авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |   ...   | 18 |

«Москва James Trefil The naTure of science Houghton Mifflin Company 2003 Джеймс Трефил 200 законов мироздания ...»

-- [ Страница 12 ] --

По Аристотелю, следовательно, траектория полета брошенного под углом к горизонту предмета представляла собой прямоугольный треугольник: сначала тело по прямой набирает высоту на стадии при нудительного движения, а затем отвесно падает на стадии естествен ного. (Не забывайте, как абсурдно это ни прозвучит сегодня, что выйти на улицу и просто понаблюдать за траекторией полета метательного снаряда абсолютно противоречило самому духу древнегреческой рА с П р е Д е л е Н Н О е Д В и ж е Н и е натурфилософии.) фактически основные споры во времена антич ности велись вокруг того, в какой именно момент принудительное движение сменяется естественным, могут ли эти два типа движения сочетаться и т. п. Такого рода умозрительный анализ способствовал, конечно, оттачиванию ментальных философских категорий, но с точки зрения практика, такого как Тарталья, был по большому счету бесполезен. Вот он и отправился в чистое поле под миланом!

Как и по многим другим вопросам движения материальных тел, решением проблемы метательного снаряда мы обязаны Галилею.

именно он открыл У рА В Н е Н и Я рА В Н О У с К О р е Н Н О Г О Д В и ж е Н и Я и, в частности, уравнение свободного падения. его опыты пока зали, что за время t тело, отпущенное из состояния покоя, проходит по направлению к поверхности Земли расстояние d, равное:

d = gt2, где g — ускорение свободного падения, равняющееся около 9,8 метра или 32 фута в секунду за секунду.

Таким образом, свободно падающее тело преодолеет около 4,9 м за первую секунду, 19,6 м за две секунды, 44,1 м за три секунды и т.д. Эта простая формула лежит в основе традиционного способа оценки высоты, например, обрыва: достаточно просто сбросить вниз камень, засечь его время в полете, а затем рассчитать высоту по ука занной формуле. еще на эту тему есть старый студенческий анекдот.

Профессор попросил студентов измерить высоту физического факультета при помощи барометра. Все студенты (кроме одного), как и ожидал профессор, стали измерять атмосферное давление на крыше факультета и на уровне его фундамента, а последний сту дент просто сбросил барометр с крыши и засек время его падения.

Дальше в анекдоте имеется несколько версий относительно того, какую оценку поставил профессор студенту за столь дорогостоящий (хотя и совершенно законный) подход к лабораторной работе.

решив проблему свободного падения, Галилей перешел к решению следующего элемента головоломки, а именно к проблеме пущенного снаряда.

Здесь у него и возникла идея распределенного движения. По сути, он осознал, что движение снаряда можно раз делить на два независимых компонента. По вертикали снаряд летит сначала вверх, а затем вниз, как если бы его просто подбросили строго вверх. По горизонтали же снаряд просто движется с посто янной скоростью, которая ему была придана в начале траектории, поскольку в этом направлении никакие силы на него не воздействуют (за исключением силы сопротивления воздуха, конечно, которой на начальном этапе можно пренебречь). Проще говоря, движение сво бодно летящего тела по вертикали и по горизонтали никак не свя заны одно с другим. Тем самым сложная задача расчета траектории полета снаряда сводится к двум простым (и не зависящим друг от друга) задачам, каждая из которых по отдельности легко решается.

Давайте возьмем в качестве иллюстрации простой пример. Для полной простоты представим, что ядро из пушки, стоящей над рА с П р е Д е л е Н Н О е Д В и ж е Н и е обрывом, вылетело строго горизонтально. Через секунду ядро будет ниже жерла пушки на 4,9 м, через две секунды — на 19,6 м и т.д. При этом, пока ядро не достигнет поверхности земли, по горизонтали оно будет двигаться с той же скоростью, с какой вылетело из ствола.

если, например, начальная скорость ядра по горизонтали равнялась 100 м/с, то через секунду ядро окажется на удалении 100 м от пушки по горизонтали и на 4,9 м ниже жерла ее ствола.

Немногим сложнее и техника расчета траектории полета снаряда, пущенного с горизонтальной поверхности под углом к горизонту.

По вертикали ядро будет двигаться так, будто его подбросили строго вверх. Оно будет набирать высоту, но все медленнее из-за земного Траектория полета ядра представляет собой притяжения, пока не достигнет верхней точки траектории, где на совокупность двух неза какое-то мгновение его вертикальная скорость станет равной нулю.

висимых траекторий Затем снаряд устремится к земле в точности так же, как если бы его движения: равномерного просто отпустили с достигнутой им максимальной высоты. и вот движения по горизонтали со скоростью, приданной при помощи такого анализа Галилей пришел к выводу, что пущенное ядру пушкой, и равноуско под углом к земле тело движется по кривой, которая называется ренного движения по вер парабола, — вот вам и Аристотель со своим треугольником!

тикали под воздействием Одно из следствий распределенного характера движения может земного притяжения показаться несколько парадоксальным и противо речащим нашим интуитивным представлениям, поэтому остановимся на нем особо. если в нашем примере одновременно выстрелить из пушки над обрывом по горизонтали и бросить второе ядро из состояния покоя отвесно вниз, согласно прин ципу распределения движения оба ядра упадут на поверхность земли одновременно, поскольку характер их движения по вертикали не отлича ется, и это несмотря на то, что одно ядро пролетит за это время гораздо большее расстояние, чем другое. (Тут самое время вспомнить, что ядро, выпущенное из пушки по горизонтали, летит не только дальше, но и быстрее.) итак, задачу пущенного снаряда Галилей решил успешно, однако ведь он так и не дал ответа на вопрос античных времен относительно соотно шения между «вынужденным» и «естественным»

движением. Пусть мы теперь можем доподлинно описать траекторию полета снаряда, но мы так и не получили даже намека на ответ на вопрос, до каких пор он летит под внешним воздействием и с какого момента — «сам по себе». А все дело в том, что и вопроса такого не стоит, поскольку сами категории «естественно» и «принудительно» всего-навсего ложные понятия применительно к миру физики, поскольку апелли руют они к человеческому рассудку и не имеют никакого отношения к физической реальности. Что касается средневековых дискуссий на этот счет, то они всего лишь иллюстрируют, какие кульбиты мысли возможны, если изначально неправильно сформулировать задачу.

рА с П р е Д е л е Н Н О е Д В и ж е Н и е Науки о жизни Распро- В результате эволюции нервной системы человека и других животных возникли сложные информационные сети, процессы странение в которых основаны на химических реакциях. Важнейшим эле нервных ментом нервной системы являются специализированные клетки нейроны. Нейроны состоят из компактного тела клетки, содержа импульсов щего ядро и другие органеллы. От этого тела отходит несколько разветвленных отростков. Большинство таких отростков, называ Нервные импульсы емых дендритами, служат точками контакта для приема сигналов распространяются от других нейронов. Один отросток, как правило самый длинный, при перемещении называется аксоном и передает сигналы на другие нейроны. Конец ионов через аксона может многократно ветвиться, и каждая из этих более мембрану мелких ветвей способна соединиться со следующим нейроном.

нервной клетки и Во внешнем слое аксона находится сложная структура, образованная передаются из одной множеством молекул, выступающих в роли каналов, по которым могут нервной клетки в поступать ионы — как внутрь, так и наружу клетки. Один конец этих другую с помощью молекул, отклоняясь, присоединяется к атому-мишени. После этого нейромедиаторов энергия других частей клетки используется на то, чтобы вытолкнуть этот атом за пределы клетки, тогда как процесс, действующий в обратном направлении, вводит внутрь клетки другую молекулу. Наибольшее зна   1729,  • СУтОчНые РитМы  чение имеет молекулярный насос, который выводит из клетки ионы сер. XX натрия и вводит в нее ионы калия (натрий-калиевый насос).

Когда клетка находится в покое и не проводит нервных импульсов, XIX–XX • рАсПрОстрА натрий-калиевый насос перемещает ионы калия внутрь клетки и НеНие НервНЫХ иМПульсОв выводит ионы натрия наружу (представьте себе клетку, содержащую пресную воду и окруженную соленой водой). из-за такого дисбаланса 1937  • ГликОлиЗ   разность потенциалов на мембране аксона достигает 70 милливольт и дыхАНие (приблизительно 5% от напряжения обычной батарейки АА).

сер. • иММУННАя СиСтеМА  Однако при изменении состояния клетки и стимуляции аксона   1960-х электрическим импульсом равновесие на мембране нарушается, и натрий-калиевый насос на короткое время начинает работать в обратном направлении. Положительно заряженные ионы натрия про никают внутрь аксона, а ионы калия откачиваются наружу. На мгно вение внутренняя среда аксона приобретает положительный заряд.

При этом каналы натрий-калиевого насоса деформируются, блокируя дальнейший приток натрия, а ионы калия продолжают выходить наружу и исходная разность потенциалов восстанавливается. Тем вре менем ионы натрия распространяются внутри аксона, изменяя мем брану в нижней части аксона. При этом состояние расположенных ниже насосов меняется, способствуя дальнейшему распространению импульса. резкое изменение напряжения, вызванное стремительными перемещения ионов натрия и калия, называют потенциалом действия.

При прохождении потенциала действия через определенную точку аксона насосы включаются и восстанавливают состояние покоя.

Потенциал действия распространяется довольно медленно — не более доли дюйма за секунду. Для того чтобы увеличить ско рость передачи импульса (поскольку, в конце концов, не годится, чтобы сигнал, посланный мозгом, достигал руки лишь через минуту), аксоны окружены оболочкой из миелина, препятству ющей притоку и оттоку калия и натрия. миелиновая оболочка не рА с П р О с Т рА Н е Н и е Н е р В Н ы Х и м П Ул ь с О В непрерывна — через определенные интервалы в ней есть разрывы, дендриты и нервный импульс перескакивает из одного «окна» в другое, за счет этого скорость передачи импульса возрастает.

тело клетки Когда импульс достигает конца основной части тела аксона, его необходимо передать либо следующему нижележащему нейрону, ядро либо, если речь идет о нейронах головного мозга, по многочисленным ответвлениям многим другим нейронам. Для такой передачи исполь зуется абсолютно иной процесс, нежели для передачи импульса вдоль аксона. Каждый нейрон отделен от своего соседа небольшой щелью, называемой синапсом. Потенциал действия не может перескочить Аксон через эту щель, поэтому нужно найти какой-то другой способ для передачи импульса следующему нейрону. В конце каждого отростка имеются крошечные мешочки, называющиеся (пресинаптическими) пузырьками, в каждом из которых находятся особые соединения — нейромедиаторы. При поступлении потенциала действия из этих пузырьков высвобождаются молекулы нейромедиаторов, пересека ющие синапс и присоединяющиеся к специфичным молекулярным рецепторам на мембране нижележащих нейронов. При присоеди Соединения с другими нейронами нении нейромедиатора равновесие на мембране нейрона нарушается.

сейчас мы рассмотрим, возникает ли при таком нарушении равно Структура нейрона.

весия новый потенциал действия (нейрофизиологи продолжают Нейроны — важнейшие искать ответ на этот важный вопрос до сих пор).

элементы нервной сис темы. Эти удлиненные После того как нейромедиаторы передадут нервный импульс от клетки передают нервные одного нейрона на следующий, они могут просто диффундировать, импульсы или подвергнуться химическому расщеплению, или вернуться обратно в свои пузырьки (этот процесс нескладно называется обратным захватом). В конце XX века было сделано поразительное научное открытие — оказывается, лекарства, влияющие на выброс и обратный захват нейромедиаторов, могут коренным образом изменять психи ческое состояние человека. Прозак (Prozac®) и сходные с ним анти депрессанты блокируют обратный захват нейромедиатора серотонина.

складывается впечатление, что болезнь Паркинсона взаимосвязана с дефицитом нейромедиатора допамина в головном мозге. исследо ватели, изучающие пограничные состояния в психиатрии, пытаются понять, как эти соединения влияют на человеческий рассудок.

По-прежнему нет ответа на фундаментальный вопрос о том, что же заставляет нейрон инициировать потенциал действия — выра жаясь профессиональным языком нейрофизиологов, неясен меха низм «запуска» нейрона. В этом отношении особенно интересны нейроны головного мозга, которые могут принимать нейромеди аторы, посланные тысячей соседей. Об обработке и интеграции этих импульсов почти ничего не известно, хотя над этой проблемой работают многие исследовательские группы. Нам известно лишь, что в нейроне осуществляется процесс интеграции поступающих импульсов и выносится решение, следует или нет инициировать потенциал действия и передавать импульс дальше. Этот фунда ментальный процесс управляет функционированием всего голов ного мозга. Неудивительно, что эта величайшая загадка природы остается, по крайней мере сегодня, загадкой и для науки!

рА с П р О с Т рА Н е Н и е Н е р В Н ы Х и м П Ул ь с О В Науки о жизни Репродук- Всем организмам приходится расходовать энергию и ресурсы на размножение. Как утверждает Т е О р и Я Э В О л Ю Ц и и, природа тивные берет на вооружение те репродуктивные стратегии, которые поз стратегии воляют произвести наиболее преуспевающее (приспособленное) потомство — остающееся в живых до тех пор, пока оно само не оставит потомков. В действительности в природе существуют две Есть две противоположные стратегии — стратегия r и стратегия К, и выбор противоположные в пользу одной из них зависит от условий окружающей среды.

репродуктивные В среде обитания с постоянными условиями (или по крайней стратегии — иметь мере предсказуемыми для каждого времени года), для которой харак многочисленное терны лишь незначительные колебания биологической среды, размер потомство при популяций, как правило, более или менее постоянный. В такой среде минимуме заботы успех размножения определяется, главным образом, конкуренцией о нем или же между взрослыми особями, поэтому наиболее перспективной ока иметь небольшое зывается стратегия сосредоточения ресурсов в нескольких потомках число потомков, и сохранения их до того момента, когда они смогут вступить в игру.

но с последующими Такая стратегия, наиболее полно представленная у приматов, затра серьезными чивающих немало времени и усилий на воспитание детенышей, «инвестициями»

называется стратегией К. (Название связано с тем, что, как было ска зано выше, в этом случае размер популяции близок к потенциальной емкости экосистемы, обозначаемой символом К.) Диаметрально противоположная стратегия реализуется в среде с непредсказуемыми условиями, или среде, в которой время от времени происходят неблагоприятные события, например крупные шторма или наводнения. В такой среде периодически наблюдается массовое вымирание с последующим быстрым ростом численности популяции, в отсутствие конкуренции. В периоды роста численности популяции между собой конкурируют в основном молодые организмы, поэтому наилучшей оказывается стратегия многочисленного потомства, гото вого занять освободившуюся нишу. Такая стратегия оправдывает себя даже во время периодических стихийных бедствий, поскольку летальный исход обычно связан не с конкурентными преимущест вами, а с более или менее случайными событиями. Таким образом, забота о потомстве не дает никакого преимущества, поскольку выжи вание детенышей в реальности не зависит от вложенных в воспитание родительских усилий. В соответствии с этой так называемой r-страте гией организмы производят крайне многочисленное потомство. и хотя лишь очень немногие представители этого потомства смогут выжить в нормальных обстоятельствах, оно быстро возьмет верх в условиях массового вымирания в других популяциях после природных катак лизмов. Примером видов, реализующих r-стратегию (r — символ, обозначающий скорость размножения), могут служить одуванчики, которые запросто «бросают на ветер» сотни семян и быстро захва тывают территории с нарушенным грунтом. В неустойчивой окружа ющей среде популяция начинается с низкого уровня с последующим Э К с П О Н е Н Ц и А л ь Н ы м р О с Т О м численности. Для вида, реализу ющего r-стратегию, гораздо важнее скорость размножения, нежели потенциальная емкость экосистемы.

р е П р О Д У К Т и В Н ы е с Т рА Т е Г и и Науки о жизни Родственный Проблема альтруизма традиционно вызывала много вопросов в Т е О р и и Э В О л Ю Ц и и. Например, обезьяна, обнаружившая приближающегося отбор леопарда, может поднять крик, чтобы предупредить родичей, хотя при этом повышается риск для нее самой. Наиболее бесхитростный взгляд Живые организмы на естественный отбор заключается в том, что гены, побуждающие могут действовать обезьяну подавать крики тревоги, со временем должны исчезнуть из на благо популяции как снижающие приспособленность отдельной особи.

родственным Тем не менее альтруистическое поведение наблюдается у всех видов особям, поскольку животных (включая человека). Почему так происходит?

такие действия Авторы теории родственного отбора предприняли попытку объ способствуют яснить этот и другие загадочные аспекты поведения животных.

передаче общих Основная идея заключается в следующем: родственные индивидуумы генов следующему имеют определенный набор общих генов. Так, у вас (как и у ваших поколению братьев и сестер) половина генов унаследована от одного родителя, половина — от другого. Для эволюционной теории важно не выжи вание отдельных индивидуумов, а передача генов следующему поко • лению. если у обезьяны, которая подняла крик при виде леопарда, в   1865  ЗАкОНы МеНделя группе имеется, скажем, трое родных братьев или сестер, то с точки • зрения статистики можно сказать, что в этой ситуации пожертво   1908  ЗАкОН хАРди—ВАйНБеРГА вавшая собой особь может передать следующему поколению больше генов, чем оставшаяся в живых. Как остроумно заметил эволюци •   1920-е  дРейФ ГеНОВ онный биолог Дж.Б.с. Холдейн (J. B. S. Haldane), «я бы положил свою жизнь за двух родных братьев или восьмерых кузенов».

•   1953  дНк Например, особенность репродукции пчел такова, что каждая • пчелиная самка получает все отцовские и половину материнских рОдствеННЫй   нач.

ОтБОр 1960-х генов. Это означает, что у рабочих пчел 75% генов будут общими (у млекопитающих, имеющих такую же степень родства, 50% • 1961  ГеНетичеСкий кОд общих генов). Поэтому, помогая сестре стать пчелиной маткой, рабочая пчела передаст следующему поколению больше генов, •   1970-е  МОлекУляРНые чем могла бы, имей она собственных дочерей.

чАСы родственный отбор также объясняет гомосексуальность, встреча •   2000  ПРОект «ГеНОМ ющуюся у многих видов животных, включая человека. Поскольку, по челОВекА»

определению, гомосексуальное поведение исключает передачу генов следующим поколениям, можно было бы ожидать его исчезновения еще в незапамятные времена. Одно из предложенных объяснений сохранения гомосексуальности было довольно точно названо теорией «помощника в гнезде». согласно этой теории, если особь не производит потомства, но ее действия способствуют выживанию родственных особей, она сможет передать больше генов следующему поколению.

Явление родственного отбора до некоторой степени опровергает наши представления об эволюции. Вместо того чтобы руководство ваться приспособленностью индивидуумов, как делал Дарвин, нам предлагают руководствоваться приспособленностью генов. Такая точка зрения приводит к концепции «эгоистичного гена». суть этой концепции в том, что для эволюции имеет значение передача генов следующим поколениям и что выживают те, чье поведение обеспе чивает преимущество генам, хотя для самого индивидуума такое поведение может быть очень вредным. или, как сказал один ост рослов, «курица лишь способ получить из одного яйца другое».

р ОД с Т В е Н Н ы й О Т БО р Взгляд в прошлое Самозарож- с самых давних времен люди полагали, что живые организмы поя вились из более простых веществ. Оставьте, например, кучу зерна дение жизни под дождем, и она вскоре породит мышей;

оставьте на улице мясо, и скоро по нему будут ползать личинки мух. В XVII веке фран Живые организмы ческо реди оставлял мясо на улице в разных горшках — открытых, самопроизвольно плотно закрытых, покрытых сеткой, — и доказал, что личинки возникают из никогда не появятся в мясе, укрытом от мух.

неорганических и хотя эксперимент реди обрушил представление о том, веществ что сложные организмы могут зарождаться самопроизвольно, открытие микроорганизмов в XIX веке привело ко второму рож дению понятия самозарождения жизни. Даже разлагающиеся мате • сАМОЗАрОЖдеНие древний риалы, укрытые от мух, по всей видимости, производили на свет ЖиЗНи мир организмы, видимые под микроскопом. К 1860 году споры вокруг самозарождения жизни стали настолько жаркими, что француз • 1828  СиНтеЗ МОчеВиНы ская академия предложила премию любому, кто помог бы разре • шить этот вопрос. французский ученый луи Пастер (см. м и К   XIX — ВитАлиЗМ  нач. XX р О Б Н А Я Т е О р и Я и Н ф е К Ц и О Н Н ы Х З А Б О л е В А Н и й ) выполнил ряд тщательно подготовленных экспериментов, которые помогли •   1958  цеНтРАльНАя дОГМА окончательно решить проблему, и получил премию академии в МОлекУляРНОй БиОлОГии 1864 году.

Пастер брал колбы с длинными узкими искривленными гор лышками и наполнял их жидкой питательной средой. среда дово дилась до кипения, чтобы в ней были убиты все микробы, а стек лянное горлышко играло роль ловушки для спор грибов и других микроорганизмов, которые могли загрязнить жидкость. Пастер показал, что микробы появились только в колбах, горлышки которых были в последующем разбиты — то есть если в среду попали организмы, содержащиеся в воздухе.

По иронии судьбы в 1870-х годах возникли новые дебаты, в центре которых было предположительное самозарождение плес невых грибов в процессе брожения вина. Пастер еще раз показал, проведя убедительные эксперименты (в процессе которых он в стерильных условиях брал мякоть изнутри ягод винограда и изо лировал ее от воздуха), что споры дрожжей переносятся воздухом и не зарождаются самопроизвольно в ткани винограда.

сегодня результат долгих дебатов о самозарождении жизни обобщен в лозунге биологов: «жизнь происходит из жизни».

ФрАНчесКО реди (Francesco Redi, при тосканском дворе и главным 1626–97) — итальянский врач, биолог, фармацевтом герцогства. исследовал лингвист и поэт. Родился в Ареццо. действие змеиного яда;

доказал, что Получив образование в области фило- яд гадюки безвреден, если его про софии и медицины в Пизе, вернулся глотить. Был также специалистом по в Ареццо, где стал главным медиком насекомым и паразитам.

сА м О З А р Ож Д е Н и е ж и З Н и Науки о жизни Симбиоз симбиоз (от греч. symbiosis — «совместная жизнь») — это близкое сообщество живых организмов, принадлежащих к разных видам.

Такое сообщество может принимать различные формы в зави Известны симости от природы отношений между двумя видами и от того, три формы симбиоза—мутуализм, полезны эти отношения или вредны. Отношения, полезные для обоих видов, называются мутуализмом. если отношения полезны комменсализм для одной стороны и безразличны для второй, они называются ком и паразитизм менсализмом. Отношения, вредные для одной стороны и полезные для другой, называются паразитизмом.

Природе известны многочисленные примеры симбиотических 1852,  • МиМикРия    отношений, от которых выигрывают оба партнера. Например, для   К р У Г О В О р О Т А А З О Т А В П р и р О Д е чрезвычайно важен симбиоз 1873  • ПРиНциП   между бобовыми растениями и почвенным бактериями Rhizobium.

МУтУАлиЗМА Эти бактерии — их еще называют азотфиксирующими — поселя 1877 • сиМБиОЗ ются на корнях растений и обладают способностью «фиксировать»

  азот, то есть расщеплять прочные связи между атомами атмосфер ного свободного азота, обеспечивая возможность включения азота в доступные для растения соединения, например аммиак. В данном случае взаимная выгода очевидна: корни являются местообита нием бактерий, а бактерии снабжают растение необходимыми питательными веществами.

имеются также многочисленные примеры симбиоза, выгодного для одного вида и не приносящего другому виду ни пользы, ни вреда. Например, кишечник человека населяет множество видов бактерий, присутствие которых безвредно для человека. Анало гично растения, называемые бромелиадами (к которым относится, например, ананас), обитают на ветвях деревьев, но получают пита тельные вещества из воздуха. Эти растения используют дерево для опоры, не лишая его питательных веществ.

Не менее распространен и паразитизм. растения омелы пита ются за счет деревьев, к которым прикрепляются: омела высасывает питательные вещества из дерева-хозяина, ничем не компенсируя наносимый ему ущерб. Паразитами следует считать бактерии и вирусы, вызывающие различные заболевания, а также организмы, подобные гельминтам. Значительная доля ресурсов современной медицины и общественного здравоохранения расходуется на то, чтобы оградить людей от такого рода паразитов.

Особенно интересна, если говорить о мутуализме, эволюция современных сложных клеток. В современном мире встречаются два типа клеток: прокариоты («доядерные клетки») — прими тивные клетки, ДНК которых свободно распределена по всей клетке, и эукариоты («истинно ядерные клетки»), ДНК которых хранится в специальной клеточной структуре — ядре. (роль ДНК в живых системах обсуждается в главе Ц е Н Т рА л ь Н А Я Д О Г м А м О л е К Ул Я р Н О й Б и О л О Г и и.) Все многоклеточные организмы, включая человека, состоят из эукариотических клеток.

Как это ни странно, существуют ископаемые одноклеточные организмы, возраст которых составляет не менее 3,5 миллиарда симБиОЗ лет. Хотя в клетках нет твердых частиц, которые могут превра титься в окаменелость в традиционном смысле слова (см. Т е О р и Я Э В О л Ю Ц и и ), эти клетки могли задержаться между слоями ила и наносов на дне реки или океана. При превращении ила в породу (см. Ц и К л П р е О Б рА З О В А Н и Я Г О р Н О й П О р О Д ы ) остается отпе чаток клетки, подобный изображению листа. Эти микроскопи ческие отпечатки можно исследовать, и они расскажут, какой была жизнь на Земле до формирования скелетов. Эти ископаемые свидетельства говорят нам о том, что около миллиарда лет назад клетки претерпели существенное изменение. именно тогда стали появляться эукариотические клетки.

Помимо ядра в эукариотических клетках имеется множество изолированных внутренних структур, называемых органеллами.

митохондрии, органеллы одного типа, генерируют энергию и поэ тому считаются силовыми станциями клетки. митохондрии, как и ядро, окружены двухслойной мембраной и содержат ДНК. На этом основании предложена теория возникновения эукариотических клеток в результате симбиоза. Одна из клеток поглотила другую, а после оказалось, что вместе они справляются лучше, чем по отде льности. Такова эндосимбиотическая теория эволюции.

Эта теория легко объясняет существование двухслойной мем браны. Внутренний слой ведет происхождение от мембраны пог лощенной клетки, а наружный является частью мембраны погло тившей клетки, обернувшейся вокруг клетки-пришельца. Также хорошо понятно наличие митохондриальной ДНК — это не что иное, как остатки ДНК клетки-пришельца. итак, многие (воз можно, все) органеллы эукариотической клетки в начале своего существования были отдельными организмами и около миллиарда лет назад объединили свои усилия для создания клеток нового типа. следовательно, наши собственные тела — иллюстрация одного из древнейших партнерских отношений в природе.

Независимые свободно живущие двухслойная прокариотические клетки мембрана Первые эукариотические клетки могли сформи роваться в результате захвата крупными прокариотическими клетками более мелких.

Такая теория объясняет наличие двухслойной мем браны вокруг ядер эукари отических клеток эукариотическая клетка симБиОЗ химия Синтез В начале ХIХ века химики уже выяснили, что многие вещества состоят из молекул, а молекулы, в свою очередь, состоят из атомов мочевины (см. А Т О м Н А Я Т е О р и Я с Т р О е Н и Я В е щ е с Т В А ). Некоторые ученые утверждали, что органические молекулы, найденные в Молекулы живых живых организмах, коренным образом отличаются от неоргани организмов могут ческих молекул неживой природы. Причиной этого было убеж образовываться дение, что живые существа — это совершенно особая вещь (см.

из неорганических В и Т А л и З м ). Затем обнаружилось, что органические молекулы веществ часто бывают больше и сложнее неорганических, с которыми обычно работали химики. Это укрепило их во мнении, что у живой и неживой материи разный химический состав.

• древний САМОЗАРОждеНие  В 1828 году фридрих Вёлер раз и навсегда решил этот вопрос,   мир жиЗНи когда синтезировал из обычных «лабораторных» химикатов моче вину — органическое вещество, которое содержится в почках и • сиНтеЗ МОчевиНЫ   моче животных. Он рассказывал: «сколько я ни пытался соединить •  циановую кислоту и аммиак, всякий раз получалось бесцветное XIX — ВитАлиЗМ   нач. хх кристаллическое твердое вещество, не похожее по свойствам ни на циановую кислоту, ни на аммиак». Тщательные исследования пока • 1958  цеНтРАльНАя дОГМА зали, что «бесцветное кристаллическое твердое вещество» было МОлекУляРНОй БиОлОГии идентично мочевине, выделенной из тканей животных. с помощью этого эксперимента Вёлер доказал, что органические молекулы могут образовываться теми же способами и из тех же атомов, что и неорганические молекулы. Так был уничтожен еще один искусст венный барьер между живой и неживой природой.

ФридриХ вёлер (Friedrich Whler, С юности Вёлер был страстным 1800–82) — немецкий химик. Родился коллекционером минералов и много в городе эшерсхайме близ Фран- занимался синтезом и извлечением кфурта, в семье ветеринарного различных минеральных веществ.

врача, который лечил лошадей, Некоторое время он изучал органи принадлежащих правителям города ческие соединения, но потом решил, Гессе в Германии. В 1823 году Вёлер что это слишком сложно, и вернулся получил ученую степень по медицине к неорганической химии. Благодаря в Гейдельбергском университете, но Вёлеру Гёттинген превратился в затем занялся химией. Провел год ведущий европейский центр исследо в Швеции, сотрудничая с химиком ваний в области химии. Многие выпус йенсом Берцелиусом (Jцns Berzelius, кники Гёттингенского университета 1779–1848), с которым они навсегда стали преподавателями в различных остались друзьями. В 1836 году Вёлер университетах европы и Северной получил должность профессора Америки. Германия доминировала в химии в Гёттингенском университете, области исследовательской химии до где и проработал всю жизнь. 1930-х годов.

сиНТеЗ мОЧеВиНы Науки о жизни Система Карл линней, шведский физиолог, был профессором медицины в университете города Упсала. Он заведовал большим ботаническим класси- садом, который был нужен университету для проведения научных фикации исследований. люди присылали ему растения и семена со всего света для выращивания в ботаническом саду. именно благодаря интен линнея сивному изучению этой огромной коллекции растений Карл линней сумел решить задачу систематизации всех живых существ — сегодня Все живые ее назвали бы задачей таксономии (систематики). можно сказать, существа можно что он придумал категории для популярной в Америке викторины классифицировать «Двадцать вопросов», в которой первым делом спрашивают, отно с помощью сится ли предмет к животным, растениям или минералам. В системе иерархической линнея действительно все относится либо к животным, либо к рас системы, в основе тениям, либо к неживой природе (минералам).

которой лежат Чтобы легче понять принцип систематизации, представьте, что категории рода вы хотите классифицировать все дома в мире. можно начать с того, и вида что дома в европе, например, больше похожи друг на друга, чем на дома в северной Америке, поэтому на первом, самом грубом уровне классификации необходимо указать континент, где располо • систеМА ок жено здание. На уровне каждого континента можно пойти дальше, КлАссиФиКАции отметив, что дома в одной стране (например, во франции) больше лиННея похожи друг на друга, чем на дома в другой стране (например, в Норвегии). Таким образом, вторым уровнем классификации будет страна. можно продолжать в том же роде, рассматривая последо вательно уровень страны, уровень города и уровень улицы. Номер дома на конкретной улице будет той конечной ячейкой, куда можно поместить искомый объект. Значит, каждый дом будет полностью классифицирован, если для него будут указаны континент, страна, город, улица и номер дома.

линней заметил, что подобным образом можно классифици ровать живые существа в соответствии с их характеристиками.

Человек, например, больше похож на белку, чем на гремучую змею, и больше похож на гремучую змею, чем на сосну. Проделав те же рассуждения, что и в случае домов, можно построить сис тему классификации, в которой каждое живое существо получит свое уникальное место.

именно так и сделали последователи Карла линнея. На начальном уровне все живые существа делятся на пять царств — растения, животные, грибы и два царства одноклеточных орга низмов (безъядерных и содержащих в ядре ДНК). Далее каждое царство делится на типы. Например, в нервную систему чело века входит длинный спиной мозг, образующийся из хорды. Это относит нас к типу хордовых. У большинства животных, облада ющих спинным мозгом, он расположен внутри позвоночника. Эта большая группа хордовых называется подтипом позвоночных.

Человек относится к этому подтипу. Наличие позвоночника — критерий, по которому позвоночные животные отличаются от бес позвоночных, то есть не имеющих позвоночного хребта (к ним относятся, например, крабы).

с и с Т е м А К л Ас с и ф и К А Ц и и л и Н Н е Я следующая категория классификации — класс. Человек является представителем класса млекопитающих — теплокровных животных с шерстью, живородящих и выкармливающих своих детенышей молоком. Этот уровень различает человека и таких животных, как пресмыкающиеся и птицы. следующая категория — отряд. мы относимся к отряду приматов — животных с бинокулярным зре нием и руками и ногами, приспособленными для хватания. Клас сификация человека как относящегося к приматам отличает нас от других млекопитающих — таких, например, как собаки и жирафы.

следующие две категории классификации — семейство и род.

мы относимся к семейству гоминид и роду Homo. Впрочем, это разграничение мало что значит для нас, поскольку других пред ставителей нашего семейства и нашего рода больше нет (хотя в прошлом они существовали). У большинства животных каждый род содержит несколько представителей. Например, белый мед ведь — это Ursus maritimis, а медведь гризли — Ursus horibilis.

Оба эти медведя относятся к одному роду (Ursus), но к разным видам — они не скрещиваются.

Последняя категория в классификации линнея — вид — обычно определяется как популяция особей, которые могут скрещиваться между собой. Человек относится к виду sapience.

При описании животных принято указывать род и вид. Поэ тому человек классифицируется как Homo sapiens («Человек разумный»). Это не означает, что другие категории классификации не важны — они просто подразумеваются, когда говорят о роде и виде. Главный вклад линнея в науку состоит в том, что он при менил и ввел в употребление так называемую бинарную номенкла туру, согласно которой каждый объект классификации обознача ется двумя латинскими названиями — родовым и видовым.

Классифицируя таким способом живую природу, система линнея определяет каждому организму свое собственное уникальное место в мире живых существ. Но успех зависит в первую очередь от того, насколько правильно систематик выделит важные физические харак теристики, и здесь возможны неверные суждения и даже ошибки — линней, к примеру, отнес бегемота к отряду грызунов! В настоящее время при систематизации все больше учитывается генетический код отдельных организмов или история их эволюции — генеалоги ческое древо (этот подход называется кладистикой).

КАрл лиННей (Carolus Linnaeus, класс. В 1741 году линней стал про 1707–78) — шведский ботаник и врач. фессором Упсальского университета.

Родился в Росхульте, изучал медицину в исследование коллекции растений лундском университете, а с 1728 года — университетского ботанического сада в Упсальском университете. Впоследс- привело его к созданию бинарной клас твии начал заниматься систематиза- сификации растений. После смерти цией растений, а затем — животных и линнея эта коллекция и тематическая минералов. Осознал родовое сходство библиотека были куплены английским между различными группами, класси- натуралистом джеймсом Смитом, а фицировав китов как млекопитающих и позже приобретены лондонским линне поместив человека и приматов в один евским обществом.

с и с Т е м А К л Ас с и ф и К А Ц и и л и Н Н е Я Физика Скрытый Возможность путешествий во времени издавна волновала человеческие умы. с одной стороны, согласно Т е О р и и О Т Н О с и Т е л ь Н О с Т и, время принцип представляет собой всего лишь одно из четырех измерений, а значит, двигаться назад во времени (а не вперед, как в реальности происходит), необра- казалось бы, должно быть для нас таким же обычным делом, как дви тимости гаться налево, вместо того чтобы повернуть направо. с другой стороны, стоит лишь задуматься о том, к чему привели бы отправка информации, времени физических тел или (самое интересное) людей в прошлое, как немед В природе действует ленно возникает множество логических парадоксов.

Возьмем хотя бы парадокс деда. При помощи машины времени вы до сих пор отправляетесь в прошлое и расстраиваете свадьбу вашего деда с вашей не открытый закон, делающий ход времени бабкой (в самой кровавой версии парадокса — попросту убиваете его). В этом случае вы, за отсутствием деда, просто не сможете затем однонаправленным родиться, найти себе машину времени и вернуться в прошлое с целью и необратимым не допустить свадьбы ваших деда и бабки. Но тогда ваши дед и бабка и не допускающий благополучно поженятся — и вы появитесь на свет, сядете в машину возможности времени и т.д. (имеется и совсем уже парадоксальный сценарий, при существования котором вы, расстроив в прошлом женитьбу вашего деда на вашей «машины времени» бабушке, сами женитесь на собственной бабушке и становитесь собс твенным дедом. — Прим. переводчика.) Таким образом, возможность изменить прошлое приводит к массе логических противоречий.

  1980-е • сКрЫтЫй ПриНциП Однако общая теория относительности предсказывает, что пути НеОБрАтиМОсти во времени становятся практически неотличимыми по своим свойс вреМеНи твам от путей в пространстве вблизи сверхмассивного и сверхплот ного цилиндра, вращающегося со скоростью, близкой к скорости света;

такой объект и мог бы сыграть роль машины времени. Конечно, практическая возможность раскрутить до субсветовой скорости цилиндр с галактической массой и плотностью, близкой к плотности черной дыры, представляется сомнительной и уж во всяком случае нереальной с точки зрения земных технологий. Так что построить машину времени в обозримом будущем едва ли удастся.

именно парадоксальная природа возможности путешествия во времени подтолкнула, по всей вероятности, астрофизика сти вена Хокинга к тому, чтобы сформулировать гипотезу о принци пиальной необратимости времени. Во избежание парадоксов в природе, согласно этой гипотезе, должен существовать некий закон, запрещающий перемещение во времени из настоящего в прошлое. и наилучший аргумент в пользу существования такого закона выдвинут самим же Хокингом: «если путешествия во вре мени возможны, то где в таком случае сами путешественники?»

стивеН уильяМ ХОКиНГ (Stephen с внешним миром исключительно при помощи компьютера, оснащенного William Hawking, р. 1942) — английский синтезатором речи. это, однако, не физик-теоретик. Родился в Оксфорде, помешало ему стать одним из ведущих окончил местный университет. доктор астрофизиков и космологов современ скую степень получил в кембридже.

ности. хокинг применил идеи квантовой еще будучи аспирантом кембридж механики и теории относительности к ского университета, тяжело заболел: у ч е Р Н ы М д ы Р А М и космологии. Свои хокинга была выявлена редкая невро идеи хокинг популярно изложил в патология, вскоре приведшая ученого вышедшей в 1988 году и ставшей бес практически к полному параличу.

тселлером «краткой истории времени»

Ученый много лет прикован к инва (A Brief History of Time).

лидной коляске и вынужден общаться с К р ы Т ы й П р и Н Ц и П Н е О Б рА Т и м О с Т и В р е м е Н и Математика Сложные изучение сложности — одно из важнейших направлений совре менной науки. Сложная система определяется как система, име адаптивные ющая много независимых элементов, каждый из которых может системы взаимодействовать с остальными. Например, куча песка может рассматриваться как сложная система, поскольку нажатие на одну песчинку увеличивает силы давления на все другие песчинки У сложных в куче, а эти песчинки, в свою очередь, отвечают на это легкой адаптивных систем деформацией, вызывающей силы противодействия. фондовая могут возникать биржа — другой пример сложной системы, где покупатели и про неожиданные давцы меняют свое поведение при изменении поведения других свойства.

покупателей и продавцов. Такая система, как фондовая биржа, где В настоящее время поведение элементов меняется в результате действий других эле появление таких ментов, называется сложной адаптивной, или самоприспосаблива свойств очень ющейся, системой.

трудно предсказать До появления высокоскоростных электронных вычисли тельных машин было невозможно изучать сложные системы.

Эти системы просто слишком велики, слишком сложны для того, чтобы с ними можно было работать с помощью обычной матема тики. Наиболее важным результатом компьютерных исследований сложных адаптивных систем стало понятие — неожиданное свойство. Возьмем в качестве примера простую кучу песка.

если вы будете добавлять песчинки к куче, то рано или поздно неожиданно появится новый тип поведения. Когда вы добавите миллионную песчинку, произойдет сход лавины — такое пове дение принципиально отличается от явления передачи давления, которое имело место ранее. Другими словами, с этой миллионной песчинкой мы достигаем точки, где понятие «больше» превраща ется в «иное».

Важной чертой неожиданных свойств является то, что они не появляются постепенно. иначе говоря, одна песчинка не приведет к образованию миллионной части лавины, которую можно было бы затем сложить с другими такими же частями, чтобы получить лавину от кучи, состоящей из миллиона песчинок. Вы не увидите вовсе никаких лавин до тех пор, пока не дойдете до этой милли онной песчинки, и только тогда внезапно образуется лавина.

Я думаю, можно было бы выдвинуть очень интересное пред положение о том, что свойства ума, такие как сознание и само анализ, — неожиданные свойства множества нейронов, нечто подобное лавинам, которые являются неожиданным свойством множества песчинок. если это действительно так, то эволюция нервных систем подходит к точке, когда «больше» превращается в «иное» (см. Н е р В Н ы е с и Г Н А л ы ).

Одна из великих задач, стоящих перед наукой сегодня, — выработать способность предсказывать появление неожиданных свойств на основании свойств отдельных элементов системы. мы не можем этого в настоящее время, и некоторые ученые полагают, что не сможем никогда. Я думаю, что сегодня еще слишком рано отказываться от попытки решить эту проблему.

слОжНые АДАПТиВНые сисТемы Физика Соотно- Один из фактов субатомного мира заключается в том, что его объ екты — такие как электроны или фотоны — совсем не похожи на шение де привычные объекты макромира. Они ведут себя и не как частицы, Бройля и не как волны, а как совершенно особые образования, проявля ющие и волновые, и корпускулярные свойства в зависимости от обстоятельств (см. П р и Н Ц и П Д О П О л Н и Т е л ь Н О с Т и ). Одно Длина волны дело — это заявить, и совсем другое — связать воедино волновые квантовой и корпускулярные аспекты поведения квантовых частиц, описав их частицы обратно точным уравнением. именно это и было сделано в соотношении пропорциональна де Бройля.

ее импульсу луи де Бройль опубликовал выведенное им соотношение в ка честве составной части своей докторской диссертации в 1924 году.

Казавшееся сначала сумасшедшей идей, соотношение де Бройля • сООтНОшеНие в корне перевернуло представления физиков-теоретиков о мик де БрОйля ромире и сыграло важнейшую роль в становлении квантовой • 1925  кВАНтОВАя механики. В дальнейшем карьера де Бройля сложилась весьма МехАНикА прозаично: до выхода на пенсию он работал профессором физики • в Париже и никогда более не поднимался до головокружительных   1926  УРАВНеНие ШРёдиНГеРА высот революционных прозрений.

Теперь кратко опишем физический смысл соотношения де •   1927  ПРиНциП Бройля: одна из физических характеристик любой частицы — ее дОПОлНительНОСти скорость. При этом физики по ряду теоретических и практических • соображений предпочитают говорить не о скорости частицы как   1927  ОПыт дэВиССОНА— джеРМеРА таковой, а о ее импульсе (или количестве движения), который равен произведению скорости частицы на ее массу. Волна описывается совсем другими фундаментальными характеристиками — длиной (расстоянием между двумя соседними пиками амплитуды одного знака) или частотой (величина, обратно пропорциональная длине волны, то есть число пиков, проходящих через фиксированную точку за единицу времени). Де Бройлю же удалось сформулиро вать соотношение, связывающее импульс квантовой частицы р с длиной волны, которая ее описывает:

p = h/ или = h/p, где h — П О с Т О Я Н Н А Я П л А Н К А.

Это соотношение гласит буквально следующее: при желании можно рассматривать квантовый объект как частицу, обладающую количеством движения р;

с другой стороны, ее можно рассмат ривать и как волну, длина которой равна и определяется пред ложенным уравнением. иными словами, волновые и корпуску лярные свойства квантовой частицы фундаментальным образом взаимосвязаны.

соотношение де Бройля позволило объяснить одну из вели чайших загадок зарождающейся квантовой механики. Когда Нильс Бор предложил свою модель атома (см. А Т О м Б О рА ), она включала концепцию разрешенных орбит электронов вокруг ядра, по которым они могли сколь угодно долго вращаться без потери энергии. с помощью соотношения де Бройля мы можем сООТНОШеНие Де БрОйлЯ проиллюстрировать это Маркиз Луи де Бройль — ученый, объяснивший кор- понятие. если считать пускулярно-волновой дуа электрон частицей, то, лизм, — с орденом Почет чтобы электрон оставался ного легиона, которым на своей орбите, у него он был награжден в 1961 году за выдающиеся должна быть одна и та заслуги перед родиной же скорость (или, вернее, импульс) на любом рассто янии от ядра.

если же считать элек трон волной, то, чтобы он луи виКтОр Пьер вписался в орбиту задан рАйМОН де БрОйль  (Louis Victor Pierre ного радиуса, надо, чтобы длина окружности этой орбиты была Raymond de Broglie, равна целому числу длины его волны. иными словами, окруж 1892–1987) — француз ность орбиты электрона может равняться только одной, двум, ский физик, уроженец г. дьеп (Dieppe). На трем (и так далее) длинам его волн. В случае нецелого числа длин научном поприще, где волны электрон просто не попадет на нужную орбиту.

доминирующую роль Главный же физический смысл соотношения де Бройля традиционно играют амбициозные выходцы в том, что мы всегда можем определить разрешенные импульсы из среднего и рабочего (в корпускулярном представлении) или длины волн (в волновом класса, де Бройль был представлении) электронов на орбитах. Для большинства орбит, редким представителем настоящей французской однако, соотношение де Бройля показывает, что электрон (рас аристократии «голубых сматриваемый как частица) с конкретным импульсом не может кровей», вторым сыном иметь соответствующую длину волны (в волновом представ в дворянской семье, потомком старинного лении) такую, что он впишется в эту орбиту. и наоборот, элек нормандского рода, трон, рассматриваемый как волна определенной длины, далеко веками дававшего не всегда будет иметь соответствующий импульс, который поз Франции видных поли тических и военных волит электрону оставаться на орбите (в корпускулярном пред деятелей. В 1909 году ставлении). иными словами, для большинства орбит с конк поступил в Сорбонну, ретным радиусом либо волновое, либо корпускулярное описание где после года изучения истории решил пере- покажет, что электрон не может находиться на этом расстоянии ключиться на физику.

от ядра.

За теоретическое Однако существует небольшое количество орбит, на которых предсказание волновой природы электрона волновое и корпускулярное представление об электроне совпадают.

(вывод соотношения де Для этих орбит импульс, необходимый для того, чтобы электрон Бройля) в докторской продолжал движение по орбите (корпускулярное описание), в точ диссертации 1924 года был удостоен Нобелев- ности соответствует длине волны, необходимой, чтобы электрон ской премии по физике вписался в окружность (волновое описание). именно эти орбиты за 1929 год. Позже стал и оказываются разрешенными в модели атома Бора, поскольку профессором теорети ческой физики инсти- только на них корпускулярные и волновые свойства электронов не тута им. Анри Пуанкаре вступают в противоречие.


в Париже. В 1960 году, мне нравится еще одна интерпретация этого принципа — после смерти старшего брата Мориса де Бройля философская: модель атома Бора допускает только такие состо (Maurice de Broglie, яния и орбиты электронов, при которых не важно, какую из 1875–1960), также вид двух ментальных категорий человек применяет для их опи ного физика, одного из основоположников сания. То есть, иными словами, реальный микромир устроен рентгеновской спектрос так, что ему нет дела до того, в каких категориях мы пытаемся копии, унаследовал титул его осмыслить!

маркиза.

сООТНОШеНие Де БрОйлЯ Взгляд в прошлое Социальный Появление в XIX веке Т е О р и и Э В О л Ю Ц и и Дарвина привело к перевороту во многих областях научной мысли. Британский дарвинизм философ и социолог Герберт спенсер (Herbert Spencer, 1820–1903) был одним из самых восторженных последователей идей Дар Социальное вина. между прочим, именно ему принадлежит фраза «выживают неравенство — наиболее приспособленные». Он был первым, кто попытался при результат действия менить законы эволюции к человеческому обществу.

дарвиновского люди, менее искушенные, чем спенсер, развили эту идею в теорию естественного «социального дарвинизма». сторонники этой теории утверждали, что отбора эволюция человеческого общества происходит точно так же, как эво люция в природе, — путем необузданной конкуренции и выживания наиболее приспособленных. исходя из этого, жесточайшая конку ренция в капиталистическом обществе конца XIX века и порожденное •   1809  лАМАРкиЗМ ею колоссальное социальное неравенство воспринимались как «естес • твенное» состояние этого общества — весомый аргумент против таких сОциАльНЫй  ок.  дАрвиНиЗМ идей, как социальная реформа и профессиональные союзы.

На самом деле социальный дарвинизм основывался на элемен • 1859  теОРия эВОлюции тарном непонимании принципов естественного отбора. В природе действительно выживают «наиболее приспособленные» (или, по крайней мере, гены «наиболее приспособленных»), но в дарвинов ском естественном отборе есть только один критерий приспособ ленности. По Дарвину, выживает тот — это и есть наиболее при способленный индивид, — кто передает большинство своих генов следующему поколению. с точки зрения дарвиновской теории не имеет никакого значения, сколько денег накопил индивид или сколько власти он сконцентрировал в своих руках. Важно лишь то, скольким потомкам достались его гены.

Когда я рассказываю своим студентам о социальном дарви низме, я всегда привожу в качестве примера историю железнодо рожного магната лиланда стэнфорда (Leland Stanford, 1824–93).

Он начинал клерком в бакалейной лавке, а в итоге стал одним из самых влиятельных людей Америки. Это он забил «золотой костыль» в Промонтори-Пойнт, штат Юта, при завершении стро ительства первой железной дороги через всю северную Америку.

стэнфорд основал знаменитый университет, носящий теперь его имя в память о его единственном сыне, умершем подростком (если присмотреться к университетскому гербу, можно заметить, что на нем написано «Университет лиланда стэнфорда-младшего»).

с социальной точки зрения лиланд стэнфорд достиг необычайных высот — это был человек, изменивший лицо мира, в котором жил.

Однако, если исходить из дарвиновских критериев успеха, он потерпел фиаско, так и не передав ни одного гена следующим поколениям. Одного этого примера достаточно, чтобы показать полную научную несосто ятельность доктрины социального дарвинизма. Против этой теории могут быть выдвинуты и другие аргументы (например, что «есть» и «должно быть» — не одно и то же), но, мне кажется, они излишни.

и в заключение — честная реклама. Я горжусь тем, что окончил физический факультет стэнфордского университета, и чрезвычайно благодарен лиланду стэнфорду за то, что он вложил свое громадное состояние в создание этого замечательного учебного заведения.

сОЦиАльНый ДАрВиНиЗм Физика Спектр После появления У рА В Н е Н и й м А К с В е л л А стало ясно, что они предсказывают существование неизвестного науке природного электро- явления — поперечных электромагнитных волн, представляющих магнитного собой распространяющиеся в пространстве со скоростью света коле бания взаимосвязанных электрического и магнитного полей. сам излучения Джеймс Кларк максвелл первым и указал научному сообществу на это следствие из выведенной им системы уравнений. В этом прелом Имеется целый лении скорость распространения электромагнитных волн в вакууме ряд типов оказалась столь важной и фундаментальной вселенской константой, электромагнитного что ее обозначили отдельной буквой с в отличие от всех прочих ско излучения, начиная ростей, которые принято обозначать буквой v.

с радиоволн сделав это открытие, максвелл сразу же определил, что и заканчивая видимый свет является «всего лишь» разновидностью электромаг гамма-лучами.

нитных волн. К тому времени были известны длины световых волн Электромагнитные видимой части спектра — от 400 нм (фиолетовые лучи) до 800 нм лучи всех типов (красные лучи). (Нанометр — единица длины, равная одной милли распространяются ардной метра, которая в основном используется в атомной физике в вакууме со и физике лучей;

1 нм = 10–9 м.) Всем цветам радуги соответствуют скоростью света и различные длины волн, лежащие в этих весьма узких пределах.

отличаются друг Однако в уравнениях максвелла не содержалось никаких огра от друга только ничений на возможный диапазон длин электромагнитных волн.

длинами волн Когда стало ясно, что должны существовать электромагнитные волны самой разной длины, фактически сразу же было выдвинуто сравнение по поводу того, что человеческий глаз различает столь •   1859  СПектРОСкОПия узкую полосу их длин и частот: человека уподобили слушателю симфонического концерта, слух которого способен улавливать • 1864 УРАВНеНия только скрипичную партию, не различая всех остальных звуков.

МАкСВеллА Вскоре после предсказания максвеллом существования элект • ромагнитных волн других диапазонов спектра последовала серия сПеКтр ЭлеКтрОМАГНит открытий, подтвердивших его правоту. Первыми в 1888 году были НОГО иЗлучеНия открыты радиоволны — сделал это немецкий физик Генрих Герц • (Heinrich Hertz, 1857–1894). единственная разница между радио 1900  иЗлУчеНие   чеРНОГО телА волнами и светом состоит в том, что длина радиоволн может колебаться в диапазоне от нескольких дециметров до тысяч кило метров. согласно теории максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электри ческих зарядов. Колебания электронов под воздействием пере менного электрического напряжения в антенне радиопередатчика создают электромагнитные волны, распространяющиеся в земной атмосфере. Все другие типы электромагнитных волн также возни кают в результате различных видов ускоренного движения элект рических зарядов.

Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмос фере, и это делает их полезнейшими носителями закодированной информации. Уже в начале 1894 года — всего через пять с небольшим лет после открытия радиоволн — итальянский инженер-физик Гуль ельмо маркони (Guglielmo Marconi, 1874–1937) сконструировал с П е К Т р Эл е К Т р О м А Г Н и Т Н О ГО и Зл У Ч е Н и Я первый работающий беспроволочный телеграф — прообраз сов ременного радио, — за что в 1909 году был удостоен Нобелевской премии.

После того как было впервые экспериментально подтверждено предсказываемое уравнениями максвелла существование электро магнитных волн за пределами видимого спектра, остальные ниши спектра заполнились весьма быстро. сегодня открыты электромаг нитные волны всех без исключения диапазонов, и практически все они находят широкое и полезное применение в науке и технике.

Частоты волн и энергии соответствующих им квантов электро магнитного излучения (см. П О с Т О Я Н Н А Я П л А Н К А ) возрастают с уменьшением длины волны. совокупность всех электромаг нитных волн образует так называемый сплошной спектр элект ромагнитного излучения. Он подразделяется на следующие диапа зоны (в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн):

Радиоволны Как уже отмечалось, радиоволны могут значительно различаться по длине — от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом земного шара (око ло 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике — дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне уль тракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/FM), обеспечивая высокое качество приема сигнала в пределах зоны прямого рас пространения волн. радиоволны метрового и километрового диа Электромагнитные волны пазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших образуют сплошной расстояниях с использованием амплитудной модуляции (Ам), спектр длин волн и энергий (частот), под- которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его пере разделяемый на условные дачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли бла диапазоны — от радио годаря отражению волн от ионосферы планеты. Впрочем, сегодня волн до гамма-лучей этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутни ковой связи. Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приема областью прямого распространения, которая, в за висимости от высоты антенны и мощности передатчика, состав ляет от нескольких до нескольких десятков километров. и тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.

Микроволны микроволны и радиоволны диапазона сверхвысоких частот (сВЧ) имеют длину от 300 мм до 1 мм. сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не погло щаются атмосферой и поэтому широко используются в спутни с П е К Т р Эл е К Т р О м А Г Н и Т Н О ГО и Зл У Ч е Н и Я ковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах.


размер типовой спутниковой тарелки как раз равен нескольким длинам таких волн.

Более короткие сВЧ-волны также находят множество приме нений в промышленности и в быту. Достаточно упомянуть про микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промыш ленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микровол новой печи основано на быстром вращении электронов в уст ройстве, которое называется клистрон. В результате электроны излучают электромагнитные сВЧ-волны определенной частоты, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда вы помещаете еду в микроволновую печь, молекулы воды, содержа щиеся в еде, поглощают энергию микроволн, движутся быстрее и таким образом разогревают еду. иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи, микро волновая печь разогревает ее изнутри.

инфракрасные лучи Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диа метров (около 800 нм). лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей — как тепло. если вы протягиваете руку в направлении огня или раскаленного предмета и чувствуете жар, исходящий от него, вы воспринимаете как жар именно инфра красное излучение. У некоторых животных (например, у норных гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излу чению ее тела.

Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излу чает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфра красного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. инфракрасные окуляры приборов ноч ного видения позволяют людям «видеть в темноте», и с их помощью можно обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.

Видимый свет Как уже говорилось, длины электромагнитных волн видимого светового диапазона колеблются в пределах от восьми до четырех тысяч атомных диаметров (800–400 нм). Человеческий глаз пред ставляет собой идеальный инструмент для регистрации и анализа электромагнитных волн этого диапазона. Это обусловлено двумя с П е К Т р Эл е К Т р О м А Г Н и Т Н О ГО и Зл У Ч е Н и Я причинами. Во-первых, как отмечалось, волны видимой части спектра практически беспрепятственно распространяются в про зрачной для них атмосфере. Во-вторых, температура поверхности солнца (около 5000°с) такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра. Таким образом, наш главный источник энергии излучает огромное количество энергии именно в видимом световом диапазоне, а окружающая нас среда в значительной мере прозрачна для этого излучения. Неуди вительно поэтому, что человеческий глаз в процессе Э В О л Ю Ц и и сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.

Хочу еще раз подчеркнуть, что ничего особенного с физической точки зрения в диапазоне видимых электромагнитных лучей нет.

Он представляет собой всего лишь узкую полоску в широком спектре излучаемых волн (см. рисунок). Для нас он столь важен лишь постольку, поскольку человеческий мозг оснащен инстру ментом для выявления и анализа электромагнитных волн именно этой части спектра.

Ультрафиолетовые лучи К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диа метров (400–10 нм). В этой части спектра излучение начинает ока зывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызы вают в умеренных дозах загар, а в избыточных — тяжелые ожоги.

Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологи ческих клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского обору дования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.

Все живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации (см. О З О Н О В А Я Д ы рА ). если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.

Рентгеновские лучи излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диа метров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагнос с П е К Т р Эл е К Т р О м А Г Н и Т Н О ГО и Зл У Ч е Н и Я тике. Как и в случае с радиоволнами, временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы. (инте ресно отметить, что парижские газеты того времени настолько увлеклись идеей, что рентгеновские лучи могут проникать сквозь одежду, что практически ничего не сообщали об уникальных воз можностях их применения в медицине.) Гамма-лучи самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре — это -лучи (гамма лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и использу ются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам.

В заключение важно еще раз подчеркнуть, что, хотя все опи санные типы электромагнитного излучения проявляют себя внешне по-разному, по своей сути они являются близнецами. Все электромагнитные волны в любой части спектра представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей, все они распро страняются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят. Остается только добавить, что названные мною гра ницы диапазонов носят достаточно условный характер (и в других книгах вам, вполне вероятно, попадутся несколько иные значения граничных длин волн). В частности, микроволновые излучения с большими длинами волн нередко и справедливо относятся к сверхвысокочастотному диапазону радиоволн. Отсутствуют четкие границы и между жестким ультрафиолетовым и мягким рентгеновским, а также между жестким рентгеновским и мягким гамма-излучением.

с П е К Т р Эл е К Т р О м А Г Н и Т Н О ГО и Зл У Ч е Н и Я Физика Спектро- согласно простейшей модели строения А Т О м А Б О рА, электроны можно представить расположенными на четко определенных скопия («разрешенных») орбитах вокруг ядра атома. При этом они могут дискретно переходить с орбиты на орбиту, излучая или поглощая Наличие атомов порции энергии, и это явление называется квантовым скачком.

химических если электрон переходит на более низкую орбиту, он теряет квант элементов энергии и излучает квант света — фотон, который характеризуется в веществе строго определенной длиной волны, зависящей от потери энергии можно выявить при квантовом скачке. излучаемые таким образом фотоны мы по присутствию воспринимаем как свечение совершенно определенного цвета — характерных линий раскаленная медная проволока, например, светится синим (см.

в спектре излучения П р О Б А Н А О К рА Ш и В А Н и е П л А м е Н и ). Для перехода на более или поглощения высокую орбиту электрону, наоборот, требуется дополнительная энергия, и обычно он поглощает ее также в виде фотонов с опре деленной длиной волны (см. О Т К р ы Т и е К и р Х Г О ф А — Б У Н З е Н А ).

•   1859  ОткРытие Такое взаимодействие между светом и атомами вещества легло киРхГОФА—БУНЗеНА в основу важной отрасли экспериментально-прикладной науки, которая называется спектроскопия, или спектральный анализ.

• сПеКтрОсКОПия   Поскольку ядра атомов различных элементов содержат различное • число протонов, электроны в этих атомах располагаются на отли 1864 СПектР электРОМАГ НитНОГО иЗлУчеНия чающихся друг от друга разрешенных орбитах (или, если придер живаться современной, более сложной картины строения атома, — •   1890  ПОСтОяННАя орбиталях, определяющих вероятность нахождения электрона РидБеРГА в определенной области, а не его точное местонахождение). Это • означает, что в атомах различных химических элементов энергии   1900  ПОСтОяННАя ПлАНкА квантовых скачков между разрешенными орбиталями отлича •   1900  иЗлУчеНие   ются и они будут излучать свет с различными длинами волн.

чеРНОГО телА Так, в видимом спектре излучения натрия наблюдаются лишь две • близко расположенные линии в желтой части спектра (вот почему   1913  АтОМ БОРА уличные натриевые лампы дневного света можно узнать по харак терному желтоватому свечению), а у ртути спектральные линии приходятся на сине-голубую область (соответственно, если лампа уличного освещения светится голубоватым светом, значит, это ртутная лампа).

Простой, казалось бы, факт, что мы можем судить об атомном составе вещества по длине волн излучаемого им света, дал начало целой отрасли экспериментальных и прикладных исследований — спектроскопии. Набор линий в спектре каждого химического эле мента уникален. Далее, если атом ионизирован, этот набор спект ральных линий смещается и образует новую характерную серию в спектре. Таким образом, обнаружив серию спектральных линий (или набор излучаемых частот, что, по сути, то же самое) изуча емого тела или вещества (например, при накаливании неизвест ного материала неизвестного нам химического состава в пламени горелки Бунзена), мы можем с уверенностью судить о присутствии или отсутствии соответствующих химических элементов в составе исследуемого материала.

сПеКТрОсКОПиЯ Это основа так называемой эмиссионной спектроскопии.

сравнивая интенсивность излучения спектральных линий, харак терных для различных элементов, мы можем рассчитать их коли чественное соотношение в веществе и определить его химический состав. Благодаря этому нам даже не надо исследовать вещество в химической лаборатории и мы можем судить о химическом составе светящихся объектов, например звезд и галактик, находящихся на колоссальном удалении от них.

сходным образом работает и абсорбционная спектроскопия.

В этом случае через изучаемое вещество пропускается белый свет (представляющий из себя сплошной спектр световых частот) и выявляются линии поглощения, соответствующие частотам и длинам волн квантовых переходов электронов на более высокие орбитали. соответственно, рассматривая спектральную картину такого света, пропущенного через вещество, мы увидим темные линии поглощения и можем судить о составе вещества. Абсорб ционная спектроскопия широко применяется в астрофизике для исследования химического состава планет, туманностей, газопы левых облаков и других космических объектов, не обладающих собственным свечением, по темным линиям в спектре белых звезд источников, находящихся за ними.

сПеКТрОсКОПиЯ Физика Стандартная стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об модель исходном материале, из которого изначально построена Вселенная.

Она же описывает, как именно материя образуется из этих базовых Вся материя компонентов, и силы и механизмы взаимодействия между ними состоит из (см. также К В А р К и и В О с ь м е р и Ч Н ы й П У Т ь, У Н и В е р с А л ь Н ы е кварков, лептонов и Т е О р и и и Э л е м е Н Т А р Н ы е Ч А с Т и Ц ы.

частиц—переносчиков со структурной точки зрения элементарные частицы, из взаимодействий которых состоят атомные ядра (нуклоны), и вообще все тяжелые частицы — адроны (барионы и мезоны) — состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаменталь 1897  • элеМеНтАРНые   ными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных чАСтицы элементов материи выступают кварки, электрический заряд которых равен 2/3 или –1/3 единичного положительного заряда 1961 • стАНдАртНАя   МОдель протона. самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английс 1961  • кВАРки     кого up — «верх») и d (down — «низ»). иногда их же называют и ВОСьМеРичНый протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон ПУть состоит из комбинации uud, а нейтрон — udd. Верхний кварк имеет 1972  • кВАНтОВАя заряд 2/3;

нижний — отрицательный заряд –1/3. Поскольку протон хРОМОдиНАМикА состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убе диться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0, и удостовериться, что в этом стандартная модель адекватно описывает реальность. Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованными — c (от charmed) и странными — s (от strange). Третью пару составляют истинные — t (truth) и кра сивые — b (beauty) кварки. Практически все частицы, предсказы ваемые стандартной моделью и состоящие из различных комби наций кварков, уже открыты экспериментально.

Другой строительный набор состоит из кирпичиков, называ емых лептонами. самый распространенный из лептонов — давно нам знакомый электрон, входящий в структуру атомов, но не учас твующий в ядерных взаимодействиях, ограничиваясь межатом ными. Помимо него (и парной ему античастицы под названием позитрон) к лептонам относятся более тяжелые частицы — мюон и тау-лептон с их античастицами. Кроме того, каждому лептону сопоставлена своя незаряженная частица с нулевой (или практи чески нулевой) массой покоя;

такие частицы называются, соот ветственно, электронное, мюонное или таонное нейтрино.

итак, лептоны, подобно кваркам, также образуют три «семейные пары». Такая симметрия не ускользнула от наблюдательных глаз теоретиков, однако убедительного объяснения ей до сих пор не предложено. Как бы то ни было, кварки и лептоны представляют собой основной строительный материал Вселенной.

Чтобы понять оборотную сторону медали — характер сил вза имодействия между кварками и лептонами, — нужно понять, как с ТА Н Д А р Т Н А Я м ОД ел ь современные физики-теоретики интерпретируют само понятие силы. В этом нам поможет аналогия. Представьте себе двух лодоч ников, гребущих на встречных курсах по реке Кем в Кембридже.

Один гребец от щедрости душевной решил угостить коллегу шампанским и, когда они проплывали друг мимо друга, кинул ему полную бутылку шампанского. В результате действия закона сохранения импульса, когда первый гребец кинул бутылку, курс его лодки отклонился от прямолинейного в противоположную сто рону, а когда второй гребец поймал бутылку, ее импульс передался ему, и вторая лодка также отклонилась от прямолинейного курса, но уже в противоположную сторону. Таким образом, в результате обмена шампанским обе лодки изменили направление. согласно З А К О Н А м м е Х А Н и К и Н ь Ю Т О Н А, это означает, что между лод ками произошло силовое взаимодействие. Но ведь лодки не всту пали между собой в прямое соприкосновение! Здесь мы и видим наглядно, и понимаем интуитивно, что сила взаимодействия между лодками была передана носителем импульса — бутылкой шампан ского. физики назвали бы ее переносчиком взаимодействия.

В точности так же и силовые взаимодействия между частицами происходят посредством обмена частицами — переносчиками этих взаимодействий. фактически различие между фундаменталь ными силами взаимодействия между частицами мы и проводим лишь постольку, поскольку в роли переносчиков этих взаимодейс твий выступают разные частицы. Таких взаимодействий четыре:

сильное (именно оно удерживает кварки внутри частиц), элект ромагнитное, слабое (именно оно приводит к некоторым формам рА Д и О А К Т и В Н О Г О рА с П А Д А ) и гравитационное. Переносчиками сильного цветового взаимодействия являются глюоны, не облада ющие ни массой, ни электрическим зарядом. Этот тип взаимодейс твия описывается К В А Н Т О В О й Х р О м О Д и Н А м и К О й. Электромаг нитное взаимодействие происходит посредством обмена квантами электромагнитного излучения, которые называются фотонами и также лишены массы. слабое взаимодействие, напротив, пере дается массивными векторными или калибровочными бозонами, которые «весят» в 80–90 раз больше протона, — в лабораторных условиях их впервые удалось обнаружить лишь в начале 1980-х годов. Наконец, гравитационное взаимодействие передается пос редством обмена не обладающими собственной массой гравито нами — этих посредников пока что экспериментально обнаружить не удалось.

В рамках стандартной модели первые три типа фундамен тальных взаимодействий удалось объединить, и они более не рас сматриваются по отдельности, а считаются тремя различными про явлениями силы единой природы. Возвращаясь к аналогии, пред положим, что другая пара гребцов, проплывая друг мимо друга по реке Кем, обменялась не бутылкой шампанского, а всего лишь ста канчиком мороженого. От этого лодки также отклонятся от курса в противоположные стороны, но значительно слабее. стороннему с ТА Н Д А р Т Н А Я м ОД ел ь наблюдателю может показаться, что в этих двух случаях между лодками действовали разные силы: в первом случае произошел обмен жидкостью (бутылку я предлагаю во внимание не прини мать, поскольку большинству из нас интересно ее содержимое), а во втором — твердым телом (мороженым). А теперь представьте, что в Кембридже в тот день стояла редкостная для северных мест летняя жара и мороженое в полете растаяло. То есть достаточно некоторого повышения температуры, чтобы понять, что факти чески взаимодействие не зависит от того, жидкое или твердое тело выступает в роли его переносчика. единственная причина, по которой нам представлялось, что между лодками действуют раз личные силы, состояла во внешнем отличии переносчика-мороже ного, вызванном недостаточной для его плавления температурой.

Поднимите температуру — и силы взаимодействия предстанут наглядно едиными.

силы, действующие во Вселенной, также сплавляются вое дино при высоких энергиях (температурах) взаимодействия, после чего различить их невозможно. Первыми объединяются (именно так это принято называть) слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия. В результате мы получаем так называемое элек трослабое взаимодействие, наблюдаемое даже лабораторно при энергиях, развиваемых современными ускорителями эле ментарных частиц. В рА Н Н е й В с е л е Н Н О й энергии были столь высоки, что в первые 10–10 секунды после Большого взрыва не было грани между слабыми ядерными и электромагнитными силами.

лишь после того, как средняя температура Вселенной понизилась до 1014 K, все четыре наблюдаемые сегодня силовые взаимодейс твия разделились и приняли современный вид. Пока температура была выше этой отметки, действовали лишь три фундаментальные силы: сильного, объединенного электрослабого и гравитационного взаимодействий.



Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |   ...   | 18 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.