От деня, в който Архимед прекъсва банята си, за да извика „Еврика“, науката е постоянен източник на изненади. Дори след обилното натрупване на знания през последните две хилядолетия, науката все още запазва способността си да изумява, но 20-ти век е векът на шокиращите открития.
Някои от тези открития се случват внезапно (не непременно в моменти като при Архимед); в други случаи революционните промени в разбирането отнемат известно време, за да проникнат бавно в общото научно съзнание.
И в двата случая Science News ви даваше най-важното от удивителния свят на науката. Тя беше на работа през последните 100 години, като идентифицираше и докладваше безкрайната поредица от изненади, твърде многобройни, за да се споменат всичките, но ще откроим 10 от най-шокиращите.
10. Нарушение на паритета
През 20-ти век физиците установяват значението на математическите симетрии в природните закони. Докато във физическия свят се случват всякакви промени, уравненията, които ги описват, остават същите. Изглеждаше очевидно, че гледането на Вселената в огледало – превключването наляво и надясно – не трябва да влияе върху точността на тези уравнения.
Херман Вайл, виден математик, починал през 1955 г., смело заявява, че „не може да има съмнение, че всички природни закони са инвариантни по отношение на обмена на дясно с ляво“. Но след това през 1956 г. физиците Цунг-Дао Ли и Чън Нинг Ян публикуват теоретичен документ, който предполага друго и почти веднага два екипа експериментатори показват, че природата наистина различава лявото от дясното (в технически план нарушава паритета).
Радиоактивното бета разпадане на кобалтовите атоми и разпадането на нестабилни частици, наречени мюони, показват неравенство отляво-надясно в посоките, изминати от излъчваните бета-частици. Това е било голяма изненада. „Беше чудо!“ припомня Леон Ледерман, един от експериментаторите, в интервю четири десетилетия по-късно.
9. Инертните газове образуват съединения
Към края на 9-ти век химиците добавят изцяло ново семейство елементи към периодичната таблица на Дмитрий Менделеев – инертните газове. Хелий (открит на слънцето десетилетия по-рано, но не на Земята до 1895 г.), неон, аргон, ксенон, криптон и радон преди това са пропуснати, тъй като те – доколкото някой можеше да каже – не правят съединения с други елементи. Тези устойчиви на реакция атоми стават известни като инертни или благородни газове, тъй като при обикновени условия всички те съществуват в газообразно състояние.
Всички учебници казват, че подреждането на електрони около атомите на инертния газ изключва всяка възможност за химическа комбинация. И все пак през 1962 г. заглавие на Science News Letter обявява „Невъзможно“ съединение, направено с инертен газ. Тази статия съобщава за ксеноново съединение, ксенонов тетрафлуорид, създадено в Националната лаборатория Аргон в Илинойс, като същевременно признава, че по-рано през 1962 г. химикът Нийл Бартлет вече е приготвил друго ксеноново съединение, ксенон-платинов хексафлуорид. Химиците трябвало да се преборят, за да се пренапишат учебниците и учените напомняха, че не винаги трябва да се вярва на това, което се говори.
8. Тектоника на плочите
През 60-те години много учени по Земята са изумени, когато научават, че учебниците, описващи историята на планетата, трябва да бъдат изхвърлени. Алфред Вегенер обаче не е толкова изненадан. Вегенер, който умира през 1930 г., е астроном, превърнал се в метеоролог, който се занимава с палеонтология и геофизика.
През 1915 г. той пише книга, в която предлага теорията, че континентите на Земята някога са били събрани в една суша, която нарича Пангея. След това в продължение на милиони години те се отдалечават от позициите си, докато не се е получила днешната световна карта.
Тази карта не е постоянен портрет на характеристиките на Земята, твърди Вегенер, а по-скоро моментна снимка, извлечена от дългогодишен филм. Но малцина вярват на Вегенер, а геофизиците твърдят, че такова мащабно движение на такива огромни твърди маси е физически необяснимо.
Идеята на Вегенер за дрейфа на континентите обаче не умира. Геолозите знаели за това. Но то остава ерес до 60-те години на миналия век, когато магнитните модели, открити на морското дъно, предполагат, че океаните са се разширили, изтласквайки континентите един от друг.
„Нови доказателства подкрепят дълго обсъжданата теория, че континентите някога са били свързани и са се отдалечили“, съобщава Science News Letter през 1963 г. По-нататъшната работа през следващите няколко години показва, че дрейфът на континента е симптом на сложни механизми в Земята, които стават известни като тектоника на плочите.
Тектониката на плочите обяснява не само местоположението на континентите, но и как се формират планинските вериги и защо земетресенията се струпват в добре очертани зони на сеизмична активност. До 1969 г. Science News цитира експерти, които обявяват, че е време „тектониката на плочите да бъде приета като основен теоретичен модел в геофизиката“. И въпреки че много овластени години наред не искат да го приемат, десетилетията след това потвърждават изненадващото заключение, че Вегенер е бил по същество прав.
7. ДНК прави гени
Едно от най-драматичните открития на миналия век дойде през 1953 г., когато Джеймс Уотсън и Франсис Крик, подпомогнати от рентгеново изображение, произведено от Розалинд Франклин, разбират структурата на двойната спирала на ДНК на генетичната молекула. Но може би по-голямата изненада идва няколко години по-рано, когато Осуалд Ейвъри и колеги от университета Рокфелер в Ню Йорк показват, че ДНК е веществото, от което се правят гените. Въпреки че реалността на гените е установена в ранните години на 20-ти век, никой няма убедителни доказателства за тяхната физическа структура.
През 20-те години на миналия век „хората бяха също толкова объркани относно това какво представляват гените… както е сега за съзнанието“, казва Крик в интервю от 1998 г. „По-професионалните хора в тази област смятаха, че това е проблем, който е твърде рано да се решава.“
От 40-те години на миналия век преобладаващото мнение е, че гените трябва да бъдат изградени от някакви протеини. ДНК е просто някаква неясна органична киселина. Но през 1944 г. Ейвъри и колеги демонстрираха, че гените се състоят от нишки, а не от протеини. Последващи проучвания през 1950 и 1952 г. потвърждават ДНК като генетичен материал. През 1953 г. обаче признават структурата на двойната спирала на ДНК като най-добрата научна история на годината. „Начинът, по който животът се предава“, озаглавява историята на предложението на Уотсън и Крик за това как репликацията на ДНК служи като основа за наследствеността.
6. Тъмната енергия
До 90-те години на миналия век теорията за Големия взрив за разширяващата се вселена е установена, но въпросите остават. Главен сред тях е съдбата на Вселената. Повечето експерти смятат, че гравитационното привличане на маса в цялата Вселена забавя нейното разширяване. Но те обсъждат дали има достатъчно маса, за да се обърне напълно разширяването, свивайки космоса критично.
Някои смятали, че Вселената ще се разширява завинаги, но с постоянно намаляваща скорост. Сюжетът в тази история се изкривява доста шокиращо през 1998 г., когато два екипа астрономи съобщават за измервания на светлината от далечни свръхнови. Тези доклади, подкрепени впоследствие от допълнителни данни, разкриват, че универсалното разширяване не се забавя, а ускорява.
Някаква отблъскваща сила, наречена „тъмна енергия“ при липса на твърдо познание за нейната истинска природа, очевидно прониква в космоса. Изследователите са „изумени да открият, че космосът се е разширявал с 10 до 15 процента по-бавно в миналото, отколкото може да се отчете“ без отблъскваща сила днес, съобщава Science News.
5. Тъмната материя
През 30-те години на миналия век физикът-астроном Фриц Цвики забелязва, че скоростите на галактиките, движещи се в група, наречена купчина Кома, сякаш се противопоставят на очакванията въз основа на гравитационните ефекти на видимата маса. Цвики стига до заключението, че някаква невидима материя – той я нарича неясна материя или „тъмна материя“ – трябва да се дебне в клъстера, за да съгласува наблюденията със закона на гравитацията.
По -късно астрономът Хорас Бабкок и други забелязват подобно несъответствие във външните области на някои галактики: Звездите се въртят около външните ръбове на галактиката много по-бързо, отколкото позволява видимата маса на галактиката.
През 70-те години и след това астрономът Вера Рубин и сътрудници потвърждават бързата скорост на външните звезди в много галактики. Както Science News съобщава през 1994 г., подобно поведение е мъртъв подарък, че видимият диск на тези галактики лежи вграден в много по-голям и по-масивен ореол от невидим материал.
Астрономът Вера Рубин и колегите й потвърждават, че външните звезди в много галактики се движат по-бързо от очакваното, сигурен знак за някакъв вид тъмна материя
AIP Emilio Segre Visual Archives, Rubin Collection
Докато осъзнаването, че по-голямата част от материята на Вселената не може да се види, беше достатъчно изненадващо, още по-голямата изненада дойде, когато няколко доказателства потвърдиха, че тъмната материя не може да бъде от същия вид материя, позната на Земята, съставена предимно от протони и неутрони.
Действителната идентичност на тъмната материя остава загадка и до днес; физиците са предложили някои добре мотивирани възможности, но перспективата остава, че истинската природа на тъмната материя също ще бъде изненада.
4. Атомна бомба и ядрено делене
От времето на откриването на радиоактивността физиците спекулират със скритата енергия, опакована във всяко парче материя. И след като Айнщайн публикува известното си уравнение E = mc2, беше ясно, че количеството на тази енергия ще бъде огромно. Но повечето експерти се съмняват, че ще има някакъв практичен начин за освобождаване на такава енергия за полезни цели или военно оръжие. Но в края на 1938 г. химиците Ото Хан и Фриц Страсман установяват, че експериментите, бомбардиращи уран с неутрони, дават доказателства за много по-лекия елемент барий. Лиза Майтнер (която си е сътрудничила с Хан, преди да избяга от нацистка Германия) и нейният племенник Ото Фриш разбират какво се е случило – урановото ядро се е разделило на парчета.
Фриш веднага го съобщава на Нилс Бор, за да се качи на кораб за Америка. И скоро след пристигането на Бор, всичко това става публично.
„Освободената атомна енергия“ е заглавието на News Letter в началото на 1939 г., като същевременно успокоява читателите си, че „физиците са разтревожени, че няма да има обществена тревога за възможността светът да бъде взривен на части от техните експерименти“.
През 1945 г. САЩ хвърлят атомни бомби върху японските градове Хирошима (вляво) и Нагасаки (вдясно). заглавието на Science News нарича бомбите „гръмотевици на съдния ден“
Скоро обаче ядреното делене се трансформира в мащабен военен проект за изграждане на невъобразимо мощен експлозив, шокиращ света с потенциала си за унищожение, като същевременно предлага и частично надежден източник на полезна енергия. „Гръмотевиците на Страшния съд“, хвърлени върху Япония, „предвещават революция във войната, каквато не е имало след първата употреба на барут, а по-късно и друга революция в индустрията, вероятно по-голяма от тази, въведена чрез изобретението на парната машина.“
3. Разширяващата се Вселената
И философите, и физиците отдавна са обмисляли въпросите относно природата на Вселената – дали тя е ограничена или безкрайна, имала ли е начало или е съществувала вечно. Почти всички вярват, че като цяло тя никога не се е променяла, а просто е съществувала, обектите се въртят и въртят в цикли, които завинаги се повтарят.
Само единици (поетът Едгар Алън По например) са си представяли развиваща се, променяща се Вселена. Но през 20-те години на миналия век математикът Александър Фридман предполага, че Вселената може да расте или да се свива въз основа на неговите решения на уравненията на Общата теория на относителността на Айнщайн. Самият Айнщайн е забелязал тази възможност по-рано, но е променил уравненията си, така че те да предскажат непроменяема вселена, тъй като не е знаел никакви доказателства, че е друго.
Но такива доказателства вече се събират при измервания на спектъра на светлината, излъчвани от далечни мъглявини (по-късно наречени Галактики). Анализът на тези данни накара Едвин Хъбъл да покаже през 1929 г., че колкото по-далечна е галактиката, толкова по-бързо отлита, което предполага (въпреки че Хъбъл не се съгласи веднага), че Вселената всъщност се разширява. „Далечните мъглявини се втурват далеч от нас с огромна скорост и по този начин истинската Вселена непрекъснато се разширява“, съобщава Science News Letter през 1931 г.
2. Антиматерия
През 1930 г. в Science News-Letter се появява статия за невероятно смело предложение на млад британски физик на име Пол Дирак. Той твърди, че материята – солидността, от която са изградени физическите обекти – всъщност не е нищо повече от куп „дупки“ във вакуума на космоса. Той предположил, че пространството не е празно, а по-скоро е пълно с електрони, надарени с „отрицателна енергия“.
Тези електрони с отрицателна енергия не могат да бъдат открити. Но на места, където на електрона с отрицателна енергия е дадена достатъчно енергия, за да го издигне от морето с отрицателна енергия, ще се образува дупка, подобна на празен балон в океана. Липсата на електрона би накарала дупката да има положителен електрически заряд. Дирак предположил, че такива положително заредени мехурчета в океана с отрицателна енергия ще съответстват на протоните, фундаменталната частица, съставляваща по-голямата част от масата на всички атоми – с други думи, цялата материя.
Но това не се оказало изненада, защото Дирак грешал. Скоро той осъзнава, че положително заредените дупки не могат да бъдат протони, а по-скоро трябва да са много по-леки, със същата маса като обикновен отрицателно зареден електрон. Така Дирак прогнозира съществуването на антиматерия, което е изцяло нова идея. Един обикновен електрон, срещащ своята антиматериална частица, би изчезнал чрез запълване на дупката, освобождавайки прилив на енергия в процеса. „Анти-електронът“ на Дирак е открит скоро след това в космическите лъчи от физика Карл Андерсън, който съобщава „за вероятното съществуване на… положително заредена частица от масата на познатия ни отрицателен електрон“.
1. Принцип на неопределеност
През 1927 г. Вернер Хайзенберг обявява своя принцип на неопределеност, идея в основата на новородената математика за описване на природата, известна като квантова механика. Принципът на Хайзенберг изразява шокиращото осъзнаване, че непрекъснатата верига от причини и следствия, изведена от нютоновата физика, е илюзия, приближение, което природата не е наблюдавала в субатомната скала.
Това отнема няколко години, но Science News-Letter провъзгласява „Принципът на неопределеност “влиза в науката” в заглавие от 1929 г.
„Грубо казано, новата теория твърди, че случайността управлява физическия свят“, се казва в статията. „Тези странно звучащи последици произтичат от твърдението, че една частица може да има точно място или точна скорост, но не може да има и двете.“ Докладът го нарича „тревожна идея“, която ще „революционизира идеите за Вселената… в още по-голяма степен от „относителността“ на Айнщайн“ и със сигурност ще предизвика вълнение, „след като философите и миряните започват опитите си за нейното тълкуване“.
Подобни опити продължават и днес – и всяко бъдещо тълкуване, което успее да постигне консенсус, със сигурност ще дойде като особено неочаквана изненада.
