Top 10 trí tưởng tượng đánh bại khoa học

Vào giữa thế kỷ 19, hầu hết các nhà khoa học (đặc biệt là các nhà hóa học) đều tin vào nguyên tử. John Dalton đã chỉ ra rằng tỷ lệ đơn giản của các nguyên tố khác nhau tạo nên các hợp chất hóa học ngụ ý rõ ràng rằng mỗi nguyên tố bao gồm các hạt nhỏ giống hệt nhau.

Nghiên cứu sau đó về trọng lượng của những nguyên tử đó khiến thực tế của chúng trở nên khó tranh cãi. Nhưng điều đó không ngăn cản nhà vật lý-triết học Ernst Mach. Thậm chí vào cuối thế kỷ 20, ông và một số người khác vẫn khẳng định rằng nguyên tử không thể có thật, vì chúng không thể tiếp cận được với các giác quan. Mach tin rằng các nguyên tử là một “kỹ xảo tinh thần”, những hư cấu tiện lợi giúp tính toán kết quả của các phản ứng hóa học. "Bạn đã từng thấy cái này bao giờ chưa?" anh ấy sẽ hỏi.

Ngoài sự sai lầm khi định nghĩa thực tại là “có thể quan sát được”, thất bại chính của Mach là không thể hình dung ra cách mà các nguyên tử có thể được quan sát. Ngay cả sau khi Einstein chứng minh sự tồn tại của nguyên tử bằng cách gián tiếp vào năm 1905, Mach vẫn giữ vững lập trường của mình. Tất nhiên, ông không biết về các công nghệ của thế kỷ 20 mà cơ học lượng tử sẽ kích hoạt, và do đó không lường trước được những kính hiển vi mới mạnh mẽ có thể hiển thị hình ảnh thực tế của các nguyên tử (và cho phép một công ty máy tính nào đó lôi chúng ra để đánh vần IBM).

Quan điểm của Mach tương tự như quan điểm của Auguste Comte, một triết gia người Pháp, người khởi xướng ý tưởng về chủ nghĩa thực chứng, chủ nghĩa phủ nhận thực tại đối với bất cứ thứ gì khác ngoài đối tượng của kinh nghiệm giác quan. Triết lý của Comte đã dẫn (và trong một số trường hợp vẫn dẫn) nhiều nhà khoa học đi chệch hướng.

Thất bại lớn nhất về trí tưởng tượng của ông là một ví dụ mà ông đưa ra cho điều mà khoa học không bao giờ có thể biết được: thành phần hóa học của các vì sao.

Năm 1835, Comte lập luận rằng danh tính các thành phần của các ngôi sao sẽ mãi mãi nằm ngoài tầm hiểu biết của con người . Ông nói, chúng tôi có thể nghiên cứu kích thước, hình dạng và chuyển động của chúng, “trong khi chúng tôi sẽ không bao giờ biết cách nghiên cứu thành phần hóa học, hoặc cấu trúc khoáng vật của chúng,” hoặc đối với vấn đề đó, nhiệt độ của chúng, cái mà “nhất thiết phải luôn được che giấu từ chúng tôi."

Tuy nhiên, trong vòng vài thập kỷ, một công nghệ mới được gọi là quang phổ đã cho phép các nhà thiên văn học phân tích màu sắc của ánh sáng do các ngôi sao phát ra. Và vì mỗi nguyên tố hóa học phát ra (hoặc hấp thụ) màu sắc (hoặc tần số) chính xác của ánh sáng, mỗi bộ màu giống như một dấu vân tay hóa học, một chỉ số không thể sai để xác định danh tính của một nguyên tố. Do đó, sử dụng kính quang phổ để quan sát ánh sáng sao có thể tiết lộ tính chất hóa học của các ngôi sao, chính xác là điều mà Comte nghĩ là không thể.

Đôi khi trí tưởng tượng không thành công vì sự dư thừa của nó hơn là do thiếu vắng. Trong trường hợp của bộ phim không hồi kết về khả năng tồn tại sự sống trên sao Hỏa, những con kênh nổi tiếng của hành tinh đó hóa ra chỉ là hình dung của trí tưởng tượng khoa học hoạt động quá mức.

Lần đầu tiên được “quan sát” vào cuối thế kỷ 19, các kênh đào trên sao Hỏa xuất hiện dưới dạng vệt trên bề mặt hành tinh, được nhà thiên văn học người Ý Giovanni Schiaparelli mô tả là kênh đào Canali , tuy nhiên, tiếng Ý là kênh, không phải kênh. Vì vậy, trong trường hợp này, một cái gì đó đã đạt được (chứ không phải bị mất) trong bản dịch - ý tưởng rằng sao Hỏa là nơi sinh sống. Nhà thiên văn học người Anh Norman Lockyer nhận xét vào năm 1901 : “Các kênh đào được đào,“ đã có những người đào. ” Ngay sau đó, các nhà thiên văn học đã tưởng tượng ra một hệ thống kênh rạch phức tạp vận chuyển nước từ các cực của sao Hỏa đến các khu vực đô thị và trung tâm nông nghiệp đang khát. (Một số nhà quan sát thậm chí còn tưởng tượng thấy kênh đào trên Sao Kim và Sao Thủy.)

Nhà thiên văn học người Ý Giovanni Schiaparelli đã mô tả các kênh trên sao Hỏa vào cuối thế kỷ 19 (bản đồ từ năm 1888 được hiển thị). Những nhà thiên văn học đầy nhiệt huyết và sáng tạo đã sớm tưởng tượng ra những con kênh phức tạp.

Với trí tưởng tượng hạn chế hơn, được hỗ trợ bởi kính thiên văn và bản dịch tốt hơn, niềm tin vào các kênh đào trên sao Hỏa cuối cùng đã phai nhạt. Nó chỉ đơn thuần là những cơn gió sao Hỏa thổi bụi (sáng) và cát (tối) xung quanh bề mặt theo những cách mà đôi khi tạo thành những vệt sáng và tối xếp thành hàng một cách giả dối - mắt gắn với những bộ não quá giàu trí tưởng tượng.

Năm 1934, nhà vật lý người Ý Enrico Fermi đã bắn phá uranium (số nguyên tử 92) và các nguyên tố khác bằng neutron, loại hạt được James Chadwick phát hiện ra chỉ hai năm trước đó . Fermi nhận thấy rằng trong số các sản phẩm có một yếu tố mới không thể xác định được. Ông cho rằng mình đã tạo ra nguyên tố 93 , nặng hơn uranium. Anh không thể tưởng tượng ra cách giải thích nào khác. Năm 1938, Fermi được trao giải Nobel vật lý vì đã chứng minh được “sự tồn tại của các nguyên tố phóng xạ mới được tạo ra bằng cách chiếu xạ neutron”.

Tuy nhiên, Fermi đã vô tình chứng minh sự phân hạch hạt nhân. Các sản phẩm bắn phá của ông thực sự nhẹ hơn, các nguyên tố đã biết trước đây - các mảnh vỡ tách ra từ hạt nhân uranium nặng. Tất nhiên, các nhà khoa học sau đó được cho là đã phát hiện ra sự phân hạch , Otto Hahn và Fritz Strassmann, cũng không hiểu kết quả của chúng. Cộng tác viên cũ của Hahn, Lise Meitner là người đã giải thích những gì họ đã làm. Một phụ nữ khác, nhà hóa học Ida Noddack, đã tưởng tượng ra khả năng phân hạch để giải thích kết quả của Fermi, nhưng vì lý do nào đó mà không ai lắng nghe cô ấy.

Vào những năm 1920, hầu hết các nhà vật lý đã tự thuyết phục rằng thiên nhiên chỉ được xây dựng từ hai hạt cơ bản: proton mang điện tích dương và electron mang điện tích âm. Tuy nhiên, một số đã tưởng tượng ra khả năng của một hạt không mang điện.

Một đề xuất cụ thể cho một hạt như vậy được đưa ra vào năm 1930 từ nhà vật lý người Áo Wolfgang Pauli. Ông gợi ý rằng một hạt không mang điện tích có thể giải thích sự mất năng lượng đáng ngờ được quan sát thấy trong phóng xạ hạt beta. Ý tưởng của Pauli đã được Fermi, người đặt tên cho hạt trung tính là neutrino, tính toán về mặt toán học. Toán học của Fermi sau đó được kiểm tra bởi các nhà vật lý Hans Bethe và Rudolf Peierls, họ đã suy luận rằng neutrino sẽ xuyên qua vật chất dễ dàng đến mức không có cách nào có thể tưởng tượng được để phát hiện ra sự tồn tại của nó (ngắn gọn là xây dựng một bể chứa hydro lỏng rộng 6 triệu tỷ dặm). Bethe và Peierls kết luận : “Thực tế không có cách nào khả thi để quan sát neutrino..

Nhưng họ đã không thể tưởng tượng được khả năng tìm thấy một nguồn chứa số lượng khổng lồ các neutrino năng lượng cao, để có thể bắt giữ một số ít ngay cả khi gần như tất cả đều trốn thoát. Không có nguồn nào như vậy được biết đến cho đến khi các lò phản ứng phân hạch hạt nhân được phát minh. Vào những năm 1950, Frederick Reines và Clyde Cowan đã sử dụng các lò phản ứng để thiết lập chắc chắn sự tồn tại của neutrino . Reines sau đó cho biết ông đã tìm cách phát hiện ra hạt neutrino một cách chính xác bởi vì mọi người đã nói với ông rằng không thể phát hiện ra hạt neutrino.

Ernest Rutherford, một trong những nhà vật lý thực nghiệm vĩ đại nhất của thế kỷ 20, không hẳn là không tưởng. Ông đã tưởng tượng ra sự tồn tại của neutron hàng chục năm trước khi nó được phát hiện, và ông phát hiện ra rằng một thí nghiệm kỳ lạ do các trợ lý của ông thực hiện đã tiết lộ rằng nguyên tử chứa một hạt nhân trung tâm dày đặc. Rõ ràng là hạt nhân nguyên tử chứa một lượng năng lượng khổng lồ, nhưng Rutherford không thể tưởng tượng được rằng không có cách nào để chiết xuất năng lượng đó cho các mục đích thực tế. Năm 1933, tại một cuộc họp của Hiệp hội vì sự tiến bộ của Khoa học Anh, ông lưu ý rằng mặc dù hạt nhân chứa rất nhiều năng lượng, nó cũng cần năng lượng để giải phóng nó. Bất cứ ai nói rằng chúng ta có thể khai thác năng lượng nguyên tử "đang nói về moonshine," Rutherford tuyên bố. Công bằng mà nói, Rutherford đã chứng minh nhận xét về mặt trăng bằng cách nói “với kiến thức hiện tại của chúng ta”, vì vậy theo một cách nào đó, có lẽ ông ấy đã đoán trước được việc phát hiện ra sự phân hạch hạt nhân vài năm sau đó. (Và một số nhà sử học cho rằng Rutherford đã tưởng tượng ra sự giải phóng năng lượng hạt nhân mạnh mẽ, nhưng cho rằng đó là một ý tưởng tồi và muốn ngăn cản mọi người thử nó.)

Được hiển thị vào năm 1962, nhà máy điện hạt nhân thương mại quy mô đầy đủ đầu tiên, được gọi là Calder Hall, hoạt động vào năm 1956 tại Cumbria, Anh.HÌNH ẢNH BETTMANN / GETTY

Danh tiếng về trí tưởng tượng của Rutherford được củng cố bởi suy luận của ông rằng chất phóng xạ nằm sâu dưới lòng đất có thể giải đáp bí ẩn về thời đại của Trái đất. Vào giữa thế kỷ 19, William Thomson (sau này được gọi là Lord Kelvin) đã tính toán tuổi của Trái đất là khoảng hơn 100 triệu năm một chút, và có thể ít hơn nhiều. Các nhà địa chất khẳng định rằng Trái đất phải già hơn nhiều - có lẽ hàng tỷ năm - để tính đến các đặc điểm địa chất của hành tinh.

Kelvin tính toán ước tính của mình với giả định Trái đất được sinh ra dưới dạng một khối đá nóng chảy, sau đó nguội đi đến nhiệt độ hiện tại. Nhưng sau khi phát hiện ra phóng xạ vào cuối thế kỷ 19, Rutherford đã chỉ ra rằng nó cung cấp một nguồn nhiệt mới trong lòng Trái đất. Trong khi nói chuyện (với sự hiện diện của Kelvin), Rutherford cho rằng về cơ bản Kelvin đã tiên tri về một nguồn nhiệt hành tinh mới.

Mặc dù việc bỏ qua phóng xạ của Kelvin là câu chuyện tiêu chuẩn, nhưng một phân tích kỹ lưỡng hơn cho thấy rằng việc thêm nhiệt lượng đó vào toán học của anh ta sẽ không thay đổi nhiều ước tính của anh ta. Đúng hơn, sai lầm của Kelvin là cho rằng nội thất cứng nhắc. John Perry (một trong những trợ lý cũ của Kelvin) đã chỉ ra vào năm 1895 rằng luồng nhiệt sâu bên trong Trái đất sẽ làm thay đổi đáng kể các tính toán của Kelvin - đủ để cho phép Trái đất có hàng tỷ năm tuổi. Hóa ra lớp phủ của Trái đất là chất lỏng trên quy mô thời gian dài, điều này không chỉ giải thích tuổi của Trái đất mà còn cả kiến tạo mảng.

Trước giữa những năm 1950, không ai tưởng tượng được rằng các định luật vật lý lại gây ra tiếng vang lớn về sự thuận tay. Các luật tương tự sẽ chi phối vật chất hoạt động khi nhìn thẳng hoặc trong gương, cũng giống như luật bóng chày được áp dụng như nhau đối với Ted Williams và Willie Mays, chưa kể Mickey Mantle. Nhưng vào năm 1956, các nhà vật lý Tsung-Dao Lee và Chen Ning Yang cho rằng tính đối xứng trái phải hoàn hảo (hay “tính chẵn lẻ”) có thể bị vi phạm bởi lực hạt nhân yếu, và các thí nghiệm đã sớm xác nhận mối nghi ngờ của họ .

Nhiều nhà vật lý cho rằng việc khôi phục sự tỉnh táo cho tự nhiên là cần thiết. Nếu bạn chỉ chuyển sang trái với phải (hình ảnh phản chiếu), một số quá trình hạ nguyên tử thể hiện độ thuận tay được ưu tiên. Nhưng nếu bạn cũng thay thế vật chất bằng phản vật chất (chuyển đổi điện tích), thì sự cân bằng trái-phải sẽ được khôi phục. Nói cách khác, đảo ngược cả điện tích (C) và vật chất tương đương (P) làm cho hành vi của bản chất không thay đổi, một nguyên tắc được gọi là đối xứng CP. Đối xứng CP phải hoàn toàn chính xác; nếu không, các quy luật của tự nhiên sẽ thay đổi nếu bạn đi lùi (thay vì tiến) đúng lúc, và không ai có thể tưởng tượng được điều đó.

Vào đầu những năm 1960, James Cronin và Val Fitch đã kiểm tra sự hoàn hảo của đối xứng CP bằng cách nghiên cứu các hạt hạ nguyên tử được gọi là kaon và các phản vật chất của chúng. Kaons và antikaon đều có điện tích bằng 0 nhưng không giống nhau, vì chúng được tạo ra từ các quark khác nhau. Nhờ các quy tắc kỳ quặc của cơ học lượng tử, kaon có thể biến thành phản ankan và ngược lại. Nếu CP đối xứng là chính xác, mỗi CP sẽ biến thành CP kia thường xuyên như nhau. Nhưng Cronin và Fitch phát hiện ra rằng phản kon biến thành kaon thường xuyên hơn so với chiều ngược lại. Và điều đó ngụ ý rằng các quy luật của tự nhiên cho phép một hướng ưu tiên của thời gian. “Mọi người không muốn tin vào điều đó,” Cronin nói trong một cuộc phỏng vấn năm 1999. Hầu hết các nhà vật lý ngày nay đều tin vào điều đó, nhưng tác động của vi phạm CP đối với bản chất của thời gian và các câu hỏi vũ trụ khác vẫn còn bí ẩn.

Vào đầu thế kỷ 20, giáo điều về chủ nghĩa hành vi, do John Watson khởi xướng và được BF Skinner vô địch một chút sau đó, đã lôi kéo các nhà tâm lý học vào một mô hình thực sự kích thích trí tưởng tượng khỏi khoa học. Các nhà hành vi học nhấn mạnh: Bộ não - nơi chứa đựng tất cả trí tưởng tượng - là một “hộp đen”. Các quy tắc tâm lý của con người (hầu hết được suy ra từ các thí nghiệm với chuột và chim bồ câu) có thể được thiết lập một cách khoa học chỉ bằng cách quan sát hành vi. Về mặt khoa học, việc tìm hiểu hoạt động bên trong của bộ não điều khiển hành vi đó là vô nghĩa về mặt khoa học, vì những hoạt động đó về nguyên tắc không thể tiếp cận được đối với sự quan sát của con người. Nói cách khác, hoạt động bên trong não được coi là không liên quan về mặt khoa học vì nó không thể quan sát được. “Khi những gì một người làm [được] quy cho những gì đang diễn ra bên trong anh ta,” Skinner tuyên bố, "Cuộc điều tra đã kết thúc."

Nhà hành vi học BS của Skinner đã tẩy não một hoặc hai thế hệ người theo dõi với suy nghĩ rằng bộ não nằm ngoài khả năng nghiên cứu. Nhưng may mắn thay cho khoa học thần kinh, một số nhà vật lý đã nhìn thấy trước các phương pháp quan sát hoạt động thần kinh trong não mà không cần mở hộp sọ, thể hiện trí tưởng tượng mà các nhà hành vi thiếu. Vào những năm 1970, Michel Ter-Pogossian , Michael Phelps và các đồng nghiệp đã phát triển công nghệ quét PET (chụp cắt lớp phát xạ positron), sử dụng chất đánh dấu phóng xạ để theo dõi hoạt động của não . Tính năng quét PET hiện được bổ sung bởi phương pháp chụp cộng hưởng từ, dựa trên những ý tưởng được phát triển vào những năm 1930 và 1940 bởi các nhà vật lý II Rabi, Edward Purcell và Felix Bloch .

Ngày nay các nhà vật lý thiên văn đều quan tâm đến sóng hấp dẫn, sóng hấp dẫn có thể tiết lộ đủ thứ bí mật về những gì diễn ra trong vũ trụ xa xôi. Tất cả đều hoan nghênh Einstein, người có thuyết hấp dẫn - thuyết tương đối rộng - giải thích sự tồn tại của sóng. Nhưng Einstein không phải là người đầu tiên đề xuất ý tưởng này. Vào thế kỷ 19, James Clerk Maxwell đã nghĩ ra phép toán giải thích sóng điện từ, và suy đoán rằng lực hấp dẫn có thể tạo ra sóng tương tự trong trường hấp dẫn. Tuy nhiên, anh ấy không thể tìm ra cách làm thế nào. Sau đó các nhà khoa học khác, bao gồm Oliver Heaviside và Henri Poincaré, đã suy đoán về sóng trọng lực. Vì vậy, khả năng tồn tại của họ chắc chắn đã được tưởng tượng.

Nhưng nhiều nhà vật lý nghi ngờ rằng sóng có tồn tại, hoặc nếu có, họ không thể hình dung ra bất kỳ cách nào để chứng minh điều đó. Không lâu trước khi Einstein hoàn thành thuyết tương đối rộng của mình, nhà vật lý người Đức Gustav Mie đã tuyên bố rằng "bức xạ hấp dẫn phát ra ... bởi bất kỳ hạt khối lượng dao động nào đều rất yếu đến mức không thể tưởng tượng được có thể phát hiện ra nó bằng bất kỳ phương tiện nào." Ngay cả Einstein cũng không biết làm thế nào để phát hiện ra sóng hấp dẫn, mặc dù ông đã nghiên cứu ra phép toán mô tả chúng trong một bài báo năm 1918. Năm 1936, ông quyết định rằng thuyết tương đối rộng hoàn toàn không dự đoán được sóng hấp dẫn. Nhưng tờ báo từ chối họ chỉ đơn giản là sai.

Toán học của thuyết tương đối rộng dự đoán rằng các vụ va chạm vũ trụ khổng lồ (hai lỗ đen được minh họa) sẽ tạo ra các gợn sóng trong không thời gian, nhưng phải đến năm 2016, các nhà vật lý mới báo cáo quan sát trực tiếp sóng hấp dẫn.SXS

Tất nhiên, sóng hấp dẫn là có thật và có thể được phát hiện. Lúc đầu, chúng được xác minh một cách gián tiếp, bằng khoảng cách giảm dần giữa các pulsar quay quanh nhau . Và gần đây chúng đã được phát hiện trực tiếp bằng các thí nghiệm lớn dựa trên tia laze . Cách đây một thế kỷ, không ai có thể tưởng tượng được việc phát hiện ra sóng hấp dẫn bởi vì không ai tưởng tượng được sự tồn tại của các sao xung hoặc laze.

Tất cả những thất bại này cho thấy đôi khi định kiến có thể làm suy giảm trí tưởng tượng. Nhưng chúng cũng cho thấy sự thất bại trong trí tưởng tượng có thể truyền cảm hứng cho hành trình tìm kiếm một thành công mới như thế nào. Và đó là lý do tại sao khoa học, thường bị giáo điều làm lu mờ, vẫn quản lý bằng cách nào đó, trên quy mô thời gian đủ dài, để cung cấp những điều kỳ diệu về công nghệ và những hiểu biết về vũ trụ ngoài sức tưởng tượng hoang dã nhất của các nhà triết học và nhà thơ.