Przez wiele wieków człowiek poznawał świat korzystając tylko ze swoich zmysłów – wzroku, słuchu, dotyku, węchu i smaku.
Rozwój podejścia naukowego i szereg odkryć sprawiły, że przekroczyliśmy ograniczenia percepcyjne naszych zmysłów.
Przyjrzyjmy się jak rozwinęły się nasze zdolności poznawcze w obszarach poszczególnych zmysłów.
Wzrok
Nasz wzrok ma trzy ograniczenia:
- pierwsze – szczegóły obiektów przestają być widoczne gdy obiekt jest zbyt oddalony,
- drugie – nie widzimy obiektów o rozmiarach mikroskopijnych,
- trzecie – światło widzialne stanowi tylko niewielki fragment zakresu fal elektromagnetycznych.
Pierwsze ograniczenie zostało przezwyciężone wraz z wynalezieniem lunety a potem teleskopu, które pozwoliły na zaobserwowanie szczegółów bardzo dalekich obiektów.
Drugie ograniczenie usunął mikroskop optyczny, dzięki któremu zobaczyliśmy świat mikroobiektów takich jak bakterie. To przyniosło ogromny skok w medycynie i możliwości leczenia chorób, których przyczyn wcześniej nie znaliśmy.
Trzecie ograniczenie wzroku stało się oczywiste gdy w XIX wieku zostały odkryte fale elektromagnetyczne. Okazało się, że fale, które widzi oko, to niezwykle mała część całego widma fal elektromagnetycznych. Oko nie widzi ani fal mających długości dłuższe od fal widzialnych – fale radiowe, mikrofale, podczerwień, ani fal mających długości krótsze od fal widzialnych – ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.
Wykorzystanie fal elektromagnetycznych spoza zakresu widzialnego spowodowało, że mogliśmy „zobaczyć” zupełnie nowe rodzaje obiektów. Słowo zobaczyć ujęte zostało w cudzysłów, bo te nowe rodzaje obiektów nie są widoczne bezpośrednio, ale poprzez odpowiednie przekładanie danych zbieranych przez detektory fal elektromagnetycznych na obrazy widoczne dla oka.
Zbudowaliśmy takie instrumenty, które „zobaczyły” pozostałe rodzaje fal elektromagnetycznych. Przyniosło to eksplozję zastosowań. Wystarczy wspomnieć tu łączność radiową, przekaz telewizyjny, radary, radioteleskopy, komputery czy telefony komórkowe.
Skala astronomiczna
Teleskopy optyczne pozwalają obserwować szczegóły odległych obiektów takich jak planety, księżyce czy komety, ale im dalej znajduje się obiekt tym więcej szczegółów przestaje być widocznych. Monetę możemy zobaczyć z odległości ponad 1000 km, patrząc na Księżyc możemy rozróżnić szczegóły, które mają kilkadziesiąt metrów.
Radioteleskopy pozwoliły zobaczyć, niewidoczne dla teleskopów optycznych, promieniowanie radiowe takich obiektów kosmicznych jak pulsary, kwazary, gwiazdy neutronowe, radiogalaktyki, mgławice po wybuchach supernowych i promieniowanie reliktowe – pozostałość po początkowym etapie istnienia Wszechświata.
Na tym nie koniec. Ogólna teoria względności przewiduje tak niezwykłe obiekty jak czarne dziury, których pole grawitacyjne jest tak silne, że nie pozwala nawet światłu opuścić czarnej dziury. Czarnych dziur nie możemy więc zobaczyć bezpośrednio, ale ich istnienie zostało potwierdzone doświadczalnie w 1971 roku poprzez obserwacje cienia jaki czarna dziura rzuca na otaczającą ją plazmę. Do obserwacji wykorzystano sieć radioteleskopów znajdujących się w różnych miejscach na Ziemi, działających jak jeden ogromny radioteleskop.
W 2015 roku doświadczalnie potwierdzono istnienie fal grawitacyjnych, które są odkształceniem czasoprzestrzeni. Nazywa się je także „zmarszczkami czasoprzestrzeni”. Powstają w wyniku zderzeń czarnych dziur albo gwiazd neutronowych. Docierają do Ziemi jako niezwykle słabe impulsy. Fale grawitacyjne dają nadzieję na zupełnie nowe możliwości obserwacji. Mogą one przynieść wiele nowych informacji o Wszechświecie.
Mogłoby się wydawać, że dysponując tak potężnymi możliwościami obserwacyjnymi, zobaczyliśmy we Wszechświecie prawie wszystko. Okazuje się jednak, że wciąż odsłaniają się przed nami nowe aspekty rzeczywistości. Aby wyjaśnić tempo rozszerzania Wszechświata i ruchu galaktyk musimy przyjąć hipotezę o istnieniu nowych nieznanych wcześniej form materii i energii. Te nowe formy zostały nazwane ciemną materią i ciemną energią. Nazwy wskazują na to, że obu tych stanów nie obserwujemy doświadczalnie i nie wiemy jakie mają własności. Hipoteza zakłada, że ciemna materia i ciemna energia stanowią ponad 90% całkowitej energii. Oznacza to, że do tej pory obserwujemy jedynie zwykłą materię, która stanowi zaledwie kilka procent tego co wypełnia Wszechświat.
Skala mikroskopowa
Miarą postępu w mikroskopii jest to jak małe obiekty możemy zobaczyć. Bakterie widziane pod mikroskopem optycznym mają rozmiar rzędu jednego mikrometra czyli jednej tysięcznej części milimetra. Wirusy są średnio dziesięć razy mniejsze od bakterii.
Nasze odkrywania obiektów mikroświata nie zakończyły się na wirusach.
Atomy, podstawowe składniki materii, są średnio tysiąc razy mniejsze od wirusów. Greccy filozofowie sądzili, że atomy są niepodzielne. Mylili się. Składnikami atomów są protony, neutrony i elektrony. Po ich odkryciu nazwano je cząstkami elementarnymi. Dalsze badania pozwoliły odkryć wiele innych cząstek elementarnych. Okazało się jednak, że i one mają wewnętrzną strukturę. Ich składnikami są kwarki. Według obecnego stanu wiedzy zakładamy, że kwarki są elementarne, ale nie da się wykluczyć, że i to założenie okaże się nieprawdziwe.
W skali mikroświata mikroskop elektronowy pozwolił nam zobaczyć wirusy a mikroskopy elektronowe – skaningowy i transmisyjny, sięgnęły nawet do poziomu pojedynczych atomów. Mikroskop, którym możemy zobaczyć atom używa do „oświetlania” obiektu nie fal światła tylko elektronów.
Poza zasięgiem mikroskopów są protony, neutrony, elektrony i kwarki. Większość cząstek elementarnych odkryto dzięki akceleratorom, w których, w wyniku zderzeń cząstek, powstają nowe cząstki.
Mikroświat, który poznajemy poprzez teorie naukowe i ich doświadczalną weryfikację, okazuje się funkcjonować zupełnie inaczej niż świat dostępny naszym zmysłom. Oto kilka przykładów tych różnic.
Cząstki elementarne nie zachowują się tak jakby były mikroskopijnymi twardymi kuleczkami, które mają określony rozmiar i poruszają się po ustalonych torach w przestrzeni. Raczej podobne są do rozciągłych w przestrzeni fal. Określanie obiektów mikroświata jako „cząstki” jest zatem mylące, bo sugeruje ich podobieństwo do cząstek w świecie makroskopowym.
Gdyby nasze ciało miało właściwości obiektów mikroświata moglibyśmy przejść przez ścianę i znaleźć się po drugiej stronie.
Zupełnie zadziwiająca jest własność tzw. stanów splątanych. Dwa fotony światła, które są w stanie splątanym, zachowują się w skorelowany sposób, bez względu na odległość jaka je dzieli. To tak jakby w świecie makroskopowym dwaj bliźniacy rozdzielili się – jeden został na Ziemi a drugi udał się w daleką podróż kosmiczną. Gdy odległość między nimi jest tak duża, że wyklucza jakąkolwiek możliwość przesyłania informacji między nimi, bliźniak na Ziemi losuje kulkę z naczynia zawierającego kulki białe i czarne. Bliźniak w kosmosie musi odgadnąć kolor kulki jaką wylosował pierwszy bliźniak. I tu rzecz niezwykła – za każdym razem drugi bliźniak udziela poprawnej odpowiedzi. W świecie makroskopowym byłoby to możliwe tylko wtedy gdyby bliźniak na Ziemi mógł przesłać bliźniakowi w kosmosie informację jaki kolor kulki wylosował.
Obiekty mikroświata są nie tylko poza zasięgiem poznania za pomocą zmysłów człowieka, ale także mają własności, które trudno nam zrozumieć kiedy odwołujemy się do naszego doświadczenia zdobywanego w świecie makroskopowym. Gdyby obiekty makroskopowe miały własności obiektów mikroświata nasz świat funkcjonowałby zupełnie inaczej.
Słuch
Ucho ludzkie, podobnie jak oko, słyszy tylko wąski zakres fal akustycznych. Nie słyszymy ani infradźwięków (o niskich częstotliwościach) ani ultradźwięków i hiperdźwięków (o wysokich częstotliwościach).
Zwierzęta, takie jak słonie, wieloryby czy żyrafy, wykorzystują infradźwięki do porozumiewania się na duże odległości. Ultradźwięki, o wysokiej częstotliwości, są wykorzystywane przez nietoperze do echolokacji oraz przez delfiny do polowania. Delfiny potrafią wysłać wiązkę ultradźwięków, za pomocą której lokalizują ofiarę i mogą ją ogłuszyć. Zmysł echolokacji delfinów jest tak rozwinięty, że szczegółowość obrazu uzyskiwanego dzięki niemu jest porównywalna z szczegółowością obrazu jaki widzi człowiek.
Infradźwięki i ultradźwięki rozszerzyły nasze postrzeganie zjawisk i znalazły szereg zastosowań.
Infradźwięki pozwalają „usłyszeć” dźwięki, które zapowiadają trzęsienia ziemi, fale tsunami czy erupcje wulkanów. Są wykorzystywane przy badaniu konstrukcji i testowaniu materiałów.
Ultradźwięki mogą wnikać do wnętrza różnych substancji i materiałów. Ta właściwość umożliwia wykrywanie wad lub uszkodzeń urządzeń a także obserwacje za pomocą sonaru obiektów, które znajdują się pod wodą.
Ultradźwięki znalazły szerokie zastosowanie w medycynie w celach terapeutycznych i diagnostycznych. Dzięki ultradźwiękom możemy oglądać wewnętrzne narządy ludzkiego ciała – ultrasonografia, a także oddziaływać na nie leczniczo – fizykoterapia.
Dotyk
Dotyk, w odróżnieniu od wzroku i smaku, wymaga bezpośredniego kontaktu z obiektem. Przez wiele wieków oznaczało to, że możemy poznawać tylko to co znajdowało się w bliskim otoczeniu człowieka. Wyjątkami byli podróżnicy i kupcy, którzy podejmowali dalekie wyprawy. W średniowieczu malarze malowali egzotyczne zwierzęta opierają się wyłącznie na swojej wyobraźni lub korzystając z zawartych w bestiariuszach opisów, które nie zawsze odpowiadały rzeczywistości. Dopiero od XV wieku malarze mogli zobaczyć egzotyczne zwierzęta, które przywieźli do Europy Kolumb i Vasco da Gama.
Wraz z coraz większymi możliwościami podróżowania zasięg tego czego mogliśmy dotknąć powiększał się bardzo szybko. Współcześnie możemy dotrzeć do prawie dowolnego miejsca na Ziemi.
Prawdziwy przełom dokonał się jednak wtedy kiedy rozpoczęliśmy podróże kosmiczne.
Na Ziemię zostały sprowadzone próbki gruntu księżycowego, skał i pyłu z asteroid, cząstki pyłu z warkocza komety, cząstki pyłu kosmicznego oraz jony wiatru słonecznego. Badania tych próbek zwiększyły w sposób znaczący wiedzę o ciałach niebieskich.
Dzięki lotom kosmicznym mogliśmy, wprawdzie nie bezpośrednio, „dotknąć” ciał, od których dzielą nas setki tysięcy kilometrów.
Wprawdzie już wcześniej docierały z kosmosu na Ziemię meteoryty, ale są to zjawiska losowe. Dzięki wysyłaniu statków i sond kosmicznych możemy sami decydować jakie próbki chcemy pozyskać.
Węch
Nasz węch, czyli rozpoznawanie zapachów, nie może być z pewnością powodem do chluby, jeśli porównamy się ze światem zwierząt. Na głowę biją nas możliwości nosów słoni afrykańskich, niedźwiedzi polarnych czy psów.
Słoń afrykański wyczuwa wodę z odległości kilku kilometrów. Badania pokazują także, że potrafi rozróżnić po zapachu ludzi wrogich i przyjaznych słoniom.
Niedźwiedź polarny potrafi wyczuć zapach foki z odległości kilkudziesięciu kilometrów.
Możliwości węchowe zwierząt były więc od dawna wykorzystywane przez człowieka.
Psy świetnie sprawdzają się w tropieniu, poszukiwaniu osób zaginionych, wykrywaniu różnych substancji, a nawet w wykrywaniu niektórych schorzeń. Zbieracze wykorzystują psy i świnie do znajdowania trufli.
Szczury potrafią odnajdywać miny lądowe. Rozpoznają także prątki gruźlicy.
Rozwój wiedzy o mechanizmach węchu pozwoliły zbudować czułe detektory zapachu.
W drugiej połowie XX wieku rozpoczęto prace nad skonstruowaniem sztucznego nosa, który zawiera zestaw czujników. Sztuczny nos ma szerokie zastosowanie między innymi do wykrywania biomarkerów chorób, ocenie jakości produktów spożywczych, wykrywania materiałów niebezpiecznych i niebezpiecznych gazów.
Smak
Zmysł smaku pozwala nam rozróżniać smaki pokarmów – słodki, słony, gorzki, kwaśny i umami, a także ostrzega gdy pokarm nie nadaje się do jedzenia. Jest zmysłem, który jest tak osobisty, że trudno wyobrazić sobie sensowne rozszerzenie jego możliwości. Istnieją wprawdzie próby konstrukcji urządzeń, które symulowałyby wrażenia smakowe bez użycia prawdziwego jedzenia lub zmieniałyby smak w taki sposób, aby pojawiało się odczucie innego smaku lub żeby niedobre jedzenie smakowało tak jak dobre, ale trudno uznać takie próby za sensowne.
Najnowsze badania pokazały, że receptory smaku znajdują się także poza jamą ustną. Pełnią tam rolę czujników uruchamiających w razie potrzeby stosowne reakcje organizmu. Receptory znajdujące się w przewodzie pokarmowym regulują metabolizm a w układzie oddechowym aktywują ruch rzęsek w celu usunięcia patogenów.
Trwają badania nad wytwarzaniem leków, które stymulowałyby receptory smaku gorzkiego, tak aby zwiększyć działanie farmakologiczne.
Podsumowanie
Poznanie poprzez zmysły jest mocno ograniczone. Rozwój nauki sprawił, że zaczęliśmy poznawać nowe aspekty rzeczywistości, niedostępne poznaniu zmysłowemu. Można to porównać do zmiany obrazu świata z epoki wielkich odkryć geograficznych – pierwsi odkrywcy odważyli się wypłynąć poza znane szlaki morskie i żeglować po nieznanych oceanicznych wodach.
Poznawanie świata jest fascynującym procesem, który wciąż trwa. Wiemy coraz więcej, a to czego się dowiedzieliśmy pokazuje jak różny bywa obraz odkrywanej rzeczywistości w porównaniu z obrazem, który poznajemy za pomocą zmysłów. Co więcej własności obiektów mikroświata są tak zadziwiające, że zupełnie wymykają się naszym intuicjom i wydają się niemożliwe do zrozumienia i zaakceptowania.
***
2026