Свикнали сме да възприемаме физиката като занимание за ума – за разлика от спорта например, който ангажира тялото и мускулите ни. До голяма степен и стереотипът ни за физика е доминиран от образа на Айнщайн и други подобни професори с драматични коси, застанали пред дъска с формули. По тези, а и други причини, у всички нас е наслоена представата, че физиката и прогресът във физиката са дело най-вече на ума и мисълта. Това обаче не е съвсем вярно. Освен на ума, физиката е дело и на ръцете. Сръчността, наравно с ума, направлява разбирането ни за света. Именно защото сме сръчни, ние променяме и оформяме материята така, че тя да започне да ни служи. Чрез сръчността създаваме и инструментите, които не само ни правят по-силни и по-прецизни, но и разширяват сетивата ни. Невидими неща в природата стават видими. Сръчността разширява разбирането ни за света.
Тя – сръчността – всъщност е толкова основополагаща, че не се нуждае от доказателство. Но ако има дори и за секунда някакво съмнение, достатъчно е да погледнем делфина, за да видим разликата. Делфинът притежава интелект и емпатия, съизмерими с човешките, но вместо ръце, има плавници и затова не е създал нито писменост, нито цивилизация. Тези две неща са дело както на ума, така и на ръцете. Цивилизацията е следващо стъпало в еволюцията на живота, на което от земните видове стоим само ние – човеците. Тя дава възможност на човека да „живее вечно“, въпреки ограничения си живот. Това е така, защото цивилизацията чрез езика вгражда в себе си значимия и смислен индивидуален опит и той остава дълго след като индивидът си е отишъл. Когато се родим, започваме да опознаваме света, и благодарение на разказите, книгите и учебниците не започваме от нулата, а черпейки от миналия опит, сякаш изживяваме набързо хилядолетия и епохи. Опознавайки камъка, огъня, колелото, желязото, електричеството – ние следваме откритията до сегашния момент на развитието на цивилизацията. Ето ти половин вечност в рамките на ограничения ни живот! А ако през собствения си живот се развиваме и оставим нещо смислено, което цивилизацията да вгради в себе си като опит за следващите поколения в бъдещето, – ето ти вече изживяването на цяла вечност! В този смисъл ние живеем вечно в рамките на цивилизацията, защото можем да поемем опита на другите в миналото и да споделим опита си с други в бъдещето.
Това малко въведение беше нужно, за да си припомним, че физиката (природната наука) е сред плодовете на цивилизацията и е необходимо да я видим в този контекст. Тя е учение, което поколенията надграждат и развиват. Подходът към нея, заедно с подходите към другите достижения (dianoia) на цивилизацията – изкуството, етиката и политиката, са формулирани още от Аристотел. За природните науки и математиката той учи, че подходът следва да е теоретичен, към етиката и политиката – практичен, а към изкуството – поетичен. Това чисто и ясно разделение изглежда направо съвършено. Били са необходими две хилядолетия, чак до Ренесанса, за да се преосмислят тези аксиоми за знанието и подходите към него. Аристотел не е подценявал или омаловажавал практическия подход. Той просто не е смятал, че има място в разбирането на природата. Според него, за да обясним природата, е достатъчно да разсъждаваме логично и рационално. Тази убеденост се дължи може би на абсолютната му вяра в сетивата. Аристотел и учениците му възприемали сетивата, тези „порти към реалността“, като щедър дар, като даденост, която не подлежи на коментар и промяна. На подобна, неподлежаща на въпрос, но централна роля в метода на познание, се радвала и интуицията. През Ренесанса обаче именно преосмислянето на ролята на сетивата и интуицията в познанието ще постави началото на модерната наука.
Промяната на мисленето през Ренесанса става вследствие на натрупването не само на нови идеи, но и на нови умения. Развитите през вековете занаяти правят възможно изработването на прецизни механични и оптични инструменти, които разширяват и допълват сетивата, а идеите започват да се подлагат на проверка. Съмнението се превръща в добродетел в науката. За разлика от класическите философи на Античността, Галилей и неговото поколение полимати се отдават на прякото наблюдение и на експеримента. Докато за класическите философи е било достатъчно един път да видят нещо, за да го „разберат“, а след това да прекарат времето си в разсъждение защо е така или иначе, то поколението на Галилей прекарва времето си в наблюдение на самото явление – целенасочено наблюдение при различни условия, в което се търсят обективни мерки: времетраене, температура и т.н. С този нов емпиричен подход явленията се изразяват с математически формули: математиката се превръща в езика на физиката. Измерването с инструменти пък прави идеите проверими и така науката започва да се самокоригира. Самият Галилей е изобретил и изработил десетки нови инструменти – изчислителни линии (калкулатори), телескопи, ранни версии на термометъра и микроскопа. С тези уреди и инструменти той регистрира явления, изчислява траекториите на небесни тела, описва Луната и открива спътниците на Юпитер. Поради неизбежния конфликт с църквата Галилей прекарва последните няколко години от живота си под домашен арест. През това време той обобщава голяма част от идеите и опита си в последната си книга. Изглежда си е давал сметка за значимостта на резултатите, защото книгата се казва „Две нови науки“ (пълното заглавие е „Беседи и математически доказателства относно две нови науки“ – Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze). Първата наука е кинематика и става основа на физиката по-късно, а втората наука разглежда свойствата на материалите и става основа на инженерните дисциплини. Поради забрана да издава в Италия, книгата му е публикувана през 1638 г. в Холандия от книгоиздател на име Лодевик Елзевир. Публикуването на тази книга изглежда е станало значимо събитие и за гилдията на книгоиздателите, защото едно от най-големите издателства за научни публикации и до днес носи името на същия този Елзевир, приютил някога идеите на Галилей.
Галилео, както споменахме, създава много инструменти със собствените си ръце и ги използва в изследванията си. През Ренесанса сръчността става основно умение във физиката наред с аналитичното мислене. Ако асоциираме сръчността с експерименталната наука, а мисълта – с теоретичната, то и двете части стават необходими за установяването на научната истина. Една теория не се приема за вярна, ако не е доказана експериментално. Динамиката на модерния научен процес е такава, че теоретичната хипотеза често е движещата сила и тя провокира след това експериментална проверка. Има обаче и случаи, в които неочакван експериментален резултат е провокирал размисъл и довел до ново обяснение след това. В колекцията на научното знание тези случаи често фигурират като „Ефект на …“: ефект на Магнус, ефект на Пелтие, Фотоелектрически ефект… Всички тези „ефекти“ са свидетелство, че първо нещо интересно е било открито и регистрирано, а след това и обяснено. За установяване на научната истина в крайна сметка не е важно дали първо ни е хрумнала теорията или първо сме наблюдавали явлението. Важното е, че само когато и двете са налични, имаме научна истина.
Но да се върнем отново към сръчността. В експериментален контекст сръчността се изразява в умението да се направят измервателните уреди, но също и да се използват за извършването на наблюдения – както в музиката, където се изисква голямо майсторство и сръчност, за да се направи хубава цигулка. Да се свири добре на нея изисква също много сръчност и практика.
„Сръчност при наблюдение“ може да звучи малко неясно, затова нека да се поставим за малко в ролята на ренесансов учен с конкретна практическа задача: да измерим земното ускорение, докато разполагаме само с хронометър и едно просто махало. В нашия случай това махало може да бъде конец завързан за тавана, като в другия му край е привързана някаква тежест. За тежест може да използваме ябълка – популярен избор в изучаването на гравитацията! Когато отместим ябълката и я пуснем, тя започва да се люлее около равновесната си точка. Времето, необходимо на ябълката да извърши един пълен цикъл на движение, наричаме период T на махалото. А дължината на конеца (махалото) от точката на окачване до центъра на ябълката е L.
Известна ни е математическата взаимовръзка между периода на махалото, дължината му и земното ускорение: тя се изразява с:
От тук лесно може да изведем на какво е равно земното ускорение, което търсим да установим:
И сега вече всичко необходимо е налице. Измерваме колко е дължината L на махалото (1 метър в нашия случай), знаем π (≈3.14159), а Т ще измерим с хронометър. Можем да започнем нашия експеримент. След няколко измервания с различни начални условия обаче виждаме, че точността на измерването на периода зависи от това коя точка на люлеене избираме за негово начало (и край), когато пускаме и спираме хронометъра! Ако изберем да засичаме за начало и край на периода една от двете мъртви точки на махалото (най-ляво или най-дясно положение), засеченото време за периода получаваме в интервала 1.75-2.21 секунди. Това съответства на земното ускорение в рамките на 8.08-12.89 м/с2 (синята област на графиката във фиг. 2). Обаче ако за начална точка изберем и маркираме средата на траекторията, и пускаме и спираме хронометъра, когато видим, че махалото минава през средата, с максимална скорост, това ни дава значително по-тесен интервал за измерените времена: 1.93-2.06 секунди, и това съответства на земно ускорение в интервала 9.3-10.59 м/с2 (зелената област на графиката). За справка, реалното земно ускорение е 9.807 м/с2 (златната линия на графиката).
Причината за тази разлика в точността на измерването е нашето възприятие. Минаването на ябълката през маркираната среда е (визуално) кратко и на око можем да фиксираме по-точно момента. Докато другото събитие, когато ябълката постепенно спира в най-крайната точка и след това бавно се засилва обратно изглежда по-дълго. По-дългото събитие създава повече несигурност относно точката, в която да засечем времето, и това води до по-големи отклонения в измерването на периода. Главната поука тук е, че субективният фактор винаги е налице, когато правим измервания, и затова трябва да се стремим да намалим ролята му.
Веднъж след като сме разбрали това и сме избрали средата като отправна точка за измерването, ни става интересно: дали можем още повече да подобрим точността на измерването? Грешката, която правим при засичане на времето, е свързана с времето ни на реакция и други субективни фактори и тя винаги ще присъства. Тя обаче ще присъства по еднакъв начин, независимо дали измерваме 1 или 10 или 100 периода наведнъж. Можем да се възползваме от това, за да намалим грешката 10 пъти, ако измерим наведнъж времетраенето на 10 периода и след това разделим на 10. Как би изглеждало това в нашия случай? За времетраенето на 10 периода измерихме 20.09 сек. с хронометъра, което значи, че за един период се падат 2.009 секунди. По формулата, тази стойност на периода отговаря на земно ускорение 9.7814 m/s2 (червената линия на графиката). Този наш експериментален резултат е наистина много близко до реалната стойност (9.807 – златната линия) и можем да бъдем доволни.
След този пример може би вече става по-ясно с какво е свързана методиката на измерването и на експеримента – със стремеж да минимализираме субективния фактор и да опознаем самото явление, за да създадем оптималните условия за измерване. В това се състои и есенцията на научния експеримент и измерването: в стремежа ни към точност, в умението ни да превръщаме големите интервали в тънки линии. За да можем да усъвършенстваме процеса на измерване, да го документираме и прилагаме, се изисква именно сръчността, за която иде реч. Тя е основополагаща и в самото правене на инструментите.
Макар и често инструментите, които ползваме, да се приемат за даденост, не бива да забравяме, че те заемат централно място в научната революция. Много силен пример в това отношение е делото на Йозеф фон Фраунхофър от началото на XIX век. Израснал като чирак на стъклар в Баварското кралство, Фраунхофър става експерт в създаването на висококачествени лещи и оптически прибори. Благодарение на опита и познанието си за различните материали, както и готовността си да експериментира, този занаятчия се превръща в един от най-важните физици за времето си. Неговите нововъведения и изобретения в оптиката водят до революции във физиката. Той създава ахроматична леща и телескоп (даващи неизкривен цветен образ). Създава и развива и дифракционната решетка, която му позволявала да измерва спектралните линии. На основата на дифракционната решетка Фраунхофър изобретява спектроскопа, с който през 1814 г. наблюдава и измерва тъмните линии в спектъра на Слънцето – повратен момент за науката. Спектроскопът отваря възможността да се установи материалният състав на обектите, излъчващи светлина, чрез измерването на спектралните им линии. Фраунхофър накарва светлината да започне да разказва историята на материята, от която идва. Това дава началото на Астрофизиката и Спектроскопията и отваря нови глави в разбирането на природата и космоса. Интересното е, че стремежът на Фраунхофър не е бил да открива тайните на природата. Той просто е искал да прави възможно най-добри оптически прибори, за да ги продава. Неговите нововъведения са в резултат на хиляди часове, прекарани пред стъклолеярните пещи и в експериментиране с различни съставки. Той умира от туберкулоза твърде рано, на 39 г. За да се направи качествено стъкло били нужни тежки метали, но вдишваните пари се оказали разрушителни за белите му дробове. Роден в бедност, но умрял като благородник (фон), въпреки краткия си живот, Фраунхофър оставя в наследство множество изобретения и инструменти, нови техники и процеси, издигнали оптиката до съвсем ново ниво. Като свидетелство за значимостта на това наследство в Германия Дружеството от институтите за приложни изследвания носи неговото име.
Майсторството в правенето на уреди е свързано и с материала, от който ги правим. Различните материали изискват различни процеси на обработка и съответно различни умения. Ако качеството на механичните уреди зависи от прецизността, с която обработваме металите и чистотата на самите метали, то за оптическите инструменти е важен съставът на стъклото и методите за полиране на лещите, така че тe да имат форма, съвсем близка до математическия ѝ идеал (параболична, сферична и т.н.). В XX век с прогреса на квантовата механика и откриването на полупроводниците редица нови материали стават интересни от фундаментална и приложна гледна точка. Сръчността се насочва към кристалографията и умението да се създават кристални структури, понякога дебели само няколко атомни слоя, от различни материали, които се редуват един след друг като тухли. Потребността от чисти слоеве „екзотични“ материали без замърсявания става голяма, защото те застават в основата на ново поколение инструменти – транзисторите, процесорите и цялата полупроводникова индустрия. В началото на 90-те години на ХХ в. например назрява проблемът за получаване на чист кристал от GaN (галиев нитрид), защото такъв монокристал би отворил възможност за реализация на ефективен син светодиод и оттам на масово полупроводниково осветление. По това време Шуджи Накамура работел като изследовател в частна японска корпорация (Nichia) и искал да създаде процес за създаването на такъв чист GaN монокристал. За целта, с благословията на шефа си, той поръчал комерсиален MOCVD реактор за $2 милиона, предвиден за растежа на GaAs, малко по-различен полупроводников материал. Шуджи бързо осъзнал, че с този реактор не може да създаде желания GaN, и се оказал в тежка ситуация.
Опитах значителен брой растежи в течение на няколко месеца, но постоянно се провалях. Или не се наблюдаваше растеж на GaN, или растежът на слоя беше черен, а GaN трябва да е прозрачен. Осъзнах, че това е голям проблем, особено като се има предвид значителната инвестиция в инструмента. Тогава реших, че трябва да модифицирам реактора.
Модифицирането на такова скъпо съоръжение е рискован и много смел ход, още повече когато не е гарантирано, че получаването на чист GaN въобще e възможно. За Шуджи обаче изглежда това е бил единственият начин да продължи, след като е поръчал този реактор и от него се очаквали резултати.
През следващата година и половина модифицирах дизайна на реактора. Сутрин ходех на работа и внасях промени в реактора. Следобед извършвах няколко растежа и анализирах резултатите. Повтарях този ритъм на работа в продължение на година и половина, докато не изобретих нов дизайн на MOCVD реактор с нисък поток от носещ газ, който нарекох двупотоков MOCVD. Използвайки този реактор, успях да получа много равномерен и висококачествен растеж на 2-инчов GaN.
Шуджи добавя към комерсиалния реактор нов поток от газ, който „нежно“ да бута основния газ към субстрата, за да могат Ga и N атомите от основния газ да израснат в повторим и предвидим ред върху субстрата. Въвеждането на този втори поток, това нежно побутване на основния газ, което да реши проблема с хомогенността на атомно ниво, е изражение на майсторска сръчност. И както разбираме от думите на самия Шуджи Накамура, когато приема заслужената Нобелова награда, тази сръчност е шлифована в продължение на година и половина на целенасочено и смело експериментиране. Скоро след този пробив, чистият GaN и синият светодиод се оказват в центъра на полупроводниковата революция в осветлението, защото светодиодите светят в пъти по-евтино и ефективно от лампите с нажежаема жичка. Във време, в което нашата цивилизация има сериозна нужда да намали потреблението си на енергия, това е много значимо откритие.
Изработката и манипулацията на интересни материали с атомна точност не винаги изисква скъпа апаратура, подобна на реактора за 2 млн. Понякога изисква само една лента тиксо и голяма доза неконвенционалност.
Историята на откритието на графена (въглероден пласт, който е дебел само 1 атом) например е зашеметяваща. Андре Гейм и Костя Новоселов, физици от университета в Манчестър, си създали традицията всяка петъчна вечер да ползват университетската лаборатория за свои странични, често абсурдни опити, несвързани с работата им. Освен за задоволяване на любопитството, това им помагало да се разсеят от основните неща, с които се занимавали през седмицата. В един от тези петъци те решили да видят колко тънък графит могат да направят. Използвайки тиксо, те отлепили люспа графит. Върху тиксото с графита, залепили друго тиксо, което след отлепянето разцепило люспата на две още по-тънки люспи. Следвайки тази проста процедура, те се поувлекли и за своя изненада достигнали до люспи от графит дебели само един атом! Тъй като се намирали в добре оборудвана лаборатория, подложили тези уникални едноатомови люспи на редица измервания и потвърдили уникалните свойства на този материал, които били предсказани десетилетия по-рано. Никой дотогава не бил успял да създаде такъв материал, а Андре и Костя го направили като на шега в една петъчна вечер. Този игрив подход в стил „я да видя какво ще стане“ често липсва в академичната среда, но е характерен за много от успешните експериментатори, какъвто е и Андре Гейм. Десет години преди да спечели Нобеловата награда за откриването на графена (2010 г.), той получава Антинобеловата награда за физика, нещо като Златна Малинка (Ig Nobel prize 2000 г.) за публикуваните си експерименти с левитираща жаба в магнитно поле. За разлика от много академици, той отива да приеме антинаградата без никакво чувство на срам. Неповлиян от осмиването и конформизма, Андре Гейм е единственият носител и на Нобелова, и на Антинобелова награда едновременно. Иронията в случая е, че и двете награди награждават едно и също: неговото необременено любопитство, което понякога има абсурдно изражение, но понякога води до революционни открития.
Това любопитство обаче е стъпило на сръчността, която определя начина, по който ние си взаимодействаме със света и преподреждаме материята. Сръчността не може да се прочете и разбере, тя се развива с практика. Целенасочена, мотивирана и смела практика. Целият еволюционен път на хомо сапиенс е маркиран от развитието на сръчността и докато работим върху своите физически умения, независимо дали става дума за умението да свирим на цигулка, да правим трикове със скейтборд или да подреждаме атоми върху субстрат, ние оставаме на този път. Развиването на нашата сръчност е това, което ни прави човеци. Във време, когато все повече продуктът на нашия труд е виртуален, има опасност нашата сръчност да закърнее и да деградира до натискане на клавиши и зяпане на екран. Както видяхме по-рано, сръчността е много важен фактор в разбирането на природата и развитието на интелекта ни и ако излезем от този път, като спрем да развиваме сръчността и уменията си – ние ще престанем да бъдем човеци, а цивилизацията ни ще се сгромоляса.
Започнахме с наблюдението, че културните ни представи за физик отговарят на тези за теоретика („умния професор“). В съвременната ни попкултурна вселена обаче съществува и стереотипът за експериментатора, най-често свързан с образа на „лудия професор“, който във филмите и романите винаги има второстепенна роля. В историите за възрастни той понякога е отрицателен, а друг път комичен герой. В историите за малките обаче „лудият професор“ има специално място. Той повежда децата към приключения, изпълнени с космически пътешествия, с фантастични оръжия, с машини на времето и телепортационни портали… За детското въображение образът на лудия професор е много по-притегателен от умния професор, не само заради уменията и интересните изобретения, но и заради хаоса, който носи. С него никога не е скучно.
В науката поддържането именно на това детско любопитство и подход, необременен от конформизма на академията (а по-рано и на църквата), води до големите открития. Андре Гейм, Шуджи Накамура и хиляди други експериментатори нямаше да направят големите си открития, ако в своята дейност основно се съобразяваха с това какво ще кажат другите и дали ще им се смеят. Те не биха скочили в непознатото, ако не си задаваха детския въпрос: „Какво ще стане, ако опитам да…?“