większą część tego okresu. W kilku częściach świata wciąż istnieją społeczności łowców-zbieraczy. W wielu innych obszarach ludzie do niedawna prowadzili skromną egzystencję w cieniu gigantycznych struktur dawno minionych cywilizacji. Chiny mają długą historię innowacji, ale do niedawna większość ludności żyła jako biedni chłopi i zillagers. Japonia wyłoniła się ze swojego feudalnego społeczeństwa dopiero pod koniec XIX wieku. Czy rewolucja przemysłowa w Wielkiej Brytanii nadal miałaby miejsce? Uważa się, że istniały różne czynniki sprawcze; z pewnością najważniejszą była stymulacja zapewniona przez głęboko nowy światopogląd rewolucji naukowej. Świat mógł być wyjaśniany, przewidywany i manipulowany dla dobra ludzkości. To było inspiracją dla Wieku Oświecenia, który był racjonalny, optymistyczny i zorientowany na postęp i byłby ogromnym bodźcem dla energii i przedsiębiorczości rewolucji przemysłowej. Podczas gdy innowacje we wczesnych stadiach rewolucji przemysłowej nie obejmowały bezpośrednio zaawansowanej wiedzy naukowej (pierwszy silnik parowy został faktycznie wyprodukowany przez starożytnych Greków), wynalazki po 1800 r. (takie jak telegraf) wymagały czegoś więcej niż elementarnej wiedzy naukowej i zaawansowana nauka szybko zaczęła odgrywać główną rolę w późniejszym rozwoju. Niezwykła rewolucja w zdrowiu publicznym w dużej części Europy w połowie XIX wieku również początkowo nie zależała bezpośrednio od zaawansowanej nauki. Dawno minęły czasy, kiedy chorobę lub epidemię przypisywano jedynie przesądom lub religii, a w celu zrozumienia przyczyn i znalezienia rozwiązań przyjęto racjonalne i zdroworozsądkowe podejście. Inicjatywy zdrowia publicznego z połowy XIX wieku były w dużej mierze odpowiedzialne za znaczny wzrost zdrowia i długowieczności w tym okresie. Jednak pod koniec XIX wieku w medycynie miała miejsce prawdziwie naukowa rewolucja, ponieważ rzeczywiste przyczyny chorób zostały zidentyfikowane w laboratorium i "cudowne lekarstwa" stały się możliwe. Ogólnie rzecz biorąc, zastosowanie zaawansowanej wiedzy naukowej w technologii i medycynie przyspieszyło gwałtownie w XIX wieku, tworząc wir innowacji, który przyspieszył pod koniec tego stulecia i w następnym. Rezultatem był bezprecedensowy, wykładniczy wzrost zarówno w nauce, jak i technologii w ciągu ostatnich dwóch lub trzech wcieleń - niewielki ułamek historii człowieka. Dziś korzyści płynące z rewolucji naukowych są oczywiste. Bez nich świat wyglądałby tak, jak setki, a nawet tysiące lat temu. I nie tylko technologia i standard życia są dziś o wiele lepsze. Nasza wiedza o świecie jest znacznie większa niż jeszcze kilkaset lat temu. Dziś wiemy o podstawie i jedności wszelkiego życia oraz o tym, jak ewoluowało, wiemy o atomie i jego składnikach, uwolniliśmy potencjał energii jądrowej i rozumiemy wszechświat, jego ewolucję i zawartość. Nasza dzisiejsza wiedza jest ogromna i tak naprawdę dopiero zaczęliśmy z niej korzystać. Przyszłość nauki i technologii jest naprawdę świetlana.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (12)


Samo życie

Jaka jest podstawa życia? Podobnie jak w przypadku pytań postawionych w poprzednich częściach, badanie życia również sięga czasów starożytnych Greków. Arystoteles był uważany za "ojca zoologii", ponieważ badał i klasyfikował setki gatunków, a Teofrast (ok. 371-287 r. p.n.e.) był "ojcem botaniki". Gromadzenie i klasyfikacja gatunków była głównym zajęciem wśród przyrodników na przestrzeni lat, szczególnie tych, którzy żyli podczas i po rewolucji naukowej. To ciekawy zbieg okoliczności, że osoba, która zasadniczo stworzyła podwaliny badań nad światem życia, żyła i pracowała w czasach Newtona. Czasy oczywiście dojrzały do innowacji i nowych dziedzin nauki. John Ray (1627-1705) stał się najwybitniejszym przyrodnikiem XVII wieku. Był synem wiejskiego kowala i udało mu się dotrzeć do Trinity College w Cambridge. Jego talenty były jasne iw 1649 roku został Fellow of Trinity. Członkowie mieli swobodę studiowania tego, co chcieli, a dla Raya była to botanika. Ponieważ w tym czasie nie było żadnego schematu klasyfikacji roślin, postanowił go stworzyć. Na szczęście dla nauki w końcu połączył siły z kolegą, Francisem Willughbym (1635-1672), który podzielał wiele jego zainteresowań. Odbyli kilka wycieczek terenowych, nie tylko w Anglii, ale także w większości kontynentalnej Europy, Ray koncentrował się na roślinach, a Willughby na zwierzętach. Mówi się, że podróż europejska była dla nich tym, czym podróż Beagle była dla Darwina. Wrócili z żywą znajomość świata żywego oraz ogromną ilości okazów i notatek. Willughby zmarł w 1672 roku, ale Ray wytrwał w planowanych publikacjach. Ornitologia i historia ryb zostały opublikowane pod nazwiskiem Willughby′ego w 1677 i 1686 roku, a trzy ogromne tomy Ray′s History of Plants zostały opublikowane w 1686, 1688 i 1704 roku. Jego History of Insects została opublikowana pośmiertnie w 1710 roku dla bardziej znanego Carla Linneusza. Ray był jednym z pierwszych, którzy rozpoznali skamieniałości jako szczątki niegdyś żyjących roślin i zwierząt, i zastanawiał się nad pomysłem, że całe gatunki mogły zniknąć z planety. Zastanawiał się również nad implikacjami obecności skamieniałości ryb znalezionych w wysokich górach oraz długiej skali czasowej wymaganej, by góry wzniosły się tak wysoko. Tymczasem mikroskop, opracowany na początku XVII wieku, dostarczył szeregu niesamowitych odkryć w biologii, od budowy oka muchy po komórki żywej materii i pierwsze przebłyski drobnoustrojów. Obietnica tej nowej technologii została podkreślona wspaniałymi ilustracjami w książce Roberta Hooke′a Micrographia, opublikowanej w 1665 roku. Z biegiem czasu mikroskopy stały się potężniejsze i bardziej niezawodne i ostatecznie odegrały istotną rolę w wyjaśnianiu samych procesów życiowych, jak zobaczymy później. Carl Linnaeus (1707-1778) słynie z tego, że dał nam schemat klasyfikacji roślin i zwierząt. Urodził się w południowej Szwecji, studiował medycynę na uniwersytetach w Lund i Uppsali. Od dzieciństwa interesował się roślinami kwitnącymi, które studiował równolegle z lekcjami. Odbył kilka wypraw botanicznych, zanim uzyskał stopień naukowy w 1735 r. i ostatecznie został mianowany na katedrę botaniki w Uppsali w 1742 r. Był niezłomnym klasyfikatorem. Jeszcze jako student opublikował swoje idee taksonomii w Systema Naturae w 1735 roku. Praca ta została poprawiona, zaktualizowana i opublikowana w dziesięciu wydaniach, ostatnie w 1758 roku. W jego systemie hierarchia życia (odgórna) to królestwo, typ, klasa, rząd, rodzina, rodzaj i gatunek. Linneusz wprowadził dwumianową nomenklaturę, nadając każdemu żywemu organizmowi dwuwyrazową nazwę (rodzaj i gatunek). Na podstawie wyników własnych i innych wycieczek Linneusz sklasyfikował tysiące roślin i zwierząt. Jego system jest używany do dziś. Co znamienne, Linneusz był na tyle odważny, aby włączyć ludzkość (Homo sapiens) do swojego systemu, pod zwierzchnictwem Animalii. Stwierdził, że nie widzi żadnego naukowego powodu, aby oddzielić ludzkość od jego systemu klasyfikacji, który obejmował małpy. Tematem związanym z ewolucją życia był wiek Ziemi. W 1620 r. irlandzki arcybiskup James Ussher (1581-1656) obliczył na podstawie Biblii, że rok stworzenia to 4004 p.n.e. W XVIII wieku było to już kwestionowane z różnych kierunków. Wiedza pochodząca z Chin wskazywała, że pierwsi cesarze datowali się na około 3000 lat p.n.e., a chińska historia musiała się znacznie wcześniej cofnąć. Ray zwrócił uwagę na prawdopodobny konflikt między wiekiem gór a biblijną skalą czasową. Linneusz miał również wątpliwości, co do istnienia skamieniałości z dala od dzisiejszych mórz. Sam Newton powiedział, że kula rozgrzanego do czerwoności żelaza wielkości Ziemi musiałaby ostygnąć ponad 50 000 lat. Co najmniej jedna osoba próbowała przeprowadzić eksperyment z użyciem gorących kul żelaza: Georges Louis Leclerc (hrabia de Buffon, 1707-1788), znany powszechnie z monumentalnej 44-tomowej Histoire Naturelle, oszacował, że Ziemia musi mieć co najmniej 75 000 lat . Inny Francuz, Jean Fourier (1768-1830), znany z matematycznej transformacji Fouriera, użył równań przepływu ciepła do oszacowania wieku 100 milionów lat. A dowody kopalne zdawały się wskazywać na bardzo długi okres czasu. Georges Cuvier (1769-1832) stał się prawdopodobnie najbardziej wpływowym biologiem na świecie na początku XIX wieku. Przez większość swojego życia był pracownikiem Muzeum Historii Naturalnej w Paryżu. Zajmował się anatomią porównawczą i wydał na ten temat pięciotomową pracę. Podkreślił różnice między anatomią zwierząt mięsnych i roślinożernych, a następnie na tej podstawie był w stanie odróżnić skamieniałości. Uważał, że raz stworzone gatunki pozostają w tej samej formie, dopóki nie wyginą. Położył podwaliny pod naukę paleontologii. Stało się możliwe umieszczenie warstw, w których znaleziono skamieniałości, w porządku chronologicznym. Wierzył, że Ziemia doświadczyła serii katastrof, które doprowadziły do wyginięcia, i podobnie jak inni, sądził, że historia życia cofnęła się bardzo daleko w czasie. Protegowany Cuvier, Jean Baptiste Lamarck (1744-1829), również pracował w Muzeum Historii Naturalnej i zasłynął swoim pomysłem, że cechy mogą być nabywane przez jednostki w ciągu ich życia, a następnie przekazywane kolejnym pokoleniom. Klasycznym przykładem jest żyrafa, która (według Lamarcka), rozciągając się do najwyższych liści na drzewie, w rzeczywistości wydłuża szyję przez całe życie; w rezultacie jego potomstwo rodzi się z dłuższą szyją ("dziedzictwo Lamarcka"). W przeciwieństwie do Cuvier, Lamarck uważał, że gatunki nigdy nie wymierają - po prostu zmieniają się w inną formę. Te idee podjął Etienne Geoffroy Saint-Hilaire (1772-1844), który poszedł o krok dalej. Zaproponował, że środowisko może odgrywać bezpośrednią rolę w ewolucji: jeśli modyfikacje Lamarcka doprowadzą do szkodliwych skutków, te osobniki umrą i zostaną zastąpione innymi, lepiej dostosowanymi do ich środowiska. Dla naszych współczesnych uszu zaczyna to brzmieć trochę jak darwinizm. Pod koniec XVIII wieku wzrosła świadomość procesów geologicznych, które ukształtowały Ziemię i określiły środowiska, do których gatunki musiały się przystosować. James Hutton (1726-1797) znany jest z zasady uniformitaryzmu - że gdyby było wystarczająco dużo czasu, wszystkie cechy otaczającego nas świata można by wyjaśnić w kategoriach tych samych procesów geologicznych, które znamy dzisiaj - ciągłej erozji i podnoszenia na duchu , ze sporadycznymi trzęsieniami ziemi i aktywnością wulkaniczną. Nie ma nic tak ekstremalnego jak gwałtowne konwulsje przewidziane przez alternatywny pogląd znany jako katastrofizm. Ale uniformitaryzm wymagał, aby wiek Ziemi był ogromnie wyższy niż wcześniej przewidywano. Charles Lyell (1797-1875), początkowo prawnik, który zafascynował się geologią, odbył w 1828 roku historyczną ekspedycję geologiczną przez Europę i wrócił podzielając poglądy Huttona. I był pod wrażeniem myśli o tym, jak życie będzie musiało dostosować się w dłuższej perspektywie do ciągle zmieniającego się środowiska spowodowanego procesami geologicznymi. Jego książka Zasady geologii była bardzo popularna i wpływowa. W drugim wydaniu napisał, że wiele gatunków, które kiedyś żyły na Ziemi, najwyraźniej wyginęło i zostało zastąpione przez inne gatunki, a powodem ich wyginięcia mogła być rywalizacja o zasoby. Scena była teraz doskonale przygotowana dla Karola Darwina (1809-1882). Urodził się niedaleko Shrewsbury w rodzinie lekarza, z trzema siostrami i bratem. Jego wczesne lata były szczęśliwe, aż do śmierci matki, gdy miał 8 lat. Został wysłany do pobliskiej szkoły z internatem, gdzie zainteresował się historią naturalną. W wieku 16 lat został wysłany do szkoły medycznej w Edynburgu, ale najwyraźniej nienawidził widoku krwi i przeszedł na kursy historii naturalnej. Dwa lata później został przeniesiony do Christ′s College w Cambridge, tym razem, aby pracować nad dyplomem przygotowującym do zostania duchownym wiejskim. Ponownie przeszedł na kursy z historii naturalnej i został uznany za wybitnego studenta. Pomimo zaniedbania konwencjonalnego programu nauczania, udało mu się uzyskać szanowany stopień naukowy i ukończył go w 1831 roku. I wtedy, niespodziewanie (dzięki kontaktom z Cambridge), otrzymał zaproszenie, by towarzyszyć kapitanowi Robertowi FitzRoyowi na HMS Beagle w 5-letniej podróży dookoła świata w celu studiowania historii naturalnej i geologii w szczególności Ameryki Południowej. Wypłynęli w 1831, kiedy Darwin miał zaledwie 22 lata. To była epicka podróż, pełna przygód i doświadczeń, które nakarmiły jego płodny umysł. Beagle miał zbadać wybrzeże Ameryki Południowej, ale Darwin miał swobodę eksploracji i większość czasu spędzał na wyprawach lądowych. Widział lasy tropikalne w Brazylii, wjeżdżał z gauchos w głąb Argentyny, przeżył trzęsienie ziemi w Chile, badał dziką przyrodę wysp Galapagos, odwiedzał Tahiti, widział torbacze Australii, badał atole wysp Kokosowych (Keelinga), oraz odwiedził Mauritius. Opracował pomysły dotyczące wypiętrzenia po trzęsieniu ziemi, różnorodności pokrewnych gatunków na różnych wyspach Galapagos i tworzenia atoli koralowych. Jego okazy i listy były co jakiś czas odsyłane do Anglii, tak że po powrocie w 1836 roku był już dobrze znany w kręgach naukowych. Darwin opisał okres między 1836 a 1842 rokiem (kiedy on i jego nowa żona Emma przeprowadzili się z Londynu do nowego domu w Kent) jako swój najbardziej twórczy okres intelektualny. W tym czasie kontaktował się z wieloma naukowymi luminarzami kraju, w tym z samym Lyellem, prowadził wykłady i zyskał uznanie jako pisarz. W 1839 roku opublikowano jego Podróż Beagle′a, został wybrany członkiem Towarzystwa Królewskiego i ożenił się. Jego ojciec dokonał ustaleń finansowych, aby Darwin mógł kontynuować swoją pracę jako samofinansujący się "dżentelmen naukowiec" do końca życia. Darwin i jego żona osiedlili się w swoim domu w Kent i mieli dziesięcioro dzieci. Darwin mógł swobodnie studiować, pisać i korespondować z innymi przyrodnikami. Zanim Beagle powrócił do Anglii, Darwin był przekonany, że ewolucja była faktem. Ale co to spowodowało? Darwin rozpoczął swój pierwszy zeszyt na temat Transformacji gatunków w 1837 roku. Duży wpływ na Darwina miała książka Esej o zasadach populacji autorstwa Thomasa Malthusa (1766-1834). Malthus wykazał, że populacje mają moc do gwałtownego wzrostu, chyba że są kontrolowane przez drapieżniki, choroby i niedobory pożywienia. Darwin zdał sobie sprawę, że to może być kluczem: konkurencja w obrębie gatunku i między gatunkami może spowodować, że tylko najsilniejsi (najlepiej przystosowani) będą w stanie rozmnażać się i przetrwać. Ci mniej sprawni umrą i wyginą, a zostaną zastąpieni tymi lepiej przystosowanymi do swoich okoliczności ("przetrwanie najsilniejszych"). Stało się to teorią ewolucji przez dobór naturalny; został już nakreślony przez Darwina, zanim przeniósł się do Kent. W 1844 r. napisał rękopis przedstawiający swoje pomysły, do którego dołączył list do żony z prośbą o opublikowanie go po jego śmierci. Nie spieszył się z publikacją, ponieważ martwił się o możliwą reakcję Kościoła i opinii publicznej, a także martwił się, że zdenerwuje Emmę, pobożną chrześcijankę. Zamiast tego w dużej mierze zwrócił uwagę na nowy projekt: pąkle. W 1854 ukończył trzytomową pracę na ten temat, za którą został odznaczony Królewskim Medalem Towarzystwa Królewskiego. W tym samym roku zaczął gromadzić swoje notatki i rękopisy, przygotowując się do ogromnej pracy na temat ewolucji gatunków. W 1858 r. Darwin był zszokowany, gdy otrzymał od Alfreda Russela Wallace′a (1823-1913) artykuł zatytułowany O tendencji różnorodności do odchodzenia na czas nieokreślony od oryginalnego typu. Wallace bardzo interesował się historią naturalną i zarabiał na życie, zbierając i sprzedając okazy w Brazylii i na Dalekim Wschodzie muzeom i bogatym kolekcjonerom w Anglii. Spotkał raz Darwina i obaj rozpoczęli korespondencję; Darwin stał się nawet jednym z klientów Wallace′a. Wallace rozwinął swoje własne początkowe pomysły na ewolucję i opublikował je w artykule w 1855 roku. Przyjaciele Darwina zaniepokoili się, że Darwin może być uprzedzony i namawiali go do opublikowania. Podobnie jak Darwin, Wallace był motywowany pracą Malthusa i w 1858 miał taką samą intuicję, jak Darwin w 1837. Kiedy Darwin otrzymał pracę Wallace′a w 1858, prosząc o opinię, postąpił słusznie, przekazując korespondencję Lyellowi , proponując wysłanie artykułu WallacePrime;a do dziennika. Lyell miał inny pomysł - aby szkic Darwina z 1844 r. został dodany do artykułu Wallace′a i zaoferowany Towarzystwu Linnejskiemu jako wspólna publikacja. Gazeta została odczytana Towarzystwu i opublikowana bez wywołania poruszenia. Wallace był zachwycony tym rezultatem i wdzięczny Darwinowi. Darwin podjął wówczas ogromny wysiłek, aby ukończyć swoje magnum opus, O powstawaniu gatunków za pomocą doboru naturalnego, czyli o zachowaniu uprzywilejowanych ras w walce o życie, które zostało opublikowane z wielkim uznaniem w 1859 roku. Zostało szeroko zaakceptowane, ponieważ zostało był tak dobrze uargumentowany i tak dobrze udokumentowany wszelkiego rodzaju przykładami. Na zawsze zmienił dziedzinę historii naturalnej. Wciąż jednak pozostawały dwa pytania dotyczące teorii Darwina, które były przedmiotem dyskusji w późniejszych latach XIX wieku. Jedna dotyczyła bardzo długiej skali czasowej wymaganej do ewolucji. Fizycy, w szczególności William Thomson (Lord Kelvin), przekonywali, że zgodnie z ówczesną fizyką Słońce nie będzie w stanie dalej świecić za niczym zbliżonym do wymaganego. Sprawa ta została rozwiązana we wczesnych dekadach XX wieku, kiedy zdano sobie sprawę, że procesy subatomowe mogą utrzymywać Słońce przez wiele miliardów lat. Drugi problem polegał na tym, że mechanizm lub dziedziczność, wymagana do ewolucji przez dobór naturalny, pozostawał nieznany. Jak się okazało, odpowiedź na tę drugą kwestię opracowywał już morawski zakonnik Gregor Mendel (1822-1884). Mendel urodził się w biednej rodzinie rolniczej, która wykorzystywała swoje zasoby, by go kształcić. Ukończył liceum (gimnazjum) i studiował filozofię i fizykę przez 2 lata na Uniwersytecie Olmuetz. Do tego czasu wyczerpał swoje zasoby finansowe i został zakonnikiem w klasztorze św. Tomasza w Bruenn, aby poszerzyć swoją edukację. Po ukończeniu studiów teologicznych został wysłany na 2 lata na Uniwersytet Wiedeński, gdzie jego kursy obejmowały fizykę, statystykę, chemię i fizjologię roślin. Do klasztoru powrócił w 1853 roku jako nauczyciel. Miał wystarczająco dużo czasu na badania, a w latach 1856-1868 (po czym został wyniesiony na opata) wykonał przełomową pracę nad dziedzicznością grochu. Mendel miał dużą działkę w ogrodzie doświadczalnym klasztoru i pracował z tysiącami roślin grochu. Jego praca wymagała dużej staranności, dyscypliny, dokładnych zapisów i dobrych statystyk. Każdą z jego eksperymentalnych roślin zapylano ręcznie. Jego praca wyraźnie ujawniła rolę pewnych czynników w określaniu cech rośliny (jej "fenotypu"). Dziś nazywamy te czynniki genami. Przychodzą parami; jeden jest dominujący w wyrażaniu w fenotypie, a drugi jest recesywny. Wyniki jego badań wykazały, że jedna czwarta roślin grochu miała czystorasowe geny recesywne, jedna czwarta była czystorasowa dominująca, a dwie na cztery były hybrydami. Był w stanie dokonać uogólnień, które stały się znane jako prawa dziedziczenia Mendla. Pokazał, że dziedziczenie działa nie przez mieszanie cech dwojga rodziców, ale poprzez branie indywidualnych cech od każdego z nich. Miał szczęście, że wybrał groch, który jest tak prosty genetycznie; dziedziczenie w większości organizmów jest bardziej skomplikowane. Mendel przedstawił swoje wyniki Towarzystwu Nauk Przyrodniczych w Bruenn w 1865, opublikował je w gazecie (w języku niemieckim) w 1866 w Verhandlung des naturforschenden Vereins Bruenn i wysłał kopie do czołowych biologów w całej Europie, ale oprócz doniesień lokalnych gazet, niewielki wpływ. Wielka szkoda, że ani Darwin, ani jego współpracownicy nie dowiedzieli się o pracy Mendla - dostarczyłoby to mechanizmu jego teorii i posunęłoby genetykę do przodu o ponad 30 lat. Niemniej jednak jego prawa (i jego pismo) zostały ponownie odkryte przez czterech innych na przełomie wieków. Bardzo podobne badania przeprowadził holenderski botanik Hugo de Vries (1848-1935), który w 1899 r. miał opublikować wyniki własnej pracy, gdy natknął się na artykuł Mendla. Ten sam los spotkał Niemca Carla Corrensa (1864-1933), Austriaka Ericha von Tschermaka (1871-1962) i Amerykanina Williama Spillmana (1863-1931), ale wszyscy czterej uznali Mendla za prawdziwego odkrywcę prawa nazwane jego imieniem. Jednak podstawa chemiczna nie była jeszcze znana. Od dawna ustalono na podstawie badań pod mikroskopem, że wszystkie żywe istoty składają się z komórek i że wszystkie komórki powstają z innych komórek przez podział. Wiadomo było, że komórka składa się z zewnętrznej ściany otaczającej pewnego rodzaju lepki płyn i centralnego skupienia zwanego jądrem. Naukowcy zaobserwowali penetrację plemnika do komórki jajowej, z dwoma jądrami łączącymi się w jedno. W 1879 Walther Flemming (1843-1915), używając kolorowych barwników do podkreślenia wewnętrznych cech komórek, odkrył, że jądro zawiera wyraźne struktury przypominające nitki, które nazwał chromosomami. Zobaczył, że kiedy komórka się dzieli, chromosomy są duplikowane i dzielone między dwie komórki potomne. August Weismann (1834-1914) zwrócił uwagę na różnicę między procesem podziału komórek w celu wzrostu i produkcji komórek jajowych lub plemników. Amerykanin Thomas Morgan (1866-1945) położył podwaliny zarówno pod genetykę, jak i ewolucję drogą doboru naturalnego. Pracował z muszką owocową Drosophila, która miała podwójne zalety szybkiego cyklu rozrodczego i tylko czterech chromosomów. Znalazł kilka stabilnych dziedzicznych mutacji u Drosophila, które dostarczyły istotnych wskazówek dotyczących dziedziczności i ewolucji, a on i jego koledzy napisali bardzo wpływową książkę The Mechanism of Mendlow Heredity w 1915 roku. Teoria Darwina miała teraz solidne podstawy genetyczne, a następnym krokiem było określić naturę samych chromosomów. Wiadomo było, że skład chemiczny jądra różni się od składu białek. W 1869 szwajcarski biochemik Friedrich Miescher (1844-1895) był w stanie wyekstrahować z jądra to, co nazwał nukleiną (obecnie znaną jako kwas dezoksyrybonukleinowy lub DNA) i wykazał, że jest to kwas zawierający fosfor, a zatem w przeciwieństwie do znanego grupy cząsteczek biologicznych, takich jak węglowodany i białka. W 1885 roku Oskar Hertwig (1849-1922), świadomy badań Flemminga i Weismanna, posunął się nawet do stwierdzenia, że "Nucleina jest substancją, która jest odpowiedzialna za przenoszenie cech dziedzicznych". Wielu się nie zgodziło. Chromosomy również zawierają białka i sądzono, że tylko białka mogą przenosić kod życia. Phoebus Levene (1863-1940) badał strukturę i funkcję kwasów nukleinowych i wykazał, że składniki DNA są połączone w kolejności fosforan-cukier-zasada. Utrzymywał, że DNA jest stosunkowo małą cząsteczką i że jest zorganizowane w taki sposób, że nie może przenosić informacji genetycznej. Jego pomysły zostały szeroko zaakceptowane i poparły pogląd, że ważne informacje w komórce zawarte są w strukturze złożonych białek, a DNA odgrywa jedynie wspierającą rolę. Jednak podczas ważnego rozwoju w 1944 r. Oswald Avery (1877-1955) i współpracownicy rozwiązali zagadkę, która obejmowała zjawisko transformacji genetycznej między dwoma typami bakterii wywołujących zapalenie płuc; byli w stanie udowodnić, że za to odpowiedzialne jest DNA, a nie białka. Może więc materiał genetyczny to w końcu DNA? Artykuł autorstwa Avery′ego i współpracowników zachęcił Erwina Chargaffa (1905-2002) do badania DNA u osobników i gatunków. Odkrył, że skład DNA jest identyczny we wszystkich tkankach danego gatunku, ale różni się w zależności od gatunku - czego można by się spodziewać, jeśli jest biologiczną sygnaturą gatunku. DNA zawiera "cząsteczki zasad" zwane A, C, G i T, a Chargaff wykazał również, że ilość zasady A w próbce DNA jest taka sama jak w przypadku T, a ilość G jest taka sama jak w przypadku C. Relacje te stały się znane jako zasady Chargaffa i były kluczowe w wyjaśnianiu struktury DNA. Na przełomie lat 40. i 50. XX wieku nad strukturą DNA pracowały trzy grupy: Linus Pauling (1901-1994) w Caltech, Maurice Wilkins (1916-2004) i Rosalind Franklin (1920-1958) w King′s College London oraz Francis Crick (1916-2004) i James Watson (1928-) w Cambridge. Pauling był jednym z najsłynniejszych biochemików swoich czasów, a teraz zwracał uwagę na DNA. Odkrył formy helikalne w białkach, a więc z pewnością byłby dostrojony do śladów spiralności w DNA. Na początku 1953 Pauling ogłosił, że znalazł strukturę DNA - potrójną helisę. Kiedy Crick i Watson zobaczyli wstępny wydruk artykułu, od razu wiedzieli, że wynik Paulinga był błędny, ponieważ był niezgodny z danymi z krystalografii rentgenowskiej uzyskanymi przez Franklin. Crick był fizykiem, który zajął się biologią, a Watson był ambitnym młodym amerykańskim doktorem biologii molekularnej, który miał na celu DNA. Dzielili biuro w Cambridge i rozpoczęli nieoficjalną współpracę w celu opracowania struktury DNA przy użyciu metody budowania modelu. Było dla nich jasne, że struktura musi umożliwiać dokładny proces kopiowania, aby identyczna kopia mogła przejść do komórek potomnych. Byli również bardzo świadomi zasad znalezionych przez Chargaffa, który odwiedził Cambridge w 1952 roku. Kiedy Watson pokazał Wilkinsowi kopię papieru Paulinga na początku 1953 roku, Wilkins odpowiedział, pokazując Watsonowi odbitkę jednego z najlepszych zdjęć rentgenowskich Franklin, bez jej wiedzy. To naruszenie etykiety było kluczowe w doprowadzeniu Cricka i Watsona do właściwego rozwiązania - podwójnej helisy. Opublikowali swoją pracę, A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid, która spotkała się z wielkim uznaniem w kwietniu 1953 roku. Było to monumentalne odkrycie. Franklin była bliska opublikowania własnej wersji podwójnej helisy, gdy z Cambridge nadeszła wiadomość o wyniku Cricka i Watsona. Franklin i Wilkins otrzymali pewne uznanie za swoją pracę: ich własne oddzielne artykuły zostały opublikowane razem z artykułem Cricka i Watsona w tym samym numerze Nature. Prosta i elegancka konstrukcja podwójnej helisy od razu sugeruje jej funkcję. Jest idealny dla wszystkich trzech funkcji DNA - informowania komórek o tym, co mają być i co robić, zapewniania podstawy do reprodukcji komórek i przekazywania kodu genetycznego z pokolenia na pokolenie. Dziedziczenie oparte na DNA z łatwością dostarcza mechanizmu ewolucji przez dobór naturalny. To zdumiewające, że wszystkie zawiłości życia opierają się na tej prostej podwójnej helisie, która jest wspólna dla wszystkich form życia. Ale jak to właściwie działało? George Gamow zasugerował, że kod genetyczny jest zapisany w trójkach wzdłuż długości nici DNA. Pojedyncza trójka, zawierająca trzy pozycje, z których każda może być zajęta przez jedną z czterech możliwych podstaw, pozwala na 64 możliwe kombinacje. To więcej niż wystarczająco, aby wyjaśnić 20 aminokwasów, z których składają się białka. W jaki sposób informacje zakodowane w DNA są wykorzystywane do wytworzenia aminokwasów? Crick zasugerował, że jakiś nieznany "adapter" był zaangażowany w przekazywanie informacji z DNA. Marshall Nirenberg (1927-2010) wraz z kolegą jako pierwsi opracowali kod genetyczny odpowiadający określonemu aminokwasowi - główny i słynny przełom - a Robert Holley (1922 - 1993) odkrył transfer RNA, "adapter", który Crick zaproponował. Tym i innym naukowcom udało się złamać cały kod genetyczny syntezy białek. Mogliśmy teraz odczytać wiadomości zakodowane w DNA! Teraz, gdy poznano strukturę i funkcję DNA, długoterminowym celem było zmapowanie całego ludzkiego genomu - sekwencji pozycji wszystkich trzech miliardów par zasad wzdłuż nici naszego DNA. Pierwszym krokiem było wycięcie i wykonanie wielu kopii małych odcinków DNA; można to zrobić, wykorzystując specjalne enzymy do cięcia i bakterie do tworzenia wielu kopii. Następnie trzeba było znaleźć kolejność pary zasad w tych odcinkach DNA i połącz wszystkie informacje w całość. Kluczowe enzymy, które umożliwiły cięcie i manipulację DNA, odkryli Werner Arber (1929-), Daniel Nathans (1928-1999) i Hamilton Smith (1931-). Te "enzymy restrykcyjne" potrafią rozpoznać określoną sekwencję lub miejsce w DNA i pociąć genom na krótkie nici. Końce tych nici można następnie oznaczyć znacznikiem radioaktywnym, aby można je było zidentyfikować. W wielkim przełomie w 1977 roku Frederick Sanger (1918-2013) i jego koledzy opracowali technikę szybkiego sekwencjonowania, która umożliwiła sekwencjonowanie długich odcinków DNA. Stało się to znane jako "metoda Sangera". (Sanger wcześniej wykazał w latach pięćdziesiątych, że każde białko ma unikalną sekwencję genetyczną - kluczową dla rozwiązania kodowania białek przez DNA). Po kilku innych krokach technicznych, bardzo ambitny międzynarodowy Projekt Genomu Ludzkiego mający na celu określenie sekwencji DNA całego ludzkiego genomu został uruchomiony w 1990 roku. Został ukończony w 2003 roku pod kierownictwem Francisa Collinsa (1950-), dyrektora NIH (Narodowe Instytuty Zdrowia USA), dwa lata przed terminem. Kosztował trzy miliardy dolarów i wymagał ogromnego sekwencjonowania i mocy obliczeniowej w 20 instytutach w sześciu krajach. Pozostaje największym na świecie wspólnym projektem biologicznym. (Mniejszy i tańszy prywatny konkurencyjny projekt, wspomagany danymi z projektu finansowanego ze środków publicznych, został ukończony w tym samym czasie przez Craiga Ventera (1946-) i jego firmę Celera Genomics). Sekwencjonowanie ludzkiego genomu było ogromnym sukcesem, który ukrył wieki poszukiwań tajemnic życia. Od tego czasu zsekwencjonowano genomy wielu innych gatunków. Japoński kwiat, Paris japonica, ma najdłuższy znany DNA z 149 miliardami par zasad, pszenica ma 15 miliardów, ludzki genom ma 3 miliardy, a najmniejszy niewirusowy genom to bakteria o 160 tysiącach par zasad, więc nasz jest bynajmniej nie wyjątkowe pod względem długości. Chociaż historia DNA jest naprawdę spektakularna i fundamentalna, jest to tylko jedna część biologii molekularnej. Komórka jest znacznie bardziej złożona. Kilka z ważniejszych osiągnięć biologii molekularnej w ciągu ostatnich kilku dekad podsumowano w poniższych akapitach, aby dać wyobrażenie o złożoności i postępie. Pod koniec lat 30. Conrad Waddington (1905-1975) rozważał, w jaki sposób geny mogą wytwarzać zjawiska rozwojowe, i napisał książkę o "epigenetyce" (przedrostek "epi" oznacza "nad" lub "powyżej" - epigenetyka jest systemem regulacyjnym nałożonym na sam genom). Ukuł termin "epigenotyp", który odnosi się do wszystkich złożonych jednostek i interakcji, które działają między genomem a fenotypem. Wprowadził także bardzo wpływową koncepcję "krajobrazu epigenetycznego", która daje metaforyczny obraz tego, jak regulacja genów moduluje rozwój, taki jak różnicowanie komórek. Było jasne, że znajomość mechanizmów ekspresji genów będzie miała kluczowe znaczenie. W 1961 Francois Jacob (1905-1975) i Jacques Monod (1910-1976) badali bakterię E. coli i odkryli, że istnieją specyficzne białka, które mogą tłumić transkrypcję odpowiednich genów - odkryto pętlę sprzężenia zwrotnego. To kluczowe odkrycie umożliwiło badanie zasad regulacji genów - sposobu ekspresji genów. Zjawiska regulacyjne występują obecnie na każdym poziomie ekspresji genów. W 1967 Mark Ptashne (1940-) wyizolował białko z wirusa, który infekuje bakterie, wykorzystując DNA bakterii do samoreprodukowania. Białko działa poprzez przyłączanie się do określonego miejsca na bakteryjnym DNA. Wraz z innymi Ptashne odkrył, że białka regulujące geny działają jak klucze, które pasują do określonych zamków. Po wystąpieniu tego wiązania klucz białkowy oddziałuje z innymi białkami wiążącymi, aby włączyć lub wyłączyć gen. On i jego koledzy odkryli później, że ten sam mechanizm działa w innych organizmach, takich jak drożdże, muszki owocowe, rośliny i ludzie - wyjaśnia to aktywację genów w naturze. Sydney Brenner (1927-) wniósł kilka ważnych wkładów do biologii molekularnej i rozwoju zwierząt. Jego odkrycia na początku lat sześćdziesiątych doprowadziły do powstania centralnego paradygmatu biologii molekularnej - że informacja przepływa z DNA do białek, a nigdy odwrotnie. Wprowadził pojęcie "komunikacyjnego RNA". Cytowano go, że powiedział, że "pytania stojące przed biologią pregenomiczną i postgenomiczną są nadal takie same - wypełnianie luki między genotypem a fenotypem". Całkowicie nowa dziedzina biologii molekularnej została nagle otwarta w 1998 r. przez Andrew Fire (1959-), Craiga Mello (1960--) i współpracowników, kiedy opublikowali artykuł w Nature pokazujący, że istnieje duża liczba maleńkich fragmentów dwuniciowych RNA, które może zniszczyć informacyjne RNA, zanim zdąży wyprodukować białko, skutecznie wyłączając gen. Proces ten jest znany jako interferencja RNA lub wyciszanie genów przez dwuniciowe RNA. Ta ważna praca zrewolucjonizowała wiedzę na temat procesów i regulacji w biologii molekularnej. W 1958 roku John Gurdon (1933-) z powodzeniem sklonował żabę przy użyciu nienaruszonych jąder z komórek somatycznych (ciała) kijanki. Na tej podstawie wywnioskował, że zróżnicowane komórki somatyczne mają potencjał powrotu do pluripotencji. Ta praca stała się dobrze znana, a jego techniki są nadal używane. W tym czasie nie był w stanie udowodnić, że przeszczepione jądra pochodzą z w pełni zróżnicowanej komórki, ale zostało to ostatecznie potwierdzone w 1975 roku. Spowodowało to istotną zmianę w sposobie myślenia genetyków na temat różnicowania komórek. Znacznie później, w zdumiewającym przełomie w 2006 roku, Shinya Yamanaka (1962-) i współpracownicy byli w stanie wytworzyć pluripotencjalne komórki macierzyste z normalnej tkanki somatycznej u dorosłych myszy przy użyciu nowatorskiej techniki obejmującej zasadniczo regulatory epigenetyczne. (Komórki pluripotencjalne mogą dać początek wszystkim różnym typom komórek tworzących ciało; komórki macierzyste są pluripotencjalne). To otworzyło potencjalnie bardzo ważny sposób odwrócenia skutków starzenia. I rzeczywiście, w kolejnym przełomie w 2016 roku, Juan Carlos Izpisua Belmonte (1960-) i współpracownicy wykorzystali regulujące "czynniki Yamanaka", aby częściowo "cofnąć zegar epigenetyczny" w komórkach myszy, które starzeją się przedwcześnie; w rzeczywistości wydłużyły długość życia tych myszy o 30%, wyraźnie pokazując, że starzenie się nie jest procesem nieodwracalnym. Zainspirowały ich badania nad regeneracją utraconych ogonów lub kończyn przez niektóre jaszczurki i ryby. W artykule przeglądowym z 2018 r.12 zasugerowali, że starzenie się, które jest nieuniknionym spadkiem z powodu nieustannego szarpania entropii i jest głównym czynnikiem ryzyka większości naszych chorób, może w zasadzie zostać spowolnione przez okresowe "przeprogramowanie" epigenetyczne in vivo 200 typy komórek w naszych ciałach. Nacisk kładziony jest na wydłużenie zdrowych lat życia, ale taka praca oczywiście ma również wpływ na ogólną długowieczność człowieka. Tymczasem inni badacze biorą różne podejścia do problemu starzenia się, które teraz zaczyna wydawać się mniej trudne niż w przeszłości. Biologia molekularna jest nieskończenie złożona i fascynująca, dzięki czemu powstało bogactwo wiedzy. Ale jest też kilka innych dziedzin biologii, które pojawiły się na scenie w XX wieku. Jednym z nich jest neuronauka. Camillo Golgi (1843-1926) i Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) wykonali wczesne przełomowe prace nad strukturą układu nerwowego. Golgi odkrył metodę barwienia tkanki nerwowej, dzięki której po raz pierwszy można było zobaczyć w mózgu poszczególne neurony oraz ich unikalne i niezwykle złożone struktury. Ze swojej pracy wywnioskował, że układ nerwowy to jedna sieć. Ramón y Cajal jest często określany mianem "ojca współczesnej neuronauki". Udoskonalił i zastosował metodę barwienia Golgiego, a jego szczegółowe rysunki neuronów stały się sławne. Odkrył, że neurony istnieją jako oddzielne byty, a nie jako węzły w ciągłej sieci, jak sugerował Golgi. Ich wzajemne relacje są ciągłe, a nie ciągłe. Nazywało się to teorią neuronów i stało się podstawą współczesnej neuronauki. Pod koniec lat 30. Alan Hodgkin (1914-1998) i Andrew Huxley (1917-2012) opracowali metody, które umożliwiły im rejestrowanie prądów w żywych aksonach przy użyciu dostępnego w tym czasie surowego sprzętu. Podążając za pionierską pracą Johna Younga (1907-1997), wykorzystali gigantyczny akson kałamarnicy atlantyckiej, który ma największe znane neurony, w celu dostarczenia prądów jonowych, które można zmierzyć. W 1939 roku udało im się donieść o pierwszym wykryciu "potencjałów czynnościowych", sygnałów elektrycznych, które umożliwiają koordynację aktywności organizmu przez ośrodkowy układ nerwowy. Po wojnie kontynuowali tę pracę i byli w stanie pokazać, jak przekazywane są potencjały czynnościowe. Ich hipoteza o istnieniu "kanałów jonowych" w błonach komórkowych została potwierdzona kilkadziesiąt lat później. Karl Lashley (1890-1958) był jednym z czołowych badaczy mózgu na świecie, przeprowadzającym eksperymenty i badania nad mózgiem od lat 20. do wczesnych 50. XX wieku. Mierzył zachowanie wytresowanych szczurów przed i po specyficznym wywołanym uszkodzeniu mózgu, próbując znaleźć pojedyncze biologiczne centrum pamięci. W końcu doszedł do wniosku, że wspomnienia nie są zlokalizowane w jednej części mózgu, ale raczej rozprzestrzeniają się w korze. Ta wpływowa praca doprowadziła do uprzedzeń antylokalizacji wśród naukowców, które utrzymywały się przez dziesięciolecia. W rzeczywistości wiemy teraz, że większość tkanek mózgowych jest wysoce wyspecjalizowana, chociaż typowy akt poznawczy rzeczywiście aktywuje wiele obszarów mózgu. Znajomość obwodu neuronowego niekoniecznie mówi nam, jak on działa. Eve Marder (1948-) zbadała bardzo prosty obwód zaledwie 30 neuronów zaangażowanych w kontrolę układu pokarmowego raka. Odkryła, że połączenia i zachowanie komórek są modulowane przez "zupę" dziesiątek różnych substancji chemicznych, zmieniając funkcjonalność obwodu. Pokazała, jak mózg może się zmieniać podczas rozwoju, pozostając jednocześnie stabilnym strukturalnie. Mówi się, że taka złożoność, pochodząca z pozornie bardzo prostego obwodu, może być uważana za metaforę całej biologii. W niesamowitym niedawnym badaniu Davidowi Glanzmanowi i współpracownikom z UCLA udało się "przeszczepić" pamięć z jednego zwierzęcia na drugie. Wytrenowali kilka ślimaków z traumatycznymi wstrząsami, więc nauczyli się wycofywać do swoich muszli na 50 sekund zamiast zwykłej jednej sekundy. Następnie wstrzyknęli RNA z tych ślimaków innym, niewytrenowanym ślimakom, które następnie wycofały się na podobnie długi czas po wyczuciu kranu. Oprócz tego, że jest to dramatyczny nowy rozwój, jest to zgodne z ideą, że pamięć obejmuje zmiany epigenetyczne wywołane przez RNA w neuronach. Matematyka została wprowadzona do biologii na początku ubiegłego wieku. Trzy główne postaci, które rozwinęły matematyczną teorię genetyki populacyjnej to Ronald Fisher (1890-1962), John Haldane (1892-1964) i Sewall Wright (1889-1988). Wykorzystali matematykę do połączenia genetyki Mendla i doboru naturalnego, który stał się znany jako neodarwinowska współczesna synteza ewolucyjna. Narzędzia matematyczne stworzone przez Fishera w szczególności stworzyły podwaliny współczesnej nauki statystycznej, nie tylko w biologii, ale także w psychologii i kilku innych dziedzinach. Wszyscy trzej wnieśli inny ważny wkład w naukę o ewolucji; Haldane rozważył możliwe pochodzenie życia z cząsteczek nieorganicznych i wprowadził koncepcję "pierwotnej zupy", która później stała się znana jako hipoteza Oparina-Haldane′a. William Hamilton (1936-2000) był jednym z najważniejszych teoretyków ewolucji ostatniego stulecia. Zajmował się problemem, który niepokoił zarówno Fishera, jak i Haldane′a: jak organizm może zwiększyć sprawność swoich genów, pomagając swoim krewnym na własny koszt - stworzył rygorystyczną podstawę genetyczną dla istnienia altruizmu. Jego dwa artykuły z 1964 roku zatytułowane The Genetic Evolution of Social Behavior oraz jego artykuł z 1970 roku Selfish and Spiteful Behavior in a Evolutionary Model są uważane za fundamentalne. Był jednym z prekursorów socjobiologii i wniósł wiele do biologii ewolucyjnej i ekologia behawioralna. Edward Wilson (1929-) jest uważany za "ojca socjobiologii", a w 1975 roku opublikował książkę Sociobiology: The New Synthesis, stosując swoje teorie zachowania owadów na kręgowcach i ludziach. Jego włączenie ludzi wywołało wówczas burzę protestów (niektórzy protestowali, że ludzie nie są zwierzętami). Richard Dawkins (1941-) spopularyzował te idee i przedstawił pogląd genocentryczny w swojej książce z 1976 r. Samolubny gen. To tylko kilka z osiągnięć w niektórych dziedzinach biologii w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat. Biologia rozwija się na wszystkich frontach iz pewnością jest obecnie jedną z największych dziedzin nauki.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (11)


Światło

Czym jest światło? Badania nad optyką, magnetyzmem i elektrycznością sięgają starożytnych Greków. Euklides miał pogląd, że światło porusza się po liniach prostych, i studiował odbicie światła. Tales badał magnetyzm i pocierał bursztyn suchą szmatką, aby przyciągnąć pióra (greckie słowo oznaczające bursztyn to electra). Czy istnieje jakiś związek między tymi trzema zjawiskami? Wszystkie były badane raz za razem w czasie cudu greckiego, okresu islamu i średniowiecza oraz rewolucji naukowej. Na początku XVIII wieku, jak wspomniano powyżej, Newton ustalił, że białe światło jest kombinacją wszystkich kolorów w widmie, wykazano, że światło porusza się ze skończoną prędkością i istniały dwie konkurujące ze sobą teorie dotyczące natury światła - strumień cząstek (teoria korpuskularna Newtona) lub zjawisko falowe (proponowane przez Christiaana Huygensa, Roberta Hooke′a i innych). Teoria korpuskularna panowała przez stulecie. Kolejnym ważnym krokiem był Anglik Thomas Young (1773-1829). Jego nazwisko jest niemal synonimem słynnego "eksperymentu z podwójną szczeliną", w którym pokazał, że dwie wiązki światła, powstałe w wyniku przepuszczenia światła przez dwie cienkie równoległe szczeliny, ulegają dyfrakcji, a następnie interferują ze sobą w taki sposób, że wzmacniają się wzajemnie. inne w niektórych kierunkach i znoszą się nawzajem w innych kierunkach. Rezultatem jest wyraźnie wzór fal, podobny do tego, który widać, gdy fale z dwóch kamyków wrzuconych do stawu z wodą oddziałują ze sobą. Jak powiedział Royal Society w 1803 roku: "Eksperymenty mogą być powtarzane z wielką łatwością, ilekroć świeci słońce, i bez żadnego innego aparatu, który jest pod ręką dla każdego." Pomimo klarowności i mocy tego eksperymentu, początkowa niechęć do rezygnacji z korpuskularnej teorii giganta takiego jak Newton trwała. Niedługo później młody Francuz nazwiskiem Augustin-Jean Fresnel (1788-1827), inżynier budownictwa drogowego pracujący przy projektach drogowych, zainteresował się optyką jako hobby, nieświadom prac Younga. W końcu opracował własną falową teorię światła, którą w 1818 r. przedstawił w konkursie na wyjaśnienie właściwości światła, zorganizowanym przez Francuską Akademię Nauk. Wszyscy trzej sędziowie poparli teorię korpuskularną Newtona, a jeden z nich, matematyk i fizyk Siméon Denis Poisson (1781-1840), uważał, że znalazł fatalny błąd w teorii Fresnela. Obliczył, że zgodnie z teorią Fresnela dotyczącą dyfrakcji wiązka światła powinna wytworzyć jasną plamę dokładnie za małym blokującym dyskiem, gdzie oczywiście (zgodnie z teorią korpuskularną i zdrowym rozsądkiem Newtona) powinien znajdować się najciemniejszy cień. Przewodniczący komisji, fizyk Dominique-Francois-Jean Arago (1786-1853), przeprowadził eksperyment i, ku wielkiemu zdumieniu, obserwował przewidywaną jasną plamę. To przekonało większość naukowców o falowej naturze światła, teorii, która dominowała przez cały XIX wiek. Tymczasem zjawisko elektryczności budziło coraz większe zainteresowanie również w XVIII i na początku XIX wieku. Amerykanin Benjamin Franklin (1706-1790) wniósł istotny wkład w badania nad elektrycznością w połowie XVIII wieku, za co został wybrany członkiem Towarzystwa Królewskiego. Najbardziej znany jest z pomysłu pokazania, że błyskawica jest elektrycznością, puszczając latawiec podczas burzy z piorunami, i wynalazł piorunochron. Ogromny wkład w późniejsze badania zjawisk elektrycznych wniósł Włoch Alessandro Volta (1745-1827). Pobudzony częściowo sporem z innym Włochem, Luigim Galvanim (1737-1798), dotyczącym drgania żabich nóg (które Galvani nazywał "zwierzęcą elektrycznością"), Volta zdał sobie sprawę, że żabie nogi służą jedynie jako przewodniki między dwoma metalami. Po serii eksperymentów wynalazł "stos woltaiczny", znany dziś jako bateria. Jego wynalazek był stosem naprzemiennych płatków srebra i cynku, oddzielonych tekturą nasączoną solanką; wytwarzał stały przepływ energii elektrycznej, gdy górna i dolna płyta były połączone drutem. To doniosłe odkrycie zostało ogłoszone na spotkaniu Towarzystwa Królewskiego w 1800 roku. Nagle naukowcy mogli pracować z ciągłymi prądami elektrycznymi, które można było włączać i wyłączać zgodnie z potrzebami. Bateria Volty stała się nieodzownym narzędziem w badaniach naukowych, podobnie jak w dzisiejszym życiu codziennym. W 1820 r. Duńczyk Hans Christian Ørsted (1777-1851) zauważył, że igła kompasu odchyla się, gdy prąd elektryczny w pobliskim przewodzie jest włączany i wyłączany - dziwaczny przypadek "działania na odległość". Igła była skierowana pod kątem prostym do drutu. Była to pierwsza oznaka związku między elektrycznością a magnetyzmem. Michael Faraday (1791-1867) zasłynął pracami na te tematy. Wychował się w biedzie, ale ostatecznie został uczniem u introligatora w Londynie, co dało mu możliwość obszernego czytania. Przeprowadzał również eksperymenty w dziedzinie chemii i elektryczności, był aktywnym członkiem Miejskiego Towarzystwa Filozoficznego. Dzięki wytrwałości i łutowi szczęścia, w 1813 roku został asystentem laboratoryjnym w Royal Institution, pracując z nikim innym jak Humphry Davy nad swoimi chemicznymi eksperymentami. W końcu stał się znany ze swoich talentów. Kiedy usłyszał o eksperymentach Ørsteda, opracował własne w 1821 roku i odkrył, że potrafi sprawić, by drut przewodzący prąd elektryczny obracał się w sposób ciągły wokół magnesu nieruchomego. To odkrycie, które doprowadziło do powstania silnika elektrycznego, uczyniło go znanym w całej Europie. Elektryczność może wywoływać ruch! Faraday wrócił do swojej pracy nad chemią i został dyrektorem laboratorium RI i profesorem chemii w Fullerton, ale w 1831 powrócił do elektryczności i magnetyzmu i dokonał kolejnego doniosłego odkrycia. Odkrył, że jeśli przesunął magnes przez pętlę drutu, indukował się w nim prąd elektryczny. Ruch może wytwarzać energię elektryczną! Jego odkrycia z lat 1821 i 1831 były pięknie symetryczne. Oprócz pierwszego silnika elektrycznego wyprodukował teraz pierwszy generator elektryczny. Historia na tym się nie skończyła. Faraday ostrożnie badał nowe spekulacje, zgodnie z którymi istnieją magnetyczne i elektryczne "linie siły" (teraz nazwalibyśmy je polami), że zaburzenia w nich rozprzestrzeniają się po pewnym czasie i że samo światło można wyjaśnić w kategoriach wibracji linie siły. James Clerk Maxwell kontynuował w miejscu, w którym skończył Faraday. Urodził się w Edynburgu w stosunkowo znaczącej rodzinie, a wychował się w Galloway (południowo-zachodnia Szkocja). Jego ojciec był prawnikiem, interesował się nauką i technologią. Matka Maxwella zmarła, gdy miał osiem lat, a on miał raczej brutalnego nauczyciela, dopóki w wieku dziesięciu lat nie został wysłany do Akademii Edynburskiej. Jego ojciec zabrał go na pokazy naukowe i spotkanie Towarzystwa Królewskiego w Edynburgu, a w wieku 15 lat jego pierwsza praca naukowa została opublikowana w materiałach tego towarzystwa. Studiował na Uniwersytecie w Edynburgu, a następnie w Cambridge, gdzie został w Fellow of Trinity (stara uczelnia Newtona). Stamtąd został profesorem w Aberdeen, a następnie w 1860 w King′s College w Londynie, gdzie stworzył swoją teorię elektromagnetyzmu, która zjednoczyła elektryczność i magnetyzm. W 1864 opublikował monumentalną pracę A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field. Jego równania wykazały, że prędkość fali elektromagnetycznej jest równa 1/(εoμo)1/2, gdzie εo i μo to odpowiednio stałe elektryczne i magnetyczne. Kiedy wstawił wartości tych dwóch stałych, określone niezależnie od pomiarów elektrycznych i magnetycznych, odkrył, że prędkość jest dokładnie taka sama jak prędkość światła (w granicach błędów eksperymentalnych)! Pisał, że "nie da się uniknąć wniosku, że światło jest falowaniem poprzecznym tego samego ośrodka, który jest przyczyną zjawisk elektrycznych i magnetycznych". Odkrył, że samo światło jest zjawiskiem elektromagnetycznym. Światło, elektryczność i magnetyzm są przejawami jednego zjawiska fizycznego: elektromagnetyzmu. Teoria Maxwella była największym krokiem w fizyce od czasów Principii Newtona. Ale wciąż był problem. Jeśli elektromagnetyzm jest zjawiskiem falowym, to w czym fale? Jakie jest medium? Pojęcie eteru przenikającego przestrzeń sięga - oczywiście - starożytnych Greków (to znaczy "świeże powietrze" lub "czyste niebo", a istniał grecki bóg, Eter). Została przyjęta w XVII i XVIII wieku jako nazwa ośrodka przenoszącego fale świetlne, a pod koniec XIX wieku jako nazwa ośrodka przenoszącego fale elektromagnetyczne. Jeśli istnieje takie medium, możemy być w stanie wykryć "wiatr eterowy" na podstawie ruchu Ziemi wokół Słońca. Amerykanie Albert Michelson (1852 - 1931) i Edward Morley (1838-1932) przeprowadzili w 1887 roku dokładny eksperyment porównujący prędkość światła w różnych kierunkach, wykazując, że nie ma wykrywalnej różnicy między prędkością światła w kierunku Ziemi. ruchu i pod kątem prostym do niego lub w dowolnym innym kierunku. Był to pierwszy znaczący dowód przeciwko obecności eteru (a ten bardzo drobiazgowy eksperyment został żartobliwie nazwany "najsłynniejszym nieudanym" eksperymentem w historii). W 1905 Albert Einstein przyjął zupełnie inne podejście. Założył, że stała w teorii Maxwella - prędkość światła - jest rzeczywiście stała, niezależnie od ruchu obserwatora, czy poruszającego się w kierunku lub od źródła światła, czy w jakimkolwiek innym kierunku. To było całkowicie pomysł nieintuicyjny, ale doszedł do logicznego wniosku. W jednym ze swoich "eksperymentów myślowych" zastanawiał się, jak by to było "jechać na wiązce światła", a jego przejażdżki tramwajem do pracy w Bernie skłoniły go do myślenia o tym, jak różni obserwatorzy postrzegają swój ruch i wydarzenia wokół nich. Rezultatem była jego rewolucyjna specjalna teoria względności, opublikowana w trzecim z jego czterech słynnych artykułów z 1905 roku, zatytułowanym O elektrodynamice ciał w ruchu. Konsekwencje były dziwaczne (tak jak słynny "paradoks bliźniąt", w którym podróżujący w kosmosie bliźniak wraca do domu i stwierdza, że postarzał się znacznie mniej niż jego bliźniak w domu), ale były nieuniknione. Pytania Einsteina dotyczące światła doprowadziły go do całkowitej rewolucji w naszych koncepcjach przestrzeni i czasu. Zniknęły Newtonowskie koncepcje przestrzeni absolutnej i równoczesności (chociaż fizyka Newtona nadal działa równie dobrze w życiu codziennym). Podsumowując, pod koniec 1905 roku Einstein napisał trzystronicowy artykuł "spinoff" na podstawie swojej specjalnej teorii względności: Czy bezwładność ciała zależy od jego zawartości energetycznej? Tam wprowadził swoje słynne równanie E = mc2. Do tego czasu proponowana natura światła przeszła kilka iteracji, w tym promienie Euklidesa, fale Huygensa i Hooke′a, ciałka Newtona, fale Younga i Fresnela, a następnie z innego słynnego artykułu Einsteina z 1905 r. na temat efektu fotoelektrycznego wspomnianego w poprzednim rozdziale , po raz kolejny "cząstki" (w tym przypadku fotony), co potwierdził Millikan. Ale nawet to nie był koniec. W latach dwudziestych światło (jak wszystko inne) postrzegano jako opisywane zarówno jako cząstki, jak i fale. Ostatecznie został włączony do Standardowego Modelu Fizyki Cząstek; siła elektromagnetyczna została zunifikowana z siłą słabą w "siłę elektrosłabą" i przewiduje się dalszą unifikację. Tak więc światło z pewnością wiło się dość udręczoną ścieżką w całej historii nauki.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (10)


Bardzo małe

Jaka jest najmniejsza jednostka? Starożytni Grecy nazywali to atomem. Jak wspomniano wcześniej, najwcześniejszymi znanymi nam myślicielami, którzy rozważali tę kwestię, byli greccy filozofowie Leucippus, Demokryt, a później Epikur. Uważali, że cała materia składa się z atomów oddzielonych pustą przestrzenią. W przeciwieństwie do tego, Arystoteles wyraźnie odrzucił atomizm, ponieważ sprzeciwiał się idei próżni lub pustki, podczas gdy atomizm przewidywał atomy poruszające się w pustce i oddziałujące ze sobą. Kolejna wzmianka na ten temat pojawiła się jakieś dwa tysiące lat później, w czasie rewolucji naukowej. Kartezjusz odrzucił ideę atomów z tego samego powodu, co Arystoteles: "Natura nie znosi próżni" - gęstszy materiał natychmiast wypełniłby pustkę. Z drugiej strony odrodzenie atomizmu było najważniejszym wkładem Pierre′a Gassendiego (1592-1655) w naukę. Uważał, że między atomami nie ma nic i że mogą się połączyć, tworząc to, co nazwał molekułami. Istniały bowiem dowody na to, że pustka może istnieć. Evangelista Torricelli (1608-1647) był włoskim naukowcem, który znał Galileusza pod koniec życia. Pobudzony pewnymi pomysłami Galileusza wynalazł pierwszy barometr w 1643 roku. Napełnił szklaną rurkę, zamkniętą na jednym końcu, rtęcią i włożył ją otwartym końcem do miski z rtęcią. Następnie kolumna rtęci opadła, pozostawiając szczelinę między szczytem kolumny rtęci a szczytem szklanej rurki. Kartezjusz wiedział o tym eksperymencie, ale nadal twierdził, że istnieje dużo drobniejszy płyn, który wypełnia wszystkie luki i zapobiega istnieniu próżni, nawet w głębokim kosmosie. Po śmierci Kartezjusza Otto von Guericke (1602-1686) wynalazł pompę próżniową tak doskonałą, że potrafiła zgasić świece i wyciszyć dźwięk dzwonka podczas usuwania powietrza. W 1657 wykonał dwie półkule o średnicy pół metra i wypompował z nich całe powietrze, zamykając je razem za pomocą uszczelnienia próżniowego. Próżnia była tak dobra, że 16 koni, po osiem zaprzęgniętych z każdej strony kuli ziemskiej, nie mogło rozdzielić połówek. Kartezjusz bez wątpienia nadal upierałby się, że jego superdrobny płyn jest wszędzie, ale z drugiej strony dla Newtona pustka w pustej przestrzeni jest absolutna. Robert Boyle (1627-1691) posunął te idee dalej. W swoim najsłynniejszym eksperymencie użył szklanej rurki w kształcie litery J, z otwartą górą i zamkniętym krótkim końcem. Wlał rtęć do rurki, aby wypełnić zagięcie w kształcie litery U na dole, odcinając powietrze na krótszym końcu. Mógł wtedy dowolnie zwiększać ciśnienie powietrza, dolewając więcej rtęci do długiego końca. To, co znalazł, stało się znane jako prawo Boyle′a: objętość zajmowana przez gaz jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia na nim. Zauważył, że można to łatwo wytłumaczyć koncepcją atomową, ale nie modelem świata Kartezjusza. Odrzucił cztery starożytne "żywioły" - ziemię, wodę, powietrze i ogień - na podstawie eksperymentów. Uprawiał alchemię, ale próbował wprowadzić do niej metodę naukową i napisał słynną książkę Sceptyczny chemik, która stała się punktem zwrotnym, gdy alchemia przekształciła się w chemię. Poparł hipotezę atomową, sugerując, że atomy mogą swobodnie poruszać się w cieczach, ale są łączone na różne sposoby, w zależności od ich kształtów, tworząc różne ciała stałe. Jego zdaniem rola chemii polegała na określeniu, z czego zrobione są rzeczy. W 1691 Halley próbował oszacować wielkość atomów za pomocą złocenia cienkich drutów. Zapytał rzemieślników, ile złota użyli do rysowania i złocenia drutu srebrnego. Na podstawie tych informacji oraz średnicy i długości drutu oszacował, że grubość złota wokół srebra wynosi 120 nm - górna granica wielkości atomu złota. Teraz wiemy, że rzeczywisty rozmiar jest tysiąc razy mniejszy, ale przynajmniej ta pierwsza próba została podjęta. Jak na ironię, droga do bardzo małego nie obejmowała mikroskopu, który wynaleziono na początku XVII wieku. Zamiast tego obejmowało badanie gazów, co doprowadziło do powstania chemii, cząsteczek, atomów, a nawet mniejszych jednostek. Joseph Black (1728-1799) był młodym mężczyzną pracującym nad doktoratem na Uniwersytecie w Edynburgu, kiedy przeprowadził badania, które uczyniły go sławnym. Aby umożliwić dokonanie ważnych odkryć, opracował wrażliwą wagę, która była o wiele dokładniejsza niż jakakolwiek inna w tamtych czasach. Odkrył, że wapień można podgrzać lub potraktować kwasami, aby wytworzyć gaz, który nazwał "powietrzem stałym", który był gęstszy niż powietrze i gasił zarówno ogień, jak i życie zwierząt. Nazywamy to dwutlenkiem węgla. Pokazał, że powietrze jest mieszaniną gazów, co było wówczas rewolucyjne. Kolejnych dziesięć gazów, w tym amoniak, podtlenek azotu i tlenek węgla, zidentyfikował Joseph Priestly (1733-1804). Jego najsłynniejszym odkryciem był tlen. We wszystkich tych pracach interpretował wyniki w kategoriach niesławnej teorii flogistonu promowanej przez niemieckiego chemika Georga Stahla (1659-1734). Zgodnie z tą teorią spalanie jest wyjaśnione przez substancję (flogiston) opuszczającą spalany materiał. Priestly nie odkrył związku między spalaniem a tlenem, ale zaobserwował pewne charakterystyczne właściwości tego nowego gazu - że zapalona świeca zapalała się po zanurzeniu w gazie i że mysz dobrze się rozwijała w zamkniętym naczyniu wypełnionym gazem. Henry Cavendish (1731-1810) pochodził z arystokratycznej rodziny w Anglii. Uczęszczał do prywatnej szkoły, a następnie do Cambridge. Do świata nauki wprowadził go ojciec i poświęcił się temu do końca życia. Jego badania obejmowały chemię, fizykę i Ziemię. Ceniony był za precyzję swojej pracy. Był również znany z odkrycia wodoru, lub tego, co nazwał "palnym powietrzem", i przeprowadził staranne eksperymenty nad jego właściwościami. Pokazał, że woda nie jest pierwiastkiem, a raczej mieszaniną dwóch innych substancji - ważną wskazówką dla przyszłych prac. Człowiekiem, który połączył wszystkie te odkrycia w prawdziwą naukę chemiczną, był Antoine Lavoisier (1743-1794). Jego ojciec był prawnikiem w Paryżu, a Lavoisier studiował prawo na uniwersytecie w Paryżu, ale uczęszczał także na kursy matematyki i nauk ścisłych, które określiły kierunek jego kariery. Był niezależnie zamożny, więc mógł podążać za swoim kaprysem. Oprócz rozwijania zainteresowań naukowych został członkiem kilku rad arystokratycznych i administratorem znienawidzonego Ferme Generale ("farmy podatkowej"). Pomogły one sfinansować jego badania naukowe, ale także doprowadziły do jego śmierci: został zgilotynowany w 1794 roku. Ale jego kariera naukowa była znakomita. Jest powszechnie uważany za "ojca nowoczesnej chemii". Znany jest z rozpoznania roli tlenu w spalaniu i położył kres teorii flogistonu. Wyprodukował pierwszy obszerny spis pierwiastków. Książka, którą opublikował w 1789 roku, Traité Elémentaire de Chimie (Podstawowy traktat o chemii), jest czasami uważana za chemiczny odpowiednik Principia Newtona. Humphry Davy (1778-1829) stał się wybitnym naukowcem bez formalnego wykształcenia poza prowincjonalnym gimnazjum. Był synem rolnika z Kornwalii, który prowadził egzystencję. Udało mu się nauczyć się francuskiego i przeczytać Traité Elémentaire Lavoisiera w oryginalnym języku, gdy miał zaledwie 18 lat. W następnym roku został asystentem w nowym instytucie badawczym w Bristolu. Przeprowadzał eksperymenty z podtlenkiem azotu; stało się to powszechnie znane jako "gaz rozweselający" ze względu na swoje odurzające właściwości i zyskało jego imię. Został wykładowcą w nowopowstałym Royal Institution w Londynie, a w ciągu roku, w wieku 23 lat, został mianowany profesorem chemii. W trakcie swojej pracy wyizolował potas, sód i chlor i został prezesem Towarzystwa Królewskiego. To było niesamowite przejście od samouka amatora na najwyższe stanowisko w brytyjskiej nauce. Innym naukowcem, który zyskał rozgłos od skromnych początków, był John Dalton (1766-1844). Jego ojciec był tkaczem, a Dalton uczęszczał do lokalnej szkoły kwakrów. Kiedy miał zaledwie 15 lat dołączył do swojego brata i kuzyna w prowadzeniu szkoły kwakrów i pozostał tam do 27 roku życia. Oprócz obowiązków w szkole zaczął wygłaszać publiczne wykłady. Stał się na tyle dobrze znany, że zaproponowano mu posadę nauczyciela w Manchesterze, a kilka lat później odkrył, że jest w stanie zarabiać na życie jako prywatny korepetytor; to dało mu czas na naukę i pozostał w Manchesterze do końca życia. Jednym z jego zainteresowań była natura mieszanin gazów, której kulminacją było prawo ciśnienia cząstkowego, znane jako prawo Daltona. Rozważał również, z czego zbudowane są pierwiastki i wymyślił teorię atomową. Jego zdaniem każdy pierwiastek składa się z niezniszczalnych atomów unikalnych dla tego pierwiastka, które mogą łączyć się z atomami innych pierwiastków w prostych proporcjach, tworząc związki chemiczne. Atomy różnych pierwiastków różnią się wielkością i wagą. Dalton opublikował te idee w swojej książce A New System of Chemical Philosophy w 1808 roku; zawierał wykaz szacunkowych "mas atomowych". Jego teoria miała mieszany odbiór, ponieważ niektórym (znowu) trudno było zaakceptować ideę atomów oddzielonych pustą przestrzenią, ale powoli zyskała akceptację jako heurystyczny model rzeczywistości. Dalton otrzymał wiele wyróżnień i został członkiem Towarzystwa Królewskiego. Szwedzki chemik Jöns Berzelius (1779-1848) był wychowywany przez wujka po tym, jak oboje jego rodzice zmarli, gdy był młody. Studiował medycynę na Uniwersytecie w Uppsali, a następnie przeniósł się do College of Medicine w Sztokholmie. Został tam profesorem w wieku 28 lat, a jego zainteresowania przeniosły się na chemię. Badał proporcje pierwiastków w wielu związkach chemicznych i opracował tabelę względnych mas atomowych dla wszystkich 40 pierwiastków znanych w tym czasie. Jego praca dostarczyła mocnych dowodów na rzecz teorii atomowej Daltona. Dwa inne wydarzenia z początku XIX wieku rozwinęły teorię atomową. Po pierwsze, francuski chemik Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) odkrył, że gazy łączą się w prostych proporcjach objętościowych (para wodna składa się z dwóch części wodoru i jednej części tlenu). Pobudzony tym odkryciem włoski fizyk Amadeo Avogadro (1776-1856) postawił hipotezę, że dana objętość dowolnego gazu przy danym ciśnieniu i temperaturze zawiera taką samą liczbę cząstek (atomów lub molekuł). Idea atomu (i cząsteczki) stała się powszechna pod koniec XIX wieku, m.in. dzięki pracom Edwarda Franklanda (1825-1899), Archibalda Coupera (1831-1892) i Friedricha Kekule (1829-1896). Wprowadzono pojęcie wartościowości - zdolność jednego pierwiastka (lub atomu) do łączenia się z innym. A koncepcja wiązań między atomami była łatwa do zobrazowania, na przykład łączenie atomów węgla w pierścienie wiązaniami łączącymi je z innymi atomami. W latach 60. XIX wieku czterech naukowców niezależnie "odkryło" słynny układ okresowy pierwiastków. Zdali sobie sprawę, że jeśli pierwiastki są ułożone w kolejności ich mas atomowych, istnieje okresowy wzór, w którym pierwiastki oddzielone wielokrotnością ośmiokrotności masy atomowej wodoru mają podobne właściwości chemiczne. Pierwszymi trzema byli francuski mineralog Alexandre Beguyer de Chancourtois (1820-1886), angielski chemik John Newlands (1837-1898) i niemiecki chemik Lothar Meyer (1830-1895). Wszystkie przedstawiały istotę układu okresowego pierwiastków, ale żadna nie była tak przekonująca jak ta Dymitra Mendelejewa (1834-1907). Mendelejew urodził się na Syberii jako najmłodszy z 14 dzieci. Jego ojciec, nauczyciel, oślepł, gdy Mendelejew był bardzo młody; jego matka utrzymywała rodzinę z huty szkła, która została zniszczona przez pożar, gdy Mendelejew miał 14 lat, rok po śmierci ojca. Jego matka zabrała go następnie do Petersburga, aby otrzymał odpowiednie wykształcenie. Nie mogąc uzyskać miejsca na uniwersytecie, został nauczycielem. W końcu udało mu się uzyskać tytuł magistra chemii na Uniwersytecie w Sankt Petersburgu, gdzie pracował przez 2 lata, zanim wyjechał na sponsorowany przez rząd program do Paryża i Heidelbergu. Po powrocie do Rosji zrobił doktorat i został profesorem chemii na uniwersytecie w Petersburgu, gdzie przebywał przez wiele lat. W 1869 Mendelejew opublikował swoją słynną pracę "O stosunku właściwości do atomowych ciężarów pierwiastków". Poszedł dalej niż tylko odnotowanie szerokiego wzoru. Podobnie jak inni ułożył pierwiastki w rzędy po osiem, w kolejności rosnącej masy atomowej; elementy o podobnych właściwościach chemicznych zostały następnie wyrównane w kolumnach tabeli. Ale były pewne nieprawidłowości i luki. Podjął inicjatywę zmiany kolejności niektórych pierwiastków o podobnych masach atomowych, aby upewnić się, że wszystkie kolumny zawierają tylko pierwiastki o podobnych właściwościach. Pozostawił również trzy luki w tabeli, twierdząc, że odpowiadają one trzem jeszcze nieodkrytym elementom, i przewidział, jakie właściwości będą miały te elementy. I rzeczywiście, do 1886 roku wszystkie te trzy pierwiastki zostały odkryte, co dało ogromny wzrost zaufania do układu okresowego pierwiastków. Nie było wątpliwości, że znaleziono fundamentalną właściwość świata chemicznego. Poszukiwanie najbardziej podstawowych składników materii przechodziło teraz z rąk chemików do fizyków. W drugiej połowie XIX wieku fizycy rozwijali teorię kinetyczną gazów, która opiera się na ruchach składowych atomów i cząsteczek (zakładając, że istnieją). Dwóch liderów w tej dziedzinie to Szkot James Clerk Maxwell (1831-1879) i Austriak Ludwig Boltzmann (1844-1906). W artykule przedstawionym w 1859 roku Maxwell wykazał, że cząsteczki w powietrzu o temperaturze 15 C doświadczają ponad ośmiu miliardów zderzeń na sekundę, ze średnią swobodną ścieżką wynoszącą sześć milionowych części centymetra. To szaleństwo aktywności jawi się nam w skali makroskopowej jako gładki, ciągły gaz. Maxwell pokazał związek między ciepłem a ruchem: temperatura jest miarą średniej prędkości cząsteczek. Boltzmann dalej rozwinął tę teorię, a rozkład prędkości cząsteczek wokół ich średniej stał się znany jako rozkład Maxwella-Boltzmanna. Dokonano wówczas różnych szacunków dotyczących rozmiarów cząsteczek. W 1865 r. Austriak Johann Loschmidt (1821-1895) stwierdził, że w cieczy molekuły stykają się ze sobą, ale w postaci gazowej są rozdzielone, i użył średniej swobodnej drogi do oszacowania wielkości molekuł tworzących powietrze około jednej milionowej milimetra, niedaleko od współczesnej wartości. Jeden z czterech słynnych artykułów opublikowanych przez Einsteina w 1905 roku, jego annus mirabilis, dotyczył ruchów Browna. Może się wydawać, że Einstein podjął ten temat dość niejasny, ale był zdeterminowany, aby udowodnić, że atomy są prawdziwe. W 1827 r. Szkot Robert Brown (1773-1858) zauważył, że ziarna pyłku unoszące się w wodzie, widziane przez mikroskop, poruszają się w bardzo chaotyczny sposób. Szybko ustalono, że ten rodzaj ruchu występuje we wszystkich maleńkich ziarnach zawieszonych w cieczy lub powietrzu, a zjawisko to nazwano ruchem Browna. Sugerowano, że może to być spowodowane oddziaływaniem cząsteczek ośrodka na ziarna, ale wydawało się, że nie ma możliwości udowodnienia tej hipotezy. Artykuł Einsteina dał wreszcie jasny statystyczny opis zjawiska. Ziarna podążają "losowym marszem", w którym przebyta odległość jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego zajętego czasu. Einstein przewidział prędkość sześciu tysięcznych milimetra na minutę dla cząstek wielkości mikrometrów w wodzie o temperaturze 17 C. Francuski fizyk, który podjął wyzwanie pomiaru tego ruchu, Jean Perrin (1870-1942), był w stanie potwierdzić przewidywania Einsteina . W końcu udowodniono fizyczną rzeczywistość atomów i cząsteczek. Ale czy atom naprawdę jest najmniejszym bytem? A może ma podkonstrukcję? Czy są jeszcze mniejsze podmioty? W latach 60. XIX wieku badania przeprowadzone przy użyciu lamp próżniowych z prądem elektrycznym przepływającym między elektrodą dodatnią i ujemną wykazały, że świecące promienie emitowane z katody (elektrody ujemnej) wydawały się podążać za liniami prostymi. Stały się one znane jako promienie katodowe. Sugerowano, że mogą składać się z cząstek materii. William Crookes (1832-1919) wykazał, że jeśli w rurze zostanie umieszczona przeszkoda, powstaje ostro zarysowany cień, a promienie mogą spowodować obrót małego koła łopatkowego - co wskazuje na to, że przenoszą pęd. W 1894 J.J. Thomson (1856-1940) wykazał, że poruszają się one znacznie wolniej niż światło, a do 1897 r. pojawiło się coraz więcej dowodów na to, że przenoszą ładunek elektryczny, są odchylane przez pola magnetyczne i powodują ujemnie naładowaną płytę metalową. W 1897 roku, po zmierzeniu stosunku ładunku do masy promieni katodowych, Thomson doszedł do wniosku, że cząstki składające się na promienie katodowe są ponad tysiąc razy mniejsze od atomu - odkrył elektron, pierwszą znaną cząstkę subatomową. Mniej więcej w tym samym czasie niemiecki fizyk teoretyczny Max Planck (1858-1947) pracował nad zupełnie innym problemem: promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Idealne ciało czarne to takie, które pochłania całe promieniowanie, które na nie pada, i dla którego emitowane promieniowanie zależy tylko od jego temperatury. Widmo emitowanego promieniowania zostało zmierzone w wielu eksperymentach, ale bardzo trudno było stworzyć matematyczny model, który dawałby takie widmo w całości. Planck w końcu odniósł sukces w 1900 roku, ale przy znacznych kosztach: musiał założyć, że energie hipotetycznych promieniujących "oscylatorów" są wielokrotnościami jednostki elementarnej - są "skwantowane". Początkowo uważał to za założenie heurystyczne - ale to zadziałało. To założenie, niezgodne z fizyką klasyczną, oznaczało narodziny fizyki kwantowej. To prowadzi nas do innego z czterech słynnych artykułów Einsteina z 1905 roku: O heurystycznym punkcie widzenia dotyczącym produkcji i transformacji światła. Zaproponował w nim, że samo światło jest skwantowane: zachowuje się tak, jakby składało się z wzajemnie niezależnych kwantów, czyli fotonów. W tym samym artykule zastosował tę hipotezę do efektu fotoelektrycznego, w którym promieniowanie elektromagnetyczne może wybijać elektrony z powierzchni blachy. Czy zatem światło jest falą, jak zakładano w ciągu ostatniego stulecia, czy też strumieniem cząstek, jak w nowej teorii Einsteina? Rzeczywistość efektu fotoelektrycznego został ostatecznie udowodniony przez Amerykanina Roberta Millikana (1868-1953), który w rzeczywistości postanowił obalić tę teorię, ponieważ wierzył, że światło jest falą. Po odkryciu elektronów J.J. Thomson zaproponował model wewnętrznej struktury atomu w 1904 roku, swój "model budyniu śliwkowego". Zasugerował, że atom składa się z elektronów zanurzonych w "zupie" ładunku dodatniego, która równoważy ujemne ładunki elektronów. Model ten został przetestowany eksperymentalnie przez Nowozelandczyka Ernesta Rutherforda (1871-1937) i jego zespół z Uniwersytetu w Manchesterze, wystrzeliwując nowo odkryte "cząstki alfa" w cienką złotą folię. Szukając odchyleń dodatnio naładowanych cząstek alfa, byli w stanie zbadać wnętrze atomów złota. Odkryli, że podczas gdy większość cząstek alfa przeszła prosto, kilka zostało odbitych i ku ich zdumieniu znaleźli nawet rzadkie przypadki, w których cząstki alfa wracały prosto z powrotem. Wniosek Rutherforda z 1911 roku był taki, że atom zawiera bardzo małe dodatnio naładowane jądro, które odbija i odbija dodatnio naładowane cząstki alfa, otoczone elektronami o małej masie. Jądro zajmuje tylko około jednej stutysięcznej średnicy atomu: atomy to w większości pusta przestrzeń zawierająca pola elektromagnetyczne. Problem z modelem Rutherforda polegał na tym, że był niestabilny - nic nie mogło powstrzymać ujemnie naładowanych elektronów przed spadnięciem do dodatnio naładowanego jądra. Można sobie wyobrazić, że elektrony krążą po orbitach wokół jądra, podobnie jak planety wokół Słońca, ale elektrony orbitujące szybko traciłyby energię pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego i wpadały do jądra. Duński fizyk Niels Bohr (1885-1962) odwiedził Rutherforda w Manchesterze przez 6 miesięcy w 1912 roku i tam wymyślił swój kwantowy model atomu, opublikowany w 1913 roku. Zaproponował, aby elektrony krążyły wokół jądra w sposób stabilny, dyskretne poziomy energii ("orbity"), ale mogą przeskakiwać z jednego poziomu energii na drugi, emitując (lub pochłaniając) dyskretny kwant energii elektromagnetycznej. W ten sposób był w stanie wyjaśnić obserwowane linie widmowe atomów wodoru (fizyka klasyczna nie potrafiła wytworzyć tych dyskretnych cech). Było to niezwykłe osiągnięcie i wielki krok w dziedzinie fizyki kwantowej. Jego model, z udoskonaleniami dokonanymi w ciągu następnej dekady, stanowił podstawę naszego zrozumienia chemii. W latach dwudziestych opublikowano szereg ważnych artykułów z dziedziny fizyki kwantowej. W 1924 Louis de Broglie (1892-1987) ukończył na Sorbonie pracę doktorską, w której zasugerował, że tak jak fale elektromagnetyczne można opisać w kategoriach cząstek, tak wszystkie cząstki materialne, takie jak elektrony, można opisać w kategoriach cząstek. fale. Wszystko ma naturę dwufalowo-cząsteczkową. Stało się to znane jako dualizm falowo-cząsteczkowy, główny temat mechaniki kwantowej. Niedługo po tym, jak de Broglie sformułował swoją śmiałą hipotezę, dyfrakcja elektronów została zaobserwowana w dwóch niezależnych eksperymentach, jednym przeprowadzonym przez Clintona Davissona (1881-1958) i Lestera Germera (1896-1971), a drugim przez George′a Thomsona (1892-1975). Potwierdziła się zdumiewająca rzeczywistość dualizmu falowo-cząsteczkowego. Dwa inne koncepcyjnie różne modele matematyczne opisujące zachowanie elektronów w atomach zostały opublikowane w 1926 roku. Jeden z nich, autorstwa Erwina Schrödingera (1887-1961), oparty był w całości na falach, opisując świat subatomowy za pomocą równania falowego. Drugi, autorstwa Wernera Heisenberga (1901-1976), przyjął podejście cząsteczkowe, polegające na "przeskakiwaniu kwantowym" między poziomami energii. Paul Dirac (1902-1984) stworzył bardziej abstrakcyjny formalizm i wykazał, że pozostałe dwa podejścia były zawarte w tym formalizmie i były sobie matematycznie równoważne. Bardzo różne teorie, wszystkie poprawne, opisujące te same zjawiska. Najbardziej zaskakującym artykułem był artykuł opublikowany przez Heisenberga w 1927 roku na temat słynnej "zasady niepewności". Pokazał, że zgodnie z mechaniką kwantową niemożliwe jest jednoczesne poznanie wszystkich właściwości układu z idealną dokładnością, nawet co do zasady. Na przykład, jeśli położenie cząstki jest dokładnie znane, jej pęd nie może być; im dokładniejsza pozycja, tym mniej dokładny pęd i na odwrót. To samo dotyczy czasu i energii. Nie wynika to z ograniczeń naszych pomiarów - to fundamentalna właściwość samej natury. Wartości tych właściwości są określane przez "fale prawdopodobieństwa". Einstein zawsze był tym zdenerwowany i sądził, że pewnego dnia zostanie odnaleziona podstawowa rzeczywistość, w której panowałaby ścisła przyczynowość, a nie zwykłe prawdopodobieństwo i niepewność. Powiedział: "Bóg nie gra w kości". Ale kolejne eksperymenty przeprowadzone dekady później obaliły pogląd Einsteina i potwierdziły przewidywania mechaniki kwantowej. Choć może się to wydawać dziwaczne, wydaje się, że taki jest świat. Również w 1927 r. Dirac opublikował coś, co uważano za ostateczne równanie falowe elektronu. Miał dwa rozwiązania, z których drugie wydawało się opisywać cząstkę, która ma taką samą masę jak elektron, ale ładunek dodatni. Uświadomiono sobie, że na przykład energetyczne fotony można przekształcić w pary cząstek - zwykłe elektrony naładowane ujemnie i elektrony naładowane dodatnio. Zjawisko to zaobserwował następnie w 1932 roku Carl Anderson (1905-1991) w swoich badaniach promieni kosmicznych. Nazwał dodatni elektron pozytonem. Była to pierwsza znana cząstka "antymaterii"; wiadomo, że każda cząstka ma "antycząstkę" o przeciwnym ładunku. Tymczasem trwały prace nad właściwościami jądra atomowego. Kontynuując badania przeprowadzone w Niemczech i Francji, polegające na bombardowaniu jąder cząstkami alfa, James Chadwick (1891-1974) przeprowadził podobne eksperymenty w 1932 r. i doszedł do wniosku, że cząstki alfa wybijają z jądra nieznane wcześniej cząstki neutralne. Ustalił, że ich masa jest nieco większa niż masa protonu - odkrył neutron. Ale co trzymało jądro razem? Prace teoretyczne Wolfganga Pauliego (1900-1958) i Enrico Fermiego (1901-1954) wykazały, że "silne oddziaływanie jądrowe" bliskiego zasięgu może utrzymywać razem protony i neutrony oraz że inna siła krótkiego zasięgu, "słaba siła jądrowa" , może wyjaśnić proces radioaktywnego rozpadu beta, w którym protony i neutrony mogą być przekształcane w siebie nawzajem. W końcu zidentyfikowano cząstki i siły jądra atomowego. Późniejsze prace teoretyczne w latach 30. i 40. ostatecznie przyniosły kompletną teorię opisującą interakcje promieniowania elektromagnetycznego i materii, z pełną zgodnością między mechaniką kwantową a szczególną teorią względności Einsteina (wspomnianą poniżej). Elektrodynamika kwantowa (QED), jak znana jest teoria, została opracowana niezależnie przez Japończyka Sinitiro Tomonagę (1906-1979) oraz Amerykanów Juliana Schwingera (1918-1994) i Richarda Feynmana (1918-1988). Wszystkie ich podejścia są matematycznie równoważne. Miarą sukcesu QED jest fakt, że jego przewidywania dotyczące "momentu magnetycznego" elektronu zgadzają się z eksperymentem z dokładnością do jednej części na dziesięć miliardów! W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych w nowych detektorach cząstek odkryto zdumiewającą lawinę nowych cząstek subatomowych. Wysokoenergetyczna kolizja dwóch protonów może spowodować potok setek nowych i nieoczekiwanych cząstek, z których większość ma bardzo krótki żywot. W 1964 r. głównym uproszczeniem tego "hadronowego zoo" był model kwarków opracowany przez Murraya Gell-Manna (1929-2019) i George′a Zweiga (1937-). Zgodnie z tym modelem protony i neutrony zawierają trzy jeszcze bardziej fundamentalne jednostki zwane "kwarkami", które nigdy nie mogą uciec od swoich macierzystych protonów i neutronów. Po raz pierwszy "zauważono" je w eksperymentach pod koniec lat 60., które ujawniły, że są punktowe, pasujące do modelu kwarków. Tak więc najpierw atomy, potem elektrony, protony i neutrony, a teraz fizyka podstawowa kwarków badała w coraz mniejszych skalach, do 10-18 m, a nawet miliony razy mniejszych od atomów! W tych burzliwych czasach miała miejsce ciągła seria ważnych teoretycznych i eksperymentalnych odkryć. W 1967 roku Sheldon Glashow (1932-), Steven Weinberg (1933-2021) i Abdus Salam (1926-1996) zainicjowali "Standardowy Model Fizyki Cząstek" łącząc siły elektromagnetyczne i słabe w siłę "elektrosłabą". Chromodynamika kwantowa (QCD) to nowoczesna wersja fizyki jądrowej, która ma zastosowanie w skali kwarków i była ulepszeniem modelu kwarków Gell-Manna. David Gross (1941-), David Politzer (1949-) i Frank Wilczek (1951-) wszyscy wnieśli duży wkład w QCD. W 1984 roku duża współpraca w CERN (Europejska Organizacja ds. Badań Nuklearnych) kierowane przez Carlo Rubbię (1934) i Simona Van der Meera (1925-2011) odkryły masywne nośniki słabej siły. W 2012 r., Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN odkrył "bozon Higgsa", który jest odpowiedzialny za powstawanie mas wszystkich fundamentalnych cząstek. "Mechanizm Higgsa" został zaproponowany prawie 50 lat wcześniej przez Petera Higgsa (1929-) i kilku innych teoretyków. Bozon Higgsa był ostatnim pozostałym fragmentem Modelu Standardowego, a jego odkrycie było doniosłym wydarzeniem dla fizyki fundamentalnej. Model Standardowy fizyki cząstek klasyfikuje teraz wszystkie znane cząstki subatomowe i obejmuje siły elektromagnetyczne, słabe i silne. Wyjaśnia wszystkie wyniki eksperymentów z akceleratorów na świecie. Zgodnie z Modelem Standardowym podstawowymi składnikami materii są rodziny "fermionów" ("leptony" i "kwarki") oraz ich antycząstki. "Bozony" są nośnikami oddziaływań podstawowych: "fotony" przenoszą oddziaływanie elektromagnetyczne, "gluony" oddziaływanie silne, a cząstki "W" i "Z" oddziaływanie słabe. Bozon Higgsa powoduje powstanie masy cząstki. Model Standardowy zapewnia dokładne podstawy fizyczne leżące u podstaw chemii, biologii, elektroniki, inżynierii, materiałoznawstwa, astrofizyki, większości kosmologii i fizyki życia codziennego. QCD rządzi światem protonów, neutronów i innych "hadronów"; QED rządzi światem światła, atomów i chemii. Model Standardowy był monumentalnym tour de force - najbardziej udaną teorią znaną człowiekowi - z przewidywaniami, które zgadzają się z eksperymentami z dokładnością do jednej części na dziesięć miliardów. To niezwykły czas. Coraz więcej danych z LHC napływa i jest analizowanych w każdym szczególe, i nadal zgadzają się one z przewidywaniami Modelu Standardowego, opracowanego 40 lat temu. Można by dojść do wniosku, że teoria okazała się tak skuteczna, że praca jest już wykonana - że era odkryć minęła, jeśli chodzi o badanie "Bardzo małego". Ale niezadowoleni fizycy z niepokojem szukają jakiejkolwiek możliwej "nowej fizyki" poza Modelem Standardowym (który pomimo całego swojego sukcesu, wciąż jest uważany za niekompletny i niezadowalający pod wieloma względami).


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (9)


Bardzo duże

Jaki jest największy przedmiot? Podczas gdy Principia Newtona ostatecznie rozstrzygnęły kwestię ruchów planet, pozostało wiele pytań, które pozostały. Jak duży jest układ słoneczny? Jakie komety pojawiają się od czasu do czasu? Jakie są gwiazdy? Jak daleko są? Czy są skoncentrowane w powłoce tuż poza Układem Słonecznym, czy rozciągają się w nieskończoność? Korzystając z praw Keplera, astronomowie znali względne odległości wszystkich planet od Słońca na podstawie ich okresów orbitalnych. Ale bezwzględna skala Układu Słonecznego była trudniejsza do ustalenia. Giovanni Cassini (1625-1712) użył metody "paralaksy" do określenia odległości Marsa od Ziemi. W 1672 wysłał swojego kolegę do Gujany Francuskiej, przebywając w Paryżu. Przeprowadzili jednoczesne obserwacje Marsa i wykorzystali kąt między dwiema liniami widzenia, aby określić odległość do Marsa. Ponieważ znane były względne odległości wszystkich planet od Słońca, wystarczyło określić tylko jedną z nich, aby poznać je wszystkie. Jednostka astronomiczna (AU), odległość od Ziemi do Słońca, to standardowa skala odległości używana w opisie Układu Słonecznego. Obliczenia Cassini dały 138 mln km dla UA, co jest dość zbliżone do obecnie akceptowanej wartości 150 mln km. Układ słoneczny jest duży. W 1664 r. James Gregory (1638-1675) wskazał, że obserwacje przejścia Wenus przez tarczę Słońca, wykonane z różnych punktów na Ziemi, mogą również posłużyć do określenia odległości od Ziemi do Słońca za pomocą prostej geometrii. Edmund Halley podążył za tym później, przewidując, że następne tranzyty będą miały miejsce w 1761 i 1769 roku i podając szczegóły, jak należy przeprowadzić obserwacje. Ponieważ te dwa tranzyty zdarzają się tylko co 243 lata, była to okazja, której nie można przegapić. Nie tylko podałyby skalę Układu Słonecznego, ale także dostarczyłyby informacji istotnych dla problemu wyznaczania długości geograficznej na morzu. Kolejną zachętą dla narodów do wzięcia udziału w tym przedsięwzięciu był prestiż narodowy. Była to pierwsza prawdziwie międzynarodowa współpraca naukowa i to była ogromna. Aby było to możliwe, naukowcy z kilku różnych krajów musieli komunikować się, współpracować i uzgodnić plan. Ponieważ niektóre z zaangażowanych krajów (takich jak Wielka Brytania i Francja) były w tym czasie w stanie wojny, zapewniły bezpieczne przejście obywatelom swoich rywali. W 1761 roku około 120 obserwatorów z dziewięciu krajów objęło 62 stanowiska na całym świecie. Wielu z nich musiało miesiącami znosić ciężkie trudy, aby dostać się na wyznaczone stanowiska. Niestety ta pierwsza próba tranzytu była w dużej mierze nieudana z powodu złej pogody, więc stawka była bardzo wysoka dla tranzytu z 1769 roku. W przypadku tego drugiego tranzytu kapitan James Cook (1728-1779) zabrał HMS Endeavour w swoją słynną podróż na Tahiti, aby tam poczynić obserwacje, a rząd francuski polecił swojej marynarce wojennej, aby się w nią nie ingerowała, ponieważ był "z misją dla całej". ludzkości. Tym razem było około 250 obserwatorów z dziesięciu krajów w 130 lokalizacjach, w tym z Europy, Syberii, Ameryki Północnej, Indii, Św. Heleny, RPA, Indonezji, Chin, a także Tahiti. Pomimo początkowych rozczarowań, ostateczne wyniki były imponujące: dały wartość AU 150,8 mln km, w granicach 0,8% prawidłowej wartości 149,6 mln km. Wśród tego wszystkiego pojawiły się wczesne oznaki, że prędkość światła jest skończona. Obserwacje wykazały, że zaćmienia księżyców Jowisza zdarzają się "przed terminem", gdy Jowisz jest najbliżej Ziemi, i opóźniony, gdy Jowisz jest daleko. po drugiej stronie Słońca. Czas potrzebny na dotarcie światła do Ziemi zależy od odległości Jowisza - podróż światła wymaga czasu. Spostrzeżenie to było zasługą duńskiego astronoma Ole Rømera (1644-1710), który pracował w Obserwatorium Paryskim; jego oszacowanie prędkości światła mieściło się w granicach 25% prawdziwej wartości, ale jego wnioski były wówczas kontrowersyjne. Kolejna wskazówka na temat skończonej prędkości światła pochodzi z odkrycia przez Jamesa Bradleya (1693-1762) "aberracji światła": obserwowany kierunek padającego na Ziemię światła otrzymanego z odległej gwiazdy jest nieznacznie zmieniany przez ruch gwiazdy. Ziemia krążąca wokół Słońca; efekt zależy od prędkości Ziemi w stosunku do prędkości światła. Dało to również bezpośredni dowód ruchu Ziemi wokół Słońca. Newton zasugerował, że tajemnicze komety mogą być po prostu ciałami poruszającymi się po bardzo wydłużonych elipsach wokół Słońca, w którym to przypadku mogą pojawiać się od czasu do czasu. Mając to na uwadze, Halley przeszukał zapisy historyczne w poszukiwaniu komet o podobnych orbitach oddzielonych podobnymi okresami czasu i znalazł jeden intrygujący przypadek w kometach z lat 1531, 1607 i 1682. Uważał, że mogą to być ponowne pojawienia się tej samej komety (i że różnica między interwałami może wynikać po prostu z perturbacji planet znajdujących się na torze), w takim przypadku następne pojawienie się nastąpi pod koniec 1758 lub na początku 1759. Późniejsze szczegółowe obliczenia uwzględniające perturbacje Jowisza przewidywały, że kometa zbliży się do Słońca w ciągu kilku tygodni od połowy kwietnia 1759 r. i rzeczywiście zaobserwowano to 13 marca 1759 r. - powrót "komety Halleya" dostarczył zdumiewającego potwierdzenia fizyki Newtona. Nawigatorzy na morzu mogli z łatwością określić swoją szerokość geograficzną, mierząc w południe wysokość Słońca, ale określenie długości geograficznej stanowiło poważny problem. Do końca XVIII wieku nie było żadnego rozwiązania, powodując wiele trudności i utratę niezliczonych statków i istnień ludzkich - podróżowali "na ślepo" na zachód lub wschód. Określenie długości geograficznej wymagało porównania czasu lokalnego z "czasem standardowym" w porcie macierzystym. Jak można było poznać czas w tak odległym miejscu? W XVIII wieku istniały dwie konkurujące ze sobą możliwości - wykorzystanie ruchu Księżyca na tle gwiazd stałych jako zegara niebieskiego lub "noszenie" na pokładzie standardowego czasu w niezawodnym chronometrze (zegar precyzyjny), który jest dokładny nawet na falującym morzu . Ponieważ miało to duże znaczenie dla brytyjskiej marynarki wojennej i floty handlowej, rząd brytyjski zaproponował dużą nagrodę za najlepsze rozwiązanie. Wiele innych europejskich narodów morskich również było zaangażowanych w próbę rozwiązania tego problemu, który dotknął ich wszystkich, a wysiłek ten stał się jednym z największych przedsięwzięć naukowych, jakie kiedykolwiek podjęto. O dziwo, wygrał chronometr. Zegarmistrz John Harrison (1693-1776) wykonał serię zaskakująco wyrafinowanych i kompaktowych chronometrów, dokładnych do 5 s w ciągu 80 dni, a po transatlantyckich próbach swojego najlepszego chronometru w 1764 roku ostatecznie zdobył nagrodę. Wiele czasu i wysiłku poświęcono na stworzenie ulepszonych katalogów gwiazd, podając ich pozycje i jasności, aby zapewnić nawigatorom na morzu dokładny katalog gwiazd. Królewskie Obserwatorium w Greenwich zostało założone w tym celu w 1675 r., a pierwszym wynikiem był katalog 3000 gwiazd opublikowany w 1725 r. Aby ułatwić określenie długości geograficznej za pomocą Księżyca, w 1766 r. pojawił się pierwszy z corocznych almanachów morskich. Podobne prace prowadzono w innych krajach. Kiedy chronometry zostały wybrane jako preferowana metoda określania długości geograficznej na morzu, obserwatoria założone w głównych portach na całym świecie zapewniały nawigatorom dokładną astronomiczną kalibrację ich chronometrów przed wypłynięciem w morze. Kilka innych katalogów zostało przygotowanych w celach czysto naukowych. William Herschel (1738-1822) wykonał 2-metrowy teleskop "podwórkowy" do poszukiwania "gwiazd podwójnych" (gwiazd znajdujących się blisko siebie na niebie) i opublikował katalogi setek z nich w latach 1782-1784. Był w stanie potwierdzić, że są to gwiazdy podwójne krążące pod wpływem wzajemnego przyciągania grawitacyjnego. Później zbudował teleskop zwierciadlany o długości 6 m, aby badać niebo w poszukiwaniu mgławic (rozproszonych obszarów światła) i gromad gwiazd, a skończył z katalogami klasyfikującymi tysiące z nich. Jego pracę kontynuował jego syn John (1792-1871), a połączone wysiłki zaowocowały powstaniem New General Catalog zawierającego 7840 obiektów głębokiego nieba, opublikowanego w 1888 roku. Natura mgławic była niepewna - czy wszystkie odległe gromady gwiazd udają pojedyncze rozproszone obiekty? William Parsons (1800-1867), 3. hrabia Rosse, zbudował gigantyczny teleskop z lustrem o średnicy 1,8 m, aby odpowiedzieć na to pytanie w 1845 roku. Okazało się, że niektóre mgławice mają strukturę spiralną i rozdzielił gwiazdy w Mgławicy Oriona , ale ostatecznie nie dał ostatecznej odpowiedzi co do natury mgławic - na spektroskopię trzeba było poczekać. Spektroskopia po raz pierwszy stała się narzędziem w XIX wieku. W 1802 r. William Wollaston (1766-1828) powtórzył słynny eksperyment Newtona ze światłem słonecznym, ale zamiast otworka użył wąskiej szczeliny o szerokości 1,3 mm i ku swemu zdziwieniu znalazł w widmie siedem ciemnych linii. Niemiecki optyk Joseph Fraunhofer (1787-1826) wynalazł spektroskop w 1814 roku, a wraz z nim odkrył jasną pomarańczową linię w widmie ognia i 576 ciemnych linii w widmie słonecznym. Do 1859 roku dwaj inni Niemcy, Wilhelm Bunsen (1811-1899) i Gustav Kirchhoff (1824-1887), ustalili, że gorące ciała stałe i ciecze wytwarzają widmo ciągłe (bez linii), podczas gdy świecące gazy tworzą widmo z jasnymi liniami. W 1864 roku astronom William Huggins (1824-1910) odkrył, że jedna z mgławic ma jasne widmo, co dowodzi, że "prawdziwe" mgławice gazowe istnieją. Później odkryto, że gdy przez gaz przechodziło widmo ciągłe, pojawiały się ciemne linie charakterystyczne dla tego gazu. W astronomii te linie, jasne i ciemne, są liniami emisyjnymi i absorpcyjnymi z powodu atomów w gwiazdach i mgławicach - tych samych atomów, które obserwujemy tutaj na Ziemi. Dlatego możemy wykorzystać naszą wiedzę o atomach, które obserwujemy w laboratorium, aby określić, z czego zbudowane są odległe gwiazdy i mgławice! Odwrotna sytuacja również jest prawdziwa. Podczas zaćmienia Słońca w 1868 roku Pierre Jansen (1824-1907) i Norman Lockyer (1836-1920) zaobserwowali w widmie Słońca nieznany wzór linii. Lockyer sądził, że musi to być spowodowane jakimś nieznanym jeszcze pierwiastkiem, który nazwał "helem" (od greckiego Helios: Słońce). Hel został następnie zidentyfikowany na Ziemi 27 lat później, w 1895 roku. Udowodniono więc, że tak jak prawa grawitacji Newtona obowiązują zarówno na Ziemi, jak i w kosmosie, to samo dotyczy fizyki atomowej. Materia w odległym wszechświecie jest taka sama jak materia na Ziemi! Oszałamiająca rewelacja. Dwie nowe planety zostały dodane do pierwotnych sześciu w XVIII i XIX wieku, jedna przypadkowa odkryta, a druga prognoza oparta na mechanice newtonowskiej. Odkrycia dokonał w 1781 roku William Herschel podczas serii obserwacji za pomocą swojego dużego teleskopu. Znalazł niezwykły obiekt, którym okazała się planeta Uran. Jest prawdopodobne, że Uran był obserwowany kilka razy wcześniej (nawet przez Hipparcha w 128 r. p.n.e.), ale nie został rozpoznany jako planeta. Dalsze obserwacje wykazały, że jego ruch odbiega od prostej orbity planetarnej. Rozważono możliwe przyczyny i wywnioskowano, że najprawdopodobniej perturbacje grawitacyjne wywołane przez inny masywny obiekt. Obliczenia przeprowadzone zarówno w Anglii, jak i we Francji przewidziały położenie tego obiektu, a obserwacje z 1846 r. znalazły go i ujawniły, że rzeczywiście była to inna planeta - Neptun. Kolejny oszałamiający sukces fizyki Newtona. A co z gwiazdami? Do czasu rewolucji naukowej astronomowie postrzegali gwiazdy jako część zewnętrznej sfery niebieskiej, niezmienną zarówno pod względem położenia, jak i jasności. Jednak w 1572 Tycho odkrył supernową nagle pojawiającą się jasno na niebie, a następnie stopniowo zanikającą, i zdał sobie sprawę, że mimo wszystko gwiazdy mogą nie być tak nieciekawe. W swojej wpływowej siedemnastowiecznej kosmologii René Descartes (1596-1650) zaproponował, że gwiazdy są świecącymi obiektami, takimi jak nasze Słońce, tylko znacznie bardziej odległymi i rozproszonymi po całym wszechświecie. Ta nowa koncepcja otworzyła zupełnie nowy kierunek studiów. Czy gwiazdy się poruszają? Czy różnią się jasnością? Jak są rozmieszczane w przestrzeni? Aby odpowiedzieć na pierwsze pytanie, Halley pracował z wczesną wersją katalogu gwiazd Royal Greenwich Observatory i porównał pozycje gwiazd z tymi z mniejszego katalogu sporządzonego przez Hipparcha w II wieku p.n.e. W 1718 r. odkrył, że w kilku przypadkach różnice w pozycjach były znacznie większe niż rozmiar kątowy Księżyca na niebie. Było to znacznie większe, niż można by to wytłumaczyć błędami w starożytnym katalogu, wskazującymi, że gwiazdy faktycznie się poruszały - kolejny przekonujący dowód przeciwko sferze niebieskiej gwiazd stałych. Obserwowana rotacja plam słonecznych sugerowała możliwość, że inne gwiazdy również mogą się obracać, a w rezultacie mogą różnić się jasnością pozorną. Ale oprócz nowych (gwiazd, które rozjaśniają się nagle i na krótko, czego skrajnym przykładem była "supernowa" odkryta przez Tycho), oczekiwane zmiany byłyby niewielkie i trudne do wykrycia za pomocą ówczesnych teleskopów. Niemniej jednak w XVIII wieku odkryto, że niektóre gwiazdy wykazują znaczne różnice, w jednym przypadku z powodu zaćmienia, a w innym przypadku z powodu pulsacji - jedna z tak zwanych "cefeid", które miały odegrać kluczową rolę w XX wieku. kosmologia. Ale ogólnie rzecz biorąc, właściwe badanie naukowe takich zmian jasności musiało poczekać na późniejsze zmiany. Jak daleko są gwiazdy? W modelu heliocentrycznym Ziemia okrąża Słońce każdego roku, a więc co pół roku znajduje się po przeciwnych stronach swojej orbity, a obserwacje danej gwiazdy pokażą ją pod różnymi kątami - będzie się wydawało, że się przesunęła (tzw. "roczna paralaksa"). Fakt, że efekt ten był zbyt mały, aby można go było zaobserwować, oznaczał, że gwiazdy musiały znajdować się w bardzo dużych odległościach, jak argumentowali zarówno Arystarch, jak i Kopernik. Na początku XVIII wieku ulepszone próby pomiaru paralaksy sprawiły, że odległość do gwiazd wyniosła ponad 0,4 miliona AU. Innym podejściem do szacowania odległości gwiazd było założenie, że Słońce jest typową gwiazdą i porównanie jego jasności z jasnością gwiazd. Ponieważ pozorna jasność obiektu jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu jego odległości od nas, odległości do gwiazd można określić na podstawie odległości Ziemi od Słońca. W ten sposób Christiaan Huygens (1629-1695) oszacował, że gwiazda Syriusz (najjaśniejsza na niebie) jest oddalona od nas o 28 000 AU. Newton użył wariantu tej metody, dając Syriuszowi milion AU od nas. Nie był daleko - teraz wiemy, że Syriusz jest oddalony o 0,54 miliona AU. Ale świętym Graalem w określaniu odległości gwiazd nadal było dokonywanie bezpośrednich pomiarów gwiezdnych paralaks. Wymagało to precyzyjnego pomiaru zmian pozornej pozycji "pobliskiej" gwiazdy w stosunku do tła odległych gwiazd w związku z ruchem orbitalnym Ziemi wokół Słońca. Efekty są bardzo małe (ułamki "sekundy łuku", czyli około jednej dwutysięcznej średnicy Księżyca) i trzeba było zmierzyć się z kilkoma komplikacjami. Ale w końcu, po ponad stu latach wysiłków kilku astronomów, w 1838 roku Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846) doniósł o przekonującym pomiarze gwiazdy z paralaksą 0,3 sekundy łuku, co sugeruje odległość 10 lat świetlnych. To tylko jedna z najbliższych gwiazd, a jej światło potrzebuje 10 lat, aby do nas dotrzeć! Wreszcie astronomowie zaczęli zdawać sobie sprawę z niesamowitych rozmiarów wszechświata. Te wczesne pomiary musiały być wykonane na oko, a to był powolny biznes. Do roku 1900 znanych było tylko około 60 paralaks, ale to wystarczyło, aby uzyskać przydatne statystyki dotyczące właściwości gwiazd. Dysponując odległością i pozorną (obserwowaną) jasnością gwiazdy, można było określić jasność rzeczywistą (wewnętrzną). Używając klisz fotograficznych do rejestrowania obrazów i widm gwiazd, stało się możliwe określenie ich koloru i kompozycji. Kolejnym ważnym parametrem była masa gwiazdy. Te informacje uzyskano z badań gwiazd podwójnych - par gwiazd krążących wokół siebie. Obserwacje spektroskopowe podają prędkości obu gwiazd z wykorzystaniem efektu Dopplera. Masy gwiazd w układzie podwójnym można następnie obliczyć za pomocą fizyki Newtona. Dzięki tym składnikom stało się możliwe badanie fizyki gwiazd - narodziła się astrofizyka. Istotny związek między dwoma parametrami gwiazdy został odkryty niezależnie w 1910 roku przez dwóch astronomów, Duńczyka Ejnara Hertzsprunga (1873-1967) i Amerykanina Henry′ego Norrisa Russella (1877-1957). Parametrami są jasność gwiazdy i jej kolor (wskazujący na jej temperaturę). Wykres pokazujący tę zależność nazywa się diagramem H-R i pozostaje jednym z najważniejszych narzędzi w badaniu gwiazd. Większość gwiazd leży w tak zwanym "ciągu głównym", z gorącymi, masywnymi gwiazdami na jednym końcu i chłodnymi, małomasywnymi gwiazdami na drugim. Odchodzą od ciągu głównego w charakterystyczny sposób, gdy się starzeją, więc całe życie całych klas gwiazd można prześledzić na diagramie H-R. Samo Słońce jest przeciętną gwiazdą i leży w środku ciągu głównego. Diagram H-R dał astrofizykom potężne narzędzie do zrozumienia ewolucji gwiazd. Mając dostępne odległości, w zasadzie cały wszechświat można odwzorować w trzech wymiarach. Jaka jest jego struktura? Newton uważał, że liczba gwiazd może być nieskończona i że są one równomiernie rozmieszczone w przestrzeni; każda gwiazda byłaby w spoczynku i pozostawałaby w takim stanie, ponieważ jest przyciągana równo ze wszystkich stron przez przyciąganie grawitacyjne wszystkich pozostałych. Być może zdecydował się zignorować najbardziej oczywistą, wielkoskalową cechę nocnego nieba, Drogę Mleczną, która składa się z ogromnej liczby gwiazd, a może nie był tego świadomy, ponieważ nie jest ona zbyt widoczna na półkuli północnej. W rzeczywistości, w 1750 roku angielski astronom Thomas Wright (1711-1786) zaproponował, że Droga Mleczna to duży dysk gwiazd, który widzimy z boku, ponieważ nasz Układ Słoneczny jest w nim osadzony. Załóżmy jednak, że wszechświat jest znacznie większy i (średnio) jednolity w największych skalach. Idea nieskończonej liczby niezmiennych gwiazd w wiecznym wszechświecie nieskończonym w przestrzeni i czasie napotyka na trudności, jak różni ludzie zauważyli na przestrzeni wieków. Dziś na zauważenie tego paradoksu zasługuje Wilhelm Olbers (1758-1840). Paradoks Olbersa stwierdza, że fakt, że niebo jest ciemne w nocy, wyklucza nieskończony i wieczny wszechświat zawierający nieskończoną liczbę niezmiennych gwiazd. Powodem jest to, że w takim wszechświecie gwiazdy (które mają skończone rozmiary) nakładałyby się na siebie w każdej linii widzenia, więc całe nocne niebo byłoby tak samo jasne jak powierzchnia Słońca we wszystkich kierunkach. Ten paradoks utrzymywał się aż do dwudziestego wieku, kiedy to ostatecznie rozwiązał go niezwykły rozwój kosmologii. To Albert Einstein (1879-1955) stworzył matematyczną i fizyczną teorię przestrzeni, czasu i materii, która jest używana do dziś. Po ukończeniu swojej specjalnej teorii względności z 1905 roku , Einstein miał wielką ambicję poszerzenia swojej teorii o ogólną teorię względności, która obejmowałaby przyspieszenie i grawitację; szczególna teoria i prawa Newtona byłyby szczególnymi przypadkami tej ogólnej teorii. Jego głównym spostrzeżeniem było uświadomienie sobie, że nie ma różnicy między przyspieszeniem a grawitacją - są one równoważne. Potrzebował zaawansowanej matematyki, aby stworzyć swoją ogólną teorię, i znalazł je w pracach dziewiętnastowiecznego matematyka Bernharda Riemanna (1826-1866), który opracował geometrię zakrzywionych powierzchni w wielu wymiarach. W ogólnej teorii względności Einsteina przestrzeń i czas są traktowane jako jedna "czasoprzestrzeń", która oddziałuje z materią. Obecność materii zakrzywia czasoprzestrzeń, więc mówi się o "zakrzywionej przestrzeni". Po błyskotliwych i wyczerpujących wysiłkach Einstein w końcu opublikował swoją teorię w 1916 roku. Zrozumiałe, że pragnął, aby jego nowa teoria miała jakieś podstawy empiryczne. W XIX wieku zdano sobie sprawę, że prawa Newtona nie wyjaśniają dokładnie obserwowanego postępu peryhelium Merkurego; istniała rozbieżność 43 sekund kątowych na wiek. Zaproponowano różne wyjaśnienia, w tym zakłócenie przez jakieś małe, niewidoczne ciało lub gładki rozkład nieznanej "ciemnej materii". Jak się okazało, nie jest wymagana żadna nieznana sprawa; Einstein wykazał, że jego teoria całkowicie wyjaśnia tę rozbieżność. Zaproponował także dwa inne testy swojej teorii: zaginanie światła przez potencjał grawitacyjny Słońca i przesunięcie ku czerwieni światła w silnym polu grawitacyjnym. Na początku XIX wieku było wiadomo, że zaginanie światła przez masywny obiekt jest przewidziane przez teorię grawitacji Newtona. Korpuskuły światła z odległej gwiazdy przesuwającej się tuż przy powierzchni Słońca zostałyby odchylone o około 0,9 sekundy kątowej. W swojej pracy z 1916 roku Einstein wykazał, że ogólna teoria względności przewiduje dwa razy większe odchylenie i zaproponował dokonanie pomiaru. Pomimo szalejącej wówczas wojny, dowiedział się o tym angielski astrofizyk Arthur Eddington (1882-1944), który zaproponował Królewskiemu Towarzystwu plany obserwowania zaćmienia Słońca, które miałoby nastąpić w 1919 roku. Najpierw sfotografował zaćmienie, pokazując otaczające pole gwiazd, a następnie (w nocy, miesiące później) sfotografował ten sam obszar nieba ze Słońcem na uboczu. Porównanie dwóch fotografii powinno ujawnić, że gwiazdy znajdujące się najbliżej tarczy Słońca podczas zaćmienia wydają się przesunięte w kierunku na zewnątrz Słońca. Stwierdzono, że przesunięcia były dokładnie takie, jakie przewidział Einstein. To trafiło na pierwsze strony gazet na całym świecie. Einstein, co zrozumiałe, chciał zastosować swoją ogólną teorię do największego ze wszystkich bytów - wszechświata - co zrobił w artykule z 1917 roku. Wiedział, że wśród astronomów panuje obecnie pogląd, że wszechświat jest statyczny. Potwierdzały to stosunkowo niewielkie ruchy nawet najodleglejszych gwiazd. Jednak zgodnie z jego równaniami wszechświat nie mógł być statyczny - musiał się rozszerzać lub kurczyć. Ale potem zdał sobie sprawę, że proste dodanie stałej (nazywanej teraz stałą kosmologiczną) do jego równań może sprawić, że wszechświat stanie się statyczny. Włączył stałą i opublikował swoją pracę. Później zorientuje się, jaki to był ogromny błąd. W międzyczasie postępowały ważne prace nad obserwacjami gwiazd zmiennych, które odegrają kluczową rolę w odkryciach odległego Wszechświata. Henrietta Swan Leavitt (1868-1921) pracowała w zespole z Harvardu badając klasę gwiazd zwaną "zmiennymi cefeidami", które zostały zaobserwowane w "chmurze" gwiazd znanym jako Mały Obłok Magellana (SMC). Znalezienie tych gwiazd na wielu płytach fotograficznych było żmudnym procesem. Wszystkie cefeidy przechodzą regularne cykle rozjaśniania i ściemniania, trwające od 1 do 70 dni. Ostatecznie Leavitt odkryła, że jaśniejsze cefeidy mają dłuższe okresy. Do roku 1912 miała wystarczająco dużo danych o 25 cefeidach, aby wyrazić tę zależność jasności od okresu w matematycznym wzorze. Zdała sobie sprawę, że powodem, dla którego ten związek jest tak wyraźny, jest to, że SMC jest tak daleko, że wszystkie gwiazdy znajdują się w przybliżeniu w tej samej odległości od nas. Tak więc związek jest w rzeczywistości między okresem a wewnętrzną jasnością. Było to spektakularne odkrycie, umożliwiające pomiar odległości kosmicznych. Wystarczyło znaleźć odległości do kilku cefeid w naszym sąsiedztwie (metodą paralaksy), aby można było określić ich jasność wewnętrzną. Wtedy wewnętrzne jasności wszystkich innych cefeid można wywnioskować z zależności okres-światło. W ten sposób możliwe stało się określenie odległości odległych cefeid już na podstawie pomiarów ich okresów i pozornych jasności. Możemy mierzyć odległości do odległych gwiazd i galaktyk! Herzsprung jako pierwszy zmierzył odległości do pobliskich cefeid w 1913 roku. Jego kalibracja wskazywała, że odległość do SMC wynosi 30 000 lat świetlnych! (Teraz wiemy, że odległość, skorygowana o wyginięcie przez pył, w rzeczywistości wynosi 197 000 lat świetlnych). Ta praca nad cefeidami pojawiła się w samą porę, aby wykorzystać dane z największych teleskopów na świecie, najpierw 1,5-metrowego reflektora na Mount Wilson w Kalifornii, a następnie 2,5-metrowego teleskopu Hooker na tej samej górze, ukończonego w 1918 roku. Harlow Shapley (1865-1972) był pierwszym, który zmierzył "Galaktykę Drogi Mlecznej" tymi teleskopami przy użyciu cefeid. Powszechnie uważano, że Droga Mleczna dominuje we wszechświecie, a Słońce znajduje się w centrum tego dysku gwiazd, ale wykazał, że centrum Drogi Mlecznej jest w rzeczywistości oddalone od nas o około 30 000 lat świetlnych i oszacował że sama Droga Mleczna ma około 300 000 lat świetlnych średnicy. Istniały inne rozproszone plamy światła, ale wielu uważało, że są to tylko satelity Drogi Mlecznej lub mgławice gwiezdne lub gazowe w Drodze Mlecznej. Niektórzy inni, w szczególności Amerykanin Heber Curtis (1872-1942), uważali, że mogą to być odległe galaktyki w rozległym wszechświecie galaktyk, z których nasza Droga Mleczna jest tylko jedną. Edwin Hubble (1889-1953) przybył na Mount Wilson w samą porę, aby dokonać jednych z największych odkryć, jakie kiedykolwiek dokonano na temat wszechświata. Studiował matematykę i astronomię na Uniwersytecie w Chicago i był jednym z pierwszych stypendystów Rhodesa w Oksfordzie. Studiował także prawo, ale nie kontynuował tej kariery. W wieku 25 lat rozpoczął studia magisterskie z astronomii w Yerkes Observatory na Uniwersytecie w Chicago, a doktorat obronił w 1917 roku. Następnie wstąpił do armii amerykańskiej, ale było za późno na walkę. Po roku spędzonym w Cambridge przeniósł się na stanowisko pracownika w Obserwatorium Mount Wilson, gdzie pozostał do końca życia. W 1925 Hubble był w stanie rozdzielić pojedyncze gwiazdy w mgławicy spiralnej (Mgławica Andromedy, obecnie znana jako Galaktyka Andromedy). Zidentyfikował kilka cefeid w mgławicy i był w stanie określić ich odległość na około 900 000 lat świetlnych. Samo w sobie było to ważne odkrycie, ponieważ pokazało, że przynajmniej niektóre z mgławic spiralnych są w rzeczywistości odległymi galaktykami. Następnie znalazł cefeidy w kilku innych podobnych mgławicach spiralnych i ponownie wskazano duże odległości. Przesunął granice teleskopu, aby znaleźć najbardziej odległe galaktyki dostępne w tym czasie. Stało się jasne, że istnieje związek między odległością do galaktyki a jej przesunięciem ku czerwieni. Vesto Slipher (1875-1969) pracował w Obserwatorium Lowella i mógł uzyskać przesunięcie ku czerwieni, ale nie odległości. Odkrył, że 39 z jego mgławic miało przesunięcie ku czerwieni, podczas gdy tylko dwie miały przesunięcie ku niebieskiemu. Naturalną interpretacją tych wyników było to, że większość mgławic szybko się od nas oddala. W 1927 r. belgijski ksiądz i astronom Georges Lemaître (1894-1966) opublikował artykuł, w którym wyprowadził i wyjaśnił związek między odległością a prędkościami recesji galaktyk w kategoriach wszechświata rozszerzającego się od początku (w tym celu wykorzystał ogólną teorię Einsteina teorii względności, ale bez założenia, że wszechświat jest statyczny). Ale to lepsze wyniki Hubble′a w 1929 roku najlepiej pokazały prosty fakt, że przesunięcie ku czerwieni galaktyki jest proporcjonalne do jej odległości od nas, która wywarła największy wpływ. Był to oszałamiający wynik i stał się znany jako Prawo Hubble′a. Cały wszechświat się rozszerza! Kiedy Einstein usłyszał o rozszerzającym się wszechświecie, powiedział, że wstawienie stałej kosmologicznej było "największym błędem w moim życiu" i z niesmakiem usunął ją ze swoich równań w 1931 roku. Jeśli zostawiłby swoje równania w ich oryginalnej formie, zostałyby uznane za przewidywanie ekspansji wszechświata - wielkie odkrycie. Niemniej jednak jego ogólna teoria względności stała się teoretyczną i matematyczną ramą dla rozszerzającego się wszechświata, a wielce oczerniana stała kosmologiczna miała powrócić w późniejszym kontekście pod koniec stulecia. Długoletnią tajemnicą na przestrzeni wieków było to, jak świecą gwiazdy. Jakie jest ich cudowne źródło energii i jak mogą działać tak długo? Pod koniec dziewiętnastego wieku doszło do konfliktu między ogromnymi skalami czasowymi, które wydawały się wymagane dla geologii i ewolucji z jednej strony, a krótkimi czasami życia przewidywanymi dla gwiazd przez fizyków z drugiej. William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907) założył, że energia Słońca pochodzi z jego energii grawitacyjnej przekształcanej w ciepło, gdy powoli kurczy się pod własnym ciężarem, i oszacował wiek Słońca na około 30 milionów lat. Ale przed końcem dziewiętnastego wieku fizycy odkryli radioaktywność, możliwe źródło stałej produkcji energii słonecznej, chociaż czasy życia nadal okazywały się zbyt krótkie. Niemniej jednak pomysł, że może być zaangażowany jakiś proces subatomowy, zyskiwał na popularności. Biorąc pod uwagę rozwój fizyki subatomowej i słynne równanie Einsteina E = mc2 (pokazujące równoważność masy i energii) na początku XX wieku, Eddington był w stanie stwierdzić w 1920 roku, że energia subatomowa w materii jest prawie niewyczerpana i wystarczająca aby zaopatrywać Słońce przez 15 miliardów lat. Energia pochodzi z faktu, że masa atomu helu jest mniejsza niż całkowita masa czterech atomów wodoru, które tworzą go, więc energia jest uwalniana przez "spalanie" reakcji syntezy jądrowej wodoru w hel. Ważna realizacja nastąpiła pod koniec lat 20., kiedy Albrecht Unsold (1905-1995) i William McCrea (1904-1999) ustalili ogromną przewagę atomów wodoru na Słońcu w porównaniu z innymi pierwiastkami. Kluczowe interakcje w procesie syntezy jądrowej zostały zidentyfikowane przez wielu fizyków pod koniec lat 30. XX wieku, w szczególności Hansa Bethe′a (1906-2005) i Carla von Weizsackera (1912-2007). Badania te skorzystały również z wojennych wysiłków zmierzających do opracowania broni jądrowej, a później reaktorów jądrowych. Ale już na początku lat pięćdziesiątych uważano, że nic nie może powstrzymać centralnego kolapsu gwiazdy pod koniec spalania wodoru. Pogląd ten został całkowicie zmieniony w 1952 roku, kiedy Edwin Salpeter (1924-2008) pokazał, jak może przebiegać spalanie helu, prowadząc do powstania "cięższych" pierwiastków (tych z większą ilością protonów w jądrach, takich jak węgiel, tlen i neon). Ten przełom miał poważne implikacje nie tylko dla ewolucji gwiazd, ale także dla kosmologii, a nawet życia we wszechświecie. Ale to wciąż nie była cała historia. Dwa lata później Fred Hoyle (1915-2001) wykazał, że mechanizm Salpetera nie będzie wystarczająco szybki, aby dać obserwowane proporcje ciężkich pierwiastków, i przewidział kluczowy "rezonans" w jądrze węgla-12, który został następnie znaleziony w przewidywana energia. Droga do tworzenia ciężkich elementów była teraz jasna. Wreszcie w 1957 r. ostateczną pracę przeglądową na temat budowy pierwiastków w gwiazdach opublikowali Margaret Burbidge (1919-2020), Geoffrey Burbidge (1925-2010), William Fowler (1911-1995) i Fred Hoyle. Ustalono więc, jak świecą gwiazdy i że prawie wszystkie elementy są zrobione w gwiazdach. Same atomy w naszych ciałach powstały z gwiazd! Ale ten normalny proces nukleosyntezy w zwykłych gwiazdach wytwarza tylko pierwiastki do żelaza. Elementy cięższe od żelaza (takie jak miedź, srebro, złoto i uran) trzeba było wykonać w inny sposób. Ostatecznie odkryto, że krótkie, ale niezwykle energetyczne oddziaływania powstające w wybuchach supernowych mogą wytworzyć te cięższe pierwiastki w odpowiedniej ilości. Coraz bardziej wyrafinowane modele komputerowe mogą szczegółowo śledzić te interakcje, ale dane obserwacyjne były trudne do zdobycia, ponieważ supernowe są rzadkie, a większość z nich jest odległa. Na szczęście w 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana, bliskim sąsiedztwie naszej Galaktyki, nastąpiła eksplozja supernowej; była to najbliższa supernowa od czasów Galileusza. Uzyskano mnóstwo szczegółowych danych obserwacyjnych przy użyciu szerokiej gamy najpotężniejszych teleskopów i satelitów. Teraz nawet supernowe zostały dobrze zrozumiane. Wracając do odkrycia Hubble′a z 1929 r., George Gamow (1904-1968) i jego koledzy Ralph Alpher (1921-2007) i Robert Herman (1914-1997) poważnie potraktowali ekspansję wszechświata pod koniec lat 40. XX wieku i opracowali możliwe konsekwencje wczesny wszechświat był w bardzo gęstym, a zatem bardzo gorącym stanie (co Hoyle żartobliwie nazwał "Wielkim Wybuchem"). Jedną z ważnych konsekwencji było to, że doprowadziłoby to do powstania lekkich pierwiastków we wszechświecie - wodoru, deuteru, helu i litu. Artykuł ogłaszający tę ważną przepowiednię został opublikowany przez Alphera i Gamowa w 1948 r., a przewidywane liczebności zostały następnie potwierdzone przez obserwacje. Inną konsekwencją wczesnej gorącej fazy byłaby obecność zanikającej poświaty. Promieniowanie ochłodziłoby się wraz z rozszerzaniem się wszechświata i zostałoby przesunięte ku czerwieni do znacznie większych długości fal. W 1948 r. Alpher i Herman obliczyli, że będzie teraz tak zimno jak 5 K (5° powyżej "zera absolutnego", czyli -268 C) i będzie wykrywalne na falach milimetrowych. W 1964 r. dwóch radioastronomów, Arno Penzias (1933-) i Robert Wilson (1936-) używało anteny, która została pierwotnie zaprojektowana do satelitarnej komunikacji radiowej w Bell Laboratories, aby dokładnie zmierzyć emisję ze źródeł radiowych i tła nieba. Musieli zidentyfikować i usunąć wszystkie obce szumy ze swoich danych i po dużym wysiłku (delikatnie usunęli nawet dwa gołębie i ich odchody z anteny), pozostawiono im stały szum 3,5 K, sto razy większy niż oczekiwano. i stały na całym niebie. W tym samym czasie astrofizycy Robert Dicke (1916-1997), Jim Peebles (1935-) i David Wilkinson (1935-2002) przygotowywali się do poszukiwania poświaty Wielkiego Wybuchu na oddalonym o 40 km Uniwersytecie Princeton. Kiedy Penzias został poinformowany o pracy w Princeton, zadzwonił do Dicke i zdali sobie sprawę, że Penzias i Wilson przypadkowo odkryli Kosmiczne Tło Mikrofalowe (CMB), jak to się nazywa. Było to ogromne odkrycie, uważane za ostateczny dowód na korzyść modelu Wielkiego Wybuchu. CMB był następnie obserwowany przez trzy główne statki kosmiczne (COBE, WMAP i Planck) oraz wiele eksperymentów naziemnych i balonowych, a jego właściwości okazały się być skarbnicą informacji o właściwościach wielkoskalowych i pochodzeniu wszechświata. CMB ma bardzo szczególne widmo - jest to najdoskonalsze widmo "ciała doskonale czarnego" znane człowiekowi, a ta cecha praktycznie potwierdza, że jest to poświata Wielkiego Wybuchu. Jest jednolita na niebie z dokładnością do jednej części na 100 000. A jednak zawiera słabe odciski galaktyk embrionalnych, widzianych jako zaledwie 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. Ale w ciągu ostatniego stulecia pojawiły się dwie główne tajemnice dotyczące wszechświata, które nie zostały jeszcze rozwiązane. W latach trzydziestych szwajcarski astronom Fritz Zwicky (1898-1974) badał ruchy najbardziej zewnętrznych członków gromady galaktyk i odkrył, że poruszają się one znacznie szybciej niż oczekiwano z fizyki newtonowskiej: ich ruchy powinny były wyrzucić je z gromady. ale gromada jest wyraźnie nienaruszona. Zwicky postawił hipotezę, że w gromadzie i wokół niej może znajdować się duża ilość niewidocznej materii, która zapewnia wystarczającą masę grawitacyjną, aby utrzymać gromadę w stanie nienaruszonym. Prace Very Rubin (1928-2016) i innych z lat 60. i 70. XX wieku wykazały coś podobnego w prędkościach gwiazd i gazu w zewnętrznych obszarach galaktyk. Najbardziej zewnętrzne gwiazdy i gaz mogłyby pozostać na miejscu tylko wtedy, gdyby galaktyki były otoczone gigantycznymi, masywnymi "halo" niewidocznej "ciemnej materii". Inne linie dowodowe wskazywały w tym samym kierunku. Teraz jest jasne, że całkowita masa ciemnej materii w naszym wszechświecie jest ponad pięciokrotnie większa od masy zwykłej materii, o której wiemy. Zwykła materia jest po prostu "pianą" na ogromnym, niewidzialnym oceanie ciemnej materii. Przeprowadzono wiele badań i poszukiwań, wskazując, że brakująca masa musi mieć jakąś egzotyczną formę, taką jak cząstki elementarne, o których jeszcze nie wiemy. Brakuje nam jednego z głównych składników wszechświata. Teraz mamy też "ciemną energię". W latach 90. dwie duże grupy astronomów kierowane przez Saula Perlmuttera (1959-), Briana Schmidta (1967-) i Adama Riessa (1969-) wykorzystywały odległe supernowe do wykrywania długo poszukiwanego parametru spowolnienia Wszechświata (wszystkie materia we wszechświecie powoduje spowolnienie ekspansji z powodu przyciągania grawitacyjnego). Zamiast tego w 1997 roku odkryli, że ekspansja wszechświata przyspiesza. Zostało to przypisane tajemniczej "ciemnej energii", która ma odpychającą siłę w całym wszechświecie (podobną do stałej kosmologicznej wprowadzonej przez Einsteina w 1916 r.). Materia i energia są równoważne zgodnie z Einsteinem E = mc2; ciemna energia, ciemna materia i zwykła materia stanowią odpowiednio 68%, 27% i 5% całkowitej masy-energii Wszechświata. Więc teraz okazuje się, że nie wiemy, z czego składa się 95% wszechświata. Ale pomimo ciągłych tajemnic ciemnej materii i ciemnej energii, właściwości naszego wszechświata na dużą skalę zostały teraz dość dokładnie zmierzone i mówi się, że żyjemy w erze "kosmologii precyzyjnej". Właściwości te doprowadziły do niezwykłych nowych hipotez dotyczących pochodzenia naszego wszechświata i możliwości istnienia innych "wszechświatów" - być może nieskończonej ich liczby. W 1979 roku Alan Guth (1947-) zastanawiał się nad pewnymi problemami w standardowym modelu Wszechświata Wielkiego Wybuchu. Zdał sobie sprawę, że wszystkie można by rozwiązać, gdyby nasz wszechświat doświadczył krótkiego okresu hiperekspansji na bardzo wczesnym etapie swojego istnienia. Stało się to bardzo popularną hipotezą, którą zaczęto nazywać "kosmologią inflacyjną". Od tego był mały krok do zasugerowania, że ten epizod inflacyjny nie był w rzeczywistości częścią Wszechświata Wielkiego Wybuchu, ale że był przyczyną Wielkiego Wybuchu. Ta i inne idee doprowadziły do koncepcji "wieloświata", w którym wszechświaty powstają cały czas w wyniku spontanicznych zdarzeń kreacji w nieskończonej "kwantowej próżni". Obecnie trwają poszukiwania jakichkolwiek dowodów dotyczących tych hipotez. Wreszcie wracamy do punktu, w którym zaczęliśmy w tej sekcji: układu słonecznego. Ponieważ wiemy o jednej gwieździe otoczonej planetami (nasz układ słoneczny), rozsądne jest pytanie, czy mogą istnieć inne. Znalezienie planet krążących wokół innych gwiazd może wydawać się zadaniem niewykonalnym, ponieważ gwiazdy są o wiele jaśniejsze niż planety. Jednak w ramach jednego z największych odkryć astronomicznych w ubiegłym stuleciu, pierwsza taka "planeta pozasłoneczna" krążąca wokół normalnej gwiazdy została odkryta w 1995 roku przez szwajcarskich astronomów Michela Mayora (1942-) i Didiera Queloza (1966-) przy użyciu nowatorskiej techniki. Od tego czasu odkryto ponad 3700 planet pozasłonecznych; w samej naszej galaktyce jest prawdopodobnie ponad sto miliardów. Prawie wszystkie dziedziny astronomii odniosły ogromne korzyści z wielu nowych technologii, które stały się dostępne w ciągu ostatniego stulecia. Obserwacjom udostępniono całe widmo elektromagnetyczne: pasmo radiowe, milimetrowe i optyczne (obserwowalne za pomocą teleskopów naziemnych) oraz podczerwone, ultrafioletowe, rentgenowskie i gamma (obserwowalne za pomocą teleskopów w kosmosie). Zbudowano gigantyczne teleskopy, wyposażone w ogromne, zaawansowane technologicznie instrumenty wspierane przez ogromną moc obliczeniową. Dokonano wielu odkryć, w tym kwazarów, pulsarów, radiogalaktyk, czarnych dziur, podwójnych promieni rentgenowskich, rozbłysków gamma, dżetów protogwiazdowych, maserów międzygwiazdowych, wciąż tajemniczych "szybkich rozbłysków radiowych" i wielu innych. To była bonanza. Oprócz samego widma elektromagnetycznego, we wszechświecie istnieją trzy inne okna obserwacyjne: promienie kosmiczne (cząstki energetyczne, które oddziałują z atmosferą Ziemi), neutrina (czaszki widmowe, które mogą przechodzić przez Ziemię) oraz fale grawitacyjne (zniekształcenia czasoprzestrzeni). samo). Promienie kosmiczne były badane od wielu dziesięcioleci. Prawie wszystkie są protonami i naładowanymi jądrami atomowymi, pochodzą ze Słońca i poza Układem Słonecznym i dostarczają unikalnych informacji dla fizyki fundamentalnej. Niestety, pozasłoneczne promienie kosmiczne są odchylane od swoich pierwotnych torów przez galaktyczne pola magnetyczne, więc ich źródła nie mogą być dokładnie określone. Niemniej jednak w ostatniej dekadzie współpraca ponad 400 naukowców z 69 instytutów w 16 krajach zbudowała ogromne Obserwatorium Pierre Auger w Argentynie, aby badać wysokoenergetyczne promienie kosmiczne (powyżej 1018 elektronowoltów) poprzez obserwację wytwarzanych przez nie pęków powietrza. Obserwatorium składa się z 1600 detektorów zbiorników wodnych wielkości samochodu rozmieszczonych na obszarze 3000 km2 wraz z 24 dedykowanymi teleskopami. Duży rozmiar jest wymagany, ponieważ energetyczne promienie kosmiczne są bardzo rzadkie - tylko jeden na km2 na stulecie przy najwyższych energiach. Niedawno przeanalizowano 12-letnie obserwacje rejestrujące dziesiątki tysięcy zdarzeń, a z ich ogólnego rozmieszczenia na niebie można było wywnioskować, że te ultrawysokoenergetyczne cząstki są najprawdopodobniej pozagalaktyczne - pochodzą spoza naszej galaktyki. Neutrina, w przeciwieństwie do promieni kosmicznych, mogą bez przeszkód przechodzić przez prawie wszystko, więc czuły teleskop neutrinowy może zidentyfikować ich źródła i zbadać ich fizykę. Ale właśnie dlatego, że mogą przejść przez prawie wszystko, są niezwykle trudne do wykrycia. Słońce wytwarza ogromny strumień neutrin, które wykryto w kilku eksperymentach. Przez kilkadziesiąt lat wydawało się, że liczba ta jest o połowę niższa, niż oczekiwano z teorii ("Problem neutrin słonecznych"), ale ta rozbieżność została teraz rozwiązana. Wspomniana powyżej supernowa z 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana wytworzyła ogromną liczbę neutrin (około 1058), a 19 z nich zostało wykrytych w dwóch eksperymentach w głębokich kopalniach w USA i Japonii. Tych kilka odkryć dostarczyło wielu informacji o neutrinach i zapoczątkowało astronomię neutrin. Opracowywane są coraz większe teleskopy neutrinowe. Ostatnio zupełnie inne okno na wszechświat otworzyło się wraz z odkryciem fal grawitacyjnych - zniekształcenia samej czasoprzestrzeni przez odległe zdarzenie kataklizmiczne. Ten rodzaj promieniowania przewidział Einstein w 1916 r. w swojej ogólnej teorii względności, ale nawet on wątpił, czy kiedykolwiek zostanie wykryty z powodu słabości sygnałów. Ale od lat sześćdziesiątych podejmowane są coraz bardziej wyrafinowane wysiłki. Obserwatorium laserowego interferometru grawitacyjnego (LIGO), składające się z dwóch dużych interferometrów po przeciwnych stronach Stanów Zjednoczonych, dokonało wreszcie przełomu we wrześniu 2015 roku. Bardzo specyficzny i złożony sygnał "ćwierkający" spowodowany połączeniem dwóch odległych supermasywnych czarnych dziur (29 i 36 mas Słońca) zostały jednocześnie wykryte przez dwa interferometry, co jest spektakularnie zgodne z przewidywaniami teorii Einsteina. Jeszcze kilka takich zdarzeń zostało wykrytych w ciągu następnych kilku lat przez LIGO i europejski odpowiednik o nazwie Panna; najciekawszym z nich było połączenie dwóch gwiazd neutronowych w sierpniu 2017 r. Połączenie supermasywnych czarnych dziur nie pozostawia żadnych pozostałości, ale połączenie mniej masywnych gwiazd neutronowych powoduje powstanie relatywistycznych dżetów, reakcje jądrowe i obfitość gorącego gazu - uczta promieniowanie elektromagnetyczne dla naszych bardziej konwencjonalnych obserwatoriów. Kosmiczny Teleskop Fermi Gamma-Ray NASA wykrył błysk gamma mniej niż dwie sekundy po połączeniu gwiazd neutronowych, nowy punkt świetlny na niebie został szybko zidentyfikowany przez teleskopy naziemne i ponad 70 zespołów obserwatorów na wszystkich siedmiu kontynenty pracowały przez całą dobę w szaleństwie, aby zbadać następstwa tej "kilonowej". To była rzadka okazja. Doprowadziła do prawdopodobnie największej mobilizacji astronomów w historii i zasypu artykułów, z których jeden ma tysiące współautorów. W odległości zaledwie 130 milionów lat świetlnych połączenie to było najbliższym wydarzeniem (jak dotąd) zarówno w astronomii fal grawitacyjnych, jak i promieniowania gamma. Chociaż dostarczyło to ogromnej ilości nowych informacji na temat wielu procesów astrofizycznych, dodało również dalsze potwierdzenie teorii Einsteina, która poprawnie przewidziała zarówno sygnał złożonej fali grawitacyjnej, jak i czasową koincydencję z rozbłyskiem gamma (fale grawitacyjne również podróżują). z prędkością światła). Na całym świecie i w kosmosie buduje się więcej interferometrów z falami grawitacyjnymi i nie ma wątpliwości, że fale grawitacyjne już teraz zapewniają ważne nowe okno na wszechświat.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (8)


Rewolucja naukowa

Drugi z dwóch podstawowych etapów Powstania Nauki miał miejsce w XVI i XVII wieku w Europie - Rewolucja Naukowa. Mikołaj Kopernik (1473 - 1543) urodził się w polskim mieście Toruniu. Uczęszczał na Uniwersytet Krakowski i miał kontakt z najważniejszymi dostępnymi dziełami intelektualnymi, od starożytności po współczesne dzieła tego czasu. Następnie udał się do renesansowych Włoch i studiował prawo, medycynę i klasykę na Uniwersytetach w Bolonii, Padwie i Ferrarze. W 1506 powrócił do Polski, gdzie został kanonikiem katedry we Fromborku, praktykował medycynę i do końca życia pełnił różne obowiązki cywilne. Podczas studiów miał kontakt z astronomią i zainteresował się starożytnym modelem Ptolemeusza do obliczania pozycji Słońca, Księżyca i planet. Zdał sobie sprawę z niektórych głównych niedociągnięć tego modelu, w szczególności z jego trudności z "ruchami wstecznymi" niektórych planet, jego niepowodzenia w wyjaśnieniu, dlaczego Merkury i Wenus nigdy nie zapuszczają się daleko od Słońca, jego błędnego przewidywania, że Księżyc powinien się znacznie różnić pod względem widocznej wielkości i ogólnie nieporęcznej struktury z epicyklami, deferentami i ekwantami. Zastanawiał się, czy prościej i bardziej elegancko byłoby uznać Słońce, a nie Ziemię, za centrum wszechświata. Nie był rewolucjonistą. Chciał ulepszyć, a nie zastąpić system ptolemejski; na przykład utrzymywał ruchy okrężne, które były podstawą klasycznego modelu. Ale jego heliocentryczny model natychmiast rozwiązał niektóre problemy. Specyficzne ruchy planet zewnętrznych były automatycznie wyjaśniane przez różne orbity różnych planet, gdy poruszały się one względem siebie wokół Słońca. Merkury i Wenus były bliżej Słońca niż Ziemi, co wyjaśnia, dlaczego na niebie nigdy nie pojawiają się daleko od Słońca. Księżyc był jedynym ciałem, które krążyło wokół Ziemi, co wyjaśnia, dlaczego jego widoczne rozmiary nie różnią się znacząco. Tak więc, choć prawdą jest, że model kopernikański wciąż wymagał epicykli i nie był dużo prostszy (ani dokładniejszy) niż model ptolemejski, to rozwiązał niektóre problemy i był z pewnością bardziej elegancki. Ale, podobnie jak model heliocentryczny zaproponowany przez Arystarcha ponad 1500 lat wcześniej, miał kilka własnych problemów. Najpoważniejsze było to, że obserwowane względne położenia gwiazd powinny zmieniać się wraz z orbitowaniem Ziemi wokół Słońca (po przeciwnych stronach orbity gwiazdy są widziane pod różnymi kątami). Zarówno Arystarch, jak i Kopernik odpowiedzieli, że efekt ten byłby zbyt mały do wykrycia, gdyby gwiazdy znajdowały się w bardzo dużej odległości od Ziemi. Były też "zdroworozsądkowe" kwestie: dlaczego rzeczy nie odlatują z obracającej się Ziemi, gdy porusza się ona wokół Słońca, dlaczego nie czujemy wielkiego, stałego wiatru ze wschodu, dlaczego obiekty spadają prosto na Ziemię, a nie na zachód, dlaczego ptaki nie mają więcej trudności z lotem na wschód niż na zachód, dlaczego kula armatnia pokonuje tę samą odległość na wschód lub na zachód? Odpowiedź udzielona na niektóre z tych pytań była taka, że obiekty znajdujące się na lub w pobliżu powierzchni Ziemi mają udział w jej ruchu wokół Słońca. Kopernik nie spieszył się więc z opublikowaniem swojej teorii. Poza możliwą krytyką, z którą musiałby się zmierzyć, może również okazać się wysoce niepopularny zarówno w Kościele rzymskokatolickim, jak i Kościele protestanckim, dla którego Ziemia jest na zawsze w centrum wszechświata jako kwestia dogmatu religijnego. W 1514 r. Kopernik wstępnie opublikował anonimowy traktat, który rozdał niektórym swoim najbliższym przyjaciołom. Pod koniec życia został ostatecznie przekonany do wydania książki De revolutionibus orbium coelestium (O obrotach sfer niebieskich), dedykowanej Papieżowi. Książka została wydana w 1543 roku, w roku jego śmierci. Jak na taką "rewolucyjną" książkę przez wiele dziesięcioleci poświęcano jej niewiele uwagi. Jednym z powodów było to, że była raczej techniczna. Czytali ją różni astronomowie, a jeden z nich obliczył nawet na jej podstawie nowy zestaw tablic astronomicznych. Ale dopiero w XVII wieku jego dzieło stało się sławne, a Kościół rzymskokatolicki zakazał księgi i wszelkich nauk o dziełach Kopernika - ta historia wkrótce się rozwinie. Kilkadziesiąt lat po Koperniku dostępne stały się pomiary astronomiczne o znacznie większej dokładności. Duński astronom Tycho Brahe (1546 - 1601) zbudował duże i obszerne obserwatorium na północ od Kopenhagi i przeprowadził serię obserwacji o bezprecedensowej dokładności przez okres dwóch dekad. W 1600 roku pod nowym patronem przeniósł się do Pragi i zatrudnił asystenta o nazwisku Johannes Kepler (1571 - 1630). Kepler był młodym niemieckim matematykiem, którego praca w astronomii matematycznej przyciągnęła uwagę Tycho. W przeciwieństwie do Tycho był zwolennikiem modelu heliocentrycznego. Wkrótce po przybyciu Keplera zmarł Tycho, a Kepler został mianowany szefem obserwatorium. Pracując z obszernymi danymi Tycho na przestrzeni kilku lat w kontekście modelu heliocentrycznego, Kepler odkrył swoje trzy prawa ruchu planet: planety poruszają się po eliptycznych orbitach wokół Słońca (nie okręgów), linia od Słońca do planety jest równa, obszary w równych czasach, a kwadrat okresu ruchu orbitalnego planety jest proporcjonalny do sześcianu jej średniej odległości od Słońca. Te trzy prawa dostarczyły astronomicznej podstawy dla teorii powszechnego ciążenia Newtona, która miała powstać pod koniec stulecia. W 1627 Kepler opublikował nowy zestaw tablic, Tablice Rudolfińskie, wykorzystując dokładne obserwacje Tycho, heliocentryczny model Układu Słonecznego i jego wiedzę o eliptycznych orbitach planet. Zgodność modelu z danymi obserwacyjnymi była godna uwagi; to był ogromny krok naprzód w astronomii.

Galileo Galilei (1564-1642) był jedną z kluczowych postaci rewolucji naukowej i jednym z największych naukowców w historii. Był pierwszym współczesnym naukowcem, który używał matematyki do opisywania ruchów obiektów i eksperymentów do testowania hipotez. Jego wczesne lata były mieszane - w wieku 15 lat wstąpił do klasztoru, w wieku 17 lat został studentem medycyny na uniwersytecie w Pizie, następnie zakochał się w matematyce i porzucił studia, aby zostać nauczycielem matematyki i filozofii naturalnej. Miał dociekliwy umysł, uwielbiał się kłócić i kwestionował arystotelesowską mądrość tamtych czasów. W przeciwieństwie do Arystotelesa uważał, że wszystkie przedmioty spadają z tą samą prędkością. Już w młodym wieku odkrył, że okres kołysania wahadła zależy tylko od jego długości, a nie od masy czy długości łuku. Powrócił na Uniwersytet w Pizie jako profesor matematyki w 1589 roku, a jego sława jako niezależnego i inteligentnego myśliciela stopniowo się rozprzestrzeniała. W 1592 został mianowany kierownikiem katedry matematyki na uniwersytecie w Padwie, części Republiki Weneckiej. Spędzone tam 18 lat wspominał jako najszczęśliwsze w swoim życiu. Pracował nad różnymi praktycznymi problemami, w tym fortyfikacjami wojskowymi, działaniem systemów bloczków i podstawowym kalkulatorem uniwersalnym, który wynalazł. Przeprowadził swoje słynne eksperymenty z piłkami toczącymi się po pochyłej płaszczyźnie, ustalając, że piłki o różnej masie przyspieszają w tym samym tempie pod wpływem grawitacji; wiedział, że to samo miałoby zastosowanie, gdyby kule spadały swobodnie - to tylko skrajny przypadek, w którym pochylona płaszczyzna jest pionowa. Miał "zegar wodny" jako stoper, mierzący nagromadzoną wodę pochodzącą z naczynia z otworem w dnie. Jego eksperymenty były ilościowe, w przeciwieństwie do jakościowej nauki Greków. Galileusz pomyślał o bezwładności i wyobraził sobie statek na morzu poruszający się ze stałą prędkością; wszystko na statku (rzucane piłki, spadające przedmioty) zachowuje się tak, jakby statek był w stanie spoczynku. Zastanawiał się, co sprawia, że kule armatnie lecą w powietrzu. W przeciwieństwie do Arystotelesa zasugerował, że wszystkie ciała w ruchu mają tendencję do utrzymywania tego ruchu, a ciała w spoczynku pozostają w spoczynku; stało się to prawem bezwładności i pierwszą zasadą dynamiki Newtona. Galileo badał hydrostatykę i magnetyzm. Był zwolennikiem modelu kopernikańskiego, korespondował z Keplerem i innymi naukowcami. Pokazał, że "nowa gwiazda", która nagle i zdumiewająco pojawiła się jako najjaśniejsza gwiazda na niebie w 1604 roku, nie ma żadnego obserwowalnego ruchu w stosunku do innych gwiazd i argumentował, że musi być tak daleko, jak inne gwiazdy, kwestionując pogląd Arystotelesa o niezmiennej sferze niebieskiej. ("Nowa gwiazda" była w rzeczywistości znacznie słabszą gwiazdą, która właśnie zakończyła swoje życie w spektakularnej eksplozji; takie zdarzenia nazywa się "supernowymi".) I udowodnił, że trajektoria pocisku wystrzelonego z armaty jest łagodnie zakrzywiona, parabola, w przeciwieństwie do poglądu Arystotelesa, w którym pocisk najpierw przemieszcza się poziomo, a następnie spada na ziemię. W 1609 Galileusz po raz pierwszy usłyszał o wynalezieniu teleskopu przez holenderskiego producenta okularów Hansa Lippersheya (1570-1619). Kopie tej wczesnej wersji, z trzykrotnym powiększeniem, były już używane jako zabawki na targach w całej Europie. Galileo natychmiast zdał sobie sprawę z potencjalnego znaczenia militarnego i handlowego takiego instrumentu dla Wenecji, co umożliwiło łatwiejsze dostrzeżenie i identyfikację odległych statków. Szybko zbudował własny, znacznie potężniejszy teleskop, osiągając w końcu moc powiększania 20-30 razy. Miał inspirację, by skierować swój teleskop na niebo i dokonał zdumiewających odkryć: najjaśniejsze cztery księżyce Jowisza poruszające się po orbitach wokół samego Jowisza (udowadniając, że nie wszystko po prostu porusza się wokół Ziemi), góry i kratery na Księżycu (co nie jest zatem idealną sferą, jaką wyobrażali sobie starożytni), oraz niezliczonymi gwiazdami tworzącymi Drogę Mleczną. Opublikował je w 1610 r. w krótkiej książce Siderius Nuncius (Gwiaździsty posłaniec), która natychmiast stała się sławna w całej Europie. Wkrótce potem Galileuszowi zaoferowano dobrze płatną dożywotnią posadę filozofa i matematyka u Wielkiego Księcia Toskanii. Kiedy przybył do Florencji usłyszał, że Kepler potwierdził jego odkrycie czterech księżyców Jowisza. Następnie Galileusz odkrył również, że Saturn nie jest idealną sferą, odkrył fazy Wenus (co można wyjaśnić tylko wtedy, gdy Wenus krąży wokół Słońca) i zaobserwował plamy na Słońcu, skazy, które ujawniły, że Słońce również nie jest idealne. przypuszczano, że jest to ciało niebieskie. Odkrycia te dostarczyły bardzo mocnych bezpośrednich dowodów na korzyść modelu kopernikańskiego i przeciwko starożytnemu modelowi ptolemejskiemu, ale Galileusz uważał, aby nie promować samego modelu kopernikańskiego. Doskonale zdawał sobie sprawę z losu Giordano Bruno (1548-1600), który został spalony na stosie przez rzymskokatolicką inkwizycję, po części za bycie zwolennikiem modelu heliocentrycznego. Utrzymywał dobre stosunki z członkami hierarchii kościelnej, w tym z samym Papieżem. Nadal byli arystotelesowscy sceptycy co do obserwacji Galileusza, sugerując, że mogą one być spowodowane artefaktami jego teleskopu, ale Galileusz przetestował swój teleskop na pobliskich i znanych obiektach, aby wykazać, że tak nie jest, a jezuicki komitet kościelny poparł wszystkie główne twierdzenia obserwacyjne Galileo. Jednak z biegiem lat Galileo zaczął wyrażać poparcie dla modelu kopernikańskiego, mimo początkowych zastrzeżeń. W 1616 roku papieska komisja doszła do wniosku, że pogląd, iż Słońce leży w centrum wszechświata, a Ziemia porusza się w przestrzeni kosmicznej jest heretycki, a książka Kopernika De Revolutionibus została zakazana przez Kościół. W następnym roku papież, a następnie inkwizycja, zadekretowali, że Galileusz nie może popierać ani nauczać światopoglądu kopernikańskiego. W związku z tym Galileusz zwrócił uwagę na swoje zainteresowania związane z innymi tematami naukowymi. W 1623 r. wybrano nowego papieża (Urbana VIII), który był znacznie bardziej pozytywnie nastawiony do Galileusza, a w następnym roku Galileusz miał u niego sześć audiencji i otrzymał różne odznaczenia. Co najważniejsze, nowy papież udzielił mu pozwolenia na napisanie książki o dwóch systemach świata, ptolemejskim i kopernikańskim, o ile zachowa neutralne stanowisko. Galileusz wydał książkę w 1631 roku pod tytułem Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (Dialog o dwóch głównych systemach światowych). Była to wyimaginowana debata między dwoma adwokatami, Salvari (w sprawie Kopernika) i Simplicio (w sprawie Ptolemeusza). Niestety, użycie nazwy Simplicio sugerowało, że tylko prostak uwierzy w światopogląd ptolemejski, a tekst wydawał się zdecydowanie opowiadać się za poglądem kopernikańskim. Papież i Kościół poczuli się urażeni. Papieskiej komisji nakazano zbadanie sprawy, w wyniku czego Galileuszowi nakazano stanąć przed inkwizycją za herezję. Ponownie świadomy losu Brunona, Galileusz został ostatecznie zmuszony do wyrzeczenia się wiary w kopernikanizm ("Wyrzekam się, przeklinam i brzydzę się moimi błędami"). Początkowy wyrok to dożywocie, później skrócono go do dożywotniego aresztu domowego. Biorąc pod uwagę, że jego dom był bardzo ładną willą w Arcetri na obrzeżach Florencji i że mógł kontynuować swoje inne studia, okazało się, że nie był to taki zły wynik. Tam ukończył swoje arcydzieło o fizyce, dyskursach i demonstracjach matematycznych dotyczących dwóch nowych nauk. Obejmował jego życiową pracę nad mechaniką, bezwładnością, wytrzymałością materiałów, naturą płynów, ciężarem powietrza, zachowaniem światła, lotem pocisków, kołyszącym się wahadłem, obciążoną belką i wieloma innymi. Dało to prawo Galileusza o spadaniu ciał - odległość, jaką ciało pokonuje podczas swobodnego spadania, jest proporcjonalna do kwadratu czasu spadania. Omówiono też metodę naukową: znaczenie obserwacji i powtarzanych eksperymentów w testowaniu hipotez. Nie mógł być wydany we Włoszech ze względu na zakaz jego twórczości, więc został przemycony i wydany w Lejdzie w 1638 roku. Miał ogromny wpływ na dalszy rozwój nauki w Europie. Traktowanie Galileusza przez Kościół poważnie osłabiło ilość i jakość nauki we Włoszech, które przez dziesięciolecia stały się względnym zaściankiem. Ale Europa, podobnie jak Grecja, miała tę zaletę, że składała się z wielu różnych regionów i państw. Odkrycia i idee Galileusza mogły swobodnie rozkwitać w pozostałej części Europy, zwłaszcza w protestanckich regionach północy, które nie były już pod kontrolą Kościoła katolickiego. Reformacja była niezbędna dla przetrwania nauki; gdyby do tego nie doszło, prawdopodobnie książka Galileusza w ogóle nie zostałaby opublikowana, a prace Keplera i Newtona prawdopodobnie zostałyby zakazane. Kościół ostatecznie zniósł zakaz dotyczący książki Kopernika De revolutionibus w 1758 r. i Dialogu Galileusza w 1822 r., a w 1992 r., 350 lat po śmierci Galileusza, Kościół ostatecznie ułaskawił Galileusza.

Isaac Newton (1642-1726) urodził się w rodzinie rolniczej w Lincolnshire w Anglii. Został wychowany najpierw przez rodziców, potem przez dziadków ze strony matki, a potem w gimnazjum. Mówi się, że był samotnym dzieckiem. Gdy miał 16 lat został zabrany ze szkoły do prowadzenia rodzinnego gospodarstwa rolnego. Doświadczenie nie trwało długo, ponieważ nie interesował się rolnictwem. W wieku 18 lat miał szczęście, że został przyjęty do Trinity College w Cambridge. W końcu odkrył, że mógł zignorować większość formalnego programu nauczania i spędzać większość czasu na studiowaniu wszystkiego, co chciał, w tym wielkich dzieł nauk ścisłych i matematyki. Mimo obsesji na punkcie własnej pracy udało mu się zdobyć stypendium, które umożliwiło mu pozostanie w Cambridge do 1668 roku. Okres ten przerwała w 1665 roku szalejąca wówczas zaraza. Uniwersytet został tymczasowo zamknięty, a Newton wrócił do Lincolnshire na dwa okresy, aż do 1667 roku, kiedy plaga w końcu dobiegła końca. Według niego lata 1663-1668 były jednymi z jego najbardziej produktywnych. Niektórzy historycy nazwali rok 1666 annus mirabilis Newtona. Słynna historia Newtona, który zainspirował się do myślenia o powszechnej grawitacji, gdy zobaczył spadające z drzewa jabłko, odnosi się do jego czasów w Lincolnshire. Z pewnością Newton miał w tamtym okresie wiele swoich wspaniałych pomysłów, ale jego praca dojrzewała przez znacznie dłuższy okres. Jego niezwykłe zdolności i osiągnięcia w tamtym czasie zostały nagrodzone mianowaniem profesora matematyki w 1669 roku, które to stanowisko piastował aż do wyjazdu z Cambridge w 1687 roku. Newton miał różnorodne zainteresowania naukowe - optykę, matematykę, mechanikę i grawitację - przez dłuższy czas pracował także nad alchemią i interpretacjami Biblii. W optyce użył pryzmatu do rozszczepienia białego światła na kolory tęczy. Następnie odwrócił proces, ponownie wytwarzając białe światło, pokazując, że białe światło jest w rzeczywistości mieszanką wszystkich kolorów. Pokazał również, ponownie używając pryzmatu, że kolorów składowych nie można dalej redukować ani zmieniać, wskazując, że są one naprawdę właściwościami światła, a nie artefaktami załamania. Był to genialny wynik eksperymentalny, ujawniający jedną z podstawowych właściwości światła. Jako techniczny efekt swojej pracy nad optyką, Newton zaprojektował i zbudował teleskop zwierciadlany, aby uniknąć komplikacji wynikających z załamywania światła przez soczewki. Kiedy zostało to pokazane Royal Society w Londynie w 1671 roku, został natychmiast wybrany członkiem Towarzystwa, a jego słynna praca na temat optyki została opublikowana w 1672 roku. Myślał o świetle jako strumieniu cząstek (który nazwał korpuskułami), w kontraście z poglądami innych, według których światło jest zjawiskiem falowym. Jednym z nich był inny członek Royal Society, Robert Hooke (1635-1703), z którym Newton przez lata miał różne spory. To właśnie w liście do Hooke′a z 1675 roku Newton zadeklarował słynne słowa: "Jeżeli widziałem dalej, to przez stanie na ramionach olbrzymów". Spory i spory dotyczące szczegółów jego pracy z 1672 r. sprawiły, że Newton był sfrustrowany i stał się samotnikiem w Cambridge. Przez lata jego twórczość rozwijała się, ale trzymał ją w dużej mierze dla siebie. Był obsesyjny i długo pracował nad swoimi zainteresowaniami. W 1684 Edmund Halley (1656-1742), Hooke i Christopher Wren (1632-1723) dyskutowali o orbitach planet w Royal Society. Podejrzewali, że wszystkie trzy prawa Keplera mogą działać, jeśli Słońce pociągnie planety z siłą, która słabnie wraz z odległością zgodnie z prawem "odwrotności kwadratu", ale nie byli w stanie tego udowodnić. Później w tym samym roku Halley był w Cambridge i odwiedził samotnego Newtona. Wspomniał o hipotezie orbitalnej i zapytał Newtona, czy może ją udowodnić. Newton powiedział, że może i pod koniec roku wysłał Halleyowi dowód w krótkim artykule zatytułowanym De motu corporum in gyrum (O ruchu ciał na orbicie). Było to oszałamiające osiągnięcie, ale Newton odmówił opublikowania artykułu, mówiąc, że wolałby dalej studiować tę sprawę przed publikacją. W ciągu następnych 18 miesięcy Newton dokonał herkulesowego wysiłku, którego kulminacją była prawdopodobnie największa publikacja w historii nauki. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica Newtona (Matematyczne zasady filozofii naturalnej), opublikowana w 1687 roku, była monumentalnym tour de force, który na zawsze zmienił naukę. Raz na zawsze zerwano kajdany starożytnego arystotelesowskiego światopoglądu jakościowego i zastąpiono je precyzyjnym, ilościowym i wykonalnym światopoglądem wielkiej mocy. Wszechświat i cała jego zawartość działają według ustalonych praw, które umożliwiają dokładne przewidywanie. Jest to "zegarowy" wszechświat. Wynikało z tego, że gdyby wszystko było znane w jednym czasie, w zasadzie można by wszystko przewidzieć w przyszłości. Zmiana była absolutnie rewolucyjna. Principia połączyły wszystkie inne wielkie osiągnięcia rewolucji naukowej - heliocentryczną teorię Kopernika, prawa Keplera dotyczące ruchu planet oraz fizyczne idee, eksperymenty i obserwacje astronomiczne Galileusza - w jedną monumentalną syntezę. Jednym z koronnych osiągnięć Principii było pokazanie, że prawo grawitacji jest uniwersalne - dotyczy zarówno odległych planet, jak i obiektów na Ziemi. Aby opisać orbity planet, Newton musiał wynaleźć rachunek różniczkowy, kolejne ważne osiągnięcie. Korzystając z rachunku różniczkowego, orbity można opisać jako serię nieskończenie małych segmentów, które razem tworzą gładką krzywą. Ruch orbitalny planety jest spowodowany tym, że jej ruch styczny jest stale odchylany do wewnątrz przez przyciąganie grawitacyjne Słońca. W ten sposób Newton był w stanie stworzyć trzy prawa Keplera. A prawa Newtona mogą przewidywać nieograniczoną dokładność, zarówno dla ruchów planet, jak i obiektów spadających na ziemię. Principia zawiera ogólną teorię siły i ruchu. Słynne trzy aksjomaty lub prawa ruchu Newtona, wyrażone współczesnymi terminami, to po prostu (1) ciało pozostaje w stanie spoczynku lub w ciągłym ruchu, jeśli nie ma siły wypadkowej działające na nie, (2) przyspieszenie ciała jest równe działającej na nie sile wypadkowej podzielonej przez jego masę (F = ma), oraz (3) dla każdego działania zachodzi równa i przeciwna reakcja. W Principia Newton wykazał, że wiele różnych zjawisk można matematycznie wyjaśnić i przewidzieć. Obejmowały one ruchy dwóch ciał wokół wspólnego środka ciężkości, ruchy Księżyca, planet, komet, księżyców planet zewnętrznych i samego Słońca, dlaczego ta sama strona Księżyca zawsze jest zwrócona w stronę Ziemi, przypływy morza, figura Ziemi, precesja równonocy, ruch ciał w ośrodku oporowym, gęstość i kompresja płynów, hydrostatyka, ruchy zawieszonych ciał, prędkość dźwięku w powietrzu oraz ruch płynów. Od ruchów planet po hydrostatykę, wszystko opracowane z matematyczną precyzją: nie było wątpliwości, jak obszerna była ta praca. Principia została natychmiast uznana za książkę, która zmieni świat. Był szeroko czytany w Wielkiej Brytanii i całej Europie. Newton stał się sławny. Zanurzył się w politykę i został na rok parlamentarzystą. W 1700 został mistrzem mennicy w Londynie. Jego wysoka pensja pozwoliła mu żyć w dobrym stylu i cieszył się znacznie bardziej towarzyskim życiem. W 1703 został prezesem Towarzystwa Królewskiego. Zmarł w 1726 r. w wieku 84 lat. Wraz z wydaniem Principia rewolucja naukowa została zakończona. Dzieła Arystotelesa zostały zepchnięte na półki historii. Światem rządziły niezmienne prawa fizyki. Był to drugi z dwóch monumentalnych kroków w rozwoju nauki. Jakościowy i opisowy światopogląd Arystotelesa został zastąpiony przez ilościowy i predykcyjny światopogląd Newtona, który działał - i to z zadziwiającą dokładnością. Połączenie praw Newtona, z ich zdolnością do precyzyjnego przewidywania matematycznego, wraz z metodą naukową - wykorzystaniem eksperymentów i obserwacji do rygorystycznego testowania takich przewidywań - zapewniło niezwykle potężny sposób rozumienia i przewidywania świata. To było naprawdę rewolucyjne. Był to nowy sposób myślenia o świecie i ogromny krok dla cywilizacji. Narodziła się nowoczesna nauka. Nauka otrzymała ogromny impuls i działała na coraz większej liczbie frontów. Rozwój nauki po rewolucji naukowej stał się wykładniczy i do opisania tego wszystkiego potrzebna byłaby kompletna biblioteka. W poniższym krótkim przeglądzie śledzę kilka najważniejszych dziedzin nauki od czasu rewolucji naukowej, aby dać wyobrażenie o powstaniu nauki w ciągu ostatnich kilkuset lat. Są to Bardzo Duże (do wszechświata), Bardzo Małe (do atomu), Światło (od optyki do fotonów) i Samo Życie (od botaniki i zoologii do DNA).


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (7)


Nauka średniowieczna

Pierwsze zalążki średniowiecznej nauki w Europie zostały już zasiane, gdy ostatni żar imperium rzymskiego wciąż się tlił. Tłumaczeń klasyków greckich na łacinę dokonywali Boecjusz (ok. 480-525) i Kasjodor (ok. 490-580). Izador z Sewilli (ok. 560-636) napisał pierwszą europejską encyklopedię, która stała się popularna w całej średniowiecznej Europie. Pierwsze irlandzkie klasztory stały się ważne w szerzeniu nauki na innych. Czcigodny Beda (674-735) pisał rękopisy dla szkół klasztornych z tekstami praktycznymi i oryginalnymi pracami naukowymi, a także jego poglądami na historię, kosmologię, astronomię, nauki przyrodnicze, matematykę i kalendarz. Jego prace były przez wieki głównymi źródłami wiedzy. W 789 Karol Wielki założył szkoły klasztorne i katedralne na całym swoim obszarze, zapoczątkowując szeroko zakrojone odrodzenie intelektualne znane jako renesans karoliński, które pomogło stworzyć scenę dla nauki europejskiej. Gerbert d′Aurillac (ok. 945 - 1003) był pierwszą ważną postacią intelektualną w tej tradycji, która kładła nacisk na naukę praktyczną, a także na klasykę. Wysiłki związane z tłumaczeniem z greki i arabskiego na łacinę nabierały tempa, dając dostęp do greckiej klasyki i oryginalnych wkładów ze świata islamskiego. Ważnymi tłumaczami byli Konstantyn Afrykanin (ok. (1114-1187). Pod koniec XII wieku większość dostępnych tekstów greckich i arabskich została przetłumaczona na łacinę i ta wiedza stanowiła dużą część programów nauczania na nowych uniwersytetach europejskich. Wszystkie te osiągnięcia spowodowały odrodzenie, które nazwano renesansem XII wieku, a nauka europejska nagle zaczęła się rozwijać. Pierwsze europejskie uniwersytety znajdowały się w Bolonii (1088), Paryżu (1150), Oksfordzie (1167), Cambridge (1209) i Padwie (1222). Do 1500 w całej Europie było już 80 uniwersytetów - niezwykły wzrost potencjału intelektualnego Europy. Uniwersytet był ważną i wyjątkową instytucją; żadna z wielkich cywilizacji nie miała czegoś takiego. Szacuje się, że ponad pół miliona studentów ukończyło europejskie uniwersytety w okresie do roku 1500. Ponieważ znaczna część programów na tych uczelniach była poświęcona twórczości Arystotelesa, nieuchronnie doszło do starcia z dogmatem Kościół rzymskokatolicki. W 1210 roku na uniwersytecie paryskim zakazano czytania i nauczania dzieł Arystotelesa dotyczących filozofii przyrody na okres 40 lat pod karą ekskomuniki, a w 1277 roku potępiono 219 konkretnych dzieł. Arystoteles utrzymywał, że wszechświat jest wieczny, a wydarzenia są zdeterminowany przez przyczynę i skutek, podczas gdy katolicyzm utrzymywał, że Bóg stworzył wszechświat i że mógł określić, co wydarzyło się w dowolnym momencie, poprzez Boską interwencję i cuda. Kościół sprzeciwiał się również panteizmowi Arystotelesa, poglądowi, że Bóg jest samą naturą, a nie troskliwym antropomorficznym Bogiem. Geocentryczne kule krystaliczne Arystotelesa stanęły na drodze biblijnego Wniebowstąpienia. Dwóch uczonych usiłowało pogodzić te przeciwstawne poglądy: Albertus Magnus (ok. 1200-1280) i Tomasz z Akwinu (ok. 1225-1274). Poglądy obu były zdecydowanie przeciwne przez teologów katolickich. W szczególności Tomasz walczył o znalezienie kompromisu i skończył na chrystianizacji arystotelizmu i arystotelizacji chrześcijaństwa. Od tego momentu "tomizm" stał się oficjalnym stanowiskiem Kościoła katolickiego (a Tomasz został świętym w 1323 r.). Oznaczało to, że niektóre doktryny Arystotelesa, takie jak światopogląd geocentryczny, zostały zamrożone jako dogmat Kościoła, a to stanowiło poważny problem, który musiał zostać przezwyciężony kilkaset lat później w Rewolucji Naukowej. Odrodzenie intelektualne Europy Zachodniej trwało, a w niektórych przypadkach przekroczyło poziom osiągnięty przez myślicieli greckich. Robert Grosseteste (ok. 1175 - 1253) był wpływową postacią w Anglii, rozwijając naukową metodę weryfikacji i falsyfikacji oraz badając szeroki zakres tematów, w tym optykę, akustykę, astronomię, reformę kalendarza, matematykę i (jak wiele innych) Tęcza. Roger Bacon (ok. 1220-1292) był pod silnym wpływem Grosseteste w Oksfordzie; on również miał szerokie zainteresowania i pisał na zasadach nauk eksperymentalnych. Peter Peregrinus (ok. 1265) badał właściwości magnesów i opublikował swoją pracę we wpływowym traktacie De Magnete. Innym wczesnym naukowcem europejskim był Jordanus Nemorarius (ok. 1120), najbardziej znany ze swoich prac nad statyką (badanie sił w równowadze). Metodologia naukowa Grosseteste′a została rozszerzona przez Williama Ockhama (ok. 1285-1349), który w słynnej "Brzytwie Ockhama" podkreślił pożądaną ekonomię wyjaśnień naukowych: "Jednostki nie mogą być mnożone ponad konieczność" (tj. preferowana jest najprostsza teoria). Jest to zasada przewodnia nawet dzisiaj, z dobrych powodów. Wielu myślicieli studiowało dynamikę, antycypując prace Newtona kilkaset lat później. Wśród nich byli oksfordzcy Thomas Bradwardine (ok. 1290-1349), William Heytesbury (ok. 1330-1340), John of Dumbleton (ok. 1331-1349) i Richard Swineshead (ok. 1340). W Paryżu Jean Buridan (ok. 1295-1358) stworzył "teorię impetu", która zbliżyła się do praw ruchu Newtona i stała się dobrze znana w całej Europie. Prace Buridana kontynuowała jedna z jego uczennic, Nicole Oresme (ok. 1320-1382), która miała prorocze idee zarówno w dziedzinie dynamiki, jak i astronomii. Badania optyki kontynuowane były przez prace Witelo (ok. 1230-1275), Johna Pechama (ok. 1230-1292) i Dietricha z Fryburga (ok. 1250-1311). Powstało kilka wpływowych tekstów na temat astronomii, które uzupełniały i rozszerzały te ze źródeł greckich i arabskich, w tym te autorstwa Grosseteste′a, Johannesa de Sacrobosco (ok. 1220) i Campanus z Nowary (ok. 1260). Inni współtwórcy astronomii w okresie średniowiecza to Wilhelm z St. Cloud (o. 1290), Jan z Sycylii (ok. 1290), Jan z Saksonii (ok. 1330), Levi ben Gerson (1288-1344) i Ryszard z Wallingford (ok. 1292-1336). W latach 1347-1350 plaga znana jako Czarna Śmierć zniszczyła Europę, zabijając jedną trzecią populacji, i doprowadziła do nagłego zakończenia wielu z tych działań naukowych. Powtarzało się z przerwami przez wieki, a aktywność intelektualna stopniowo powracała. Niektórzy z bardziej znanych uczonych w tym okresie zdrowienia to Mikołaj z Kuzy (1401-1464), Georg Peurback (1423-1461) i Johannes Regiomontanus (1436-1476). Z pewnością najbardziej znanym ze wszystkich był Leonardo da Vinci (1452-1519). Był ostatecznym "człowiekiem renesansu", który oprócz swojej wspaniałej sztuki interesował się niezwykłą różnorodnością przedmiotów, w tym astronomią, optyką, matematyką, anatomią, botaniką, zoologią, geologią, astrologią, alchemią, hydrodynamiką i inżynierią. W wielu dziedzinach znacznie wyprzedzał swoje czasy. Tymczasem Johannes Gutenberg (1398-1468) wprowadził do Europy w 1439 roku prasę drukarską i ruchomą czcionkę - monumentalną innowację, która stanowiła podstawę innych ważnych wydarzeń, które doprowadziły do współczesnego świata. Było to jedno z najważniejszych wydarzeń w historii. W 1492 roku Krzysztof Kolumb (1451-1506) odnalazł Nowy Świat, otwierając przed Europą zupełnie nowe możliwości odkrycia. A w 1517 Marcin Luter (1483-1546) rozpoczął protestancką reformację. Wszystkie te zapierające dech w piersiach wydarzenia radykalnie zmieniły Europę, poszerzyły jej horyzonty i zachęciły do otwartego i innowacyjnego myślenia. Dotarcie do tego punktu zajęło Europie ponad tysiąc lat od zniszczenia Wielkiej Biblioteki Aleksandryjskiej. Wielkie dzieła starożytnych greckich filozofów oraz uczonych islamskich i średniowiecznych były teraz wszystkie znane, drukowane i dobrze studiowane, a podekscytowanie wywołane niezwykłym rozwojem renesansu było inspirujące. Scena była teraz przygotowana na ważny punkt zwrotny w historii nauki


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (6)


Nauka islamska

Ważnym nowym wydarzeniem było powstanie islamu, które rozpoczęło się w VII wieku. Bagdad został ustanowiony stolicą imperium islamskiego pod rządami Abbasydów w 762 roku, a wkrótce jego populacja wzrosła do ponad miliona. Jedyną księgą w języku arabskim w tamtym czasie był Koran, a studiowanie go wywołało bardziej ogólne zainteresowanie nauką. Koran podkreślał religijny obowiązek wszystkich muzułmanów poszukiwania wiedzy i oświecenia. Co więcej, zdano sobie sprawę, że świat islamski był pod wieloma względami daleko w tyle za innymi imperiami, a Abbasydzi mieli obsesję na punkcie kultury perskiej. Było też duże zainteresowanie astrologią. A zajęcia praktyczne, takie jak inżynieria rolnicza, kalendarz i rachunkowość, wymagały specjalistycznej wiedzy. Z tych i innych powodów masowy "ruch tłumaczeniowy" miał miejsce w ciągu dwóch stuleci: mądrość wcześniejszych cywilizacji Greków, Persów i Hindusów została przetłumaczona na język arabski. Kiedy ruch się rozpoczął, był nie do powstrzymania. Elity społeczeństwa Abbasydów w Bagdadzie rywalizowały ze sobą o najważniejsze rękopisy, zarówno o prestiż, jak i o praktyczne korzyści, jakie mogły zapewnić. Okres historyczny Abbasydów trwał do podboju Bagdadu przez Mongołów w 1258 roku i uważany jest za "złoty wiek islamu". Powstały wówczas tłumaczenia niemal wszystkich znanych dziś dzieł greckiej filozofii przyrody. Co więcej, po podboju Hiszpanii przez Maurów, który rozpoczął się w VIII wieku, uczeni muzułmańscy przywieźli ze sobą te dzieła, a na ziemi hiszpańskiej nastąpił złoty wiek cywilizacji islamskiej. W miarę, jak dostępnych było coraz więcej tłumaczeń, nieuchronnie powstawały lokalne, oryginalne badania - działalność naukowa stała się częścią świata islamskiego. W przeciwieństwie do wczesnych cywilizacji i ich politeistycznych religii, które twierdziły, że wszystko wyjaśniają, islam nie stanowił nieprzeniknionej przeszkody, która uniemożliwiałaby naukę. Wręcz przeciwnie, Koran zachęcał muzułmanów do studiowania przyrody, uważał naukę za ważną i podkreślał potrzebę dowodów i dowodów. Te poglądy miały święty i holistyczny aspekt, ponieważ przyrodę, ludzkość i kosmos postrzegano jako dzieła samego Boga. Nauka islamska, w tym astronomia, matematyka i medycyna, stała się światowym liderem na okres kilku stuleci, z działalnością rozciągającą się od Azji Środkowej po Iberię. "Nagłe" pojawienie się tak wielu greckich klasyków niewątpliwie odpowiada za stromość rozwoju nauki islamskiej. Interesujące jest zastanowienie się, dlaczego tak wiele oryginalnych prac w filozofii przyrody było stymulowanych przez klasyków greckich w świecie islamu, ale nie w istniejącym w tym samym czasie Cesarstwie Bizantyńskim. Być może dlatego, że klasyka grecka była dla muzułmańskich uczonych całkowicie nowa i ekscytująca, podczas gdy Bizantyjczycy mogli uważać filozofię naturalną za część ponurego standardowego programu nauczania, który nie był już w stanie wzbudzić żadnego wielkiego podniecenia. Jednym z pierwszych wielkich naukowców islamu był chemik Jabir ibn Hayyan (ok. 721-815), który mieszkał w Kufie, niedaleko Bagdadu. Jego badania chemiczne i metoda naukowa były jak na tamte czasy zaawansowane i stał się znany w Europie jako Alchemik Geber. Al-Khwarizmi (nazwa łacińska Algorithmus) (ok. 780-850), matematyk, astronom i geograf z Bagdadu, był najbardziej znany z napisania pierwszej książki o algebrze, Kitab-al-Jebr. Miał wpływ na popularyzację hinduskiego systemu dziesiętnego w Europie, a także w świecie islamskim. Również w Bagdadzie al-Kindi (nazwa łacińska Alkindus) (ok. 800-873) stał się znany jako "filozof Arabów". Pracował i pisał o fizyce, astronomii, matematyce, medycynie, muzyce, farmacji i geografii oraz działał w ruchu translatorskim . Perski lekarz, filozof i chemik Ibn Zakariyya al-Razi (łac. Rhazes) (ok. 854-925) urodził się w starożytnym mieście Rayy (część dzisiejszego Teheranu) i pracował zarówno tam, jak i w Bagdadzie. Prowadził kilka szpitali, był pierwszym zwolennikiem metody naukowej i napisał dwie książki medyczne, które stały się jednymi z najważniejszych w średniowiecznej Europie. Na drugim końcu świata islamskiego Abu al-Qasim al-Zahrawi (łac. Abulcasis) (ok. 936-1013) mieszkał w pobliżu Kordoby i był największym chirurgiem islamu i średniowiecznego świata. Napisał encyklopedię medyczną, która zawierała działy dotyczące chirurgii i narzędzi chirurgicznych; została przetłumaczona na łacinę i rozsławiła go w całej Europie. Wszyscy trzej najwięksi naukowcy islamu żyli i pracowali między 950 a 1050 rokiem, u szczytu islamskiego złotego okresu. Ibn al-Haytham (nazwa łacińska Alhazen) (ok. 965-1039) urodził się w Basrze i pracował w Egipcie. Był fizykiem, prawdopodobnie największym w całym okresie między starożytnymi Grekami a Galileuszem. Jego książka o optyce miała ogromny wpływ na zachodnią naukę i wniósł ważny wkład do astronomii. Był także wczesnym orędownikiem metody naukowej. Perski al-Biruni (973-1048) urodził się w mieście Chiwa i podróżował i pracował w całej Azji Środkowej. Był jednym z największych erudytów w historii - filozofem, astronomem, matematykiem, geografem i antropologiem. Napisał kilka ważnych książek i zasłynął z pomiaru wielkości Ziemi z niespotykaną dotąd dokładnością. Inny perski uczony, Ibn Sina (łac. Avicenna) (980-1037), urodził się w pobliżu Buchary, mieszkał i pracował w środkowej i zachodniej Azji, zmarł w Hamadanie. Uważany jest za najbardziej wpływowego i najważniejszego myśliciela islamu oraz jednego z najważniejszych w historii - niemal tak samo wpływowego w zachodniej filozofii jak sam Arystoteles. Najbardziej znany jest jako filozof i lekarz, pisał ważne prace z obu dziedzin. Wniósł także wkład w matematykę i fizykę, w tym pojęcia światła, ciepła, ruchu i nieskończoności. Mówi się, że jego wkład w naukę był tak wielki, że faktycznie zniechęcał do dalszych studiów w tych dziedzinach. Innym znaczącym uczonym perskim był Omar Chajjam (1048-1131), jeden z wielkich matematyków okresu średniowiecza. Urodził się i pracował w Nishapur. Jego wkład obejmował prace nad równaniami sześciennymi i badaniami kalendarzowymi. Również perski al-Ghazali (łac. Algazel) (1058-1111) urodził się w Tus i pracował w Niszapurze i Bagdadzie. Był najsłynniejszym teologiem w historii islamu. Wniósł wkład do nauki, ale był najbardziej znany ze swoich ataków na filozofię Arystotelesa i jej zwolenników, takich jak Ibn Sina, i był obwiniany (słusznie lub niesłusznie) za upadek złotego wieku nauki islamskiej. Ibn Rushd (łac. Averroes) (1126-1198), urodzony w Kordobie, był jednym z najbardziej znanych filozofów średniowiecza. On, bardziej niż ktokolwiek inny, był odpowiedzialny za wprowadzenie filozofii Arystotelesa do Europy. Był ostatnim z wielkich filozofów muzułmańskich i głęboko wpłynął na myśl zachodnią. Nasr al-Din al-Tusi (1201-1274) był kolejnym perskim erudytą, który podobnie jak al-Ghazali urodził się w Tus. Przyczynił się do astronomii, fizyki, matematyki, chemii, biologii, medycyny i filozofii. Jego życie zostało zakłócone przez inwazję mongolską, ale później przekonał mongolskiego przywódcę, by wybudował mu obserwatorium w Maragha, które stało się najważniejszym ośrodkiem astronomicznym na kilka stuleci. Po osiągnięciu szczytu około 900-1000 AD, nauka islamska zaczęła podupadać. Konserwatywne siły religijne stały się mniej tolerancyjne dla "zagranicznych" studiów, a uczelnie znane jako madrasy ograniczyły swoje programy nauczania do religii, z wyłączeniem filozofii i nauki. Osoby takie jak al-Ghazali dodali do niezadowolenia. W 1194 r. Ulama spalili w Kordobie teksty naukowe i medyczne. A świat arabski został zaatakowany przez Mongołów i krzyżowców. W 1258 roku Mongołowie zniszczyli Bagdad i większość zawartych w nim ksiąg. Wyparowały warunki wolnej i oświeconej nauki. Ale do tego czasu wiele najważniejszych greckich klasyków zostało przekazanych do Europy, gdzie pochodnia nadal płonęła.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (5)


W tranzycie

W 285 r. zdano sobie sprawę, że Cesarstwo Rzymskie stało się zbyt duże, by można było go kontrolować. Zostało podzielone, a część zachodnia, zwana później Świętym Cesarstwem Rzymskim, pozostawała pod administracją Rzymu, podczas gdy Cesarstwo Wschodniorzymskie, znane później jako Cesarstwo Bizantyjskie, miało być zarządzane z Bizancjum (Konstantynopol). To rozróżnienie ostatecznie zaowocowało dwiema bardzo różnymi historiami, mimo że obie połówki łączyły się kilka razy. Cesarstwo Zachodniorzymskie, które obejmowało Europę Zachodnią, przeszło różne wstrząsy polityczne i gospodarcze, aż w końcu uległo rozpadowi. Sam Rzym został splądrowany przez kolejnych najeźdźców, w tym Galów w 387, Wizygotów w 410 i Wandalów w 455. Tradycyjnie uważa się, że Zachodnie Cesarstwo Rzymskie zakończyło się w 476. W tym momencie na Europę nastały Ciemne Wieki. Stała się sceną spustoszenia, kulturowym i gospodarczym zaściankiem z rozproszonym rolnictwem, plemionami i miastami (miasta rzymskie nie mogły utrzymać się i wyludniły się). W szóstym wieku jedynymi pozostałościami greckiego złotego wieku w Europie były sporadyczne fragmenty w odizolowanych klasztorach. Większość mieszkańców była analfabetami. Europa wydawała się bardzo mało prawdopodobnym miejscem, aby odziedziczyć po Grecji płaszcz wysokiej cywilizacji. W przeciwieństwie do tego, gdzie indziej na świecie istniały wielkie współczesne imperia, które znacznie przyćmiewały Europę. Obejmowały one Bizancjum, większe Indie, Chiny, Mezoamerykę i Amerykę Południową. Chiny nie miały sobie równych. Chińskie imperia i dynastie były największe na świecie i zapewniały tysiące lat ciągłości kulturowej. W 1200 populacja liczyła 115 milionów ludzi, w pięciu miastach ponad milion. Do najważniejszych osiągnięć należy nie tylko Wielki Mur, ale także Wielki Kanał, najdłuższy na świecie o długości 1800 km. Kiedyś Chiny miały największą flotę na świecie, z setkami statków w szczytowym momencie (słynne ekspedycje na kolosalnych statkach na początku XV wieku dotarły do wybrzeży Afryki, ale zostały nagle zatrzymane przez nowego cesarza, który chciał skoncentrować się na Chinach, rozwpju wewnętrznym i bezpieczeństwie). Biurokracja dla tak dużego scentralizowanego państwa była oczywiście ogromna. Wspierała działalność naukową - matematykę, kartografię, geografię, sejsmologię, meteorologię, astronomię, astrologię, alchemię, medycynę - ale wszystko oczywiście w celach praktycznych. Lista chińskich innowacji jest długa i obejmuje proch strzelniczy (produkt uboczny alchemii), kompas magnetyczny, papier, drukowane książki z ruchomą czcionką, taczki, parasol, zaawansowaną metalurgię, mosty wiszące, kołowrotek wędkarski, porcelanową porcelanę , lakier, tkaniny, w tym jedwab, mechaniczna kusza i pierwszy na świecie sejsmometr. Dzięki swojej długiej historii astronomii, dostarczyła najdłuższego nieprzerwanej serii rekordów astronomicznych na świecie. Dlaczego więc Chiny nie rozwinęły filozofii przyrody tak jak Grecy? Dlaczego nie nastąpiła naukowa rewolucja? W przeciwieństwie do Grecji Chiny były jednym wielkim imperium, kontrolowanym przez silną władzę centralną. Podobnie jak w innych wczesnych cywilizacjach, masowa administracja centralna byłaby generalnie autorytatywna, konserwatywna i wszechobecna. Pierwszy chiński cesarz palił księgi i grzebał uczonych. Biurokraci, którzy rządzili krajem, byli wykształceni w konfucjanizmie, który zajmował się wyłącznie sprawami ludzkimi i państwowością. Buddyści uważali świat przyrody za iluzję, a taoiści uznaliby samą myśl o jakimkolwiek "porządku" w naturze, który zwykli śmiertelnicy mogliby uznać za naiwność i klątwę dla fundamentalnych zasad taoizmu. Było więc kilka możliwych powodów braku filozofii przyrody. Inną możliwością jest to, że przez te wszystkie tysiąclecia nikomu nie przyszło do głowy pomysł studiowania nieodłącznych właściwości i działania świata przyrody. W każdym razie, mimo całej swej wielkości, Chinom, podobnie jak innym wymienionym wyżej cywilizacjom biurokratycznym, brakowało filozofii naturalnej w sensie greckim i nigdy nie doszło do rewolucji naukowej. Można by się spodziewać, że grecka tradycja filozoficzna byłaby kontynuowana w Bizancjum, wschodniej części Cesarstwa Rzymskiego. W przeciwieństwie do Cesarstwa Zachodniorzymskiego nie upadło; przeciwnie, przetrwał nieprzerwanie, z różnymi wzlotami i upadkami, przez ponad tysiąc lat, aż do 1453 roku. Sama Grecja była częścią Cesarstwa Bizantyjskiego i, wygodnie, dominującym językiem był grecki. Przetrwała znaczna liczba klasyków greckich, z którymi zapoznało się wielu uczonych bizantyjskich. Edukacja była dość powszechna i istniały dłuższe okresy względnego spokoju, które sprzyjałyby nauce. Istniały "szkoły" filozofii, a studentów szkolono w tradycyjnych sztukach wyzwolonych, przygotowując się do kariery w państwowej biurokracji. Jednak chrześcijaństwo miało znaczący wpływ na naukę, podobnie jak we wszystkich innych dziedzinach życia bizantyjskiego. Nacisk położono na pogodzenie "pogaństwa" z dogmatem chrześcijaństwa, więc duch nieograniczonej wolności myślenia, który był tak ważny dla starożytnych greckich filozofów, zniknął. Na przestrzeni wieków prawie cała działalność Bizancjum związana z klasyką grecką miała jedynie formę nauczania, debat, komentarzy, adnotacji, konserwacji i przekazu. Było bardzo mało oryginalnych prac - z pewnością nic, co mogłoby się równać z pracą starożytnych Greków. A sama filozofia przyrody została w dużej mierze zignorowana. Jednym godnym uwagi wyjątkiem był Jan Filopon (ok. 490-570), chrześcijanin, który był bardzo krytyczny wobec Arystotelesa. Odrzucał dynamikę Arystotelesa na rzecz "teorii impetu" (zapobiegając koncepcji bezwładności), przeciwstawiał się twierdzeniu Arystotelesa, że ciała ciężkie spadają szybciej niż ciała lekkie, i wysuwał wczesne argumenty na rzecz empiryzmu. Miał duży wpływ na Galileusza, który odniósł się do niego ponad tysiąc lat później we własnych pracach. Ale ogólnie rzecz biorąc, poza Filoponem i kilkoma mniej wpływowymi komentatorami, nie było wielkiego rozkwitu nowych idei w filozofii przyrody, pomimo tysiącletniego istnienia Cesarstwa Bizantyjskiego.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (4)


"Cud grecki"

Pierwszy z dwóch fundamentalnych etapów Powstania Nauki miał miejsce w VI wieku p.n.e., w starożytnej Grecji. Poszczególni myśliciele zaczęli kontemplować świat i swoje w nim miejsce. Zamiast bezmyślnie słuchać elity kapłańskiej lub wyjaśniać rzeczy przez wymyślanie kolejnego mitycznego boga, starali się zrozumieć wszystko w oparciu wyłącznie o obserwację, racjonalne myślenie i przyczyny, które były częścią naturalnego świata. Uważali, że za zjawiskami natury stoi wewnętrzny porządek, który może być rozpoznany przez ludzki umysł. Religia nie odgrywała w tym procesie żadnej roli. Myśliciele greccy poszukiwali podstawowych właściwości i podstawowych zasad wszechświata. Ta "filozofia natury" jest znacznie głębsza, szersza i głębsza niż to, co zwykle uważamy za naukę. Badała naturalne przyczyny wydarzeń. Poszukiwała podstaw rządzących światem. Uwzględniała samą naturę rzeczywistości. Kwestionował pochodzenie i ewolucję wszechświata. Spekulowała na temat pierwiastków i atomów, które mogą składać się na materię. Zadawała pytania dotyczące życia i śmierci, podstawowych zasad fizyki, kształtu i wielkości Ziemi, natury Układu Słonecznego oraz anatomii zwierząt i ludzi. Badała dziedziny biologii, botaniki, zoologii, geologii i psychologii oraz kwestionował możliwość istnienia dusz i rolę mózgu. Wywołała pytania o świat przyrody bez ograniczeń. Dążyła do wiedzy dla niej samej. Światopogląd zmienił się z religii i mitologii na jedną z przyczyn, które były częścią samego świata realnego i dostępne dla racjonalnej myśli. Świat miała wyjaśniać nie religia, ale nauka. Było to osiągnięcie monumentalne - naukowy światopogląd. Bardzo trudno jest nam zdać sobie sprawę, jak bardzo radykalne i rewolucyjne było to, ponieważ jesteśmy przyzwyczajeni do takiego myślenia. To był zdumiewający przełom i zdarzył się tylko raz w całej historii świata. Dlaczego Grecja? Dlaczego to Grecy dokonali tego historycznego przełomu? Głównym powodem był niewątpliwie fragmentaryczny charakter cywilizacji, w której żyli, ze względu na złożoną geografię Grecji, podzielonej na góry, doliny, wzgórza, rzeki i drogi wodne. Starożytna Grecja składała się z setek zdecentralizowanych pojedynczych państw-miast, w których władzę dzieliła niewielka grupa arystokratów lub kupców. A wolność była niezbędna. Obywatele tych miast byli wolni od granic wsi, od państwa i religii. Starożytna Grecja była chyba wyjątkowa pod tym względem, że chociaż religie, kulty i mity z pewnością istniały, były podzielone, często z różnymi bogami w różnych miastach, a niektóre jednostki miały nawet swoich osobistych bogów. To wszystko wydawało się podejrzanie arbitralne. A niektórzy bogowie byli kapryśni, co nie ucieszyłoby wszystkich. I w końcu nie było całości kasty kapłańskiej do narzucania dogmatów, więc nawet samą religię można kwestionować. Drzwi były otwarte dla alternatywnych widoków. Gdyby niektórzy z tych obywateli posiadali niezależne bogactwa, mogliby poświęcić czas na wyobrażenie sobie i przemyślenie radykalnie nowych myśli. Większość z nich umiała czytać i pisać, byli stosunkowo dobrze wykształceni i mieli pewną wiedzę o świecie dzięki podróżom. Język grecki był nowatorski i stosunkowo łatwy do czytania i pisania, co z pewnością sprzyjałoby powstaniu wyrafinowanej filozofii. Sama demokracja była grecką innowacją; obywatele mogliby rozkoszować się swobodną debatą, a nowatorskie pomysły wszelkiego rodzaju mogłyby się rozwijać. Dzięki długiej linii brzegowej i wielu wyspom Grecja była krajem żeglarskim, dobrze połączonym z całym światem poprzez handel i wystawiony na działanie szerokiej różnorodności kultur i idei. Większość pierwszych filozofów przyrody mieszkała w Ionii, która była wówczas najbogatszą i najbardziej zurbanizowaną częścią Grecji. Małe nieformalne "szkoły" filozofii przyrody rozwinęły się wokół bardziej znanych myślicieli. W sumie były setki, może tysiące greckich myślicieli. Niektóre z najbardziej znanych wymieniono poniżej. Tales z Miletu (ok. 625-545 r. p.n.e.) był pierwszym z tych filozofów. Milet był tętniącym życiem miastem na wybrzeżu Azji Mniejszej i jako ośrodek handlowy byłby bogatym skrzyżowaniem idei i wpływów. Tales był nie tylko filozofem. Był mądry w świecie i erudytą. Według różnych źródeł urodził się w zamożnej rodzinie, był dobrze wykształcony, zaangażował się w biznes i politykę. Prawdopodobnie odbył podróż do Egiptu, która dałaby mu cenne doświadczenie. Udzielał kluczowych rad w obronie Jonów przed Persami, co przyniosło mu sławę. Mówi się, że przewidział zaćmienie Słońca 28 maja 585 r. p.n.e. (zdumiewające osiągnięcie w tamtym czasie, jeśli to prawda), które nagle zakończyło wojnę. Był "człowiekiem świata". Pośród tego wszystkiego zwrócił swoje talenty na filozofię przyrody. Tales starał się wyjaśnić działanie wszechświata w kategoriach naturalnych, a nie nadprzyrodzonych. Jego odrzucenie mitologicznych wyjaśnień było kluczową innowacją, którą podążali kolejni greccy filozofowie przez następne tysiąc lat. Dlatego jest powszechnie uważany za "ojca założyciela filozofii przyrody". Podobnie jak wielu kolejnych filozofów, poruszał wiele tematów. Uważany jest za pierwszego prawdziwego astronoma i matematyka, pracował także nad metafizyką, etyką, historią, inżynierią i geografią. Obliczył wysokość piramidy z triangulacji, mierzył odległości łodzi od portu, badał magnetyzm i elektryczność statyczną. Postawił hipotezę, że cała przyroda opiera się na jednej substancji: wodzie. Miał dwóch uczniów, Anaksymandra (ok. 610-546) i Anaksymenesa (ok. 585-528) i wszyscy swobodnie angażowali się w krytyczne dyskusje na temat teorii innych. Tales miał głęboki wpływ na innych greckich myślicieli, a tym samym na rozwój filozofii zachodniej. Pitagoras z Samos (ok. 570-495 r. p.n.e.) był greckim filozofem i matematykiem Jońskim, najbardziej znanym z twierdzenia Pitagorasa. Zasłużył się także muzyką, astronomią i medycyną. Eksperymentował z dźwiękami z różnych długości struny i podobno odkrył, że wysokość dźwięku jest odwrotnie proporcjonalna do długości struny. Odkrycie to skłoniło go do spekulacji, że wszystkie zjawiska fizyczne mogą być zrozumiane przez fundamentalne zależności matematyczne, a poszukiwania takich związków doprowadziły go do twierdzenia Pitagorasa. Cofając się nieco w mistycyzm, założył kult oparty na wierze w kosmicznie znaczące liczby. Wierzyli, że ruchy ciał niebieskich wytwarzają w przestrzeni "muzykę sfer". Uważał samą Ziemię za kulę. Przypisywano mu wiele odkryć z różnych dziedzin. Według Empedoklesa (ok. 500-430 r. p.n.e.) składnikami świata są ziemia (tj. ciało stałe), woda (ciecz), powietrze (gaz) i ogień (ciepło), osobno lub w różnych mieszaninach (cztery "starożytne pierwiastki"). Leucippus (f. V w.) był twórcą teorii atomowej i twierdził, że wszystko w świecie materialnym ma naturalne wytłumaczenie. Jego najsłynniejszym uczniem był Demokryt. Demokryt (ok. 420 r. p.n.e.) jest powszechnie uważany za ojca współczesnej nauki. Podążając za Leucippusem, rozwinął sformułowanie teorii atomowej. Uważał, że cała materia składa się z atomów (od greckiego słowa atomos, oznaczającego niepodzielny), skupionych w grupach. Różne materiały składają się z różnych typów atomów. Na poparcie ich teorii podano empiryczne argumenty. Ponieważ materia może zmieniać kształt, atomy muszą być oddzielone pustą przestrzenią. Demokryt zasugerował, że światło składa się z przechodzących atomów. Spekulował na tematy tak różnorodne, jak życie pierwszych ludzi i zawartość wszechświata. Utrzymywał, że wszechświat pierwotnie składał się z atomów w chaosie, a zderzenia ostatecznie utworzyły większe jednostki, takie jak Ziemia. Utrzymywał, że każdy świat ma początek i koniec. Niektóre z tych koncepcji mogą wydawać się naszym współczesnym uszom dość znajome. Pisał także o epistemologii, estetyce, matematyce, etyce, polityce i biologii. Uważany za ojca medycyny i kompozytora słynnej przysięgi Hipokratesa, Hipokrates z Kos (ok. 460-370 r. p.n.e.) kierował najsłynniejszą szkołą dla lekarzy tamtych czasów. Zgodnie z tradycją filozoficzną swoich poprzedników uważał, że choroby mają przyczyny naturalne (nie nadprzyrodzone) i muszą być leczone środkami fizycznymi. Uważał, że choroba wynika z braku równowagi pomiędzy czterema głównymi płynami organizmu, czyli "humorami". Inni w ciągu następnych dwóch stuleci mogli faktycznie pisać - większość przypisywanych mu dzieł, ale Korpus Hipokratesa miał ogromny wpływ i wiele podręczników medycznych przetrwało z tej epoki. Chociaż Sokrates (ok. 470-399 r. p.n.e.) był wybitną postacią w filozofii, koncentrował się na kwestiach moralnych i nie wniósł bezpośredniego wkładu do nauki. Ale jego metoda badawcza, znana jako metoda Sokratejska, miała wpływ na metodę naukową. Zawierał argumenty, które mogą prowadzić do przyjęcia lub obalenia danej tezy; wiedza może być możliwa, ale musi być w stanie wytrzymać kontrolę. Sam nigdy nic nie napisał, a wszystkie informacje o nim pochodziły od innych, w szczególności od jego ucznia Platona. Platon (ok. 428-348 r. p.n.e.) był centralną postacią w historii filozofii zachodniej. Jego nauczycielem był Sokrates, a najsłynniejszym uczniem Arystoteles. Mówi się, że ci trzej położyli podwaliny zachodniej filozofii i nauki. Zainteresowania Platona obejmowały epistemologię, metafizykę, matematykę, logikę, retorykę, etykę, sprawiedliwość, politykę i edukację. Utrzymywał, że rzeczywistość, jakiej doświadczamy, jest jedynie repliką idealnych form intelektualnych. W swojej Alegorii jaskini opisał więźniów, którzy w końcu wyłaniają się, by ujrzeć wyższą prawdę. Powiedział, że rzeczywisty świat można wydedukować tylko poprzez racjonalne myślenie. Matematyka była kluczowa dla Platona; prawdy matematyczne są doskonałe, w przeciwieństwie do fizycznego świata naszych zmysłów. Do czterech elementów Empedoklesa dodał piąty, który nazwał "eterem" - czystą substancją wypełniającą górne obszary kosmosu. Spośród wszystkich greckich filozofów, Arystoteles (384-322 r. p.n.e.) miał zdecydowanie największy wpływ na rozwój nauki. Studiował i pisał na wiele tematów, w tym metafizykę, fizykę, geologię, biologię, zoologię, medycynę, anatomię, fizjologię, psychologię, etykę, językoznawstwo, logikę, retorykę, poezję, muzykę, politykę i rząd. Jego obszerna praca z zakresu nauk przyrodniczych (około 170 prac) miała dominujący wpływ w czasach islamu, średniowiecza i renesansu, aż do rewolucji naukowej w XVII wieku. Arystoteles rozwinął coś, co w tamtych czasach wydawało się zdroworozsądkowym spojrzeniem na świat. Zaczął od czterech podstawowych elementów Empedoklesa (ziemia, woda, powietrze i ogień) i, podobnie jak Platon, dodał piąty element, eter (lub "kwintesencję"). Utrzymywał, że Ziemia jest kulą; jego dowody obejmowały fakt, że cień Ziemi na Księżycu podczas zaćmienia jest kołem oraz fakt, że kadłub odpływającego statku znika za horyzontem, zanim zrobią to żagle. Gdy rzeczy spadają w kierunku Ziemi, Ziemia jest naturalnie w centrum wszechświata. Woda w naturalny sposób zmierza w kierunku kuli otaczającej Ziemię, a powietrze w kierunku wyższej kuli. Ogień naturalnie zmierza ku górze. Arystoteles przyjął pogląd, że ciała niebieskie są połączone z szeregiem koncentrycznych sfer, jak proponowali niektórzy inni filozofowie greccy. Są one zbudowane z piątego elementu, kwintesencji. Utrzymywał, że wszechświat jest ogromną, ograniczoną sferą bez początku i końca w czasie. Dokonał obserwacji obejmujących niezwykle szeroki zakres zjawisk przyrodniczych i usystematyzował to, co było wówczas znane. Omówił skutki siły i bezwładności. Obserwował właściwości dźwigni. Utrzymywał, że cięższy przedmiot spada szybciej niż lżejszy przedmiot. Pracował w dziedzinie optyki. Został "ojcem zoologii", klasyfikując setki gatunków. Wierzył, że nie ma ostrej granicy między żywymi a nieożywionymi istotami i że istnieje kontinuum od roślin i zwierząt do ludzi. Uważał serce za siedzibę inteligencji i sugerował możliwość istnienia duszy poza ciałem. Arystoteles rozróżniał "ruch naturalny" i "ruch gwałtowny". W ruchu naturalnym pięć wspomnianych wyżej żywiołów zmierza w kierunku swoich naturalnych miejsc (np. obiekt spadający na Ziemię lub bąbel powietrza unoszący się w wodzie). Nie ma siły do wyjaśnienia. Z drugiej strony w gwałtownym ruchu naruszona zostaje naturalna tendencja przedmiotu (np. przedmiotu rzucanego) i trzeba przywołać siłę, aby wyjaśnić tę nienaturalną zmianę. Badał wiele rodzajów zmian i zaproponował cztery rodzaje przyczyn: przyczynę materialną, przyczynę formalną, przyczynę sprawczą i przyczynę ostateczną. Spośród nich przyczyna sprawcza jest najbardziej podobna do tego, co dzisiaj rozumiemy przez "przyczynę". Najbardziej intrygująca z nich jest ostateczna przyczyna - cel lub cel zmiany. Takie pojęcie nazywa się "teleologią" i nie jest częścią współczesnej nauki. Biorąc pod uwagę, że ludzie są przyzwyczajeni do robienia rzeczy w określonym celu, naturalne jest, że mogą przypisywać "cel" wydarzeniom w świecie przyrody. I oczywiście pasuje do wielu religii, które wierzą w celowego boga. Jest jednak całkowicie nie do pogodzenia ze sprawdzonymi zasadami nowoczesnej nauki, w których wydarzenia wynikają z przyczyn przeszłych, a nie ku przyszłym celom; wynikają z samej natury, a nie z jakiegoś ukrytego celu. Hipotezy Arystotelesa były również sprzeczne ze współczesną nauką, ponieważ były raczej jakościowe niż ilościowe, nie zawierały żadnych przewidywań i nie przeprowadzano żadnych eksperymentów w celu sprawdzenia hipotez w rzeczywistym świecie. Niemniej jednak jego praca, ponieważ była tak obszerna i wszechstronna i ponieważ wydawała się zgodna z tak wieloma zdroworozsądkowymi poglądami, była powszechnie akceptowana jako mądrość otrzymana przez prawie dwa tysiące lat. Po pewnych modyfikacjach w XIII wieku stał się zasadniczo oficjalną filozofią Kościoła rzymskokatolickiego. W rezultacie, jak zobaczymy, początkowo stanowiła przeszkodę dla nowych koncepcji nauki, które zostały wprowadzone w XVI i XVII wieku. Filozofia grecka otrzymała impuls wraz z budową Wielkiej Biblioteki Aleksandryjskiej w III wieku p.n.e. Jej ambitnym celem było zgromadzenie całej wiedzy świata; u szczytu zawierał setki tysięcy zwojów. Przez setki lat był głównym ośrodkiem naukowym, i pracowało tam wielu wybitnych myślicieli. Nawiązując do Demokryta, Epikur (341-270 r. p.n.e.) ustanowił system, który widział działanie natury w kategoriach losowo zderzających się atomów. Po śmierci rozproszenie atomów duszy wyklucza możliwość życia pozagrobowego. Celem życia jest przyjemność, którą można znaleźć w umiarze i kontemplacji. Epikur był wczesnym orędownikiem metody naukowej, twierdząc, że w nic nie można wierzyć bez przetestowania przez bezpośrednią obserwację i logiczną dedukcję. W swoim słynnym dziele Elementy Euklides (ok. 300 r. p.n.e.) dokonał syntezy wiedzy matematycznej Greków do jego czasów. Służył jako główny podręcznik dopiero sto lat temu. Wydedukował zasady "geometrii euklidesowej" z niewielkiej liczby aksjomatów. Swoje doświadczenie zastosował w dziedzinach takich jak optyka, harmonika i astronomia. Herofilus (ok. 330-260 r. p.n.e.), uważany za pierwszego anatoma, przeprowadzał sekcje ludzkich zwłok i wiwisekcje żywych zwierząt, aby zrozumieć działanie ciała. Zdał sobie sprawę, że mózg jest centrum układu nerwowego i zidentyfikował niektóre jego regiony. Jego współczesny Erasistratus (ok. 315-240 r. p.n.e.) rozpoznał główną funkcję serca jako pompy i odkrył, że zawiera ono cztery główne zastawki jednokierunkowe. W przeciwieństwie do poglądów Arystotelesa i większości innych myślicieli greckich, Arystarch z Samos (ok. 310-230 r. p.n.e.) zaproponował, że w centrum wszechświata jest Słońce, a nie Ziemia. Oszacował względne odległości Słońca i Księżyca od Ziemi oraz ich rozmiary. Jego heliocentryczny model został odrzucony przez innych z powodów zdroworozsądkowych: wirująca Ziemia krążąca wokół Słońca powodowałaby silne wiatry, obiekty byłyby zrzucane z jej powierzchni, a ciała wyrzucone w górę wylądowałyby gdzie indziej. Bardziej technicznym problemem była "paralaksa gwiezdna": jeśli Ziemia krąży co roku wokół Słońca, wówczas obserwowane względne pozycje gwiazd zmieniają się w ciągu 6 miesięcy, czego nie zaobserwowano. Tak więc to nie heliocentryczny model Arystarcha, ale raczej klasyczny model geocentryczny, który ostatecznie wyłonił się z czasów greckich na przestrzeni wieków. Największym matematykiem greckich filozofów był Archimedes (ok. 287-212 r. p.n.e.). Ponadto był wybitnym wynalazcą, a także wniósł wkład do fizyki i astronomii. Opracował sposoby określania pól i objętości różnych dwu- i trójwymiarowych powierzchni, nowatorski sposób obliczania wartości π Zasłynął odkryciem zasady Archimedesa: ciało zanurzone w płynie doświadcza siły wyporu równej ciężarowi wypieranego płynu. Mówi się, że odkrył tę zasadę podczas kąpieli i wykrzyknął "Eureka!" (Znalazłem to!). Opracował formułę, która wyjaśnia, jak działają dźwignie. Wynalazł śrubę Archimedesa do pompowania wody, wynalazł silniki wojenne, stworzył działający model Układu Słonecznego, globus niebieski i inne cuda. Pomysłowego pomiaru obwodu Ziemi dokonał Eratostenes (ok. 284-192 r. p.n.e.). Wiedział, że w samo południe w czasie przesilenia letniego w egipskim mieście Syene Słońce znajdzie się dokładnie nad jego głową, a jego promienie docierają do dna znajdującej się tam głębokiej studni. Tak więc dokładnie w tym czasie zmierzył kąt wzniesienia Słońca w Aleksandrii, prawie na północ od Syene. Znając odległość między dwoma miastami, łatwo było obliczyć obwód Ziemi, zakładając, że jest to kula. Hipparch (ok. 190-120 r. p.n.e.) był największym astronomem starożytnego świata. Skatalogował 850 gwiazd wraz z ich pozycjami, odkrył "precesję równonocy" (niewielkie ruchy pozorne gwiazd, o których wiadomo, że są teraz spowodowane chwiejnością osi obrotu samej Ziemi), obliczył odległość od Ziemi do Księżyca i wynalazł szereg nowych instrumentów astronomicznych. Niezwykły przykład technologii możliwej w tamtym czasie został wydobyty z wraku statku u wybrzeży greckiej wyspy Antikythera. Nazywa się mechanizm Antikythera i uważa się, że został zbudowany w II wieku p.n.e. Zawierał ponad 30 biegów i przewidywał pozycje astronomiczne, wschody i zachody głównych gwiazd i konstelacji, fazy Księżyca, ruchy planet, zaćmienia i inne. Było to z pewnością najbardziej złożone urządzenie znane ze starożytnej Grecji i uważane jest za pierwszy znany "komputer". Sugerowano, że mógł nad tym pracować Hipparch, a być może także Archimedes. Ta wyrafinowana technologia pozostała niezrównana przez następne dwa tysiąclecia. Ptolemeusz (ok. 100-178 r. n.e.) słynie ze swojego modelu ruchów ciał niebieskich, w którym Ziemia znajduje się w centrum wszechświata, opublikowanego w traktacie znanym jako Almagest. Jego model został przedstawiony w tabelach, które można wykorzystać do określenia przeszłych lub przyszłych pozycji ciał niebieskich. W jego modelu Ziemia jest kulą i nie porusza się. Jest w centrum kosmosu. Ciała niebieskie są doskonałymi kulami, które poruszają się po Ziemi po okręgach; W kolejności odległości od Ziemi są to: Księżyc, Merkury, Wenus, Słońce, Mars, Jowisz, Saturn i wreszcie sfera gwiazd stałych. Aby wyjaśnić pewne osobliwości obserwowanych ruchów planet ("ruch wsteczny" jest czasem widocznym ruchem wstecznym), jego model wykorzystywał urządzenia zwane "deferentami", "epicyklami" i "ekwantami". Almagest podał również listę 48 gwiazdozbiorów, których nazwy przetrwały do dziś, zawierającą 1022 gwiazd. Zastąpił większość wcześniejszych greckich prac dotyczących astronomii i stał się powszechnie akceptowany. Stał się jednym z najbardziej wpływowych tekstów naukowych wszechczasów i pozostał dominującym modelem astronomicznym do przewidywania ruchów ciał niebieskich w ciągu następnych 1400 lat. W innym monumentalnym traktacie, Geografii, Ptolemeusz przedstawił całą wiedzę geograficzną swoich czasów. Geografia zawierała współrzędne geograficzne całego świata znanego wówczas Cesarstwu Rzymskiemu, wraz z mapami i omówieniami metod i danych. Lekarz Galen (ok. 129-210 r. n.e.) zasłynął z pracy nad anatomią człowieka. Udowodnił, że zarówno tętnice, jak i żyły transportują krew. Napisał setki prac z zakresu nauk medycznych; przekazał wiele z tradycji Hipokratesa, ale poszedł też znacznie dalej, dodając aspekty anatomiczne i fizjologiczne. Miał dominujący i trwały wpływ na myśl zachodnią aż do rewolucji naukowej w XVII wieku, a nawet później. Okres wielkich filozofów greckich trwał ponad tysiąc lat, od Talesa do Galena i kilku późniejszych myślicieli, osiągając szczyt około 500-300 lat p.n.e., okres Sokratesa, Platona i Arystotelesa. Był to niezwykły czas swobodnego myślenia i spekulacji na temat świata, w którym żyjemy. Ale w końcu i stopniowo zanikał.

Chociaż Imperium Rzymskie pokonało Grecję w II wieku p.n.e., nie położyło absolutnego końca greckiemu zainteresowaniu myśleniem abstrakcyjnym, ale też nie przejęło samej tradycji greckiej. Niektórzy Rzymianie zainteresowali się tym, ale ogólnie panowała wzajemna pogarda - Grecy patrzyli z góry na kulturową niższość Rzymu, a większość Rzymian postrzegała myślenie greckie jako wywrotowe i niebezpieczne dla Imperium. Niemniej jednak wiele dzieł greckich zostało ostatecznie przetłumaczonych na łacinę. Czysta nauka Greków wpłynęła na stosowaną naukę Rzymian. Niektórzy rzymscy poeci inspirowali się klasykami greckimi. Inni Rzymianie nauczali sztuk wyzwolonych w oparciu o pisma greckie, a jeszcze inni pisali na tematy naukowe w odniesieniu do myślicieli greckich. Było wiele szkół filozoficznych rozsianych po całym Imperium Rzymskim, ale nie było więcej oryginalnych myślicieli. Tak więc ogólnie wielka kultura intelektualna zapoczątkowana przez Greków nie była wspierana przez Rzymian. Dlaczego grecka tradycja w filozofii przyrody ostatecznie dobiegła końca? To pytanie było od dawna dyskutowane. Czy dlatego, że uważano, że wszystko, co można zrobić, zostało już zrobione i że wielkość ("otrzymana mądrość") filozofów przeszłości nigdy nie może zostać przekroczona? Być może był to fakt, że wiele z tego, co zostało napisane, było jakościowe i spekulacyjne (z kilkoma wyjątkami, takimi jak Almagest) bez praktycznego wpływu na rozwój człowieka - nie można było tego właściwie wykorzystać do niczego, więc poza czystym zainteresowaniem uznano, że nie ma to znaczenia dla trwającego życia. Gdyby była ilościowa i zdolna do dokonywania wiarygodnych prognoz w życiu codziennym, z pewnością stałaby się częścią tkanki cywilizacji. Historia świata byłaby zupełnie inna. Ale na to świat musiał poczekać do rewolucji naukowej ponad tysiąc lat później. Zaproponowano różne inne możliwe przyczyny upadku greckiej filozofii przyrody. Nie odgrywała oczywistej roli w społeczeństwie, a różne kulty i sekty, które nie miały z nią sympatii, rosły. Nastąpił wzrost sceptycyzmu i przesądów, sprzeciw wobec samej filozofii naturalnej (w przeciwieństwie do innych gałęzi filozofii), ogólny upadek życia intelektualnego i brak ciągłości między nauczycielem a uczniem. W późniejszych okresach Cesarstwa Rzymskiego warunki gwałtownie się pogorszyły; niestabilność polityczna, kryzysy militarne, epidemie i malejący dobrobyt miałyby negatywny wpływ. Powszechnie uważa się, że rozwój chrześcijaństwa był głównym czynnikiem w późniejszych stadiach upadku filozofii greckiej. Najpierw chrześcijaństwo pojawiło się jako niejasny kult wyłaniający się ze wschodu w pierwszym wieku, a chrześcijanie byli powszechnie prześladowani w całym Imperium Rzymskim. Ale w oszałamiającym odwróceniu, w 380 chrześcijaństwo stało się oficjalną religią państwową Cesarstwa Rzymskiego. Chrześcijanie zdobyli przewagę i mogli wtedy swobodnie prześladować "pogan". Chrześcijański dekret cesarski z tego samego roku nakazał zamknięcie wszystkich pogańskich instytucji w cesarstwie. Obejmowały one Wielką Bibliotekę i Muzeum w Aleksandrii. Według niektórych opowieści wraz z setkami tysięcy cennych zwojów został spalony i zniszczony przez fanatycznych chrześcijan, ale były też najazdy Syryjczyków i Arabów. W każdym razie zniknął na początku V wieku. Kolejnym poważnym ciosem było zamknięcie słynnej Akademii Platońskiej w Atenach dekretem cesarskim w 529 roku. Ale jest oczywiste, że schyłek filozofii greckiej miał już miejsce na wieki przed Chrystusem, więc chrześcijaństwo mogło mieć wpływ tylko na późniejszych etapach schyłku. Niemniej jednak wyraźnie efekt był druzgocący i oznaczał definitywny koniec greckiego złotego okresu.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (3)


Wczesne cywilizacje

Główne wczesne cywilizacje (Mezopotamia, Egipt, Rzeka Indus, Rzeka Żółta, Mezoameryka i Ameryka Południowa) pojawiły się od około 5000 do 3000 lat temu, co stanowi niewielki zakres w porównaniu z czasem od exodusu z Afryki około 50 000 lat temu. Szczególnie interesujące jest to, że przynajmniej ci w Eurazji i Ameryce musieli wyłonić się niezależnie od siebie. To (podobnie jak pojawienie się wczesnych religii i pisma) wydaje się sugerować, że wszyscy ludzie rozwijali się prawie w tym samym tempie, nawet jeśli znajdowali się po przeciwnych stronach planety. Cywilizacje te charakteryzowały się zazwyczaj dużą gęstością zaludnienia, miastami, scentralizowaną władzą, specjalizacją pracy, rozwarstwieniem społecznym, opodatkowaniem, monumentalnym budownictwem, uzależnieniem od intensywnego rolnictwa i gospodarki wodnej, nadwyżką produkcji i piśmiennictwa. Cztery z nich znajdowały się w pobliżu dużych źródeł wody: Tygrys i Eufrat (Mezopotamia), Nil (Egipt), Indus (Dolina Indusu) i Żółta Rzeka (Chiny). Inne, zlokalizowane w Mezoameryce i Ameryce Południowej, opierały się na dużych sieciach irygacyjnych. Nawadnianie było niezbędne dla nich wszystkich. Dokonano szeregu ważnych prac i innowacji. Budowali kanały, wały i tamy. Urządzenia oparte na zasadzie dźwigni były używane w Egipcie i Mezopotamii do podnoszenia wody z rzek i wlewania jej do kanałów. Mezopotamczycy opracowali pompy składające się z serii wiader przymocowanych do lin, aby czerpać wodę ze studni. W ramach tych systemów wynaleźli koło pasowe. Udomowiono woły i konie. Do uprawy roli woły były używane do ciągnięcia pługów. Opracowano "pług siewnikowy" - pług z lejkiem dołączonym do zrzucania nasion w bruzdę. W celu zjednoczenia odległych imperiów zbudowano systemy dróg. Koło zostało początkowo wynalezione około 6000 lat temu, aby ułatwić kształtowanie ceramiki, ale głównym przełomem w transporcie było wynalezienie osi, dzięki której dwa koła przymocowane do osi mogły obracać się w pozycji pionowej nad ziemią. Rezultatem były wozy i rydwany. Egipt miał własną autostradę biegnącą przez całą długość kraju - Nil. Egipcjanie wynaleźli żaglówki, które pływały po Nilu, płynąc na północ z prądem i płynąc na południe z wiatrem. Handel byłby ważnym składnikiem tych gospodarek. Monumentalne budowle były znakiem rozpoznawczym tych cywilizacji. Wielka Piramida w Egipcie jest największą budowlą z litego kamienia, jaką kiedykolwiek zbudowano. Wielki Mur Chiński, ukończony w latach 221-207 r. p.n.e. i mający 22 000 km długości, jest największym projektem budowlanym w historii. Budowa tak rozległych struktur wymagała planowania, projektowania, ogromnej siły roboczej i wiedzy technicznej. Złożone budynki również wymagały innowacji; kamienny łuk był bardzo ważnym wkładem Mezopotamczyków. Metalurgia i chemia były ważne w kilku z tych wczesnych cywilizacji. Metale obejmowały miedź, brąz, cynę, srebro i złoto; obróbka metali obejmowała skomplikowane technologie, od wydobycia i hutnictwa po kucie lub odlewanie metalu w użyteczne przedmioty. Było też duże zainteresowanie alchemią. Aby zachować ciała zmarłych, Egipcjanie opracowali mumifikację, która wymagała znajomości związków chemicznych o właściwościach konserwujących. Mezopotamczycy poznali właściwości różnych substancji chemicznych i zastosowali je do produkcji wielu produktów, od mydła po odzież, szkło i glazurowaną ceramikę. Medycyna była szeroko praktykowana. Wcześni Egipcjanie mieli silną tradycję nauk medycznych, o czym świadczą podręczniki papirusowe. Opracowali również farmaceutyki w postaci naturalnych ekstraktów; lecznicze właściwości kilku z nich zostały potwierdzone przez współczesną naukę. Pewna forma pisania była jedną z cech charakterystycznych wczesnych cywilizacji i opracowano różne techniki. Najwcześniejszym był system pisma klinowego na glinianych tabliczkach, pochodzący z Mezopotamii około 3000 roku p.n.e. Mniej więcej w tym samym czasie pojawiły się hieroglify w Egipcie. Podobnie jak w innych kulturach, obie te w końcu ewoluowały, by reprezentować dźwięki języka mówionego. Wczesne cywilizacje rozwinęły systemy arytmetyki i geometrii. Obejmowały one równania liniowe, kwadratowe i sześcienne, metody obliczania powierzchni, objętości i procentu składanego oraz przybliżone wyznaczanie wartości π. Miały one oczywiście znaczenie dla ówczesnego rolnictwa i inżynierii, dla księgowości wymaganej przez dużą biurokrację oraz dla handlu. Opracowano standaryzowane wagi i miary oraz wprowadzono pierwsze pieniądze. Wszystkie te cywilizacje prowadziły obserwacje astronomiczne. Miały one znaczenie dla różnych celów, od religii i astrologii po przewidywania ważnych wydarzeń astronomicznych i ziemskich. Wysoce regularne coroczne wylewy Nilu można było z góry przewidzieć na podstawie pierwszego pojawienia się gwiazdy Syriusza nad horyzontem. Astronomowie mezopotamscy mogli przewidzieć drogi głównych ciał niebieskich i czas pojawienia się Księżyca w nowiu. Połączyli gwiezdne kropki, aby nazwać konstelacje, podzielili niebo na znaki zodiaku i zidentyfikowali Drogę Mleczną. Ich szczegółowe zapisy ruchów gwiazd i planet, zaćmień Słońca i Księżyca oraz pojawiania się komet dostarczyły pokaźnej bazy danych dla Greków, którzy poszli za nimi. Wymyślili okrąg 360 stopni i godzinę sześćdziesięciu minut. Tak więc podstawowa nauka i wynikające z niej technologie były wyraźnie istotne w tych wczesnych cywilizacjach. Wiele imponujących innowacji i zmian zostało dokonanych w celach czysto utylitarnych - aby służyć państwu i jego celom. Szkolnictwo wyższe z praktycznymi zastosowaniami było wspierane przez przywódców państwowych i religijnych. Wiedza była z pewnością przydatna w zarządzaniu rolnictwem, ewidencji i administracji państwowej, handlu i handlu, architekturze i inżynierii, medycynie, religii, kalendarzu i astrologii. Utrzymywany był przez legiony anonimowych skrybów i biurokratów, zatrudnionych przez państwo do jego celów. Ale żadna z tych wielkich cywilizacji nie stworzyła "filozofii przyrody", racjonalnego badania nieodłącznych właściwości i działania świata naturalnego i fizycznego - podstawy współczesnej nauki. Żaden filozof przyrody nie jest nam znany z żadnej z tych cywilizacji, pomimo ich bogactwa, wielkości i tysiącleci istnienia. Czemu? Biedni chłopi, wieśniacy i robotnicy nie mieliby wykształcenia, czasu wolnego ani swobody kontemplacji świata i byliby zanurzeni w mackach życia małej wioski. Ich celem było samo przetrwanie. Wszelkie uczone osoby zostałyby zatrudnione i uwikłane w działania państwa i prawdopodobnie nie miałyby ochoty, czasu ani pozwolenia, by spojrzeć poza jego cele. A wielkie cywilizacje biurokratyczne byłyby ogłupiające i nietwórcze. Ale najbardziej zniechęcającą przeszkodą była niewątpliwie religia. Te wczesne cywilizacje były pełne bogów, duchów, demonów i niekończących się mitów. Światopoglądy tamtych czasów były całkowicie religijne i mitologiczne. Ugruntowane religie wyjaśniały wszystko. W tamtych czasach było zwyczajem odpowiadać na pytanie wzywając boga lub wymyślając jakieś inne mitologiczne wyjaśnienie. Były setki, jeśli nie tysiące bogów i wiele innych duchów i mitów. Religie zostały w pełni zintegrowane z codziennym życiem i rytuałami. W różnych formach dbały o potrzeby jednostek, dawały wiarę w siłę wyższą i życie po śmierci. Religia była głęboko zakorzeniona i stanowiła część tkanki społecznej społeczeństwa. W obliczu tych wszechogarniających religii i mitologii nie było potrzeby i miejsca na zupełnie inne spojrzenie na świat. Religie wyjaśniły już wszystko na temat świata i było nie do pomyślenia, aby zwykli śmiertelnicy mogli znaleźć jakiekolwiek prawdy o świecie, które nie były jeszcze znane tym religiom. Samo istnienie tych religii stanowiłoby poważną przeszkodę dla niezależnego myślenia, a kapłaństwo z pewnością stłumiłoby wszelkie próby wolnego myślenia. A prawdy o wszechświecie mogły być uważane za absolutne i dane od Boga, w którym to przypadku człowiek nie powinien ich kwestionować ani proponować alternatywy. Mściwy gniew bogów sam w sobie wystarczyłby, by powstrzymać wolne myślenie. A potem był mariaż religii, polityki i władzy. Starożytny Egipt był teokracją. Faraon rządził na podstawie mandatu bogów. Reprezentował wolę bogów poprzez prawa i politykę. Pod nim była hierarchia państwowa, biurokracja i wojsko oraz potężne kapłaństwo, które pomagało utrzymać status quo. Zakorzenione przywileje rządzących w tak monolitycznej, hierarchicznej cywilizacji byłyby ogromne i oczywiście byłoby to zniechęcającą perspektywą zaproponowania zupełnie innego światopoglądu, który mógłby im zagrozić. Nie jest więc zaskakujące, że te wczesne cywilizacje nie stworzyły niczego, co przypominałoby naturalną filozofię. To musiało poczekać na wielkich myślicieli greckich.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości (2)


Krótka historia

Z mgieł czasu


Nasi przodkowie wyłonili się z mgły czasu z rozwijającą się świadomością siebie i świata, w którym się znaleźli. Około 7 milionów lat temu rozstali się z szympansami. W tym czasie nasi przodkowie i szympansy zaczęli osobno ewoluować i ostatecznie stali się zupełnie różnymi gatunkami. Szympansy pozostały w swoim naturalnym środowisku, ale nasi przodkowie mieli bardzo trudne i wymagające doświadczenia. Przenieśli się ze swoich znajomych lasów do zupełnie nowych siedlisk, zaczynając od otwartych sawann Afryki, a w końcu zimnych równin Azji, gór i lodu Europy, a ostatecznie reszty świata. Te nowe środowiska wymusiłyby na naszych przodkach znaczące zmiany ewolucyjne, gdy walczyli o adaptację. Rezultatem (jak dotąd) jesteśmy my. Jedną z pierwszych kluczowych adaptacji ewolucyjnych był dwunożność, umiejętność chodzenia na dwóch nogach. Wymagał szeregu istotnych zmian anatomicznych w kręgosłupie, miednicy, nogach i stopach. Ale przyniosło to duże korzyści. Na trawiastych sawannach można było zobaczyć inne duże zwierzęta - zarówno drapieżniki, jak i ofiary - ze znacznie większych odległości. Można było poruszać się szybciej i sprawniej. Zwolniono ręce do innych zadań, co z czasem miało stawać się coraz ważniejsze. Ślady naszych wczesnych przodków zostały znalezione w zestalonym popiele wulkanicznym datowanym na ponad 3,5 miliona lat temu. Ponieważ nasi wcześni przodkowie (tak jak my) nie mieli naturalnej ofensywnej lub defensywnej broni ani zbroi (takich jak poroże, duże zęby, pazury i muszle innych zwierząt), opracowanie narzędzi było bardzo ważnym krokiem. Bez nich nasi przodkowie mieli tylko gołe ręce. Najstarsze znane narzędzia kamienne pochodzą sprzed 2,5 miliona lat. Początkowo były to jedynie odpowiednio ukształtowane kamienie, którymi można było zdrapywać ciała martwych zwierząt. Ale uznanie ich użyteczności było małym, ale bardzo ważnym krokiem. Narzędzia rozwijały się powoli przez wieki. Pierwsze użycie ognia miało miejsce ponad milion lat temu. Prawdopodobnie miałaby to postać płonącej gałęzi wyjętej z pożaru spowodowanego uderzeniem pioruna i przewieziona do obozu. Powstałe ognisko zapewniłoby ciepło, pewną ochronę przed dzikimi zwierzętami i środki do gotowania jedzenia (co mogło być szczególnie korzystne dla energochłonnych mózgów). Można go podtrzymywać, dodając więcej gałęzi w razie potrzeby. Wielkim przełomem byłoby odkrycie sposobu na samodzielne rozpalenie ognia za pomocą tarcia. Potem mieli przenośne narzędzie o ogromnej wartości. Kolejną ważną zmianą ewolucyjną był wzrost rozmiarów mózgów naszych przodków. Kilka milionów lat temu nie były większe niż dzisiejsze szympansy, około 300-400 cm3. Ale potem z czasem zaczęły rosnąć, a dziś mają około 1400 cm3 objętości. Kora przedczołowa, siedziba naszych najwyższych zdolności poznawczych, jest siedmiokrotnie większa niż kora przedczołowa szympansów. Biorąc pod uwagę ogromny koszt tak dużych mózgów - trudności w porodzie i zapotrzebowanie energetyczne mózgu (około 50% całkowitego spożycia w przypadku niemowląt) - korzyści musiały być ogromne. Przyczyna tej niezwykłej ewolucji nie jest jeszcze jasna, ale zalety dużej mocy umysłowej są dziś oczywiste dla nas wszystkich. Znajomość materiałów na narzędzia, natury ognia, tego, które jagody są bezpieczne, a które są trujące, zachowań i wzorców migracji zwierząt oraz innych kluczowych faktów dotyczących świata była niezbędna do przetrwania i zostałaby przekazana wieki z pokolenia na pokolenie przez miliony lat. To była nauka na najbardziej podstawowym poziomie. Przez większość tego czasu nie było komunikacji ustnej ani pisemnej - młodzi uczyliby się, obserwując praktyki starych. Ale bardziej ogólna forma komunikacji byłaby oczywiście bardzo korzystna. Tak więc pochodzenie języka byłoby monumentalnym krokiem naprzód. Kiedy i jak to się stało? Niestety ze względu na oczywisty brak bezpośrednich dowodów bardzo trudno jest odpowiedzieć na te pytania, choć hipotez jest wiele. Język i mowę można uważać za różne rzeczy, ale rozwój krtani z pewnością byłby ważnym krokiem. Połączenie dużego mózgu, w pełni rozwiniętej krtani i języka dałoby naszym przodkom ogromną przewagę. Ewolucja naszych wczesnych przodków nie przebiegała po jednej linii. Z biegiem czasu, według ostatnich szacunków, doprowadziło to do powstania aż 27 różnych linii genealogicznych i narysowano wstępne "drzewo genealogiczne". W jednym czasie na planecie mogło żyć kilka różnych gatunków. W końcu wyginęły wszystkie, oprócz nas. Homo to rodzaj naczelnych, który obejmuje współczesnych ludzi. Homo habilis pojawił się w zapisie kopalnym około 2,8 miliona lat temu i prawdopodobnie stworzył pierwsze narzędzia. Homo erectus i Homo ergaster byli prawdopodobnie pierwszymi, którzy użyli ognia i skomplikowanych narzędzi, i jako pierwsi opuścili Afrykę i zamieszkali w Europie i Azji około 1-2 mln lat temu. Homo neanderthalensis (neandertalczycy), o mózgach tak dużych jak nasz, żyli w Europie już 400 000 lat temu. Anatomicznie współcześni ludzie (Homo sapiens), nasi bezpośredni przodkowie, po raz pierwszy pojawili się około 200 000 lat temu, a poważna fala migracji z Afryki miała miejsce około 50 000 lat temu. Z analizy genetycznej wynika, że ludzie mogli napotkać "wąskie gardło populacji", zmniejszając populację do zaledwie kilku tysięcy i niebezpiecznie ograniczając różnorodność genetyczną, ale oczywiście wyzdrowieliśmy. Neandertalczycy zniknęli z zapisu kopalnego około 30 000 lat temu. Nasz , to jedyny żyjący gatunek z rodzaju Homo. Przez większość ostatnich 2 milionów lat technologia narzędzi ewoluowała bardzo stopniowo. Ale potem, około 50-100 tysięcy lat temu, zaczęły pojawiać się różnego rodzaju innowacje. Niektórzy badacze widzą dowody na "wielki krok naprzód" w technologii i kulturze około 50 tysięcy lat temu, podczas gdy inni widzą bardziej stopniowy rozwój w ciągu ostatnich 100 tysięcy lat. W każdym razie zaszły istotne zmiany. Dowody obejmują użycie bardziej skutecznych narzędzi wykonanych z kości, broni kompozytowej, takiej jak włócznie z kamiennymi lub kościanymi grotami, łuk i strzały, wędkarstwo, malowidła jaskiniowe, biżuteria, transport materiałów na duże odległości oraz obrzędy pogrzebowe. Najistotniejsze były nowe działania o charakterze symbolicznym i abstrakcyjnym. Anatomicznie współcześni ludzie stawali się nowoczesnymi behawioralnie ludźmi. Religia stopniowo się rozwijała. Wszystkie znane kultury świata praktykowały jakąś formę religii. Zarówno wtedy, jak i teraz, obejmowała wiarę w istoty nadprzyrodzone i zajmowała się duchowym aspektem kondycji ludzkiej, życiem i śmiercią oraz możliwością życia pozagrobowego. Każda społeczność stworzyła bogów na swój obraz. Były antropomorficzne i ściśle odzwierciedlały wartości społeczności. Pomogli zrozumieć ludzką kondycję. Byli bogowie na wszystko i jest zrozumiałe, że prymitywni ludzie wymyślili bogów, duchy i mity, aby wyjaśnić przerażające lub tajemnicze zjawiska naturalne, takie jak błyskawice, grzmoty, komety, meteory, zaćmienia, tęcze, trzęsienia ziemi, narodziny i śmierć. Oczywiście wszystkie te zjawiska naturalne są dziś wyjaśnione przez naukę, ale w dawnych czasach dobrze byłoby "zrozumieć" je w kategoriach bogów, a z pewnością byłoby krzepiące wiara w życie pozagrobowe. Religia była także potężną siłą jednoczącą członków społeczności. Około 10 000 lat temu niektórzy z naszych przodków porzucili swój styl życia łowiecko-zbierackiego. Osiedlili się w jednym miejscu, założyli rolnictwo i udomowili zwierzęta. Zmiany te niewątpliwie miały miejsce przez dłuższy czas. Nauczyli się, jak uprawiać kilka roślin, obserwując najpierw, że pochodzą one z nasion i stopniowo doskonalili swoje techniki. Wilki, które podążały za nimi od obozowiska do obozowiska, jedząc resztki we wcześniejszych czasach, w końcu stały się oswojonymi psami. Nasi przodkowie nauczyli się trzymać inne zwierzęta, które można wykorzystać na mleko, żywność i odzież, takie jak krowy i owce. Nie wszyscy nasi przodkowie zrezygnowali z trybu łowiecko-zbierackiego, a niektórzy kontynuują ten styl życia do dnia dzisiejszego w tak odległych miejscach, jak Nowa Gwinea, środkowa i południowa Afryka, dorzecze Amazonki, Syberia, Alaska, północna Kanada, zachodnia. Australia, Ziemia Ognista, Malezja i Wyspy Andamańskie. Ale z tych, którzy wybrali osiadłą egzystencję, powstały wsie, miasta, a w końcu całe cywilizacje.


Rozwój nauki


Od prehistorii do dalekiej przyszłości


Współczesna nauka i technologia dały nam wiedzę i standardy życia daleko wykraczające poza najśmielsze oczekiwania naszych przodków, którzy żyli zaledwie kilka wcieleń temu. Zaledwie kilka wcieleń temu (wykorzystując jako skalę czasową naszą współczesną długość życia wynoszącą 80 lat, niewielki ułamek naszej egzystencji jako gatunku), nasi przodkowie nie mieli pojęcia, z czego składa się materia, jak działa życie ani co leży poza naszym Układem Słonecznym i najbliższe gwiazdy. Elektryczność była tylko ciekawostką, a atom tylko spekulacją. Teraz wiemy o atomie i jego składnikach, rozumiemy podstawy życia i zbadaliśmy wszechświat. Dzisiaj elektryczność jest szeroko rozprowadzana po krajach i zasila nasze gałęzie przemysłu i domy, a nasi przodkowie byliby jeszcze bardziej zdumieni tym, jak wykorzystujemy energię atomową. Spojrzeliby na Księżyc i zastanawiali się, z czego jest zrobiony. Teraz spacerowaliśmy po Księżycu i wysłaliśmy statki kosmiczne na wszystkie planety Układu Słonecznego. Trzy wcielenia temu nasi przodkowie podróżowali pieszo lub na wozach po polnych drogach; nieliczni bogaci podróżowali konnymi lub zaprzężonymi w konie powozami. Dzisiaj rutynowo podróżujemy samochodem z prędkością 100-200 km na godzinę po utwardzonych drogach i autostradach. W tamtych czasach podróże zamorskie odbywały się w drewnianych łodziach z żaglami, co trwało miesiące, a komunikacja na odległość odbywała się za pośrednictwem listów przewożonych konno lub wysyłanych za granicę, ponownie w drewnianych łodziach z żaglami. Dziś podróżujemy przez pół świata w ciągu zaledwie godzin w ogromnych samolotach odrzutowych, które latają 10 km nad ziemią i są bliskie prędkości dźwięku, i mamy praktycznie natychmiastową komunikację na całym świecie za pośrednictwem telefonu, poczty elektronicznej i mediów społecznościowych. Nasi przodkowie w tym czasie mieszkali w chatach, drewnianych zagrodach lub kamiennych domach na wsiach i miasteczkach, w których tylko kominki służyły do ogrzewania i świece do oświetlania. Wodę do użytku domowego trzeba było nosić ręcznie. Dziś mieszkamy w dobrze ocieplonych domach z oknami termopanelowymi, centralnym ogrzewaniem, klimatyzacją i oświetleniem elektrycznym, a ciepło i zimno w pomieszczeniach przyjmujemy za pewnik. Bieżąca woda jest zawsze dostępna od ręki. Jeszcze kilka wcieleń temu mężczyźni pracowali na farmach ręcznie, przy pomocy koni lub wołów, a kobiety prały ubrania ręcznie. Dziś tylko niewielki ułamek ludzi pracuje w gospodarstwach rolnych, z maszynami wykonującymi ciężką pracę a pralka pomogła wyzwolić kobiety. W tym czasie żywność była produkowana lokalnie i musiała być szybko konsumowana, konserwowana lub wkładana do lodu, zanim się zepsuła. Dziś mamy żywność z całego świata, która jest zawsze dostępna w supermarketach i lodówkach w domu, aby zachować świeżość. W tamtych czasach życie naszych przodków było uzależnione od kaprysu pogody. Teraz mamy satelity pogodowe obserwujące całą kulę ziemską i masowe symulacje komputerowe, które ostrzegają nas o nadchodzących katastrofach i sporządzają prognozy z niezwykłą dokładnością. Prostą muzykę i skecze w tym czasie produkowali w domu lub wiosce członkowie rodziny, miejscowi lub małe grupy podróżujące; tylko zamożni mogli doświadczyć muzyki kameralnej, koncertów, oper i sztuk teatralnych. Dziś mamy całą światową muzykę i ogromną różnorodność rozrywek najlepszych światowych wykonawców, gdziekolwiek jesteśmy, za dotknięciem przycisku na naszych iPodach, smartfonach, odtwarzaczach CD, telewizorach i komputerach z urządzeniami do strumieniowania podłączonymi do Internetu. Trzy wcielenia temu jedynymi obrazami były rysunki i obrazy. Teraz co roku wykonujemy biliony zdjęć cyfrowych. Średnia długość życia wtedy wynosiła zaledwie 30 lat. Dziś jest ich ponad 80 w większości krajów rozwiniętych. W tamtych czasach upuszczanie krwi było powszechnym lekarstwem, a przyczyny chorób były zupełnie nieznane. Teraz rozumiemy i wyleczyliśmy wielu z nich, dysponujemy potężnymi urządzeniami do obrazowania, które pozwalają zajrzeć do wnętrza ludzkiego ciała oraz wyrafinowanymi lekami i metodami diagnozy i operacji, które ratują miliony istnień ludzkich. Świat kilka wcieleń temu był nocą prawie całkowicie ciemny, a nasi przodkowie byliby zdumieni olśniewającym widokiem nowoczesnego Nowego Jorku, Hongkongu czy Tokio nocą. Nasi przodkowie zaledwie kilka wcieleń temu zaniemówiliby na widok startującego promu kosmicznego lub na myśl o łodzi podwodnej, która może dotrzeć do najgłębszych części oceanu, i uznaliby nowoczesny komputer lub smartfon za cud. Pisarz science fiction Arthur C. Clarke zauważył kiedyś, że każda wystarczająco zaawansowana technologia w oczach znacznie mniej rozwiniętego społeczeństwa byłaby "nie do odróżnienia od magii". Nasza wiedza o świecie wzrosła wykładniczo i każda osoba może ewentualnie nadążyć. W każdej niszy są eksperci. Ale dzięki Internetowi większość światowej wiedzy jest teraz łatwo dostępna dla nas wszystkich. Przez prawie cały czas istnienia ludzkości nasi przodkowie nie spodziewali się postępu; prowadzili egzystencję i mieli tylko nadzieję, że jutro będzie takie jak dzisiaj. Ale teraz żyjemy w świecie fenomenalnego wzrostu wykładniczego; jesteśmy uzależnieni od postępu i bierzemy go za pewnik, ponieważ jesteśmy do niego przyzwyczajeni. Dzisiejsze dzieci nie znają nic poza naszym współczesnym światem smartfonów, samochodów i samolotów. Ostatnie dwa lub trzy wcielenia były naprawdę wyjątkowe. Świat kilka wcieleń temu wyglądałby tak samo, jak setki, a nawet tysiące lat wcześniej. Dopiero od tego czasu nasze życie zmieniło się tak dramatycznie dzięki nauce i technologii. Ale historia nauki sięga znacznie dalej, do zarania ludzkości.