Всякий раз, когда я навещаю ученых, чтобы обсудить их исследования, наступает момент, когда они говорят с едва скрываемой гордостью: «Хотите экскурсию по лаборатории?» Это неизменно слегка трогательно - как будто Вилли Вонка умирает, чтобы похвастаться своей шоколадной фабрикой. Я рада принять предложение, зная, что нас ждет: полки с бутылками или реагентами; блестящие криогенные камеры с кварцевыми окнами; плиты из перфорированной стали, удерживающие лазеры и линзы.

Это редко менее впечатляет. Даже если этот комплект уже есть в наличии, он состоит из импровизированного салмагунди из проводов, трубок, обшивки, клапанов с компьютерным управлением, роторов и компонентов с более загадочными функциями. Однако большая часть снаряжения, скорее всего, будет самодельной: сделанной на заказ для текущих исследований. Что бы еще он ни делал, типичная современная лаборатория представляет собой шедевр импровизированного инжиниринга - вам понадобятся ученые степени в области электроники и механики, чтобы собрать все это вместе, не говоря уже о том, чтобы разбираться в графиках и числах, которые она производит. И, как и лучшую инженерию, эти установки обычно скрыты из виду. Заголовки, объявляющие «Ученые нашли…», редко удосуживаются рассказать вам, как были сделаны открытия.

Вам не все равно? Инструменты науки настолько специализированы, что мы принимаем их как своего рода оккультный механизм для производства знаний. Мы полагаем, что они должны знать, как все это работает. Точно так же истории науки сосредотачиваются на идеях, а не методах - по большей части читатели просто хотят знать, что это были за открытия. Тем не менее, большинство историков в наши дни признают, что отношения между учеными и их инструментами являются важной частью истории. Дело не просто в том, что наука зависит от устройств; устройства фактически определяют то, что известно. Вы исследуете то, что у вас есть возможность исследовать, соответственно планируя свои вопросы.

Когда появляется новый инструмент, открываются новые перспективы. Например, телескоп и микроскоп стимулировали открытия благодаря сверхмощному человеческому восприятию. Такие разработки побуждают ученых взглянуть на собственные машины свежим взглядом. Неудивительно видеть некоторые из тех же тревог, которые встречаются в человеческих отношениях. Вам можно доверять? Что ты хочешь мне сказать? Ты изменил мою жизнь! Смотри, разве она не красива? Мне с тобой скучно, ты мне больше ничего нового не говоришь. Извините, я меняю вас на более новую модель ... Мы можем даже говорить о взаимодействиях между учеными и их инструментами, которые являются здоровыми или неисправными. Но как отличить одно от другого?

Мне кажется, что самые эффективные (не говоря уже об элегантности) научные инструменты служат не только сверхспособностями для чувств, но и протезами для разума. Они являются физическим воплощением определенных мыслей. Возьмите работу новозеландского физика Эрнеста Резерфорда, возможно, лучшего ученого-экспериментатора 20-го века. На скромном стенде с дешевым импровизированным оборудованием он обнаружил структуру атома, а затем приступил к ее расщеплению. Вместо того, чтобы быть ограниченным чужим взглядом на то, что нужно знать, Резерфорд изобрел устройство, чтобы точно сказать ему то, что он хотел узнать. Его эксперименты органически вытекали из его идей: они почти кажутся теориями, построенными из стекла и металлической фольги.

В один из лучших моментов своей жизни, в Манчестерском университете в 1908 году, Резерфорд и его коллеги выяснили, что альфа-частицы, испускаемые во время радиоактивного распада, были ядрами атомов гелия. Естественный способ проверить гипотезу - собрать частицы и посмотреть, ведут ли они себя как гелий. Резерфорд приказал своему стеклодуву Отто Баумбаху сделать стеклянную капиллярную трубку с необычайно тонкими стенками, чтобы альфа-частицы, испускаемые радием, могли проходить сквозь нее. Как только частицы скопились во внешней камере, Резерфорд подключил устройство, превратив его в газоразрядную трубку. Поскольку электроды преобразовывали атомы газа в заряженные ионы, они излучали свет с длиной волны, которая зависела от их химической идентичности. Таким образом, он обнаружил, что захваченные альфа-частицы - это гелий, раскрывается по сигнатурной длине волны их свечения. Это был чрезвычайно редкий пример устройства, отвечающего на четко сформулированный вопрос - являются ли альфа-частицы гелием? - с простым ответом да / нет, почти буквально по тому, включается свет или нет.

Более свежий пример - сканирующий туннельный микроскоп, изобретенный покойным Генрихом Рорером и Гердом Биннигом в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе в 1981 году. Благодаря квантово-механическому эффекту, называемому туннелирование, исследователи узнали, что электроны на поверхности электропроводящего образца должен быть в состоянии пересечь крошечный промежуток, чтобы добраться до другого электрода, удерживаемого чуть выше поверхности. Поскольку туннелирование очень чувствительно к ширине зазора, металлическая игла, движущаяся по образцу с постоянной скоростью, вне контакта, может отследить топографию образца из-за скачков туннельного тока, когда игла проходит через неровности. Если бы движение было достаточно точным, карта могла бы даже показать выпуклости, создаваемые отдельными атомами и молекулами. Так оно и было. Однако между основной идеей и рабочим устройством заложить невероятное количество практических навыков - чистого мастерства - в сочетании со строгой мыслью. Им часто говорили, что инструмент «не должен работать» из принципа. Тем не менее Рорер и Бинниг добились своего, изобрели, возможно, центральный инструмент нанотехнологии и получив Нобелевскую премию в 1986 году за свои усилия.