Немного о "бесполезной" науке⁠⁠

“Физика подобна сексу: иногда даёт практические результаты, но занимаются ей не поэтому” – Ричард Фейнман

Не будем касаться тех обывателей, которые пользуются плодами науки и яростно отрицают ее нужность. Их высмеял еще дедушка Крылов.

Многие люди прекрасно понимают, зачем работают ученые в "Интел" над тем, чтобы разместить больше деталей на кристалле кремния, или в "Данон", над бактериями в йогурте. Или в "Роснано", над, хм, ну ладно. Это чтобы смартфончики пахали быстрее и чтобы йогурт дольше не кис.

Это все относится к прикладным наукам и с точки зрения простого смертного такие науки хорошие, годные. Но этот же простой человек искренне не понимает, зачем отправлять станции к спутникам Юпитера, копать кости динозавров и считать волоски на лапках тропических мух. Этим занимаются науки фундаментальные, чья главная цель - знание ради знания. И с точки обывателя, они бесполезны. Но при этом, достаточно дороги. Большой адронный коллайдер стоил 6 миллиардов долларов, а выхлопа, вроде бы, не дал. И говорит обыватель, давайте лучше эти деньги направим на поиск лекарства от рака, или на худой конец, помощь детям Африки.

Только так не работает. В науке никто не знает заранее, какие исследования практически пригодятся. Вот несколько примеров.

Математическая логика

Жил-поживал в девятнадцатом веке в Англии математик Джордж Буль. Математикой он занимался всю жизнь, в перерывах настрогав пятерых дочерей, две из которых тоже стали математиками, а одна знаменитой писательницей Этель Лилиан Войнич, написавшей "Овода".

Но главное достижение Буля все-таки не в этом, а в том, что он создал так называемую математическую логику (другие названия - алгебра логики, булева алгебра).

Формальная логика известна со времен Аристотеля и помогает выводить точные суждения. Например:

1. Все металлы электропроводны.

2. Золото - металл.

3. Следовательно, золото электропроводно.

Это пример дедуктивного рассуждения.

Буль додумался перевести логику на язык математики. Цитируемый силлогизм в ней будет выглядеть так:

Зачем? Это позволяет резко упростить выведение логических последовательностей.

Кто-то: мистер Буль, а зачем нужна ваша математическая логика?

Буль: ну, во-первых, это красиво.

Математикам действительно бывает достаточно для мотивации, чтобы было красиво. Но не всем остальным.

Поэтому к началу 19 века математической логикой занимались пару десятков человек по миру. Многие из них были выдающимися умами. Но всем остальным эта наука была не нужна и к преподающим эту область знания ходили единицы студентов.

Прошло почти сто лет, и казалось, что математическая логика так и останется любопытной, но бесполезной областью математики (которых в ней множество). Но в сороковых годах на лекции по математической логике повалили толпы, особенно много среди них оказалось молодых инженеров.

Оказалось, что булева алгебра идеально подходит для нарождающихся компьютеров. На это еще в 1937 году указал Клод Шеннон, один из отцов цифрового века.

Элементарная составляющая компьютера - логический элемент, так же как для мозга его клетка, нейрон. Сейчас логические элементы транзисторные, которых миллионы в кристаллах процессоров. Но когда-то их делали и ламповыми и электромеханическими, и даже гидравлическими. Несущественно, главное, логический элемент должен обрабатывать сигнал и передавать его следующему. Из этого вытекает вся мощь современных компьютеров, которые любую сложнейшую обработку информации сводят к простейшим математическим операциям, которые и построены на основе булевой алгебры.

Так что "бесполезная" игра ума английского математика породила цифровой век.

Электромагнитные волны

К середине 19 века электричество уже плотно разрабатывалось и начало широко применяться. Однако никакой теории электромагнитного поля еще не было.

И тут за дело взялся Джеймс Клерк Максвелл. Шотландский (или британский, в зависимости от того, кто упоминает) ученый, первую свою работу он написал в 14 лет. Доказал то, что кольца Сатурна состоят из твердых частиц, что все цвета образуются из смешения трех базовых (привет, цветное телевидение и цифровые изображения), но главной его областью стало электричество.

В 1860-65 годах Максвелл создает теорию электромагнитного поля, укладывающуюся в четыре уравнения, которые до сих пор лежат в основе всей электродинамики. Однако новую теорию встретили очень прохладно. Даже друг Максвелла, Томпсон, писал, что теория, конечно, любопытная, но не очень логичная. Работы Максвелла были написаны довольно сумбурно и путано, формулы были чрезмерно громоздкие. Особенно смущало ученых, то что из теории Максвелла чисто математически следовало, что должны существовать электромагнитные волны в пустоте - полная ересь тогда.

Даже через двадцать лет работы теория Максвелла отрицалась многими учеными. Немецкий физик Генрих Герц тоже не верил в нее, избегал в своих работах даже поминать имя Максвелла. Юноша из семьи преуспевающего еврейского адвоката, он должен был пойти по стопам отца, как и два его брата. Но в средней школе Герц влюбился в физику и посвятил этому свою жизнь.

Когда ему было 26 лет и он уже был профессором, Герц решил опровергнуть идею электромагнитных волн и провел серию опытов.

Установка Герца была очень проста. Главной ее частью был так называемый вибратор, два медных стержня с промежутком между ними. При подаче переменного тока между стержнями проскакивала искра. Приемник был еще проще - проволочное кольцо тоже с промежутком и двумя маленькими латунными шариками-разрядниками.

Между вибратором и приемником было некоторое расстояние. В полной темноте, включая ток в вибраторе, Герц увидел слабые искры между шариками приемника. Передать эту энергию могли только электромагнитные волны! Герцу пришлось признать правоту Максвелла. Он заявил об этом миру в 1888 году.

По факту, Герц осуществил первую в мире радиосвязь, но считал свое открытие бесполезным с практической точки зрения. Как-то перед студентами он заявил: «Это абсолютно бесполезно. Это только эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав. Мы всего-навсего имеем таинственные электромагнитные волны, которые не можем видеть глазом, но они есть». На вопрос одного из студентов «И что же дальше?», ученый пожал плечами: «Ничего».

Герца можно понять. Ну передаются слабенькие искры не дальше трех метров и что, какая в этом практическая польза? Однако не все думали так. Попытки передать электрический сигнал без проводов делались еще до открытий Максвелла и Герца. На Западе считается, что изобретателем радио был Г. Маркони, у нас А. Попов. На самом деле, вопрос темный. Радиопередачи разной степени успешности вели в конце 19 века не меньше десятка человек. Даже в Индии есть свой "изобретатель радио". Но Попов с Маркони изобрели пригодную практически радиосвязь. А потом пошло-поехало, и сейчас мы докатились до спутниковой и мобильной связи и вайфая. А началось ведь с сомнительной теории и бесполезного открытия.

Бактерии и ПЦР

Трое американских биологов, Эллис Чиен, Дэвид Эдгар и Джон Трела, годами ковырялись в Йеллоустонских горячих источниках и изучали тамошних бактерий. В частности, одна из них лучше всего себя чувствовала при 70 градусах тепла, когда большинство других тупо сварились бы. Она принадлежала к так называемым термофилам. Биологи выделили из бактерии особый фермент, который позволял ей размножаться при такой температуре. Казалось бы, пример бесполезной науки.

Что такое ДНК известно более менее всем. То, что она способна самокопироваться и нести в себе план всего организма тоже известно всем. Когда была открыта знаменитая молекула, на ее исследование были брошены лучшие научные силы.

Одна из засад подобных исследований было то, что часто образцов ДНК удавалось выделить крайне мало. Вот бы заставить ДНК размножаться в пробирке! И такой способ был найден.

Сын каролинского фермера, Кэри Муллис всегда имел интерес к биологии. Он защитил диссертацию по биохимии в 1972 году и.. бросил науку, чтобы писать фантастику. Но все же вернулся к профессии и изобрел в 1983 году ПЦР, полимеразную цепную реакцию. Что это такое и с чем ее едят подробно объяснено здесь. Если очень коротко, то это способ заставить ДНК самокопироваться, причем копировать не всю молекулу, а конкретный ее кусок, интересующий исследователя.

Все круто, но был нюанс. В процессе реакции приходилось нагревать ДНК с вспомогательными веществами до 30 раз, несколько раз почти до кипения. В процессе важнейший фермент - полимераза, почти разлагался. Добавлять все время новый было дорого. И тогда Муллис вспомнил о работах бактериологов. Термостойкая полимераза подходила под процесс идеально.

Сейчас ПЦР используется не только в биохимии, но и в диагностике болезней. Вот у нас проба крови (или чего-то еще) с подозрением на присутствие возбудителя болезни. Выявить его традиционным путем дело крайне непростое. ПЦР позволяет этот процесс сильно упростить. Запускаем в раствор маркер, реагирующий только на вредоносную ДНК, врубаем процесс. Если там ДНК возбудителя нет, то ничего не происходит. А если есть, то ее станет очень много, что хорошо заметно.

Кэри Муллис получил за свое открытие Нобелевку, но был известен в научном мире и как отрицатель глобального потепления и связи ВИЧ и СПИД. Что лишний раз доказывает, что гениальный в одном человек не должен быть авторитетом в других. Он умер за полгода до эпидемии ковид, где анализ по ПЦР сыграл колоссальное значение.

***

Да, часть исследований будет всегда бесполезной практически в какой-то момент, что-то, может, навсегда. Часть ученых в лучшем случае будут "удовлетворять любопытство за государственный счет", в худшем пилить бабло. И это нормально. В США вывели правило, что 90% денег в науке будет бездарно просаживаться, но 10% отобьют потраченное многократно. Так что денег на науку жалеть нельзя.