Назад

Джеймс Трефил – 200 законов мироздания



Москва

JAMES TIL
THE NATURE QF SCIENCE
Houghton Miffin Company 2003
ДЖЕЙМС ТРЕФИЛ
200 ЗАКОНОВ МИРОЗДАНИЯ
Гелеос 2007
УДК УБК

Трефил, джеймс
200 законов мироздания / Джеймс Трефил — М.: Гелеос, 2007. — 528 с. ISBN 5-8189-0807-0 (в пер.)

Джеймс Трефил, профессор физики университета Джорджа Мэйсона (США) и один из наиболее известных на Западе популяризаторов науки. Автор более 30 научно-популярных книг.
"200 законов мироздания" - самая современная научная энциклопедия в мире.


© James Trefi, 2002
© Houghton Miffin Company, 2003
© ЗАО «ЛГ Информэйшн Груп», 2006
© ЗАО «Издательский дом «Гелеос», 2006

Содержание
Природа науки 9
Об этой книге 29
Законыі
Агрегатные состояния вещества 32
Анализ Фурье 34
Античастицы 35
Антропный принцип 37
Атом Бора 40
Атомная теория строения вещества 43
Белки 46
Биологические молекулы 48
Большой взрыв 51
Бритва Оккама 53
Броуновское движение 54
Великая теорема Ферма 56
Вечный двигатель 58
Витализм 59
Генетический код 60
Гипотеза газопылевого облака 62
Гипотеза Геи 66
Гипотеза гигантского столкновения 67
Гликолиз и дыхание 69
Демон Максвелла 72
Детерминизм 74
Детерминистический хаос 76
Диаграмма Герцшпрунга—Рассела 79
Дисперсия: атомная теория 82
Дифракция 85
Дифференциальное использование ресурсов 87
ДНК 88
Дрейф генов 91
Зависимость количества видов от площади экосистемы 92
Зависимость период—светимость 93
Закон Авогадро 95
Закон Ампера 97
Закон Архимеда 99
Закон Био—Савара 101
Закон Бойля—Мариотта 103
Закон Брэгга 105
Закон Брюстера 107
Закон всемирного тяготения Ньютона 108
Закон Генри 111
Закон Грэма 11 3
Закон Гука 11 4
Закон Дальтона 116
Закон Копа 11 7
Закон Кулона 118
Закон Кюри 120
Закон Мёрфи 121
Закон Мура 123
Закон Ома 124
Закон отражения света 126
Закон последовательности напластования горных пород 127
Закон Снеллиуса 129
Закон сохранения линейного импульса 132
Закон сохранения момента импульса 134
Закон сохранения электрического заряда 136
Закон Стефана—Больцмана 138
Закон Хаббла 140
Закон Харди—Вайнберга 144
Закон Шарля 145
Законы Кеплера 147
Законы Кирхгофа 151
Законы Менделя 153
Законы механики Ньютона 155
Законы электролиза Фарадея 160
Законы электромагнитной индукции Фарадея 161
Зеленая революция 163
Излучение Черенкова 165
Излучение черного тела 167
Иммунная система 169
Интерференция 171
Инфляционная стадия
расширения Вселенной 174
Катализаторы и ферменты 177
Квантовая механика 178
Квантовая хромодинамика 181
Квантовый туннельный эффект 183
Кварки и восьмеричный путь 186
Кислотный дождь 189
Кислоты и основания 191
Клеточная теория 194
Клонирование 195
Космический треугольник 197
Космологическая постоянная 200
Коэволюция 203
Критерий красоты 204
Критерий Лоусона 205
Критерий Рэлея 208
Круговорот азота в природе 210
Круговорот воды в природе 213
Круговорот углерода в природе 214
Ламаркизм 216
Магнетизм 217
Магнитные монополи 220
Максимальная устойчивая добыча 222
Массовые вымирания 223
Механическая теория теплоты 225
Микробная теория инфекционных заболеваний 226
Мимикрия 228
Молекулярно-кинетическая теория 230
Молекулярные часы 232
Нулевая гипотеза 234
Объяснение Бора 235
Озоновая дыра 237
Онтогенез повторяет филогенез 238
Опыт Дэвиссона—Джермера 239
Опыт Майкельсона—Морли 241
Опыт Милликена 244
Опыт Резерфорда 246
Опыт Штерна—Герлаха 249
Открытие аргона 251
Открытие гелия 252
Открытие
Кирхгофа—Бунзена 254
Открытие пенициллина 256
Открытие электрона 25 7
Открытие Эрстеда 259
Отношения хищник—жертва 260
Парадокс Зенона 261
Парадокс Ольберса 263
Парадокс Ферми 264
Парниковый эффект 266
Периодическая система
Менделеева 268
Поверхностное натяжение 270
Подобное растворяется в подобном 272
Полосная теория твердотельной проводимости 273
Постоянная Больцмана 275
Постоянная Планка 276
Постоянная Ридберга 278
Правило Аллена 280
Правило Ленца 281
Правило октета 282
Правило Тициуса—Боде 283
Предел Чандрасекара 286
Предельная скорость падения 288
Принцип Aufbau 290
Принцип Гюйгенса 292
Принцип дополнительности 293
Принцип запрета Паули 295
Принцип конкурентного
исключения 297
Принцип Коперника 298
Принцип Ле Шателье 300
Принцип мутуализма 301
Принцип неопределенности Гейзенберга 302
Принцип соответствия 308
Принцип Ферма 310
Принцип эквивалентности 311
Проба на окрашивание пламени 31 3
Проблема Гольдбаха 314
Проект «Геном человека» 315
Равновесие 31 7
Равновесие в природе 320
Радиоактивный распад 321
Радиометрическое датирование 325
Ранняя Вселенная 328
Распределенное движение 331
Распространение нервных импульсов 334
Репродуктивные стратегии 336
Родственный отбор 337
Самозарождение жизни 338
Симбиоз 339
Синтез мочевины 341
Система классификации
Линнея 342
Скрытый принцип
необратимости времени 344
Сложные адаптивные
системы 345
Соотношение де Бройля 346
Социальный дарвинизм 348
Спектр электромагнитного излучения 349
Спектроскопия 354
Стандартная модель 356
Стволовые клетки 360
Суточные ритмы 362
Тектоника плит 363
Темная материя 367
Теорема Белла 370
Теорема Гаусса 373
Теорема Гёделя о неполноте 375
Теорема о маргинальных значениях 377
Теория молекулярных орбиталей 380
Теория оптимального фуражирования 381
Теория относительности 382
Теория равновесия
Макартура—Уилсона 386
Теория сверхпроводимости 388
Теория стационарной Вселенной 391
Теория струн 392
Теория сцепления-натяжения 394
Теория эволюции 395
Тепловое расширение 403
Теплообмен 405
Термодинамика, второе начало 409
Термодинамика, первое начало 41 2
Термодинамика, третье начало 415
Территориальность у животных 41 7
Тест Тьюринга 418
Точка Кюри 419
Три закона робототехники 422
Триединый мозг 423
Ударные волны 425
Универсальные теории 427
Униформизм 430
Уравнение Бернулли 432
Уравнение Клапейрона—Клаузиуса 435
Уравнение состояния идеального газа 437
Уравнение Шрёдингера 439
Уравнения Максвелла 442
Уравнения равноускоренного движения 445
Устойчивость микробов к антибиотикам 45 0
Фазовые переходы 452
Флогистон 455
Формула Дрейка 456
Фотосинтез 459
Фотоэлектрический эффект 462
Химические связи 464
Центральная догма молекулярной биологии 467
Центробежная сила 469
Цикл и теорема Карно 471
Цикл преобразования горной породы 473
Циклы Миланковича 475
Черные дыры 478
Числа Фибоначчи 481
Число Рейнольдса 482
Эволюция звезд 485
Экологическая сукцессия 488
Эксперимент Ван Гельмонта 490
Эксперимент
Миллера—Юри 491
Эксперимент Херши—Чейз 493
Экспоненциальный рост 495
Электрические свойства вещества 497
Электронная теория проводимости 500
Элементарные частицы 502
Эффект Джозефсона 504
Эффект Доплера 506
Эффект Зеемана 509
Эффект Комптона 511
Эффект Кориолиса 51 2
Эффект Тиндаля 514
Эффект Холла 516
Ядерный распад и синтез 517
Хронология 520
Глоссарий 524

Введение

Законы природы — скелет Вселенной. Они служат ей опорой, придают форму, связывают воедино. Все вместе они воплощают в себе умопомрачительную и величественную картину нашего мира.
Однако важнее всего, наверное, то, что законы природы делают нашу Вселенную познаваемой, подвластной силе человеческого разума. В эпоху, когда мы перестаем верить в свою способность управлять окружающими нас вещами, они напоминают, что даже самые сложные системы повинуются простым законам, понятным обычному человеку. Но прежде чем приступить к обзору законов природы, подумаем, откуда они берутся и какую роль играют в предприятии, именуемом наукой.

О науке
Большинство из нас почти всю свою жизнь прожило в XX веке. Задумайтесь над простым вопросом: что так сильно отличает этот век, только что оставленный нами позади, от всего, что было до него? Конечно, он был веком разрушения старых политических укладов и прихода новых, но то же можно сказать почти про любое столетие со времен появления первых письменных источников. Он был веком великих писателей и художников, но и в этом нет ничего нового. Он дал миру новые виды искусства (на ум приходят джаз и кино). Может быть, со временем они займут свое место рядом с классической оперой и симфонической музыкой. Я в этом сомневаюсь, но, как бы то ни было, это не первый и не последний случай рождения новых видов искусства.
Мне кажется, именно развитие науки и технологии наложило печать уникальности на XX век. Если составить список важных достижений столетия, в него могли бы войти:
антибиотики, высадка астронавтов на Луне, компьютеры, Интернет, операции на открытом сердце, реактивные самолеты, мороженые продукты, небоскребы.
Невероятный рост населения и мировой экономики за последние сто лет — прямое следствие невероятного роста объема накопленных нами знаний о Вселенной.
В определенном смысле, в этом нет ничего особенно нового. Все по-настоящему глубокие изменения в жизни человечества происходили благодаря новым знаниям. Например, около 10 000 лет назад кому-то — вероятно, женщине, жившей на Ближнем Востоке — пришло в голову, что вместо того, чтобы питаться собранными дикими растениями, их можно выращивать и культивировать. Так появилось сельское хозяйство — новшество (независимо воспроизведенное во многих частях света), без которого невозможна современная цивилизация. Несколько веков назад шотландский инженер по имени Джеймс Уатт создал пригодный к использованию паровой двигатель, ставший неотъемлемым элементом промышленной революции. Возможно, когда-нибудь ученые поставят в один ряд с ним изобретенный в 1947 году транзистор и недавно завершенный проект «Геном человека» как важнейшие вехи истории человечества.

Конечно, при таком взгляде на науку нас интересует прежде всего приносимая ей практическая польза, улучшение здоровья людей и рост жизненного комфорта. Но есть у науки и другое измерение. Улучшая качество нашей жизни, она в то же время открывает для нашего интеллекта великолепное окно во Вселенную. Она показывает нам, что весь окружающий нас мир существует по общим правилам и принципам, и эти правила и принципы можно обнаружить с помощью научных методов. Правила, испытанные и проверенные самым тщательным образом, возведены в ранг «законов природы», хотя, как мы увидим, ученые и философы далеки от согласия относительно использования этого термина. Из законов природы складывается интеллектуальная структура, в которой есть место для любого явления во Вселенной.
Люди всегда испытывали любопытство по отношению к окружающему их миру — не в последнюю очередь потому, что выживание человека часто зависело от его способности прогнозировать развитие той или иной ситуации. Фермеры давным-давно выработали систему знаний о погоде и климате, позволявшую им получать хорошие урожаи, охотники изучили повадки своей добычи, а моряки научились находить в море и на небе признаки надвигающихся штормов. Но особые приемы и методики, совокупность которых мы называем наукой, появились лишь несколько сотен лет назад. Почему это произошло именно тогда и именно в Европе, а не где-то еще — на эти вопросы пусть отвечают историки. Нам же важно понять, что такое наука и каким образом она подводит нас к тому, что мы называем законами природы.
Прежде чем мы начнем, хочу вас предупредить об одной вещи. Вам часто придется сталкиваться, особенно в учебниках, с последовательностью действий, называемой «научным методом». Обычно объясняют, что «сначала ученый выполняет шаг X, затем У, а потом Ъ и так далее. Можно подумать, будто заниматься наукой — все равно что выпекать печенье по рецепту. Проблема с этим подходом не в том, что он совершенно неверен — ученые действительно часто выполняют шаги X, У и Ъ. Беда в том, что в нем не предусмотрено место для творчества, изобретательности и простого человеческого упрямства — извечных и неотъемлемых составляющих научного труда. Определять научный процесс как «метод» — то же, что, описывая картину Рембрандта или Ван Гога, говорить лишь о том, где какие краски нанесены на холст. Наука — не книжка для раскрашивания, где каждому цвету соответствует номер.
Поэтому, когда речь заходит о том, как устроена наука и как ученые открывают законы природы, я предпочитаю использовать аналогию с юридической практикой. Я имею в виду, что описанные ниже элементы надо рассматривать не как часть жестко заданной последовательности шагов, а как ступени процесса, осуществляемого учеными. Другими словами, думая о науке, надо иметь в виду все эти составляющие, при этом каждый раз решая, насколько важна каждая составляющая в данном контексте (и вообще все ли они присутствуют). Иначе говоря, нет фиксированной, жесткой последовательности действий, позволяющей прийти к выводу, является ли нечто наукой или нет.
В целом, большинство ученых используют более или менее одну и ту же последовательность шагов (мы ее описываем ниже), и в учебниках, как правило, фигурирует именно она. Но иногда случаются интуитивные прозрения и прорывы, которые в вашем представлении, может быть, не ассоциируются с образом рассудительных ученых в белых халатах. Это хорошо, потому что больше всего мне хочется, чтобы вы вынесли из этой книги представление о том, что наука, как и искусство, — один из главных путей реализации тяги человека к творчеству, и что ученые разделяют со всеми нами человеческие наклонности и слабости. Помня про эту оговорку, рассмотрим теперь составляющие научного процесса.

Наблюдение или эксперимент?
Чтобы узнать, что представляет собой мир, посмотрите, и вы увидите, каков он. Это утверждение кажется совершенно очевидным, и вы, возможно, удивились тому, что я потрудился привести его здесь, но дело в том, что оно представляет собой краеугольный камень науки. И все же оно по сей день не снискало всеобщего признания, и уж точно не признавалось всеми на протяжении истории.
На протяжении большей части документированной истории люди, сталкиваясь с противоречием между наблюдением реального мира и толкованием религиозной доктрины, последовательно исходили из положений доктрины, а не результатов наблюдений. Например, из-за неверного толкования Библии иерархи Католической церкви в XVII веке заставили Галилея отречься от представления о том, что Земля вращается вокруг Солнца. Нечто похожее можно наблюдать сегодня в США, где школьные комитеты часто игнорируют огромное количество данных, подтверждающих теории эволюции и «большого взрыва», предпочитая придерживаться толкования Книги Бытия, с которым не согласны большинство христианских и иудейских исследователей.
Но не только религиозные люди отказываются смотреть на данные или соглашаться с тем, что в нашем мире часто есть место сложностям и неоднозначностям. Например, существует масса доказательств того, что природных канцерогенов, вырабатываемых растениями, куда больше, чем канцерогенов в искусственных пестицидах. Многие защитники окружающей среды просто игнорируют эти доказательства, повторяя усвоенное в молодости заклинание, что «естественное хорошо, искусственное плохо». Оба примера показывают, что удобнее замкнуться в собственной системе убеждений, чем попытаться воспринимать мир таким, какой он есть.
И все же наблюдение мира — первый шаг к науке, и сделан этот шаг уже очень давно. С появлением земледелия фермеры стали сохранять семена от самых крупных, самых плодовитых растений, поняв, что это позволит им улучшить урожай на следующий год. Ремесленники заметили и сохранили для потомков (возможно, в устной традиции) сведения о том, как ведут себя разные сплавы металлов, когда их обрабатывают и нагревают определенным образом. Предтечи нынешних медиков подметили, что вытяжки из определенных растений помогают при некоторых болезнях, и этим заложили основу современной фармацевтической промышленности. Во всех этих примерах память о наблюдениях и опытах сохранилась, потому что они помогали людям удовлетворить свои потребности. Короче говоря, они давали результат. К этой идее мы вернемся, когда будем говорить о других путях познания.
По бытующему в народе мнению, ученый должен подходить к миру совершенно непредвзято — без заранее сформированного представления о том, каким будет итог эксперимента или наблюдения. Идею эту высказал давным-давно английский монах, философ и ученый Роджер Бэкон (ок. 1220-92), но, как в средневековом Датском королевстве, «обычай этот похвальнее нарушить, чем блюсти». За всю свою карьеру я встречал лишь одного человека, соблюдавшего этот принцип, — полевого геолога, любившего ходить «послушать, что скажут камни». Все остальные, с кем я имел дело, приступали к экспериментам с достаточно ясным представлением о том, что из них выйдет. Но все дело в том, что, если получались не те результаты, каких они ожидали, они были способны оставить свои прежние идеи и следовать за данными. Таким образом, говоря о непредвзятости научного сообщества, я имею в виду эту способность отказаться от сложившихся представлений и следовать за данными, куда бы они ни вели и независимо от того, куда, как нам кажется, они должны привести.
Существует много примеров того, как отдельные ученые и даже целые научные сообщества пошли по этому пути. Например, в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон (см. большой взрыв) — исследователи Лабораторий Be в Нью-Джерси — занимались измерением космического микроволнового излучения. На заре спутниковой связи такие измерения были обычным делом — ведь, для того чтобы ловить сигнал от спутников на орбите, хорошо бы знать, что попадает в приемник, кроме собственно сигнала со спутника. Обследуя небесную сферу своим приемником, Пензиас и Уилсон регистрировали помехи из многочисленных известных источников. При этом они столкнулись с совершенно неожиданным явлением: куда бы они ни направили свои приборы, приемники неизменно ловили слабый входящий микроволновый сигнал (он проявлялся как тихое шипение в наушниках). Избавиться от него не удавалось, как они ни пытались. Пришлось даже выселить пару голубей, обосновавшихся в аппарате и покрывших части приемника, как тактично говорили ученые, «белым диэлектрическим веществом». В конце концов Пензиасу и Уилсону пришлось просто принять совершенно неожиданный факт, что Вселенная буквально пронизана микроволновым излучением. Теперь мы считаем это так называемое реликтовое электромагнитное излучение важным подтверждением теории большого взрыва — лучшей на сегодняшний день теории о происхождении Вселенной. За то, что они поверили полученным данным, несмотря на их полную неожиданность, Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике за 1978 год.
Объяснив, почему я считаю, что наблюдение и эксперимент имеют для науки центральное значение, я должен сказать, что эти два понятия, будучи похожи по смыслу, подразумевают несколько разные способы работы. Астроном не может построить звезду и подождать, пока она состарится, чтобы изучить ее поведение. Эволюционный биолог не может создать новое позвоночное и подождать несколько миллионов лет, чтобы посмотреть, во что оно разовьется. Геолог не может ускорить движение тектонических плит на поверхности Земли, чтобы посмотреть, как изменится конкретная формация. Во всех этих случаях ученым приходится довольствоваться наблюдениями над природой, поскольку предмет исследования им неподвластен.
Экспериментатор же старается управлять изучаемой системой, зачастую меняя по одному параметру, чтобы посмотреть, к чему приведет его изменение. Вот классический пример использования экспериментального метода. Эколог Дэйвид Тилман из Университета Миннесоты разделил большой участок прерии на Среднем Западе США решеткой, состоящей из квадратов со стороной в несколько метров. В одном из своих экспериментов он поддерживал все условия во всех квадратах одинаковыми, за исключением количества добавляемого азотного удобрения. Это позволило отделить действие одного элемента — азота — от всех остальных факторов, влияющих на рост растений. Другие экспериментаторы поступают аналогичным образом. Ядерный физик, сталкивающий субатомные частицы на огромных скоростях, обеспечивает неизменность условий всех столкновений, за исключением величины энергии налетающей частицы; химик поддерживает одинаковым соотношение всех участвующих в реакции веществ, кроме одного; исследователь рака при лечении опухоли у экспериментальных животных изменяет лишь по одному элементу и так далее. В этих и многих других экспериментах ученые делают сложность системы минимальной, чтобы подробно изучить один из элементов, отделив его от остальных.
Разница между наблюдением и экспериментом, будучи важна, все же не делит науки на два разных лагеря. Например, астрономы могут не только наблюдать звезды, но и использовать эксперименты с ядерными реакциями, чтобы понять, откуда берется их энергия. Эволюционным биологам экспериментальные данные о мутациях фруктовых мушек, живущих совсем недолго, помогают получить представления о продолжительном процессе эволюции, а геологи почти неизменно пользуются данными лабораторных экспериментов по получению минеральных соединений при изучении пород, составляющих ландшафт. Эксперимент не исключает наблюдений, и наоборот. В любой науке используется разумное сочетание того и другого.
Источник многих, если не большинства новых идей в науке — неожиданные результаты экспериментов или наблюдений, и это можно считать отправной точкой научного метода. Но у этого общего правила есть и исключения. Начало теории относительности, созданной в первые десятилетия XX века, было положено размышлениями Альберта Эйнштейна о существовавших в те времена фундаментальных научных теориях. Как я уже говорил, наука не всегда идет столбовой дорогой, известной наперед.

Закономерности
Следующий элемент научного процесса вступает в игру после того, как проведена серия экспериментов или наблюдений и ученые получили первое представление об определенном аспекте устройства природы. Это новое понимание обычно принимает форму той или иное закономерности, присущей природе. Например, в упомянутых выше экологических экспериментах по изучению влияния азота Тилман обнаружил, что по мере добавления азота количество растительного материала (биомасса) на участке увеличивается, в то время как число видов (биологическое разнообразие) уменьшается. По сути, несколько видов, воспользовавшись большей доступностью азота, вытесняют те виды, которым это не удалось.
Иногда вновь открытые закономерности можно описать простыми словами, как мы это сделали выше, но чаще прибегают к математическим терминам («при увеличении количества азота на х% биомасса вырастает на у%») или формулам. Как преподаватель научных дисциплин, я привык бояться момента, когда мне придется отказаться от удобства английского языка, написав на доске уравнение. Можно без преувеличения сказать, что, прибегая к математике, ученые начинают говорить на другом языке. Может быть, если вы будете помнить, что уравнение — лишь способ кратко выразить то, что на обычном языке можно описать лишь сложно или громоздко, это поможет вам смириться с необходимостью пользоваться математическим аппаратом.
Приведем важный исторический пример, иллюстрирующий роль закономерностей. В XVII веке одним из центральных вопросов, занимавших ученых, было место Земли в мироздании. Является ли она центром, как учили древнегреческие ученые, или движется по орбите вокруг Солнца (см. принцип Коперника), как предположил Николай Коперник в 1543 году? Этот вопрос имеет глубокое религиозное и философское значение, в чем на свое горе убедился Галилей (см. уравнения равноускоренного движения). Но с научной точки зрения, получить ответ на него можно только одним способом. Ученому следует посмотреть на небо и определить, какому из двух случаев лучше соответствует движение небесных тел — когда планета, с которой ведется наблюдение, стационарна или когда она движется по орбите.
Человеком, потратившим всю жизнь на создание инструментов и проведение необходимых измерений, был датский астроном Тихо Браге (1546-1601). К концу жизни он составил огромный список положений планет на небе, определенных в результате точных измерений. Список этот, кстати, имел огромную коммерческую ценность, потому что его можно было использовать для расчета гороскопов. После смерти Браге его помощник, немецкий математик иоганн Кеплер, блестяще применив математическую дедукцию, использовал результаты этих измерений, чтобы показать, что все данные можно объяснить с помощью трех простых правил. Эти правила движения планет, называемые теперь законами кеплера, гласят, что:
все планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам,
находясь ближе к Солнцу, планеты движутся быстрее, чем когда они находятся дальше от него,
чем сильнее удалена от Солнца орбита планеты, тем медленнее планета движется и тем длиннее ее «год».
У этих законов есть и математическая формулировка, и, если вы знаете, например, на каком расстоянии данная планета находится от Солнца, третий закон позволит вам вычислить продолжительность ее года. Законы Кеплера, кстати, — хороший пример, иллюстрирующий сделанное выше замечание: полученную из наблюдений информацию можно обобщить с помощью нескольких простых правил, умещающихся на обороте конверта, вместо того чтобы пробиваться сквозь тома данных.
Здесь надо отметить еще вот что: ученые очень небрежно обращаются со словом «закон». В книге, посвященной разъяснению законов природы, эту проблему нельзя упускать из виду. Было бы очень удобно, если бы существовало простое правило, определяющее использование в науке таких слов, как «теория», «принцип», «эффект» и «закон». Например, можно было бы проверенное тысячу раз называть «эффектом», проверенное миллион раз именовать «принципом», а то, что проверили 10 миллионов раз, — «законом». Но так просто не поступают. Использование этих терминов основано на исторических прецедентах и не имеет отношения к тому, насколько ученые убеждены в верности каждого конкретного утверждения.
Например, закон всемирного тяготения ньютона —
одно из наиболее тщательно проверенных научных утверждений. Он, однако, входит в состав теории относительности Эйнштейна. Каждое подтверждение закона Ньютона — это одновременно и подтверждение теории Эйнштейна. Но существуют и подтверждения общей теории относительности, выходящие за рамки закона всемирного тяготения. Таким образом, мы имеем дело с «теорией», имеющей больше подтверждений, чем «закон». И это далеко не единичный пример. Некоторые аспекты поведения идеального газа описываются законом шарля и законом бойля—мариотта, но эти законы можно вывести из (соответственно, более общей) теории — молекулярно-кинетической теории газов. Одна из наиболее проверенных научных идей, на которой зиждутся все биологические науки, описывает развитие жизни на нашей планете. Несмотря на все подтверждения, ученые все же говорят о теории эволюции.
Таким образом, слово «теория» может относиться к новой концепции, которую еще предстоит как следует проверить, а может обозначать идею, бывшую когда-то новой, но с тех пор настолько тщательно проверенную, что ее можно считать одной из самых достоверных истин о Вселенной. Ученые просто не особо интересуются тем, как идеи называются и какими словами их обозначают. Важна лишь суть идей и то, насколько они верны. В результате такого невнимания к терминологическим условностям вы столкнетесь в этой книге с самыми разными заголовками. Речь идет о коктейле из «эффектов», «теорий», «законов» и «принципов», составленном без оглядки на высоту положения. Это, равно как и тот факт, что законы часто называют именами тех, кто их не открывал, можно считать свидетельством отношения ученых к своему делу.
Гипотеза
Когда эксперименты проведены и новые закономерности природы открыты, это значит, что ученым пора остановиться и подвести итог. Говорят ли что-то вновь открытые закономерности о том, как устроена природа? Согласуются ли они с уже известными закономерностями, расширяющими представления о какой-то области науки? Задавшись подобными вопросами, ученые приступают к формулированию гипотез — догадок или предположений об устройстве Вселенной. Вот тут и заводятся величественные идеи о правящих Вселенной силах.
Именно на этом этапе язык математики вступает в свои права. Когда закономерности сформулированы в виде уравнений, их можно преобразовывать по стандартным правилам математики, играющим, если хотите, роль грамматики языка. Часто такие преобразования приводят к потрясающим открытиям. Например, Исаак Ньютон совместил зако н
всемирного тяготения ньютона и законы механики ньютона, получив при этом совершенно новую модель Солнечной системы, в которой планеты вращаются вокруг Солнца, а сила притяжения Солнца не позволяет им улететь в космическое пространство. Как мы увидим дальше, это событие оказало большое влияние на умы. С одной стороны, законы Кеплера, раньше считавшиеся обобщением данных наблюдений, сами стали следствиями — утверждениями, выводимыми логическим путем из более глубокой теории Ньютона. С другой, стало возможно рационально рассуждать о движении комет, до этого считавшемся непредсказуемым, и это обстоятельство позволило Эдмунду Галлею (1656-1742) открыть в 1705 году орбиту кометы, носящей теперь его имя.
На данном этапе научного процесса мы сталкиваемся с еще одной вариацией на нашу лингвистическую тему — еще одним оттенком значения слова «теория». В физических науках это слово часто обозначает математическое описание идей об устройстве Вселенной. Оно может означать как объяснение совершенно незначительного феномена — сноски на странице Вселенной, — так и величественную и масштабную конструкцию, объясняющую целый ряд известных результатов. Опять же, это слово может описывать (и описывает) идеи, признанные настолько, насколько это только возможно. Теория квантовой хромодинамики, например, — одна из наиболее скрупулезно подтвержденных экспериментом физических теорий. Некоторые из предсказанных ею явлений проверены экспериментаторами с точностью до 16 знаков после запятой. Известно, что она применима к широчайшему диапазону структур, от одиночных электронов до скоплений галактик. Замечательно, что ученые используют одно и то же слово, говоря и о столь серьезно проверенной концепции, и о новой неподтвержденной гипотезе какого-нибудь аспиранта.

Предсказание
Сколь бы сложной или элегантной ни была теория, ее качество определяется лежащими в ее основе данными, полученными в результате экспериментов и наблюдений. Но хорошая теория не просто объединяет уже известные факты — она предсказывает явления, которые до сих пор не наблюдались. Другими словами, хорошая теория «ручается за себя головой», давая ясные, поддающиеся проверке предсказания. Таким образом, замыкая круг, составляющий научный метод, мы можем, вернувшись к эксперименту и наблюдениям, выяснить, имеют ли место предсказанные теорией факты. Если да, мы ищем новые факты, выводимые из теории и подтверждающие ее верность. Если нет, возвращаемся к чертежам, меняем теорию и пробуем снова. В любом случае, качество теории определяется успешностью ее предсказаний.
Иногда теории очень точно предсказывают факты. К примеру, Галлей, рассчитав с помощью теории Ньютона орбиты комет, подверг эту теорию суровой проверке, предсказав, что в 1758-м или 1759 году комета снова появится на небе. Тут не могло быть никаких отговорок или оправданий — если бы комета не появилась, теория рухнула бы. Теперь-то мы знаем, что возвращение кометы Галлея в ночь на рождество 1758 года представляет собой одно из величайших подтверждений ньютоновского представления о Вселенной, но важно помнить, что все могло быть иначе. В наши дни, конечно, возвращения периодических комет можно предсказать куда точнее.
Теории могут предсказывать и общие закономерности. Например, история эволюции впервые была восстановлена по ископаемым органическим остаткам. Это дало ученым представление о том, как разные организмы связаны между собой, как давно у них были общие предки и так далее. Не так давно был найден новый способ выявления связей между живыми организмами — молекулярные часы. Эта методика основана на анализе ДНК: чем больше разница между ДНК двух организмов, тем раньше должны были разойтись их эволюционные пути. теория эволюции предсказывает наличие единого генеалогического древа для всех живых организмов, потому ДНК и ископаемые остатки должны рассказывать одну и ту же историю. Это одно из недвусмысленных предсказаний теории, которое, однако, не привлекло к себе большого внимания. Совпадение двух историй прошлого — один из полученных в результате наблюдений фактов, подтверждающих теорию эволюции.
Эта опора на проверку опытом, как мне кажется, и есть то, что отличает науку от других видов интеллектуальной деятельности. Сформулируем разницу самым прямым и неоригинальным образом: в науке есть верные ответы. Не имеет значения, насколько элегантна теория и сколь высокое положение занимают ее создатели. Если теория не работает, надо от нее отказаться или изменить ее. И только так. Эта опора на проверку опытом служит демаркационной линией, разделяющей естественные и гуманитарные науки. В таких дисциплинах, как философия или литературная критика, нет внешнего объективного арбитра, играющего роль природы. Например, толкования произведения искусства так сравнивать невозможно. Соответственно, представителям гуманитарных и естественных наук бывает трудно понять образ мыслей друг друга. К этому вопросу мы скоро вернемся.
С опорой на экспериментальную проверку идей в научном сообществе связан интересный социологический феномен. Часто случается, что, когда теория оказывается несостоятельной, небольшая группа, иногда даже один человек, еще долго пытается ее оживить. По моему опыту, ни один ученый не испытывает такого одиночества, как те, кто пытается оживить теории, не выдержавшие проверку экспериментом. Покинутые коллегами, они не отступают, часто на протяжении всей жизни безуспешно пытаясь оспорить вынесенный природой приговор. Наука бывает суровым воспитателем, потому что она неумолимо требует подвергать идеи сомнению, заставляет судить их трибуналом наблюдения, прежде чем принять.
У этого факта есть важное следствие. Если идею невозможно проверить экспериментально, столкнуть ее лицом к лицу с природой, то это просто не наука. Используя термин, популяризованный философом Карлом Поппером (Kar Popper, 1902-94), научные идеи должны быть фальсифицируемы (т.е. опровержимы) — из них должны выводиться поддающиеся проверке утверждения. Другими словами, должно быть возможно представить себе результат эксперимента или наблюдения, демонстрирующий неверность теории (например, закона всемирного тяготения), даже если на практике такие результаты и не будут получены. Комета Галлея могла не появиться снова. Тот факт, что она появилась, конечно, подтвердил теорию Галлея, но то, что это могло не произойти, показывает, что теория была фальсифицируема. Таким же образом, могло оказаться, что ДНК рыб ближе к человеческой ДНК, чем ДНК шимпанзе. Это опровергло бы теорию эволюции. Результат, конечно, был иным — ДНК шимпанзе и людей совпадают на 98%, — но в принципе он мог быть и таким. Это показывает, что теория эволюции фальсифицируема.
Для сравнения рассмотрим теорию, популярную последнее время среди креационистов, — доктрину сотворенной древности. Согласно этой теории, Земля сотворена несколько тысяч лет назад, и в ней уже тогда были заложены свидетельства значительно большего возраста. Например, горные породы созданы вместе с находящимися в них ископаемыми остатками, деревья созданы с годичными кольцами, свет от звезд, находящихся на расстоянии тысяч световых лет, создан по пути к Земле, и так далее. Первая (и весьма элегантная) иллюстрация этого принципа дана в книге «Омфалос», написанной вскоре после выхода работы Дарвина. По-гречески «Омфалос» означает пупок, и главная идея книги состоит в том, что Адам был сотворен с пупком, хотя он не был в утробе и, соответственно, не нуждался в пуповине.
Главное в этой теории то, что невозможно представить себе опровергающий ее эксперимент или наблюдение. От любого свидетельства ее неверности можно отмахнуться, сказав, что такой была сотворена Земля. Эта теория не фальсифицируема (не опровержима), поэтому сколь бы она ни была привлекательна, она просто не научна. Немалая часть того, что принято называть альтернативной наукой, страдает этим недостатком — она не проходит тест на опровержимость. В телесериале «Секретные материалы» (горячим поклонником которого я, кстати, являюсь) речь идет о масштабном заговоре, единственная цель которого — уничтожить свидетельства присутствия на Земле инопланетян. Отсутствие доказательств всегда объясняется одним и тем же: «Они не хотят, чтобы ты это увидел». Это хороший сериал, но плохая наука.
Прежде чем пойти дальше, я хотел бы упомянуть, что обвинения в невозможности фальсификации иногда приходится слышать в спорах об эффективности классической фрейдистской психотерапии. Некоторые критики утверждают, что фрейдистская теория может объяснить результат лечения независимо от его исхода. Если это так (в чем я не уверен), то эта теория также выходит за рамки науки.

Большой цикл
Итак, научное исследование образует цикл: эксперименты, затем обнаружение закономерностей, создание теорий, предсказание на их основе новых фактов и, наконец, возвращение к эксперименту для проверки верности предсказанного. Большинство ученых значительную часть жизни водят свою область знаний по этому кругу. Это то, что философы называют «нормальной наукой». Иногда, как мы видели, происходящее не укладывается в эту удобную схему, но ничего иного и нельзя ожидать от дела, которым занимаются люди. Таким образом, на любом этапе своего развития каждая научная область пытается перейти от одного этапа к другому. Один из способов сравнить разные науки — выяснить, на каком этапе цикла они находятся в данный момент. Другими словами, каким образом представители данной области стараются продвинуть ее вперед?
Я начинал свою карьеру в физике элементарных частиц — разделе науки, посвященном изучению фундаментальных составляющих материи. В данный момент этот раздел находится на этапе между предсказанием фактов и их проверкой. Налицо несколько правдоподобных теорий, и многие из них предсказывают поведение частиц очень высоких энергий при столкновении. К сожалению, мы не можем проверить верность предсказанного, потому что у нас нет машин, способных ускорить частицы до достаточно высоких энергий. В 1993 году конгресс США с присущей ему мудростью принял решение о прекращении строительства машины, названной «Сверхпроводящий суперколлайдер», обеспечив таким образом невозможность последовательного развития теории и эксперимента в этой области. Машина поменьше под названием «большой адронный коллайдер» должна вступить в строй в Европейском центре ядерных исследований (CERN) в Женеве (Швейцария) к 2005 году, и, может быть, физика элементарных частиц снова сможет развиваться.
В то время как некоторые отрасли науки изголодались по данным, другие, напротив, страдают от пресыщения. Например, во многих областях молекулярной биологии новая информация поступает таким потоком, что его невозможно переварить. Живые организмы — самые сложные структуры во Вселенной, и только теперь у нас появилась возможность исследования такого уровня сложности. Многие направления в науках о жизни задержались на этапе перехода от эксперимента к выявлению закономерностей, и исследователи прилагают большие усилия, пытаясь найти молекулярный аналог законов Кеплера.
Хороший пример этого—так называемая проблема укладки белка. Среди прочего, белки — это рабочие лошадки, управляющие химическими процессами в живых организмах. Это крупные молекулы, имеющие сложную пространственную форму. Именно эта форма позволяет белку выступать на молекулярном уровне в роли своеобразного посредника — способствовать протеканию химических реакций, не участвуя в них (см. катализаторы и ферменты). Белок строится из меньших по размеру молекул, называемых аминокислотами. Построение белка напоминает процесс нанизывания бусинок на нить. После того как аминокислоты соединены в цепочку, под действием сложных электростатических взаимодействий между атомами в соседних аминокислотах, а также между этими атомами и окружающей их водой белок укладывается в сложную трехмерную форму, позволяющую ему выполнять свою функцию.
Проблему укладки белка можно сформулировать так: можно ли предсказать форму молекулы и, соответственно, выполняемую ей химическую функцию, зная последовательность аминокислот в составляющей белок «цепочке»? На данный момент ответ на этот вопрос — «нет», потому что эта проблема слишком сложна, чтобы решить ее с помощью даже самого быстрого компьютера. Вероятно, существуют правила — молекулярный аналог законов Кеплера, — которые помогут нам понять, как устроен процесс укладки, но из-за сложности проблемы нам пока не удалось их найти. Это классический пример неспособности увидеть лес за деревьями.
Сложность проблем тормозит продвижение и в других научных областях. К примеру, источником большей части ведущихся сейчас споров о парниковом эффекте и глобальном потеплении служит неспособность климатологов четко предсказать последствия поступления в атмосферу таких веществ, как углекислый газ. Главная причина этой неопределенности не в том, что неясны основные физико-химические процессы, определяющие поведение атмосферы. Дело в том, что реальная атмосфера настолько сложна, что мы не можем ввести всю необходимую информацию в компьютерную программу. Например, на данный момент два важных климатических фактора — облака и океанские течения — плохо поддаются анализу с помощью таких программ. Можно сказать, что, с точки зрения нашего понимания научного метода, эта область находится между этапами теории и предсказания.
Завершая обсуждение примеров, поговорим об эволюционной теории. Данные в этой области накапливаются на протяжении сотен лет, и многие закономерности известны. Внимание некоторых последователей эволюционной теории теперь направлено на более широкую проблему определения общих принципов, которым подчиняется вся история жизни. Например, одно дело знать, как в течение конкретного периода времени менялся конкретный вид плоских червей или птиц, и совершенно другое — понять, как целые экосистемы реагируют на изменения, уметь предсказать судьбу каждого вида. В контексте нашего разговора можно сказать, что эволюционные биологи пытаются перейти в своей области от закономерностей к теории.
Как мы увидели, ученые постоянно работают над продвижением своей области науки от этапа к этапу цикла — от эксперимента к поиску закономерностей, далее к теории, предсказанию новых фактов и снова к эксперименту. Программа деятельности варьируется от одной дисциплины к другой в зависимости от предмета изучения и степени зрелости дисциплины. На каждом новом витке цикла теории становятся все точнее и подробнее, а наше представление о природе — полнее. И хотя философы могут не согласиться (и не соглашаются) со мной, я считаю, что с каждым витком мы становимся все ближе к истине о нашей Вселенной.
Следует сделать несколько замечаний относительно нарисованной мною упорядоченной картины научного прогресса. Одно уже сделано выше: иногда при появлении новых данных или теорий вся система претерпевает коренные изменения. Мне кажется, что философы придают этому слишком большое значение (такие «революции» можно сосчитать по пальцам одной руки), но такие вещи случаются, и про них надо знать. Второе замечание: мы имеем дело с бесконечным процессом. Нельзя дойти до конца круга, как нельзя получить у природы окончательные подтверждения своих идей. Это значит, что в науке всегда есть место новым идеям и расширению горизонтов познания в новых направлениях. Через пятьдесят или сто лет в новостях наверняка будет так же много известий о новинках науки, как и сейчас. Наконец, у цикла нет фиксированных временных рамок. Развитие науки повинуется собственной логике и зависит от появления новых инструментов и идей, так что не всегда можно предсказать, когда удастся решить те или иные проблемы или получить ответы на те или иные вопросы. Иногда прогресс движется семимильными шагами, а иногда он вдруг застопоривается. Иногда открытия в одной области глубоко влияют на другие, давая им новые инструменты. В качестве примера можно привести лазер. В конечном счете, прогресс трудно предсказуем, и это лишает сна руководителей исследовательских проектов и государственных деятелей.
Из-за такой специфики научного процесса научная работа и государственная деятельность часто плохо согласуются между собой. Предположим, например, что в следующий вторник должно состояться важное голосование по некоему вопросу и что народным представителям, для того чтобы решить, как голосовать, нужна определенная научная информация. Однако нет никакой гарантии, что внутренняя логика соответствующих наук позволит получить эту информацию вовремя. Для ученого это не предмет для беспокойства. Если со временем ответ будет найден, нет особых причин переживать о том, когда это произойдет. Для политиков же информация, полученная после будущего вторника, не просто бесполезна, а даже вредна. Она не только не поможет им решить, как голосовать, но и может поставить их в неудобное положение, показав, что они проголосовали неправильно.
Еще один пример. Функция судов состоит в том, чтобы выяснить, имеют ли место определенные факты, и вынести решение по проблемам, ставшим предметом противоречий. Если, например, компания предстала перед судом, потому что истец утверждает, что ее продукция вызывает рак, то решить, имеет ли место этот факт, нужно немедленно. Ученые не могут просить суд подождать десять лет, пока они разберутся во всех фактах и проведут соответствующие исследования. Решение должно быть принято в ходе судебного процесса, и информацию необходимо представить в это время. А если позже появится новая информация, она вряд ли принесет сторонам пользу, потому что подобные дела чрезвычайно трудно возобновить.
Таким образом, научный метод — действительно прекрасный инструмент получения ответов на вопросы о физическом устройстве Вселенной. Идеи не принимаются, пока они не пройдут тщательной опытной проверки, и это делает их чрезвычайно надежными. Но в науке на то, чтобы прийти к консенсусу, нужно много времени, и это значит, что не всегда возможно получить информацию, необходимую для принятия политических решений и улаживания судебных споров.

Роль законов природы
Круг объектов и явлений во Вселенной невероятно широк — от звезд, в тридцать раз превосходящих массой Солнце, до микроорганизмов, которые нельзя рассмотреть невооруженным глазом. Эти объекты и их взаимодействия составляют то, что мы называем материальным миром. В принципе, каждый объект мог бы существовать по своему собственному набору законов, совершенно независимому от законов, управляющих всеми остальными объектами. Такая Вселенная была бы хаотичной и трудной для понимания, но с точки зрения логики это возможно. То, что мы живем не в такой хаотичной Вселенной, стало в большой степени следствием существования законов природы.
роль законов природы состоит в том, чтобы упорядочивать и выстраивать объекты, связывать то, что кажется между собой не связанным, создавать простой каркас, соединяющий Вселенную воедино. В этой связи мне нравится использовать аналогию с паутиной. На периферии паутины находятся все явления во Вселенной — травинки, горы, кометы и так далее. Если попасть в паутину в любой точке на краю, выбрав для исследования единственное явление, можно начать задавать про него вопросы. Двигаясь в этом направлении, вы обнаружите, что все дальше и дальше углубляетесь в паутину, находя все более глубокие объяснения изучаемого явления. Постепенно обнаруживаются общие закономерности, относящиеся не только к изучаемому явлению, но связывающие его с другими, хотя эти связи и не видны с первого взгляда. Эти глубинные объяснения мы и называем законами природы.
Если продолжить исследование, можно обнаружить, что эти процессы идут еще дальше. Оказывается, что многие законы природы сами связаны с другими, еще более глубокими законами, у этих более глубоких законов есть свои, более глубокие связи и так далее. В конце концов, в самом центре паутины можно найти относительно небольшое число законов, связывающих всю конструкцию воедино. По сложившейся в науке привычке не придавать терминологии особого значения, их иногда называют «законами природы». Но, чтобы избежать путаницы, я буду называть их «основополагающими принципами», отличая их этим от остальных законов, принципов и эффектов, о которых мы будем говорить.
Перефразируя известную фразу из «Скотного двора» Оруэлла, «все законы природы равны, но некоторые равнее других». Конечно, как и следовало ожидать, среди ученых нет общего мнения относительно того, что именно представляют собой основополагающие принципы нашего ремесла, но вам пришлось бы потрудиться, чтобы найти ученого, несогласного с фактом их существования. Подозреваю также, что практически никто не спорит с включением в эту элитную группу некоторых принципов, например первого начала термодинамики. На периферии же возможны здоровые расхождения во мнениях. Вспоминаю, как несколько лет назад в журнале Science была опубликована статья на эту тему, и в ней читателям предлагалось присылать свои списки кандидатов в «лучшую двадцатку». Получив больше 800 ответов, редакция обнаружила, что составить список из десяти «величайших идей» нетрудно, а на следующие десять мест претендентов очень много. Ниже я среди прочего просто опишу область действия каждого закона и предоставлю вам решать, принадлежит ли он к основополагающим принципам.
Хочу проиллюстрировать паутину взаимосвязанных законов и принципов с помощью уже упомянутого нами вкратце предмета, а именно комет. Про кометы можно задать много разных вопросов. Один очень старый вопрос: почему они появляются на небе беспорядочно — откуда они берутся и куда исчезают? В действительности, речь идет про орбиты комет или, более общо, про влияние на их орбиты Солнца и планет. Чтобы понять, как движется комета, надо знать, какие силы на нее действуют и какие законы управляют этим воздействием. Так случилось, что пониманием и того, и другого мы обязаны Исааку Ньютону. Его закон всемирного тяготения говорит нам, с какой силой Солнце действует на комету, а законы механики объясняют, как эта сила влияет на движение кометы. Вместе эти законы показывают, как будет перемещаться каждая комета, двигаясь вокруг Солнца.
Они же представляют собой первую из объединяющих идей, о которых мы говорили ранее (Ньютон до этого смог таким же образом объяснить движение планет). Другими словами, получается, что законы, управляющие движением комет, — в точности те же самые, что управляют движением планет. Сила притяжения Солнца действует и на те, и на другие, а разница между орбитами планет и комет связана со способом образования этих двух классов объектов (см. гипотеза газопылевого облака). Кометы попадают внутрь Солнечной системы из областей, находящихся далеко за пределами орбит самых дальних планет, поэтому они приближаются к Солнцу по касательной. Их можно сравнить с детьми, играющими в знакомую игру, в которой надо как можно быстрее подбежать к столбу, схватиться за него и обежать его. Планеты же сформировались более или менее там же, где находятся сейчас, и, соответственно, движутся вокруг Солнца по размеренным, почти круглым траекториям.
Вывод о том, что движением планет и комет управляют одни и те же законы, оказался революционным и совершенно неожиданным. В конце концов, что может быть больше непохоже на размеренное, регулярное и предсказуемое продвижение планеты по небосводу, чем беспорядочное и непредсказуемое появление комет? Однако эти, казалось бы, совершенно разные небесные явления подчиняются одним и тем же законам и связаны с притяжением Солнца одинаковым образом.
Именно это позволило астрономам в середине XX века понять, откуда берутся кометы. Изучив траекторию комет с момента их появления в Солнечной системе, астрономы сумели с помощью законов Ньютона рассчитать, где начался их путь. Было обнаружено, что кометы пришли из двух резервуаров на холодных просторах космоса — плоского диска с внешней стороны орбиты Плутона, называемого Поясом Койпера, и огромной сферы, простирающейся на расстоянии примерно полутора световых лет от Солнца, называемой Облаком Оорта. Получается, что так же, как законы Ньютона позволили Эдмунду Галлею рассчитать орбиту кометы, захваченной Солнцем, они дали возможность продолжателям его дела выяснить, откуда берутся кометы. Это еще одна из неожиданных связей, о которых мы говорили ранее.
Если спросить не откуда появилась комета, а что она собой представляет, окажешься в совершенно иной части паутины. Простой вопрос из этой категории может звучать так: «Из каких химических элементов и соединений состоят кометы?» Поскольку по большей части исследование комет ведется с большого расстояния, астрономы, задающие себе подобный вопрос, изучают, как комета излучает и поглощает свет, пытаясь таким образом определить ее химический состав. Как и все остальные материальные объекты, кометы состоят из атомов, а атомы особым образом взаимодействуют со светом. Атомы каждого химического элемента и соединения излучают в характерном только для него наборе длин волн, который можно рассматривать как своеобразный оптический отпечаток пальца (см. спектроскопия). В случае видимого света мы воспринимаем эти оптические отпечатки пальцев как разные цвета. Ярко-синий свет, видимый, когда кусочек меди падает в костер, и насыщенный желтый цвет уличного натриевого фонаря — примеры этого явления. Атомы кометы испускают свет, он проходит огромные космические расстояния до телескопа, и астрономы определяют химический состав кометы, несмотря на то, что не могут заполучить ее фрагменты для лабораторного исследования.
Конечно же, для применения этого метода не нужно, чтобы свет проходил огромные расстояния. Он дает такой же хороший результат, когда свет проходит всего несколько метров или даже миллиметров. В химической промышленности часто используют это свойство атомов — то, что каждый вид атомов испускает свет характерного именно для него набора цветов, — для контроля качества производственных процессов. Так испытывают самую разнообразную продукцию — лекарства, краски, напитки и многое другое. То, что инженер, проверяющий качество партии бензина, и астроном, изучающий дальнюю комету, используют в своей работе одни и те же законы поведения атомов — еще один пример этих неожиданных связей.
Я могу и дальше приводить примеры, но думаю, что вам понятно, о чем идет речь. Когда видишь мир как единое целое, управляемое законами природы, а не как большое число разрозненных явлений, представление о Вселенной становится более связным. Начинаешь видеть связи между, казалось бы, несвязанными вещами, упорядоченность во всем огромном разнообразии природных явлений. Мне кажется, что это — главный дар науки нашему интеллекту, одно из величайших достижений человеческой мысли.

Наука в XX веке
Картина, только что нарисованная мною для вас, именуемая «научным взглядом на мир», несет на себе отчетливую печать ньютоновских представлений. Существует распространенное заблуждение, что XX век сыграл с Исааком Ньютоном злую шутку и что ученые уже не считают Вселенную упорядоченным местом, управляемым законами природы. Философы, придерживающиеся подобных взглядов, зачастую утверждают, что благодаря теории относительности, принципу неопределенности гейзенберга и детерминистическому хаосу прежний научный взгляд на мир устарел. Ничто не может быть дальше от истины!
Для начала поговорим об относительности. Как мы увидим, Эйнштейн пришел к своей теории в попытке спасти принцип главенства законов природы в науке. В частности, его интересовал один аспект ньютоновских законов механики — тот факт, что независимо от точки наблюдения и даже при перемещении наблюдателей друг относительно друга любой наблюдатель увидит действие во Вселенной одних и тех же законов. На этой простой посылке он построил сложную теоретическую структуру, не столько вытеснившую законы Ньютона, сколько расширившую их применение на новые области. Например, одно из следствий из теории Эйнштейна состоит в том, что перемещающиеся часы идут медленнее, чем те, что находятся в покое. Для движения с обычными скоростями (например, в машине или самолете) это замедление столь мало, что не поддается измерению, так что в повседневной жизни можно смело игнорировать относительность. Но для объектов, движущихся со скоростями, меньшими скорости света, но сопоставимыми с ней, разница может быть значительной, и ее необходимо учитывать.
о так называемом эффекте замедления времени можно сделать два замечания. Во-первых, он в полной мере подтвержден экспериментально, как этого требует научный метод. Во-вторых, при использовании релятивистских уравнений для описания медленно движущихся объектов воспроизводятся ньютоновские законы движения. Более того, исходя из представления о том, что каждый закон природы верен в той степени, в какой верны подтверждающие его экспериментальные данные, нужно помнить, что законы Ньютона изначально проверялись только применительно к обычным объектам, движущимся с нормальными скоростями — для которых их предсказания совпадают с предсказаниями теории относительности. Но при скоростях, близких к скорости света, для которых законы Ньютона никогда не проверялись, две теории расходятся в своих предсказаниях, причем предсказания теории относительности проверены экспериментально. Это очерчивает область применимости законов Ньютона, но также говорит нам о том, что теория относительности не противоречит им, а дает возможность распространить существующую теорию на новые области.
Представление о том, что ньютоновские яблоки высыпались из тележки, опрокинутой теорией относительности, основано на неявной посылке о том, что законы Ньютона можно распространить без изменений на объекты, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Для этого нет никакой логической причины. Рассуждать подобным образом — все равно что утверждать, что, раз жители Америки говорят по-английски, то и жители Парижа должны говорить по-английски, и затем найти в этом умопостроении огромное противоречие, когда окажется, что в действительности парижане говорят по-французски.
отношения между теориями Ньютона и Эйнштейна дают нам прекрасный пример того, как развиваются достигшие зрелости науки. Новая теория не отменяет старую. Вместо этого новые и более глубокие теории расширяют область применения старых, включая их в свой состав. Мы по сей день используем законы Ньютона при расчете движения космических аппаратов просто потому, что эти законы в полной мере испытаны и проверены в подобных ситуациях. В этом смысле наука растет, как дерево, все время добавляя новые ветви, но всегда сохраняя при этом сердцевину.
Аргументы, почерпнутые из теории хаоса и квантовой механики, касаются другой стороны ньютоновского взгляда на мир — представления о детерминизме. Говоря языком физики, система является детерминированной, если, зная начальные условия и законы, определяющие ее поведение, можно предсказать ее состояние в любой момент в будущем. Классический пример детерминированной системы — столкновение двух бильярдных шаров. Зная их положение и скорости до столкновения, с помощью закона сохранения момента импульса и первого начала термодинамики
легко предсказать, где будет находиться каждый из шаров в любой момент после столкновения. Теория относительности — совершенно детерминистическая теория. Часы на движущихся бильярдных шарах могут замедляться, но, для того чтобы предсказать их поведение, можно использовать уравнения Эйнштейна точно так же, как и законы Ньютона. Дайте мне начальное положение и скорость каждого из шаров, и я скажу вам, где какой шар окажется в будущем.
С хаотическими системами ситуация несколько иная. Конечное состояние этих систем, открытых во второй половине XX века прежде всего благодаря использованию компьютерного моделирования, чрезвычайно сильно зависит от начальной точки. Речные пороги — хороший пример хаотической системы. Если в воду перед порогом положить рядом две щепки, то за порогом они окажутся далеко одна от другой. Это значит, что, для того чтобы предсказать будущее хаотической системы, необходимо очень точно знать ее начальное положение. В действительно хаотической системе, для того чтобы предсказать ее поведение в любой момент бесконечно продолжающегося будущего, необходимо знать ее начальное состояние с бесконечной точностью. Для проходящей речной порог щепки это означает, что ее начальное положение должно быть известно с бесконечной точностью. Поскольку очевидно, что в реальной системе это требование выполнить невозможно, будущее состояние такой системы практически невозможно предсказать с ньютоновской точностью.
Значит ли это, что хаос разрушил ньютоновский взгляд на мир? Вовсе нет. Ньютоновский детерминизм — это классическое утверждение типа «если..., то...»: если я знаю, каково первоначальное состояние системы, то я могу предсказать ее будущее. Теория хаоса затрагивает не этот главный принцип, а взаимосвязь между величиной погрешности в посылке утверждения («если...») и величиной погрешности в заключении («то...»). Если погрешность в посылке равна нулю (т.е. если первоначальное состояние системы известно нам с бесконечной точностью), то величина погрешности в заключении также равна нулю (т.е. можно с точностью предсказать ее будущее поведение). Таким образом, хаотичные системы являются детерминированными в теории, но не на практике. Ученые отдают должное этому факту, называя поведение систем, подобных речным порогам, ДЕТЕРМИНИСТИЧЕСКИМ ХАОСОМ.
Мне кажется, что путаница с хаосом и ньютоновскими представлениями возникла из-за бытующего мнения, что будущее классических ньютоновских систем всегда можно предсказать с бесконечной точностью. Это совершенно неверно, даже применительно к совсем простым ситуациям. Описывая выше идеальные ньютоновские бильярдные шары, я не стал заострять внимание на вопросе, насколько точно могут быть известны их положения и скорости. На самом деле, в реальном мире в отношении этих чисел всегда присутствует некоторая неопределенность, а это значит, что и будущее положение шаров также не может быть предсказано совершенно точно. Помню, в аспирантуре мне пришлось проработать именно такой пример, чтобы усвоить, что в реальном мире никакая система не может быть бесконечно предсказуемой. В конце концов, разница между хаотической и классической ньютоновской системой — дело степени. В предсказании поведения любой системы — даже ньютоновских бильярдных шаров — имеется неопределенность, если есть неопределенность в измерениях ее исходного состояния. Хаотические системы — просто крайний случай этого принципа.
Ситуация с квантовой механикой несколько сложнее, прежде всего вследствие ПРИНЦИПА НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ГЕЙЗЕНБЕРГА.
Суть этого принципа состоит в том, что невозможно одновременно совершенно точно знать и положение, и скорость субатомной частицы. Можно точно знать одно или другое, или и то, и другое с некоторой степенью неопределенности, но нельзя определенно знать и то, и другое одновременно. Это значит, что в мире атомов приходится описывать состояние частицы совершенно иначе, чем в ньютоновском мире. Вместо того чтобы считать частицу конкретным предметом (как, например, бейсбольный мяч), находящимся в определенном месте и движущимся с определенной скоростью, приходится рассматривать ее как некую разновидность волны.
Из-за этого в квантовой механике можно предсказать только вероятности (физики называют их волновыми функциями). Некоторые считают, что из-за этого квантовая механика не является детерминистической теорией, но в действительности это не так. Квантовая механика говорит нам, как от первоначального состояния, описанного в вероятностных терминах, прийти к конечному состоянию, также описанному в вероятностньгх терминах. Практически все трудности, с которыми сталкиваются люди из-за «квантовых странностей» связаны с попытками смешать квантовый мир с ньютоновским. Например, иногда (не осознавая этого) исходят из того, что первоначальное состояние электрона описывается в ньютоновских терминах, и используют тот факт, что конечное состояние описывается в вероятностных терминах, в качестве аргумента, подтверждающего, что мы каким-то образом утратили способность делать детерминистические прогнозы.
Однако точка отсчета в разговоре о квантовой механике состоит вот в чем: если хочешь играть в квантовую игру, придется играть по квантовым правилам. Другими словами, если конечное состояние системы будет описано в вероятностных терминах, придется и ее исходное состояние описывать так же. Если понять это, то окажется, что квантовая механика — такая же детерминированная система, определяемая утверждениями типа «если то ...». Если я знаю исходное состояние системы (описанное в вероятностных терминах), то я могу точно предсказать ее конечное состояние (также описанное в вероятностных терминах). Единственная разница между ньютоновской и квантовой механикой — это понятие «состояния». С точки зрения Ньютона, состояние — это совокупность таких переменных, как положение в пространстве и скорость, а пионеры квантовой механики под состоянием понимали волновую функцию. Выбор того или иного определения делает за нас природа, но когда выбор сделан, утверждение о возможности предсказания окажется одним и тем же.
Таким образом, три великих открытия XX века, перечеркнувшие, по мнению многих, ньютоновский взгляд на Вселенную, привели к следующему:
теория относительности выходит за пределы ньютоновской теории и расширяет ее, распространяясь на объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света,
теория хаоса дает нам представление о влиянии ошибок в определении первоначальных состояний на точность предсказаний,
квантовая механика по-новому определяет и расширяет понятие физического состояния, распространяя его на волновые функции.
Другими словами, все новые достижения науки, казалось бы, перечеркнувшие ньютоновскую физику, на деле просто расширили и переопределили ее главные положения.
Центральная идея науки, согласно которой возможно экспериментально найти законы, управляющие явлениями природы, и сформулировать теории, позволяющие предсказывать новые явления, остается в силе. Это хорошо, поскольку благодаря этому говорить о законах природы не только интересно, но и необходимо, для того чтобы понять, как устроена наша Вселенная.

Предисловие

Об этой книге

1 Иногда предмет статьи можно однозначно привязать к конкретному году (как, например, формулу дрейка). В других случаях выбран год достижения значительного успеха, о котором в статье может и не говориться. Если идея вызревала в течение определенного времени, и в ее развитие внесли свой вклад несколько человек, мы можем написать, например, просто «1880-е годы» или даже «XX век». Таким образом, временные диаграммы не всегда представляют собой хронологическую линейку (хотя по большей части это так).

Одна из открытых нами великих истин — тот факт, что мы живем в упорядоченной вселенной — вселенной, чье устройство доступно человеческому разуму. Предприятие, именуемое наукой, отличается от прочих попыток толкования вселенной тем, что оно не ищет абсолютной истины, а использует метод, дающий все более точные представления физической реальности. Научный метод начинается с вопроса: «Почему нечто происходит так, а не иначе?» Ученый исследует, проводя систематические наблюдения и измерения, ищет взаимосвязи и аномалии. Когда складывается структура, формулируется объяснение. Чем более общее объяснение найдено, тем больше новых явлений оно позволит предсказать. Ученый продолжает проводить наблюдения и измерения, проверяя справедливость этих предсказаний. Если объяснение выдержит все проверки, результатом станет закон природы. Настоящая книга — ваш путеводитель по этим законам.
Законы природы не всегда называют «законами». Ученые не всегда заботятся о терминологической точности, и закон может быть также известен как «теория», «правило», «модель» или «принцип», или, отражая тот факт, что законы часто формулируют на языке математики, как «отношение» или «уравнение». Подозреваю, что то, называют ли то или иное утверждение законом, связано скорее с причудами истории, чем с логикой науки. Совершенно нетрудно представить себе, например, что в какой-нибудь иной вселенной явление фотосинтеза называется «законом преобразования энергии профессора Бурлиума». Соответственно, в этой книге вы найдете толкования природных явлений, обычно не называемые «законами», но обладающие той же глубиной и способностью объяснять происходящее в природе.
Предполагается, что каждая статья автономна и понятна сама по себе, поэтому некоторые объяснения и сведения можно найти в нескольких статьях. Книга не рассчитана на прочтение «от корки до корки», в нее надо заглядывать за конкретной информацией, откладывать, а потом заглядывать снова. Если какая-то статья покажется вам интересной, вы можете почитать связанные с ней статьи, названия которых выделены. Каждая из них поведет вас глубже в сеть знаний, составляющую наше научное представление о вселенной. Все статьи об одной и той же области науки помечены цветными закладками одного и того же цвета над заголовком каждой статьи. Одна из этих категорий называется «Взгляд в прошлое». Это идеи, оказавшиеся вытесненными или дискредитированными, но нашедшие тем не менее свое место в истории науки. В качестве дополнительных ориентиров можно использовать временные диаграммы, показывающие как предмет статьи хронологически связан с предметами родственных статей. В конце книги дана хронологическая справка, помещающая все статьи в единый исторический контекст. Также в конце книги даны объяснения терминов, составляющих основу словаря науки.
Составление списка статей для этой книги было, как всегда в таких случаях, вопросом индивидуальных предпочтений. Составляя этот список, я легко мог представить себе, как критики будут спрашивать с обвинительными нотками в голосе: «Почему же вы включили X, а У не включили?» Даже такая объективная на первый взгляд вещь, как перечисление законов природы, на деле оказывается подвластна субъективным критериям. Чтобы предупредить хотя бы некоторые из вопросов «почему?», хочу объяснить, как отбирались статьи.
Во-первых, некоторые статьи отобрали себя сами, имея несомненное право на описание в книге про законы природы. закон Шарля , устанавливающий взаимосвязь между температурой и давлением газа, используется физиками и химиками уже четвертое столетие. Это, несомненно, «закон природы», как это понятие ни определяй. Такого рода законы, конечно, все включены, за исключением только тех, что не настолько известны, чтобы оказаться в предметном указателе стандартного университетского учебника. Как я уже говорил, некоторые прочно утвердившиеся «законы» природы называются иначе без особой на то причины. Многие из них автоматически пополнили собой список статей.
Другая группа статей отражает важнейшую историческую взаимосвязь между научным поиском с одной стороны и экспериментом и наблюдением с другой. Чтобы подчеркнуть важность этой связи и дать читателю чувство исторической перспективы, в книге описаны важнейшие эксперименты и наблюдения, и им обычно посвящены отдельные статьи. Таким образом, в книгу попали, например, статьи про опыт резерфорда, давший экспериментальное подтверждение существования атомных ядер, и эксперимент ван хельмонта, показавший, что растения наращивают биомассу, извлекая вещества из воздуха, а не из почвы.
Наконец, несколько статей оказались в списке просто потому, что, по мнению автора и редакторов, они могли заинтересовать людей, читающих книги о законах природы. В эту категорию попали серьезные статьи о математике, например, теорема гёделя о неполноте, такие необычные статьи, как критерий красоты, и просто интересные материалы, в число которых входят статьи про закон
мёрфи и три закона робототехники.
Все вместе статьи книги составляют карту наших сегодняшних представлений о физической вселенной, от большого взрыва до
проекта «геном человека».
Джеймс Трефил Фейрфакс, Вирджиния

ЗАКОНЫ

Агрегатные состояния вещества
Вещество может пребывать в твердом, жидком или газообразном состояниях, а при особых условиях также в плазменном состоянии

• АГРЕГАТНЫЕ состояния вещества

1761 • фазовые переходы
1798 • Механическая теория теплоты

Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное.
Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме. молекулярно-кинетическая теория связывает молекулярные свойства газа с его макроскопическими свойствами, такими, как температура и давление.
В отличие от газа жидкость при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда, но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые, хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд — и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.
Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры — кристаллические решетки — так и беспорядочное нагромождение — аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).
Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества. Таким образом, плазма, будучи ионизированной, в целом остается электрически нейтральной, поскольку число положительных и отрицательных зарядов в ней остается равным. Мы можем наблюдать как холодную и в незначительной степени ионизированную плазму (например, в люминесцентных лампах), так и полностью ионизированную горячую плазму (внутри Солнца, например).

При сверхнизких температурах скорости молекул снижаются настолько, что мы не можем точно определить их местоположение. Это происходит в силу принципа неопределенности гей-зенберга. Когда температура снижается настолько, что степень неопределенности положения атомов оказывается сопоставимой с размерами группы атомов, к которой они принадлежат, вся группа начинает вести себя, как единое целое. Такое состояние вещества называется конденсатом Бозе—Эйнштейна, и его можно считать пятым агрегатным состоянием вещества.

Математика

Анализ Фурье
Любая волна сложной формы может быть представлена как сумма простых волн

анализ фурье

Жозеф Фурье очень хотел описать в математических терминах, как тепло проходит сквозь твердые предметы (см. теплообмен). Возможно, его интерес к теплу вспыхнул, когда он находился в Северной Африке: Фурье сопровождал Наполеона во французской экспедиции в Египет и прожил там некоторое время. Чтобы достичь своей цели, Фурье должен был разработать новые математические методы. Результаты его исследований были опубликованы в 1822 году в работе «Аналитическая теория тепла» (Theorie anaytique de a chaeur), где он рассказал, как анализировать сложные физические проблемы путем разложения их на ряд более простых.
Метод анализа был основан на так называемых рядах Фурье. В соответствии с принципом интерференции ряд начинается с разложения сложной формы на простые — например, изменение земной поверхности объясняется землетрясением, изменения орбиты кометы — влиянием притяжения нескольких планет, изменение потока тепла — его прохождением сквозь препятствие неправильной формы из теплоизолирующего материала. Фурье показал, что сложная форма волны может быть представлена как сумма простых волн. Как правило, уравнения, описывающие классические системы, легко решаются для каждой из этих простых волн. Далее Фурье показал, как эти простые решения можно суммировать, чтобы получить решение всей сложной задачи в целом. (Говоря языком математики, ряд Фурье — это метод представления функции суммой гармоник — синусоид и косинусоид, поэтому анализ Фурье был известен также под названием «гармонический анализ».)
До появления компьютеров в середине ХХ столетия методы Фурье и им подобные были лучшим оружием в научном арсенале при наступлениях на сложности природы. Со времени появления комплексных методов Фурье ученые смогли использовать их для решения уже не только простых задач, которые можно решить прямым применением законов механики ньютона и других фундаментальных уравнений. Многие великие достижения ньютоновской науки в XIX веке фактически были бы невозможны без использования методов, впервые предложенных Фурье. В дальнейшем эти методы применялись в решении задач в различных областях — от астрономии до машиностроения.

ЖАН-БАтист ЖОЗЕФ ФурьЕ
(Jean-Baptiste Joseph Fourier, 1768-1830) — Французский математик. Родился в Осере; в возрасте девяти лет остался сиротой. Уже в юном возрасте проявил способности к математике. Фурье получил образование в церковной школе и военном училище, затем работал преподавателем математики. На протяжении всей жизни активно занимался политикой; был арестован в 1794 году за защиту жертв террора. После смерти Робеспьера был выпущен
из тюрьмы; принимал участие в создании знаменитой Политехнической школы (Ecoe Poytechnique) в Париже; его положение послужило ему плацдармом для продвижения при режиме Наполеона. Сопровождал Наполеона в Египет, был назначен губернатором Нижнего Египта. По возвращении во Францию в 1801 году был назначен губернатором одной из провинций. В 1822 году стал постоянным секретарем Французской академии наук — влиятельная должность в научном мире Франции.

Античастицы
Для всякой известной элементарной частицы имеется вероятность найти античастицу — то есть частицу с той же массой, но противоположными другими физическими характеристиками

1897 • Открытие электрона
1900 • излучение черного тела
1905, 1916, • ТЕОРИЯ относительности
1911 опыт резерфорда
1925 • КВАНТОВАЯ механика

В 1920-е годы — после введения принципов квантовой механики — субатомный мир представлялся крайне простым. Всего два вида элементарных частиц — протоны и нейтроны — составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц — электроны — существовали за пределами ядра, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, все многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.
Увы, столь простой картине мира суждено было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории по всему миру, принялись за изучение состава космических лучей, бомбардирующих нашу планету (см. элементарные частицы), и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к вышеописанной идиллической триаде. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.
Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все ее остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несет отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — позитрон (производное от «позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. И так далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляция — обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.
Существование античастиц впервые предсказал Поль Дирак в статье, опубликованной им в 1930 году. Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии, по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нем ямку, в поле появятся два объекта—собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта—это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из нее грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.
Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, молодой физик-экспериментатор из Калифорнийского технологического института Карл Дейвид Андерсон (Car David Anderson) (1905-1991) монтировал оборудование астрофизической лаборатории на вершине Пайк в штате Колорадо, намереваясь заняться изучением космических лучей. Работая под руководством Роберта Милликена (см. опыт милли-кен а), он придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. Бомбардируя мишень, частицы оставляли в камере вокруг мишени треки из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц.

При помощи этого аппарата, получившего название конденсационная камера, Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью. По интенсивности трека, оставленного частицей, он мог судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. К 1932 году ему удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. В 1932 году Андерсон опубликовал полученные результаты, а в 1936 году был отмечен за них половиной Нобелевской премии по физике. (Вторую половину премии получил австрийский физик-экспериментатор Виктор Франц Гесс (Victor Franz Hess, 1883-1964), впервые экспериментально подтвердивший существование космических лучей. — Прим. переводчика.) Это был первый (и, пока что, последний) случай присуждения Нобелевской премии ученому, официально даже не числившемуся на тот момент в штате научных сотрудников своего университета!
Хотя вышеописанный пример, казалось бы, служит идеальной иллюстрацией сценария «предсказание — проверка» в рамках научного метода, описанного во введении, историческая реальность представляется не столь простой, как кажется. Дело в том, что Андерсон, судя по всему, не знал о публикации Дирака абсолютно ничего до своего экспериментального открытия. Так что в данном случае речь идет, скорее, об одновременном теоретическом и экспериментальном открытии позитрона.
Все следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.

ПОЛЬ АДРИАН МОРИС ДИРАК (Pau Adrian Maurice Dirac, 1902-84) — британский физик-теоретик. Родился в Бристоле в семье иммигрантов из Швейцарии. Отец Дирака преподавал французский на своей новой родине и, по рассказам, не желал разговаривать с сыном иначе, чем на их родном французском языке: отсюда, вероятно, и та молчаливость, которой всю жизнь отличался Поль Дирак. В 1921 году Дирак окончил Бристольский электротехнический институт (теперь Бристольский университет), после чего отправился преподавать математику и физику в Кембридж, где в 1926 году получил
докторскую степень, а еще шесть лет спустя стал почетным профессором математики — и занимал этот престижный пост в течение почти сорока лет. Еще до защиты докторской диссертации Дирак успел опубликовать ряд важных статей по квантовой механике. В 1928 году Дирак опубликовал работу, впервые объясняющую поведение электрона с точки зрения сочетания принципов теории относительности и квантовой механики. Именно в этой работе было предсказано существование античастиц, и за нее Дирак несколько позже в 1933 году получил Нобелевскую премию по физике, разделив ее с Эрвином Шрёдингером.

Астрономия

Антропный принцип
Существование жизни во Вселенной каким-то образом взаимосвязано с фундаментальными физическими законами, описывающими устройство и поведение Вселенной

XVI • ПРИНЦИП КОПЕРНИКА

1950 • ПАРАДОКС ФЕРМИ

1961 • АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП

1961 • ФОРМУЛА ДРЕЙКА

По мере накопления нами знаний о космосе возрастал объем имеющейся у нас информации об устройстве и макромира, и микромира. И становилось все очевиднее, что, сложись хоть что-то в процессе возникновения и эволюции Вселенной хотя бы незначительно иначе, чем оно было, нас бы с вами попросту не было, и некому было бы размышлять о порядке мироустройства. То есть все выглядит так, будто Вселенная действительно была изначально задумана как своего рода Эдем — райский сад, где все благоприятствовало зарождению человечества, — и замысел этот поражает грандиозностью своего масштаба.
Окажись чуть интенсивнее силы взаимного гравитационного притяжения материальных тел — и расширение Вселенной (см. большой взрыв) прекратилось бы, практически не успев начаться, — мир буквально сжался бы обратно в бесструктурную массу, не успев по-настоящему родиться; по крайней мере, до формирования звезд с планетными системами, не говоря уже о зарождении на них жизни, дело бы дойти не успело. Если бы, напротив, сила тяжести оказалась несколько ниже наблюдаемой, вещество Вселенной попросту распылилось бы, не успев и не сумев локализоваться в звездно-планетарные системы. Из всех возможных значений константы гравитационного протяжения лишь мизерный интервал ее значений приводит к формированию устойчивой и жизнеспособной Вселенной.
И то же самое можно сказать практически о любой фундаментальной константе, определяющей физические свойства наблюдаемого нами материального мира. Случись, например, единичному электрическому заряду элементарных частиц оказаться чуть выше наблюдаемой величины, и сила взаимного электростатического отталкивания положительно заряженных протонов не дала бы сложиться ядрам наблюдаемых нами сегодня химических элементов, из которых сложена Вселенная. Окажись же единичный электрический заряд чуть ниже, электроны не смогли бы закрепиться на орбитах вокруг ядра. И в том, и в другом случае до зарождения жизни во Вселенной (и до появления нас с вами) дело бы никак не дошло. Или, если бы сильные взаимодействия внутри ядра, удерживающие вместе нуклоны (протоны и нейтроны) оказались слабее, чем они есть, нестабильными оказались бы подавляющее большинство стабильных ядер базовых химических элементов, образовавшихся вскоре после большого взрыва, из которых и сформировалась та Вселенная, которую мы сегодня наблюдаем. А окажись они сильнее чем есть, стали бы невозможными термоядерные реакции, дающие энергию звездам и обеспечивающие «энергоснабжение» планет.
На самом деле все фундаментальные константы, взятые по совокупности, имеют очень узкий интервал допустимых значений, при которых Вселенная в том виде, в котором она перед нами предстает и обеспечивает условия для зарождения жизни, могла возникнуть и стабильно развиваться. Первым эту мысль озвучил аме риканский астрофизик Роберт Дик (Robert H. Dicke, 1916-1997), а окончательно сформулировал в 1973 году также американец Брэндон Картер (Brandon Carter, р. 1942) — этот космолог усмотрел в антропном принципе расширение задолго до него сформулированного принципа коперника. Согласно Картеру, мы имеем два формально раздельных космологических вселенских антропных принципа — слабый и сильный.


Сколько вселенных существует?
Если Вселенная, по определению, вмещает всю совокупность сущего, можно ли вообще говорить о самой возможности существования многих вселенных? Одним из возможных ответов может стать так называемая «множественность вероятностных миров», предсказываемая квантовой механикой: в частности, можно обратиться к опыту, свидетельствующему о полной непредсказуемости того, через какое из двух равновеликих отверстий квантовая частица проникнет в камеру-обскуру при эксперименте по исследованию интерференции — именно благодаря этому на задней стенке камеры образуются известные интерференционные полосы фраунго-фера. Чтобы хоть как-то логически обосновать результаты наблюдения, некоторые физики-теоретики предложили единственное, по их мнению, разумное объяснение происходящего: при каждом разовом «взаимодействии» вселенная распадается надвое и образуется две буквально неразличимые копии мира. Если так, то одновременно существует неизмеримо большое количество подобных «слепков» вселенной, образовавшихся в результате неисчислимого множества подобных взаимодействий с дуальным исходом, причем на макроскопическом уровне все эти вселенные существуют независимо друг от друга, однако они по-прежнему могут «сообщаться» посредством взаимодействий на квантовом уровне.

Слабый антропный принцип просто утверждает, что устройство Вселенной допускает зарождение в ней биологической жизни. То есть вопрос «почему Вселенная устроена именно так, как она устроена?» заменяется вопросом «Почему Вселенная устроена так, что в ней возникли разумные существа, задающиеся вопросом о причинах наблюдаемого устройства Вселенной?». То есть сам факт возникновения вопроса относительно природы фундаментальных сил и законов уже подразумевает, что во Вселенной развились разумные формы жизни. Если бы, условно говоря, константы (такие, как постоянная всемирного тяготения) отличались от наблюдаемых, Вселенная эволюционировала бы по-иному, жизнь в ней попросту могла бы и не развиться, в результате чего вопросов о первопричинах возникновения Вселенной не возникло бы, как таковых.
В этой формулировке антропный принцип не подразумевает каких бы то ни было первопричин, по которым Вселенная сформировалась именно так, как она это сделала, и по которым фундаментальные природные константы таковы, как они есть. Допускается (теоретически) существование буквально бесчисленного множества других вселенных с другими наборами фундаментальных констант (см. вставку), но само возникновение форм разумной жизни возможно лишь во вселенных, подобных нашей, — то есть достаточно устойчивых, чтобы в них успели развиться разумные формы жизни.
Вот, к примеру, аналогия: если десять раз подряд подбросить монету, вероятность того, что десять раз подряд выпадет орел, составит (1/2)10=1/1024. То есть из 1024 серий по бросанию монеты 10 раз подряд вы в среднем лишь единожды добьетесь результата, при котором монета все десять раз подряд упадет одной стороной кверху. Это строгое следствие теории вероятностей, но, после того как монета десять раз подряд выпала орлом, смысла задаваться вопросом, почему так случилось, нет и быть не может. Можно сколько угодно отслеживать и описывать траекторию хаотичного движения монеты в полете — никакой закономерности в выпадении орла или решки нет. В точности так же из бесчисленного множества вероятных вселенных лишь у немногих есть шанс на то, что набор фундаментальных констант сложится в них благоприятным (с точки зрения их дальнейшего устойчивого развития) образом, остальные же обречены на практически мгновенное сжатие до состояния протоматерии или распыление без образования устойчивых структур. И только в этих устойчивых вселенных может зародиться разумная жизнь, задающаяся вопросом о причинах своего происхождения.


Английский астроном Мартин Рис (Martin Rees, р. 1942) ввел по этому случаю термин «мульти-вселенная» — то есть это вселенная, объединяющая в себе все неисчислимое множество вероятных миров.
Концепция множественной вселенной дает нам естественное объяснение слабого антропного принципа. Можно, конечно, задаваться вопросом, почему в нашей Вселенной создались условия, благоприятствовавшие зарождению разумной жизни. Но гораздо проще принять, что среди бесконечного числа вселенных должно быть немало таких, где возможна органическая жизнь. Так стоит ли удивляться, что одна и таких вселенных, как Машеньке в сказке о трех медведях, пришлась нам в самый раз?

однако и этого некоторым ученым показалось мало для объяснения наблюдаемой пригодности нашей Вселенной для жизни, в результате чего был сформулирован сильный антропный принцип: Вселенная обязана быть устроена так, чтобы в ней могла зародиться разумная жизнь. В этой его версии принцип выходит за рамки слабого антропного принципа и утверждает, что зарождение жизни во Вселенной не только возможно (слабый принцип), но и фактически неизбежно. Сторонники этого взгляда на вещи обосновывают свою точку зрения тем, что имеется некий универсальный (и до сих пор не открытый) закон, согласно которому все фундаментальные вселенские константы попросту не могут отличаться от тех, которые мы имеем в объективной реальности. Крайняя точка зрения в этой космогонической традиции доходит до того, что не только универсальные константы предопределены, но и развитие сознающего разума во Вселенной неизбежно.
Что касается ученых-естествоиспытателей, то большинство из них безоговорочно признают антропный принцип в его «слабой» формулировке, поскольку здесь он является не более, чем обычным упражнением в логике (кто-то, возможно, даже сочтет его тавтологией: «мы живы, потому что живы, и сознаем этот факт»). Сильный же антропный принцип широкого признания так и не получил по причине практической невозможности его проверки. Что касается лично меня, то по обоим вышеупомянутым вопросам я, вынужденно или невольно, разделяю мнение большинства.

Атом Бора
ок. 420 до н.э.
Электроны в атоме могут находиться только на разрешенных орбитах


1859

АТОМНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
1859
ОТКРЫТИЕ КИРХГОФА—БУНЗЕНА
1911

СПЕКТРОСКОПИЯ
1913

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА
1925
АТОМ БОРА

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

Когда Джон Дальтон впервые в истории современной науки предложил атомную теорию строения вещества, атомы представлялись ему неделимыми, наподобие микроскопических бильярдных шаров. Однако на протяжении всего XIX столетия становилось все очевиднее, что такая модель неприемлема. Поворотной точкой стало открытие электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 году, из которого следовало, что атом состоит из отдельных частиц — прямое свидетельство против его неделимости. Последним гвоздем в крышку гроба неделимого атома стало открытие в 1911 году атомного ядра (см. опыт резерфорда). После этих открытий стало ясно, что атом не просто делим, но еще и обладает дискретной структурой: состоит из массивного, положительно заряженного центрального ядра и движущихся по орбитам вокруг него легких, отрицательно заряженных электронов.
Но с этой простой планетарной моделью атома тут же возникли проблемы. Прежде всего, согласно физическим законам того времени, такой атом не мог бы просуществовать дольше доли мгновения — на наше счастье, мы имеем все основания утверждать, что этот факт опытом не подтверждается. Аргументация была такова: в соответствии с законами механики ньютона электрон, находящийся на орбите, движется с ускорением. Следовательно, согласно уравнениям максвелла, он должен излучать электромагнитные волны и, как следствие, терять энергию (в силу закона сохранения энергии; см. уравнение состояния идеального газа) и вскоре сойти с орбиты и упасть на ядро. Это стандартная задачка по физике для студентов-первокурсников, и любой из них легко докажет путем таких рассуждений, что планетарный атом не просуществует и секунды. Очевидно, что-то было не так в этой простой модели строения атома, раз реальные атомы, окружающие нас, просуществовали миллиарды лет.
Разрешить эту проблему и направить физиков по верному пути понимания атомной структуры удалось молодому датскому теоретику Нильсу Бору, недавно прибывшему на стажировку в Англию после защиты докторской диссертации у себя на родине. За отправную точку Бор принял новые по стулаты квантовой механики, согласно которым на субатомном уровне энергия испускается исключительно порциями, которые получили название «кванты». Немецкий физик Макс Планк воспользовался положением о том, что атомы излучают свет отдельными частицами (позже Альберт Эйнштейн назвал их «фотоны»), для разрешения застарелой проблемы излучения черного тела. Используя концепцию фотонов, Альберт Эйнштейн теоретически объяснил фотоэлектрический эффект. За свои работы и Планк, и Эйнштейн получили по Нобелевской премии.
Бор развил квантовую теорию еще на шаг и применил ее к состоянию электронов на атомных орбитах. Говоря научным языком, он предположил, что угловой момент электрона (см. опыт штерна—герлаха) квантуется. Далее он показал, что в этом

Согласно модели атома Бора, электрон перескакивает на более высокую орбиту при поглощении фотона и соскакивает на более низкую при излучении фотона

случае электрон не может находиться на произвольном удалении от атомного ядра, а может быть лишь на ряде фиксированных орбит, получивших название «разрешенные орбиты». Электроны, находящиеся на таких орбитах, не могут излучать электромагнитные волны произвольной интенсивности и частоты, иначе им, скорее всего, пришлось бы перейти на более низкую, неразрешенную орбиту. Поэтому они и удерживаются на своей более высокой орбите, подобно самолету в аэропорту отправления, когда аэропорт назначения закрыт по причине нелетной погоды.
Однако электроны могут переходить на другую разрешенную орбиту. Как и большинство явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на другой, не пересекая пространства между ними. Этот эффект назвали «квантовым прыжком», или «квантовым скачком». Позже этот термин обрел широкую популярность и вошел в наш лексикон со значением «внезапное, стремительное улучшение» («Настоящий квантовый скачок в технологии производства наручных часов!»). Если электрон перескакивает на более низкую орбиту, он теряет энергию и, соответственно, испускает квант света — фотон фиксированной энергии с фиксированной длиной волны. На глаз мы различаем фотоны разных энергий по цвету — раскаленная на огне медная проволока светится синим, а натриевая лампа уличного освещения — желтым. Для перехода на более высокую орбиту электрон должен, соответственно, поглотить фотон.
В картине атома по Бору, таким образом, электроны переходят вниз и вверх по орбитам дискретными скачками — с одной разрешенной орбиты на другую, подобно тому, как мы поднимаемся и спускаемся по ступеням лестницы. каждый скачок обязательно сопровождается испусканием или поглощением кванта энергии электромагнитного излучения, который мы называем фотоном.



Со временем интуитивная гипотеза Бора уступила место строгой систематической формулировке в рамках законов квантовой механики и, в частности, концепции двойственной природы элементарных частиц — корпускулярно-волновой (см. принцип дополнительности). Сегодня электроны представляются нам не микроскопическими планетами, обращающимися вокруг атомного ядра, а волнами вероятности, плещущимися внутри своих орбит —



атом бора

подобно приливам и отливам в тороидальном бассейне — и подчиняющимися уравнению шрЁдиигЕРА. Современные физики, как само собой разумеющееся, рассчитывают характеристики этих волн для самых сложных по структуре атомов и используют их для объяснения свойств и поведения этих атомов. Однако основополагающую картину всей современной квантовой механики нарисовал в своем великом прозрении Нильс Бор — в далеком теперь 1913 году.



Атомная теория строения вещества
Материя состоит из атомов

ок. 420 • АТОМНАЯ ТЕОРИЯ до н.э. СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

1662 • ЗАКОН
БОЙЛЯ—МАРИОТТА

1787 • ЗАКОН ШАРЛЯ

1811 • ЗАКОН АВОГАДРО

1834 • УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

1849 • МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ
ТЕОРИЯ

Слово «атом» греческого происхождения, и переводится оно «неделимый». Принято считать, что первым идею о том, что кажущаяся гладкой и непрерывной материя на самом деле состоит из великого множества мельчайших и потому невидимых частиц, выдвинул древнегреческий философ Демокрит (чей «расцвет», согласно восхитительному по образности выражению классиков, пришелся на V век до н.э.). О жизни Демокрита нам, однако, практически ничего неизвестно, и оригинальные труды этого мыслителя до наших дней не дошли. Поэтому об идеях Демокрита остается судить в основном по цитатам из его работ, которые мы находим у других авторов, прежде всего у Аристотеля.
Логика рассуждений Демокрита, если перевести ее на современный язык, была крайне проста. Представим, говорил он, что у нас есть самый острый в мире нож. Берем первый попавшийся под руку материальный объект и разрезаем его пополам, затем одну из получившихся половинок также разрезаем пополам, затем разрезаем пополам одну из получившихся четвертинок и так далее. Рано или поздно, утверждал он (основываясь, как и все древнегреческие мыслители, прежде всего на философских соображениях), мы получим частицу столь мелкую, что дальнейшему делению на две она не поддается. Это и будет неделимый атом материи.
По представлениям Демокрита атомы были вечными, неизменными и неделимыми. Изменения во Вселенной происходили исключительно из-за изменений в связях между атомами, но не в них самих. Тем самым он тонко обошел давнишний спор древнегреческих философов о том, подвержена ли переменам сама суть видимого мира или все перемены в нем носят чисто внешний характер.
От древнегреческих представлений об атоме на сегодняшний день сохранилось разве что само слово «атом». Теперь мы знаем, что атом состоит из более фундаментальных частиц (см. элементарные частицы). Ясно, что между древнегреческой теорией и современными научными исследованиями мало общего: идеи Демокрита не основывались ни на каких наблюдениях или практических опытах. Демокрит, подобно всем натурфилософам античности, просто рассуждал и делал умозрительные заключения относительно природы мира.
Тем не менее труды Демокрита не остались без признания и в современном мире. На последней греческой монете достоинством 10 драхм (теперь она выведена из обращения и заменена евро) на лицевой стороне изображен портрет Демокрита, а на оборотной — схематическая модель атома. Я весьма признателен своему другу Гансу фон Байеру, обратившему мое внимание на то, что на монете изображен атом с тремя электронами — стало быть, это атом лития. Демокрита называли «смеющимся философом» (похоже, он обладал несвойственным другим античным философам чувством юмора). Не потому ли на монете, увековечивающей его память, изображен именно атом лития — химического элемента, который теперь широко используется для лечения депрессии?

идея об атомном строении материи так и оставалась чисто философским умопостроением вплоть до начала XIX века, когда сформировались основы химии как науки. Химики первыми и обнаружили, что многие вещества в процессе реакций распадаются на более простые компоненты. Например, вода распадается на водород и кислород. Однако некоторые вещества — те же водород и кислород — разложению на составляющие при помощи химических реакций не поддаются. Такие вещества назвали химическими элементами. К началу XIX века было известно около 30 химических элементов (на момент написания этой статьи их открыто более 110, включая искусственно полученные в лабораторных условиях; см. периодическая система Менделеева). Кроме того, было установлено, что в процессе химических реакций количественное соотношение веществ, участвующих в данной реакции, не изменяется. так, для получения воды неизменно берутся восемь массовых долей кислорода и одна доля водорода
(см. закон авогадро).
Первым осмысленную интерпретацию этих фактов предложил Джон Дальтон, чье имя увековечено в открытом им законе дальтона. В своих химических опытах он исследовал поведение газов
(см. закон бойля—мариотта, закон шарля и основной
закон термодинамики), но этим круг его интересов не ограничивался. В 1808 году он приступил к публикации своего фундаментального двухтомного труда «Новая система химической философии», радикально повлиявшего на дальнейшее развитие химии. В этой работе Дальтон предположил, что осмыслить и интерпретировать последние достижения экспериментальной химии можно только приняв, что каждому химическому элементу в этих опытах соответствует уникальный для него атом, и что именно смешение и объединение в различных пропорциях этих атомов приводит к образованию наблюдаемых в природе химических веществ. Например, вода, по Дальтону, состоит из сочетания двух атомов водорода и одного атома кислорода (общеизвестная формула Н20). Тот факт, что все атомы одного вида неразличимы между собой, удачно объяснял, почему при химических реакциях они всегда обнаруживаются в неизменных пропорциях. Так, в случае с водой, два атома водорода всегда одни и те же, где бы мы ни взяли эту воду, и всегда находятся в одной и той же связи с единственным атомом кислорода.
Для Дальтона, как и для Демокрита, атомы оставались неделимыми. В черновиках и книгах Дальтона мы находим рисунки, где атомы представлены в виде шариков. Однако основное положение его работы — что каждому химическому элементу соответствует особый тип атома — легло в основу всей современной химии. Этот факт остается непреложным и теперь, когда мы знаем, что каждый атом сам по себе является сложной структурой (см. опыт резерфорда) и состоит из тяжелого, положительно заряженного ядра и легких, отрицательно заряженных электронов, вращающихся по

орбитам вокруг ядра. Достаточно обратиться к сложностям квантовой механики (см. также атом бора и уравнение шрё-д инг ера), чтобы понять, что концепция атома не исчерпала себя и в XXI веке.
Неплохо, однако, для идеи, зародившейся в философских спорах 2500 лет назад!

Науки о жизни

Белки

Белки — это цепочки аминокислот, выполняющие множество функций, важнейшая из которых — ферментативная, то есть регуляция химических реакций в живых организмах
1854

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ
1859

КАТАЛИЗАТОРЫ И ФЕРМЕНТЫ
нач. 1950-х

теория эволюции

1953

БЕЛКИ
1953
ДНК
1958

ЭКСПЕРИМЕНТ МИЛЛЕРА—ЮРИ

центральная ДОГМА
молекулярной
1961
биологии

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

В основе жизнедеятельности любого организма лежат химические процессы. В каждой клетке вашего тела происходят тысячи химических реакций, и совокупность этих реакций определяет вашу индивидуальность. В этой грандиозной химической системе важнейшую роль играют молекулы белков.
Давайте в начале нашей беседы о белках поговорим об их строении. При конструировании сложных молекул вы можете пойти двумя путями: либо использовать систему модулей и собирать всевозможные крупные молекулы из небольшого числа структурных единиц, либо изготавливать каждую молекулу по индивидуальному плану. Вспомните старые и новые методы строительства. Раньше все элементы конструкции изготавливали только для одного здания, и в других зданиях они не встречались. В наше время такие здания (если их только можно отреставрировать) считаются очень красивыми и ценятся выше современных построек. Современный же метод строительства состоит в том, чтобы взять уже готовые однотипные детали, или модули (кирпичи, окна, двери), и собрать из них здание. Но и в такой системе, компонуя серийные детали по-разному, можно построить самые разнообразные сооружения. Аналогичный подход реализуется в живых системах — структурная сложность достигается за счет модульного принципа построения. Именно такой подход логичен с точки зрения теории эволюции, поскольку он позволяет последовательно усложнять структуры по мере появления новых модулей.
Основной структурной единицей белков являются аминокислоты. Молекулы этого класса имеют сходную структуру, немного различаясь в деталях. Они представляют собой цепочку атомов, на одном конце которой находится положительно заряженный ион водорода (Н+), а на другом — отрицательно заряженная гид-роксильная группа (ОН-), состоящая из кислорода и водорода. От основной цепи ответвляются боковые группы, различные для разных аминокислот. В живых организмах насчитывается 21 аминокислота.
Из аминокислот строится белок. Этот процесс напоминает нанизывание бусинок на нить. При сближении двух аминокислот ион водорода (Н+) одной из них соединяется с ОН--группой второй, и две аминокислоты связываются друг с другом с высвобождением молекулы воды. При этом возможны самые разные сочетания аминокислот. Последовательность аминокислот в «бусах» называется первичной структурой белка. Поскольку бусиной может быть любая из 21 аминокислоты, то даже для коротких белков существует огромное количество возможных вариантов первичной структуры. Например, существует более 10 триллионов способов собрать белок длиной всего в 10 аминокислот!
После того как определена первичная структура белка, под действием электростатических взаимодействий между различными боковыми группами аминокислот, а также между аминокислотами и окружающей их водой белок принимает сложную трех
мерную форму. Для нас важнее всего белки, которые сворачиваются в сложные сферические структуры, поскольку именно они регулируют химические реакции в живых организмах. (Другие типы белков, например те, из которых состоят волосы и прочие структуры тела, имеют не такую форму.)
При взаимодействии сложных молекул между определенными атомами каждой из молекул образуется химическая связь. Одной лишь способности молекул к взаимодействию недостаточно для образования связи. Две молекулы должны сблизиться и принять такую ориентацию, при которой атомы, способные образовывать химические связи, могли бы состыковаться, как космические корабли на орбите. Поэтому трехмерная структура имеет первостепенное значение для химических процессов, идущих в живых организмах.
Трудно поверить, чтобы две сложные молекулы, предоставленные сами себе, случайным образом расположились бы в пространстве так, чтобы стало возможным их взаимодействие. Для протекания химической реакции с заметной скоростью необходимо участие молекул, называемых ферментами (см. катализаторы и ферменты). Фермент притягивает обе молекулы к себе и придает им ориентацию, обеспечивающую взаимодействие. Как только взаимодействие произошло, фермент, выполнивший свою работу, высвобождается и может повторить эту операцию со следующей парой молекул.
Благодаря своей сложной структуре белки идеально справляются с ролью ферментов. Каждой первичной структуре соответствует определенная форма молекулы белка и, следовательно, определенная химическая реакция, которую этот белок катализирует. Во всех живых организмах первичная структура белка записана на молекуле ДНК (см. центральная догма молекулярной биологии). Таким образом, ДНК держит под контролем весь организм, определяя спектр образующихся белков и, таким образом, возможные химические реакции.
В принципе, по первичной структуре белка можно было бы предсказать, какую форму будет иметь его молекула, а значит, предсказать и природу химической реакции, в которой этот белок будет участвовать. В действительности же эта проблема укладки белка настолько сложна, что пока ее невозможно вычислить даже при помощи лучших компьютеров и программного обеспечения. На сегодняшний день это одна из основных нерешенных проблем молекулярной биологии.

Науки о жизни

Биологические молекулы
Биологические молекулы имеют модульное строение. К числу важных классов биологических молекул относятся белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты.
Множество других молекул в клетке играют роль «энергетической валюты»

Х1Х-ХХ • БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ

1859 • ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

нач. • БЕЛКИ 1950-х

1952 • ЭКСПЕРИМЕНТ ХЕРШИ—ЧЕЙЗ
1953

1953 • ДНК

ЭКСПЕРИМЕНТ МИЛЛЕРА—ЮРИ

1958 • ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

1961 • ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Жизнь — таинственная, сложная, загадочная — не что иное, как совокупность достаточно крупных молекул и довольно простых химических реакций. Если бы вам понадобилось конструировать крупные молекулы, вы пошли бы по одному из двух путей. Либо, как в кустарном ювелирном деле, вы стали строить каждую молекулу «с нуля», проделывая каждый раз уникальную работу. Либо — этот путь используется в современных строительных технологиях — вы бы изготовили набор простых молекул, из которых можно собирать самые разнообразные молекулы большего размера, сочетая модули тем или иным образом. Оказывается, именно такое модульное строение имеют биологические молекулы. Согласно ТЕОРИИ ЭВОЛЮЦИИ, таким и должен был быть самый простой путь к крупным молекулам, поскольку в начале эволюционного процесса необходимость в конструировании очень сложных молекул отсутствовала. Со временем же могли добавляться новые модули, расширяя коллекцию крупных разнородных элементов, что вполне соответствует духу эволюции.

Белки
Основной структурной единицей белков являются молекулы аминокислот. Чтобы понять, что такое аминокислота, представьте себе совокупность атомов, у которых с одной стороны наружу выступает водород, с другой — соединенные между собой кислород и водород, а посередине расположены разнообразные другие компоненты. Подобно тому как бусины нанизываются на нить, из этих аминокислот собираются белки — ион водорода (Н+) одной аминокислоты объединяется с ионом гидроксила (ОН-) другой аминокислоты с образованием молекулы воды. (Представьте, как каждый раз при соединении двух аминокислотных молекул между ними пробегает капелька воды.) Среди белков самую важную роль играют белки-ферменты (см. катализаторы и ферменты), регулирующие химические реакции в клетках; но белки также являются важными структурными компонентами живых организмов. Например, ваши волосы и ногти состоят из белков.

Углеводы
Углеводы содержат кислород, водород и углерод в соотношении 1 : 2 : 1. Во многих живых системах молекулы углеводов выполняют роль источников энергии. Одним из важнейших углеводов можно считать сахар глюкозу, содержащую шесть атомов углерода (С6Н12О6). Глюкоза — конечный продукт фотосинтеза и, следовательно, основа всей пищевой цепи в биосфере. Соединяя молекулы глюкозы, как основные строительные модули, можно получить сложные углеводы. Как и белки, углеводы играют вспомогательную роль в клетках, поскольку входят в клеточные структуры. Например, растительные волокна состоят из целлюлозы, которая представляет собой вереницу сцепленных особым образом молекул глюкозы.

Липиды
Липиды — это нерастворимые в воде органические молекулы. Вы получите правильное представление о липидах, если вообразите капельки жира, плавающие на поверхности бульона. В живых организмах липиды выполняют две важные функции. Один класс молекул — фосфолипиды — состоят из маленькой головки, содержащей фосфатную группу (атом фосфора, соединенный с четырьмя атомами кислорода), и длинного углеводородного хвоста. Углеводородный хвост этой молекулы гидрофобен, то есть энергетическое состояние молекулы минимально, когда этот хвост находится не в воде. Напротив, фосфатная головка гидрофильна, то есть энергетическое состояние молекулы минимально при контакте головки с водой. Если поместить молекулы фосфолипидов в воду, они будут стремиться достичь минимального энергетического состояния и выстроятся таким образом, что их хвосты окажутся вместе, а головки — врозь. Такая двухслойная структура очень стабильна, поскольку головки будут в контакте с водой, но вода будет вытеснена из области, окружающей хвосты молекул. Для перемещения липидным молекулам необходима энергия — либо чтобы удалить гидрофильные участки из воды, либо чтобы поместить в воду гидрофобные участки. Из таких липидных двухслойных структур состоят клеточные мембраны и мембраны, разделяющие компоненты клетки. Эти пластичные и прочные молекулы отделяют живое от неживого.
Кроме того, в липидах запасается энергия. Липиды могут накапливать примерно вдвое больше энергии на единицу массы, чем углеводы. Вот почему, когда вы переедаете и ваш организм хочет запасти энергию на случай непредвиденных обстоятельств в будущем, когда пищи не будет, он станет запасать ее в форме жира. На этом простом факте строится многомиллиардная индустрия диетических продуктов.

Нуклеиновые кислоты
Молекулы ДНК и РНК (см. центральная догма молекулярной биологии) переносят информацию о химических процессах, идущих в клетке, и участвуют в передаче содержащейся в ДНК информации в цитоплазму клетки. В ДНК живого организма закодированы белки-ферменты, которые катализируют все химические реакции, происходящие в этом организме.

Молекулы-переносчики энергии
Жизнедеятельность требует затрат энергии. В частности, нужно, чтобы энергия, произведенная в одном месте, могла быть использована в другом. Эту функцию в клетке осуществляет целая армия специализированных молекул. Пожалуй, самые важные из них — аденозин трифосфат (АТФ) и аденозин дифосфат (АДФ).

Обе молекулы устроены так: группа из атомов углерода, водорода и азота (она называется аденин) присоединена к молекуле рибозы (это сахар), и все это вместе крепится к хвосту из фосфатов. Из названий молекул понятно, что в хвосте АДФ содержится два фосфата, а в хвосте АТФ — три. Когда в клетке происходит химический процесс, например фотосинтез, образующаяся энергия идет на присоединение третьего фосфата к хвосту АДФ. Полученная молекула АТФ затем переносится в другие части клетки. Там запасенная энергия может быть использована в других химических процессах: она выделяется при отщеплении последнего фосфата от АТФ, в результате чего АТФ вновь превращается в АДФ.
Как мы уже упоминали, существуют и другие молекулы, которые переносят энергию в клетке. Набор таких молекул чем-то напоминает разные варианты оплаты счетов. Вы можете выбрать наличные, банковский перевод, кредитную карту и т.д. — в зависимости от того, какой способ вам удобнее. Так же и клетка для поддержания своей жизнедеятельности может использовать АТФ (эквивалент наличных денег) или любую другую из большого набора более сложных молекул.

Астрономия

Большой взрыв
Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад в виде раскаленного сгустка сверхплотной материи, и с тех пор она расширяется и остывает

Астрономы употребляют термин «Большой взрыв» в двух взаимосвязанных значениях. С одной стороны, этим термином называют само событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около 15 миллиардов лет назад; с другой — весь сценарий ее развития с последующим расширением и остыванием.
Концепция Большого взрыва появилась с открытием в 1920-е годы закона хаббла. Этот закон описывает простой формулой результаты наблюдений, согласно которым видимая Вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга. Нетрудно, следовательно, мысленно «прокрутить пленку назад» и представить, что в исходный момент, миллиарды лет назад, Вселенная пребывала в сверхплотном состоянии. Такая картина динамики развития Вселенной подтверждается двумя важными фактами.

1742, 1823

1912

1917

1929

1948

1948

1980-е

1981

ПАРАДОКС ОЯЬБЕРСА

ЗАВИСИМОСТЬ
ПЕРИОД—
СВЕТИМОСТЬ

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ

ЗАКОН ХАББЛА

ТЕОРИЯ
СТАЦИОНАРНОЙ ВСЕЛЕННОЙ

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

РАННЯЯ ВСЕЛЕННАЯ

ИНФЛЯЦИОННАЯ
СТАДИЯ
РАСШИРЕНИЯ
ВСЕЛЕННОЙ

Космический микроволновой фон
В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела, свойственное объектам с температурой около -270°С (3 К), т.е. всего на три градуса выше абсолютного нуля.
Простая аналогия поможет вам интерпретировать этот результат. Представьте, что вы сидите у камина и смотрите на угли. Пока огонь горит ярко, угли кажутся желтыми. По мере затухания пламени угли тускнеют до оранжевого цвета, затем до темно-красного. Когда огонь почти затух, угли перестают испускать видимое излучение, однако, поднеся к ним руку, вы почувствуете жар, что означает, что угли продолжают излучать энергию, но уже в инфракрасном диапазоне частот. Чем холоднее объект, тем ниже излучаемые им частоты и больше длина волн (см. закон стефана—больцмана). По сути, Пензиас и Уилсон определили температуру «космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.
Исторически это открытие и предопределило выбор в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной вселенной) позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.

Изобилие легких элементов
ранняя вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут,

прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.
Однако это первичное образование ядер (так называемый нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и в незначительном количестве литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже — при формировании звезд (см. эволюция звезд).
Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями. По моему мнению, это лучшее подтверждение гипотезы Большого взрыва.
Помимо двух приведенных выше доказательств (микроволновой фон и соотношение легких элементов) недавние работы (см. инфляционная стадия расширения вселенной) показали, что сплав космологии Большого взрыва и современной теории элементарных частиц разрешает многие кардинальные вопросы устройства Вселенной. Конечно, проблемы остаются: мы не можем объяснить саму первопричину возникновения Вселенной; не ясно нам и то, действовали ли в момент ее зарождения нынешние физические законы. Но убедительных аргументов в пользу теории Большого взрыва на сегодняшний день накоплено более чем достаточно.

АрНО АллАН ПЕНЗиАО (Arno Aan Penzias, р. 1933) и РОБЕРт вудРО вильсОН (Robert Woodroe Wison, р. 1936) — американские физики. Пензиас родился в Мюнхене, эмигрировал в США вместе с родителями в 1940 году. Уилсон родился в Хьюстоне (США). Оба приступили к работе в лабораториях Be в Холмдейле, штат Нью-Джерси в начале 1960-х годов. В 1963 году перед ними была поставлена задача выяснить природу шумов в радиодиапазоне, создающих помехи для радиосвязи. Отметя
целый ряд вероятных причин (вплоть до загрязнения антенн голубиным пометом), они пришли к выводу, что источник стабильного фонового шума находится за пределами нашей Галактики. Иными словами, это был космический радиационный фон, предсказанный астрофизиками-теоретиками, включая Роберта Дика (Robert Dick), Джима Пиблза (Jim Peebes) и Георгия Гамова (George Gamov). За свое открытие Пензиас и Уилсон были удостоены в 1978 году Нобелевской премии по физике.

Бритва Оккама
Самое простое объяснение, скорее всего, и есть правильное

В XIV веке Уильям Оккам был одним из самых известных философов своего времени, но сегодня мы знаем его лишь как автора принципа простоты, который он сформулировал в одной из своих книг, предложив «сбривать» лишнюю сложность в аргументации. Этот принцип получил название «бритва Оккама»* и звучал приблизительно так: «Non sunt entia mutipicanda praeter necessitatem», что означает: «Не нужно множить сущности без необходимости». Это предупреждение о том, что не надо прибегать к сложным объяснениям там, где вполне годятся простые.
Допустим, кто-то увидел яркий и необычный свет в ночном небе — неопознанный летающий объект. Конечно, можно предположить, что это огни космического корабля, управляемого инопланетянами. Однако такое объяснение требует множества излишних, по Оккаму, «допущений» — что существуют инопланетяне, что они умеют управлять межпланетными кораблями, что они проявляют интерес к планете Земля, что они не могут пролететь незамеченными (несмотря на свои передовые технологии) и т. п. Но для огней на небе существует множество других, более простых объяснений: что это был самолет, или планета Венера (причина номер один «появления» всяческих НЛО), или пресловутые погодные зонды и т. п. Каждое из этих объяснений требует относительно небольшого количества допущений. И хотя никто не может доказать, что свет исходил не от инопланетного космического корабля, большинство из нас (сознательно или бессознательно) воспользуется бритвой Оккама и отвергнет это предположение.
Должен сказать, что, хотя ученые часто говорят о бритве Оккама и даже используют ее, когда речь идет о таких псевдонаучных вещах, как НЛО, я не припомню, чтобы к ней прибегали во время серьезных научных дискуссий. Причина, я думаю, в том, что ученые чувствуют себя неуютно, когда им приходится использовать философские аргументы, а имея под рукой надежные экспериментальные данные, незачем прибегать к общим соображениям. Иными словами, выбирая между теориями А и В, ученый будет полагаться на наблюдения и экспериментальные данные, а не на философские принципы вроде бритвы Оккама. В этом отношении бритва Оккама подобна критерию красоты — ученым удобно, что они существуют, они даже не сомневаются в их правильности, но редко используют их в работе.

уильяМ ОККАМ (Wiiam of Occam, 1285-1349) — английский философ и богослов. Родился в Оккаме, деревушке в графстве Суррей. Стал монахом-францисканцем, изучал богословие в Оксфордском университете. В 1324 году был обвинен в ереси и оказался вовлечен в споры между орденом францисканцев и
Ватиканом. Уильям закончил свою жизнь в Баварии, написав трактаты о церкви и государстве, в которых выступал против абсолютной власти папы. Первоначально он ввел свою «бритву» для упрощения богословской аргументации.

Броуновское движение
Малые частицы взвеси хаотично движутся под воздействием ударов молекул жидкости


1662
АТОМНАЯ ТЕОРИЯ ОТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
ЗАКОН
1787
БОЙЛЯ—МАРИОТТА
1798

ЗАКОН ШАРЛЯ
1827

МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
1834
1849

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ
ТЕОРИЯ

Во второй половине ХХ века в научных кругах разгорелась нешуточная дискуссия о природе атомов. На одной стороне выступали неопровержимые авторитеты, такие как Эрнст Мах (см. ударные волны), который утверждал, что атомы — суть просто математические функции, удачно описывающие наблюдаемые физические явления и не имеющие под собой реальной физической основы. С другой стороны, ученые новой волны, в частности Людвиг Больцман (см. постоянная больцмана), настаивали на том, что атомы представляют собой физические реалии. И ни одна из двух сторон не сознавала, что уже за десятки лет до начала их спора получены экспериментальные результаты, раз и навсегда решающие вопрос в пользу существования атомов как физической реальности, — правда, получены они в смежной с физикой дисциплине естествознания ботаником Робертом Броуном.
Еще летом 1827 года Броун, занимаясь изучением поведения цветочной пыльцы под микроскопом (он изучал водную взвесь пыльцы растения Carkia puchea), вдруг обнаружил, что отдельные споры совершают абсолютно хаотичные импульсные движения. Он доподлинно определил, что эти движения никак не связаны ни с завихрениями и токами воды, ни с ее испарением, после чего, описав характер движения частиц, честно расписался в собственном бессилии объяснить происхождение этого хаотичного движения. Однако, будучи дотошным экспериментатором, Броун установил, что подобное хаотичное движение свойственно любым микроскопическим частицам, — будь то пыльца растений, взвеси минералов или вообще любая измельченная субстанция.
Лишь в 1905 году не кто иной, как Альберт Эйнштейн, впервые осознал, что это таинственное, на первый взгляд, явление служит наилучшим экспериментальным подтверждением правоты атомной теории строения вещества. Он объяснил его примерно так: взвешенная в воде спора подвергается постоянной «бомбардировке» со стороны хаотично движущихся молекул воды. В среднем молекулы воздействуют на нее со всех сторон с равной интенсивностью и через равные промежутки времени. Однако, как бы ни мала была спора, в силу чисто случайных отклонений сначала она получает импульс со стороны молекулы, ударившей ее с одной стороны, затем — со стороны молекулы, ударившей ее с другой и т.д. В результате усреднения таких соударений получается, что в какой-то момент частица «дергается» в одну сторону, затем, если с другой стороны ее «толкнуло» больше молекул — в другую и т.д. Использовав законы математической статистики и молекулярно-кинетической теории газов, Эйнштейн вывел уравнение, описывающее зависимость среднеквадратичного смещения броуновской частицы от макроскопических показателей. (интересный факт: в одном из томов немецкого журнала «Анналы физики» (Annaen der Physik) за 1905 год были опубликованы три статьи Эйнштейна: статья с теоретическим разъяснением броуновского движения, статья об основах специальной теории относитель
но сти и, наконец, статья с описанием теории фотоэлектрического эффекта. Именно за последнюю Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году.)
В 1908 году французский физик Жан Батист Перрен (Jean-Baptiste Perrin, 1870-1942) провел блестящую серию опытов, подтвердивших правильность эйнштейновского объяснения феномена броуновского движения. Стало окончательно ясно, что наблюдаемое «хаотичное» движение броуновских частиц — следствие межмолекулярных соударений. Поскольку «полезные математические условности» (по Маху) не могут привести к наблюдаемым и совершенно реальным перемещениям физических частиц, стало окончательно ясно, что спор о реальности атомов окончен: они существуют в природе. В качестве «призовой игры» Перрену досталась выведенная Эйнштейном формула, которая позволила французу проанализировать и оценить среднее число атомов и/или молекул, соударяющихся с взвешенной в жидкости частицей за заданный промежуток времени и через этот показатель рассчитать молярные числа различных жидкостей. В основе этой идеи лежал тот факт, что в каждый данный момент времени ускорение взвешенной частицы зависит от числа соударений с молекулами среды (см. законы механики ньютона), а значит, и от числа молекул в единице объема жидкости. А это не что иное, как число Авогадро (см. закон авогадро) — одна из фундаментальных постоянных, определяющих строение нашего мира.

РОБЕРТ БРОУН (Robert Brown, 1773-1858) — шотландский ботаник. Родился в Монтроузе (Montrose) в семье священника. Получил медицинское образование в Эдинбургском университете, работал военно-полевым хирургом. В 1798 году, познакомившись с Джозефом Бэнксом (Joseph Banks, 1743-1820), выдающимся ботаником своего времени, настолько заинтересовался этой наукой, что решил в корне изменить
свою карьеру и достиг в ботанике высот, которым его учитель позавидовал бы. В качестве натуралиста Броун плавал к берегам Австралии. Со временем занял пост главы ботанического отдела Британского музея. Открыл, идентифицировал, классифицировал и изучил морфологию множества растений. Однако прославился прежде всего благодаря открытию им броуновского движения.

Математика

Великая теорема Ферма
m
1630
Для целых чисел п больше 2 уравнение хп + у = іп не имеет ненулевых решений в натуральных числах

ВЕЛИКАЯ ТЕОРЕМА ФЕРМА


Вы, наверное, помните со школьных времен теорему Пифагора: квадрат гипотенузы прямоугольного треугольника равен сумме квадратов катетов. Возможно, вы помните и классический прямоугольный треугольник со сторонами, длины которых соотносятся как 3 : 4 : S. Для него теорема Пифагора выглядит так:
З2 + 42 = S2.
Это пример решения обобщенного уравнения Пифагора в ненулевых целых числах при n = 2. Великая (ее также называют «Большой теоремой Ферма» или «Последней теоремой Ферма») состоит в утверждении, что при значениях n > 2 уравнения вида х" + у" = zn не имеют ненулевых решений в натуральных числах.
История Великой теоремы Ферма весьма занимательна и поучительна, и не только для математиков. Пьер де Ферма внес вклад в развитие самых различных областей математики, однако основная часть его научного наследия была опубликована лишь посмертно. Дело в том, что математика для Ферма была чем-то вроде хобби, а не профессиональным занятием. Он переписывался с ведущими математиками своего времени, однако публиковать свои работы не стремился. Научные труды Ферма в основном обнаружены в форме частной переписки и обрывочных записей, часто сделанных на полях различных книг. Именно на полях (второго тома древнегреческой «Арифметики» Диофанта. — Прим. переводчика) вскоре после смерти математика потомки и обнаружили формулировку знаменитой теоремы и приписку:
«Я нашел этому поистине чудесное доказательство, но поля эти для него слишком узки».
Увы, судя по всему, Ферма так и не удосужился записать найденное им «чудесное доказательство», и потомки безуспешно искали его три с лишним века. Из всего разрозненного научного наследия Ферма, содержащего немало удивительных утверждений, именно Великая теорема упорно не поддавалась решению.
Кто только не брался за доказательство Великой теоремы Ферма — все тщетно! Другой великий французский математик Рене Декарт (Rene Descartes, 1S96-16S0) называл Ферма «хвастуном», а английский математик Джон Уоллис (John Wais, 16161703) — и вовсе «чертовым французом». Сам Ферма, правда, все-таки оставил после себя доказательство своей теоремы для случая n = 4. С доказательством для n = 3 справился великий швейцарско-российский математик XVIII века Леонард Эйлер (1707-83), после чего, не сумев найти доказательств для n > 4, в шутку предложил устроить обыск в доме Ферма, чтобы найти ключ к утерянному доказательству. В XIX веке новые методы теории чисел позволили доказать утверждение для многих целых чисел в пределах 200, однако опять же не для всех.
В 1908 году была учреждена премия в размере 100 000 немецких марок за решение этой задачи. Призовой фонд был завещан гер
манским промышленником Паулем Вольфскелем (Pau Wofskeh), который, согласно преданию, собирался покончить жизнь самоубийством, но так увлекся Великой теоремой Ферма, что передумал умирать. С появлением арифмометров, а затем и компьютеров планка значений n стала подниматься все выше — до 617 к началу Второй мировой войны, до 4001 в 1954 году, до 125 000 в 1976 году. В конце XX столетия мощнейшие компьютеры военных лабораторий в Лос-Аламосе (Нью-Мексико, США) были запрограммированы на решение задачи Ферма в фоновом режиме (по аналогии с режимом экранной заставки персонального компьютера). Таким образом удалось показать, что теорема верна для невероятно больших значений x, y, z и n, но строгим доказательством это послужить не могло, поскольку любые следующие значения n или тройки натуральных чисел могли опровергнуть теорему в целом.
Наконец в 1994 году английский математик Эндрю Джон Уайлс (Andrew John Wies, р. 1953), работая в Принстоне, опубликовал доказательство Великой теоремы Ферма, которое после некоторых доработок было признано исчерпывающим. Доказательство заняло более ста журнальных страниц и основывалось на использовании современного аппарата высшей математики, который в эпоху Ферма разработан не был. Так что же тогда имел в виду Ферма, оставляя на полях книги сообщение о том, что доказательство им найдено? Большинство математиков, с которыми я беседовал на эту тему, указывали, что за века накопилось более чем достаточно некорректных доказательств Великой теоремы Ферма, и что, скорее всего, сам Ферма нашел подобное доказательство, однако не сумел усмотреть в нем ошибку. Впрочем, не исключено, что все-таки имеется какое-то короткое и изящное доказательство Великой теоремы Ферма, которое никто до сих пор не нашел. С уверенностью можно утверждать лишь одно: сегодня мы точно знаем, что теорема верна. Большинство математиков, я думаю, безоговорочно согласятся с Эндрю Уайлсом, который заметил по поводу своего доказательства: «Теперь наконец мой ум спокоен».

ПЬЕР ДЕ ФЕРМА (Pierre de Fermat, 1601-65) — французский математик и юрист. Родился в Бомон-де-Ломань (Beaumont-de-Lomagne). Изучал право, работал судьей. В свободное время увлекался математикой и внес значительный вклад в развитие различных отраслей этой науки, за что получил прозвище «король любителей». Помимо теории чисел (так называется область математики, к которой относится Великая теорема
Ферма) еще до Ньютона разработал многие основы дифференциального исчисления,а совместно с Блезом Паскалем (Baise Pasca, 1623-62) основал теорию вероятностей. В оптике сформулировал принцип ферма, согласно которому преломление света на границе двух сред обусловлено различной скоростью распространения света в различных средах.

Вечный двигатель
Можно построить двигатель, который будет работать вечно или еще лучше, который будет неиссякаемым источником энергии

Свойственное человеческой натуре упрямство не дает людям смириться с непреложностью законов природы. Самым ярким свидетельством этому служит настойчивая вера в то, что можно построить вечный двигатель — двигатель, который будет работать бесконечно долгое время без какой-либо внешней помощи. Как ученый, занимающийся еще и общественной деятельностью, я каждый год получаю хотя бы одно письмо, уведомляющее о проекте создания такого двигателя. Иногда авторы писем предлагают мне проценты от доходов, которые можно будет получить от такого двигателя, если я обращу на него внимание соответствующих организаций.
Существует два типа вечных двигателей — те, что нарушают и первое, и второе начала термодинамики, и те, что нарушают только второе из них. Вот пример двигателя первого типа: металлический шар, расположенный между северным и южным полюсами магнита. Тяжелый металлический экран заслоняет шар от северного полюса, поэтому, если шар отпустить, он начнет двигаться к южному полюсу. При приближении его к южному полюсу металлический экран у северного полюса поднимается, в то время как другой экран между шаром и южным полюсом опускается. Шар меняет направление движения, начиная катиться обратно к северному полюсу. Точно в нужный момент экран у северного полюса падает, и шар начинает катиться обратно к южному полюсу. Как предположительно должен работать двигатель? Энергия извлекается из катящегося шара, и, если экраны расположены на концах такого балансира, на их поднимание и опускание энергия не тратится.
Недостаток этого двигателя в том, что если металлический экран движется в магнитном поле, то, согласно закону электромагнитной индукции фарадея, в металле обязательно возникнет электрический ток. Это означает, что будет происходить утечка энергии из системы вследствие работы закона ома. Легко видеть, что, если магниты достаточно сильны, чтобы заставить шар двигаться, они будут также достаточно сильны, чтобы вызывать большие потери сопротивления в металлических экранах при их опускании, поэтому двигатель, который на бумаге выглядит столь привлекательно, просто не будет работать.
Некоторые изобретатели предлагали более сложные вечные двигатели, и требовалось более тонкое понимание вопроса, чтобы увидеть изъяны в их конструкции. Но изъяны находятся всегда, вот почему ни одного такого двигателя мы не видели в работе. В середине ХХ века этот факт был признан Патентным бюро США. измученное потоком патентных заявок на вечные двигатели, бюро объявило, что в будущем любая такая заявка должна сопровождаться работающей моделью. С тех пор заявители его больше не беспокоили.

вечный двигатель

58

Витализм
Существует особая сила, благодаря которой в биологических системах образуются молекулы

Древний • САМОЗАРОЖДЕНИЕ мир ЖИЗНИ

1828 • СИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ

XIX — • ВИТАЛИЗМ

нач. XX
1958

В начале XIX века в развитии химии был достигнут большой прогресс. ПереОСМЫСЛеННаЯАТОМНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
помогла понять сложный состав большинства найденных в природе веществ. Оставалась одна проблема — казалось, что многие молекулы существуют только в биологических системах. Поэтому химики заговорили о так называемой «жизненной силе», присущей только живым организмам. Считалось, что благодаря этой силе возникают молекулы, которые не могут быть воспроизведены в неживой природе.
Типичным примером таких органических молекул может служить вещество под названием мочевина. Молекулы мочевины имеют химическую формулу СО(ЪГН2)2. С их помощью у большинства животных происходит выделение неусвоенного азота, поступившего с пищей. К примеру, человеческая моча содержит 2-5% мочевины.
В 1828 году Фридрих Вёлер совершил важный прорыв, синтезировав мочевину в лаборатории из стандартных химикатов. Его открытие было убедительным доказательством того, что для создания органических молекул не требуется никакой жизненной силы и что они образуются по тем же законам, что и любые другие молекулы. После работ Вёлера понятие жизненной силы полностью исчезло со сцены.
С юмором (наличие которого обычно не предполагают в немецких ученых-академистах) Вёлер в письме другу рассказал о своем открытии следующими словами: «Я больше не могу, образно говоря, сдерживать свою химическую мочу, и должен сообщить, что я произвожу мочевину без помощи почки, человеческой или собачьей».
В действительности же идеи витализма (представления о жизненной силе) не так-то легко похоронить. Чтобы покончить с ними раз и навсегда, недостаточно только привести очевидные факты. Так, многие идеи «нового времени» являются почти не замаскированным витализмом. В 1930-е годы нечто похожее на витализм, но в более респектабельном виде, обозначилось в дискуссиях по поводу открытия очень сложных биологических молекул (их примером служит ДНК). Утверждалось, что законы, управляющие поведением атомов в сложных и простых молекулах, могут различаться. Поскольку в то время ученые еще мало работали со сложными молекулами, эту гипотезу нельзя было опровергнуть. Позже выяснилось, что это утверждение неверно: атомы водорода в молекуле ДНК подчиняются тем же законам, что и атомы водорода в любых других молекулах. По крайней мере, в этом случае оказалось, что природа устроена просто.

ВИТАЛИЗМ

59

Науки о жизни

Генетический код
Три пары оснований молекулы ДНК кодируют одну аминокислоту в белке

1865
1908
ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ ЗАКОН

1953
ХАРДИ—ВАЙНБЕРГА ДРЕЙФ ГЕНОВ
нач. 1960-х

ДНК
1961

РОДСТВЕННЫЙ ОТБОР
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
2000

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ

ПРОЕКТ «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»

Сегодня ни для кого не секрет, что программа жизнедеятельности всех живых организмов записана на молекуле ДНК. Проще всего представить молекулу ДНК в виде длинной лестницы. Вертикальные стойки этой лестницы состоят из молекул сахара, кислорода и фосфора. Вся важная рабочая информация в молекуле записана на перекладинах лестницы — они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — азотистые основания — называются аденин, гуанин, тимин и цитозин, но обычно их обозначают просто буквами А, Г, Т и Ц. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи — законченные ступеньки — лишь определенного типа. Это связи между основаниями А и Т и между основаниями Г и Ц (образованную таким образом пару называют «парой оснований»). Других типов связи в молекуле ДНК быть не может.
Спускаясь по ступенькам вдоль одной цепи молекулы ДНК, вы получите последовательность оснований. Именно это сообщение в виде последовательности оснований и определяет поток химических реакций в клетке и, следовательно, особенности организма, обладающего данной ДНК. Согласно центральной догме молекулярной биологии, на молекуле ДНК закодирована информация о белках, которые, в свою очередь, выступая в роли ферментов (см. катализаторы и ферменты), регулируют все химические реакции в живых организмах.
Строгое соответствие между последовательностью пар оснований в молекуле ДНК и последовательностью аминокислот, составляющих белковые ферменты, называется генетическим кодом. Генетический код был расшифрован вскоре после открытия двуспиральной структуры ДНК. Было известно, что недавно открытая молекула информационной, или матричной РНК (иРНК, или мРНК), несет информацию, записанную на ДНК. Биохимики Маршалл Уоррен Ниренберг (Marsha W. Nirenberg) и Дж. Генрих Маттеи (J. Heinrich Matthaei) из Национального института здравоохранения в городке Бетезда под Вашингтоном, округ Колумбия, поставили первые эксперименты, которые привели к разгадке генетического кода.
Они начали с того, что синтезировали искусственные молекулы иРНК, состоявшие только из повторяющегося азотистого основания урацила (который является аналогом тимина, Т, и образует связи только с аденином, А, из молекулы ДНК). Они добавляли эти иРНК в тестовые пробирки со смесью аминокислот, причем в каждой пробирке лишь одна из аминокислот была помечена радиоактивной меткой. исследователи обнаружили, что искусственно синтезированная ими иРНК инициировала образование белка лишь в одной пробирке, где находилась меченая аминокислота фенилаланин. Так они установили, что последовательность -У-У-У- на молекуле иРНК (и, следовательно, эквивалентную ей последовательность -А-А-А- на молекуле ДНК) кодирует белок, состоящий только из аминокис
лоты фенилаланина. Это было первым шагом к расшифровке генетического кода.
Сегодня известно, что три пары оснований молекулы ДНК (такой триплет получил название кодон) кодируют одну аминокислоту в белке. Выполняя эксперименты, аналогичные описанному выше, генетики в конце концов расшифровали весь генетический код, в котором каждому из 64 возможных кодонов соответствует определенная аминокислота.

Астрономия

Гипотеза газопылевого облака
Солнечная система образовалась в результате сжатия газопылевого облака

1736 • ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА

1755 • ГИПОТЕЗА
ГАЗОПЫЛЕВОГО ОБЛАКА

XX • эволюция ЗВЕЗД

1940 • ГИПОТЕЗА
ГИГАНТСКОГО СТОЛКНОВЕНИЯ

Гипотезы о том, как сформировалась Солнечная система, относятся к области космогонии — одного из старейших разделов теоретической астрономии. Первым такую гипотезу, исходя из общих умозрительных соображений, выдвинул немецкий философ Иммануил Кант (Immanue Kant, 1724-1804), однако по-настоящему научное развитие она получила в трудах Пьера Симона Лапласа, первым предпринявшего попытку объяснить механику образования Солнечной системы в рамках закона всемирного тяготения ньютона.
В начале сценария предполагается наличие газопылевой туманности. По чистой случайности отдельные области этой туманности оказываются плотнее окружающего их вещества и, следовательно, обладают большей массой. Тут в действие вступает сила тяготения, и окружающая материя начинает устремляться к этим центрам повышенной плотности, масса которых все возрастает. В конечном итоге материя в области каждого такого центра уплотняется настолько, что в результате гравитационного коллапса в каждой такой точке образуется звезда. Сегодня астрономы наблюдают в нашей Галактике достаточно много подобных центров формирования звезд.
В целом, остаточное газопылевое облако вокруг формирующейся звезды ведет себя хаотично, и частицы материи движутся внутри него во всех направлениях. и тут, опять же по чистой случайности, может оказаться, что большая часть газа и пыли оказываются «закрученными» в одну сторону. Соответственно, газопылевое облако вокруг формирующейся звезды приобретает чистый угловой момент количества движения. В соответствии с законом сохранения момента импульса дальнейшее сжатие (конденсация) облака в направлении центра приводит к увеличению угловой скорости вращения материи вокруг центральной части. В итоге после завершения стадии коллапса газопылевого облака, подавляющая часть его массы оказывается сосредоточенной в центре (где впоследствии сформируется звезда), а незначительная периферийная масса облака оказывается распределенной в экваториальной плоскости вращения протозвезды вокруг собственной оси. Происходит это в результате «сплющивания» остатков распыленного раскрученного вещества под действием центробежной силы. из вещества этого остаточного диска в дальнейшем формируются планеты.
В окружающем протозвезду остаточном газопылевом диске в результате хаотичных соударений частиц также начинают формироваться сгустки материи, которые в свою очередь начинают служить центрами притяжения для распыленного вокруг вещества. Вокруг них сначала формируются протопланеты, которые также выступают в роли источников гравитационного притяжения, в результате чего околосолнечное вещество расслаивается в кольца, а затем собирается в сгустки на определенных орбитах, из которых в конечном итоге и формируются планеты. Типоразмеры планет зависят от расстояния до новорожденной звезды. На небольшом

удалении от нее температуры из-за начавшейся внутри звезды термоядерной реакции (см. эволюция звезд) оказываются слишком высокими, и все легкоплавкие летучие вещества в основном просто испаряются в пространство, не имея возможности сконденсироваться в жидкое или твердое состояние. В результате ближние планеты земного типа оказываются небольшими и относительно плотными из-за преобладания в их составе тяжелых химических элементов — в Солнечной системе к этой категории относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс.
Вообще, этот период в эволюции Солнечной системы выглядит несколько странно, если исходить из основных современных гипотез и результатов компьютерного моделирования, полученных согласно этим гипотезам. С одной стороны, накопление вещества вокруг ядер-зародышей современных планет действительно должно было происходить в соответствии с вышеописанной моделью; с другой — такое моделирование предсказывает образование еще 10-12 планет размером с Марс. Сегодня выдвигается гипотеза, что эти протопланеты попросту рассыпались в результате затяжной партии в небесный бильярд, в которую они оказались втянутыми, после чего часть их вещества осела на «успешно» сформировавшихся планетах, избежавших разрушения в результате череды соударений, а часть вещества была буквально вышвырнута на периферию Солнечной системы под воздействием мощного гравитационного поля Юпитера. Таким образом, в нашей Солнечной системе, скорее всего, до сих пор кружится, по большей части на большом удалении от Солнца, значительная масса про-топланетных тел.
Луна — естественный спутник Земли — часто также классифицируется астрономами как самостоятельная планета земного типа, однако последние данные свидетельствуют, скорее, в пользу гипотезы гигантского столкновения, согласно которой Луна сформировалась позже других планет земного пояса в результате падения на раннюю Землю еще одной планеты размером с Марс и последующего выброса вещества на околоземную орбиту. Вообще, подобные столкновения на ранней стадии формирования Солнечной системы были явлением распространенным. Это, кстати, объясняет и еще одну загадку Солнечной системы. Угловые скорости вращения планет вокруг собственной оси (иными словами, продолжительность солнечных «суток» на планетах) варьируют в весьма широких пределах. В случае Венеры наблюдается уникальное явление ретроградного суточного вращения: эта планета вращается в противоположную по сравнению со всеми прочими планетами сторону. Такое отличие трудно увязать с размеренным, упорядоченным формированием планетной системы. Однако, если предположить, что итоговое собственное вращение планеты вокруг оси сложилось в результате суммы импульсов, полученных ею в результате мощных соударений с другими протопланетами, все становится на свои места.
На большем удалении от молодого Солнца на ранней стадии формирования планетной системы было не так жарко, и там сформировались планеты иного типа. Достаточно низкие температуры не препятствовали конденсации и кристаллизации относительно легких химических элементов, в результате чего сформировались сверхмассивные твердокристаллические ядра из скальных пород и льда. Обладая мощным гравитационным полем, они захватили из окрестных газопылевых скоплений значительные объемы легких и летучих веществ — гелия и водорода, образовавших их океаны и/или атмосферу, — и стали еще массивнее (планеты земного типа с их слабым гравитационным полем на это оказались не способны). К категории так называемых газовых гигантов нашей Солнечной системы относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. При огромных по сравнению с планетами земного типа размерах эти планеты характеризуются очень низкой средней плотностью вещества. Плотность Сатурна, например, вообще ниже плотности воды, так что, если бы нашелся океан сопоставимых с этой планетой размеров, Сатурн плавал бы в нем, как поплавок. Тем не менее, согласно современным гипотезам, внутри этих газожидкостных гигантов все-таки есть достаточно массивное плотное ядро из твердого вещества, напоминающее собой планету земного типа и образовавшееся аналогичным образом.
Особый случай представляет собой Плутон, — последняя из открытых «настоящих» планет Солнечной системы. По размеру он сопоставим с планетами земной группы и представляет собой, по сути, огромную глыбу льда летучих элементов. Долгое время ученые считали Плутон не то курьезным недоразумением, не то захваченным Солнечной системой инородным телом. Однако открытие в 1990-х годах так называемого «пояса Койпера», подобного поясу астероидов, — еще одного пояса малых планет, многие из которых движутся по очень вытянутым, «неправильным» орбитам, — заставило астрофизиков пересмотреть свои взгляды. Расположенный за орбитой Нептуна пояс Койпера — основной «поставщик» комет, залетающих в окрестности Солнца. Согласно современным взглядам, Плутон скорее всего представляет собой все-таки самое крупное небесное тело пояса Койпера — зародыш так и не сформировавшейся крупной планеты, вращающийся среди миллионов более мелких «отбросов» Солнечной системы.
Такая картина формирования планетной системы хорошо объясняет многие наблюдаемые характеристики Солнечной системы: небольшие размеры, тяжелый элементный состав и конденсированное состояние внутренних планет; большие размеры, легкий элементный состав и жидкостно-газообразное состояние внешних планет; единое направление движения планет по орбитам вокруг Солнца. В 1995 году астрономами были получены первые доказательства существования планетных систем у других звезд и выяснены некоторые их характеристики (это удалось сделать по замерам циклических отклонений звезд от их среднестатистичес

кого положения в пространстве, вызванных силой гравитационного притяжения обращающихся вокруг них планет). Благодаря этому сегодня мы точно знаем о том, что за пределами Солнечной системы планет существует гораздо больше, чем внутри нее: на момент написания этой статьи открыто 83 планеты в 71 звездной системе (теперь, когда вы читаете эти строки, число открытых планет еще возросло). Однако лишь одна из открытых планетных систем похожа на нашу Солнечную систему. Во всех остальных, судя по всему, планеты движутся вокруг своей звезды по сильно вытянутым эллиптическим траекториям, в то время как в нашей Солнечной системе орбиты всех планет, за исключением Плутона, приближаются к круговым. Кроме того, в большинстве этих систем все планеты обращаются вокруг звезд на расстояниях, не превышающих радиус орбиты Меркурия. У некоторых планет период обращения вокруг их солнца и вовсе составляет всего несколько земных суток.
Кроме планетных систем астрономам на сегодняшний день удалось открыть целый ряд околозвездных дисков — сплющенных газопылевых облаков вокруг молодых звезд. А это служит хорошим подтверждением гипотезы образования планетных систем из газопылевых облаков, пусть даже планетных систем, подобных нашей, открыты лишь считанные единицы.

Пьер Симон ЛАПЛАС (Pierre Simon Marquis de Lapace, 1749-1827) — французский математик, физик и астроном. Родился в семье фермера в местечке Бомон-ан-Ож (Beaumont-en-Auge). Благодаря рано проявленным способностям и благоволению крупного поместного дворянина, у которого отец будущего ученого арендовал землю, окончил местную школу Ордена монахов-бенедиктинцев, после чего получил возможность продолжить образование в университете г. Кан (Caen). В дальнейшем ученый внес огромный вклад в развитие математической физики в рамках классической механики Ньютона, применил закон всемирного тяго -тения ньютона к теории строения Солнечной системы. Вскоре после Великой французской революции был
исключен из Академии «за недостаток республиканской добродетели и ненависти к королям» и в 1793 году бежал с семьей из Парижа и, находясь, фактически, на нелегальном положении, написал научно-популярную книгу «Изложение системы мира», где и сформулировал свою гипотезу происхождения Солнечной системы. По завершении периода якобинского террора, вернувшись в Париж, опубликовал монументальный многотомный труд «Трактат о небесной механике» (Traite de mechanique ceeste, 1796), заложивший основы нового раздела физической науки, который с тех пор так и именуется «небесной механикой». При Наполеоне занимал видные государственные посты, вплоть до поста министра внутренних
дел.

Гипотеза Геи

1783
Земля представляет собой единый живой организм
круговорот углерода в природе

кон. XVIII • цикл
преобразования горной породы

1886 • кРУГОВОРОт АЗОтА
в природе

кон. XIX • круговорот воды в природе

1910-е • циклы
МилАНкОВичА

1960-е • тектоника Плит

1979 • ГИПОТЕЗА ГЕИ

Гея — греческая богиня, которая вывела мир из хаоса. Гипотезу Геи выдвинул английский ученый Джеймс Давлок, работавший в НАсА в начале 1960-х годов, в период, когда только начинались поиски жизни в Солнечной системе. Исходя из того факта, что земная атмосфера значительно отличается от атмосфер безжизненных планет, Давлок утверждал, что наша планета и ее биосфера представляют собой некий живой организм. Он говорил: «Земля — больше, чем просто дом, это живой организм, и мы являемся его частью».
Как относиться к этой гипотезе, непонятно. Ведь в ней нет четко определенных выводов, которые можно было бы проверить экспериментально, а такая проверка требуется любой научной теории. Некоторые (в том числе и автор этих строк) считают, что эту гипотезу лучше рассматривать как литературную метафору — возможно, полезную при рассуждении о планетах, но недостаточно точную. Но у нее есть и свои приверженцы среди серьезных ученых (например, американский биолог Динн Маргулис).
сторонники гипотезы отмечают, что она предполагает наличие механизма обратной связи со стороны живых организмов, благодаря чему планета остается пригодной для жизни. Приводится такой пример: повышение содержания углекислого газа в атмосфере приводит к усилению роста растений, что в свою очередь снижает уровень углекислого газа. Однако эти механизмы обратной связи хорошо известны и для их объяснения не требуется гипотеза Геи.
Значение же гипотезы состоит в том, что она способствовала развитию системного подхода к изучению Земли, при котором планета рассматривается как единое целое, а не как набор отдельных частей. Действительно, развитие наук о Земле в последние десятилетия ХХ века стимулировалось пониманием того, что различные части планеты — например, горные породы или океаны — нельзя исследовать в отрыве друг от друга. Именно поэтому соответствующие факультеты в американских университетах стали чаще называться факультетами науки о земных системах, а не геологическими, как раньше. Во многом эта перемена была вызвана прогрессом в развитии вычислительной техники, но и гипотеза Геи также внесла свой вклад.



любых ограничений, связанных с влиянием международных компаний на направление научных исследований. два года спустя обнаружил присутствие в атмосфере хлорфторуглеродов (хФУ) (см. парниковый эффект). Яавлок стал широко известен благодаря гипотезе, впервые выдвинутой им в книге «Гея» (1979).

Гипотеза гигантского столкновения
Возможно, Луна образовалась в результате столкновения Земли с небесным телом, масса которого превышала массу Марса

1755 • гипотеза
газопылевого облака

1900 • радиоактивный распад

1940 ^ ГиПОтЕЗА
гигантского столкновения

1960-е ^ ТЕКТОНИКА ПЛИТ

среди всех внутренних планет солнечной системы Земля единственная имеет крупный спутник. Происхождение Дуны — одна из древнейших загадок астрономии, однако многие планетологи сегодня считают ее наконец-то решенной. сначала вопрос стоял следующим образом: почему средняя плотность лунного вещества в 1,5 с лишним раза ниже средней плотности земного при практически одинаковом химическом составе того и другого (3,6 против 5,5 ед. плотности воды)? После того как был получен ответ, согласно которому причина такого несоответствия заключается в отсутствии у Дуны в отличие от Земли плотного раскаленного железного ядра, вопрос встал по-другому: почему столь схожие по составу небесные тела — Земля и Дуна — имеют столь различную внутреннюю структуру?
Согласно гипотезе газопылевого обдака, планетные тела образуются из околозвездного вещества, распределенного в плоскости околосолнечной дисковой туманности, и, как следствие, должны обладать приблизительно одним и тем же химическим составом. Первоначальные теории происхождения Дуны можно условно подразделить на две категории: теории захвата и приливные теории.
Первая и самая древняя из них подразумевала, что Дуна представляет собой независимо сформировавшуюся в солнечной системе планету, оказавшуюся в непосредственной близости от Земли и захваченную ею в качестве спутника. однако эта теория не выдерживает сегодня никакой критики, поскольку динамика процесса захвата, в результате которого тело, двигавшееся по независимой гелиоцентрической орбите вокруг солнца, могло бы перейти на геоцентрическую и практически круговую орбиту вокруг Земли, противоречит всем известным физическим законам.
Конкурирующая приливная теория предполагала, что Земля в далеком прошлом вращалась вокруг своей оси значительно быстрее, чем сегодня, в результате чего на поверхности планеты возбуждались мощные центробежные силы, под воздействием которых (согласно большинству приливных теорий, их действие было усугублено гравитационным воздействием пролетавшего в непосредственной близости от Земли крупного небесного тела) от нашей планеты оторвался крупный кусок, который и оказался, в конечном итоге, на стационарной орбите вокруг Земли. Выдвигались даже гипотезы, будто Тихоокеанская впадина на поверхности Земли представляет собой «послеродовую травму», понесенную нашей планетой в результате рождения Луны.
исследования химического состава лунного вещества, однако, опровергают обе вышеописанные гипотезы. с одной стороны, Луна слишком близка к Земле по своему химическому составу, чтобы сформироваться вдали от нашей планеты; с другой — недостаточно близка, чтобы быть ее осколком.
В последние десятилетия ХХ века, однако, появилась и еще одна гипотеза, завоевавшая достаточное признание в научных

кругах. На раннем этапе формирования солнечной системы Земля и другие недавно сформировавшиеся планетные тела, будучи, по сути, еще практически целиком жидкими и состоящими из магмы современных геологических пород, подвергались интенсивной бомбардировке множеством более мелких новообразовавшихся тел размером с современные крупные астероиды. Кинетическая энергия падающих на Землю тел была столь высока, что, преобразуясь в тепловую, она поддерживала земное вещество в расплавленном состоянии, в результате чего и происходила его дальнейшая дифференциация: тяжелые железо и никель тонули в направлении центра Земли и формировали ее ядро, а более легкие вещества, шлаки и соли всплывали, образуя мантию и прообраз горных пород будущей земной коры (см. тектоника плит). именно на этой стадии или несколько позже, пока земная кора еще до конца не оформилась, в Землю врезалось небесное тело размером не меньше Марса. В результате этого катаклизма на околоземную орбиту оказалось буквально выплеснуто значительное количество вещества земной мантии и коры, из которых вскоре и сформировалась луна.
Эта теория, получившая название гипотезы гигантского столкновения (а неформально — гипотезы большого выплеска), объясняет и низкую плотность лунного вещества, и близость его химического состава к химическому составу вещества земной коры и мантии, поскольку земное ядро гигантским столкновением затронуто не было и на орбиту не попало. Решающие доводы в пользу этой гипотезы поступили на Землю вместе с образцами лунного грунта, доставленными американскими астронавтами из лунных экспедиций на борту «Аполлонов». В результате анализа соотношения различных изотопов кислорода (см. радиоактивный распад) в них удалось установить точное совпадение возраста лунных и земных минералов.

Гликолиз и дыхание
В основе метаболизма животных и других организмов лежат химические процессы извлечения энергии, накопленной углеводами

1729, • СУТОЧНЫЕ РИТМЫ сер. XX

Х1Х-ХХ • РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕРВНЫХ ИМПУЛЬСОВ

1937 • ГЛИКОЛИЗ И ДЫХАНИЕ

сер. • ИММУННАЯ СИСТЕМА 1960-х

В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в химических связях углеводных молекул, из которых наиболее важную роль играет шестиуглеродный сахар — глюкоза. После того как другие живые организмы используют эти молекулы в пищу, запасенная энергия выделяется и используется для метаболизма. Это происходит во время процессов гликолиза и дыхания. Весь химический процесс можно коротко описать так:
глюкоза + кислород — углекислый газ + вода + энергия
Чтобы лучше понять эти процессы, представьте себе, что организм «сжигает» углеводы, чтобы получить энергию.
Термин «гликолиз» образован при соединении слова лизис, означающего «расщепление», со словом глюкоза. Как следует из названия, процесс начинается с химического извлечения энергии посредством расщепления молекулы глюкозы на две части, каждая из которых содержит три атома углерода. В процессе гликолиза из каждой молекулы глюкозы получается две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты. Кроме того, энергия глюкозы запасается в молекулах (см. биологические молекулы), которые мы называем «энергетической валютой» клетки, — двух молекулах АТФ и двух молекулах НАДФ. Таким образом, уже на первой стадии гликолиза энергия высвобождается в такой форме, которая может быть использована клетками организма.
Дальнейший ход событий зависит от наличия или отсутствия кислорода в среде. При отсутствии кислорода пировиноградная кислота превращается в другие органические молекулы в ходе так называемых анаэробных процессов. Например, в клетках дрожжей пировиног-радная кислота превращается в этанол. У животных, к которым относится и человек, при истощении запасов кислорода в мышцах пиро-виноградная кислота превращается в молочную кислоту — именно она вызывает так хорошо знакомое всем нам ощущение мышечной скованности после тяжелой физической нагрузки.
При наличии же кислорода энергия выделяется в процессе аэробного дыхания, когда пировиноградная кислота расщепляется на молекулы углекислого газа и воды с одновременным высвобождением оставшейся энергии, запасенной в углеводной молекуле. Дыхание происходит в специализированной клеточной орга-нелле — митохондрии. Вначале отщепляется один углеродный атом пировиноградной кислоты. При этом образуется углекислый газ, энергия (она запасается в одной молекуле НАДФ) и двухуглеродная молекула — ацетильная группа. Затем реакционная цепь поступает в метаболический координационный центр клетки — цикл Кребса.
Цикл Кребса (его также называют циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновых кислот) является примером хорошо знакомого в биологии явления—химической реакции, которая начинается, когда определенная входящая молекула соединяется с другой молекулой, выполняющей функцию «помощника». Такая комбинация инициирует серию других химических реакций, в которых образуются моле

Цикл Кребса — это повторяющаяся последовательность биохимических реакций, происходящих в процессе дыхания животных, растений и многих микроорганизмов. Здесь изображен его упрощенный вариант. Числа в скобках означают количество углеродных атомов в каждой органической молекуле

кулы-продукты и в конце воссоздается молекула-помощник, которая может начать весь процесс вновь. В цикле Кребса роль входящей молекулы играет ацетильная группа, образующаяся при расщеплении пировиноградной кислоты, а роль молекулы-помощника — четырех-углеродная молекула щавелевоуксусной кислоты. Во время первой химической реакции цикла эти две молекулы соединяются с образованием шестиуглеродных молекул лимонной кислоты (этой кислоте цикл обязан одним из своих названий). Далее происходят восемь химических реакций, в которых сначала образуются молекулы-переносчики энергии и углекислый газ, а затем новая молекула щавеле-воуксусной кислоты. Для переработки энергии, запасенной в одной молекуле глюкозы, цикл Кребса нужно пройти дважды. Чистая прибыль оказывается равной двум молекулам АТФ, четырем молекулам углекислого газа и десяти другим молекулам-переносчикам энергии (о них немного позже). Углекислый газ, в конечном счете, диффундирует из митохондрии и выделяется при выдохе.
Цикл Кребса принципиально важен для жизни не только потому, что в нем образуется энергия. Помимо глюкозы в него могут вступать многие другие молекулы, также образующие пирови-ноградную кислоту. Например, когда вы соблюдаете диету, организму не хватает потребляемой вами глюкозы для поддержания метаболизма, поэтому в цикл Кребса, после предварительного расщепления, вступают липиды (жиры). Вот почему вы теряете вес. Кроме того, молекулы могут покидать цикл Кребса, чтобы принять участие в построении новых белков, углеводов и липидов. Таким образом, цикл Кребса может принимать энергию, сохраненную в разной форме во многих молекулах, и создавать на выходе разнообразные молекулы. С энергетической точки зрения чистый результат цикла Кребса состоит в том, чтобы завершить извлечение энергии, запасенной в химических связях глюкозы, передать небольшую часть этой энергии молекулам АТФ и запасти остальную энергию в других молекулах-переносчиках энергии. (Говоря об энергии химических связей, не надо забывать, что для разделения соединенных атомов необходимо совершить работу.) На заключительном этапе дыхания эта оставшаяся энергия высвобождается из молекул-переносчиков и также запасается в АТФ. Молекулы, запасающие энергию, перемещаются внутри митохондрии, пока не столкнутся со специализированными белками, погруженными во внутренние мембраны митохондрии. Эти белки отнимают электроны у переносчиков энергии и начинают передавать их по цепи молекул — наподобие

цепочки людей, передающих ведра с водой на пожаре, — извлекая энергию, запасенную в химических связях. Извлеченная на каждом этапе энергия запасается в форме АТФ. На последнем этапе электроны соединяются с атомами кислорода, которые далее объединяются с ионами водорода (протонами), образуя воду. В цепи переноса электронов образуется не менее 32 молекул АТФ — 90% энергии, хранившейся в исходной молекуле глюкозы.
Превращение энергии в цикле Кребса включает в себя довольно сложный процесс хемиосмотического сопряжения. Этот термин указывает на то, что в высвобождении энергии наряду с химическими реакциями участвует осмос — медленное просачивание растворов через органические перегородки. По сути дела, электроны с переносчиков энергии, являющихся продуктом цикла Кребса, переносятся по транспортной цепочке и поступают на белки, погруженные в мембрану, которая разделяет внутренний и внешний компартменты (отсеки) митохондрии. Энергия электронов используется для перемещения ионов водорода (протонов) во внешний компартмент, служащий «энергохранилищем» — наподобие водохранилища, образовавшегося перед плотиной. При оттоке протонов через мембрану энергия используется для образования АТФ, подобно тому как вода перед плотиной используется для производства электричества при падении на генератор. Наконец, во внутреннем компартменте митохондрии ионы водорода соединяются с молекулами кислорода с образованием воды — одного из конечных продуктов метаболизма.
Этот рассказ о гликолизе и дыхании иллюстрирует, насколько далеко зашли современные представления о живых системах. Простое высказывание о конкретном процессе — например, что для метаболизма необходимо «сжигать» углеводы — влечет за собой невероятно подробное описание сложных процессов, происходящих на молекулярном уровне и с участием огромного количества различных молекул. Осмысление современной молекулярной биологии в чем-то сродни чтению классического русского романа: вам легко понять каждое взаимодействие между персонажами, но, дойдя до страницы 1423, вы вполне можете забыть, кем приходится Петр Петрович Алексею Алексеевичу. Точно так же каждая химическая реакция в только что описанной цепи кажется понятной, но, дочитав до конца, вы будете поражены непостижимой сложностью процесса. В качестве утешения замечу, что я чувствую себя так же.

Ханс Адольф КРЕБО (Hans Adof Krebs, 1900-81) — британский биохимик, выходец из Германии. Родился в Хилдесхайме (Германия) в еврейской семье отоларинголога. В 1925 году получил степень доктора медицины в Гамбургском университете и начал исследования в Фрейбургском университете. В 1933 году, после того как к власти в Германии пришли нацисты,
Кребс эмигрировал в Англию, где работал вначале в Шеффилдском (1935-54), а затем в Оксфордском университете. В Шеффилде Кребс определял относительное содержание различных молекул в тканях свиньи после вдоха, и в 1937 году воспроизвел химический цикл, который теперь носит его имя и за который в 1953 году он был удостоен Нобелевской премии в области физиологии и медицины.

демон Максвелла

1850
Возможно ли нарушение второго начала термодинамики?
1867
термодинамика, второе начало

ДЕМОН МАКСВЕЛЛА

1927
принцип
неопределенности гейзенберга

Джеймс Кларк Максвелл, прославленный физик-теоретик второй половины XIX века, внесший огромный вклад в развитие электромагнитной и молеку-лярно-кинетической теории

В науке, как и в художественной литературе, встречаются фантастические персонажи. Пожалуй, больше всего их было вымышлено
В процессе обсуждения второго начала термодинамики.
Самым популярным из них стал демон Максвелла, которого придумал Джеймс Кларк Максвелл, автор знаменитой системы уравнений максвелла, полностью описывающей электромагнитные поля. Второе начало (или закон) термодинамики имеет множество формулировок, физический смысл которых, однако же, идентичен: изолированная система не может самопроизвольно переходить из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Так, газ, состоящий из молекул, движущихся с различными скоростями, не может самопроизвольно разделиться на две части, в одной из которых соберутся молекулы, движущиеся в среднем быстрее среднестатистической скорости, а в другой — медленнее.
Многие физические процессы относятся к категории обратимых. Воду, например, можно заморозить, а полученный лед снова растопить, и мы получим воду в прежнем объеме и состоянии; железо можно намагнитить, а затем размагнитить и т. п. При этом энтропия (степень упорядоченности) системы в начальной и конечной точке процесса остается неизменной. Есть и необратимые в термодинамическом понимании процессы — горение, химические реакции и т. п. То есть, согласно второму началу термодинамики, любой процесс в итоге приводит либо к сохранению, либо к снижению степени упорядоченности системы. Такая дисгармоничная ситуация сильно озадачила физиков второй половины XIX столетия, и тогда Максвелл предложил парадоксальное решение, позволяющее, казалось бы, обойти второе начало термодинамики и обратить неуклонный рост хаоса в замкнутой системе. Он предложил следующий «мысленный эксперимент»: представим себе герметичный контейнер, разделенный надвое газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единственная дверца размером с атом газа. В начале опыта в верхней части

контейнера содержится газ, а в нижней — полный вакуум.
Теперь представим, что к дверце приставлен некий микроскопический вахтер, зорко следящий за молекулами. Быстрым молекулам он дверцу открывает и пропускает их за перегородку, в нижнюю половину контейнера, а медленные оставляет в верхней половине. Понятно, что если такой мини-вахтер будет дежурить у дверцы достаточно долго, газ разделится на две половины: в верхней части останется холодный газ, состоящий из медленных молекул, а в нижней скопится горячий газ из

быстрых молекул. Тем самым система упорядочится по сравнению с исходным состоянием, и второе начало термодинамики будет нарушено. Мало того, разницу температур можно будет использовать для получения работы (см. цикл и теорема карно). Если такого вахтера оставить на дежурстве навечно (или организовать сменное дежурство), мы получим вечный двигатель.
Этот забавный вахтер, которому остроумные коллеги ученого дали прозвище демон Максвелла, до сих пор живет в научном фольклоре и волнует умы ученых. Действительно, вечный двигатель человечеству бы не повредил, но вот беда: судя по всему, чтобы демон Максвелла заработал, ему самому потребуется энергопитание в виде притока фотонов, необходимых для освещения приближающихся молекул и их просеивания. Кроме того, просеивая молекулы, демон и дверца не могут не вступать с ними во взаимодействие, в результате чего они сами будут неуклонно получать от них тепловую энергию и наращивать свою энтропию, в результате чего суммарная энтропия системы все равно уменьшаться не будет. То есть таким объяснением теоретическая угроза второму началу термодинамики была отведена, но не безоговорочно.
Первый по-настоящему убедительный контраргумент был сформулирован вскоре после зарождения квантовой механики. Для сортировки подлетающих молекул демону нужно измерять их скорость, а сделать это с достаточной точностью он не может в силу принципа неопределенности гейзенберга. Кроме того, в силу этого же принципа он не может точно определить и местонахождение молекулы в пространстве, и часть молекул, перед которыми он распахивает микроскопическую дверцу, с этой дверцей разминутся. Иными словами, демон Максвелла на поверку оказывается макроскопическим слоном в посудной лавке микромира, который живет по собственным законам. Приведите демона в соответствие с законами квантовой механики, и он окажется не в состоянии сортировать молекулы газа и просто перестанет представлять какую-либо угрозу второму началу термодинамики.
Другой веский аргумент против возможности существования демона-вахтера появился уже в компьютерную эру. Предположим, что демон Максвелла — это компьютерная автоматизированная система управления открыванием дверцы. Система производит побитовую обработку входящей информации о скорости и координатах приближающихся молекул. Пропустив или отклонив молекулу, система должна произвести сброс прежней упорядоченной информации, а это равносильно повышению энтропии на величину, равную снижению энтропии в результате упорядочивания газа при пропускании или отклонении молекулы, информация о которой стерта из оперативной памяти компьютерного демона. Сам компьютер, к тому же, также греется, так что и в такой модели в замкнутой системе, состоящей из газовой камеры и автоматизированной пропускной системы, энтропия не убывает и второй закон термодинамики выполняется.
Жаль демона — симпатичный был персонаж.

детерминизм
Если известны начальные условия системы, можно, используя законы природы, предсказать ее конечное состояние

Одно из основных положений научного метода состоит в том, что мир предсказуем — то есть для данного набора обстоятельств есть только один возможный (и предсказуемый) исход. Эта философская доктрина известна под названием «детерминизм». Возможно, лучший пример детерминистической системы получится из сочетания законов механики ньютона и закона всемирного
тяготения ньютона. Если вы примените эти законы к единственной планете, вращающейся вокруг звезды, и запустите планету с заданного места с заданной скоростью, вы можете предсказать, где она будет в любой момент времени в будущем. Так возникла идея «часового механизма Вселенной», имевшая огромное влияние не только на развитие науки, но и на появление такого философско-культурного движения, как Просвещение, которое достигло своего расцвета в XVIII веке.
Как философская доктрина детерминизм играл (и продолжает играть) важную роль в науке. Однако на практике не всегда легко предсказать, какой будет система в конце своего существования (ученые называют это конечным состоянием системы), даже если известны начальные условия. Например, довольно просто рассчитать орбиту единственной планеты в вышеприведенном примере. Но введите еще две-три планеты в систему, и все значительно усложнится. Каждая планета действует своей силой притяжения на все остальные планеты и в свою очередь испытывает их влияние. Найти точное решение такой задачи многих тел, как ее называют астрономы, практически невозможно.
В XIX веке было обещано вознаграждение тому, кто первым сможет ответить, стабильна ли Солнечная система. Вопрос о стабильности можно переформулировать так: если бы вы могли оказаться в далеком будущем, увидели бы вы все планеты точно там, где они находятся сегодня, так же расположенными друг относительно друга и движущимися с той же скоростью? Это чрезвычайно трудный вопрос. На него нельзя ответить однозначно, поскольку в Солнечной системе девять планет, не считая их спутников, астероидов и комет, у которых есть свои собственные маленькие спутники с неизвестными нам орбитами. Хотя Солнечная система и приводится как показательный пример часового механизма Вселенной и принципа детерминизма, но ее будущее не всегда можно точно предсказать.
Это наличие большого количества разнообразных факторов, влияющих на движение планет, в первой половине XX века сыграло важную роль в экспериментальном подтверждении общей теории относительности. У Меркурия, как и у всех остальных планет, орбита эллиптическая (см. законы кеплера). Если бы Солнечная система состояла только из Меркурия и Солнца, то Меркурий двигался бы все время по одному и тому же эллипсу. Однако из-за влияния других планет этот эллипс с каждым оборотом планеты вокруг Солнца немного искривляется. По мере движения планеты ближайшая к Солнцу точка орбиты — перигелий — постепенно

смещается, причем смещается ненамного: каждые сто лет она сдвигается вокруг Солнца примерно на 1000 угловых секунд, то есть на четверть градуса. Почти все это смещение можно объяснить результатом гравитационного притяжения других планет — за исключением 43 угловых секунд за столетие.
До того как Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности, феномен с перигелием Меркурия был всего-навсего очередной необъяснимой загадкой Вселенной — никто не знал, чем вызвано это смещение, хотя, честно говоря, немногие астрономы вообще обращали на это внимание. Но когда орбиту Меркурия рассчитали исходя из уравнений общей теории относительности, к ньютоновскому закону всемирного тяготения применили маленькую поправку, которой оказалось достаточно для объяснения этого смещения перигелия планеты. Орбиты всех планет, включая Землю, тоже испытывают смещение перигелия, как и Меркурий, просто у Меркурия оно наиболее выражено и его проще измерить, поскольку Меркурий расположен ближе всех к Солнцу и поэтому имеет самую высокую орбитальную скорость (в соответствии с законами Кеплера). В настоящее время измерены смещения перигелиев всех внутренних планет с использованием современных радиолокационных методов определения дальности, и они подтвердили предсказания общей теории относительности.
Итак, если ставки достаточно высоки, ученые будут прокладывать свой путь сквозь запутанные силы притяжения в Солнечной системе, чтобы проникнуть в суть таких явлений, как смещение перигелия. Однако вопрос о стабильности остается нерешенным. Возможно, эта проблема и в самом деле неразрешима, да и награда за ее решение, надо сказать, довольно скромная. Пример Солнечной системы показывает, что даже для систем, полностью детерминистических в классическом ньютоновском смысле, возможность делать предсказания неочевидна.

детерминистический хаос
В природе существуют системы, в которых исход конкретной ситуации существенно зависит от измерения воздействия на входе и будущее поведение которых непредсказуемо для всех практических применений

ДЕТЕРМИНИСТИЧЕСКИЙ ХАОС

Принцип детерминизма — один из наиболее важных в современной науке. Он гласит: если мы знаем текущее состояние какой-либо системы в природе, мы можем применить наше знание законов природы для предсказания будущего поведения этой системы. Классическая ньютоновская «механическая» вселенная, в которой положение планет походило на движение стрелок многострелочных часов, а наше знание законов природы сводилось к пониманию устройства часового механизма — это наглядное представление данной концепции.
В XX веке ученые пришли к пониманию того, что в природе имеются системы, полностью детерминистические в ньютоновском смысле, тем не менее их будущее с точки зрения практического применения не поддается расчетам. Появление быстродействующих электронных вычислительных машин в 1980-е годы привело к тому, что это явление, известное как детерминистический хаос, или теория хаоса, стало областью активных научных исследований. Лучшая аналогия детерминистического хаоса — так называемая «белая вода» горных потоков. Если вы бросите в эту воду горной реки два листика один за другим, то ниже по течению они, вероятнее всего, окажутся далеко друг от друга. В системе, подобной этой, небольшое различие в начальных условиях (положение листиков) может привести к большому расхождению на выходе.
Большинство систем в природе не такие. Например, если вы уроните шар с высоты 5 метров и измерите его скорость при ударе о землю, а затем уроните этот же шар с высоты 5,0001 метра, то значения его скорости при ударе будут не очень отличаться. В системах, подобных этой, небольшие изменения начальных условий приводят к небольшим изменениям на выходе. Большинство известных нам систем в природе именно такого типа.
Однако даже для таких простых систем, как классические ньютоновские бильярдные шары, иногда сложно делать предсказания об их состоянии в будущем. К примеру, стандартная задача для студентов-дипломников по физике — показать, что даже случай с бильярдным шаром, отскакивающим от бортов на совершенно ровном столе, в итоге растворяется в неопределенности вследствие неточностей в измерении угла, под которым шар приближается к борту в самом начале.
Однако система горного потока иная, и открытие детерминистического хаоса — хорошая иллюстрация того, каким образом работают подобные системы. По современным стандартам, первые электронные вычислительные машины были очень медленными и имели очень маленькую память. В 1960-е годы Эдвард Лоренц (Edward Lorenz, р. 1917) и его коллеги в Массачусетском технологическом институте испытывали компьютерные модели климата Земли. Их компьютеры часто приходили к некоторому промежуточному состоянию в вычислениях, выводили эти промежуточные результаты на бумажную ленту в течение всей ночи и заканчивали

вычисления на следующий день. Они стали замечать, что вычисления, выполнявшиеся непрерывно от начала до конца, приводили к результатам, которые значительно отличались от результатов прерывавшихся вычислений. Они обнаружили, что это расхождение происходит из-за того, что компьютер округлял числа в промежуточных результатах. Например, для записи на ленту он выдал бы число 0,506, а если бы продолжал работать, то 0,506127. Это различие было достаточным для того, чтобы привести в итоге к совершенно различным прогнозам будущих состояний климата. Теперь мы знаем о существовании систем, которые гораздо чувствительнее к начальным условиям и в которых различие в восьмом знаке после запятой оказывает значительное влияние на конечный результат. (В технических терминах хаотическая система определяется как система, в которой выход экспоненциально зависит от изменений на входе.)
Дело в том, что, когда мы говорим об «определении» начального состояния, мы фактически говорим об измерении. Каждое измерение в реальном мире содержит ошибку — некоторую неточность в фактической величине. Например, если вы измеряете длину стола линейкой, на которой наименьшее деление — миллиметр, то в вашем определении неизбежно будет присутствовать ошибка в долю миллиметра. Аналогично, если в приведенном выше примере вы хотите определить положение листика в горном потоке, вы можете измерить расстояние между листиком и точкой на берегу. Всегда будет присутствовать небольшая погрешность в этом измерении, зависящая от точности используемого измерительного устройства. Если система хаотическая, вы можете много раз класть тот же самый листик, как вам кажется, на то же самое место и получать при этом различные результаты, поскольку вы никогда не сможете точно положить его на одно и то же место дважды.
Таким образом, для хаотических систем теоретически возможно предсказать будущий исход, но только в тех случаях, когда начальное состояние можно определить с абсолютной точностью. Поскольку такой точности достичь невозможно, эти системы для всех практических применений непредсказуемы. При этом важно понимать, что существование детерминистического хаоса не нарушает принципа детерминизма. Оно просто говорит, что при определенных обстоятельствах вы не сможете осуществить те виды измерений, которые вам нужны для определения текущего состояния системы с достаточной точностью в целях предсказания ее будущих состояний.
Иными словами, в хаотических системах имеется некоторое расхождение между детерминизмом (нашим пониманием законов, управляющих системой) и предсказанием (нашей способностью утверждать, что система будет делать). Это не значит, что такого расхождения не существовало в ньютоновской физике — мы видели, что оно есть. Это значит только, что до недавнего времени люди

не уделяли ему должного внимания: вероятно, они понимали, что решение проблемы предсказания — это вопрос времени. Теория хаоса научила нас, что расхождение не только реально — оно существует постоянно. Теперь мы понимаем, что система может быть детерминистической и предсказуемой теоретически, в то же время оставаясь непредсказуемой на практике.
Не так давно некоторые ученые попытались применить теорию хаоса в других областях, включая такие, как расчеты орбит планет Солнечной системы на очень долгие промежутки времени и фондовая биржа. Некоторое время назад группа физиков покинула свои лаборатории, чтобы воспользоваться теорией хаоса для продажи советов относительно ценных бумаг, однако я еще не видел ни одного из них на «Мерседесе». По всей видимости, много работы еще предстоит сделать, чтобы воплотить теорию в практику.

Диаграмма Герцш-прунга— Рассела
Звезды, если их нанести на диаграмму в соответствии с физическими характеристиками, разделяются на четко выраженные группы,
соответствующие разным стадиям их эволюции

1783 • ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

XX • эволюция ЗВЕЗД

1905- • диаграмма
1913 герцшпрунга— рассеяа

1931 • ПРЕДЕЛ
ЧАНДРАСЕКАРА

Звезды бывают множества типов. Есть звезды, диаметр которых в 30 раз превышает диаметр Солнца, и есть звезды размером всего лишь с большой земной город. Есть звезды настолько горячие, что основной цвет в спектре их излучения — фиолетовый, и есть звезды настолько «холодные», что даже темно-красный свет в их спектре выражен крайне тускло. В XIX веке в астрономии произошел перелом — ученые стали сходить с накатанного пути классической астрономии («Где это, и как и куда оно движется?») и переходить на рельсы астрофизики («Что это, и как оно устроено?»). Одной из первоочередных задач на этом пути стала задача хотя бы внешнего упорядочивания классификации наблюдаемых во Вселенной звезд. Это и привело к независимому созданию двумя астрофизиками диаграммы, которую сегодня принято в их честь называть диаграммой Герцшпрунга—Рассела (или, сокращенно, «диаграммы ГР»).
Диаграмма ГР — как это нередко бывает в науке — была практически одновременно разработана двумя учеными, совершенно самостоятельно работавшими на двух разных континентах. Генри Норрис Рассел — один из крупнейших американских астрономов начала XX века — долгие годы интересовался проблемой описания жизненного цикла звезд и, судя по всему, пришел к основной идее диаграммы еще в 1909 году, однако работа с ее представлением была опубликована лишь в 1913 году. Датчанин Эйнар Герцш-прунг пришел к тем же выводам, что и Рассел, несколькими годами раньше своего американского коллеги, однако опубликованы они были (в 1905-м и 1907 годах) в узкоспециализированном «Журнале научной фотографии» (Zeitschrift fuer Wissenschaeftiche Photographie), издающемся к тому же на немецком языке, и публикация эта поначалу попросту осталась незамеченной астрономами. Поэтому вплоть до середины 1930-х годов эту диаграмму принято было называть просто «диаграммой Рассела», пока не был обнаружен случившийся казус, после чего датчанину было воздано должное, и теперь диаграмма носит имена обоих ученых.
Диаграмма ГР представляет собой график, на котором по вертикальной оси отсчитывается светимость (интенсивность светового излучения) звезд, а по горизонтальной — наблюдаемая температура их поверхностей. Оба этих количественных показателя поддаются экспериментальному измерению при условии, что известно расстояние от Земли до соответствующей звезды. Чисто исторически сложилось так, что по горизонтальной оси х температуру поверхности звезд откладывают в обратном порядке: то есть, чем жарче звезда, тем левее она находится; это чистая условность, и я не вижу смысла в том, чтобы ее обсуждать и оспаривать. Смысл же всей диаграммы ГР заключается в том, чтобы нанести на нее как можно больше экспериментально наблюдаемых звезд (каждая из которых представлена соответствующей точкой) и по их расположению определить некие закономерности их распределения по соотношению спектра и светимости.

Любой звезде на диаграмме Герцшпрунга— Рассела обязательно найдется свое место. «Нормальные» звезды, включая Солнце, расположены в пределах диагональной ветви главной последовательности (место Солнца в главной последовательности вы можете определить по его спектральному бело-желтому цвету). Над главной последовательностью находятся ветви гигантов и сверхгигантов; под ней — ветвь белых карликов. По диаграмме можно проследить и эволюцию звезд. В частности, Солнце представлено в своем нынешнем положении, а пунктиром отмечены его предыстория и дальнейшая судьба

Выясняется, что это распределение носит отнюдь не случайный характер: по соотношению спектра со светимостью звезды делятся на три достаточно строгие категории или, как принято их называть в астрофизике, «последовательности». Из верхнего левого угла в правый нижний тянется так называемая главная последовательность. К ней относится, в частности, и наше Солнце. В верхней части главной последовательности расположены самые яркие и горячие звезды, а справа внизу — самые тусклые и, как следствие, долгоживущие.
Отдельно — правее и выше — расположена группа звезд с очень высокой светимостью, непропорциональной их температуре, которая относительно низка — это так называемые красные звезды-гиганты и сверхгиганты. Эти огромные звезды, условно говоря, светят, но не греют. Ниже и левее главной последовательности расположены карлики — группа относительно мелких и холодных звезд. Еще раз отметим, что подавляющее большинство звезд относится к главной последовательности, и энергия в них образуется путем термоядерного синтеза гелия из водорода (см. эволюция звезд).
На самом деле, три этих последовательности на диаграмме ГР строго соответствуют трем этапам жизненного цикла звезд. Красные гиганты и сверхгиганты в правом верхнем углу — это доживающие свой век звезды с до предела раздувшейся внешней оболочкой (через 6,5 млрд лет такая участь постигнет и наше Солнце — его внешняя оболочка выйдет за пределы орбиты Венеры). Они излучают в пространство примерно то же количество энергии, что и звезды основного ряда, но поскольку площадь поверхности, через которую излучается эта энергия, превосходит площадь поверхности молодой звезды на несколько порядков, сама поверхность гиганта остается относительно холодной.
Наконец, обратимся к левому нижнему углу диаграммы ГР: здесь мы видим так называемых белых карликов (см. предел ч а н -д расе к ара). Это очень горячие звезды — но очень мелкие, размером обычно не больше нашей Земли. Поэтому, излучая в космос относительно немного энергии, они по причине весьма незначительной (на фоне других звезд) площади их поверхностной оболочки светятся в достаточно ярком спектре, поскольку она оказывается достаточно высокотемпературной.
Вообще, по диаграмме Герцшпрунца—рассела можно проследить весь жизненный путь звезды. Сначала звезда главной

последовательности (подобная Солнцу) конденсируется из газопылевого облака (см. гипотеза газопылевого облака) и уплотняется до создания давлений и температур, необходимых для разжигания первичной реакции термоядерного синтеза, и, соответственно появляется где-то в основной последовательности диаграммы ГР. Пока звезда горит (запасы водорода не исчерпаны), она так и остается (как сейчас Солнце) на своем месте в основной последовательности, практически не смещаясь. После того как запасы водорода исчерпаны, звезда сначала перегревается и раздувается до размеров красного гиганта или сверхгиганта, отправляясь в правый верхний угол диаграммы, а затем остывает и сжимается до размеров белого карлика, оказываясь слева внизу.

Эйнар ГЕрцшпруНГ (Ejnar Hertzsprung, 1873-1967) — датский астроном. Родился в местечке Фреде-риксборг близ Копенгагена. Учился в Копенгагенском политехническом институте, получил специальность инженера-химика. По окончании института (1898) в течение трех лет работал в Петербурге. Вернувшись на родину, начал изучать астрономию, одновременно проводил фотографические наблюдения в обсерватории Копенгагенского университета и небольшой обсерватории «Урания». Его исследования произвели впечатление на директора Потсдамской обсерватории К. Шварцшильда, который пригласил Герцшпрунга сначала в Гёттингенский университет, а затем в Потсдамскую обсерваторию (1909). С 1919 года Гер-цшпрунг работал в Лейденской обсерватории, в 1935 году стал ее директором. Выйдя в отставку, возвратился в Данию и продолжил исследования в обсерватории в Брорфельде. Образование фотохимика позволило ученому разработать уникальную для тех лет технологию расчета светимости звезд по их фотоизображениям. Сопоставив полученные результаты с данными о спектрах исследуемых звезд, Герц-шпрунг и пришел к своей классификации звезд, согласно которой они подразделяются на гигантов, карликов и основной ряд.
Генри Норрис рДООЕл (Henry Norris Russe, 1877-1957) — американский астрофизик. Родился в Ойстер-Бэй (штат Нью-Йорк) в семье пресвитерианского священника. Учился в Прин-стонском университете, где сменил своего учителя К. Юнга на должностях профессора астрономии и директора местной обсерватории, которые занимал вплоть до 1947 года. Долгое время Рассел занимался исследованием связи между спектрами звезд и их светимостью с целью разобраться в том, как эволюционируют светила. В 1913 году — независимо от Герцшпрунга — построил диаграмму, связывающую спектральные характеристики и светимость звезд (которая теперь и называется диаграммой Герцшпрунга—Рассела) по результатам изучения снимков, полученных им на фотопластинках в обсерватории Принстонского университета. Увы, ученый вывел из полученной диаграммы ложное заключение о том, что звезды появляются на свет в виде красных гигантов и со временем вырождаются в белых карликов.

Дисперсия:
атомная
теория
Скорость распространения световых лучей разной частоты в среде определяется свойствами вещества на атомном уровне

1621 • ЗАКОН СНЕЯЛИУСА

1864 • СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1864 • УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА

1924 • ДИСПЕРСИЯ:
АТОМНАЯ ТЕОРИЯ

Мы знаем, что скорость света в среде меньше скорости света в вакууме. Это свойство обычно находит отражение в так называемом коэффициенте или показателе преломления среды, который определяется соотношением:
n = c/v,
где с — скорость распространения света в вакууме, а v — в среде.
Свет затормаживается в среде в результате постоянных взаимодействий с электронными оболочками атомов. Ситуацию здесь можно сравнить с дорожным движением: если скорость света в вакууме уподобить движению по идеально прямому и совершенно свободному загородному шоссе, на котором машина может всю дорогу ехать на максимальной скорости, то скорость света в среде можно представить себе как движение по большому городу: световой луч-машина раз за разом притормаживает на очередном перекрестке-атоме. В результате скорость света в веществе оказывается непременно ниже скорости света в вакууме. Коэффициент преломления, в частности стекла, составляет около 1,5; следовательно, в стекле свет распространяется примерно на треть медленнее, чем в вакууме.
О том, что не только разные материалы имеют разные коэффициенты преломления, но и в одном материале световые лучи разных цветов преломляются по-разному, известно достаточно давно. Это явление получило название дисперсии света. По закону снел-лиуса угол преломления луча после его попадания в прозрачную среду зависит от коэффициента преломления этой среды, соответственно дисперсия проявляет себя тем, что лучи разных цветов, обладая разными коэффициентами преломления в среде, преломляются под разными углами. В большинстве материалов, в частности в стекле, наблюдается нормальная дисперсия, при которой показатель преломления обратно пропорционален длине волны: чем короче волна, тем выше коэффициент преломления. (У некоторых веществ, однако, имеются диапазоны длин световых волн, в которых наблюдается аномальная дисперсия: короткие волны преломляются слабее длинных.)
Именно этот принцип лежит в основе действия призмы. При попадании обычного «белого» (а в действительности содержащего все цвета спектра) света, например, солнечных лучей на призму луч начинает расщепляться сразу после пересечения границы воздуха со стеклом, поскольку фиолетовые лучи преломляются сильнее всего, а красные — слабее всего. В результате после пересечения светом второй границы стекла с воздухом белый луч оказывается расщепленным на составляющие его цветные лучи. В результате мы наблюдаем на экране или стене знакомую картину радужного спектра.
Кстати, о радуге: она тоже возникает в результате дисперсии света на дождевых каплях. Попадая внутрь капли, солнечный луч

преломляется, внутри капли происходит его дисперсия, затем разложенный на спектр луч отражается от задней полусферы капли, на обратном пути происходит его дальнейшая дисперсия, и, наконец, луч выходит обратно через переднюю поверхность капли, будучи разложенным на радужный спектр солнечного света. Именно поэтому мы и наблюдаем радугу лишь тогда, когда Солнце находится с одной стороны от нас, а дождь идет с другой стороны. Из-за дисперсии каждый цвет в отраженных лучах собирается под своим строго определенным углом, и это объясняет, почему радуга образует в небе дугу. Цвета в дождевой радуге разделены не очень четко, поскольку капли имеют разный диаметр, и на одних каплях дисперсия проявляется сильнее, на других — слабее. Воспринимаемая же нашим зрением радуга образуется совокупностью отраженных лучей от всех дождевых капель, пролетающих в момент наблюдения через зону отражения.
Более редкое явление двойной радуги наблюдается, когда внутри части дождевых капель световой луч отражается от внутренней поверхности дважды, а совсем редкая тройная радуга свидетельствует об эффекте тройного внутреннего отражения луча в части дождевых капель.
Принципиальные физические причины дисперсии удалось объяснить только в рамках современной атомной теории строения материи и взаимодействия света с веществом. Подобно лучам всех диапазонов спектра электромагнитного излучения, световые лучи представляют собой поперечные электромагнитные волны. Электрическое поле, возбуждаемое в такой волне, согласно уравнениям максвелла воздействует на электроны атомов, возбуждая их. Возбуждаясь, электрон поглощает фотон определенной частоты, чтобы почти сразу же испустить в точности такой же фотон и вернуться в нормальное состояние на нижней незанятой орбитали своего атома. Таким образом, свет в среде распространяется посредством цепочки непрерывных поглощений и испусканий фотонов. именно этим обусловлено замедление распространения света в среде.
Электроны в атомах — пленники своих ядер. Для понимания некоторых явлений субатомного мира полезно представить себе электроны прикрепленными к ядрам на жестких пружинах. Реакция электрона на воздействии электрического поля световой волны зависит от того, как частота волны соотносится с частотами собственных колебаний этой воображаемой пружины. Расчеты показывают, что чем короче длина световой волны, тем выше вероятность ее попадания в резонанс с собственными частотами возбуждения электронов и, соответственно, тем чаще электроны будут поглощать и вновь испускать фотоны соответствующей частоты, задерживая тем самым распространение света этой частоты. Доказано, что интенсивность испускания таких вторичных световых волн атомами пропорциональна длине волны в четвертой степени!

Следствием этого же эффекта взаимодействия света с атомами является и рассеяние света в среде. Свет, не вступавший во взаимодействие с атомами, доходит до нас напрямую. Поэтому, когда мы глядим не на источник света, а на рассеянный свет от этого источника, мы наблюдаем в нем преобладание коротких волн синей части спектра.
Вот почему небо выглядит синим, а Солнце желтоватым! Когда вы смотрите на небо в стороне от Солнца, вы видите там рассеянный солнечный свет, где преобладают короткие волны синей части спектра. Когда же вы смотрите непосредственно на Солнце, вы наблюдает спектр его излучения, из которого путем рассеяния на атомах воздуха удалена часть синих лучей, и изначально белый спектр Солнца смещается в желто-красную область при прохождении через атмосферу. (Только никогда не пытайтесь удостовериться в этом собственными глазами, глядя прямо на Солнце. Интенсивность прямых солнечных лучей настолько высока, что даже секундного взгляда на Солнце в зените достаточно, в лучшем случае, для временного ослепления, а в худшем — для хронических функциональных нарушений зрения.) На закате, когда солнечные лучи совершают значительно более длительное путешествие сквозь атмосферу, Солнце кажется нам и вовсе красным, поскольку в этом случае рассеиваются и исчезают из его спектра не только синие, но и зеленые, и желтые лучи.

Дифракция
Дифракционная картина возникает в результате интерференции вторичных световых волн при огибании лучами света препятствий или их прохождении через множественные отверстия

1690 • ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА 1807 • ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ 1818 • ДИФРАКЦИЯ

Идея о волновой природе света (см. спектр электромагнитного излучения) получила серьезное подтверждение в результате открытия и изучения в начале XIX века явлений интерференции и дифракции света. Традиционное со времен Ньютона и из-за его непререкаемого авторитета долго остающееся неизменным представление о свете как о потоке частиц — так называемая корпускулярная теория света — оказалось поставленным под серьезное сомнение после открытия интерференции. А вскоре о корпускулярной теории и вовсе забыли — почти на целое столетие — в результате открытия и исследования явлений дифракции, в результате чего волновая теория света стала новым ортодоксальным и незыблемым представлением о нем. Лишь после объяснения с
корпускулярной точки зрения фотоэлектрического эффекта
и зарождения квантовой механики корпускулярные представления о свете получили второе рождение в рамках принципа
дополнительности.
Основы явления дифракции можно понять, если обратиться к принципу гюйгенса, согласно которому каждая точка на пути распространения светового луча может рассматриваться как новый независимый источник вторичных волн, и дальнейшая дифракционная картина оказывается обусловленной интерференцией этих вторичных волн. При взаимодействии световой волны с препятствием часть вторичных волн Гюйгенса блокируется. Например, при падении световой волны сверху под острым углом на бритву на верхней плоскости бритвы вторичные волны Гюйгенса образовываться будут, а на нижней нет. Однако в результате конструктивной интерференции вторичные волны все равно обогнут бритву, и мы увидим там сплошной световой луч, как если бы на пути его распространения ничего не стояло. Подобное же «огибание» волной препятствия можно наблюдать и в морском порту в шторм: суда, стоящие на якоре за волнорезом, который, казалось бы, должен полностью гасить волны, тем не менее «гуляют» вверх-вниз благодаря вторичным волнам.
Если источник света и точка наблюдения удалены от препятствия на незначительное расстояние, исходные и результирующие лучи света не параллельны друг другу — и мы наблюдаем дифракцию Френеля (дифракцию в ближней зоне). Если же источник и точка наблюдения находятся на значительном расстоянии от препятствия (точки дифракции), лучи практически параллельны, и мы наблюдаем дифракцию Фраунгофера (дифракцию в дальней зоне). Фраунгофер, кстати, изобрел целый ряд важных прецизионных оптических приборов, включая дифракционную решетку. Она представляет собой систему расположенных на небольшом расстоянии друг от друга микроскопических линий, отражающих свет. Изначально это была затемненная стеклянная пластина с тщательно нанесенными на нее параллельными штрихами. Каждый такой штрих отражает свет, и его можно считать вторичным источником волн Гюйгенса, которые вступают в интерференцию и вза
имно усиливаются под определенными углами после рассеяния на решетке.
Начиная с середины XIX века дифракционная решетка стала важнейшим инструментом спектроскопии — с ее помощью ученые исследуют спектры излучения светящихся объектов и спектры поглощения различных веществ и по ним определяют их химический состав. Одним из важнейших открытий Фраунгофера стало обнаружение темных линий в спектре Солнца. Сегодня мы знаем, что они возникают в результате поглощения световых волн определенной длины относительно холодным веществом солнечной короны, и благодаря этому можем судить о химическом составе нашего светила.

ЙОЗЕФ ФРАУНГОФЕР (Joseph von Fraunhofer, 1787-1826) — немецкий физик и оптик, уроженец Штраубинга (Straubing), сын ремесленника-стеклодува. Рано осиротев, пошел в подмастерья к стекольщику. В возрасте 14 лет серьезно пострадал при обрушении новостройки, провел несколько дней под завалом и благодаря этому несчастному случаю приобрел некоторую популярность. В частности, получил от властей Баварии денежную компенсацию, на которую
открыл собственное стекольное дело, с которым в 1806 году присоединился к знаменитой баварской фирме 11^сг^а!ег, которая в те дни пользовалась славой производителя лучших в мире оптических инструментов. Явление дифракции Фраун-гофер исследовал с чисто прикладной точки зрения: делом своей жизни он считал изобретение идеальных ахроматических линз, которые не давали бы радужного ореола вокруг изображения.

Дифференциальное использование ресурсов
Для видов, использующих разные количества одних и тех же ресурсов, возможно поддержание популяционного равновесия


ЗАВИСИМОСТЬ КОЛИЧЕСТВА ВИДОВ ОТ ПЛОЩАДИ ЭКОСИСТЕМЫ

ТЕРРИТОРИАЛЬНОСТЬ У ЖИВОТНЫХ
1926
1934

ОТНОШЕНИЯ ХИЩНИК—ЖЕРТВА
1966

ПРИНЦИП КОНКУРЕНТНОГО ИСКЛЮЧЕНИЯ

ТЕОРИЯ ОПТИМАЛЬНОГО
ФУРАЖИРОВАНИЯ
1970-е
1976

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕСУРСОВ

ТЕОРЕМА О МАРГИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ

В природе одна и та же территория довольно часто бывает заселена различными видами. Иногда в таких случаях срабатывает принцип конкурентного исключения, и один вид вытесняет другой. Иногда — и травяной газон тому хороший пример — видам удается найти способ сосуществования и распределения ресурсов. Возможно, соседствующие виды просто используют различные ресурсы. Но может быть и так, что их потребности очень схожи. Модель, известная как дифференциальное использование ресурсов, объясняет, каким образом виды могут делить одну и ту же ресурсную базу.
Чтобы увидеть, как работает эта модель, начнем с простого примера. Предположим, имеется один вид растений, который требует для своего выживания два ресурса—назовем их А и В. Эти ресурсы могут быть конкретными химическими веществами — например, калий и фосфор или вода и углекислый газ. Если нет других растений, экосистема будет поставлять эти ресурсы с постоянной скоростью и будет существовать некая граница, ниже которой поступление каждого из ресурсов недостаточно для поддержания жизни растения.
Чтобы имело место устойчивое равновесие, оба компонента экосистемы — растения и ресурсы — должны быть устойчивыми. Для этого растениям надо потреблять каждого из двух ресурсов ровно столько, сколько возобновляется. Если потреблять слишком мало — база ресурса возрастет, слишком много — она уменьшится. В каждом случае потребление будет изменяться так, чтобы вернуть систему обратно в положение равновесия (например, увеличивая или уменьшая количество растений).
Теперь предположим, что есть два вида растений, каждый из которых использует ресурсы А и В. Тогда существует несколько возможностей:
ресурсов А и В недостаточно для выживания каждого из видов;
ресурсов А или В столько, чтобы позволить существовать только одному из двух видов;
ресурсов А или В столько, что будет работать принцип конкурентного исключения, и один из видов вытеснит
другой;
— ресурсов А и В столько, что смогут выжить оба вида. Это зона дифференциального использования ресурсов.
Чтобы выжили оба вида, должны быть выполнены специальные условия. Например, первый вид может занимать область, где есть весь необходимый ему ресурс В, но где он ограничен в ресурсе А. Тогда второй вид должен занимать область, где есть весь необходимый ему ресурс А, но недостаточно ресурса В. В этом случае каждый из видов имеет возможность потреблять количество ресурса, достаточное для выживания, в то же время оставляя достаточное количество для другого вида. Таким образом они могут сосуществовать в равновесии внутри одной экологической ниши.
Очевидно, что эта модель может работать для любого числа видов и любого количества ресурсов.

днк

Молекула ДНК имеет форму двойной спирали, и ее воспроизведение основано на том, что каждая цепь двойной спирали служит матрицей для сборки новых молекул
1859

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ
нач. 1950-х

ТЕОРИЯ эволюции
1952

БЕЛКИ
1953
ЭКСПЕРИМЕНТ ХЕРШИ—ЧЕЙЗ
1953

днк
1958

ЭКСПЕРИМЕНТ МИЛЛЕРА—ЮРИ

ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ
1961
БИОЛОГИИ

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Эксперимент Мезельсона— Отеля
После того как Уотсон и Крик высказали предположение о двуспиральной структуре ДНК, это предположение прошло экспериментальную проверку, как происходит с любой научной гипотезой. Два молекулярных биолога — Мэтью Мезельсон (Matthew Meseson, р. 1930) и Франклин Сталь (Frankin

Сегодня мы знаем, что молекула ДНК является носителем кода, который управляет химизмом всего живого (см. центральная догма молекулярной биологии), а двойная спираль молекулы ДНК стала одним из самых известных научных символов. Открытие ДНК, как и практически все великие открытия, не было результатом работы одинокого гения, а увенчало собой длинную цепь экспериментальных работ. Так, эксперимент херши— чейз продемонстрировал, что носителем генетической информации в клетках является именно ДНК, а не белки . Еще в 1920-е годы американский биохимик родом из России Фибус Левин (Phoebus Levene, 1869-1940) установил, что основные кирпичики, из которых построена ДНК, — это пятиатомный сахар дезоксирибоза (она обозначена буквой Д в слове ДНК), фосфатная группа и четыре азотистых основания — тимин, гуанин, цитозин и аденин (их обычно обозначают буквами Т, Г, Ц и А). В конце 1940-х годов американский биохимик австрийского происхождения Эрвин Чар-гафф (Erwin Chargaff, р. 1905) выяснил, что во всех ДНК содержится равное количество оснований Т и А и аналогично равное количество оснований Г и Ц. Однако относительное содержание Т/А и Г/Ц в молекуле ДНК специфично для каждого вида.
В начале 1950-х годов стали известны два новых факта, пролившие свет на природу ДНК: американский химик Лайнус Полинг (Linus Pauing, 1901-94) показал, что в длинных молекулах, например белках, могут образовываться связи, закручивающие молекулу в спираль, а в лондонской лаборатории Морис Уилкинс и Розалинда Франклин получили данные рентгеноструктурного анализа (основанные на усовершенствованном применении закона брэгга), позволившие предположить, что ДНК имеет спиральную структуру.
Как раз в это время молодой американский биохимик Джеймс Уотсон отправился на год в Кембриджский университет для работы с молодым английским физиком-теоретиком Фрэнсисом Криком. («Обо мне тогда практически никто не знал, — вспоминал впоследствии Крик, — а идеи Уотсона считали... слишком заумными».) Экспериментируя с металлическими моделями, Крик и Уотсон пытались объединить различные компоненты молекулы в трехмерную модель ДНК.
Чтобы лучше представить себе полученные ими результаты, вообразите длинную лестницу. Вертикальные стойки этой лестницы состоят из молекул сахара, кислорода и фосфора. Важную функциональную информацию в молекуле несут ступеньки лестницы. Они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — четыре азотистых основания — представляют собой одиночные или двойные кольца, содержащие атомы углерода, азота и кислорода и способные образовывать две или три водородные связи (см. химические связи) с другими основаниями. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи — законченные ступеньки — лишь определенного
Stah, р. 1910) — провели в 1957 году в Калифорнийском технологическом институте серию экспериментов. Использованная ими методика позволяла различать массы очень похожих молекул. Сначала они выращивали бактерии в среде, где единственным источником азота был изотоп 15N (обычный атом азота, 14N, несколько легче). Через несколько поколений весь азот в бактериальной ДНК был представлен только «тяжелым» азотом. Затем бактерии переносили в среду, где весь азот был в форме 14N (азот входит в состав оснований ДНК и поэтому поглощается любым организмом, синтезирующим новые цепи молекулы). После одного цикла клеточного деления вес бактериальной ДНК был промежуточным между весом ДНК с 15N и весом ДНК с 14N. После двух циклов клеточного деления лишь одна из четырех цепей ДНК была «тяжелой» ДНК и т.д. Этим остроумным экспериментом Мезельсон и Сталь подтвердили, что в результате каждого деления клетки комплементарные цепи ДНК содержат половину старой («тяжелой») ДНК и половину новой («легкой») ДНК — в точном соответствии с гипотезой Уот-сона и Крика.

типа: между А и Т и между Г и Ц. Другие связи возникнуть не могут. Следовательно, каждая ступенька представлена либо А—Т либо Г—Ц. Теперь вообразите, что вы берете собранную таким образом лестницу за два конца и скручиваете — вы получите знакомую двойную спираль ДНК.
Считывая ступеньки по одной цепи молекулы ДНК, вы получите последовательность оснований. Представьте, что это сообщение, написанное с помощью алфавита всего из четырех букв. Именно это сообщение определяет химические превращения, происходящие в клетке, и, следовательно, характеристики живого организма, частью которого является эта клетка. На другой цепи спирали никакой новой информации не содержится, ведь, если вам известно основание, которое находится на одной цепи, вы знаете и то, какой должна быть вторая половина ступеньки. В некотором смысле две цепи двойной спирали относятся друг другу так же, как фотография и негатив.
Открыв двуспиральную структуру ДНК, Уотсон и Крик поняли и тот простой способ, которым осуществляется воспроизведение молекулы ДНК — как и должно происходить при делении клетки. По их собственным словам, «от нашего внимания не ускользнул тот факт, что постулированная нами специфичная парность азотистых оснований непосредственно указывает на возможный механизм копирования генетического материала».

Такой «возможный механизм копирования» определен структурой ДНК. Когда клетка приступает к делению и необходима дополнительная ДНК для дочерних клеток, ферменты (см.
КАТАЛИЗАТОРЫ И ФЕРМЕНТЫ) начинают «расстегивать» лестницу ДНК, как застежку-«молнию», обнажая индивидуальные основания. Другие ферменты присоединяют соответствующие основания, находящиеся в окружающей жидкой среде, к парным «обнажившимся» основаниям — А к Т, Г к Ц и т.д. В результате на каждой из двух разошедшихся цепей ДНК достраивается соответствующая ей цепь из компонентов окружающей среды, и исходная молекула дает начало двум двойным спиралям.
Точно так же, как каждое великое открытие основано

на работе предшественников, оно дает начало новым плодотворным исследованиям, поскольку ученые используют полученную информацию для движения вперед. Можно сказать, что открытие двойной спирали дало толчок последующему полувековому развитию молекулярной биологии, завершившемуся успешным осуществлением
ПРОЕКТА «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА».

ФРЭНСИС ХАРРИ КОМПТОН КРИК
(Francis Harry Compton Crick, 1916-2004) — английский молекулярный биолог (на фото справа). Родился в Нортгемптоне в семье обувного фабриканта. В 1938 году получил диплом физика в Университетском колледже в Лондоне. В годы войны занимался разработкой акустических и магнитных мин. Впоследствии решил исследовать «тайну жизни». В 1951 году, когда Крик изучал структуру белков в новом подразделении, созданном Медицинским исследовательским советом в Кавен-дишской лаборатории Кембриджа, студент Джеймс Уотсон предположил, что для понимания функции молекулы ДНК необходимо выяснить ее структуру. Успешные поиски в этом направлении принесли Уотсону и Крику в 1962 году Нобелевскую премию в области физиологии и медицины. Более поздние работы Крика связаны с разработкой центральной догмы молекулярной био -логии . В 1977 году Крик перешел в институт Солка в Сан-Диего, где продолжил поиски «тайны жизни», переключившись на изучение сознания.
ДЖЕЙМС ДЬЮИ УОТСОН (James Dewey Watson, р. 1928) — американский биохимик. Родился в Чикаго, штат Иллинойс. В возрасте 15 лет поступил в университет Чикаго, который окончил четырьмя годами позже. В 1950 году получил докторскую степень в университете штата Индиана за изучение вирусов. Его посещение Кавендишской лаборатории в 1951 году привело к сотрудничеству с Фрэнсисом Криком, которое увенчалось открытием структуры ДНК. Крик и Уотсон поделили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины с Морисом Уилкинсом (Maurice Wikins, р. 1916), чьи эксперименты с дифракцией рентгеновских лучей помогли установить двуспиральную структуру ДНК. Розалинда Франклин (Rosaind Frankin, 1920-58), чей вклад в открытие структуры ДНК, по мнению многих, был очень весомым, не была удостоена Нобелевской премии, так как не дожила до этого времени.



Дрейф генов

1865
Частота генов в популяции может варьировать под действием случайных факторов

1908

ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ
ЗАКОН
ХАРДИ—ВАЙНВЕРГА
1953

ДРЕЙФ ГЕНОВ

ДНК
1961

РОДСТВЕННЫЙ ОТБОР
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
2000

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ

ПРОЕКТ «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»

закон харди—вайнберга утверждает, что в теоретической идеальной популяции распределение генов будет оставаться постоянным из поколения в поколение. Так, в популяции растений количество «внуков» с генами высокорослости будет ровно таким же, сколько было родителей с этим геном. Но в реальных популяциях дело обстоит иначе. Из-за случайных событий частота распределения генов из поколения в поколение несколько варьирует — это явление называется дрейфом генов.
Приведем простой пример. Представьте себе группу растений, населяющих изолированную горную долину. Популяция состоит из 100 взрослых растений, и лишь 2% растений в популяции содержат особенный вариант гена (например, затрагивающий окраску цветка), т.е. в рассматриваемой нами популяции этот ген имеется лишь у двух растений. Вполне возможно, что небольшое происшествие (например, наводнение или падение дерева) приведет к гибели обоих растений, и тогда этот особенный вариант гена (или, пользуясь научной терминологией, этот аллель) попросту исчезнет из популяции. А значит, будущие поколения будут уже не такими, как рассматриваемое нами.
Существуют и другие примеры дрейфа генов. Рассмотрим крупную размножающуюся популяцию со строго определенным распределением аллелей. Представим, что по той или иной причине часть этой популяции отделяется и начинает формировать собственное сообщество. Распределение генов в субпопуляции может быть нехарактерным для более широкой группы, но с этого момента и впредь в субпопуляции будет наблюдаться именно такое нехарактерное для нее распределение. Это явление называется эффектом основателя.
Дрейф генов сходного типа можно наблюдать и на примере явления с запоминающимся названием эффект бутылочного горлышка. Если по какой-либо причине численность популяции резко уменьшится — под воздействием сил, не связанных с естественным отбором (например, в случае необычной засухи или непродолжительного увеличения численности хищников), быстро появившихся и затем исчезнувших, — то результатом будет случайное устранение большого числа индивидуумов. Как и в случае эффекта основателя, к тому времени, когда популяция вновь будет переживать расцвет, в ней будут гены, характерные для случайно выживших индивидуумов, а вовсе не для исходной популяции.
В конце XIX века в результате охотничьего промысла были почти полностью истреблены северные морские слоны. Сегодня в популяции этих животных (восстановившей свою численность) наблюдается неожиданно маленькое количество генетических вариантов. Антропологи полагают, что первые современные люди пережили эффект бутылочного горлышка около 100 000 лет назад, и объясняют этим генетическое сходство людей между собой. Даже у представителей кланов гориллы, обитающих в одном африканском лесу, больше генетических вариантов, чем у всех человеческих существ на планете.

Зависимость количества видов от площади экосистемы
Количество видов, которое может поддерживать данная экосистема, тем выше, чем больше площадь этой экосистемы


ЗАВИСИМОСТЬ КОЛИЧЕСТВА ВИДОВ ОТ ПЛОЩАДИ ЭКОСИСТЕМЫ

ТЕРРИТОРИАЛЬНОСТЬ У ЖИВОТНЫХ
1926
1934

ОТНОШЕНИЯ ХИЩНИК—ЖЕРТВА

ПРИНЦИП КОНКУРЕНТНОГО ИСКЛЮЧЕНИЯ
1966

ТЕОРИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ФУРАЖИРОВАНИЯ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
1976
РЕСУРСОВ

ТЕОРЕМА О МАРГИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ

Возникает закономерный вопрос: действительно ли небольшие экосистемы могут поддерживать существование меньшего числа видов, чем более крупные? с одной стороны, можно ожидать, что чем больше площадь, тем больше на ней различных экологических ниш, пригодных для использования. с другой стороны, непонятно, почему, например, сократив площадь луга вдвое, можно сократить биологическое разнообразие на нем. Ясно, что общее количество организмов уменьшится, но почему при этом должно измениться количество обнаруживаемых видов?
Ответ на этот вопрос был получен экспериментально. Экологи провели множество исследований. В одном из них на небольшом острове у побережья флориды площадь, пригодную для использования, даже изменяли с помощью бензопилы! Данные изучения материковых и островных экосистем приводят к одинаковому заключению. Если А — площадь экосистемы, а 8 — количество видов, то зависимость между ними описывается формулой:
? = КЛ",
где п — число от 0,1 до 0,3, а К — константа, представляющая собой количество видов на единицу площади экосистемы. Это выражение называется уравнением зависимости количества видов от площади экосистемы.
Однако надо иметь в виду, что, хотя количество видов, безусловно, зависит от площади экосистемы, эта зависимость не прямая. Так, даже при п = 0,3 увеличение площади экосистемы вдвое сопровождается увеличением количества видов всего на 23%.
Тем не менее эта закономерность имеет важные следствия для природоохранных действий, направленных на сохранение биологического разнообразия. В частности, мы должны понимать, что, сокращая площадь экосистемы, мы получаем не уменьшенную копию оригинала, а новую экосистему с ощутимо меньшим количеством видов. Другими словами, десять небольших клочков дикой природы могут поддерживать существование лишь половины видов, которые можно было бы обнаружить на едином участке земли с площадью, равной суммарной площади этих клочков.
И наоборот, увеличение размеров данной экосистемы не повлечет за собой пропорционального увеличения биоразнообразия, поэтому часто целесообразнее направить средства не на расширение существующих экосистем, а на создание заповедников в совершенно новых экосистемах.

Зависимость период— светимость

Чем дольше период изменения блеска переменной звезды класса цефеид, тем больше энергии она излучает
1912
ЗАВИСИМОСТЬ
ПЕРИОД—
СВЕТИМОСТЬ

1929 • ЗАКОН ХАББЛА

1948 • БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

Когда Китс писал «Звезда моя, ты постоянство света», он явно имел в виду не переменную Цефеиду. Большинство звезд, включая, к счастью для нас, солнце, излучают свет и другие формы лучистой энергии (см. спектр электромагнитного излучения) с более или менее постоянной интенсивностью. Есть, однако, несколько классов звезд, с достаточным на то основанием названных переменными, яркость которых периодически возрастает и убывает из-за колебаний интенсивности поверхностного излучения. В результате наблюдаются циклические изменения свойства звезды, называемого светимостью и отражающего суммарный поток лучистой энергии, покидающий поверхность звезды. Особую историческую роль в развитии астрофизики сыграли переменные звезды класса цефеид, получившие свое название в честь созвездия Цефей, в котором находится первая открытая цефеида — 5 Цефея.
Если проследить за динамикой изменения светимости цефеиды, выясняется, что ее усиление от минимума до пика происходит значительно быстрее, чем затухание, вне зависимости от разницы между максимальной и минимальной светимостями, которая может составлять от нескольких процентов до многократной. И такие колебания светимости у различных цефеид регулярно повторяются с периодичностью от нескольких суток до нескольких месяцев. При этом период цикла изменения светимости (время между максимумами или минимумами яркости) и перепад светимости (разность между максимумом и минимумом) остаются постоянными.
Благодаря этому свойству цефеиды послужили для астрономов первой эталонной свечой — объектом с заведомо известной светимостью. Электрическая лампочка мощностью 100 Вт, например, является прекрасной эталонной свечой в земных условиях. Обнаружив эталонную свечу в пространстве, можно измерить наблюдаемую интенсивность ее излучения и, сопоставив ее с заведомо известной исходной светимостью, определить геометрическое расстояние до источника света. Именно стандартные свечи позволяют астрономам добавлять в картах звездного неба третье измерение — удаленность — к двум наблюдаемым угловым координатам небесных объектов.
В начале XX века американский астроном Генриетта Ливитт заинтересовалась переменными цефеидами и начала их серьезно изучать. К 1912 году она накопила достаточно данных наблюдений, чтобы установить закономерность: чем ярче переменная цефеида, тем дольше длится ее цикл. Вскоре Эдвин Хаббл развил этот результат, связав период цефеиды не с наблюдаемой яркостью, а с присущей звезде светимостью — суммарной энергией, излучаемой звездой в космическое пространство. Так была открыта зависимость «период—светимость». Хаббл же первым использовал открытые им на новом телескопе цефеиды в туманности Андромеды в качестве стандартных свеч и обна
ружил, что это вовсе не туманность, а соседняя галактика. За этим последовали открытия целого ряда новых галактик и, наконец, открытие закона хаббла, установившего, что галактики разбегаются.

генриетта ливитт (Henrietta
Leavitt, 1868-1921) — американский астроном. Родилась в Ланкастере (Lancaster), штат Массачусетс. В 1895 году. По окончании Рэд-клиффского колледжа (Radciffe Coege) получила должность ассистента профессора астрономии Эдварда Пикеринга (Edward C. Pickering) и
под его руководством занималась классификацией звездных спектров, накапливаемых в обсерватории Гарвардского колледжа. Именно там изучение переменных цефеид в Малом Магеллановом облаке (небольшой галактике — спутнике Млечного Пути) и привело ее к открытию зависимости между периодом и яркостью цефеид.

Закон Авогадро
В равных объемах различных газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул


1811
АТОМНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
1827
закон авогадро
1834

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

УРАВНЕНИЕ
СОСТОЯНИЯ
1849
ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ
ТЕОРИЯ

При горении дерева происходит химическая реакция: углерод древесины соединяется с кислородом воздуха и образуется диоксид углерода (С02). Один атом углерода имеет такую же массу, как и 12 атомов водорода, а два атома кислорода — как 32 атома водорода. Таким образом, соотношение масс углерода и кислорода, участвующих в реакции, всегда равно 12:32 (или после упрощения 3 : 8). Какие бы мы ни выбрали единицы измерения, соотношение останется неизменным: 12 грамм углерода всегда реагируют с 32 граммами кислорода, 12 тонн углерода — с 32 тоннами кислорода и т.д. В химических реакциях имеет значение относительное количество атомов каждого элемента, участвующего в реакции. И, наблюдая за горящим в ночи костром, мы можем быть твердо уверены, что для каждого атома углерода из древесины найдутся два атома кислорода из воздуха, и соотношение их масс будет 12 : 32.
Раз это так, значит, в 12 граммах углерода атомов столько же, сколько в 16 граммах кислорода. Химики называют это количество атомов молем. Если относительная атомная масса вещества равна п (т.е. его атом в п раз тяжелее атома водорода), то масса одного моля этого вещества — п грамм. Моль — мера количества вещества, подобная паре, дюжине или сотне. Носков в паре всегда два, яиц в дюжине — всегда двенадцать; точно так же и в моле вещества количество атомов или молекул всегда одно и то же.
Но как же ученые это поняли? Ведь атомы сосчитать все-таки значительно сложнее, чем носки. Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к исследованиям итальянского химика Амедео Авогадро. Ему было известно, что при протекании химической реакции между газами соотношение объемов этих газов такое же, как и их молекулярное соотношение. Например, если три молекулы водорода (Н2) реагируют с молекулой азота (1Ч2) с образованием двух молекул аммиака (1МН3), то объем участвующего в реакции водорода в три раза больше объема азота. Из этого Авогадро сделал вывод, что количество молекул в двух объемах должно находиться в соотношении 3 : 1, или, другими словами, что равные объемы газа должны содержать равное количество атомов или молекул — это утверждение известно нам как закон Авогадро. Авогадро не знал, какое именно количество атомов или молекул должно быть в одном моле вещества. Сегодня мы знаем: это число 6 х 1023; мы называем его числом Авогадро (или постоянной Авогадро) и обозначаем символом N.
Несколько десятилетий исследования Авогадро оставались за рамками европейской науки того времени. Большинство историков склонны объяснять этот любопытный факт тем, что Авогадро работал в Турине, вдали от научных центров Германии, Франции и Англии. И действительно, только когда Авогадро приехал в Германию и представил там результаты своих исследований, они получили заслуженное признание.
Вычисление значения N оказалось непростой задачей. Это удалось сделать только в начале XX века французскому физику Жану

Перрену (Jean Perrin, 1870-1942). Он предложил несколько методов нахождения этого числа, и все они дали один и тот же результат. Самый известный из них основан на количественной теории броуновского движения, разработанной Эйнштейном. Речь идет о непрерывном беспорядочном движении малых частиц (например, пыльцевых зерен) под действием хаотических толчков атомов или молекул окружающей их среды. Движение такого пыльцевого зерна зависит от частоты столкновений, а следовательно, от количества атомов в материальной среде.



ГЮРЕНЦО РОМАНО АМЕДЕО КАРЛО АВОГАДРО (Lorenzo Romano Amedeo Caro Avogadro, 1776-1856) — итальянский физик и химик. Родился в Турине в дворянской семье, получил ученую степень доктора церковного права. В 1800 году начал самостоятельно заниматься математикой и физикой, а спустя шесть лет получил должность профессора в колледже города Верчелли. Затем стал профессором кафедры математической физики Туринского университета (в 1821 году кафедру закрыли по политическим причинам, и он смог вновь занять эту должность лишь в 1834 году). Авогадро был чрезвычайно скромным человеком, работал в одиночестве, и большую часть жизни его достижения были неизвестны в научном мире.

Закон Ампера

1785
Движение электрических зарядов приводит к возникновению магнитных полей
1820
ЗАКОН КУЛОНА
1820

ОТКРЫТИЕ ЭРСТЕДА
1820

ЗАКОН АМПЕРА
1831

ЗАКОН БИО—САВАРА

ЗАКОНЫ
1833
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ

ПРАВИЛО ЛЕНЦА

Одним из главных направлений развития естественной науки в начале XIX века стало растущее осознание взаимосвязей между, казалось бы, совершенно не связанными между собой феноменами электричества и магнетизма. Ханс Кристиан Эрстед (см. открытие эрстеда) экспериментально установил, что провод, по которому течет электрический ток, отклоняет магнитную стрелку компаса. Андре-Мари Ампер так заинтересовался этим явлением, что принялся за углубленное экспериментальное и математическое исследование взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. В результате и был сформулирован закон, носящий теперь его имя.
Ключевой эксперимент, проведенный Ампером, достаточно прост. Он положил два прямых провода бок о бок и пропускал по ним электрический ток. Выяснилось, что между проводами действует сила притяжения или отталкивания (в зависимости от направления тока. — Прим. переводчика). Конечно, не надо быть семи пядей во лбу, чтобы прийти к такому выводу. Ведь при достаточно сильном токе провода действительно притягиваются или отталкиваются так, что это видно невооруженным глазом. Но Ампер путем тщательных измерений сумел определить, что сила механического взаимодействия пропорциональна силам токов и падает по мере увеличения расстояния между ними. Исходя из этого Ампер решил, что наблюдаемая сила объясняется возникновением магнитного поля.
Рассуждал Ампер примерно так. Электрический ток в одном проводе производит магнитное поле, конфигурация силовых линий которого представляет собой концентрические круги вокруг сечения провода. Второй провод попадает в область воздействия этого магнитного поля, и в нем возникает сила, действующая на движущиеся электрические заряды. Эта сила передается атомам металла, из которого сделан провод, в результате чего провод и изгибается. Таким образом, эксперимент Ампера демонстрирует нам два взаимодополняющих факта о природе электричества и магнетизма: во-первых, любой электрический ток порождает магнитное поле; во-вторых, магнитные поля оказывают силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Первое из этих утверждений сегодня и называют законом Ампера, и закон этот тесно связан с законом био—савара. Именно эти два закона затем легли в основу теории электромагнитного поля (см. уравнения максвелла).
Если же трактовать закон Ампера чуть шире, то мы поймем, что находящийся в пространстве замкнутый электрический контур формирует вокруг себя магнитное поле, интенсивность которого пропорциональна силе протекающего через контур электрического тока и площади внутри контура. То есть, например, если вокруг отдельного прямолинейного проводника с током формируется магнитное поле, индукция которого равна В на расстоянии г от проводника, то при замыкании такого проводника в круговой

контур, путем сложения этих полей внутри контура, образованного замкнутым проводником с током, то есть, выражаясь научным языком, путем интегрирования, мы получим значение интенсивности магнитного поля внутри контура 2prB, где 2рг — площадь кругового контура. По закону Ампера эта величина и будет пропорциональна силе тока в контуре.
На самом деле вы не раз сталкивались с упоминанием имени Андре-Мари Ампера, возможно, сами того не сознавая. Взгляните на любой электроприбор у вас дома — и вы на нем обнаружите его электротехнические характеристики, например: «~220V 50Hz 3,2А». Это значит, что прибор рассчитан на питание от стандартной электросети переменного тока напряжением 220 вольт с частотой 50 герц, а сила потребляемого прибором тока составляет 3,2 ампера. Единица силы тока ампер (сокращенно — А) как раз и названа в честь ученого.
Официальное определение единицы выводится из исходного эксперимента, проделанного Ампером. Это сила тока, протекающего в каждом из двух параллельных прямолинейных проводников, помещенных в вакууме на расстояние одного метра друг от друга, вызывающая между двумя проводниками силу взаимодействия, равную 2 х 10-7 ньютона на метр длины. (Все научные определения единиц измерения даются в такой строгой формулировке. Причем речь здесь идет о так называемых «идеальных проводниках» бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения.) Кстати, при силе тока в 1 ампер в любой точке проводника каждую секунду протекает около 6 х 1023 электронов.

АНДРЕ-МАРИ АМПЕР (Andre Marie Ampere, 1775-1836) — французский физик. Родился в Лионе в семье торговца. Получил домашнее образование, имея доступ к прекрасной семейной библиотеке. (В частности, самостоятельно выучил латынь, чтобы в подлиннике читать труды видных математиков.) Сделал заметную карьеру во французской системе образования, получив при Наполеоне Бонапарте назначение на пост генерального инспектора всей системы университетского образования Франции. В 1827 году опубликована его самая известная работа «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», в которой Ампер подытожил свои электродинамические исследования и дал точные математические формулировки.

Закон Архимеда
Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весу вытесненной им жидкости

ЗАКОН АРХИМЕДА

«Эврика!» («Нашел!») — именно этот возглас, согласно легенде, издал древнегреческий ученый и философ Архимед, открыв принцип вытеснения. Легенда гласит, что сиракузский царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона, не причиняя вреда самому царскому венцу. Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало — нужно было определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото.
Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну — и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. И тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему. Решение задачи было найдено и, согласно самой расхожей версии легенды, ученый побежал докладывать о своей победе в царский дворец, даже не потрудившись одеться.
Однако, что правда — то правда: именно Архимед открыл принцип плавучести. Если твердое тело погрузить в жидкость, оно вытеснит объем жидкости, равный объему погруженной в жидкость части тела. Давление, которое ранее действовало на вытесненную жидкость, теперь будет действовать на твердое тело, вытеснившее ее. И, если действующая вертикально вверх выталкивающая сила окажется больше силы тяжести, тянущей тело вертикально вниз, тело останется наплаву; в противном случае оно пойдет ко дну (утонет). Говоря современным языком, тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости, в которую оно погружено.
Закон Архимеда можно истолковать с точки зрения молеку-лярно-кинетической теории. В покоящейся жидкости давление производится посредством ударов движущихся молекул. Когда некий объем жидкости вымещается твердым телом, направленный вверх импульс ударов молекул будет приходиться не на вытесненные телом молекулы жидкости, а на само тело, чем и объясняется давление, оказываемое на него снизу и выталкивающее его в направлении поверхности жидкости. Если же тело погружено в жидкость полностью, выталкивающая сила будет по-прежнему действовать на него, поскольку давление нарастает с увеличением глубины, и нижняя часть тела подвергается большему давлению, чем нижняя, откуда и возникает выталкивающая сила. Таково объяснение выталкивающей силы на молекулярном уровне.
Такая картина выталкивания объясняет, почему судно, сделанное из стали, которая значительно плотнее воды, остается на плаву. Дело в том, что объем вытесненной судном воды равен объему погруженной в воду стали плюс объему воздуха, содержащегося внутри корпуса судна ниже ватерлинии. Если усреднить плотность оболочки корпуса и воздуха внутри нее, получится, что плотность судна (как физического тела) меньше плотности воды,

АРХИМЕД ИЗ СИРАКУЗ (Archimedes of Siracuse, ок. 287-212 г. до н.э.) — древнегреческий математик, изобретатель и натурфилософ. О его жизни известно мало. Доказал ряд основополагающих математических теорем, прославился благодаря изобретению различных механизмов, до сих пор находящих широкое применение как в быту, так и в оборонной промышленности. Легенда гласит, что Архимед умер насильственной смертью, пав от руки римского воина во время осады Сиракуз, не пожелав укрыться в доме, поскольку был всецело поглощен геометрической задачей, начертанной им на прибрежном песке.

Закон Био— Савара
Магнитное поле в точке пространства, создаваемое малым отрезком проводника, по которому течет электрический ток, пропорционально силе тока, обратно пропорционально квадрату

1785
расстояния от этой точки до проводника и направлено перпендикулярно по отношению и к току, и к направлению на проводник

1820
ЗАКОН КУЛОНА
1820

ОТКРЫТИЕ ЭРСТЕДА
1820

ЗАКОН АМПЕРА
1831

ЗАКОН БИО—САВАРА

ЗАКОНЫ
1833
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ

ПРАВИЛО ЛЕНЦА

Одним из величайших прорывов в естествознании XIX века стала серия открытий, позволивших установить неразрывную связь между двумя, казалось бы, не связанными между собой природными феноменами — электричеством и магнетизмом, — которые на поверку оказались просто двумя сторонами одной медали. Одним из первых фрагментов пазла, который предстояло собрать ученым, стало осознание того, что движущиеся электрические заряды (то есть электрический ток) могут порождать магнитное поле. Это открытие сделал датский ученый Ханс Кристиан Эрстед (см. открытие эрстеда), а представил его в количественной форме французский ученый Андре-Мари Ампер (см. закон ампера). Обобщением этой работы стал закон Био—Савара (его еще называют «закон Био—Савара—Лапласа». — Прим. переводчика), содержащий окончательную формулировку соотношения между электрическими токами и магнитными полями, которые они производят.
Жан Батист Био, яркий и смелый ученый, был профессором физики в Сорбонне и действительным членом французской Академии наук. Стазу после открытия Эрстеда вместе со своим коллегой Феликсом Саваром он принялся за изучение взаимосвязи между электрическим током и магнитными полями.
В отличие от Ампера, изучавшего магнитные поля опосредованно, путем измерения силы взаимодействия между парами проводников с током, Био и Савар предприняли прямые измерения магнитных полей, используя для этого множество легких магнитных стрелок компасов. Смысл их закона проще всего понять, если представить себе, что проводник с током разбит на крошечные отрезки — так называемые элементы тока (такой подход предложил ученым их старший коллега Пьер Симон Лаплас (Pierre-Simon Lapace, 1749-1827), стоявший у истоков дифференциального и интегрального исчисления, который затем и обобщил полученные результаты. — Прим. переводчика). На каждом из этих крошечных отрезков кривизной проводника можно пренебречь — их можно рассматривать как отрезки прямой. Так вот, согласно закону Био—Савара, магнитное поле В на расстоянии r от такого элемента тока пропорционально
IL/r2,
где I — сила тока, а L — длина элемента тока.
Я уже упоминал, что закон Био—Савара является наиболее полным формальным обобщением взаимосвязи между электрическим током и магнитным полем. Это значит, что можно взять проводник с током сколь угодно сложной и асимметричной конфигурации и разбить его на элементы тока. Каждый элемент вносит свой вклад в магнитное поле в рассчитываемой точке. Сделав эти расчеты, мы можем затем просуммировать вклад от каждого элемента проводника и найти общее магнитное поле (этот процесс суммирования относится к области высшей математики и выглядит он достаточно сложно). Таким образом, закон Ампера является частным случаем закона Био—Савара для случая линейного проводника.

Я еще не сказал, что закон Био—Савара предсказывает также направление получающегося магнитного поля. Это направление можно определить с помощью так называемого правила правой руки, ставшего настоящим бичом целых поколений студентов физических и технических вузов. Правило гласит: если вытянутый указательный палец правой руки показывает направление электрического тока в элементе тока, а средний палец направлен на точку, в которой вы вычисляете магнитное поле, то выставленный под прямым углом к двум другим пальцам большой палец укажет направление магнитного поля.
Как я уже говорил, полное математическое выражение закона Био—Савара требует довольно сложных вычислений, поскольку оно представляет собой интегральное уравнение. Оно является, по сути, общим решением четвертого уравнения максвелла.



Правило правой руки — проверенный временем способ определить направление магнитного поля, возникающего при электрическом токе

ЖАН БАТИСТ БИО (Jean-Baptiste Biot, 1774-1862) — французский физик. Родился в Париже, вырос в годы Великой французской революции и до начала занятий физикой успел отслужить в армии. Затем стал одним из первых студентов только что открытой Парижской политехнической школы, по окончании которой продолжал заниматься академической наукой, со временем заняв должность профессора физики в Коллеж де Франс в Париже. В 1803 году был командирован Министерством внутренних дел для расследования обстоятельств метеоритного дождя в городок Эгль. Ему впервые удалось доказать, что метеориты имеют внеземное происхождение и в буквальном смысле падают к нам с неба (в то время в это практически не верили). На следующий год Био вместе с Жозефом Луи Гей-Люссаком (Joseph-Louis Gay-Lussac, 1778-1850) впервые в истории поднялся в воздух на воздушном шаре в научно-исследовательских целях — для изучения характеристик магнитного поля Земли на больших высотах. Однако главную известность принес ему закон Био— Савара, а также большие успехи в исследовании природы поляризации света.
ФЕЛИКС САВАР (Feix Savart, 1791-1841) — французский врач и физик. Родился в Мезьере. Получив медицинское образование, Савар тем не менее поступил на работу в Коллеж де Франс в качестве профессора акустики. Там он изучал принцип работы музыкальных инструментов, прежде всего скрипки, на примере колебаний песчаных волн в слое песка на плоской поверхности, отражающих акустические колебания. Кроме того, он изобрел колесо Савара для точного измерения высоты музыкальных тонов и кварцевую пластину Савара для изучения поляризации света. Однако самая известная работа ученого — его сотрудничество с Био, вылившееся в закон Био—Савара.

Закон Бойля— Мариотта
При постоянной температуре объем, занимаемый газом, обратно пропорционален его давлению


1662

АТОМНАЯ ТЕОРИЯ ОТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
ЗАКОН
1787
БОЙЛЯ— МАРИОТТА
1798

ЗАКОН ШАРЛЯ
1827

МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ
1834

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

УРАВНЕНИЕ
СОСТОЯНИЯ
1849
ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА МОЛЕКУЛЯРНОКИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

Роберт Бойль — яркий пример ученого-джентльмена, сына давно ушедшей эпохи, когда наука была уделом исключительно состоятельных людей, посвящавших занятиям ею свой досуг. Большинство исследований Бойля относятся по современной классификации к разряду химических опытов, хотя сам себя он наверняка считал натурфилософом (физиком-теоретиком) и естествоиспытателем (физиком-экспериментатором). Судя по всему, поведением газов он заинтересовался, увидев проект одного из первых в мире воздушных насосов. Сконструировав и построив очередную усовершенствованную версию своего двустороннего воздушно-вакуумного насоса, он решил исследовать, как повышенное и пониженное давление газа в герметичном сосуде, к которому был подключен его новый аппарат, влияет на свойства газов. Будучи одаренным экспериментатором, Бойль одновременно придерживался весьма новых и необычных для той эпохи взглядов, считая, что наука должна идти от эмпирических наблюдений, а не основываться исключительно на умозрительно-философских построениях.
В формулировке Бойля закон звучал буквально так: «Под воздействием внешней силы газ упруго сжимается, а в ее отсутствие расширяется, при этом линейное сжатие или расширение пропорционально силе упругости газа». Представьте, что вы сдавливаете надутый воздушный шарик. Поскольку свободного пространства между молекулами воздуха достаточно, вы без особого труда, приложив некоторую силу и проделав определенную работу, сожмете шарик, уменьшив объем газа внутри него. Это одно из основных отличий газа от жидкости. В шарике с жидкой водой, например, молекулы упакованы плотно, как если бы шарик был заполнен микроскопическими дробинками. Поэтому вода не поддается в отличие от воздуха упругому сжатию. (Если не верите, попробуйте протолкнуть плотно пригнанную пробку внутрь горлышка бутылки, заполненной водой по самую пробку.) Закон Бойля— Мариотта*, наряду с законом шарля, лег в основу уравнения состояния идеального газа.



РОБЕРТ БОЙЛЬ (Robert Boye, 1627-91) — англо-ирландский физик и химик. Родился в замке Лисмор (Lismore Caste), Ирландия, став четырнадцатым ребенком графа Коркского (Ear of Cork) — знаменитого авантюриста эпохи королевы Елизаветы. Окончив привилегированную Итонскую школу, где был одним из первых учеников среди «юных джентльменов», отправился в многолетнее путешествие по континентальной Европе, в ходе которого продолжил образование в Женевском университете. Вернувшись на родину в 1648 году, оборудовал частную лабораторию и занялся на ее базе физико-химическими исследованиями. В 1658 году перебрался в Оксфорд, где его учеником и ассистентом по лаборатории стал Роберт Гук (см. закон гука), будущий научный секретарь Королевского общества. Кстати, Бойль был одним из основателей и соучредителей Королевского общества, выросшего из кружка молодых оксфордских ученых. Провел целый ряд новаторских химических экспериментов, включая эксперименты по детальному изучению свойств кислот и оснований.

Закон Брэгга
При соблюдении
определенных
математических
условий
рентгеновские
лучи, отраженные
от кристалла,
дают четкую
дифракционную
картину, по которой
можно воссоздать
структуру
кристаллической
решетки

1807
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ
ДИФРАКЦИЯ
1818

1864 ^ СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1912 ^ ЗАКОН БРЭГГА

В кристаллах атомы упорядоченно организованы в регулярно повторяющуюся геометрическую структуру, которую принято называть кристаллической решеткой. Она чем-то напоминает горку апельсинов на фруктовом лотке. Одна из задач физики твердого тела — разгадать структуру кристаллов. Для этого обычно используется метод, основанный на законе, который был открыт родившимся в Австралии английским ученым сэром Уильямом Лоу-ренсом Брэггом совместно с его отцом.
Когда рентгеновский луч падает на кристалл, каждый атом становится центром испускания вторичной волны Гюйгенса (см. принцип гюйгенса). Сам кристалл можно разбить на набор параллельных плоскостей, определяемых атомной структурой решетки (условно говоря, первая плоскость определяется направлением от атома к двум его ближайшим соседям, вторая — направлением от атома к двум следующим соседям по кристаллической решетке и так далее). Вторичные дифракционные волны в общем случае взаимно усиливаться не будут, за исключением тех случаев, когда они попадают в точку наблюдения (на экран или приемник) со сдвигом по фазе, равным целому числу длин волн. Это условие, определяющее пики интенсивности дифракционной картины, можно записать следующим образом:
2d sin в = nX,
где d — расстояние между параллельными плоскостями кристаллической решетки, в — угол рассеяния рентгеновских лучей, X — длина волны рентгеновских лучей, а n — целое число (порядок дифракции). При n = 1 мы наблюдаем пик взаимного усиления волн дифракции на атомах, удаленных друг от друга на одну длину волны, при n = 2 — второй пик дифракции (разность хода составляет две длины волны) и т.д.



Это условие, известное теперь как закон Брэгга, говорит нам, что при данных длинах волн рентгеновское излучение усиливается под определенными углами рассеяния, и по этим углам отклонения мы можем рассчитать расстояние между плоскостями кристаллической решетки. Каждой из таких плоскостей будет соответствовать пик яркости рентгеновских лучей на дифракционной картине при соблюдении условия Брэгга.
Поэтому при облучении кристалла сфокусированным рентгеновским лучом на выходе мы получаем рассеянный в результате дифракции луч с выраженными пиками яркости. По углам отклонения пиков яркости от направления исходного луча ученые сегодня с большой точностью рассчитывают расстояния между атомами кристаллической решетки. Этот метод называется дифракционной рентгенографией. Он имеет сегодня первостепенное значение в биотехнологии, поскольку дифракционная рентгенография — один из основных методов, используемых для расшифровки структуры БИОЛОГИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ.

УИЛЬЯМ ГЕНРИ БРЭГГ (Wiiam Henry Bragg, 1862-1942) и УИЛЬЯМ ЛОУРЕНС БРЭГГ (Wiiam Lawrence Bragg, 1890-1971) — английские физики. Единственный в истории случай, когда отец и сын разделили Нобелевскую премию. Уильям Брэгг старший родился в Вествуде (Англия). По окончании Кембриджа преподавал физику в ряде университетов Великобритании и Австралии. После открытия радиоактивного излучения заинтересовался исследованиями его взаимодействия с веществом. Самое
важное и успешное исследование, посвященное рассеянию рентгеновских лучей на кристаллах, он провел вместе с сыном. За это исследование отец и сын были в 1915 году удостоены Нобелевской премии по физике. В дальнейшем Уильям Генри занимал посты директора Королевского института и председателя Королевского общества. Уильям Лоуренс всю свою научную карьеру посвятил дальнейшему развитию кристаллографии — науки, основы которой заложил вместе со своим отцом.

Закон Брюстера

Луч, падающий под определенным углом к отражающей поверхности, при отражении полностью поляризуется в плоскости, параллельной этой поверхности
ЗАКОН ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА

1621
1690
1807
1815
1818
закон снеллиуса принцип гюйгенса интерференция закон брюстера дифракция

Свет, как и любое электромагнитное излучение, состоит из распространяющихся колебаний электрического и магнитного полей, которые ориентированы под прямым углом друг к другу. Направление электрического поля определяет направление, в котором будет двигаться электрический заряд при прохождении электромагнитной волны. Поляризацией волны как раз и называется направление электрического поля в волне.
Световые волны могут иметь линейную поляризацию (в этом случае колебания электрического поля происходят в фиксированной плоскости), круговую поляризацию (электрическое поле вращается подобно стрелке часов) или эллиптическую поляризацию (электрического поля вращается, при этом его абсолютная величина зависит от направления). Закон Брюстера описывает линейную поляризацию света при отражении луча от поверхности. Согласно этому закону, при определенном угле падения свет полностью поляризуется параллельно отражающей поверхности, и величина этого угла зависит от свойств отражающего вещества. Угол падения, при котором происходит полная поляризация отраженного и преломленного света, называется углом Брюстера, и его тангенс равен коэффициенту преломления отражающего вещества. Даже при углах падения, заметно отличающихся от угла Брюстера, свет в значительной мере поляризуется, но в этом случае и для преломленного, и для отраженного луча характерна эллиптическая поляризация.
Коэффициент преломления света в веществе равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе. У обычного стекла, например, коэффициент преломления 1,5. Это означает, что свет, распространяющийся в вакууме со скоростью около 300 000 км/с, в стекле распространяется со скоростью всего лишь около 200 000 км/с. Следовательно, для стекла угол Брюстера, при котором происходит полная поляризация, составляет около 57°.
Вы наверняка встречались с явлением поляризации в быту. В частности, в наше время солнцезащитные очки часто делают антибликовыми, а достигается это благодаря тому, что в них вставлены поляризованные линзы. В солнечную погоду свет, отраженный от блестящих поверхностей (стекла, стали, воды), оказывается поляризованным преимущественно в горизонтальной плоскости (по закону Брюстера). А линзы антибликовых солнцезащитных очков пропускают только свет, поляризованный вертикально. Благодаря этому большинство бликов, отраженных от окружающих нас предметов, гасятся и не ослепляют нас.

дЕйвид БРЮСТЕР (David Brewster, 1781-1868) — шотландский физик. Родился в Джедбурге. Изучал теологию в Эдинбургском университете, принял сан священника и стал одним из основателей Свободной шотландской церкви, однако вскоре оставил это поприще ради карьеры ученого и популяризатора науки. Специализировался на изучении оптических явлений, прежде всего спектральных и поляризационных, открыл закон, носящий его имя. Однако своеобразную бессмертную славу снискал себе, изобретя в 1816 году калейдоскоп. С 1859 года и до самой смерти Брюстер был ректором Эдинбургского университета.

Закон
всемирного
тяготения
Ньютона
Между всеми телами во Вселенной действует сила взаимного притяжения

1609, • ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА 1619

1687 • ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА

1687 • ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ НЬЮТОНА

1905, • ТЕОРИЯ
1916 ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Исаак Ньютон (портрет работы неизвестного художника). Без преувеличения один из величайших научных умов за всю историю человечества. Именно Ньютону мы обязаны той картине физического мира, которая сложилась к сегодняшнему дню.

На склоне своих дней Исаак Ньютон рассказал, как это произошло: он гулял по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел луну в дневном небе. И тут же на его глазах с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения (см. законы механики ньютона), он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, и, следовательно, на нее воздействует какая-то сила, которая удерживает ее от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Тут ему и пришло в голову, что, возможно, это одна и та же сила заставляет и яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите.

Чтобы в полной мере оценить весь блеск этого прозрения, давайте ненадолго вернемся к его предыстории. Когда великие предшественники Ньютона, в частности Галилей, изучали равноускоренное движение тел, падающих на поверхность Земли, они были уверены, что наблюдают явление чисто земной природы, существующее только недалеко от поверхности нашей планеты. Когда другие ученые, например Иоганн Кеплер (см. законы кеплера), изучали движение небесных тел, они полагали что в небесных сферах действуют совсем иные законы движения, нежели законы, управляющие движением здесь, на Земле. История науки свидетельствует, что практически все аргументы, касающиеся движения небесных тел, до Ньютона сводились в основном к тому, что небесные тела, будучи совершенными, движутся по круговым орбитам в силу своего совершенства, поскольку окружность — суть идеальная геометрическая фигура. Таким образом, выражаясь современным языком, считалось, что имеются два типа гравитации, и это представление устойчиво закрепилось в сознании людей того времени. Все считали, что есть земная гравитация, действующая на несовершенной Земле, и есть гравитация небесная, действующая на совершенных небесах.
Прозрение же Ньютона как раз и заключалось в том, что он объединил эти два типа гравитации в своем сознании. С этого исторического момента искусственное и ложное разделение Земли и остальной Вселенной прекратило свое существование.
Результаты ньютоновских расчетов теперь называют законом всемирного тяготения Ньютона. Согласно этому закону, между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. Как и все физические законы, он облечен в форму математического уравнения. Если М и т — массы двух тел, а Б — рассто
яние между ними, тогда сила і взаимного гравитационного притяжения между ними равна:
і = ОМт/Б2,
где О — гравитационная константа, определяемая экспериментально. В единицах СИ ее значение составляет приблизительно
6,67 х 10-11.
Относительно этого закона нужно сделать несколько важных замечаний. Во-первых, его действие в явной форме распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. В частности, сейчас вы и эта книга испытываете равные по величине и противоположные по направлению силы взаимного гравитационного притяжения. Конечно же, эти силы настолько малы, что их не зафиксируют даже самые точные из современных приборов, но они реально существуют, и их можно рассчитать. Точно так же вы испытываете взаимное притяжение и с далеким квазаром, удаленным от вас на десятки миллиардов световых лет. Опять же, силы этого притяжения слишком малы, чтобы их инструментально зарегистрировать и измерить.
Второй момент заключается в том, что сила притяжения Земли у ее поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. Прямо сейчас на вас действует сила земного притяжения, рассчитываемая по вышеприведенной формуле, и вы ее реально ощущаете как свой вес. Если вы что-нибудь уроните, оно под действием все той же силы равноускоренно устремится к земле. Галилею первому удалось экспериментально измерить приблизительную величину ускорения свободного падения (см. уравнения равноускоренного движения) вблизи поверхности Земли. Это ускорение обозначают буквой g.
Для Галилея g было просто экспериментально измеряемой константой. По ньютону же, ускорение свободного падения можно вычислить, подставив в формулу закона всемирного тяготения массу Земли М и радиус Земли Б, помня при этом, что, согласно второму закону механики ньютона, сила, действующая на тело, равняется его массе, умноженной на ускорение. Тем самым то, что для Галилея было просто предметом измерения, для ньютона становится предметом математических расчетов или прогнозов.
наконец, закон всемирного тяготения объясняет механическое устройство Солнечной системы, и законы кеплера, описывающие траектории движения планет, могут быть выведены из него. Для Кеплера его законы носили чисто описательный характер — ученый просто обобщил свои наблюдения в математической форме, не подведя под формулы никаких теоретических оснований. В великой же системе мироустройства по Ньютону законы Кеплера становятся прямым следствием универсальных законов механики и закона всемирного тяготения. То есть мы опять наблюдаем, как эмпирические заключения, полученные на одном уровне, превращаются в строго обоснованные логические выводы при переходе на следующую ступень углубления наших знаний о мире.
Картину устройства Солнечной системы, вытекающую из этих уравнений и объединяющую земную и небесную гравитации, можно понять на простом примере. Предположим, вы стоите у края отвесной скалы, рядом с вами пушка и горка пушечных ядер. Если просто сбросить ядро с края обрыва по вертикали, оно начнет падать вниз отвесно и равноускоренно. Его движение будет описываться законами ньютона для равноускоренного движения тела с ускорением g. Если теперь выпустить ядро из пушки в направлении горизонта, оно полетит и будет падать по дуге. и в этом случае его движение будет описываться законами ньютона, только теперь они применяются к телу, движущемуся под воздействием силы тяжести и обладающему некой начальной скоростью в горизонтальной плоскости. Теперь, раз за разом заряжая в пушку все более тяжелое ядро и стреляя, вы обнаружите, что, поскольку каждое следующее ядро вылетает из ствола с большей начальной скоростью, ядра падают все дальше и дальше от подножия скалы.
Теперь представьте, что вы забили в пушку столько пороха, что скорости ядра хватает, чтобы облететь вокруг земного шара. Если пренебречь сопротивлением воздуха, ядро, облетев вокруг Земли, вернется в исходную точку точно с той же скоростью, с какой оно изначально вылетело из пушки. Что будет дальше, понятно: ядро на этом не остановится и будет и продолжать наматывать круг за кругом вокруг планеты. иными словами, мы получим искусственный спутник, обращающийся вокруг Земли по орбите, подобно естественному спутнику — Луне. Так мы поэтапно перешли от описания движения тела, падающего исключительно под воздействием «земной» гравитации (ньютоновского яблока), к описанию движения спутника (Луны) по орбите, не изменяя при этом природы гравитационного воздействия с «земной» на «небесную». Вот это-то прозрение и позволило ньютону связать воедино считавшиеся до него различными по своей природе две силы гравитационного притяжения.
Остается последний вопрос: правду ли рассказывал на склоне своих дней Ньютон? Действительно ли все произошло именно так? никаких документальных свидетельств того, что ньютон действительно занимался проблемой гравитации в тот период, к которому он сам относит свое открытие, сегодня нет, но документам свойственно теряться. С другой стороны, общеизвестно, что Ньютон был человеком малоприятным и крайне дотошным во всем, что касалось закрепления за ним приоритетов в науке, и это было бы очень в его характере — затемнить истину, если он вдруг почувствовал, что его научному приоритету хоть что-то угрожает. Датируя это открытие 1666-м годом, в то время как реально ученый сформулировал, записал и опубликовал этот закон лишь в 1687 году, Ньютон с точки зрения приоритета выгадал для себя преимущество больше чем в два десятка лет.
Я допускаю, что кого-то из историков от моей версии хватит удар, но на самом деле меня этот вопрос мало волнует. Как бы то ни было, яблоко Ньютона остается красивой притчей и блестящей метафорой, описывающей непредсказуемость и таинство творческого познания природы человеком. А является ли этот рассказ исторически достоверным — это уже вопрос вторичный.

Закон Генри
Масса газа,
растворенного
в жидкости,
пропорциональна
давлению газа над
поверхностью

1801
жидкости

ЗАКОН ГЕНРИ

Закон Генри описывает процесс растворения газа в жидкости. Что представляет собой жидкость, в которой растворен газ, мы знаем на примере газированных напитков — безалкогольных, слабоалкогольных, а по большим праздникам — шампанского. Во всех этих напитках растворена двуокись углерода (химическая формула С02) — безвредный газ, используемый в пищевой промышленности по причине его хорошей растворимости в воде, а пенятся после открытия бутылки или банки все эти напитки по той причине, что растворенный газ начинает выделяться из жидкости в атмосферу, поскольку после открытия герметичного сосуда давление внутри падает.
Собственно, закон Генри констатирует достаточно простой факт: чем выше давление газа над поверхностью жидкости, тем труднее растворенному в ней газу высвободиться. и это совершенно логично с точки зрения молекулярно-кинетической теории, поскольку молекуле газа, чтобы вырваться на свободу с поверхности жидкости, нужно преодолеть энергию соударений с молекулами газа над поверхностью, а чем выше давление и как следствие число молекул в приграничной области, тем сложнее растворенной молекуле преодолеть этот барьер.
Закон Генри объясняет и другое свойство шипучих напитков — характерную пену, которая так и стремится выплеснуться наружу после того, как вы открыли бутылку газировки или (если выпал случай) шампанского. Чтобы закачать в напиток побольше газа, производители нарочно закупоривают бутылки и банки под большим приповерхностном давлении, а в шампанском оно и вовсе нагнетается само в процессе ферментации и естественного выделения двуокиси углерода внутри бутылки.
Когда вы дергаете за кольцо банки или открываете бутылку, углекислый газ, находящийся внутри под высоким давлением, производит характерный хлопок или шипение. Давление над поверхностью жидкости стремительно падает, уравниваясь с атмосферным давлением, и молекулы С02 начинают беспрепятственно выделяться из напитка, в котором были растворены, в результате чего напиток пузырится и пенится. Рано или поздно раство
УИЛЬЯМ ГЕНРИ (Wiiam Henry, 1774-1836) — английский химик и физик. Родился в семье владельца химической мануфактуры в г. Манчестер. Учился на медицинском факультете Эдинбургского университета, окончив его, работал в морге в Манчестере. Унаследовав семейную химическую мануфактуру, посвятил свободное время физико-химическим исследованиям. Помимо закона, названного его именем, Генри открыл химическую формулу аммиака и обнаружил различие между метаном и этиленом. Помимо исследований (на
которые он потратил значительную часть семейного наследства) Генри оставил после себя учебник «Элементы экспериментальной химии» (Eements of Experimenta Chemistry), признанный самым удачным учебником по химии первой половины XIX века. Близким другом и сотрудником Генри был другой видный ученый того времени Джон Дальтон (см. Закон Дальтона), а сын Уильяма Генри старшего Уильям Чарлз Генри (Wiiam Chares Henry) впоследствии написал первую и наиболее полную биографию друга своего отца.

ренный углекислый газ выделится из жидкости практически весь, направленное к поверхности давление растворенного в жидкости С02 сравняется с атмосферным, и напиток перестанет пениться и пузыриться. Вот почему шипучие напитки в откупоренном виде выдыхаются и достаточно быстро.
Оказывается, физический смысл можно найти даже в банке газировки.

Чем меньше плотность идеального газа, тем больше скорость его истечения через микроскопические отверстия в стенках сосуда
Закон ГрЭМа Эффузия — это процесс медленного истечения газов через маленькие (часто микроскопические) отверстия. Вы встречались с явлением эффузии, когда наутро после празднования дня рождения обнаруживали вдруг, что наполненные накануне гелием воздушные шарики сдулись. Пока вы спали, через микроскопические поры гелий вытек из шариков.
В 1829 году Томас Грэм провел серию экспериментов по эффузии и обнаружил, что при постоянных температуре и давлении скорость истечения газа г обратно пропорциональна квадратному корню из плотности газа й. На языке уравнений это выглядит следующим образом:
г х ^й= к,

1829
ЗАКОН ГРЭМА
ок. 420 • АТОМНАЯ ТЕОРИЯ до н.э. СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

1834
1849
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ
ТЕОРИЯ

ТОМАС ГРЭМ
(Thomas Graham, 1805-69) — шотландский химик. Родился в Глазго в семье преуспевающего фабриканта. Вопреки воле отца, желавшего видеть сына священником, он решил изучать химию. По окончании учебы в университете Глазго работал в разных научных учреждениях (даже был, как и когда-то Исаак Ньютон, директором Монетного двора). Томас Грэм известен в научном мире как основатель коллоидной химии (коллоиды — что-то вроде растворов, в которых частицы намного больше молекул).

где к — константа. Другими словами, чем выше плотность газа при постоянных температуре и давлении, тем ниже скорость эффузии. Пожалуй, самое удивительное в законе Грэма — это то, что постоянная к (в правой части приведенного выше уравнения) при равных условиях примерно одинакова для всех газов.
Как мы знаем из законов идеального газа, при постоянных температуре и давлении плотность газа пропорциональна его относительной молекулярной массе М. Исходя из этого, можно переписать уравнение закона Грэма следующим образом:
г х ^м= к.
Теперь закон об относительной скорости истечения разных газов из одинаковых сосудов мы можем сформулировать так: чем меньше относительная молекулярная масса газа, тем выше скорость эффузии. Вот почему резиновый воздушный шарик, наполненный гелием (с относительной молекулярной массой 4), сдуется за одну ночь, но если тот же шарик наполнить воздухом, то есть смесью главным образом азота (относительная молекулярная масса 28) и кислорода (относительная молекулярная масса 32), он останется надутым в течение нескольких дней. (Воздушные шарики из металлизированной пленки, у которой поры значительно меньше, чем у резины, могут удерживать гелий в течение нескольких недель.)
Это может показаться неожиданным, но закон Грэма нашел применение и при конструировании космических кораблей (предназначенных для длительного нахождения человека в космосе). Корабль, конечно, отличается от воздушного шарика, но с течением времени воздух будет просачиваться через материал, из которого сделан корпус, так же, как он просачивается через оболочку шарика. Может быть, это и не главная забота тех, кто думает о будущем человечества в космосе, но в конце концов с этим придется считаться, например придумав способ получения газов прямо на борту корабля, чтобы компенсировать потери в безвоздушное пространство.
Закон Гука
Сила

1678
противодействия упругого вещества линейному растяжению или сжатию прямо пропорциональна относительному увеличению или сокращению длины

ЗАКОН ГУКА

РОБЕРТ ГУК (Robert Hooke, 16351702) — английский физик. Родился во Фре-шуотере (Freshwater) на острове Уайт в семье священника, окончил Оксфордский университет. Еще учась в университете, работал ассистентом в лаборатории Роберта Бойля, помогая последнему строить вакуумный насос для установки, на которой был открыт
закон бойля —мари отта. Будучи современником Исаака Ньютона, вместе с ним активно участвовал в работе Королевского общества, а в 1677 году занял там пост ученого секретаря. Как и многие другие ученые того времени, Роберт Гук интересо
Представьте, что вы взялись за один конец упругой пружины, другой конец которой закреплен неподвижно, и принялись ее растягивать или сжимать. Чем больше вы сдавливаете пружину или растягиваете ее, тем сильнее она этому сопротивляется. Именно по такому принципу устроены любые пружинные весы — будь то безмен (в нем пружина растягивается) или платформенные пружинные весы (пружина сжимается). В любом случае пружина противодействует деформации под воздействием веса груза, и сила гравитационного притяжения взвешиваемой массы к Земле уравновешивается силой упругости пружины. Благодаря этому мы можем измерять массу взвешиваемого объекта по отклонению конца пружины от ее нормального положения.
Первое по-настоящему научное исследование процесса упругого растяжения и сжатия вещества предпринял Роберт Гук. Первоначально в своем опыте он использовал даже не пружину, а струну, измеряя, насколько она удлиняется под воздействием различных сил, приложенных к одному ее концу, в то время как другой конец жестко закреплен. Ему удалось выяснить, что до определенного предела струна растягивается строго пропорционально величине приложенной силы, пока не достигает предела упругого растяжения (эластичности) и не начинает подвергаться необратимой нелинейной деформации (см. ниже). В виде уравнения закон Гука записывается в следующей форме:
Б = —кх,
где Б—сила упругого сопротивления струны, х — линейное растяжение или сжатие, а к — так называемый коэффициент упругости. Чем выше к, тем жестче струна и тем тяжелее она поддается растяжению или сжатию. Знак минус в формуле указывает на то, что струна противодействует деформации: при растяжении стремится укоротиться, а при сжатии — распрямиться.
Закон Гука лег в основу раздела механики, который называется теорией упругости. Выяснилось, что он имеет гораздо более широкие применения, поскольку атомы в твердом теле ведут себя так, будто соединены между собой струнами, то есть упруго закреплены в объемной кристаллической решетке. Таким образом, при незначительной упругой деформации эластичного материала действующие силы также описываются законом Гука, но в несколько более сложной форме. В теории упругости закон Гука принимает следующий вид:
а/ц = Е,
где а — механическое напряжение (удельная сила, приложенная к поперечной площади сечения тела), ц — относительное удлинение или сжатие струны, а Е — так называемый модуль Юнга, или модуль упругости, играющий ту же роль, что коэффициент упругости к. Он зависит от свойств материала и определяет, насколько растянется или сожмется тело при упругой деформации под воздействием единичного механического напряжения.

вался самыми разными областями естественных наук и внес вклад в развитие многих из них. В своей монографии «Микрография» (Micrography) он опубликовал множество зарисовок микроскопического строения живых тканей и других биологических образцов и впервые ввел современное понятие «живая клетка». В геологии он первым осознал важность геологических пластов и первым в истории занялся научным изучением природных катаклизмов (см. уни-формизм). Он же одним из первых высказал гипотезу, что сила гравитационного притяжения между телами убывает пропорционально квадрату расстояния между ними, а это ключевой
компонент закона все мирного тяготения ньютона, и двое соотечественников и современников так до конца жизни и оспаривали друг у друга право называться его первооткрывателем. Наконец, Гук разработал и собственноручно построил целый ряд важных научно-измерительных приборов — и многие склонны видеть в этом его главный вклад в развитие науки. Он, в частности, первым додумался помещать перекрестье из двух тонких нитей в окуляр микроскопа, первым предложил принять температуру замерзания воды за ноль температурной шкалы, а также изобрел универсальный шарнир (карданное сочленение).

Вообще-то Томас Юнг гораздо более известен в науке как один из сторонников теории волновой природы света, разработавший убедительный опыт с расщеплением светового луча на два пучка для ее подтверждения (см. принцип дополнительности и интерференция), после чего сомнений в верности волновой теории света ни у кого не осталось (хотя до конца облечь свои идеи в строгую математическую форму Юнг так и не сумел). Вообще говоря, модуль Юнга представляет собой одну из трех величин, позволяющих описать реакцию твердого материала на приложенную к нему внешнюю силу. Вторая — это модуль смещения (описывает, насколько вещество смещается под воздействием силы, приложенной по касательной к поверхности), а третья — соотношение Пуассона (описывает, насколько твердое тело истончается при растяжении). Последнее названо в честь французского математика Симеона Дени Пуассона (Simeon-Denis Poisson, 1781-1840).
Конечно, закон Гука даже в усовершенствованной Юнгом форме не описывает всего, что происходит с твердым веществом под воздействием внешних сил. Представьте себе резиновую ленту. Если растянуть ее не слишком сильно, со стороны резиновой ленты возникнет возвратная сила упругого натяжения, и как только вы ее отпустите, она тут же соберется и примет прежнюю форму. Если растягивать резиновую ленту и дальше, то рано или поздно она утратит свою эластичность, и вы почувствуете, что сила сопротивления растяжению ослабла. Значит, вы перешли так называемый предел эластичности материала. Если тянуть резину и дальше, через какое-то время она вообще порвется, и сопротивление исчезнет полностью — это вы перешли через так называемую точку разрыва.
Иными словами, закон Гука действует только при относительно небольших сжатиях или растяжениях. Пока вещество сохраняет свои упругие свойства, силы деформации прямо пропорциональны ее величине, и вы имеете дело с линейной системой — каждому равному приращению приложенной силы соответствует равное приращение деформации. Стоит перетянуть резину за предел эластичности, и межатомные связи-пружины внутри вещества сначала ослабевают, а затем рвутся — и простое линейное уравнение Гука перестает описывать происходящее. В таком случае принято говорить, что система стала нелинейной. Сегодня исследование нелинейных систем и процессов является одним из основных направлений развития физики.

Закон Дальтона
Давление смеси газов, не взаимодействующих друг с другом химически, равно сумме парциальных давлений этих газов

АТОМНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
1662 ^ ЗАКОН
1801
БОЙЛЯ—МАРИОТТА

закон дальтона
1834

УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА
1849

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

Джон Дальтон, ученый, создавший современную теорию атомов

Воздух в комнате, где мы находимся, представляет собой смесь нескольких газов, в основном — азота (около 80%) и кислорода (около 20%). Парциальное давление каждого из этих газов — это давление, которое имел бы газ, если бы он один занимал весь объем. К примеру, если бы все газы, кроме азота, удалили из комнаты, то давление того, что осталось, и было бы парциальным давлением азота. Закон Дальтона утверждает, что общее давление всех газов вместе взятых равно сумме парциальных давлений каждого газа в отдельнсти. (Строго говоря, закон применим только к идеальным газам, но с достаточно хорошим приближением он описывает также и реальные газы.)

Джон Дальтон сформулировал этот закон в 1801 году, хотя молекулярно-кинетическая теория газов (модель, описывающая поведение газов), из которой он непосредственно вытекает, была разработана позже — уже в середине XIX века. Давление газа на стенки сосуда представляет собой результат столкновения молекул газа с этими стенками. Рассматривая газ с этих позиций, нетрудно понять, что количество столкновений со стенкой молекул каждого вида будет зависеть от того, как много молекул этого вида присутствует в газе. А из
этого следует, что общее давление, представляющее собой сумму столкновений всех молекул, получается при сложении числа столкновений молекул каждого вида.

дЖОН дАльтОН (John Daton, 1766-1844) — английский химик и физик. Родился в городе Иглс-филде (графство Камбрия), в семье квакеров. Дальтон бросил школу в 11 лет, но позже начал изучать метеорологию. Два года он работал сельскохозяйственным рабочим, затем стал ассистентом в квакерской
школе. Знания в области естественных наук и математики Дальтон получил от своих коллег. Чтобы прокормиться, открыл собственную школу. Его главным вкладом в науку стала современная атомная теория. Интерес к погоде, а затем и к поведению газов привел его к идее атомов.

Закон Копа
Все виды эволюционируют в направлении увеличения размеров
тела

1809 • ЛАМАРКИЗМ

ок. 1850 • СОЦИАЛЬНЫЙ ДАРВИНИЗМ

1859 • ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

1896 • ЗАКОН КОПА

ЭДУАРД ДРИНКЕР КОП
(Edward Drinker Cope, 1840-97) — американский палеонтолог. Родился в Филадельфии (штат Пенсильвания). С ранних лет начал проявлять интерес к естествознанию. В 1864 году стал профессором сравнительной зоологии и ботаники колледжа Хаверфорд (штат Пенсильвания), а спустя восемь лет начал работать в Геологической службе США. Впоследствии заведовал кафедрой геологии и минералогии (1889-95) и кафедрой зоологии и сравнительной анатомии в Пенсильванском университете. Научная деятельность Копа в области палеонтологии характеризовалась напряженным соперничеством с профессором палеонтологии позвоночных Йельского университета Отниелем Чарлзом Маршем (Othnie Chares Marsh, 1831-99). Оба ученых получили широкое признание благодаря открытию почти тысячи вымерших видов.

Эдуард Коп был одним из последних представителей ученых своего поколения — независимых, богатых, идущих в науке собственным путем. Он внес значительный вклад в открытие кладбищ ископаемых животных на западе США. Наибольшую известность ему принесло участие в «войне динозавров» — яростном соперничестве с представителем Йельского университета Отниелем Маршем. Оба ученых обнаружили большое количество костей динозавров и постоянно боролись за самое яркое открытие. Пожалуй, главным результатом этой «войны» стала ошибочная идентификация первых обнаруженных останков бронтозавра. Из-за этой ошибки бронтозавр был впоследствии переименован в апатозавра — это название впервые предложил Коп. (Об этой ошибке было официально объявлено в 1903 году, однако к тому времени название «бронтозавр» уже прочно укрепилось в общественном сознании. Так что, если только вы не пишете научный труд по палеонтологии, можете смело употреблять старое название.)
Этому исследованию динозавров мы обязаны еще и появлением закона Копа. Закон говорит нам, что в процессе эволюционного развития каждый вид стремится к увеличению размеров тела. Данное утверждение считалось верным почти целый век. Однако недавно палеонтолог Майкл Фут (Michae Foote, р. 1963) из Чикагского университета поставил под сомнение верность этого закона. Фут — представитель нового поколения палеонтологов, хорошо знакомых с современными компьютерными методами исследования. Работая с внушительной базой данных, в которой собрана информация об ископаемых иглокожих (тип морских животных), он показал, что на протяжении десятков миллионов лет в изменении их размеров не было никакой определенной тенденции. Размеры некоторых видов из его базы данных действительно увеличились в соответствии с законом Копа. Однако размеры других видов, наоборот, уменьшились, а третьих — остались без изменения. Иными словами, если анализировать большой объем данных, не ограничиваясь только динозаврами, закон Копа выглядит не столь безупречным.
Закон Копа применим лишь к таким изменениям размеров тела, которые связаны со значительными изменениями в ДНК данного вида на протяжении длительного времени. Этот закон не годится для объяснения такого явления, как увеличение среднего роста людей в Европе со времен Средневековья. По мнению ученых, это следствие улучшения питания и медицинского обслуживания. Так что когда вы смотрите на рыцарские доспехи и задаетесь вопросом, почему рыцари были такими маленькими, закон Копа не может служить вам ответом.

Закон Кулона
Сила
взаимодействия
между двумя
точечными
электрическими
зарядами
пропорциональна
величинам этих
зарядов и обратно
пропорциональна
квадрату

1785
расстояния между ними
1820
ЗАКОН КУЛОНА
1820

ОТКРЫТИЕ ЭРСТЕДА
1820

ЗАКОН АМПЕРА
1831

ЗАКОН БИО—САВАРА

ЗАКОНЫ
1833
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ

ПРАВИЛО ЛЕНЦА

Явление электростатического притяжения еще до нашей эры было известно древнегреческим ученым. Они знали, например, что если потереть янтарь кошачьей шерстью, а стекло шелком, то между ними возникают силы притяжения. Кроме того, им было известно, что при помощи таких предметов можно заставить воздействовать друг на друга и другие предметы: например, если прикоснуться наэлектризованным янтарем к пробковой крошке, она будет отталкиваться от других пробковых крошек, к которым прикасались янтарем, и притягиваться к крошкам, к которым прикасались стеклом. Сегодня мы знаем, что подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Мы наблюдаем электростатические явления и в повседневной жизни, когда, например, нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы.
Электростатика в современном понимании начинается с осознания того, что подобное поведение (притяжение или отталкивание), наблюдавшееся еще древними греками, является следствием существования в природе двух видов электрических зарядов — положительных и отрицательных. В атоме они разделены. Положительные заряды сосредоточены в атомном ядре — их носителями являются протоны, а электроны, являющиеся носителями отрицательных зарядов, расположены вокруг ядра (см. атом бора). Первым идею о том, что в природе существует только два типа электрических зарядов и только они ответственны за все наблюдаемые нами электростатические явления, подобные вышеописанным, высказал американский государственный деятель и ученый Бенджамин Франклин (Benjamin Frankin, 1706-1790). Выражаясь современным языком, его рассуждения сводились к тому, что, если удалить часть отрицательно заряженных электронов из вещества, оно останется положительно заряженным, поскольку в нормальном состоянии именно отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядер. Если же к веществу в нормальном состоянии добавить дополнительные электроны, оно приобретет отрицательный заряд.
Зная о существовании электричества на протяжении тысяч лет, человек приступил к его научному изучению лишь в XVIII веке. (Интересно, что сами ученые той эпохи, занявшиеся этой проблемой, выделяли электричество в отдельную от физики науку, а себя именовали «электриками».) Одним из ведущих первоисследователей электричества явился Шарль Огюстен де Кулон. Тщательно исследовав силы взаимодействия между телами, несущими на себе различные электростатические заряды, он и сформулировал закон, носящий теперь его имя. В основном свои эксперименты он проводил следующим образом: различные электростатические заряды передавались двум маленьким шарикам, подвешенным на тончайших нитях, после чего подвесы с шариками сближались. При достаточном сближении шарики начинали притягиваться друг к другу (при противо
положной полярности электрических зарядов) или отталкиваться (в случае однополярных зарядов). В результате нити отклонялись от вертикали на достаточно большой угол, при котором силы электростатического притяжения или отталкивания уравновешивались силами земного притяжения. Замерив угол отклонения и зная массу шариков и длину подвесов, Кулон рассчитал силы электростатического взаимодействия на различном удалении шариков друг от друга и на основе этих данных вывел эмпирическую формулу:
Б = к<2д/Б2,
где <2 и д — величины электростатических зарядов, Б — расстояние между ними, а к — экспериментально определяемая постоянная Кулона.
Сразу отметим два интересных момента в законе Кулона. Во-первых, по своей математической форме он повторяет закон всемирного тяготения ньютона, если заменить в последнем массы на заряды, а постоянную Ньютона на постоянную Кулона. И для этого сходства есть все причины. Согласно современной квантовой теории поля и электрические, и гравитационные поля возникают, когда физические тела обмениваются между собой лишенными массы покоя элементарными частицами-энергоносителями — фотонами или гравитонами соответственно. Таким образом, несмотря на кажущееся различие в природе гравитации и электричества, у двух этих сил много общего.
Второе важное замечание касается постоянной Кулона. Когда шотландский физик-теоретик Джеймс Кларк Максвелл вывел систему уравнений максвелла для общего описания электромагнитных полей, выяснилось, что постоянная Кулона напрямую связана со скоростью света с. Наконец, Альберт Эйнштейн показал, что с играет роль фундаментальной мировой константы в рамках теории относительности. Таким образом можно проследить, как самые абстрактные и универсальные теории современной науки поэтапно развивались, впитывая в себя ранее полученные результаты, начиная с простых выводов, сделанных на основе настольных физических опытов.

ШАРЛЬ ОГЮОТЕН ДЕ КУЛОН
(Chares Augustin de Couomb, 1736-1806) — французский инженер и физик. Родился в провинциальном местечке Ангулем в семье влиятельных поместных дворян. Большую часть своей жизни Кулон посвятил военной инженерии. Выйдя в отставку по окончании военно-инженерной службы, где он занимался строительством каналов и фортификационных укреплений во Франции и ее колониях в Карибском регионе, получил назначение в Париж на должность консультанта, оставлявшую ему достаточно
времени и сил для начала научной карьеры. Помимо электростатических явлений и магнетизма ученый экспериментально исследовал законы трения, а также разработал концепцию линейных осевых нагрузок, которая до сих пор неизменно используется в строительно-инженерном проектировании для расчета сил, действующих по отличным от вертикали направлениям на различные элементы постройки (например, со стороны кровли на стены). В его честь единица СИ количества электричества носит название кулон.

Закон Кюри
Магнитная восприимчивость парамагнетиков прямо
пропорциональна магнитному полю и обратно пропорциональна температуре

1600 • МАГНЕТИЗМ

1820 • ЗАКОН АМПЕРА

1895 • ЗАКОН КЮРИ

1895 • ТОЧКА КЮРИ

Большинство атомов обладает собственным магнитным полем (см. точка кюри). В большинстве веществ магнитные поля атомов направлены хаотично, и они взаимно гасятся. Имеются, однако, такие вещества, в которых под воздействием внешнего магнитного поля магнитные поля атомов упорядочиваются и начинают усиливать внешнее магнитное поле. Такие материалы — их называют парамагнетики — в обычных условиях магнитных свойств не проявляют, но во внешнем магнитном поле начинают их проявлять. Этим они, прежде всего, отличаются от ферромагнетиков, например железа, которые остаются намагниченными после прекращения действия внешнего магнитного поля, и диамагнетиков, которые намагничиваются в противоположном внешнему полю направлении и ослабляют его.
В начале своей карьеры французский физик Пьер Кюри детально изучил магнитные свойства различных веществ, и именно ему мы обязаны нашими современными представлениями в этой области. В частности, Кюри обнаружил, что дополнительное магнитное поле, возникающее, когда атомы парамагнетика упорядочиваются, пропорционально приложенному магнитному полю — то есть чем сильнее внешнее магнитное поле, тем больше атомы упорядочиваются. Кюри также открыл, что при нагревании парамагнитные свойства веществ ослабевают. Происходит это из-за усиления теплового движения атомов, которое препятствует упорядочению их магнитных полей. Эти результаты обобщены в законе Кюри:
М = СВ/Т,
где М — дополнительное магнитное поле, или намагниченность, вещества, В — приложенное магнитное поле, Т — температура вещества (в кельвинах), а С — постоянная Кюри. Для данного вещества постоянная Кюри всегда одна и та же (не зависит от температуры), но меняется от вещества к веществу.



Закон Мёрфи

сер. 1940-х
Если что-то может сломаться, это обязательно сломается

ЗАКОН МЁРФИ

Существует множество вариантов закона Мёрфи: бутерброд падает маслом вниз, сдача в кассе заканчивается всегда как раз перед тобой и т. п. Я всегда предполагал, что закон Мёрфи — это всего лишь образец народной мудрости, в ироничной форме выражающий представления о мире, а Мёрфи — персонаж вымышленный. Поэтому я очень удивился, когда узнал, что Мёрфи — не просто реальный человек, но еще и инженер военно-воздушных сил США, и его устам действительно принадлежит так называемая «классическая» версия закона, носящего его имя.
Как ни странно, Мёрфи — это капитан Эдвард Алоизиус Мёрфи (р. 1917), выпускник Военной академии сухопутных войск в Уэст-Пойнте и бывший летчик-истребитель, участвовавший в середине 1940-х в первых экспериментах по изучению реакции человеческого организма на сверхускорение. В ходе экспериментов, которые проводились на авиабазе Эдвардс в калифорнийской пустыне Мохаве, волонтера пристегивали к своего рода санкам, которые, двигаясь по рельсам, получали ускорение от ракетного двигателя. Наибольшее ускорение (в данном случае отрицательное) санки получали в конце поездки, когда скорость их движения резко замедлял бассейн с водой, установленный на рельсах.
Нет необходимости говорить, что это была система, в которой может произойти любая неожиданность. Мёрфи, как конструктора одного из механизмов санок, постоянно занимали мысли о том, почему его системы не работают должным образом. Вот его реальные слова (первая формулировка закона Мёрфи): «Если что-то можно сделать несколькими способами и один из них не работает, то обязательно найдется кто-то, кто прибегнет именно к этому способу». Мне кажется, тот факт, что изначальная мысль, много раз искажаясь, превратилась в хорошо знакомое нам всем утверждение, которое я дал в начале статьи, только подтверждает закон Мёрфи. Кстати говоря, как потом выяснилось, проблемы с механизмом Мёрфи возникли из-за того, что техник установил его задом наперед — вот очередной прекрасный пример закона в действии.
Конечно, «закон» Мёрфи — это не закон в том смысле, в каком это слово употребляется на других страницах нашей книги. Я имею в виду, что он никогда не подвергался тем тщательным испытаниям, которых требует научный метод. Тем не менее эта частица народной мудрости помогает нам более спокойно пережить те моменты, когда судьба отворачивается от нас.
Но кроме того, закон выражает взгляды инженера на жизнь. Все инженеры знают, что первым (а также вторым и третьим) делом сложную систему тестируют, и она не работает. И не предполагается, что она сразу будет работать. Конечная цель испытаний — найти неполадки в системе, чтобы их можно было устранить. Есть принципиальное различие между тем, как подходит к этому вопросу инженер и обычный человек. Так, насмешки, которым подверглась в 1960-е годы американская космическая программа,

когда ракеты одна за другой взрывались на старте, показывают, что публика просто не понимает цели испытаний. Конечно, в конце концов неполадки были устранены, и после успеха программы «Аполлон» все насмешки прекратились. Подобное явление наблюдалось и в начале XXI века во время публичного обсуждения американской системы противоракетной обороны.
Я думаю, конструкторы руководствуются именно законом Мёрфи, когда «на всякий случай» повышают коэффициент безопасности в своих сооружениях и механизмах. Большинство зданий, например, способно выдержать по крайней мере на 50% более мощные нагрузки, чем те, что возникают в реальной жизни, просто потому, что их создатели знают, что что-то может выйти не так.
Дело в том, что инженерам нравится думать о недостатках системы. Я помню семинар в Вирджинском университете в начале 1970-х, перед запуском первого космического шаттла. Докладчиком был инженер НАСА, который руководил созданием космического двигателя шаттла. И все полтора часа он объяснял в леденящих душу подробностях, почему его двигатель не должен был работать. Я никогда не видел столь восторженной публики: эти ребята наслаждались созерцанием системы, где столько всего может сломаться. Я думаю, такая кальвинистская черта характера должна быть присуща каждому инженеру, если он хочет добиться успеха. Тот факт, что в один прекрасный день он создаст систему, работающую безупречно, к делу не относится.

Закон Мура

1965
Основные характеристики компьютеров улучшаются в два раза каждые два года

ЗАКОН МУРА

В 1960-е годы, в самом начале информационной революции, Гордон Мур, впоследствии один из основателей корпорации Inte, обратил внимание на интересную закономерность в развитии компьютеров. Он заметил, что объем компьютерной памяти удваивается примерно каждые два года. Эта закономерность стала своего рода эмпирическим правилом в компьютерной промышленности, и вскоре оказалось, что не только память, но и каждый показатель производительности компьютера — размер микросхем, скорость процессора и т.д. — подчиняется этому правилу.
Последующее развитие компьютеров шло в соответствии с законом Мура. Поразительно, но в последние десятилетия мы стали свидетелями нескольких настоящих революций в области технологий. Мы прошли путь от компьютеров на ламповых транзисторах к компьютерам на интегральных схемах и далее — к компьютерам на микропроцессорах, и каждый раз закон Мура находил подтверждение. В 1960-е годы ни один человек в Силиконовой долине не мог даже предположить, что современные технологии производства позволят размещать миллионы элементов в кремниевом кристалле (чипе) размером с почтовую марку. Но когда в соответствии с законом Мура должна была возникнуть такая степень интеграции, она возникла. Правда, закон Мура, похоже, стал действовать быстрее — за последние несколько лет период удвоения производительности сократился с двух лет до полутора.
Однако рано или поздно законы природы положат конец господству закона Мура. Взять, к примеру, размеры элементов микросхемы. Закон предсказывает, что к 2060 году они должны будут стать размером с одиночный атом — что невозможно с точки зрения квантовой механики!

ГОРДОН ЭРЛ МУР (Gordon Eare Moore, р. 1929) — американский компьютерный инженер и бизнесмен. Родился в Сан-Франциско, получил докторскую степень в области химической физики в Калифорнийском технологическом институте. Некоторое время работал под руководством Вильяма Шокли (Wiiam Shockey, 1910-89), одного из изобретателей транзистора, и занимался изучением полупроводников. Но в характере Шокли начала проявляться эксцентричность, поведение его стало непредсказуемым, и Мур и несколько его коллег уволились. С одним из них, Робертом Нойсом (Robert Noyce, 1927-90), в 1968 году Мур основал корпорацию Inte (где до сих пор занимает должность почетного председателя совета директоров) и приступил к разработке и производству сложных интегральных схем — «чипов», — лежащих в основе современных персональных компьютеров. «Закон» Мура впервые был изложен в 1965 году в журнале «Электроника» в комментарии ученого к статье о том, как технология интегральных схем должна привести к снижению стоимости компьютеров.

Физика

Закон Ома

Электрическое сопротивление проводника не зависит от поданного на него напряжения
XIX

1826
электрические свойства вещества
1900
ЗАКОН ОМА

электронная теория
1926
проводимости

полосная теория
твердотельной
1957
проводимости

теория сверхпроводимости

Для этой цепи, согласно закону Ома, напряжение V равно силе тока I, измеренной амперметром Л, умноженной на сопротивлениеК

Что такое электрическое сопротивление? Проще всего объяснить это по аналогии с водопроводной трубой. Представьте себе, что вода — некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение — аналог давления (напора) воды. Сопротивление — это та сила противодействия среды их движению, которую электронам или воде приходится преодолевать, в результате чего производится работа и выделяется теплота. Именно такая модель представлялась в 1820-е годы Георгу Ому, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях.
В водопроводной трубе все обстоит так, что чем выше давление воды, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления в трубах, поскольку в них усиливается турбулентность потока. Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. И очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для отдельного участка цепи) записывается очень просто:
и = 1К,
где и — напряжение, приложенное к участку цепи, I — сила тока, а К — электрическое сопротивление участка цепи.
Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных электронов, а сопротивление — столкновением этих электронов с атомами кристаллической решетки (см. электронная теория проводимости).
При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому, который в результате начинает колебаться более интенсивно, и в итоге мы наблюдаем нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока остается постоянным.
Однако, когда Георг Ом эксперимен? тально открыл свой закон, атомная
теория строения вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона оставалось несколько десятилетий. Таким образом, | / для него формула и = 1К была чисто экспериментальным результатом. Сегодня мы имеем достаточно стройную и, одновременно, сложную теорию электропроI ' водности и понимаем, что закон Ома в
У его первозданном виде — всего лишь


закон ома

грубое приближение. Однако это не мешает нам с успехом использовать его для расчета самых сложных электрических цепей, использующихся в промышленности и быту. Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом в честь этого выдающегося ученого.

ГЕОРГ СИМОН ОМ (Georg Simon Ohm, 1789-1854) — немецкий физик. Родился в Эрлангене в 1789 году (по другим источникам — в 1787-м). Окончил местный университет. Преподавал математику и естественные науки. Признание в академических кругах получил достаточно поздно, лишь в 1849 году став профессором Мюнхенского университета, хотя уже в 1827 году сформулировал и опубликовал закон, который теперь носит его имя. Помимо электричества, занимался акустикой и изучением человеческого слуха.

Закон
отражения
света
Отраженный и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей поверхности в точке падения, и угол падения равен углу отражения
1621

ЗАКОН ОТРАЖЕНИЯ ОБЕТА
принцип ферма
закон снеллиуса
1650 •
1690 ^ принцип гюйгенса 1807 •
1815
интерференция
1818

закон брюстера

дифракция

Представьте, что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, — например, посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью) и исходным лучом называется углом падения, а угол между нормалью и отраженным лучом — углом отражения. Закон отражения гласит, что угол падения равен углу отражения. Это полностью соответствует тому, что нам подсказывает интуиция. Луч, падающий почти параллельно поверхности, лишь слегка коснется ее и, отразившись под тупым углом, продолжит свой путь по низкой траектории, расположенной близко к поверхности. Луч, падающий почти отвесно, с другой стороны, отразится под острым углом, и направление отраженного луча будет близким к направлению падающего луча, как того и требует закон.
Закон отражения, как любой закон природы, был получен на основании наблюдений и опытов. Можно его вывести и теоретически — формально он является следствием принципа ферма (но это не отменяет значимости его экспериментального обоснования).
Ключевым моментом в этом законе является то, что углы отсчи-тываются от перпендикуляра к поверхности в точке падения луча. Для плоской поверхности, например, плоского зеркала, это не столь важно, поскольку перпендикуляр к ней направлен одинаково во всех точках. Параллельно сфокусированный световой сигнал — например, свет автомобильной фары или прожектора, — можно рассматривать как плотный пучок параллельных лучей света. Если такой пучок отразится от плоской поверхности, все отраженные лучи в пучке отразятся под одним углом и останутся параллельными. Вот почему прямое зеркало не искажает ваш визуальный образ.
Однако имеются и кривые зеркала. Различные геометрические конфигурации поверхностей зеркал по-разному изменяют отраженный образ и позволяют добиваться различных полезных эффектов. Главное вогнутое зеркало телескопа-рефлектора позволяет сфокусировать в окуляре свет от далеких космических объектов. Выгнутое зеркало заднего вида автомобиля позволяет расширить угол обзора. А кривые зеркала в комнате смеха позволяют от души повеселиться, разглядывая причудливо искаженные отражения самих себя.
Закону отражения подчиняется не только свет. Любые электромагнитные волны — радио, СВЧ, рентгеновские лучи и т. п. — ведут себя в точности так же. Вот почему, например, и огромные принимающие антенны радиотелескопов, и тарелки спутникового телевидения имеют форму вогнутого зеркала — в них используется все тот же принцип фокусировки поступающих параллельных лучей в точку.

Закон последовательности напластования горных пород
В ненарушенных осадочных породах чем слой ниже, тем он древнее
1788

1666 ^ закон последовательности напластования горных пород
кон. XVIII

униформизм

цикл преобразования горной породы

радиометрическое датирование
МАССОВЫЕ ВЫМИРАНИЯ
тектоника плит

Один из наиболее впечатляющих примеров осадочных пород
(см. цикл преобразования горной породы) можно увидеть
в Большом Каньоне в Аризоне, где яркие разноцветные горные породы располагаются одна над другой слой за слоем, а между ними — миллионы лет геологической истории. Осадочные породы образуются в виде горизонтальных слоев из ила и других отложений на дне океанов и озер. Естественно, новые слои откладываются поверх более старых. Рассматривая все более и более глубокие слои в Большом Каньоне (или другом подобном месте), мы увидим все более и более древние породы — по сути дела, мы будем двигаться назад во времени.
Этот закон напластования горных пород стал первым инструментом палеонтологов в процессе изучения истории жизни на нашей планете. Сегодня он кажется нам очевидным. Однако в XVII веке, когда он впервые был высказан, сама мысль о том, что у Земли есть долгое геологическое прошлое, в течение которого она значительно изменялась, была просто революционной. Позднее, в начале XIX века, пришла другая важная мысль: если нижние отложения древнее верхних, то те формы жизни, остатки которых найдены в нижних слоях, должны были появиться раньше тех, которые найдены в верхних слоях. Это — закон последовательной смены комплексов животных и растений во времени. (Напомним, что это было время, когда многие считали идею эволюции противоречащей религии, даже еретической.) История отдельного вида растений или животных начинается, когда находят самый ранний слой отложений, содержащий остатки этих растений (животных), а период исчезновения данного вида определятся по самому позднему слою, в котором еще есть эти остатки. Вооружившись данным законом и законом напластования горных пород, палеонтологи стали определять относительный возраст пластов горной породы по ископаемым остаткам, которые содержались в этих пластах.
Если последовательность отложений не нарушена и содержит достаточное количество окаменелостей, можно проследить превращение одного вида организма в другой — иными словами, проследить за ходом естественного отбора в процессе эволюции. Правда, ископаемые остатки обычно не слишком хорошо сохраняются (хотя во всем мире есть несколько мест с подходящими для этого условиями). Обычно же можно увидеть только отпечатки ископаемых организмов, да и то разрозненные, и палеонтологам приходится прибегать к теоретическим рассуждениям, чтобы связать свою находку с тем, что действительно происходило в прошлом. Например, довольно часто какой-нибудь вид находят в нескольких нижних пластах, затем в нескольких последующих пластах его не обнаруживают, а затем вновь находят в вышележащих пластах. Очевидно, что данный вид существовал в течение всего этого периода времени, но не сохранился в виде окаменелостей в промежуточных слоях. (Этот феномен был назван «эффектом Лазаря»

Верхний пласт глины в этой геологической формации в Норфолке (Англия) лежит поверх более ранних пластов песчаника. Это наглядно иллюстрирует принцип последовательности напластования горных пород, который гласит: чем ниже расположен слой, тем раньше он сформировался.

по аналогии с библейским преданием о воскрешении человека из мертвых.)
Несколько слов предостережения. Во-первых, закон напластования горных пород не позволяет точно указать момент времени, когда сформировались отложения — с его помощью можно определить только относительный возраст различных слоев. Чтобы определить абсолютный возраст, необходимо радиометрическое датирование. Во-вторых, слово «ненарушенный» в формулировке принципа чрезвычайно важно. Поскольку поверхность Земли постоянно меняется (см. т екто ника пл и т ), осадочные породы, сформировавшись, впоследствии могут образовать складку, а в месте складки более древние породы окажутся выше более молодых.



Закон Снеллиуса
Угол преломления луча при прохождении границы между двумя средами зависит от соотношения коэффициентов преломления этих сред

1621 ^ ЗАКОН ОНЕЛЛИуОА

1650 ^ принцип ферма

1864 ^ спектр электромагнитного излучения

1864 ^ уравнения максвелла

1924 ^ дисперсия:
атомная теория

Виллеброрд Снеллиус открыл простой закон преломления лучей. Полное внутреннее отражение происходит, когда луч падает под критическим или более тупым углом к нормали

теория относительности заставила нас усвоить, что ничто не движется быстрее света, но при этом в данной формулировке имеется одна маленькая хитрость, о которой часто забывают. Теоретики, говоря «скорость света», имеют в виду скорость света в вакууме, которую принято обозначать латинской буквой с, и для них это настолько самоочевидно, что дополнение «в вакууме» они обычно не озвучивают. А ведь при распространении света в прозрачной среде, например, воде или стекле, он движется значительно медленнее скорости с из-за непрерывного взаимодействия с атомами материальной среды.
Так что же происходит с фронтом световой волны при ее прохождении через границу двух прозрачных сред? Ответ на это дает закон Снеллиуса (или «закон Снелля», если следовать не латинскому, а голландскому написанию. — Прим. переводчика), названный по имени голландского естествоиспытателя Вил-леброрда Снеллиуса, впервые сформулировавшего эту закономерность. Важнейший пример такого преломления мы наблюдаем при попадании светового луча из воздуха в стекло и затем снова в воздух — а именно это происходит (причем зачастую неоднократно) в любом оптическом приборе, будь то сложнейшее лабораторное оборудование или банальная пара очков. Представьте себе туристов, идущих гуськом по диагонали через квадратное поле, посередине которого, параллельно двум его сторонам, проходит граница, после которой начинается болото. Понятно, что по чистому полю туристы могут идти быстрее, а по болотной жиже — медленнее. И вот, когда первые туристы доходят до края болота и начинают вязнуть в грязи, скорость их продвижения падает, и они, как нормальные люди, отклоняются от курса, чтобы поскорее добраться до противоположного края болота, в то время как идущие следом движутся с прежней скоростью и в прежнем направлении. По мере залезания в болото все новых туристов они также сбрасывают скорость и начинают срезать угол. В итоге с высоты птичьего полета процессия туристов выглядит преломленной — по полю она идет в одном направлении, а по болоту — в другом. То



Полное внутреннее отражение
Представьте стеклянный параллелепипед, изнутри которого на одну из его граней падает луч света. При прохождении границы с воздухом луч преломляется и, поскольку коэффициент преломления света в воздухе (около 1) ниже, чем в стекле (около 1,5), луч отклоняется от перпендикуляра (нормали). По закону Снеллиуса, если луч падает на поверхность под углом, например, 30°, по ту сторону границы он выйдет под более тупым углом к нормали (около 49°). По мере увеличения отклонения угла падения от нормали угол преломления будет увеличиваться «опережающими темпами», пока, наконец, при угле падения примерно в 42° расчетный угол преломления не станет равен 90° к перпендикуляру — то есть, попав на поверхность, луч в этом случае не пройдет сквозь нее, а преломится строго вдоль границы между стеклом и воздухом.
Что же случится при дальнейшем увеличении угла падения луча? Угол преломления более 90° по сути означает, что луч не выйдет за пределы стекла и останется внутри стеклянного бруса, — то есть, он не преломится, а отразится от границы стекла с воздухом. Это явление называется полным внутренним отражением. Критический угол определяется из уравнения:
sin в > n2/n1.
При значениях в больше критического угла луч света изнутри стекла больше не проникает в воздух, а отражается обратно внутрь стекла, как от зеркала. Явление полного внутреннего отражения вы легко можете пронаблюдать и сами. В следующий раз, ужиная при свечах, возьмите бокал вина и поднимите его высоко над головой, и, рассматривая огонек свечи сквозь поверхность вина, начните его постепенно опускать. Сначала, пока бокал поднят достаточно высоко, пламя свечи будет проблескивать сквозь поверхность вина. Однако в какой-то момент, по мере того как вы опускаете бокал, вы достигнете точки, когда поверхность
вина вдруг сделается абсолютно темной. А все дело в том, что вы достигли критического угла падения луча и свет свечи теперь претерпевает полное внутреннее отражение, в результате чего никакой свет наружу не просачивается. Однако полное внутреннее отражение — это не просто любопытный фокус, а основа для целого ряда важных современных технологий; прежде всего — этот эффект лежит в основе оптоволоконной связи. Свет, поступая с одного конца в тончайшее стекловолокно под очень большим углом, в дальнейшем вынужден распространяться вдоль этого волокна, не покидая его пределов, раз за разом отражаясь от его стенок, поскольку угол его падения не достаточен, чтобы вырваться за его пределы, благодаря чему на противоположном конце выход оптического сигнала практически не теряет в интенсивности. Если связать множество таких оптических волокон в пучок, чередование импульсов света и затемненных промежутков на выходе из такого оптоволоконного кабеля будет строго соответствовать сигналу, поступившему в него на входе. Этот принцип сегодня широко используется в современных медицинских технологиях, в частности в артроскопии, когда тонкий пучок оптических волокон вводится в организм пациента сквозь крохотный надрез или естественное устье и доставляется буквально к самому органу, на котором производится микрохирургическая операция, позволяя хирургу в буквальном смысле видеть на экране монитора, что и как именно он оперирует.
Не менее широкое применение нашло полное внутреннее отражение и в области высокоскоростной передачи информации по оптоволоконным телефонным линиям связи. Посылая модулированные оптические сигналы вместо электромагнитных, мы получаем возможность на несколько порядков ускорить передачу информации по телекоммуникационным сетям. На самом деле во всех по-настоящему индустриально развитых странах мира вся телефония уже переведена на оптоволоконную связь.

же и со световым лучом: если при пересечении границы двух сред скорость света во второй среде ниже, чем скорость света в первой среде, луч отклоняется в сторону нормали (линии, перпендикулярной границе). Если же во второй среде скорость распространения света выше (как, например, при переходе света из стекла в воздух), луч, напротив, отклонится от нормали на больший угол (туристы ускорят шаг и спрямят направление).
Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется коэффициентом преломления среды. Так, коэффициент преломления стекла равен примерно 1,5 (зависит от сорта стекла), то есть свет в стекле замедляется примерно на треть по сравнению со скоростью его распространения в вакууме. У каждого прозрачного материала — собственный коэффициент преломления (совпадения, конечно же, возможны, но они ни о чем не говорят).
Закон Снеллиуса устанавливает числовое соотношение между углами падения и преломления луча при переходе из одной среды в другую. Если в1 и в2 — углы, соответственно, падения и преломления относительно нормали (см. рисунок) при переходе луча из одной среды в другую, а n1 и n2 — коэффициенты преломления этих сред, то имеет место соотношение:
n1 sin 6 = n2 sin в2.
Смысл этого закона в том, что, если известны коэффициенты преломления света в двух граничащих средах и угол падения луча, можно рассчитать, насколько отклонится луч после пересечения границы между средами.
Доводилось ли вам когда-либо стоять у бортика бассейна и удивляться, отчего это у вашей подруги, стоящей по пояс в воде, ноги кажутся непропорционально короткими? А все дело в том, что световые лучи, которые вы воспринимаете и которые доносят до вас зрительный образ, выйдя из воды и попав в воздух, преломились и достигают ваших глаз под более тупым углом, чем если бы бассейн стоял без воды. Мозг же верит глазам, и вам кажется, что ступни вашей подруги ближе, чем они есть на самом деле.

биллеброрд сиеллиус
(СНЕЯЛЬ) (Wiebrord Van Roijen Sne, 1580-1626) — голландский математик и физик. Родился в Лейдене в семье профессора математики местного университета. Изучал математику и юриспруденцию в различных университетах Европы, много путешествовал, познакомился со многими видными учеными своего времени, включая Иоганна Кеплера. В 1613 году стал преемником отца на должности профессора Лейденского университета. Стоял
у истоков новой науки геодезии, первым усмотрев важность использования метода подобия треугольников при проведении геодезических измерений. В 1621 году, после многочисленных экспериментов по оптике, открыл закон преломления лучей, позже названный его именем. Своих результатов Снеллиус не публиковал, — они пылились в архивах, пока не были обнаружены Рене Декартом ^епй Descartes), который включил их в свой фундаментальный труд «Начала философии».

Закон
сохранения
линейного
импульса

Линейный импульс замкнутой системы сохраняется
1668
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ
ЛИНЕЙНОГО
1687
ИМПУЛЬСА
1736

ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА

Начав двигаться, тело имеет тенденцию продолжать движение. Первый закон механики ньютона гласит: если тело движется, то при отсутствии внешних воздействий оно так и будет двигаться дальше прямолинейно и равномерно до тех пор, пока не подвергнется воздействию внешней силы. Эту тенденцию называют линейным импульсом. С ней часто сталкиваемся в повседневной жизни. Бильярдный шар катится по столу с той скоростью, которая придана ему кием, копье летит с той скоростью, с которой его метнули.
Физики определяют линейный импульс телар как его массу т, умноженную на его скорость у:
р = ту.
Буквы р и у выделены полужирным шрифтом, чтобы показать, что эти величины характеризуются не только абсолютным значением, но и направлением. Так, применительно к скорости, мы не просто говорим, что машина движется со скоростью 40 км/ч, а что она движется со скоростью 40 км/ч, например, на север. Величина, которая кроме абсолютного значения имеет направление, называется вектором.
Понятно, что, согласно первому закону Ньютона, количество движения отдельно взятого тела в отсутствии внешних сил сохраняется. Закон же сохранения импульса гласит, что при соблюдении этого условия сохраняется векторная сумма импульсов всех тел, входящих в замкнутую механическую систему. В таком представлении система из двух бильярдных шаров массой т, пущенных друг навстречу другу с одинаковыми скоростями у, будет иметь нулевой момент импульса, хотя каждый из шаров по отдельности и обладает импульсом ту. Однако импульсы шаров взаимно пога-сятся вследствие их векторной природы (поскольку их скорости противоположно направлены).
Вообще, любая величина, характеризующая систему и не изменяющаяся в результате взаимодействия внутри нее, называется консервативной, и для нее имеется свой закон сохранения. В частности, в механических системах, помимо закона сохранения импульса действует еще и закон сохранения момента импульса или количества вращения — величины, которая описывает количество движения тел вокруг собственной оси и по изогнутым траекториям.
Что же происходит при прямолинейном соударении двух бильярдных шаров на встречных курсах? Происходит сразу несколько явлений. Во-первых, в момент столкновения шары слегка деформируются и часть их кинетической энергии переходит в тепловую. Во-вторых, мы знаем, что совокупный импульс системы из двух шаров не изменяется и остается равным нулю. Значит, видя, что один шар откатывается после лобового столкновения в обратном направлении с определенной скоростью, мы можем с уверенностью сказать, что второй шар в данный момент времени катится в обратном направлении ровно с той же скоростью.

Второй закон механики ньютона, кстати, можно легко интерпретировать и как формулу, согласно которой скорость изменения импульса равна силе, приложенной к замкнутой системе. Таким образом, чтобы изменить импульс системы, требуется внешняя сила. В молекулярно-кинетической теории, например, это наглядно просматривается: давление объясняется импульсами ударов молекул о стенки сосуда, содержащего газ. Поскольку молекулы газа упруго отскакивают в обратном направлении, их импульсы меняются на противоположные, а значит, стенка оказывает силовое воздействие на ударяющиеся об нее молекулы. но это означает, что и молекулы, в силу третьего закона ньютона, оказывают силовое воздействие на стенку, которое и воспринимается нами как давление.

Закон
сохранения
момента
импульса
В замкнутой системе
выполняется закон сохранения момента импульса

1668
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ
ЛИНЕЙНОГО
1687
ИМПУЛЬСА
1736

ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ
МОМЕНТА ИМПУЛЬСА

Вращающееся вокруг своей оси тело при отсутствии тормозящих вращение сил так и будет продолжать вращаться. Физики привычно объясняют этот феномен тем, что такое вращающееся тело обладает неким количеством движения, вьгражающимся в форме углового момента количества движения, или кратко момента импульса, или момента вращения. Момент импульса вращающегося тела прямо пропорционален скорости вращения тела, его массе и линейной протяженности. Чем выше любая из этих величин, тем выше момент импульса. Если теперь допустить, что тело вращается не вокруг собственного центра массы, а вокруг некоего центра вращения, удаленного от него, оно все равно будет обладать вращательным моментом импульса. В математическом представлении момент импульса Ь тела, вращающегося с угловой скоростью т, равен Ь = 1т, где величина I, называемая моментом инерции, является аналогом инерционной массы в законе сохранения линейного импульса, и зависит она как от массы тела, так и от его конфигурации — то есть от распределения массы внутри тела. В целом, чем дальше от оси вращения удалена основная масса тела, тем выше момент инерции.
сохраняющейся или консервативной принято называть величину, которая не изменяется в результате рассматриваемого взаимодействия. В рамках закона сохранения момента импульса консервативной величиной как раз и является угловой момент вращения массы — он не изменяется в отсутствие приложенного момента силы или крутящего момента — проекции вектора силы на плоскость вращения, перпендикулярно радиусу вращения, помноженной на рычаг (расстояние до оси вращения). самый расхожий пример закона сохранения момента импульса — фигуристка, выполняющая фигуру вращения с ускорением. спортсменка входит во вращение достаточно медленно, широко раскинув руки и ноги, а затем, по мере того как она собирает массу своего тела все ближе к оси вращения, прижимая конечности все ближе к туловищу, скорость вращения многократно возрастает вследствие уменьшения момента инерции при сохранении момента вращения. Тут мы и убеждаемся наглядно, что, чем меньше момент инерции I, тем выше угловая скорость о и, как следствие, короче период вращения, обратно пропорциональный ей.
следует отметить, однако, что не любая приложенная извне сила сказывается на моменте вращения. Предположим, вы поставили свой велосипед «на попа» (колесами вверх) и сильно раскрутили одно из его колес. Понятно, что, приложив тормозящую силу трения к любой окружности колеса (нажав на ручной тормоз, приложив руку к резине или вращающимся спицам), вы тем самым снизите угловую скорость его вращения. Однако сколько бы вы ни старались, вы не остановите вращения колеса, пытаясь воздействовать на ось вращения. Иными словами, для изменения момента вращения необходима не просто сила, а момент силы — то есть сила, приложенная по направлению, отличному от направления

оси вращения, и на некотором удалении от нее. Поэтому закон сохранения момента вращения можно сформулировать и несколько иначе: момент вращения тела изменяется только в присутствии момента силы, направленной на его изменение.
И тут возникает важное дополнительное замечание. До сих пор мы говорили об изменении момента вращения в плане ускорения или замедления вращения как такового, но при этом тело продолжало вращаться все в той же плоскости, и ось вращения не изменяла своей ориентации в пространстве. Теперь предположим, что момент силы приложен в плоскости, которая отличается от плоскости, в которой вращается тело. Такое воздействие неизбежно приведет к изменению направления оси вращения. В отсутствие же внешних воздействий закон сохранения момента импульса подразумевает, что направление оси вращения остается неизменным. Этот принцип широко используется в так называемых гироскопических навигационных приборах. В их основе лежит массивное быстро вращающееся колесо — гироскоп — которое не изменяет своей ориентации в пространстве, благодаря чему прибор стабильно указывает заданное направление вне зависимости от угла поворота субмарины, самолета или спутника, на котором он установлен. с технической точки зрения гироскоп представляет собой массивный диск на осевых подшипниках низкого трения, раскрученный с очень большой скоростью. Идеальный гироскоп — это диск бесконечной массы, вращающийся с бесконечной скоростью в идеальном вакууме. В таком случае закон сохранения момента импульса подскажет нам, что направление оси такого идеального гироскопа не отклонится от исходной ни на одну угловую секунду, и он вечно будет указывать нам на изначально заданную точку. Искусственные спутники Земли, как правило, оснащаются несколькими независимыми гироскопами, вращающимися в разных плоскостях, и бортовая электроника, сопоставляя данные нескольких гироскопических компасов и усредняя поправки на возможные отклонения их показаний, безошибочно определяет координаты и ориентацию спутника в околоземном пространстве.

Закон
сохранения электрического заряда
Алгебраическая сумма
электрических зарядов в замкнутой системе остается постоянной

1747 ^ ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА

ЗАКОНЫ КИРХГОФФА
1911

1897 • ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА
1913

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА

АТОМ БОРА

О том, что электрические заряды в природе существуют, человечество знало со времен древнегреческих натурфилософов, которые открыли, что кусочки янтаря, если их потереть кошачьей шерстью, начинают отталкиваться друг от друга. сегодня мы знаем, что электрический заряд, подобно массе, является одним из фундаментальных свойств материи. Все без исключения элементарные частицы, из которых состоит материальная Вселенная, имеют тот или иной электрический заряд — положительный (подобно протонам в составе атомного ядра), нейтральный (подобно нейтронам того же ядра) или отрицательный (подобно электронам, образующим внешнюю оболочку атомного ядра и обеспечивающим его электрическую нейтральность в целом).
Одним из полезнейших приемов в физике является выявление совокупных (суммарных) свойств системы, которые не изменяются ни при каких изменениях ее состояния. Такие свойства, выражаясь научным языком, являются консервативными, поскольку для них выполняются законы сохранения. Любой закон сохранения сводится к констатации того факта, что в замкнутой (в смысле полного отсутствия «утечки» или «поступления» соответствующей физической величины) консервативной системе соответствующая величина, характеризующая систему в целом, со временем не изменяется.
Электрический заряд как раз и относится к категории консервативных характеристик замкнутых систем. Алгебраическая сумма положительных и отрицательных электрических зарядов — чистый суммарный заряд системы — не изменяется ни при каких обстоятельствах, какие бы процессы в системе ни происходили. В частности, при химических реакциях, отрицательно заряженные валентные электроны могут каким угодно образом перераспределяться между внешними оболочками образующих химические связи атомов различных веществ — ни совокупный отрицательный заряд электронов, ни совокупный положительный заряд протонов в ядре в замкнутой химической системе не изменится. И это лишь самый простой пример, поскольку при химических реакциях не происходит трансмутаций самих протонов и электронов, в результате чего число положительных и отрицательных зарядов в системе можно просто подсчитать.
При более высоких энергиях, однако, электрически заряженные элементарные частицы начинают вступать во взаимодействия друг с другом и проследить за соблюдением закона сохранения электрического заряда становится значительно сложнее, но он выполняется и в этом случае. например, при реакции спонтанного распада изолированного нейтрона происходит процесс, который можно описать следующей формулой:
п — р + е + V,
где р — положительно заряженный протон, п — нейтрально заряженный нейтрон, е — отрицательно заряженный электрон, а V —

нейтральная частица, называемая нейтрино. нетрудно увидеть, что и в исходном материале, и в продукте реакции суммарный электрический заряд равен нулю (0 = +1 - 1 + 0), однако в этом случае налицо изменение общего числа положительно и отрицательно заряженных частиц в системе. Это одна из реакций радиоактивного распада, в которых закон сохранения алгебраической суммы электрических зарядов выполняется, несмотря на образование новых заряженных частиц. Такие процессы характерны для взаимодействий между элементарными частицами, при которых из частиц с одними электрическими зарядами рождаются частицы с другими электрическими зарядами. суммарный электрический заряд замкнутой системы, в любом случае, остается неизменным.

Закон Стефана— Больцмана

1864
Светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры
1879

СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1900

ЗАКОН СТЕФАНА— БОЛЬЦМАНА

ИЗЛУЧЕНИЕ
ЧЕРНОГО ТЕЛА

Нагретые тела излучают энергию в виде электромагнитных волн различной длины. Когда мы говорим, что тело «раскалено докрасна», это значит, что его температура достаточно высока, чтобы тепловое излучение происходило в видимой, световой части спектра. На атомарном уровне излучение становится следствием испускания фотонов возбужденными атомами (см. излучение черного тела). Закон, описывающий зависимость энергии теплового излучения от температуры, был получен на основе анализа экспериментальных данных австрийским физиком Йозефом Стефаном и теоретически обоснован также австрийцем Людвигом Больцманом (см. постоянная больцмана).
Чтобы понять, как действует этот закон, представьте себе атом, излучающий свет в недрах Солнца. Свет тут же поглощается другим атомом, излучается им повторно и таким образом передается по цепочке от атома к атому, благодаря чему вся система находится в состоянии энергетического равновесия. В равновесном состоянии свет строго определенной частоты поглощается одним атомом в одном месте одновременно с испусканием света той же частоты другим атомом в другом месте. В результате интенсивность света каждой длины волны спектра остается неизменной.
Температура внутри Солнца падает по мере удаления от его центра. Поэтому по мере движения по направлению к поверхности, спектр светового излучения оказывается соответствующим более высоким температурам, чем температура окружающей среды. В результате при повторном излучении, согласно закону Стефана—Больцмана, оно будет происходить на более низких энергиях и частотах, но при этом в силу закона сохранения энергии будет излучаться большее число фотонов. Таким образом, к моменту достижения им поверхности спектральное распределение будет соответствовать температуре поверхности Солнца (около 5800 К), а не температуре в центре Солнца (около 15 000 000 К).
Энергия, поступившая к поверхности Солнца (или к поверхности любого горячего объекта), покидает его в виде излучения. Закон Стефана—Больцмана как раз и говорит нам, какова излученная энергия. Этот закон записывается так:
Е = аТ4,
где Т — температура (в кельвинах), а а — постоянная Больцмана. Из формулы видно, что при повышении температуры светимость тела не просто возрастает — она возрастает в значительно большей степени. Увеличьте температуру вдвое, и светимость возрастет в 16 раз!
Итак, согласно этому закону любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Так почему, спрашивается, все тела давно не остыли до абсолютного нуля? Почему, скажем, лично ваше тело, постоянно излучая тепловую энергию в инфракрасном диапазоне, характерном для температуры человеческого тела (чуть больше 300 К), не остывает?

Ответ на этот вопрос на самом деле состоит из двух частей. Во-первых, с пищей вы получаете энергию извне, которая в процессе метаболического усвоения пищевых калорий организмом преобразуется в тепловую энергию, восполняющую потери вашим телом энергии в силу закона Стефана—Больцмана. Умершее теплокровное весьма быстро остывает до температуры окружающей среды, поскольку энергетическая подпитка его тела прекращается.
Еще важнее, однако, тот факт, что закон распространяется на все без исключения тела с температурой выше абсолютного нуля. Поэтому, отдавая свою тепловую энергию окружающей среде, не забывайте, что и тела, которым вы отдаете энергию, — например, мебель, стены, воздух — в свою очередь излучают тепловую энергию, и она передается вам. Если окружающая среда холоднее вашего тела (как чаще всего бывает), ее тепловое излучение компенсирует лишь часть тепловых потерь вашего организма, и он восполняет дефицит за счет внутренних ресурсов. Если же температура окружающей среды близка к температуре вашего тела или выше нее, вам не удастся избавиться от избытка энергии, выделяющейся в вашем организме в процессе метаболизма посредством излучения. И тут включается второй механизм. Вы начинаете потеть, и вместе с капельками пота через кожу покидают ваше тело излишки теплоты.
В вышеприведенной формулировке закон Стефана—Больцмана распространяется только на абсолютно черное тело, поглощающее все попадающее на его поверхность излучение. Реальные физические тела поглощают лишь часть лучевой энергии, а оставшаяся часть ими отражается, однако закономерность, согласно которой удельная мощность излучения с их поверхности пропорциональна Т4, как правило, сохраняется и в этом случае, однако постоянную Больцмана в этом случае приходится заменять на другой коэффициент, который будет отражать свойства реального физического тела. Такие константы обычно определяются экспериментальным путем.

ЙОЗЕФ СТЕФАН (Josef Stefan, 1835-93) — австрийский физик-экспериментатор. Родился в г. Кла-генфурт (Kagenfurt). По окончании Венского университета продолжил свою карьеру там же — с 1863 года в качестве профессора кафедры высшей математики и физики, а с 1866 года — по совместительству в качестве директора Института экспериментальной физики при Венском университете. Исследования Стефана затронули целый ряд разделов физики, включая явления электромагнитной индукции, диффузии, молекулярно-кинетическую
теорию газов. Однако своей научной репутацией он обязан, прежде всего, работе по исследованию теплопередачи посредством излучения. Именно он экспериментально нашел формулу закона Стефана—Боль-цмана путем измерения теплоотдачи платиновой проволоки при различных температурах; теоретическое же обоснование закона дал его ученик Людвиг Больцман. Используя свой закон, Стефан впервые дал достоверную оценку температуры поверхности Солнца — около 6000 градусов по абсолютной шкале.

Закон Хаббла
1742, 1823
Кажущаяся скорость удаления галактики от нас прямо пропорциональна расстоянию до нее

1842

ПАРАДОКС ОЛЬБЕРСА
ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА
1912
1917

ЗАВИСИМОСТЬ ПЕРИОД-СВЕТИМОСТЬ
1929

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ
1948

ЗАКОН ХАББЛА
1948

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

ТЕОРИЯ
СТАЦИОНАРНОЙ
ВСЕЛЕННОЙ
1981

ИНФЛЯЦИОННАЯ СТАДИЯ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Вернувшись с Первой мировой войны, Эдвин Хаббл устроился на работу в высокогорную астрономическую обсерваторию Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, которая в те годы была лучшей в мире по оснащенности. Используя ее новейший телескоп-рефлектор с диаметром главного зеркала 2,5 м, он провел серию любопытных измерений, навсегда перевернувших наши представления о Вселенной.
Вообще-то, Хаббл намеревался исследовать одну застаревшую астрономическую проблему — природу туманностей. Эти загадочные объекты, начиная с XVIII века, волновали ученых таинственностью своего происхождения. К XX веку некоторые из этих туманностей разродились звездами и рассосались, однако большинство облаков так и остались туманными — и по своей природе, в частности. Тут ученые и задались вопросом: а где, собственно, эти туманные образования находятся: в нашей Галактике или часть из них представляют собой иные «островки Вселенной», если выражаться изощренным языком той эпохи? До ввода в действие телескопа на горе Уилсон в 1917 году этот вопрос стоял чисто теоретически, поскольку для измерения расстояний до этих туманностей технических средств не имелось.
Начал свои исследования Хаббл с самой, пожалуй, популярной с незапамятных времен туманности Андромеды. К 1923 году ему удалось рассмотреть, что окраины этой туманности представляют собой скопления отдельных звезд, некоторые из которых принадлежат к классу переменных цефеид (согласно астрономической классификации). Наблюдая за переменной цефеидой на протяжении достаточно длительного времени, астрономы измеряют период
изменения ее светимости, а затем по зависимости период —светимость определяют и количество испускаемого ею света.
Чтобы лучше понять, в чем заключается следующий шаг, приведем такую аналогию. Представьте, что вы стоите в беспросветно темной ночи, и тут вдалеке кто-то включает электрическую лампу. Поскольку ничего, кроме этой далекой лампочки, вы вокруг себя не видите, определить расстояние до нее вам практически невозможно. Может, она очень яркая и светится далеко, а может, тусклая и светится неподалеку. Как это определить? А теперь представьте, что вам каким-то образом удалось узнать мощность лампы — скажем, 60, 100 или 150 ватт. Задача сразу упрощается, поскольку по видимой светимости вы уже сможете примерно оценить геометрическое расстояние до нее. Так вот: измеряя период изменения светимости цефеиды, астроном находится примерно в той же ситуации, как и вы, рассчитывая расстояние до удаленной лампы, зная ее светосилу (мощность излучения).
Первое, что сделал Хаббл, — рассчитал расстояние до цефеид на окраинах туманности Андромеды, а значит, и до самой туманности: 900 000 световых лет (более точно рассчитанное на сегодняшний день расстояние до галактики Андромеды (так ее теперь называют) составляет 2,3 миллиона световых лет. — Прим. автора) — то есть туманность находится далеко за пределами Млечного Пути — нашей Галактики. Пронаблюдав эту и другие

туманности, Хаббл пришел к базовому выводу о структуре Вселенной: она состоит из набора огромных звездных скоплений — галактик. Именно они и представляются нам в небе далекими туманными «облаками», поскольку отдельных звезд на столь огромном удалении мы рассмотреть попросту не можем. Одного этого открытия, вообще-то, хватило бы Хабблу для всемирного признания его заслуг перед наукой.
Ученый, однако, этим не ограничился и подметил еще один важный аспект в полученных данных, который астрономы наблюдали и прежде, но интерпретировать затруднялись. А именно: наблюдаемая длина спектральных световых волн, излучаемых атомами удаленных галактик, несколько ниже длины спектральных волн, излучаемых теми же атомами в условиях земных лабораторий. То есть в спектре излучения соседних галактик квант света, излучаемый атомом при скачке электрона с орбиты на орбиту, смещен по частоте в направлении красной части спектра по сравнению с аналогичным квантом, испущенным таким же атомом на Земле. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта доплера, а это означает, что все наблюдаемые соседние галактики удаляются от Земли, поскольку практически у всех галактических объектов за пределами Млечного Пути наблюдается именно красное спектральное смещение, пропорциональное скорости их удаления.
Самое главное, Хабблу удалось сопоставить результаты своих измерений расстояний до соседних галактик (по наблюдениям переменных цефеид) с измерениями скоростей их удаления (по красному смещению). И Хаббл выяснил, что чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Это самое явление центростремительного «разбегания» видимой Вселенной с нарастающей скоростью по мере удаления от локальной точки наблюдения и получило название закона Хаббла. Математически он формулируется очень просто:
V = Нг,
где V — скорость удаления галактики от нас, г — расстояние до нее, а Н — так называемая постоянная Хаббла. Последняя определяется экспериментально, и на сегодняшний день оценивается как равная примерно 70 км/(с-Мпк) (километров в секунду на мегапарсек; 1 Мпк приблизительно равен 3,3 миллионам световых лет). А это означает, что галактика, удаленная от нас на расстояние 10 мегапарсек, убегает от нас со скоростью 700 км/с, галактика, удаленная на 100 Мпк, — со скоростью 7000 км/с и т.д. И, хотя изначально Хаббл пришел к этому закону по результатом наблюдения всего нескольких ближайших к нам галактик, ни одна из множества открытых с тех пор новых, все более удаленных от Млечного Пути галактик видимой Вселенной из-под действия этого закона не выпадает.
Итак, главное и, казалось бы, невероятное следствие закона Хаббла: Вселенная расширяется! Мне этот образ нагляднее всего представляется так: галактики — изюмины в быстро всходящем дрожжевом тесте. Представьте себя микроскопическим существом на одной из изюмин, тесто для которого представляется прозрачным: и что вы увидите? Поскольку тесто поднимается, все прочие изюмины от вас удаляются, причем, чем дальше изюмина, тем быстрее она удаляется от вас (поскольку между вами и далекими изюминами больше расширяющегося теста, чем между вами и ближайшими изюминами). В то же время, вам будет представляться, что это именно вы находитесь в самом центре расширяющегося вселенского теста, и в этом нет ничего странного — если бы вы оказались на другой изюмине, вам все представлялось бы в точности так же. Так и галактики разбегаются по одной простой причине: расширяется сама ткань мирового пространства. Все наблюдатели (и мы с вами не исключение) считают себя находящимися в центре Вселенной. Лучше всего это сформулировал мыслитель XV века Николай Кузан-ский: «Любая точка есть центр безграничной Вселенной».
Однако закон Хаббла подсказывает нам и еще кое-что о природе Вселенной — и это «кое-что» является вещью просто-таки экстраординарной. У Вселенной было начало во времени. И это весьма несложное умозаключение: достаточно взять и мысленно «прокрутить назад» условную кинокартину наблюдаемого нами расширения Вселенной — и мы дойдем до точки, когда все вещество мироздания было сжато в плотный комок протоматерии, заключенный в совсем небольшом в сопоставлении с нынешними масштабами Вселенной объеме. Представление о Вселенной, родившейся из сверхплотного сгустка сверхгорячего вещества и с тех пор расширяющейся и остывающей, получило название теории большого взрыва, и более удачной космологической модели происхождения и эволюции Вселенной на сегодня не имеется. Закон Хаббла, кстати, помогает также оценить возраст Вселенной (конечно, весьма упрощенно и приблизительно). Предположим, что все галактики с самого начала удалялись от нас с той же скоростью V, которую мы наблюдаем сегодня. Пусть ґ — время, прошедшее с начала их разлета. Это и будет возраст Вселенной, и определяется он соотношениями:
V х ґ = г, или ґ = г/У.
Но ведь из закона Хаббла следует, что
Ф = 1/Н,
где Н — постоянная Хаббла. Значит, измерив скорости удаления внешних галактик и экспериментально определив Н, мы тем самым получаем и оценку времени, в течение которого галактики разбегаются. Это и есть предполагаемое время существования Вселенной. Постарайтесь запомнить: по самым последним оценкам, возраст нашей Вселенной составляет около 15 миллиардов лет, плюс-минус несколько миллиардов лет. (Для сравнения: возраст Земли оценивается в 4,5 миллиардов лет, а жизнь на ней зародилась около 4 миллионов лет назад.)

ЭДВИН ПАУЭЛЛ ХАББЛ (Edwin Powe Hubbe, 1889-1953) — американский астроном. Родился в г. Марш-филд (штат Миссури, США), вырос в Уитоне (штат Иллинойс) — тогда это был не университетский, а промышленный пригород Чикаго. Окончил с отличием Чикагский университет (где отличился еще и спортивными достижениями). Еще учась в колледже, подрабатывал ассистентом в лаборатории нобелевского лауреата Роберта Милликена (см. ОПЫТ МИЛЛИКЕНА), а в летние каникулы — геодезистом на железнодорожном строительстве. Впоследствии Хаббл любил вспоминать, как вместе еще с одним рабочим они отстали от последнего поезда, увозившего их геодезическую бригаду назад, к благам цивилизации. Три дня они проблуждали в лесах, прежде чем добрались до населенной местности. Никакой провизии у них с собой не было, но, по словам самого Хаббла, «Можно было, конечно, убить ежика или птичку, но зачем? Главное, что воды вокруг хватало». Получив в 1910 году диплом бакалавра, Хаббл отправился в Оксфорд благодаря полученной стипендии Роудса. Там он начал было изучать римское и британское право, но, по его собственм словам, «променял юриспруденцию на астрономию» и вернулся в Чикаго, где и занялся подготовкой к защите своей дипломной работы. Большинство наблюдений ученый проводил на базе обсерватории Йеркс, расположенной к северу от Чикаго. Там его заметил Джордж Эллери Хейл (George Eery Hae, 1868-1938) и в 1917 году пригласил молодого человека в новую обсерваторию Маунт-Вилсон. Тут, однако, вмешались исторические события. США вступили в Первую мировую войну, и Хаббл за одну ночь довел до ума свою диссертацию на степень Ph. D., на следующее утро защитил ее и тут же ушел добровольцем в армию. Его научный руководитель Хейл получил от Хаббла телеграмму следующего содержания: «Сожалею о вынужденном отказе от приглашения отметить защиту. Ушел на войну». Во Францию добровольческая часть прибыла в самом конце войны и даже не приняла участия в боевых действиях, однако осколочное ранение от шального снаряда Хаббл получить успел. Демобилизовавшись летом 1919 года, ученый немедленно вернулся в калифорнийскую обсерваторию Маунт-Вилсон, где вскоре и
обнаружил, что Вселенная состоит из разлетающихся галактик, что и получило название закона Хаббла. В 1930-е годы Хаббл продолжил активное изучение мира за пределами Млечного Пути, за что вскоре и снискал признание не только в научных кругах, но и среди широких масс. Слава ему пришлась по вкусу, и на фотографиях тех лет ученого можно часто увидеть позирующим в компании знаменитых кинозвезд той эпохи. Научно-популярная книга Хаббла «Царство туманностей» (The Ream of Nebuae), увидевшая свет в 1936 году, еще прибавила ученому популярности. Справедливости ради нельзя не отметить, что в годы Второй мировой войны ученый оставил свои астрофизические изыскания и честно занимался прикладной баллистикой в должности главного исполнительного директора испытательного полигона со сверхзвуковой аэродинамической трубой в Абердине (штат Мэриленд), после чего вернулся к астрофизике и до конца своих дней занимал пост председателя объединенного ученого совета обсерватории Маунт-Вилсон и Паломарской обсерватории. В частности, ему принадлежит движущая идея и техническая разработка базовой конструкции знаменитого двухсотдюймового (пятиметрового) хейловского телескопа, введенного в строй в 1949 году на базе Паломар-ской обсерватории. Этот телескоп по сей день остается вершиной воплощенной в материале астрометрии. И, наверное, справедливо, что именно Хаббл успел первым из современных астрофизиков заглянуть в глубины Вселенной через окуляр этого чудесного инструмента.
Если же отвлечься от астрономии, то Эдвин Хаббл вообще был человеком уникально широких интересов. Так, в 1938 году его избрали в состав совета попечителей Южно-Калифорнийской библиотеки Хантингтона и Художественной галереи при ней (Лос-Анджелес, США). Ученый подарил этой библиотеке свою уникальную коллекцию старинных книг по истории науки. Любимым же видом отдыха Хаббла была рыбная ловля на спиннинг — он и в этом добился вершин, и его рекордные уловы в горных потоках Скалистых гор (США) и на реке Тест (Англия) до сих пор считаются непревзойденными... Эдвин Хаббл скоропостижно скончался 28 сентября 1953 года в результате кровоизлияния в мозг.

Закон Харди— Вайнберга

1865
Чтобы изменить состав генофонда, требуется нечто большее, чем генетическая рекомбинация
1908

ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ

ЗАКОН
1920-е
ХАРДИ—ВАЙНБЕРГА
1953

ДРЕЙФ ГЕНОВ
нач. 1960-х

ДНК
1961

РОДСТВЕННЫЙ ОТБОР
1970-е
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
2000

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ

ПРОЕКТ ГЕНОМА
ЧЕЛОВЕКА

В научном мире нечасто случается, чтобы разные ученые независимо друг от друга наткнулись на одну и ту же закономерность, но все же таких примеров достаточно, чтобы заставить нас поверить в существование «духа времени». К их числу относится и закон Харди—Вайн-берга (известный также, как закон генетического равновесия) — одна из основ популяционной генетики. Закон описывает распределение генов в популяции. Представьте себе ген, имеющий два варианта, или, пользуясь научной терминологией, два аллеля. Например, это могут быть гены «низкорослости» и «высокорослости», как в случае мен-делевского гороха (см. законы менделя), или наличие/отсутствие предрасположенности к рождению двойни. Харди и Вайнберг показали, что при свободном скрещивании, отсутствии миграции особей и отсутствии мутаций относительная частота индивидуумов с каждым из этих аллелей будет оставаться в популяции постоянной из поколения в поколение. Другими словами, в популяции не будет дрейфа генов.
Рассмотрим этот закон на простом примере. Назовем два аллеля Х и х. Тогда у особей могут встречаться четыре следующие комбинации этих аллелей: ХХ, хх, хХ и Хх. Если обозначить через р и д частоту встречаемости индивидуумов с аллелями Х и х соответственно, то согласно закону Харди—Вайнберга
р2 + 2рд + д2 = 100%,
где р2 — частота встречаемости индивидуумов с аллелями ХХ, 2рд — с аллелями Хх или хХ, а д2 — частота встречаемости индивидуумов с аллелями хх. Эти частоты при соблюдении сформулированных выше условий будут оставаться постоянными из поколения в поколение, независимо от изменения количества индивидуумов и от того, насколько велики (или малы) р и д. Этот закон представляет собой модель, используя которую генетики могут количественно определять изменения в распределении генов в популяции, вызванные, например, мутациями или миграцией. Другими словами, этот закон является теоретическим критерием для измерения изменений в распределении генов.

ГОДФРИ ХАРОЛД ХАРДИ (Godfrey Harod Hardy, 1877-1947) — английский математик, родился в Кранли, графство Суррей. Сын учителя рисования. Изучал математику в Кембриджском и Оксфордском университете. Пожалуй, самую большую известность Харди принесли совместные работы с Джоном Идензором Литлвудом (John Edensor Littewood, 1885-1977) и позднее с индийским математиком-самоучкой Сриниваса Рамануджаном (Srinivasa Aaiyangar Ramanujan, 1887-1920), который работал клерком в Мадрасе. В 1913 году Рамануджан послал Харди список доказанных им теорем. Признав гениальность юного клерка, Харди пригласил его в Оксфорд, и в
течение нескольких лет, предшествовавших безвременной смерти Рама-нуджана, они опубликовали серию блестящих совместных работ.
ВИЛЬГЕЛЬМ ВАЙНБЕРГ (Wihem Weinberg, 1862-1937) — немецкий врач, имевший большую частную практику в Штутгарте. По воспоминаниям современников, помог появиться на свет 3500 младенцам, в том числе по крайней мере 120 парам близнецов. На основании собственных наблюдений над рождением близнецов и переоткрытых генетических
ЗАКОНОВ МЕНДЕЛЯ пришел к выводу,
что предрасположенность к рождению двуяйцевых (неидентичных) близнецов передается по наследству.

Закон Шарля
При постоянном давлении объем газа пропорционален его температуре

АТОМНАЯ ТЕОРИЯ ОТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
1662 • ЗАКОН

1787
БОЙЛЯ—МАРИОТТА
1798

ЗАКОН ШАРЛЯ
1827

МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ
1834

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

УРАВНЕНИЕ
СОСТОЯНИЯ
1849
ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

МОЛЕКУЛЯРНОКИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

Один из пионеров воздухоплавания Жак Александр Сезар Шарль пришел в науку в результате своего увлечения строительством монгольфьеров — больших воздушных шаров, заполненных разогретым воздухом, — которые тогда только-только появились. Я беседовал с современными пилотами воздушных шаров, и они утверждают, что их конструкция с использованием открытой газовой горелки, разработанная Шарлем более двух столетий назад, не претерпела принципиальных изменений и используется до наших дней. Ничего удивительного в том, что научные интересы Шарля лежали в области исследования свойств газов, стало быть, нет. Закон, носящий его имя, Шарль сформулировал в 1787 году после ряда опытов с кислородом, азотом, водородом и углекислым газом.
Чтобы понять смысл закона Шарля, представьте себе газ как скопление быстро движущихся и соударяющихся молекул. Давление газа определяется ударами молекул о стенки сосуда: чем больше ударов, тем выше давление. Например, молекулы воздуха в комнате, где вы находитесь, оказывают на поверхность вашего тела давление 101 325 паскалей (или 1 бар, если речь идет о метеорологии).
Чтобы понять закон Шарля, представьте себе воздух внутри воздушного шарика. При постоянной температуре воздух в шарике будет расширяться или сжиматься, пока давление, производимое его молекулами, не достигнет 101 325 паскалей и не сравняется с атмосферным давлением. Иными словами, пока на каждый удар молекулы воздуха извне, направленный внутрь шарика, не будет приходиться аналогичный удар молекулы воздуха, направленный изнутри шарика вовне. Если понизить температуру воздуха в шарике (например, положив его в большой холодильник), молекулы внутри шарика станут двигаться медленнее, менее энергично ударяя изнутри о стенки шарика. Молекулы наружного воздуха тогда будут сильнее давить на шарик, сжимая его, в результате объем газа внутри шарика будет уменьшаться. Это будет происходить до тех пор, пока увеличение плотности газа не компенсирует понизившуюся температуру, и тогда опять установится равновесие.
Закон Шарля, наряду с другими газовыми законами, лег в основу уравнения состояния идеального газа, описывающего соотношение давления, объема и температуры газа с количеством вещества.

ЖАК АЛЕКСАНДР СЕЗАР ШАРЛЬ
(Jacques Aexandre Cesar Chares, 1746-1823) — французский физик, химик, инженер и воздухоплаватель. Родился в Божанси (Beaugency). В молодости служил чиновником в министерстве финансов в Париже. Заинтересовавшись воздухоплаванием,разработал монгольфьеры современной конструкции, подъемная сила которых обусловлена расширением нагретого
горелкой воздуха внутри шара. Он же одним из первых стал наполнять воздушные шары водородом (который во много раз легче воздуха и обеспечивает значительно большую подъемную силу, нежели горячий воздух), установив благодаря этому рекорды высоты подъема (более 3 000 м) и дальности полета (43 км). Именно занятия воздухоплаванием заставили Шарля заинтересоваться исследованиями свойств газов.

МАЙКЛ ФАРАДЕЙ (Michae Faraday, 1791-1867) — английский физик и химик. Родился в Лондоне в семье простого кузнеца, принадлежащего к маленькой протестантской секте. Возможностей для получения хорошего образования, учитывая происхождение и социальное устройство Англии начала XIX века, был лишен. Окончив всего лишь бесплатную начальную школу, с 12 лет работал посыльным в книжном магазине, с 14 лет стал подмастерьем переплетчика там же и неожиданно для себя заинтересовался содержанием умных книг, которые ему приходилось переплетать. Интерес к науке в юноше пробудили естественнонаучные разделы «Британской энциклопедии», попавшей в переплет к нему. В 1810 году Фарадею повезло — один из постоянных посетителей книжного магазина подарил любознательному молодому человеку абонемент на цикл из четырех публичных лекций с демонстрациями опытов одного из ведущих английских химиков того времени, профессора Королевского института, сэра Гемфри (Хамфри) Дэви (Humphry Davy,
1778-1829).
Фарадей, успев посетить лишь последние четыре лекции, так увлекся естественными науками, что свои подробные конспекты посещенных им четырех лекций переплел в кожу и... отправил сэру Дэви в
качестве подтверждения серьезности своих намерений вместе с письмом с просьбой помочь ему в реализации стремления заняться наукой. В 1813 году сэр Дэви сделал Фарадея своим ассистентом в Королевском институте, и тут молодой ученый проявил себя настолько блестяще, что теперь его считают самым выдающимся британским ученым Викторианской эпохи; сама королева Виктория регулярно удостаивала ученого личной аудиенции. Величайшие открытия Фарадея относятся к области выявления связей между электричеством и магнетизмом. Кроме того, он сформулировал законы электролиза, носящие его имя, разработал принципиальное техническое решение по генерации электроэнергии. Первоначально же, еще занимаясь преимущественно химией, Фарадей первым получил сжиженный хлор и ряд других газов, открыл формулу бензола. Столь выдающийся вклад в науку Фарадею удалось внести, прежде всего, благодаря тому, что он был изобретательным экспериментатором, не боявшимся проводить опыты, ставившие под сомнение устоявшиеся научные представления своей эпохи. Он был также выдающимся популяризатором науки: в 1826 году организовал при Королевском институте ежегодные циклы лекций для детей, которые читаются и сегодня.

Законы Кеплера
Планеты движутся вокруг Солнца по вытянутым эллиптическим орбитам, причем Солнце находится в одной из двух фокальных точек эллипса
Отрезок прямой, соединяющий Солнце и планету, отсекает равные площади за равные промежутки времени
Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит
XVI
1609, 1619

1687
ПРИНЦИП КОПЕРНИКА ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА
1687
ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА
1736
ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ НЬЮТОНА
* Между сферами Марса и Земли — додекаэдр (двенадцатигранник); между сферами Земли и Венеры — икосаэдр (двадцатигранник); между сферами Венеры и Меркурия — октаэдр (восьмигранник). Получившаяся конструкция была представлена Кеплером в разрезе на подробном объемном чертеже (см. рисунок) в его первой монографии «Космографическая тайна» (Муйегіа Ссйшс^гарЫса 1596 —Прим. переводчика?)
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА

Иоганн Кеплер обладал чувством прекрасного. Всю свою сознательную жизнь он пытался доказать, что Солнечная система представляет собой некое мистическое произведение искусства. Сначала он пытался связать ее устройство с пятью правильными многогранниками классической древнегреческой геометрии. (Правильный многогранник — объемная фигура, все грани которой представляют собой равные между собой правильные многоугольники.) Во времена Кеплера было известно шесть планет, которые, как полагалось, помещались на вращающихся «хрустальных сферах». Кеплер утверждал, что эти сферы расположены таким образом, что между соседними сферами точно вписываются правильные многогранники. Между двумя внешними сферами — Сатурна и Юпитера — он поместил куб, вписанный во внешнюю сферу, в который, в свою очередь, вписана внутренняя сфера; между сферами Юпитера и Марса — тетраэдр (правильный четырехгранник) и т.д.* Шесть сфер планет, пять вписанных между ними правильных многогранников — казалось бы, само совершенство?
Увы, сравнив свою модель с наблюдаемыми орбитами планет, Кеплер вынужден был признать, что реальное поведение небесных тел не вписывается в очерченные им стройные рамки. По меткому замечанию современного британского биолога Дж. Холдейна (J. B. S. Hadane), «идея Вселенной как геометрически совершенного произведения искусства оказалась еще одной прекрасной гипотезой, разрушенной уродливыми фактами». Единственным пережившим века результатом того юношеского порыва Кеплера стала модель Солнечной системы, собственноручно изготовленная ученым и преподнесенная в дар его патрону герцогу Фредерику фон Вюртембургу. В этом прекрасно исполненном металлическом артефакте все орбитальные сферы планет и вписанные в них правильные многогранники представляют собой не сообщающиеся между собой полые емкости, которые по праздникам предполагалось заполнять различными напитками для угощения гостей герцога.
Лишь переехав в Прагу и став ассистентом знаменитого датского астронома Тихо Браге (Tycho Brahe, 1546-1601), Кеплер натолкнулся на идеи, по-настоящему обессмертившие его имя в анналах науки. Тихо Браге всю жизнь собирал данные астрономических наблюдений и накопил огромные объемы сведений о движении планет. После его смерти они перешли в распоряжение Кеплера. Эти записи, между прочим, имели большую коммерческую ценность по тем временам, поскольку их можно было использовать для составления уточненных астрологических гороскопов (сегодня об этом разделе ранней астрономии ученые предпочитают умалчивать).
Обрабатывая результаты наблюдений Тихо Браге, Кеплер столкнулся с проблемой, которая и при наличии современных компьютеров могла бы показаться кому-то трудноразрешимой, а у Кеплера не было иного выбора, кроме как проводить все расчеты вручную. Конечно же, как и большинство астрономов его времени, Кеплер уже был знаком с гелиоцентрической системой Коперника (см. принцип



Коперника) и знал, что Земля вращается вокруг Солнца, о чем свидетельствует и вышеописанная модель Солнечной системы. Но как именно вращается Земля и другие планеты? Представим проблему следующим образом: вы находитесь на планете, которая, во-первых, вращается вокруг своей оси, а во-вторых, вращается вокруг Солнца по неизвестной вам орбите. Глядя в небо, мы видим другие планеты, которые также движутся по неизвестным нам орбитам. Наша задача — определить по данным наблюдений, сделанных на нашем вращающемся вокруг своей оси и вокруг Солнца земном шаре, геометрию орбит и скорости движения других планет. Именно это в конечном итоге удалось сделать Кеплеру, после чего на основе полученных результатов он и вывел три своих закона!
Первый закон* * описывает геометрию траекторий планетарных орбит. Возможно, вы помните из школьного курса геометрии, что эллипс представляет собой множество точек плоскости, сумма расстояний от которых до двух фиксированных точек — фокусов — равна константе. Если это слишком сложно для вас, имеется другое определение: представьте себе сечение боковой поверхности конуса плоскостью под углом к его основанию, не проходящей через основание, — это тоже эллипс. Первый закон Кеплера как раз и утверждает, что орбиты планет представляют собой эллипсы, в одном из фокусов которых расположено Солнце. Эксцентриситеты (степень вытянутости) орбит и их удаления от Солнца в перигелии (бли
Т^^ЗчЗйшЕ*^ жайшей к Солнцу точке) и апогелии (самой удаленной точке) у всех
§планет разные, но все эллиптические орбиты роднит одно — Солнце расположено в одном из двух фокусов эллипса. Проанализировав данные наблюдений Тихо Браге, Кеплер сделал вывод, что плане-^ДйУ тарные орбиты представляют собой набор вложенных эллипсов. До него это просто не приходило в голову никому из астрономов. щ^^^ШФ* 'ЧЗрК Историческое значение первого закона Кеплера трудно переоце-^^ЧС^^^" ;~р?? нить. До него астрономы считали, что планеты движутся исключи-I тельно по круговым орбитам, а если это не укладывалось в рамки ранняя геометрическая наблюдений — главное круговое движение дополнялось малыми модель Вселенной Кеп- кругами, которые планеты описывали вокруг точек основной кру-лера: шесть орбитальных говой орбиты. Это было, я бы сказал, прежде всего философской
планетных сфер и пять
позицией, своего рода непреложным фактом, не подлежащим сомвписанных правильных многогранников между ними нению и проверке. Фил°с°фЫ утверждали, что небесное устройство
в отличие от земного совершенно по своей гармонии, а поскольку совершеннейшими из геометрических фигур являются окружность и сфера, значит, планеты движутся по окружности (причем это заблуждение мне и сегодня приходится раз за разом развеивать среди своих студентов). Главное, что, получив доступ к обширным данным наблюдений Тихо Браге, Иоганн Кеплер сумел перешагнуть через этот философский предрассудок, увидев, что он не соответствует фактам — подобно тому как Коперник осмелился убрать Землю из центра мироздания, столкнувшись с противоречащими стойким геоцентрическим представлениям аргументами, которые также состояли в «неправильном поведении» планет на орбитах.
Второй закон описывает изменение скорости движения планет вокруг Солнца. В формальном виде я его формулировку уже приводил, а чтобы лучше понять его физический смысл, вспомните свое детство. Наверное, вам доводилось на детской площадке раскручиваться вокруг столба, ухватившись за него руками. Фактически, планеты кружатся вокруг Солнца аналогичным образом. Чем дальше от Солнца уводит планету эллиптическая орбита, тем медленнее движение, чем ближе к Солнцу — тем быстрее движется планета. Теперь представьте пару отрезков, соединяющих два положения планеты на орбите с фокусом эллипса, в котором расположено Солнце. Вместе с сегментом эллипса, лежащим между ними, они образуют сектор, площадь которого как раз и является той самой «площадью, которую отсекает отрезок прямой». Именно о ней говорится во втором законе. Чем ближе планета к Солнцу, тем короче отрезки. Но в этом случае, чтобы за равное время сектор покрыл равную площадь, планета должна пройти большее расстояние по орбите, а значит, скорость ее движения возрастает.
В первых двух законах речь идет о специфике орбитальных траекторий отдельно взятой планеты. Третий закон Кеплера позволяет сравнить орбиты планет между собой. В нем говорится, что, чем дальше от Солнца находится планета, тем больше времени занимает ее полный оборот при движении по орбите и тем дольше, соответственно, длится «год» на этой планете. Сегодня мы знаем, что это обусловлено двумя факторами. Во-первых, чем дальше планета находится



законы кеплера

ИОГАНН КЕПЛЕР
(Johannes Keper, 1572-1630) — немецкий астроном. Родился в Вюртембурге. Начав с изучения богословия в Тюбингенской академии (позднее университет), увлекся математикой и астрономией и вскоре получил приглашение на должность преподавателя математики в гимназии австрийского города Грац. Там он снискал себе репутацию блестящего астролога благодаря ряду сбывшихся метеорологических прогнозов на 1595 год. Начиная с 1598 года Кеплер и другие протестанты стали подвергаться в католическом Граце жестоким религиозным гонениям, и в 1600 году ученый по приглашению датского астронома Тихо Браге переехал в Прагу. Работы Кеплера основывались на наблюдениях, сделанных Тихо Браге. Его дальнейшая жизнь сложилась трагично. Он жил в бедности и умер от лихорадки по дороге в Австрию, куда он отправился в надежде получить причитающееся ему жалованье.

от Солнца, тем длиннее периметр ее орбиты. Во-вторых, с ростом расстояния от Солнца снижается и линейная скорость движения планеты.
В своих законах Кеплер просто констатировал факты, изучив и обобщив результаты наблюдений. Если бы вы спросили его, чем обусловлена эллиптичность орбит или равенство площадей секторов, он бы вам не ответил. Это просто следовало из проведенного им анализа. Если бы вы спросили его об орбитальном движении планет в других звездных системах, он также не нашел бы, что вам ответить. Ему бы пришлось начинать все сначала — накапливать данные наблюдений, затем анализировать их и стараться выявить закономерности. То есть у него просто не было бы оснований полагать, что другая планетная система подчиняется тем же законам, что и Солнечная система.
Один из величайших триумфов классической механики Ньютона как раз и заключается в том, что она дает фундаментальное обоснование законам Кеплера и утверждает их универсальность. Оказывается, законы Кеплера можно вывести из законов механики ньютона, закона всемирного тяготения ньютона
и закона сохранения момента импульса путем строгих
математических выкладок. А раз так, мы можем быть уверены, что законы Кеплера в равной мере применимы к любой планетной системе в любой точке Вселенной. Астрономы, ищущие в мировом пространстве новые планетные системы (а открыто их уже довольно много), раз за разом, как само собой разумеющееся, применяют уравнения Кеплера для расчета параметров орбит далеких планет, хотя и не могут наблюдать их непосредственно.
Третий закон Кеплера играл и играет важную роль в современной космологии. Наблюдая за далекими галактиками, астрофизики регистрируют слабые сигналы, испускаемые атомами водорода, обращающимися по очень удаленным от галактического центра орбитам — гораздо дальше, чем обычно находятся звезды. По эффекту доплера в спектре этого излучения ученые определяют скорости вращения водородной периферии галактического диска, а по ним — и угловые скорости галактик в целом (см. также темная материя). Меня радует, что труды ученого, твердо поставившего нас на путь правильного понимания устройства нашей Солнечной системы, и сегодня, спустя века после его смерти, играют столь важную роль в изучении строения необъятной Вселенной.

Законы Кирхгофа
Алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю (то есть количество зарядов, выходящих через этот узел, должно быть равно количеству входящих зарядов)
Сумма напряжений в любом замкнутом контуре

электрической цепи равна нулю
1747
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
ЗАКОНЫ КИРХГОФА
ЗАРЯДА

XIX
ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА

1845
ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ
ПРОВОДИМОСТИ
1897
1900

Карьера Густава Кирхгофа во многом типична для немецкого физика XIX столетия. Германия позже своих западных соседей подошла к индустриальной революции и потому сильнее нуждалась в передовых технологиях, которые способствовали бы ускоренному развитию промышленности. В результате ученые, прежде всего естественники, ценились в Германии очень высоко. В год окончания университета Кирхгоф женился на дочери профессора, «соблюдя, тем самым, — как пишет один из его биографов, — два обязательных условия успешной академической карьеры». Но еще до этого, в возрасте двадцати одного года, он сформулировал основные законы для расчета токов и напряжений в электрических цепях, которые теперь носят его имя.
Середина XIX века как раз стала временем активных исследований свойств электрических цепей, и результаты этих исследований быстро находили практические применения. Базовые правила расчета простых цепей, такие, как закон ома, были уже достаточно хорошо проработаны. Проблема состояла в том, что из проводов и различных элементов электрических цепей технически уже можно было изготовлять весьма сложные и разветвленные сети — но никто не знал, как смоделировать их математически, чтобы рассчитать их свойства. Кирхгофу удалось сформулировать правила, позволяющие достаточно просто анализировать самые сложные цепи, и законы Кирхгофа до сих пор остаются важным рабочим инструментом специалистов в области электронной инженерии и электротехники.
Оба закона Кирхгофа формулируются достаточно просто и имеют понятную физическую интерпретацию. Первый закон гласит, что если рассмотреть любой узел цепи (то есть точку разветвления, где сходятся три или более проводов), то сумма поступающих в цепь электрических токов будет равна сумме исходящих, что, вообще говоря, является следствием закона сохранения электрического заряда. Например, если вы имеете Т-образный узел электрической цепи и по двум проводам к нему поступают электрические токи, то по третьему проводу ток потечет в направлении от этого узла, и равен он будет сумме двух поступающих токов. Физический смысл этого закона прост: если бы он не выполнялся, в узле непрерывно накапливался бы электрический заряд, а этого никогда не происходит.
Второй закон не менее прост. Если мы имеем сложную разветвленную цепь, ее можно мысленно разбить на ряд простых замкнутых контуров. Ток в цепи может различным образом распределяться по этим контурам, и сложнее всего определить, по какому именно маршруту потекут токи в сложной цепи. В каждом из контуров электроны могут либо приобретать дополнительную энергию (например, от батареи), либо терять ее (например, на сопротивлении или ином элементе). Второй закон Кирхгофа гласит, что чистое приращение энергии электронов в любом замкнутом контуре цепи равно нулю. Этот закон также имеет простую физи
ческую интерпретацию. Если бы это было не так, всякий раз, проходя через замкнутый контур, электроны приобретали или теряли бы энергию, и ток бы непрерывно возрастал или убывал. В первом случае можно было бы получить вечный двигатель, а это запрещено первым началом термодинамики; во втором — любые токи в электрических цепях неизбежно затухали бы, а этого мы не наблюдаем.
Самое распространенное применение законов Кирхгофа мы наблюдаем в так называемых последовательных и параллельных цепях. В последовательной цепи (яркий пример такой цепи — елочная гирлянда, состоящая из последовательно соединенных между собой лампочек) электроны от источника питания по серии проводов последовательно проходят через все лампочки, и на сопротивлении каждой из них напряжение падает согласно закону Ома.
В параллельной цепи провода, напротив, соединены таким образом, что на каждый элемент цепи подается равное напряжение от источника питания, а это означает, что в каждом элементе цепи сила тока своя в зависимости от его сопротивления. Примером параллельной цепи являются лампы «лесенкой»: напряжение подается на шины, а лампы смонтированы на поперечинах. Токи, проходящие через каждый узел такой цепи, определяются по второму закону Кирхгофа.

ГУСТАВ РОБЕРТ КИРХГОФ (Gustav Robert Kirchhof, 1824-77) — немецкий физик. Родился в Кенигсберге (современный Калининград). Законы расчета электрических цепей сформулировал еще будучи студентом Кёниг-сбергского университета. Продолжил свою блестящую карьеру в ряде германских университетов, последним из которых стал Берлинский, где он был профессором теоретической физики с 1875 года и до своей смерти. В период работы в университете г. Бреслау (на
территории современной Польши) совместно с Робертом Бунзеном разработал основы спектроскопии (см.
ОТКРЫТИЕ КИРХГОФА—БУНЗЕНА).
Кроме того, он открыл еще один цикл законов (названы его именем), описывающих тепловое поглощение и излучение. Хотя вторую половину своей жизни Кирхгоф в результате несчастного случая провел в инвалидной коляске, все современники отзывались о нем, как о приятнейшем человеке и убежденном оптимисте.

Законы Менделя
Наследственные признаки передаются из поколения в поколение с помощью генов
1865
Потомки получают от каждого родителя по одному гену, кодирующему признак
1908

ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ

ЗАКОН
ХАРДИ—ВАЙНБЕРГА
1953

ДРЕЙФ ГЕНОВ

ДНК
1961

РОДСТВЕННЫЙ ОТБОР
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ

Грегора Менделя по праву считают основателем современной генетики, и горох, с которым он экспериментировал, не менее известен в научном фольклоре, чем яблоко Ньютона. Его научные изыскания в монастырском фруктовом саду в городе Брюнн (сейчас Брно в Чехии), первоначально вызванные лишь интересом к земледелию, переросли в многолетнюю серию трудоемких опытов по скрещиванию растений, в результате чего Мендель пришел к выводу, что наследственность определяется генами.
Его работа была несложной, но кропотливой: он надевал на цветки гороха специальные мешочки, для того чтобы каждое растение опылялось лишь тщательно отобранной пыльцой. Затем, сравнивая признаки родительских и дочерних растений, он смог вывести законы наследования.
Классические эксперименты Менделя заключались в скрещивании двух линий гороха — высокорослой и низкорослой. Все дочерние растения первого поколения были высокими (а вовсе не низкого или среднего роста как ожидалось). Однако при последующем скрещивании растений первого поколения между собой только три четверти дочерних растений второго поколения оказались высокорослыми, оставшиеся растения были низкорослыми. Чтобы объяснить результаты этих (и многих других) экспериментов, Мендель постулировал следующее:
существует единица наследственности (Мендель называл ее «фактором», мы сейчас называем ее геном), и дочерний организм получает от каждого родителя по одному гену, кодирующему данный признак;
если дочерний организм получает гены, отвечающие за альтернативные признаки, то один из этих генов будет доминантным и будет экспрессироваться (т.е. кодируемый этим геном признак проявится у организма), а другой будет рецессивным (т.е. не экспрессируемым).
В случае с горохом это означает, что каждое дочернее растение первого поколения получило и ген высокорослости, и ген низкорос-лости — по одному от каждого родителя. Высокий рост потомства первого поколения указывает на доминантность гена высокорос-лости. Однако в наследственном материале каждого дочернего растения первого поколения сохранился и неэкспрессировавшийся ген низкорослости. В следующем поколении одно растение будет иметь в среднем два гена высокорослости, два растения — один ген высокорослости и один ген низкорослости и одно растение — два гена низкорослости; оно-то и будет низкорослым. Руководствуясь этой схемой, Мендель смог объяснить многие особенности наследования, до этого остававшиеся загадкой: например, почему некоторые болезни (такие, как гемофилия) передаются через поколение или почему у кареглазых родителей могут быть голубоглазые дети.
Как это нередко случается в истории науки, работа Менделя, законченная в 1865 году, не сразу получила должное признание

у современников. Итоги его опытов были обнародованы на заседании Общества естественных наук города Брюнна, а затем опубликованы в журнале этого Общества, но идеи Менделя в то время не нашли поддержки. Хотя этот журнал получали более ста научных организаций всего мира, номер журнала с описанием революционной работы Менделя в течение тридцати лет пылился в библиотеках. Лишь в конце XIX века ученые, занимавшиеся проблемами наследственности, открыли для себя труды Менделя, и он смог получить (уже посмертно) заслуженное признание.
Это не означает, что идеи Менделя были приняты безоговорочно. В научном мире долго обсуждалась теория преформизма, согласно которой яйцеклетка и сперматозоид каким-то образом содержат в себе взрослый организм в миниатюре. Например, Антоний Ван Левенгук (Anton van Leeuwenhoek, 1632-1723), ученый, который ввел в научный обиход микроскоп, считал, что внутри каждого сперматозоида уже содержится крохотный человеческий организм, а яйцеклетка нужна лишь для обеспечения его питательными веществами, необходимыми для роста. Вопрос заключался в том, что управляют развитием эмбриона внутренние, наследственные факторы, как полагал Мендель, или внешние факторы окружающей среды, которые могут, например, влиять на питательные вещества яйцеклетки. Сегодня, когда ученые уже могут во всех деталях проследить путь развития организма из оплодотворенной яйцеклетки, выясняется, что внешние факторы, например вещества, оказывающие внутриутробное воздействие на эмбрион, могут вызывать «включение» определенных генов и таким образом влиять на развитие организма.
Сегодня мы знаем, что открытые Менделем гены — это участки находящихся в клетке молекул днк. Согласно центральной догме молекулярной биологии, механизм действия генов состоит в том, чтобы кодировать белки, которые, в свою очередь, выступая в роли ферментов, регулируют все химические реакции в живых организмах (см. катализаторы и ферменты).

ГРЕГОР ИОГАНН МЕНДЕЛЬ (Gregor Johann Mende, 1822-84) — моравский монах и генетик растений. Иоганн Мендель родился в местечке Хей-нцендорф (ныне Гинчице в Чехии), где его отец владел небольшим крестьянским наделом. Принял имя Грегор при поступлении в монастырь близлежащего города Брюнн (сейчас Брно). В 1851 году настоятель монастыря направил Менделя учиться в венский университет, где он среди прочего изучал ботанику. После окончания университета Мендель преподавал естественные науки в
местной школе. В 1856 году начал проводить опыты по скрещиванию растений, в частности гороха, который он выращивал в монастырском саду, возможно, побуждаемый детскими воспоминаниями о работе с отцом в его хозяйстве. Результаты опытов Менделя, легшие в основу современной генетики, были опубликованы в 1865 году, не вызвав тогда интереса у современников. Тремя годами позже Мендель стал настоятелем монастыря городя Брюнн и забросил исследования, посвятив себя исполнению административных обязанностей.

Законы
механики
Ньютона
В отсутствие внешних силовых воздействий тело будет продолжать равномерно двигаться по прямой
Ускорение движущегося тела пропорционально сумме приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе
1537
Всякому действию сопоставлено равное по силе и обратное по направлению противодействие

1604, 1609
распределенное движение

уравнения
равноускоренного
1687
движения

законы механики
1687
ньютона
1905, 1916

закон всемирного тяготения ньютона

теория
относительности

Законы Ньютона — в зависимости от того, под каким углом на них посмотреть, — представляют собой либо конец начала, либо начало конца классической механики. В любом случае это поворотный момент в истории физической науки — блестящая компиляция всех накопленных к тому историческому моменту знаний о движении физических тел в рамках физической теории, которую теперь принято именовать классической механикой. Можно сказать, что с законов движения Ньютона пошел отсчет истории современной физики и вообще естественных наук.
Однако Исаак Ньютон взял названные в его честь законы не из воздуха. Они фактически стали кульминацией долгого исторического процесса формулирования принципов классической механики. Мыслители и математики — упомянем лишь Галилея (см. уравнения равноускоренного движения) — веками пытались вывести формулы для описания законов движения материальных тел и постоянно спотыкались о то, что лично я сам для себя называю непроговоренными условностями, а именно — обе основополагающие идеи о том, на каких принципах зиждется материальный мир, которые настолько устойчиво вошли в сознание людей, что кажутся неоспоримыми. Например, древним философам даже в голову не приходило, что небесные тела могут двигаться по орбитам, отличающимся от круговых; в лучшем случае возникала идея, что планеты и звезды обращаются вокруг Земли по концентрическим (то есть вложенным друг в друга) сферическим орбитам. Почему? Да потому, что еще со времен античных мыслителей Древней Греции никому не приходило в голову, что планеты могут отклоняться от совершенства, воплощением которого и является строгая геометрическая окружность. Нужно было обладать гением Иоганна Кеплера, чтобы честно взглянуть на эту проблему под другим углом, проанализировать данные реальных наблюдений и вывести из них, что в действительности планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим траекториям (см. законы кеплера).

Первый закон Ньютона
Учитывая столь серьезный, исторически сложившийся провал, первый закон Ньютона сформулирован безоговорочно революционным образом. Он утверждает, что, если какую-либо материальную частицу или тело попросту не трогать, оно будет продолжать прямолинейно двигаться с неизменной скоростью само по себе. Если тело равномерно двигалось по прямой, оно так и будет двигаться по прямой с неизменной скоростью. Если тело покоилось, оно так и будет покоиться, пока к нему не приложат внешних сил. Чтобы просто сдвинуть физическое тело с места, к нему нужно обязательно приложить стороннюю силу. Возьмем самолет: он ни за что не стронется с места, пока не будут запущены двигатели. Казалось бы, наблюдение самоочевидное, однако стоит

нам отвлечься от прямолинейного движения, как оно перестает казаться таковым. При инерционном движении тела по замкнутой циклической траектории его анализ с позиции первого закона Ньютона только и позволяет точно определить его характеристики.
Представьте себе что-то типа легкоатлетического молота: ядро на конце струны, раскручиваемое вами вокруг вашей головы. Ядро в этом случае движется не по прямой, а по окружности — значит, согласно первому закону Ньютона, его что-то удерживает; это «что-то» и есть центростремительная сила, которую вы прилагаете к ядру, раскручивая его. Реально вы и сами можете ее ощутить — рукоять легкоатлетического молота ощутимо давит вам на ладони. Если же вы разожмете руку и выпустите молот, он в отсутствие внешних сил незамедлительно отправится в путь по прямой. Точнее будет сказать, что так молот поведет себя в идеальных условиях (например, в открытом космосе), поскольку под воздействием силы гравитационного притяжения Земли он будет лететь строго по прямой лишь в тот момент, когда вы его отпустили, а в дальнейшем траектория полета будет все больше отклоняться в направлении земной поверхности. Если же вы попробуете действительно выпустить молот, выяснится, что отпущенный с круговой орбиты молот отправится в путь строго по прямой, являющейся касательной (перпендикулярной к радиусу окружности, по которой его раскручивали), с линейной скоростью, равной скорости его обращения по «орбите».
Теперь заменим ядро легкоатлетического молота планетой, молотобойца — Солнцем, а струну — силой гравитационного притяжения: вот вам и ньютоновская модель Солнечной системы.
Такой анализ происходящего при обращении одного тела вокруг другого по круговой орбите на первый взгляд кажется чем-то само собой разумеющимся, но не стоит забывать, что он вобрал в себя целый ряд умозаключений лучших представителей научной мысли предшествующего поколения (достаточно вспомнить Галилео Галилея). Проблема тут в том, что при движении по стационарной круговой орбите небесное (и любое иное) тело выглядит весьма безмятежно и представляется пребывающим в состоянии устойчивого динамического и кинематического равновесия. Однако, если разобраться, сохраняется только модуль (абсолютная величина) линейной скорости такого тела, в то время как ее направление постоянно меняется под воздействием силы гравитационного притяжения. Это и значит, что небесное тело движется равноускоренно. Кстати, сам Ньютон называл ускорение «изменением движения».
Первый закон Ньютона играет и еще одну важную роль с точки зрения нашего естествоиспытательского отношения к природе материального мира. Он подсказывает нам, что любое изменение в характере движения тела свидетельствует о присутствии внешних сил, воздействующих на него. Условно говоря, если мы наблюдаем, как железные опилки, например, подпрыгивают и налипают на магнит, или, доставая из сушилки стиральной машины белье, выясняем, что вещи слиплись и присохли одна к другой, мы можем чувствовать себя спокойно и уверенно: эти эффекты стали следствием действия природных сил (в приведенных примерах это силы магнитного и электростатического притяжения соответственно).

Второй закон Ньютона
Если первый закон Ньютона помогает нам определить, находится ли тело под воздействием внешних сил, то второй закон описывает, что происходит с физическим телом под их воздействием. Чем больше сумма приложенных к телу внешних сил, гласит этот закон, тем большее ускорение приобретает тело. Это раз. Одновременно, чем массивнее тело, к которому приложена равная сумма внешних сил, тем меньшее ускорение оно приобретает. Это два. Интуитивно эти два факта представляются самоочевидными, а в математическом виде они записываются так:
Б = ша,
где Б — сила, ш — масса, а — ускорение. Это, наверное, самое полезное и самое широко используемое в прикладных целях из всех физических уравнений. Достаточно знать величину и направление всех сил, действующих в механической системе, массу материальных тел, из которых она состоит, и можно с исчерпывающей точностью рассчитать ее поведение во времени.
Именно второй закон Ньютона придает всей классической механике ее особую прелесть — начинает казаться, будто весь физический мир устроен, как наиточнейший хронометр, и ничто в нем не ускользнет от взгляда пытливого наблюдателя. Назовите мне пространственные координаты и скорости всех материальных точек во Вселенной, словно говорит нам Ньютон, укажите мне направление и интенсивность всех действующих в ней сил, и я предскажу вам любое ее будущее состояние. И такой взгляд на природу вещей во Вселенной бытовал вплоть до появления квантовой механики.

третий закон Ньютона
За этот закон, скорее всего, Ньютон и снискал себе почет и уважение со стороны не только естествоиспытателей, но и ученых-гуманитариев и попросту широких масс. Его любят цитировать (по делу и без дела), проводя самые широкие параллели с тем, что мы вынуждены наблюдать в нашей обыденной жизни, и притягивают чуть ли не за уши для обоснования самых спорных положений в ходе дискуссий по любым вопросам, начиная с межличностных и заканчивая международными отношениями и глобальной политикой. Ньютон, однако, вкладывал в свой названный впоследствии третьим закон совершенно конкретный физический смысл и едва ли замышлял его в ином качестве, нежели как точное средство описания природы силовых взаимодействий. Закон этот гласит, что если тело А воздействует с некоей силой на тело В, то тело В также воздействует на тело А с равной по величине и противоположной по направлению силой. Иными словами, стоя на полу, вы воздействуете на пол с силой, пропорциональной массе вашего тела. Согласно третьему закону Ньютона, пол в это же время воздействует на вас с абсолютно такой же по величине силой, но направленной не вниз, а строго вверх. Этот закон экспериментально проверить нетрудно: вы постоянно чувствуете, как земля давит на ваши подошвы.
Тут важно понимать и помнить, что речь у Ньютона идет о двух силах совершенно разной природы, причем каждая сила воздействует на «свой» объект. Когда яблоко падает с дерева, это Земля воздействует на яблоко силой своего гравитационного притяжения (вследствие чего яблоко равноускоренно устремляется к поверхности Земли), но при этом и яблоко притягивает к себе Землю с равной силой. А то, что нам кажется, что это именно яблоко падает на Землю, а не наоборот, это уже следствие второго закона Ньютона. Масса яблока по сравнению с массой Земли низка до несопоставимости, поэтому именно его ускорение заметно для глаз наблюдателя. Масса же Земли, по сравнению с массой яблока, огромна, поэтому ее ускорение практически незаметно. (В случае падения яблока центр Земли смещается вверх на расстояние менее радиуса атомного ядра.)
По совокупности же три закона Ньютона дали физикам инструменты, необходимые для начала комплексного наблюдения всех явлений, происходящих в нашей Вселенной. И, невзирая на все колоссальные подвижки в науке, произошедшие со времен Ньютона, чтобы спроектировать новый автомобиль или отправить космический корабль на Юпитер, вы воспользуетесь все теми же тремя законами Ньютона.

ИСААК НЬЮТОН (Isaac Newton, 1642-1727) — англичанин, которого многие считают вообще величайшим ученым всех времен и народов. Родился в семье мелкопоместных дворян в окрестностях г. Вулсторпа (графство Линкольншир, Англия). Отец умер за три месяца до его рождения. Вступив в повторный брак, мать оставила двухлетнего Исаака на попечение его бабушки. Своеобразное эксцентричное поведение уже взрослого ученого многие исследователи его биографии как раз и приписывают тому факту, что до девятилетнего возраста, когда последовала смерть его отчима, мальчик был полностью лишен родительской заботы.
Какое-то время юный Исаак изучал премудрости сельского хозяйства в ремесленном училище. Как это часто случается с великими впоследствии людьми, о его чудачествах в ту раннюю пору его жизни до сих пор ходит масса легенд. Так, в частности, рассказывают, будто однажды его отправили на выпас сторожить скот, который благополучно разбрелся в неизвестном направлении, пока мальчик сидел под деревом и увлеченно читал заинтересовавшую его книгу. Так это или не так, но тягу подростка к знаниям вскоре приметили и отправили обратно в гимназию г. Грантем, по окончании которой юноша успешно поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета.
Ньютон быстро овладел учебной программой и перешел к изучению трудов ведущих ученых того времени, в частности последователей французского философа Рене Декарта ((Зепй Descartes, 1596-1650), который придерживался механистических взглядов на Вселенную. Весной 1665 года он получил ученую степень бакалавра, а дальше случились самые невероятные события в истории науки. В том же самом году в Англии разразилась последняя эпидемия бубонной чумы, все чаще раздавался звон погребальных колоколов, и Кембриджский университет был закрыт. Ньютон почти на два года вернулся в Вулс-торп, успев захватить с собой всего несколько книг и свой недюжинный интеллект в придачу. Когда через два года Кембриджский университет вновь открылся, Ньютон уже (1) разработал дифференциальное исчисление — отдельный раздел математики, (2) изложил основы современной теории цвета, (3) вывел ЗАКОН ВСЕМИРНОГО тяго -тения и (4) решил несколько математических задач, которые до него никто решить не смог. Как говорил сам Ньютон: «В те дни я был в расцвете своих изобретательских сил, и математика и философия с тех пор меня уже ни разу не захватывали так сильно, как тогда». (Я часто спрашиваю своих студентов, рассказывая им в очередной раз о достижениях Ньютона: «А что вы успели сделать за летние каникулы?») Вскоре после возвращения в Кембридж Ньютон был избран в ученый совет Тринити-колледжа, его статуя до сих пор украшает университетскую церковь. Он прочитал курс лекций по теории цвета, в которых показывал, что цветовые различия объясняются основными характеристиками световой волны (или, как теперь говорят, длины волны) и что свет имеет корпускулярную природу. Он также сконструировал зеркальный телескоп, и это изобретение привлекло к нему внимание Королевского общества. Многолетние исследования света и цветов были опубликованы в 1704 году в его фундаментальном труде «Оптика» (Optics).
Отстаивание Ньютоном «неправильной» теории света (в то время господствовали волновые представления) привело к конфликту с Робертом Гуком (см. ЗАКОН ГУКА), главой Королевского общества.
В ответ Ньютон высказал гипотезу, сочетавшую корпускулярные и волновые представления о свете. Гук обвинил Ньютона в плагиате и выступил с притязаниями на приоритет в этом открытии. Конфликт продолжался до самой смерти Гука в 1702 году и произвел на Ньютона такое гнетущее впечатление, что он на шесть лет отказался от участия в интеллектуальной жизни. Впрочем, некоторые психологи того времени объясняют это нервным расстройством, обострившимся после смерти его матери.
В 1679 году Ньютон вернулся к работе и снискал себе славу, исследуя траектории движения планет и их спутников. В результате этих исследований, также сопровождавшихся спорами с Гуком о приоритете, были сформулированы закон всемирного
тяготения и ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮ тона, как мы теперь их называем. Свои исследования он обобщил в книге «Математические начала натуральной философии» (Phiosophiae naturais principia mathematica), представленной Королевскому обществу в 1686 году и опубликованной годом позже. Эта работа, положившая начало тогдашней научной революции, принесла Ньютону всемирное признание.
Его религиозные взгляды, его твердая приверженность протестантизму также привлекали к Ньютону внимание широких кругов английской интеллектуальной элиты, и особенно философа Джона Локка (John Locke, 1632-1704). Проводя все больше времени в Лондоне, Ньютон втянулся в политическую жизнь столицы и в 1696 году был назначен смотрителем Монетного двора. Хотя эта должность традиционно считалась синекурой, Ньютон подошел к своей работе со всей серьезностью, рассматривая перечеканку английской монеты как действенную меру борьбы с фальшивомонетчиками. Как раз в это время Ньютон был вовлечен в очередной спор о приоритете, на сей раз с Готфридом Лейбницем (Gottfreid Leibniz, 1646-1716), по поводу открытия дифференциального исчисления. В конце жизни Ньютон выпустил новые издания своих основных трудов, а также работал на посту президента Королевского общества, занимая при этом пожизненную должность директора Монетного двора.

Законы
электролиза
Фарадея
При электролизе масса
превращенного вещества прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролитическую ячейку
При прохождении через электролит одного и того же количества электричества масса
превращенного вещества зависит от массы и заряда ионов вещества

1834
законы
электролиза
фарадея

Два закона электролиза — это всего лишь небольшая часть вклада Майкла Фарадея в науку. Электролиз — это совокупность процессов, происходящих при пропускании электрического тока через электролит — плавленое ионное вещество (например, плавленая соль) или раствор, в котором присутствуют ионы. Электрический ток проходит через электролит от одного электрода к другому. Положительно заряженные ионы при этом движутся к отрицательному электроду, катоду, а отрицательно заряженные — к положительному электроду, аноду. Химические реакции происходят на электродах. Фарадей провел фундаментальные исследования электролитов и создал законы, в которых говорится, что химические превращения связаны с потоком электронов (то есть электрическим током): чем больше электронов, тем больше химических превращений.
Электролиз — это важный промышленный процесс, используемый как при получении определенных металлов, так и при конечной обработке поверхностей методом нанесения гальванического покрытия. Примером электролиза в действии может быть электролитическое рафинирование меди после ее выделения из руды. Выступающие в качестве катода тонкие листы чистой меди опускают в электролит, содержащий раствор сульфата меди и серную кислоту, а слитки неочищенной меди подвешивают в этом же растворе, и они действуют как анод. При пропускании электрического тока анод начинает растворяться, и ионы меди вместе с некоторым количеством ионов железа и цинка поступают в электролит. Остальные спутники меди, содержавшиеся в слитках (включая значительное количество серебра, золота и платины), выпадают в осадок и накапливаются на дне электролитической ванны. Ионы меди через электролит направляются к катоду и осаждаются на нем. Цинк и железо остаются в растворе.
В промышленных масштабах в подобных ваннах за месяц можно очистить всего несколько тонн меди, но при этом получается продукт 99,96-процентной чистоты. Более того, благодаря извлечению из осадка благородных металлов окупается весь процесс очистки. Кроме меди, электролитическим методом в промышленных масштабах очищаются также магний, натрий и алюминий.
В описанном выше процессе рафинирования меди атом меди переходит в электролит в виде иона, теряя два электрона. Следовательно, на аноде он принимает два электрона, и ион снова превращается в нейтральный атом меди (можно представить себе, что эти два электрона бегут по проводу, как электрический ток). Согласно первому закону Фарадея, для того чтобы очистить в два раза больше меди, необходимо в два раза больше электронов.

Законы электромагнитной индукции Фарадея
Изменение магнитного потока, проходящего через площадь, приводит к возникновению электрического поля вдоль контура, ограничивающего эту площадь
Интенсивность этого электрического поля пропорциональна скорости изменения магнитного потока

1785 • ЗАКОН КУЛОНА

1820 • ОТКРЫТИЕ ЭРСТЕДА

1820 • ЗАКОН АМПЕРА

1820 • ЗАКОН БИО—САВАРА

1831 • законы
электромагнитной индукции фарадея
На гравюре: Майкл Фарадей читает лекцию с наглядными демонстрациями своих опытов в Королевском институте в Лондоне в 1830 году

1833 • ПРАВИЛО ЛЕНЦА

После того как в начале XIX века было установлено, что электрические токи порождают магнитные поля (см. открытие эрстеда, закон био—савара), ученые заподозрили, что должна наблюдаться и обратная закономерность: магнитные поля должны каким-то образом производить электрические эффекты. В 1822 году в своей записной книжке Майкл Фарадей записал, что должен найти способ «превратить магнетизм в электричество». На решение этой задачи у него ушло почти десять лет.
Не раз за эти годы он возвращался к данной проблеме, пока не придумал серию экспериментов, кажущихся крайне незамысловатыми по современным меркам. На железную катушку в форме бублика, например, он с одной стороны намотал плотные витки длинного, заизолированного от железного сердечника проводника, подключаемые к сильной электрической батарее, а с другой — плотные витки электрического проводника, подключенного к гальванометру — прибору для обнаружения электрического тока. Железный сердечник был нужен для «поимки» силовых линий образующегося магнитного поля и передачи их внутрь контура второй обмотки.
Первые результаты пришли не сразу. сначала, сколько Фарадей ни наблюдал за своей установкой, при протекании электрического тока по первичной обмотке тока во вторичной обмотке не возбуждалось. Могло показаться, что предположения Фарадея относительно «преобразования» электричества в магнетизм и обратно ошибочны. И тут на помощь пришел случай: обнаружилось, к полному удивлению Фарадея, что стрелка гальванометра в цепи вторичной обмотки скачкообразно отклоняется от нулевого положения лишь при подключении или отключении батареи. И тогда Фарадея посетило великое прозрение: электрическое поле возбуждается лишь при изменении магнитного поля. самого по себе присутствия магнитного поля недостаточно. сегодня эффект возникновения электрического поля при изменении магнитного физики называют электромагнитной индукцией.

Повторяя свои опыты и анализируя результаты, Фарадей вскоре пришел к выводу, что протекающий по контуру электрический заряд пропорционален изменению т. н. магнитного потока, проходящего через него. Представьте себе, что замкнутый электропроводящий контур положен на лист бумаги, через который проходят силовые линии магнитного поля. Магнитным потоком называется произведение площади контура на напряженность (условно говоря, число силовых
линий) магнитного поля, проходящего через эту площадь перпендикулярно ей. В первоначальной формулировке закон электромагнитной индукции Фарадея гласил, что при изменении магнитного потока, проходящего через контур, по проводящему

контуру протекает электрический заряд, пропоріщональньгй изменению магнитного потока, который возбуждается без всякого внешнего источника питания типа электрической батареи. Не будучи до конца удовлетворенным формулировкой, в которой фигурировала столь трудноизмеримая величина, как электрический заряд, Фарадей вскоре объединил свой закон с законом ома и получил формулу (иногда ее принято называть вторым законом электромагнитной индукции Фарадея) для определения электродвижущей силы, возникающей в результате изменения магнитного потока через контур.
Изменить магнитный поток через контур можно тремя способами:
изменить площадь контура;
изменить интенсивность магнитного поля;
изменить взаимную ориентацию магнитного поля и плоскости, в которой лежит контур.
Последний метод работает, поскольку при таком движении изменяется проекция магнитного поля на перпендикуляр к площади контура, хотя ни напряженность магнитного поля, ни площадь контура не меняются. Это очень важно с практической точки зрения, поскольку именно это явление лежит в основе действия любого электрогенератора. В самом простом варианте генератора проволочный контур вращается между полюсами сильного магнита. Поскольку в процессе вращения магнитный поток, проходящий через контур, постоянно меняется, по нему все время протекает электрический ток. Согласно правилу ленца, на протяжении одного полуоборота контура ток будет течь в одну сторону, а на протяжении следующего полуоборота — в другую. Собственно, по этому принципу и вырабатывается так хорошо нам знакомый переменный ток, который поступает в дома жителей всего мира по сетям энергоснабжения. И не важно, что частота его в Америке равна 60 герц, а в Европе — 50 герц; важен сам принцип его получения. А тот факт, что американские генераторы совершают 60 оборотов в секунду, а европейские — 50 оборотов в секунду, — это уже дань исторической традиции.
Электрогенераторы играли, играют и будут играть важнейшую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку позволяют получать энергию в одном месте, а использовать ее в другом. Паровая машина, например, может преобразовывать энергию сгорания угля в полезную работу, но использовать эту энергию можно только там, где установлены угольная топка и паровой котел. Электростанция же может размещаться весьма далеко от потребителей электроэнергии и тем не менее снабжать ею заводы, дома и т. п.
Рассказывают (скорее всего, это всего лишь красивая сказка), будто Фарадей, демонстрировал прототип электрогенератора Джону Пилу (John Pee), канцлеру казначейства Великобритании, и тот спросил ученого: «Хорошо, мистер Фарадей, все это очень интересно, а какой от всего этого толк?»
«Какой толк? — якобы удивился Фарадей. — Да вы знаете, сэр, сколько налогов в казну эта штука со временем будет приносить?!»

Науки о жизни

Зеленая революция
нач. XVIII
Численность популяции увеличивается экспоненциально, тогда как количество пищи возрастает в арифметической прогрессии. Поэтому всегда существует риск, что запасов пищи хватит не всем. Во второй половине ХХ века внедрение в сельском хозяйстве новых зерновых культур привело к резкому повышению производства продуктов питания


1798
РАВНОВЕСИЕ В ПРИРОДЕ
ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ РОСТ
1953

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СУКЦЕССИЯ
1950-е

ДНК
1954

зеленая революция

МАКСИМАЛЬНАЯ
УСТОЙЧИВАЯ
ДОБЫЧА

ТЕОРИЯ РАВНОВЕСИЯ МАКАРТУРА—
УИЛСОНА

В течение всей своей истории человечество вело непрекращающуюся борьбу за то, чтобы научиться производить пищу в количестве, необходимом для все появляющихся новых членов общества. По словам британского священника и экономиста Томаса Мальтуса (Thomas Mathus, 1766-1834): «Я полагаю, что справедливы два постулата. Во-первых, пища необходима для существования человека. Во-вторых, влечение между двумя полами необходимо и будет поддерживаться примерно на существующем уровне». Другими словами, увеличение численности популяции всегда будет описываться моделью экспоненциального роста, и всегда будет опережать темпы роста пищевых ресурсов. В последние два столетия, ознаменовавшиеся невиданным экономическим ростом, значение этого мрачного прогноза в отношении будущего человечества (названного мальтузианской дилеммой, или теорией народонаселения) постепенно уменьшается.
По отношению к мальтузианской дилемме философы разделились на два интеллектуальных лагеря — назовем их мальтузианцы и техно-оптимисты. Мальтузианцы утверждали, что рано или поздно численность народонаселения превзойдет предельную продуктивность источников пищи, установленную природой, во всем мире наступит голод, и каждое новое человеческое существо будет еще более способствовать истощению биосферы. Им возражали техно-оптимисты (к которым принадлежу и я), которые говорили, что благодаря технологиям постоянно совершенствуются наши возможности производить все необходимое для выживания, включая пищу. Поскольку технологии являются продуктом человеческого разума, каждый новый человек потенциально способен отодвинуть мальтузианские границы в более далекое будущее и должен рассматриваться как ценностный фактор.
В течение двух последних столетий техно-оптимисты неизменно одерживали победу. Наиболее впечатляющей победой некоторые считают «зеленую революцию». Начиная с 1950-х годов благодаря внедрению усовершенствованных сортов зерновых культур производство пищевых продуктов во всем мире резко возросло. Этому можно найти многочисленные подтверждения: например, с 1950-го по 1990 год урожайность в Индии возрастала на 2,8% ежегодно, тогда как ежегодный прирост численности населения составил 2,1%. Зерновые культуры, благодаря которым стала возможной «зеленая революция», были получены не с помощью современных генно-инженерных методов, а с помощью обычного, применявшегося десятилетиями скрещивания растений. Генетическая инженерия обещает, что в будущем нас ждут новые «зеленые революции» и что урожайность зерновых культур (особенно риса) значительно возрастет.
Большинство мальтузианцев признают успехи «зеленой революции», но сомневаются в том, что она сможет устойчиво обеспечивать будущие потребности. Они подчеркивают, что одной из причин успеха «зеленой революции» стало широкое использо
вание удобрений (см. круговорот азота в природе) и что вмешательство человека в круговорот азота не может продолжаться бесконечно. Они также обращают внимание на то, что Зеленая революция повлекла за собой широкое распространение монокультур — когда на поле из года в год выращивают один и тот же вид растений. Эти монокультуры подвержены внезапному уничтожению вредителями или заболеваниями. Например, в начале картофельного голода в Ирландии (1845-47) практически весь урожай картофеля был уничтожен в течение недели.
Так обстоит дело, и я полагаю, что спор этот в той или иной форме будет продолжаться и через сто лет.

Излучение Черенкова*
При прохождении
частицы через
материальную
среду со скоростью,
превышающей
скорость
распространения
света в этой среде,
наблюдается
характерное
излучение

1621 • ЗАКОН ОНЕЛЯИУОА

1887 • УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

1905, • ТЕОРИЯ
1916 ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1934 • излучение
черенкова

При прохождении света через прозрачный материал, например стекло, свет распространяется медленнее, чем в вакууме. Как при перелете через континент с промежуточными посадками пассажир неизбежно теряет во времени по сравнению с беспосадочным перелетом, так и световые лучи затормаживаются, взаимодействуя с атомами среды, и не могут двигаться так же быстро, как в вакууме. теория относительности гласит: ни одно материальное тело, включая быстрые элементарные частицы высоких энергий, не может двигаться со скоростью, равной скорости света в вакууме. Но к скорости движения в прозрачных средах это ограничение не относится. В стекле или в воде, например, свет распространяется со скоростью, составляющей 60-70% от скорости света в вакууме, и ничто не мешает быстрой частице (например, протону или электрону) двигаться быстрее света в такой среде.
В 1934 году Павел Черенков (под руководством Сергея Ивановича Вавилова. — Прим. переводчика) проводил исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения и обнаружил слабое голубое свечение (которое теперь названо его именем), вызванное быстрыми электронами, выбитыми из атомов среды гамма-излучением. Чуть позже выяснилось, что эти электроны двигались со скоростью выше скорости света в среде. Это был как бы оптический эквивалент ударной волны, которую вызывает в атмосфере сверхзвуковой самолет, преодолевая звуковой барьер. Представить это явление нам поможет аналогия с волнами Гюйгенса (см. принцип гюйгенса), расходящимися вовне концентрическими кругами со скоростью света, причем каждая новая волна испускается из следующей точки на пути движения частицы. Если частица летит быстрее скорости распространения света в среде, она обгоняет волны. Пики амплитуды этих волн и образуют волновой фронт излучения Черенкова.
излучение расходится конусом вокруг траектории движения частицы. Угол при вершине конуса зависит от скорости частицы и от скорости света в среде. Это как раз и делает излучение Черен-кова столь полезным с точки зрения физики элементарных частиц, поскольку, определив угол при вершине конуса, физики могут рассчитать по нему скорость частицы. В сочетании с результатами других замеров это позволяет обнаруживать элементарные частицы на своем оборудовании. В современных лабораториях детекторы Черенкова установлены в комплексе с другими измерительными приборами на огромных многоэтажных стеллажах. В качестве примера можно привести детектор «Супер-Камиоканде» в лаборатории г. Камиока в Японии, который вмещает 50 000 тонн воды и оснащен 11 000 светочувствительных элементов. Излучение Черен-кова можно наблюдать и невооруженным взглядом на небольших исследовательских ядерных реакторах, которые часто устанавливают на дне бассейна для обеспечения радиационной защиты. Сердечник реактора в этом случае окружен эффектным голубым

свечением — это и есть излучение Черенкова под воздействием быстрых частиц, излучаемых в результате ядерной реакции.
Поскольку анализ этого излучения сыграл важнейшую роль в зарождающейся экспериментальной ядерной физике, в 1958 году Черенков совместно с Игорем Таммом (1895-1971) и Ильей Франком (1908-90) был удостоен Нобелевской премии по физике. (Инициатор исследования С. И. Вавилов скончался в 1951 году и, согласно правилам присуждения Нобелевских премий, в число лауреатов включен не был. — Прим. переводчика.) Тамм и Франк в 1937 году окончательно установили механизм возникновения свечения под воздействием электронов, движущихся быстрее скорости света в среде (например, в воде), а вслед за тем предсказали вскоре обнаруженное излучение Черенкова в твердых телах и газах.

павел Алексеевич черенков
(1904-90) — советский физик. Родился в селе Новая Чигла Воронежской губернии в крестьянской семье. В 1928 году окончил Воронежский университет, два года работал учителем. О 1930 года и до конца
своих дней работал в Физическом институте им. Лебедева Академии наук СССР (ФИАН). После работы, приведшей к открытию излучения Черенкова, занимался изучением космических лучей и разработкой ускорителей тяжелых частиц.

Излучение черного тела

1859
Абсолютно черное тело, полностью поглощающее электромагнитное излучение любой частоты, при нагревании излучает энергию в виде волн, равномерно распределенных по всему спектру частот
1859

ОТКРЫТИЕ КИРХГОФА—БУНСЕНА
1900

СПЕКТРОСКОПИЯ
1900

ПОСТОЯННАЯ ПЛАНКА
1925

излучение черного тела

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

К концу XIX века ученые, исследуя взаимодействие электромагнитного излучения (в частности, света) с атомами вещества, столкнулись с серьезными проблемами, решить которые удалось только в рамках квантовой механики, которая во многом и зародилась благодаря тому, что эти проблемы возникли. Чтобы понять первую и, пожалуй, самую серьезную из этих проблем, представьте себе большой черный ящик с зеркальной внутренней поверхностью, в одной из стенок которого проделана маленькая дырочка. Луч света, проникающий в ящик через микроскопическое отверстие, навсегда остается внутри, бесконечно отражаясь от стенок. Объект, не отражающий света, а полностью поглощающий его, выглядит черным, поэтому его и принято называть черным телом. (Абсолютно черное тело — подобно многим другим концептуальным физическим явлениям — объект чисто гипотетический, хотя, например, полая, равномерно разогревающаяся зеркальная изнутри сфера, свет в которую проникает через единственное крохотное отверстие, является хорошим приближением.)
Вам, однако, наверняка доводилось и в реальности видеть достаточно близкие аналоги черного тела. В очаге, например, случается, что несколько поленьев сложатся практически вплотную, а внутри них выгорит довольно большая полость. Снаружи поленья остаются темными и не светятся, в то время как внутри выгоревшей полости накапливаются жар (инфракрасное излучение) и свет, и, прежде чем вырваться наружу, эти лучи многократно отражаются от стен полости. Если заглянуть в щель между такими поленьями, вы увидите яркое желто-оранжевое высокотемпературное свечение и, оттуда на вас буквально полыхнет жаром. Просто лучи на какое-то время оказались пойманными в ловушку между поленьями подобно тому, как свет полностью улавливается и поглощается вышеописанным черным ящиком.
Модель такого черного ящика помогает нам понять, как ведет себя поглощенный черным телом свет, взаимодействуя с атомами его вещества. Тут важно понять, что свет поглощается атомом, тут же испускается им и поглощается другим атомом, снова испускается и поглощается, и так будет происходить до момента достижения состояния равновесного насыщения. При нагревании черного тела до равновесного состояния интенсивность испускания и поглощения лучей внутри черного тела уравниваются: при поглощении некоего количества света определенной частоты одним атомом другой атом где-то внутри одновременно испускает такое же количество света той же частоты. Таким образом, количество поглощенного света каждой частоты внутри черного тела остается неизменной, хотя поглощают и испускают его разные атомы тела.
До этого момента поведение черного тела остается достаточно понятным. Проблемы в рамках классической физики (под «классической» здесь имеется в виду физика до появления квантовой механики) начались при попытках подсчитать энергию

излучения, сохраняемую внутри абсолютно черного тела в равновесном состоянии. и скоро выяснились две вещи:
чем выше волновая частота лучей, тем больше их накапливается внутри черного тела (то есть, чем короче длины волн исследуемой части спектра волн излучения, тем больше лучей этой части спектра внутри черного тела предсказывает классическая теория);
чем выше частота волны, тем большую энергию она несет и, соответственно, тем больше ее сохраняется внутри черного тела.
По совокупности два этих заключения привели к немыслимому результату: энергия излучения внутри черного тела должна быть бесконечной! Эта злая насмешка над законами классической физики была окрещена ультрафиолетовой катастрофой, поскольку высокочастотное излучение лежит в ультрафиолетовой части спектра.
Порядок удалось восстановить немецкому физику Максу Планку (см. постоянная планка) — он показал, что проблема снимается, если допустить, что атомы могут поглощать и излучать свет только порциями и только на определенных частотах. (Позже Альберт Эйнштейн обобщил эту идею, введя понятие фотонов — строго определенных порций светового излучения.) По такой схеме многие частоты излучения, предсказываемые классической физикой, просто не могут существовать внутри черного тела, поскольку атомы не способны ни поглощать, ни испускать их; соответственно, эти частоты выпадают из рассмотрения при расчете равновесного излучения внутри черного тела. Оставив только допустимые частоты, Планк предотвратил ультрафиолетовую катастрофу и направил науку по пути верного понимания устройства мира на субатомном уровне. Кроме того, он рассчитал характерное распределение равновесного излучения черного тела по частотам.
Это распределение получило всемирную известность через многие десятилетия после его публикации самим Планком, когда ученые-космологи выяснили, что открытое ими реликтовое микроволновое излучение (см. большой взрыв) в точности подчиняется распределению Планка по своим спектральным характеристикам и соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре около трех градусов выше абсолютного нуля.

Иммунная система
Иммунная система призвана распознавать «чужаков», вторгшихся в наш организм, передавать эту информацию специализированным клеткам и отражать нападение

1729, • СУТОЧНЫЕ РИТМЫ сер. XX

XIX-XX • РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕРВНЫХ ИМПУЛЬСОВ

1937 • ГЛИКОЛИЗ И ДЫХАНИЕ

сер. • иммунная система
1960-х

Среда обитания человека и других живых организмов весьма агрессивна. Нас подстерегают всевозможные вирусы и бактерии, ожидающие своего часа, чтобы напасть, поэтому задача нашей иммунной системы — защитить нас от их нападения. Некоторые рубежи обороны — чисто анатомические: например, кожа и слизистые оболочки образуют физический барьер, препятствующий вторжению. Если эти внешние границы нарушены, организм часто противопоставляет агрессии генерализованную воспалительную реакцию, при которой усиливается приток крови к пораженному участку. Кровь доставляет лейкоциты, которые, проникнув через стенку капилляров, захватывают внедрившегося агрессора. Именно такой реакцией объясняется хорошо знакомая нам краснота вокруг небольшого пореза.
Однако работа иммунной системы строится на иных принципах, а именно на вербовке специализированных молекулярных структур, действие которых направлено на специфичные мишени. К наиболее важным из этих структур относятся антитела — Y-образные молекулы. На концах Y-молекул собраны молекулы аминокислот (см. белки) различной формы. Каждая форма соответствует агрессору, или антигену, определенного вида. В организме взрослого человека насчитывается до 100 миллионов различных видов антител, отличающихся формой. В некотором смысле, иммунная система похожа на крупный магазин готового платья, где в наличии любые размеры одежды. При вторжении чужеродного организма можно с большой вероятностью надеяться на то, что один из 100 миллионов нарядов, имеющихся на вешалках, окажется ему впору. То, как антитела циркулируют в организме, определяется расположением аминокислот в «ножке» буквы Y — некоторые из них, например, циркулируют в кровяном русле и крайне эффективно уничтожают бактерии и вирусы, тогда как другие связываются со специализированными клетками в коже и слизистой оболочке кишечника.
В-клетки, или В-лимфоциты, — это главные клетки, отвечающие за функцию распознавания чужеродных организмов антителами. (Название связано с тем, что рост и созревание этих клеток происходит в костном мозге — bone marrow.) Эти клетки имеют форму, близкую к сферической, и на их внешней оболочке находятся разнообразные специализированные антитела. Когда чужеродный организм распознан — то есть когда антиген входит в контакт с соответствующим ему антителом на определенном В-лим-фоците, — начинается размножение В-лимфоцитов. Процесс размножения преследует две цели. Во-первых, при этом происходит образование клеток (называемых плазматическими клетками), синтезирующих в большом количестве молекулы антител, специфичные по отношению к агрессору. Во-вторых, образуются клетки памяти, способные отреагировать на присутствие антигена спустя месяцы и годы после первого вторжения.

Одна плазматическая клетка способна образовывать до 30 000 молекул антител в секунду. Эти молекулы связываются с вторгшимися в организм бактериями, заставляя их собираться в группы, после чего эти скопления могут быть удалены другими клетками из организма. Однако для созревания плазматическим клеткам может потребоваться несколько дней. О победе антител организм обычно сигнализирует появлением лихорадки. Плазматические клетки живут лишь несколько дней, тогда как продолжительность жизни клеток памяти намного больше — иногда они сохраняются до конца жизни человека. В случае повторного вторжения того же самого антигена эти клетки сразу вступают в бой и немедленно синтезируют в огромном количестве антитела, минуя съедающий драгоценное время процесс распознавания. именно этим объясняется наш иммунитет к последующим инфекциям. Основная цель вакцинации состоит как раз в образовании клеток памяти.
В-клетки защищают организм в основном от внешних вторжений — от молекул, имеющих «чужеродный» химический состав. Иммунные клетки другого типа — Т-клетки (или Т-лим-фоциты) — имеют дело с клетками организма, видоизмененными из-за поражения инфекцией или раком. (В действительности этим занимается лишь около половины Т-лимфоцитов; вторая половина регулирует активность В-лимфоцитов.)
Т-лимфоциты получили название от тимуса — железы, в которой они растут и созревают. На внешней оболочке Т-лимфо-цитов находятся белки, распознающие специфичные молекулы, а не специфичные антигены (в отличие от В-лимфоцитов). Т-лим-фоциты реагируют с антигенами после объединения с молекулами другого типа, называемыми комплексом гистосовместимости и присутствующими во всех клетках индивидуума. Т-лимфоцит исполняет роль часового, который переходит с одного места на другое и окликает другие клетки, спрашивая у них пароль. Если на поверхности клетки оказывается верный комплекс гистосовмести-мости, Т-лимфоцит проходит дальше. Если что-то не в порядке, например комплекс изменен белком вирусной оболочки, Т-лим-фоцит взаимодействует с клеткой и разрушает ее.
Трансплантация органов является настолько сложной проблемой именно из-за способности Т-лимфоцитов распознавать «чужаков». Т-лимфоциты стремятся атаковать пересаженный орган, поэтому их необходимо сдерживать с помощью лекарств-иммунодепрессантов. Кроме того, Т-лимфоциты являются мишенью для вируса, вызывающего СПИД, который во многом совпадает с рецепторами Т-лимфоцитов. Наконец, случается, что способность Т-лимфоцитов распознавать «своих» постепенно снижается, и тогда иммунная система может атаковать собственные клетки организма. Так возникают аутоиммунные заболевания, например ревматоидный артрит.

Интерференция
Интерференция волн может приводить как к усилению, так и к гашению их амплитуды
1807

1690 • ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА
1818

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ

ДИФРАКЦИЯ

Волны — один из двух путей переноса энергии в пространстве (другой путь — корпускулярный, при помощи частиц). Волны обычно распространяются в какой-то среде (например, волны на поверхности озера распространяются в воде), однако направление движения самой среды не совпадает с направлением движения волн. Представьте себе поплавок, покачивающийся на волнах. Поднимаясь и опускаясь, поплавок повторяет движения воды, в то время как волны проходят мимо него.
Явление интерференции происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в различных направлениях. При этом оно наблюдается и у волн, распространяющихся в средах, и у электромагнитных волн (см. спектр электромагнитного излучения). То есть интерференция является свойством волн как таковых и не зависит ни от свойств среды, ни от ее наличия. Чтобы понять ее механизм, проще всего вернуться к примеру волн на водной поверхности и представить себе, что каждая волна несет в себе инструкцию для элементов поверхности, например «подняться на 1 метр» или «опуститься на 30 см». В точке взаимодействия двух волн поверхность просуммирует две такие инструкции — в данном примере, она поднимется на 70 см (1 м - 30 см).
Самое поразительное происходит в точке встречи двух волн равной амплитуды, достигших места встречи в противофазе (то есть когда пик максимума амплитуды одной волны накладывается на пик минимума амплитуды другой). В таком случае, условно говоря, одна волна передает поверхности инструкцию «подняться на 1 м», а другая — «опуститься на 1 м», в результате чего поверхность воды просто остается на месте. В этом случае на воде мы наблюдаем точку штиля. В акустике — мертвую точку. В оптике — точку полного затемнения. Это явление называется интерференционным гашением волн, или деструктивной интерференцией.
Возможна и прямо противоположная ситуация, когда две волны встречаются в точке совпадения фаз, и амплитуды колебаний среды складываются (при равной амплитуде встретившихся волн, например, амплитуда линейных колебаний среды удвоится). Это явление называется интерференционным усилением волн, или конструктивной интерференцией. Волны на поверхности воды в таких точках будут самыми высокими, звуки — самыми громкими, свет — самым ярким. Естественно, имеется множество промежуточных значений интерференционной амплитуды колебаний, лежащих в пределах от полностью конструктивной до полностью деструктивной интерференции, которые образуют причудливую и в то же время упорядоченную интерференционную картину взаимодействия волн.
Эффект интерференционного гашения позволяет нам судить, имеем мы дело с волной или с частицей. Действительно, при встрече двух бильярдных шаров трудно представить ситуацию, при

которой оба шара просто исчезнут, — самое большее, при сильном соударении они могут раскрошиться. Фактически, именно явление интерференции света окончательно убедило ученых XIX столетия в его волновой природе.
Одним из простейших экспериментальных доказательств стал опыт британского ученого Томаса Юнга. Пучок света направлялся на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого был установлен второй, проекционный экран. Если бы свет состоял из частиц, на проекционном экране мы увидели бы всего две параллельных полосы света, прошедших через прорези ширмы. А между ними проекционный экран оставался бы практически неосвещенным.
Если же, с другой стороны, свет представляет собой распространяющиеся волны, картина должна наблюдаться принципиально иная. Согласно принципу гюйгенса, каждая прорезь является источником вторичных волн. Эти волны, в частности, достигли бы линии в середине экрана, находящейся на равном удалении от прорезей синхронно и в одной фазе — гребень к гребню, провал к провалу. Значит, на серединной линии экрана оказалось бы выполненным условие максимального интерференционного усиления, и там должен наблюдаться максимум яркости. То есть наивысшая яркость окажется именно там, где она должна быть практически нулевой в случае справедливости корпускулярной гипотезы света. На каком-то удалении от центральной линии, напротив, волны должны оказаться в противофазе, и там будет наблюдаться темная полоса. По мере дальнейшего удаления от средней линии яркость будет снова возрастать до максимума, затем снова убывать и т.д. Таким образом, на проекционном экране мы должны получить целый ряд чередующихся интерференционных полос. И опыт Юнга это с блеском подтвердил, развеяв все сомнения в волновой природе света.
Сюрприз ждал физиков столетием позже, когда через аналогичный экран с двумя щелями пустили пучок электронов. Выяснилось, что и они образуют на проекционном экране четкую интерференционную картину с чередованием «светлых» и «темных» полос. Следовательно, для электронов действительно выполняется соотношение де бройля, хотя все привыкли считать их частицами!
Интерференция сегодня широко применяется в экспериментальной физике, будучи положена в основу действия измерительного прибора под названием интерферометр. Интерферометры бывают самых разных конструкций, в зависимости от того, что именно они должны измерять, но принцип работы у любого интерферометра один и тот же: луч разбивается на два синфазных луча посредством использования частично пропускающего луч зеркала, после чего один луч направляется на экран напрямую, а другой — через исследуемый образец (конструкция прибора и частоты лучей могут быть самыми различными в зависимости от объ

екта исследований). В конечно итоге оба луча попадают на регистрационный экран, и по полученной интерференционной картине можно с большой точностью судить о свойствах исследуемого образца, поскольку смещение интерференционных полос позволяет отслеживать малейшие смещения фазы луча в результате взаимодействия с исследуемым веществом. Интерферометры позволяют регистрировать задержки светового луча на время значительно меньше полупериода световой волны. Именно опыт май-кельсона—морли, проведенный с использованием точнейшего интерферометра и не выявивший эфирного ветра, заставил ученых окончательно отказаться от идеи мирового эфира.

ТОМАС ЮНГ (Thomas Young, 1773-1829) — английский ученый широкого профиля. Родился в Милвертоне, графство Сомерсет (Miverton, Somerset), в семье плотника. Проявил себя вундеркиндом: к шести годам прочитал всю Библию, к тринадцати — свободно владел несколькими европейскими языками. Формально получив медицинское образование, был видным членом целого ряда Лондонских научных обществ, в 1809 году был избран в
Королевскую коллегию врачей. Прославившись более всего опытом по доказательству волновой природы света, сделал немало и для развития других областей естествознания, в частности открыл изменение формы хрусталика человеческого глаза. Многое сделал для развития теории упругости (см. Закон Гука). В последние годы жизни вернулся к изучением древних языков, участвовал в расшифровке текстов Розеттского камня.

Инфляционная стадия расширения Вселенной
Сразу после зарождения Вселенная расширялась невероятно быстро

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ
1948
ТЕОРИЯ
1961
СТАЦИОНАРНОЙ ВСЕЛЕННОЙ
1980-е

СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ

РАННЯЯ ВСЕЛЕННАЯ
1981

ИНФЛЯЦИОННАЯ СТАДИЯ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ
ТЕОРИИ

С 30-х годов XX века астрофизики уже знали, что, согласно закону хаббла, Вселенная расширяется, а значит, она имела свое начало в определенный момент в прошлом. Задача астрофизиков, таким образом, внешне выглядела простой: отследить все стадии хаббловского расширения в обратной хронологии, применяя на каждой стадии соответствующие физические законы, и, пройдя этот путь до конца — точнее, до самого начала, — понять, как именно все происходило.
В конце 1970-х годов, однако, оставались нерешенными несколько фундаментальных проблем, связанных с ранней Вселенной, а именно:
Проблема антивещества. Согласно законам физики, вещество и антивещество имеют равное право на существование во Вселенной (см. античастицы), однако Вселенная практически полностью состоит из вещества. Почему так произошло?
Проблема горизонта. По фоновому космическому излучению (см. большой взрыв) мы можем определить, что температура Вселенной везде примерно одинакова, однако отдельные ее части (скопления галактик) не могли находиться в контакте (как принято говорить, они были за пределами горизонта друг друга). Как же получилось, что между ними установилось тепловое равновесие?
Проблема распрямления пространства. Вселенная, судя по всему, обладает именно той массой и энергией, которые необходимы для того, чтобы замедлить и остановить хаб-бловское расширение. Почему из всех возможных масс Вселенная имеет именно такую?
Ключом к решению этих проблем послужила идея, что сразу после своего рождения Вселенная была очень плотной и очень горячей. Все вещество в ней представляло собой раскаленную массу кварков и лептонов (см. стандартная модель), у которых не было никакой возможности объединиться в атомы. Действующим в современной Вселенной различным силам (таким, как электромагнитные и гравитационные силы) тогда соответствовало единое поле силового взаимодействия (см. универсальные теории). Но когда Вселенная расширилась и остыла, гипотетическое единое поле распалось на несколько сил (см. ранняя вселенная).
В 1981 году американский физик Алан Гут осознал, что выделение сильных взаимодействий из единого поля, случившееся примерно через 10-35 секунды после рождения Вселенной (только задумайтесь — это 34 нуля и единица после запятой!), стало поворотным моментом в ее развитии. Произошел фазовый переход вещества из одного состояния в другое в масштабах Вселенной — явление, подобное превращению воды в лед. И как при замерзании воды ее беспорядочно движущиеся молекулы вдруг «схватываются» и образуют строгую кристаллическую структуру,

так под влиянием выделившихся сильных взаимодействий произошла мгновенная перестройка, своеобразная «кристаллизация» вещества во Вселенной.
Кто видел, как лопаются водопроводные трубы или трубки автомобильного радиатора на сильном морозе, стоит только воде в них превратиться в лед, тот на собственном опыте знает, что вода при замерзании расширяется. Алану Гуту удалось показать, что при разделении сильных и слабых взаимодействий во Вселенной произошло нечто подобное — скачкообразное расширение. Это расширение, которое называется инфляционным, во много раз быстрее обычного хаббловского расширения. Примерно за 10-32 секунды Вселенная расширилась на 50 порядков — была меньше протона, а стала размером с грейпфрут (для сравнения: вода при замерзании расширяется всего на 10%). И это стремительное инфляционное расширение Вселенной снимает две из трех вышеназванных проблем, непосредственно объясняя их.
Решение проблемы распрямления пространства нагляднее всего демонстрирует следующий пример: представьте координатную сетку, нарисованную на тонкой эластичной карте, которую затем смяли как попало. Если теперь взять и сильно встряхнуть эту смятую в комок эластичную карту, она снова примет плоский вид, а координатные линии на ней восстановятся, независимо от того, насколько сильно мы деформировали ее, когда скомкали. Аналогичным образом, не важно, насколько искривленным было пространство Вселенной на момент начала ее инфляционного расширения, главное — по завершении этого расширения пространство оказалось полностью распрямленным. А поскольку из теории относительности мы знаем, что кривизна пространства зависит от количества материи и энергии в нем, становится понятно, почему во Вселенной находится ровно столько материи, сколько необходимо, чтобы уравновесить хаббловское расширение.
Объясняет инфляционная модель и проблему горизонта, хотя не так прямо. Из теории излучения черного тела мы знаем, что излучение, испускаемое телом, зависит от его температуры. Таким образом, по спектрам излучения удаленных участков Вселенной мы можем определить их температуру. Такие измерения дали ошеломляющие результаты: оказалось, что в любой наблюдаемой точке Вселенной температура (с погрешностью измерения до четырех знаков после запятой) одна и та же. Если исходить из модели обычного хаббловского расширения, то вещество сразу же после Большого взрыва должно было разлететься слишком далеко, чтобы температуры могли уравняться. Согласно же инфляционной модели, вещество Вселенной до момента 1 = 10-35 секунды оставалось гораздо более компактным, чем при хаббловском расширении. Этого чрезвычайно краткого периода было вполне достаточно, чтобы установилось термическое равновесие, которое не было нарушено на стадии инфляционного расширения и сохранилось до сих пор.

Инфляционная гипотеза не снимает проблемы антивещества, но эту проблему можно объяснить, обратившись к другим процессам, происходившим в то же время. Обнаруживаются интересные вещи: при бурном образовании элементарных частиц в ранней Вселенной примерно на 100 000 001 обычных частиц пришлось 100 000 000 античастиц. В следующую долю секунды частицы и античастицы, объединившись в пары, аннигилировали друг друга с гигантским выбросом энергии — масса превратилась в излучение. После такой «прополки» во Вселенной остался лишь жалкий клочок обычной материи. Вот из этого «космического мусора» и состоит вся известная нам сегодня Вселенная.

АлАН ХАрви Гут (Aan Harvey Guth, р. 1947) — американский физик, специалист в области элементарных частиц и космологии. Родился в Нью-Брюнсвике, штат Нью-Джерси. Докторскую степень получил в Массачусетском технологическом институте, куда в 1986 году
и вернулся, став профессором физики. Свою теорию инфляционного расширения Вселенной Гут разработал еще в Стэнфордском университете, занимаясь теорией элементарных частиц. Известен его отзыв о Вселенной как о «бескрайней скатерти-самобранке».

Катализаторы
и ферменты
Катализатором, или ферментом (в случае биохимической реакции), называется вещество, помогающее протеканию химической реакции, но не изменяющееся в ходе нее

1854 ^ Катализаторы
и ферменты

1937 ^ ГЛИКОЛИЗ И ДЫХАНИЕ

нач. ^ БЕЛКИ 1950-х

1953 ^ ДНК

Скорость протекания химической реакции можно значительно увеличить, если добавить вещество, которое участвует в этой реакции, но при этом само не расходуется. Чтобы лучше это понять, представим себе работу брокера по операциям с недвижимостью. Брокер находит и собирает вместе людей, желающих продать какое-либо имущество, и людей, желающих его купить, таким образом способствуя его продаже и передаче другому владельцу. При этом сам брокер в ходе сделки ничего реально не покупает и не продает. Так же и катализатор, или фермент, способствует протеканию реакции между двумя веществами, но к концу реакции остается в первоначальном виде.
Пожалуй, самый известный катализатор находится у нас в машине, в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Он представляет собой мелкоячеистую металлическую сетку, сделанную из палладия и платины, через которую пропускаются выхлопы из автомобильного двигателя. Эти металлы катализируют ряд химических взаимодействий. Во-первых, они абсорбируют окись углерода (СО), окись азота (N0) и кислород, причем каждая молекула N0 распадается на составляющие ее атомы. СО соединяется с атомом кислорода, образуя диоксид углерода, а атомы азота соединяются, и получаются молекулы азота. В то же время избыток кислорода дает возможность углеводородам, не до конца сгоревшим в автомобильных цилиндрах, полностью окислиться до диоксида углерода и воды. Вот так выхлопные газы, которые содержат окись углерода (смертельный яд) и вещества, приводящие к кислотным дождя м, а также несгоревшие фрагменты исходных молекул бензина, превращаются в относительно безвредную смесь диоксида углерода, азота и воды.
Чтобы понять действие ферментов, необходимо знать, что для взаимодействия сложных органических молекул недостаточно их простого контакта. Чтобы реакция протекала, определенные атомы в сближающихся молекулах должны быть правильно сориентированы друг относительно друга (так же как ключ определенным образом должен быть вставлен в замок), только тогда смогут образоваться химичЕскиЕ связи. То есть для химических процессов, протекающих в биологических системах (см. биологические молекулы), чрезвычайно важную роль играет пространственная геометрия.
В биохимии крайне мала вероятность того, что две сложные молекулы, предоставленные сами себе, случайно окажутся друг относительно друга в правильной ориентации, необходимой для взаимодействия. Чтобы такая реакция протекала с ощутимой скоростью, нужна помощь молекул определенного типа — ферментов. Фермент притягивает к себе две другие молекулы и удерживает их в правильном положении, чтобы взаимодействие состоялось. Как только реакция произошла, фермент освобождается и повторяет те же действия с другим набором молекул. Все ферменты в биологических системах представляют собой белки, которые могут принимать разнообразные сложные формы. как и все белки, они закодированы в днк и в качестве ферментов управляют скоростью протекания химических реакций.

кАТАлиЗАТоРЫ и ФЕРмЕНТЫ

177

Квантовая механика

1900
На субатомном уровне частицы описываются волновыми функциями
1923
ИЗЛУЧЕНИЕ ЧЕРНОГО ТЕЛА
1924

ПРИНЦИП СООТВЕТСТВИЯ
1925

СООТНОШЕНИЕ ДЕ БРОЙЛЯ
1926

квантовая механика

УРАВНЕНИЕ
1927
ШРЁДИНГЕРА

ПРИНЦИП
ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ
1927
1964

ОПЫТ ДЭВИССОНА— ДЖЕРМЕРА

ТЕОРЕМА БЕЛЛА

Слово «квант» происходит от латинского quantum («сколько, как много») и английского quantum («количество, порция, квант»). «Механикой» издавна принято называть науку о движении материи. Соответственно, термин «квантовая механика» означает науку о движении материи порциями (или, выражаясь современным научным языком науку о движении квантующейся материи). Термин «квант» ввел в обиход немецкий физик Макс Планк (см. постоянная планка) для описания взаимодействия света с атомами.
Квантовая механика часто противоречит нашим понятиям о здравом смысле. А все потому, что здравый смысл подсказывает нам вещи, которые берутся из повседневного опыта, а в своем повседневном опыте нам приходится иметь дело только с крупными объектами и явлениями макромира, а на атомарном и субатомном уровне материальные частицы ведут себя совсем иначе. принцип неопределенности гейзенберга как раз и очерчивает смысл этих различий. В макромире мы можем достоверно и однозначно определить местонахождение (пространственные координаты) любого объекта (например, этой книги). Не важно, используем ли мы линейку, радар, сонар, фотометрию или любой другой метод измерения, результаты замеров будут объективными и не зависящими от положения книги (конечно, при условии вашей аккуратности в процессе замера). То есть некоторая неопределенность и неточность возможны, но лишь в силу ограниченных возможностей измерительных приборов и погрешностей наблюдения. Чтобы получить более точные и достоверные результаты, нам достаточно взять более точный измерительный прибор и постараться воспользоваться им без ошибок.
Теперь, если вместо координат книги нам нужно измерить координаты микрочастицы, например электрона, то мы уже не можем пренебречь взаимодействиями между измерительным прибором и объектом измерения. Сила воздействия линейки или другого измерительного прибора на книгу пренебрежимо мала и не сказывается на результатах измерений, но, чтобы измерить пространственные координаты электрона, нам нужно запустить в его направлении фотон, другой электрон или другую элементарную частицу сопоставимых с измеряемым электроном энергий и замерить ее отклонение. Но при этом сам электрон, являющийся объектом измерения, в результате взаимодействия с этой частицей изменит свое положение в пространстве. Таким образом, сам акт замера приводит к изменению положения измеряемого объекта, и неточность измерения обусловливается самим фактом проведения измерения, а не степенью точности используемого измерительного прибора. Вот с какой ситуацией мы вынуждены мириться в микромире. Измерение невозможно без взаимодействия, а взаимодействие — без воздействия на измеряемый объект и, как следствие, искажения результатов измерения.

О результатах этого взаимодействия можно утверждать лишь одно:
неопределенность пространственных координат х х неопределенность скорости частицы > him,
или, говоря математическим языком:
Ax х Av > h/m,
где Ax и Av — неопределенность пространственного положения и скорости частицы соответственно, h — постоянная планка, а m — масса частицы.
Соответственно, неопределенность возникает при определении пространственных координат не только электрона, но и любой субатомной частицы, да и не только координат, но и других свойств частиц, таких, как скорость. Аналогичным образом определяется и погрешность измерения любой такой пары взаимно увязанных характеристик частиц (пример другой пары — энергия, излучаемая электроном, и отрезок времени, за который она испускается). То есть если нам, например, удалось с высокой точностью измерить пространственное положение электрона, значит, мы в этот же момент времени имеем лишь самое смутное представление о его скорости, и наоборот. Естественно, при реальных измерениях до этих двух крайностей не доходит, и ситуация всегда находится где-то посередине. То есть, если нам удалось, например, измерить положение электрона с точностью до 10-6 м, значит, мы одновременно можем измерить его скорость, в лучшем случае, с точностью до 650 м/с.
Из-за принципа неопределенности описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми мы привыкли описывать механическое движение, например шара по бильярдному столу, в квантовой механике объекты описываются так называемой волновой функцией. Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением гпрёдингера, которое и говорит нам о том, как изменяется со временем состояние квантовой системы.
Картина квантовых событий в микромире, рисуемая уравнением Шрёдингера, такова, что частицы уподобляются отдельным приливным волнам, распространяющимся по поверхности океана-пространства. Со временем гребень волны (соответствующий пику вероятности нахождения частицы, например электрона, в пространстве) перемещается в пространстве в соответствии с волновой функцией, являющейся решением этого дифференциального уравнения. Соответственно, то, что нам традиционно представляется частицей, на квантовом уровне проявляет ряд характеристик, свойственных волнам.

согласование волновых и корпускулярных свойств объектов микромира (см. соотношение де бройля) стало возможным после того, как физики условились считать объекты квантового мира не частицами и не волнами, а чем-то промежуточным и обладающим как волновыми, так и корпускулярными свойствами; в ньютоновской механике аналогов таким объектам нет. Хотя и при таком решении парадоксов в квантовой механике все равно хватает (см. теорема белла), лучшей модели для описания процессов, происходящих в микромире, никто до сих пор не предложил.

Квантовая
хромодинамика
Сильное
взаимодействие между кварками, удерживающее их внутри элементарных частиц, основано на обмене особыми частицами — глюонами

1897
1961
1961
СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ
1968
ТЕОРИЯ СТРУН
1972
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ТЕОРИИ

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Согласно стандартной модели — лучшей на сегодняшний день теории строения материи, — кварки, объединяясь, образуют все многобразие элементарных частиц, из которых, в свою очередь, состоят ядра атомов. Взаимодействие между кварками описывает теория квантовой хромодинамики (сокращенно КХД). В соответствии с этой теорией кварки взаимодействуют друг с другом, обмениваясь особыми частицами — глюонами.
В обычной ньютоновской физике любая сила — это либо притяжение, либо отталкивание, изменяющее характер движения тела. Но в современных квантовых теориях сила, действующая между между элементарными частицами, интерпретируется несколько иначе. Считается, что сила возникает в результате того, что две частицы обмениваются третьей.
Приведем следующую аналогию. Представьте себе пару фигуристов на катке, едущих друг другу навстречу. Приблизившись, один из них вдруг выплескивает на другого ведро воды. Тот, кто выплеснул воду, от этого затормозит и изменит направление движения. И тот, кто получил порцию воды, также затормозит и изменит направление. Таким образом, «обменявшись» водой, оба фигуриста изменили направление движения. Согласно законам механики ньютона, это означает, что между фигуристами произошло силовое взаимодействие. В приведенном примере нетрудно увидеть, что эта сила возникла из-за (или, как сказали бы физики, передалась «через» или «посредством») обмена водой.
Все современные теории стремятся описывать силовые взаимодействия именно в терминах обмена частицами (см. универсальные теории). Их называют калибровочными теориями, и они основаны на идеях симметрии и инвариантности в системе частиц и полей. Уравнения, описывающие такую систему, остаются неизменными, когда что-либо происходит со всей совокупностью частиц. Например, когда положительный и отрицательный заряды в системе меняются местами, силы, действующие между частицами, остаются прежними.
КХД развивает идеи первой успешной теории из ряда калибровочных — квантовой электродинамики, или КЭД. (По-английски это сокращение выглядит весьма символично, поскольку совпадает с латинским сокращением QED (quod erat demonstrandum — «что и требовалось доказать»), которое ставится в конце строгого доказательства математических теорем. — Прим. автора.) Согласно КЭД, электромагнитная сила между электрически заряженными частицами возникает в результате обмена фотонами (квантами света).
Аналогично устроена и КХД, только вместо электрических зарядов взаимодействия между кварками обусловлены свойством особого рода, который ученые назвали цветом. Он может иметь три значения или, если хотите, три оттенка. Ученые условно называют их красный, желтый и синий, но буквально эти термины понимать не следует. Просто, к несчастью, в 1970-е годы среди

физиков-теоретиков было весьма распространено некоторое легкомыслие при выборе названий для открываемых ими явлений — в результате те же кварки имеют такие свойства, как «странность» и «очарование», хотя можно было бы придумать названия и посерьезнее. В любом случае, фраза «кварк имеет красный цвет» имеет не больше (и не меньше) смысла, чем фраза «электрон имеет отрицательный заряд».
Однако калибровочные теории в случае КЭД и КХД отличаются одним важным аспектом — характером их симметрии. Если в КЭД последовательность двух операций преобразования (прямая или обратная) не влияет на итоговый результат, то в КХД это не так, что делает эту теорию гораздо более сложной, чем КЭД.
Цвет присущ только кваркам, но не барионам и мезонам, в состав которых они входят. Барионы (к которым относятся, в частности, протон и нейтрон) состоят из трех кварков — красного, желтого и синего — цвета которых взаимно гасятся. А мезоны — из пары «кварк + антикварк», поэтому они тоже бесцветны. Вообще, в КХД действует принцип, согласно которому кварки в природе могут образовывать только такие комбинации, суммарный цвет которых оказывается нейтральным.

Взаимодействие между кварками осуществляется пос-красныи кварк редством восьми разновидностей частиц, называемых глюонами (от английского gue — «клей, клеить»; глюоны как бы «склеивают» кварки между собой). Именно они выступают в роли ведер с водой, если вернуться к аналогии с фигуристами. Однако в отличие от фотонов в КЭД, которые электрическим зарядом не обладают (хотя и выступают в роли носителей электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами), глюоны имеют собственный цветовой заряд и могут изменять цвет кварков, с которыми взаимодействуют. (Это как если бы наши фигуристы меняли
кварками в составе элементарных частиц можно графически представить в виде диаграммы Фейнмана, названной так в честь американского физика Ричарда Фейнмана (Richard Feynman, 1918-1988). На представленной диаграмме красный и синий кварки обмениваются глюоном и меняют свой цвет на цвет партнера по взаимодействию
Взаимодействие между пол с мужского на женский и наоборот, обменявшись ведром
воды!) Например, если при поглощении глюона синий кварк превращается в красный, значит, глюон нес на себе единичный положительный заряд красного цвета и единичный отрицательный заряд синего. Поскольку совокупный цветовой заряд кварка при этом не меняется, такие взаимодействия в рамках КХД допустимы (и даже необходимы).
КХД зародилась в середине 1980-х годов и с тех пор успешно прошла целый ряд экспериментальных проверок — пока что все ее прогнозы относительно результатов соударений элементарных частиц высоких энергий подтверждаются фактическими данными, полученными на ускорителях. Сегодня эта теория живет и здравствует. Более того, физики-экспериментаторы безбоязненно планируют новые опыты, исходя из того, что эта теория их не подведет. Что еще, собственно, нужно от хорошей теории?

Квантовый
туннельный
эффект
Имеется
вероятность, что квантовая частица проникнет за барьер, который непреодолим для классической элементарной частицы
XX

1900 • РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД
1924

эволюция ЗВЕЗД

КВАНТОВЫЙ
ТУННЕЛЬНЫЙ
1925
ЭФФЕКТ

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
1926
1962

УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА

ЭФФЕКТ ДЖОЗЕФСОНА

Представьте шарик, катающийся внутри сферической ямки, вырытой в земле. В любой момент времени энергия шарика распределена между его кинетической энергией и потенциальной энергией силы тяжести в пропорции, зависящей от того, насколько высоко шарик находится относительно дна ямки (согласно первому началу термодинамики). При достижении шариком борта ямки возможны два варианта развития событий. Если его совокупная энергия превышает потенциальную энергию гравитационного поля, определяемую высотой точки нахождения шарика, он выпрыгнет из ямки. Если же совокупная энергия шарика меньше потенциальной энергии силы тяжести на уровне борта лунки, шарик покатится вниз, обратно в ямку, в сторону противоположного борта; в тот момент, когда потенциальная энергия будет равна совокупной энергии шарика, он остановится и покатится назад. Во втором случае шарик никогда не выкатится из ямки, если не придать ему дополнительную кинетическую энергию, например, подтолкнув. Согласно законам механики ньютона, шарик никогда не покинет ямку без придания ему дополнительного импульса, если у него недостаточно собственной энергии для того, чтобы выкатиться за борт.
А теперь представьте, что борта ямы возвышаются над поверхностью земли (наподобие лунных кратеров). Если шарику удастся перевалить за приподнятый борт такой ямы, он покатится дальше. Важно помнить, что в ньютоновском мире шарика и ямки сам факт, что, перевалив за борт ямки, шарик покатится дальше, не имеет смысла, если у шарика недостаточно кинетической энергии для достижения верхнего края. Если он не достигнет края, он из ямы просто не выберется и, соответственно, ни при каких условиях, ни с какой скоростью и никуда не покатится дальше, на какой бы высоте над поверхностью снаружи ни находился край борта.
В мире квантовой механики дело обстоит иначе. Представим себе, что в чем-то вроде такой ямы находится квантовая частица. В этом случае речь идет уже не о реальной физической яме, а об условной ситуации, когда частице требуется определенный запас энергии, необходимый для преодоления барьера, мешающего ей вырваться наружу из того, что физики условились называть «потенциальной ямой». У этой ямы есть и энергетической аналог борта — так называемый «потенциальный барьер». Так вот, если снаружи от потенциального барьера уровень напряженности энергетического поля ниже, чем энергия, которой обладает частица, у нее имеется шанс оказаться «за бортом», даже если реальной кинетической энергии этой частицы недостаточно, чтобы «перевалить» через край борта в ньютоновском понимании. Этот механизм прохождения частицы через потенциальный барьер и назвали квантовым туннельным эффектом.
Работает он так: в квантовой механике частица описывается через волновую функцию, которая связана с вероятностью местонахождения частицы в данном месте в данный момент времени.


Пример образа атомной структуры, полученного при помощи электронного микроскопа, использующего квантовый туннельный эффект. Атомы золота (желтые, красные и коричневые) в три слоя на графитовой подложке

Если частица сталкивается с потенциальным барьером, уравнение гпрЁдннгЕРА позволяет рассчитать вероятность проникновения частицы через него, поскольку волновая функция не просто энергетически поглощается барьером, но очень быстро гасится — по экспоненте. Иными словами, потенциальный барьер в мире квантовой механики размыт. Он, конечно, препятствует движению частицы, но не является твердой, непроницаемой границей, как это имеет место в классической механике Ньютона.
Если барьер достаточно низок или если суммарная энергия частицы близка к пороговой, волновая функция, хотя и убывает стремительно при приближении частицы к краю барьера, оставляет ей шанс преодолеть его. То есть имеется определенная вероятность, что частица будет обнаружена по другую сторону потенциального барьера — в мире механики Ньютона это было бы невозможно. А раз уж частица перевалила через край барьера (пусть он имеет форму лунного кратера), она свободно покатится вниз по его внешнему склону прочь от ямы, из которой выбралась.
Квантовый туннельный переход можно рассматривать как своего рода «утечку» или «просачивание» частицы через потенциальный барьер, после чего частица движется прочь от барьера. В природе достаточно примеров такого рода явлений, равно как и в современных технологиях. Возьмем типичный РАДИОАКТИВНЫЙ распад: тяжелое ядро излучает альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов. С одной стороны, можно представить себе этот процесс таким образом, что тяжелое ядро удерживает внутри себя альфа-частицу посредством сил внутриядерной связи, подобно тому как шарик удерживался в ямке в нашем примере. Однако даже если у альфа-частицы недостаточно свободной энергии для преодоления барьера внутриядерных связей, все равно имеется вероятность ее отрыва от ядра. И, наблюдая спонтанное альфа-излучение, мы получаем экспериментальное подтверждение реальности туннельного эффекта.
Другой важный пример туннельного эффекта — процесс термоядерного синтеза, питающий энергией звезды (см. эволюция звезд). Один из этапов термоядерного синтеза — столкновение двух ядер дейтерия (по одному протону и одному нейтрону в каждом), в результате чего образуется ядро гелия-3 (два протона и один нейтрон) и испускается один нейтрон. Согласно закону кулона, между двумя частицами с одинаковым зарядом (в данном случае протонами, входящими в состав ядер дейтерия) действует мощнейшая сила взаимного отталкивания — то есть налицо мощнейший потенциальный барьер. В мире по Ньютону ядра дейтерия попросту не могли бы сблизиться на достаточное расстояние и синтезировать ядро гелия.

Однако в недрах звезд температура и давление столь высоки, что энергия ядер приближается к порогу их синтеза (в нашем смысле, ядра находятся почти на краю барьера), в результате чего начинает действовать туннельный эффект, происходит термоядерный синтез — и звезды светят.
Наконец, туннельный эффект уже на практике применяется в технологии электронных микроскопов. Действие этого инструмента основано на том, что металлическое острие щупа приближается к исследуемой поверхности на сверхмалое расстояние. При этом потенциальный барьер не дает электронам из атомов металла перетечь на исследуемую поверхность. При перемещении щупа на предельно близком расстоянии вдоль исследуемой поверхности он как бы перебирает атом за атомом. Когда щуп оказывается в непосредственной близости от атомов, барьер ниже, чем когда щуп проходит в промежутках между ними. Соответственно, когда прибор «нащупывает» атом, ток возрастает за счет усиления утечки электронов в результате туннельного эффекта, а в промежутках между атомами ток падает. Это позволяет подробнейшим образом исследовать атомные структуры поверхностей, буквально «картографируя» их. Кстати, электронные микроскопы как раз и дают окончательное подтверждение атомарной теории строения материи.

Кварки и восьмеричный путь
1897
Все частицы в составе атомного ядра состоят из еще более фундаментальных частиц — кварков

элЕМЕНТАРНЫЕ
ЧАСТИЦЫ

1961 ^ КВАРКИ

1961
И ВОСЬМЕРИЧНЫЙ ПУТЬ
СТАНДАРТНАя
1972
МОДЕЛЬ

КВАНТОВАя ХРОМОДИНАМИКА

Схематическое изображение одной из восьмеричных групп адронов. В нижнем ряду — два кси-гиперона (отрицательно и положительно заряженные); в среднем ряду — три сигма-гиперона и парный нейтральному сигма-гиперону лямбда-гиперон; в верхнем ряду — нейтрон и протон. Интересно, что по своим свойствам гиперон лямбда ноль Л° ничем не отличается от гиперона сигма ноль Е°, однако это разные частицы: они являются зеркальным отражением друг друга с точки зрения их структурного строения

На протяжении двух последних веков ученые, интересующиеся строением вселенной, искали базовые строительные блоки, из которых состоит материя, — самые простые и неделимые составляющие материального мира. атомная теория объяснила все многообразие химических веществ, постулировав существование ограниченного набора атомов так называемых химических элементов, объяснив природу всех остальных веществ через различные их сочетания. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к простоте и упорядоченности на элементарном уровне.
Но простая картина атомного строения вещества вскоре столкнулась с серьезными проблемами. Прежде всего, по мере открытия все новых и новых химических элементов стали обнаруживаться странные закономерности в их поведении, которые, правда, удалось прояснить благодаря вводу в научный обиход периодической системы Менделеева. Однако представления о строении материи все равно сильно усложнились.
В начале XX столетия стало ясно, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще более элементарных частиц — нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующем уровне детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать все новые и новые элементарные частицы . Труднее всего было разобраться с многочисленными адронами — тяжелыми частицами, родственными нейтрону и протону, которые, как оказалось, во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных процессов.
Более того, в поведении различных адронов были обнаружены необъяснимые закономерности — и из них у физиков стало складываться некое подобие периодической таблицы. Использовав математический аппарат так называемой теории групп, физикам удалось объединить адроны в группы по восемь — два типа частиц в центре и шесть в вершинах правильного шестиугольника. При этом частицы из каждой восьмеричной группы, располагающиеся
на одном и том же месте
О Протон
Нейтрон О
л°Ое°
ГО
О
О.
в таком графическом представлении, обладают рядом общих свойств, подобно тому как схожие свойства демонстрируют химические элементы из одного столбца таблицы Менделеева, а частицы, расположенные по горизонтальным линиям в каждом шестиугольнике, обладают

Шесть типов кварков и их заряд (измеренный в зарядах электрона). Кроме того, у каждого кварка есть своя собс-твеная античастица

Кварк Заряди или р (верхний или протонный)+2/3йштп (нижний или нейтронный)-1/3с (очарованный)+2/3з (странный)-1/3Ь (красивый)+2/31 (истинный)-1/3
приблизительно равной массой, но отличаются электрическими зарядами (см. рисунок). Такая классификация получила название восьмеричный путь (в честь одноименной доктрины в буддистской теологии). В начале 1960-х годов теоретики поняли, что такую закономерность можно объяснить лишь тем, что элементарные частицы на самом деле таковыми не являются, а сами состоят из еще более фундаментальных структурных единиц.
Эти структурные единицы назвали кварками (слово позаимствовано из замысловатого романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»). Эти новые обитатели микромира оказались существами весьма странными. Для начала, они обладают дробным электрическим зарядом: 1/3 или 2/3 заряда электрона или протона (см. таблицу). А далее по мере развития теории выяснилось, что отдельно их не увидишь, поскольку они вообще не могут пребывать в свободном, не связанном друг с другом внутри элементарных частиц состоянии, и о самом факте их существования можно судить только по свойствам, проявляемым адронами, в состав которых они входят. Чтобы лучше понять этот феномен, получивший название пленение или заточение кварков, представьте, что у вас в руках длинный эластичный шнур, каждый конец которого представляет собой кварк. Если приложить к такой системе достаточно энергии — растянуть и порвать шнур, то он порвется где-то посередине, и свободного конца вы не получите, а получите два резиновых шнура покороче, и у каждого из них опять окажется два конца. То же и с кварками: какими бы энергиями мы ни воздействовали на элементарные частицы, стремясь «выбить» из них кварки, нам этого не удастся — частицы будут распадаться на другие частицы, сливаться, перестраиваться, но свободных кварков мы не получим.
Сегодня, согласно теории, предсказывается существование шести разновидностей кварков, и в лабораториях уже открыты элементарные частицы, содержащие все шесть типов. Самые распространенные кварки — верхний, или протонный (обозначается и — от английского up, или р — proton) и нижний, или нейтронный (обозначается d — от down, или п — от neutron), поскольку именно из них состоят единственные по-настоящему дол-гоживущие адроны — протон (uud) и нейтрон (udd). Следующий дублет включает странные кварки s (strange) и очарованные кварки с (charmed). Наконец, последний дублет состоит из красивых и истинных кварков — Ъ (от beauty, или bottom) и / (от truth, или top). Каждый из шести кварков, помимо электрического заряда, характеризуется изотопическим (условно направленным) спином. Наконец, каждый из кварков может принимать три значения квантового числа, которое называется его цветом (coor) и обладает ароматом (favor). Конечно же, кварки не пахнут и не имеют цвета в традиционном понимании, просто такое название сложилось исторически для обозначения их определенных свойств (см. квантовая хромодинамика).

стандартная модель останавливается на уровне кварков в детализации строения материи, из которой состоит наша Вселенная; кварки — самое фундаментальное и элементарное в ее структуре. Однако некоторые физики-теоретики полагают, что «луковицу можно лущить и дальше», но это уже чисто умозрительные построения. По моему личному мнению, стандартная модель правильно описывает строение вещества, и хотя бы в этом направлении наука дошла до логического завершения процесса познания.

МАРРИ ГЕЛЛ-МАНН (Murray GeMann, р. 1929) — американский физик. Родился в Нью-Йорке в семье иммигрантов из Австрии. Его книга «Восьмеричный путь» (Eightfod Way, 1964), написанная в соавторстве с Ювалем Неэманом (Yuva Ne'eman, 1925-2006) позволила систематизировать во множестве расплодившиеся элементарные частицы подобно тому, как предложенная
Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодическая таблица помогла в свое время упорядоченно классифицировать химические элементы. За эту работу и развитие теории кварков и субатомных взаимодействий Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии по физике за 1969 год. Позже Гелл-Манн занялся исследованием сложных
АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ.

Кислотный дождь
Серные и азотные соединения, содержащиеся в атмосфере, повышают кислотность дождя
1863

1852 • КИСЛОТНЫЙ ДОЖДЬ
1886

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ
1887

КРУГОВОРОТ АЗОТА В ПРИРОДЕ

КИСЛОТЫ и ОСНОВАНИЯ

КРУГОВОРОТ ВОДЫ
1985
В ПРИРОДЕ

ОЗОНОВАЯ ДЫРА

Как мы знаем еще из школьного курса химии, чистая вода состоит из молекул, содержащих два атома водорода и один атом кислорода. Однако в каждый момент времени некоторые из этих молекул диссоциируют на положительно заряженные ионы водорода (то есть протоны, H+) и отрицательно заряженные гидроксид-ионы (OH-); одновременно с этим какие-то соседние ионы H+ и OH- соединяются с образованием молекул воды. Таким образом, даже в самой чистой воде сохраняется динамический баланс, равновесие, с присутствием определенного количества ионов водорода (протонов). Эти протоны связаны с молекулами воды, образуя ионы гид-рония — три атома водорода и один атом кислорода. В чистой воде концентрация ионов гидрония составляет 10-7 молей (см. закон авогадро) на литр.
Для оценки количества ионов водорода в воде химики используют понятие водородного показателя pH (сокр. от англ. «power of hydrogen» — «степень водорода»). Условились считать, что pH чистой воды равен 7. Такой водородный показатель соответствует химически нейтральной среде (см. кислоты и основания). С повышением концентрации ионов водорода pH понижается, и такие жидкости уже называются кислотами. Благодаря избыточному содержанию ионов водорода кислоты активно реагируют с другими веществами.
Термин «кислотный дождь» появился в середине XIX века, когда британские ученые заметили, что загрязнение воздуха в про-мышленно развитой центральной Англии привело к выпадению более кислых, чем обычно, дождей. Но только во второй половине XX века стало понятно, что кислотные дожди несут в себе угрозу окружающей среде.
Надо сказать, что обычный дождь является кислым сам по себе, даже в отсутствие заводов. Это происходит из-за того, что в процессе формирования и выпадения дождевые капли растворяют находящийся в воздухе углекислый газ и реагируют с ним с образованием угольной кислоты (H2CO3). Чистый дождь, проходящий через незагрязненный воздух, представляет собой водный раствор с pH 5,6 (к моменту удара о землю). Как мы увидим дальше, основная причина выпадения кислотных дождей — это деятельность человека, однако есть и естественные причины, начиная с извержения вулканов и разряда молнии и кончая жизнедеятельностью бактерий. В общем, даже если бы мы закрыли все фабрики и перестали ездить на машинах и грузовиках, значение pH дождя все равно было бы примерно 5,0. Поэтому сейчас принято считать дождь кислотным, если его pH ниже 5,0.
В современном промышленном мире избыточная кислотность дождя обусловлена в основном присутствием двух веществ:
— Оксиды серы. Эти соединения попадают в атмосферу естественным путем при извержениях вулканов, но значительная часть атмосферных оксидов серы образуется в результате сжигания природного топлива. Уголь и нефть

содержат небольшое количество серы. При сжигании этих видов топлива в атмосферу попадает сера в соединении с кислородом. Растворяясь в дождевых каплях, оксид серы образует серную кислоту. — Оксиды азота. При достаточно высокой температуре содержащийся в воздухе азот соединяется с кислородом с образованием оксида азота. В природе это может произойти во время разряда молнии, но основная часть оксидов образуется при сжигании бензина в двигателях внутреннего сгорания (например, в автомобилях) или при сжигании угля. При растворении этих веществ в капельках воды образуется азотная кислота.
Таким образом, дожди становятся кислотными при вымывании из воздуха серных и азотных соединений. Это явление имеет несколько последствий, губительных для природы. Например, многие исторические здания в Европе построены из известняка — строительного материала, реагирующего с кислотой. С течением времени кислотные дожди буквально разъедают поверхность этих зданий. При выпадении кислотных дождей также происходит закисление почвы и ухудшаются условия существования лесов. Некоторое время думали, что массовое отмирание верхушек деревьев в лесах на востоке США и в Германии обусловлено кислотными дождями, но теперь эта точка зрения не поддерживается. (Действительно, леса гибнут, но связано это с другими причинами.) И наконец, кислотные дожди повышают кислотность рек и озер, тем самым создавая угрозу флоре и фауне.
Методы борьбы с образованием кислотных дождей направлены на улучшение технологии удаления соединений серы из воздушных выбросов промышленных предприятий и электростанций, для чего обычно используют устройство под названием скруббер. Правительства некоторых государств даже приняли законы, ограничивающие содержание загрязняющих веществ в выхлопах транспортных средств.

Кислоты и основания
Кислоту можно определить как вещество, высвобождающее в воде ион водорода, либо как вещество, которое может передавать протон, либо как вещество, способное присоединять электронную пару
Основание можно определить как вещество, высвобождающее в воде гидроксид-ион, либо как вещество, которое может принимать протон, либо как вещество, способное отдавать электронную пару

1683 • ФЛОГИСТОН

1852 • КИСЛОТНЫЙ ДОЖДЬ

1887 • КИСЛОТЫ
И ОСНОВАНИЯ

1930-е • ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ

Из нашего повседневного опыта мы знаем, что некоторые вещества обладают высококоррозионными свойствами. Например, если кислота из аккумулятора вашей машины попадет на одежду, она сразу же ее проест. Иногда мы используем аммиак и другие вещества для домашней уборки. Эти коррозионные вещества известны химикам как кислоты и основания. На поверхностном уровне их различить совсем не сложно. Кислоты кислые на вкус и окрашивают лакмусовую бумажку в красный цвет, щелочи же мыльные на ощупь и окрашивают лакмусовую бумажку в синий цвет. Однако химики редко довольствуются такого рода феноменологическими определениями. Они ищут ответ на вопрос: «Что делает вещество кислотой или основанием на молекулярном уровне?» Вот уже больше века химики бьются над определением кислот и оснований.
Первая попытка определить понятие кислоты восходит к 1778 году. Антуан Лавуазье смог объяснить, что именно происходит при горении, опровергнув бытовавшую до того теорию о ологистонЕ. Содержащийся в воздухе газ, который соединяется с веществами, когда они горят, он назвал кислородом — от греческого «производящий кислоту», поскольку он считал (как потом оказалось, ошибочно), что все кислоты содержат кислород.

Определение Аррениуса
Современный подход к этой проблеме впервые сформулировал шведский химик Сванте Аррениус (8уайе Аггпегиш, 1859-1927). Его определение, выдвинутое в 1877 году, было очень простым: если некоторое вещество при растворении в воде высвобождает ион водорода (то есть протон, Н+), значит, это кислота. Если же при растворении в воде высвобождается гидроксид-ион (ОН-), то это основание. Согласно этому определению, аккумуляторная кислота, представляющая собой водный раствор серной кислоты (Н2804), является кислотой, потому что атомы водорода серной кислоты в растворе становятся ионами водорода. Соответственно, гидроксид натрия (№ОН) является основанием, так как в воде он высвобождает гидроксид-ион. Это определение объясняет, почему кислоты и основания нейтрализуют друг друга. Когда гидроксид-ион встречается с ионом водорода, они соединяются с образованием Н2О, обычной воды.
Между прочим, Аррениус активно участвовал в дискуссии о внеземном разуме (см. парадокс ферми). Он был сторонником теории панспермии — гипотезы о том, что жизнь с планеты на планету могут переносить микроорганизмы, перемещающиеся через космос, а значит, достаточно было жизни развиться лишь однажды, а не на каждой планете, где она есть. На смену этой гипотезе пришла теория направленной панспермии, в соответствии с которой где-то в Галактике существует цивилизация, которая рассылает зародыши жизни с целью заселения подходящих планет. Однако все эти теории только отодвигают решение проблемы

происхождения жизни, потому что все равно остается вопрос, как жизнь зародилась в самом первом месте.

Определение Брёнстеда—Лаури
Определение Аррениуса довольно точное, но область его применения ограниченна — оно годится только для водных растворов (веществ, растворенных в воде). Вот пример реакции, на которую не распространяется определение Аррениуса: если вы поместите рядом сосуды с соляной кислотой (HC) и аммиаком (NH3), вы увидите белый дымок над сосудами. Пары аммиака и соляной кислоты смешиваются в воздухе над сосудами, и происходит химическая реакция
NH + HC — NH 4C,
в которой кислота и основание соединяются с образованием хлорида аммония. Поскольку в этой реакции не участвует вода, определение Аррениуса здесь просто неприменимо.
В 1923 году датский химик Йоханнес Николаус Брёнстед (Johannes Nicoaus Bronsted, 1879-1947) и британский химик Томас Мартин Лаури (Thomas Martin Lowry, 1874-1936) предложили новое определение. В соответствии с ним кислота представляет собой молекулу или ион, способные отдавать протон (то есть ион водорода H+), а основание представляет собой молекулу или ион, способные принимать протон. Если рассматриваемая реакция протекает в водной среде, это определение по сути то же, что и определение, предложенное Аррениусом, однако оно распространяется также на реакции, протекающие в отсутствие воды, такие как образование хлорида аммония, описанное выше.

Определение Льюиса
Наконец, последнее обобщение сделало определение кислот и оснований не зависящим не только от присутствия воды, но и от образования протонов. Его выдвинул в 1923 году американский химик Гилберт Ньютон Льюис (Gibert Newton Lewis, 1875-1946). Это определение основано на том, каким способом образуются химические связи в химических реакциях между кислотами и основаниями, а не на том, присоединяются или отдаются протоны. По Льюису, кислота — это химическое соединение, способное принимать электронную пару с последующим образованием кова-лентной связи, а основание — это соединение, способное отдавать электронную пару.
Определение Льюиса включает в себя оба более ранних определения, а также объясняет те реакции, в которых не участвует водород. Например, когда диоксид серы реагирует с ионом кислорода с образованием серного ангидрида (эта реакция играет немаловажную роль в образовании кислотных дождей), ион

кислорода отдает два электрона для образования ковалентной связи — иными словами, ведет себя как основание, в то время как диоксид серы принимает электроны и, следовательно, ведет себя как кислота. Эта реакция, протекающая без протона и без воды, подходит под определение Льюиса, но не подходит ни под одно из предшествующих определений.

Показатель pH: измерение кислотности
Для водных растворов широко используется система определения концентрации кислоты или основания, которая лучше всего может быть объяснена в терминах теории Брёнстеда—Лаури. В чистой воде в каждый момент времени какие-то молекулы H2O диссоциируют на ионы водорода (H+) и гидроксид-ионы (OH-), и одновременно с этим какие-то соседние ионы H+ и OH- соединяются с образованием молекул воды. Таким образом, в воде всегда присутствуют ионы водорода (протоны). Молярная концентрация (см. закон авогадро) водорода в чистой воде составляет 10-7 моль на литр. Это означает, что одна молекула H2O из каждых 10 миллионов находится в форме ионов.
Условились считать, что водородный показатель pH (сокр. от англ. power of hydrogen — «степень водорода») чистой воды равен 7 — это математический показатель степени из выражения 10-7, взятый с положительным знаком. Мы можем повысить концентрацию ионов водорода в воде, добавив кислоту. Например, если мы добавим в чистую воду соляную кислоту (HC), концентрация ионов водорода возрастет. Если мы достигнем точки, в которой молярная концентрация составляет 10-1 моль на литр, мы получим примерное значение кислотности желудочного сока. pH этого раствора составит 1. Таким образом, pH ниже 7 характеризует кислоту, и чем меньше значение pH, тем сильнее кислота.
Подобным образом можно понизить концентрацию ионов водорода в чистой воде, добавив основание (ионы OH- основания будут реагировать с ионами H+ с образованием молекул воды). Так, у аммиака, применяемого в домашнем хозяйстве, молярная концентрация ионов водорода составляет всего 10-11 моль на литр, и, следовательно, pH равен 11. А поскольку pH больше 7, это основание.

Клеточная теория

1663, 1839
Все живые организмы состоят из одной или нескольких клеток;
химические реакции, происходящие в живых организмах, локализованы внутри клеток;
все клетки ведут начало от других клеток;
в клетках содержится наследственная информация, которая передается от одного поколения к следующему
КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Первым человеком, увидевшим клетки, был английский ученый Роберт Гук (известный нам благодаря закону гука). В 1663 году, пытаясь понять, почему пробковое дерево так хорошо плавает, Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного им микроскопа. Он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек, напомнивших ему монастырские кельи, и он назвал эти ячейки клетками (по-английски ce означает «келья, ячейка, клетка»). В 1674 году голландский мастер Антоний ван Левенгук (Anton van Leeuwenhoek, 1632-1723) с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» — движущиеся живые организмы. Таким образом, к началу XVIII века ученые уже знали, что в живых организмах есть клетки.
Однако лишь в 1838 году Маттиас Шлейден, посвятивший много лет жизни подробнейшему изучению растительных тканей, предположил, что все растения состоят из клеток. А год спустя Шлейден и Теодор Шванн высказали гипотезу, что клеточное строение имеют все живые организмы. Так была заложена основа современной клеточной теории. В 1858 году теорию дополнил немецкий патолог Рудольф Вирхов (Rudoph Virchow, 1821-1902). Ему принадлежит высказывание: «Там, где есть клетка, должна быть и предшествующая ей клетка». Иными словами, живое может возникнуть только от другого живого. Когда были переоткрыты законы менделя и ученые заинтересовались вопросами наследственности, клеточная теория была дополнена четвертым из перечисленных выше тезисов. Сегодня хорошо известно, что наследственный материал содержится в клеточной ДНК (см. центральная догма молекулярной биологии).

XIX-XX

XIX-XX

1859

1953

1958

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕРВНЫХ ИМПУЛЬСОВ
ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ ДНК
ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ
БИОЛОГИИ

МАТТИАС ЯКОБ ШЛЕЙДЕН (Matthias Jacob Scheiden, 1804-81) — немецкий ботаник, родился в Гамбурге в семье известного врача. Он учился на адвоката, но забросил юриспруденцию, чтобы изучать ботанику, и со временем стал профессором Йенского университета. В отличие от других ботаников, которые в то время ограничивались систематикой растений, основным инструментом Шлейдена при изучении роста и структуры растений был микроскоп.
ТЕОДОР ШВАНН
(Theodor Schwann, 181082) — немецкий физиолог, родился в Нёйсе. Он готовился стать священником, но вскоре увлекся медициной. Получив степень доктора медицины в Берлине, Шванн совершил ряд открытий в области биохимии. Позднее, уже будучи профессором Льежского университета, Шванн перешел на позиции религиозного мистицизма.

1960-е

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ

сер. 1960-х

ИММУННАЯ СИСТЕМА

1995

КЛОНИРОВАНИЕ

клонирование

1663, 1839
Можно получить потомство млекопитающих, генетически идентичное живым взрослым особям

1865

клеточная теория
1953
законы менделя
1958

днк

центральная догма
молекулярной
1960-е
биологии
1995

стволовые клетки

КЛОНИРОВАНИЕ

В 1996 году весь мир был взбудоражен новостью об овечке Долли. В результате экспериментов, выполненных под руководством Яна Уилмута, родилась овца, генетически идентичная взрослой овце. В норме (см. законы менделя) особь вырастает из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив половину генетического материала от одного родителя и вторую половину — от второго. При клонировании же генетический материал берут из клетки одной живущей особи. Делается это так: из одной оплодотворенной клетки (зиготы) удаляют ядро (в котором находится днк). Затем извлекают ядро из клетки взрослой особи этого же вида и имплантируют его в лишенную ядра зиготу. Это яйцо имплантируют в матку самки данного вида и дают ему возможность расти, пока не придет время родов.
Сенсационность клонирования, принесшая Яну Уилмуту и Долли мировую известность, заключается в характере изменений клеточной ДНК по мере развития эмбриона. В начале в зиготе «включены» все гены, другими словами, все они могут работать. Однако в определенные сроки клетки становятся специализированными — в них отключаются разные гены, и их эффект больше не проявляется (на языке генетиков это называется «они не могут экс-прессироваться»). Например, в каждой клетке вашего организма есть гены, отвечающие за синтез инсулина, но при этом инсулин вырабатывается только определенными участками поджелудочной железы. Во всех остальных клетках вашего тела (например, в клетках кожи, нервных клетках головного мозга) ген инсулина отключен.
Очевидно, что в ДНК, имплантированной в оплодотворенную яйцеклетку, какие-то гены уже отключены; какие именно и в какой последовательности — определяется тем, из какого органа взрослой особи была получена клетка. Оказывается, оплодотворенное яйцо — мы до конца не понимаем, как это происходит, — способно вновь установить часы клетки на 0, т.е. вновь включить все гены, благодаря чему становится возможным нормальное развитие эмбриона. В этом суть великого открытия Уилмута.
Не все попытки клонирования оказываются успешными. Одновременно с Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках, и лишь в одном случае выросло живое взрослое животное. После Долли были клонированы многие виды млекопитающих, назовем лишь некоторых — корова, мышь и свинья. Из яйцеклетки мыши получено несколько поколений клонированных животных — клоны, клоны из клонов, клоны из клонов и т.д.
Серьезнейшие разногласия вызвала возможность применения данной технологии к человеку. С одной стороны, новая технология несет ужасающую угрозу нравственности, поэтому клонирование человека надо запретить. С другой стороны, благодаря этой технологии много бесплодных супружеских пар получают шанс иметь

биологически родственных им детей, и, значит, по мнению многих, это вполне этично.
Пока споры продолжаются, обратим внимание на один важный аспект. С технической точки зрения клон, каким является Долли, всего лишь особь, ДНК которой идентична ДНК другой особи. Нам нередко приходится сталкиваться с особями, имеющими идентичную ДНК — мы называем их близнецами. Клон — это просто-напросто близнец, родившийся на несколько лет или десятилетий позже — «асинхронный близнец». Так же как нам никогда не пришло бы в голову ожидать, что один близнец может отдать другому свое сердце для пересадки, перспектива выращивания клонов для заготовки пересаживаемых органов — лишь страшный сон, который никогда не станет явью. Я на собственном опыте убедился, что стоит заменить слово «клон» на «близнец», как дебаты по клонированию человека утрачивают пафос.
Не могу поручиться, но думаю, что ближе к 2010 году клонирование будет считаться не более предосудительным, чем оплодотворение в пробирке или другие современные методы лечения бесплодия. Поскольку клонирование — довольно простая процедура, предусматривающая использование стандартных приемов, я ожидаю в скором времени появления клонированных людей (если только это уже не произошло к тому моменту, когда вы читаете эти строки).

ЯН УИЛМУТ (Ian Wimut, р. 1944) — шотландский эмбриолог, родился в английском городке Хэмптон-Люси. В 1971 году окончил Ноттин-гемский университет, а в 1974 году получил докторскую степень за разработку методов замораживания свиной спермы. В том же году перешел в Институт Рослина рядом с Эдинбургом, где продолжает заниматься генетической инженерией
домашнего скота. Уилмут установил причины внутриутробной смерти овец и свиней, связанные с нарушением развития и физиологией, затем начал исследовать методы улучшения поголовья домашнего скота. В связи с полемикой по поводу клонированных животных Уилмут заметил: «Я не провожу бессонных ночей. Я верю в высокую нравственность нашего вида».



Космический треугольник
Распределение совокупной массы и энергии Вселенной по трем независимым пространственным измерениям неизбежно приводит к тому, что большая часть материи Вселенной остается невидимой для нас в силу особенностей ее структурного строения

1917 ^ космологическая постоянная

1933 ^ темная материя

1948 ^ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

1990-е ^ КОСМИЧЕСКИЙ ТРЕУГОЛЬНИК

Со времени доказательства существования темной материи мы знаем, что большая часть вещества Вселенной для нас невидима, и о самом существовании скрытой материи мы можем судить лишь по неизбежным гравитационным проявлениям ее присутствия. Один из таких эффектов — расширение Вселенной (см. большой взрыв, закон хаббла): скорость расширения зависит от плотности вещества в ней. До недавних пор у астрофизиков было единственное средство для оценки плотности материи (как видимой, так и скрытой) во Вселенной — посредством прямого измерения скорости разбегания галактик с последующими весьма приблизительными расчетами нынешней плотности вещества во Вселенной по ее предполагаемой исходной массе, поделенной на пространственный объем, который успело занять разбегающееся вещество с момента Большого взрыва. Традиционно речь шла о выборе между двумя моделями замкнутой Вселенной, в которой достаточно материи, чтобы со временем расширение сменилось сжатием, или открытой Вселенной, которая так и будет расширяться до бесконечности.
В конце 1990-х годов астрофизикам удалось связать воедино три метода наблюдения за веществом Вселенной — три микроскопа, если хотите, позволяющих пристально рассматривать процессы в космических глубинах. Одни из этих методов были совершенно новыми, другие — усовершенствованными старыми. Главное, что каждый из трех методов позволяет дать достаточно полную картину строения Вселенной и определить собственные пределы допустимого. и вот что поразительно: все три метода дали картину совершенно неожиданную: никто и представить не мог, что Вселенная ведет себя именно таким образом.
Первый «микроскоп» измеряет рентгеновские излучения межгалактического газа в скоплениях галактик. идея такова, что, чем массивнее скопление, тем больше межгалактического газа оно «засасывает» и тем горячее будет этот газ. Поскольку основная масса вещества Вселенной (как видимого, так и скрытого) сосредоточена именно в галактических скоплениях, такая техника позволяет оценить общую плотность материи во Вселенной. Результаты таких оценок показали: совокупная масса вселенской материи составляет порядка 20-30% от массы, необходимой для перехода Вселенной от расширения к сжатию. То есть, по этим оценкам, мы живем в открытой Вселенной.
Вторым «микроскопом» стали тщательные измерения реликтового микроволнового фона (см. большой взрыв). Полная однородность и изотропность этого фона указывают, что Вселенная является совершенно «плоской» в геометрическом понимании, хотя данные исследования рентгеновских лучей, казалось бы, показывают, что массы вселенской материи недостаточно, чтобы «расплющить» пространство до совершенно плоского состояния. иными словами, два первых «микроскопа» показывают прямо противоположные результаты (если не предположить, что кроме

видимой и скрытой материи во Вселенной не существуют и еще какие-то формы материи), а из этого следует одно из двух: либо нам открывается неполная картина явлений во вселенском масштабе, либо в корне неверны наши основополагающие гипотезы и теории.
И наконец, самый новый «микроскоп» — метод прямого измерения скорости расширения Вселенной. Идея такова: изучая излучение галактики, удаленной от нас на расстояние в 10 миллиардов световых лет, мы видим Вселенную такой, какой она была за 10 миллиардов лет до нас. В частности, мы видим, с какой скоростью она в то время расширялась. Сравнив эту скорость с текущей скоростью расширения Вселенной, мы можем определить, насколько снизилась скорость расширения за прошедшие 10 миллиардов лет и по этому показателю рассчитать совокупную массу материи во Вселенной.
Астрономы долго боролись с т. н. параметром замедления, не зная которого, невозможно определить истинное расстояние до удаленного космического объекта, каковым является соседняя галактика. И тут подоспел на помощь новый инструмент измерения. Имеется несколько типов сверхновых звезд (сверхмощных вспышек при смерти массивной звезды; см. эволюция звезд). Один из типов вспышки сверхновой называется сверхновая типа Ы — такая вспышка происходит в двойных звездных системах, где одна из звезд представляет собой белый карлик и «перетягивает» на себя вещество второй, горячей звезды. После накопления на поверхности белого карлика критической массы «ворованного» вещества запускается цепная реакция термоядерного синтеза, и весь этот наносной слой взрывается наподобие гигантской водо
Упрощенная схема космического треугольника, на которой отражены три области допустимых состояний Вселенной

родной бомбы. Поскольку критическая масса и мощность такого ядерного взрыва поверхности любой сверхновой типа 1а не отличаются друг от друга, яркость любой сверхновой типа 1а практически неизменна, это и есть ключ к работе третьего «микроскопа». Отыскав в далекой галактике сверхновую типа 1а и сравнив наблю
даемую яркость вспышки с расчетной, астрофизики могут определить реальное расстояние до галактики.
ркисть вспышек т-. и
Вселенная состоит лишь из видимой
И тут результаты получились просто ошеломляющие: расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется! Это явление вообще невозможно объяснить, оставаясь в рамках предположения, что
и скрытой материи, поскольку в этом случае ее гравитационное притяжение неизбежно должно приводить к замедлению темпов разбегания галактик. Единственно возможное объяснение — во Вселенной существует нечто, какая

то субстанция бытия, до сих пор выходившая за пределы понимания бледной в своей традиционности научной мысли. Это своего рода антигравитация — сила взаимного отталкивания материи, действующая на космических расстояниях (и действие ее усиливается с ростом расстояния, чем это поле принципиально отличается от всех других силовых полей, начиная с обычного гравитационного, которые убывают с расстоянием). Астрофизики условились обозначать природу этой непостижимой пока силы термином темная энергия. Лично мне это название нравится, поскольку мы пока что ничего не знаем о происхождении этого явления.
итак, три описанных микроскопа дают нам такую картину устройства Вселенной, из которой следует, что обычного вещества во Вселенной недостаточно, чтобы до конца «распрямить» ее в пространстве, однако этот дефицит с запасом покрывается темной энергией непонятной нам природы, под воздействием которой Вселенная расширяется ускоряющимися темпами, и будет расширяться до бесконечности, невзирая на то, что геометрия Вселенной уже в целом выпрямилась. Если взглянуть на вещи именно так, кажущаяся противоречивость картины, которую мы наблюдаем посредством трех вышеописанных «микроскопов», устраняется, и мы видим перед собой то, что принято называть космическим треугольником, схематическое представление которого представлено на рисунке. Внутри треугольника разной штриховкой заполнены «теоретически» допустимые области согласно результатам наблюдений через каждый из трех «микроскопов», а реальная Вселенная находится в точке взаимного пересечения всех трех областей. из диаграммы видно, что около одной трети энергии Вселенной пребывает в материальном состоянии (в форме наблюдаемой и скрытой материи), а около двух третей — в форме темной энергии. И опять же мы видим, насколько мизерен по своим масштабам наш обыденный мир на фоне устройства Вселенной в целом.
Возможное (и самое распространенное среди астрофизиков) объяснение происхождения темной энергии состоит в том, что она — суть физическое проявление космологической постоянной, предложенной Альбертом Эйнштейном в начале XX века. Однако у гипотезы объяснения темной энергии физическим проявлением космологической константы сегодня имеются и противники. Ими выдвигается гипотеза о существовании квинтэссенции — неизвестной нам новой силы, свойства которой пока совершенно не изучены. Само ее название в переводе с греческого означает «пятый элемент» — в дополнение к четырем элементам или стихиям, из которых, по представлениям древнегреческих философов, состоял мир: земля, огонь, воздух и вода. Какая из двух гипотез в будущем подтвердится фактами, станет ясно лишь после того, как ученые разработают новые эксперименты и методы измерения.

Космологическая постоянная
Космологическая
постоянная,
если таковая
действительно
существует, могла
бы послужить
объяснением
наблюдаемому
расширению
Вселенной с
нарастающей
скоростью
расширения

1905, • ТЕОРИЯ

1917
1916 ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
1929

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ
1948

ЗАКОН ХАББЛА

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

1948 • ТЕОРИЯ
СТАЦИОНАРНОЙ ВСЕЛЕННОЙ

Постулируя общую теорию относительности Альберт Эйнштейн был уверен в стационарности Вселенной, то есть в том, что положение галактик относительно друг друга практически не меняется. Однако он не мог не заметить, что в силу действия закона всемирного тяготения ньютона Вселенная должна сжиматься, что противоречит здравому смыслу. Поэтому, чтобы уравновесить силы гравитации, ведущие Вселенную к неизбежному и скоропостижному коллапсу, Эйнштейну пришлось ввести в уравнения общей теории относительности дополнительное слагаемое — космологический член, своего рода антигравитационную поправку на необъяснимую силу отталкивания, буквально растаскивающую галактики и противодействующую силе их взаимного гравитационного притяжения. Эта сила, согласно Эйнштейну, возрастает с расстоянием с коэффициентом пропорциональности, равным так называемой космологической постоянной, которую ученый обозначил греческой прописной буквой Л (лямбда).
Противореча, на первый взгляд, критерию красоты теории, эта добавка оказалась неизбежной с точки зрения сохранения ее непротиворечивости. Однако после открытия явления расширения Вселенной (см. закон хаббла), Эйнштейн понял, что нужда в космологической постоянной отпала. Эйнштейн тут же исключил космологический член из своих уравнений и впоследствии неоднократно называл его первоначальное появление в них грубейшей из допущенных им за всю свою жизнь ошибок.
После этого почти до конца ХХ столетия космологическая постоянная впала в немилость в теоретической физике. Редкие смельчаки из числа физиков-теоретиков, пытавшихся хотя бы заикнуться об ее возвращении в модель устройства Вселенной для объяснения той или иной неразрешимой головоломки, немедленно подвергались жестокому высмеиванию со стороны коллег. А затем в конце 1990-х годов история физики приняла неожиданный поворот, и Л гордо вернулась на сцену и оказалась в центре всеобщего внимания.
Теория большого взрыва неизбежно подразумевает вопрос: и чем все это представление завершится? Либо разбегающиеся галактики в какой-то момент повернут вспять под воздействием сил гравитационного притяжения, и Вселенная сожмется обратно в точку в момент того, что иногда называют большой крах по аналогии с большим взрывом; либо Вселенная так и будет расширяться до бесконечности во тьму пространства, пока не обратится в рассеянный холодный прах в результате тепловой смерти. Казалось бы, третьего не дано. Как правоверные христиане не видят для себя после смерти иной альтернативы, кроме попадания в рай или ад, все космологи строили догадки исключительно на предмет того, какая из двух судеб предначертана Вселенной.
одним из методов получения ответа на этот вопрос явилось измерение скорости удаления галактик, отстоящих от Земли на самые большие расстояния — в миллиарды световых лет. Пос
кольку свет от них шел до Земли миллиарды лет, по доплеровскому смещению в их спектрах мы можем вычислить, с какой скоростью они удалялись миллиарды лет назад. Сравнив эту скорость с современной скоростью разбегания ближайших галактик, мы узнаем, насколько силы гравитационного притяжения успели замедлить расширение Вселенной, а там, можно надеяться, и вычислим ее
судьбу.
Измерение скорости удаления галактик на сегодняшний день задача решаемая (см. эффект доплера) — достаточно измерить красное смещение в спектре излучения их звезд. Гораздо труднее

альберт Эйнштейн (Abert
Einstein, 1879-1955) — один из величайших физиков-теоретиков XX века. Родился в Ульме, Германия; жил и работал в Германии, Швейцарии и США. Сын владельца маленького электрохимического заводика в Мюнхене; в этом городе и началось его формальное образование. После того как семейный бизнес пришел в полный упадок, семья Эйнштейнов перебралась в Италию, а юный Альберт отправился в Цюрих (Швейцария), где и продолжил формальное образование. (Тут самое время развенчать устойчивый миф о том, что в юности Эйнштейн был нерадивым студентом и даже получал двойки по математике. С учебой у Эйнштейна проблем не возникало, зато он имел массу дисциплинарных взысканий, однако проблемы с администрацией закостенелой в те годы германской системы образования возникали у многих студентов, отличавшихся свободомыслием.) В 1901 году Эйнштейн устроился на работу в Швейцарское патентное бюро в Берне и в том же году получил швейцарское гражданство по причине острого недовольства жестким и милитаризированным режимом, воцарившимся в Германии. За семь лет, проведенных на этой должности, он и внес свой основной вклад в науку, включая теоретическое объяснение фотоэлектрического эффекта и броуновского движения и специальную теорию относительности. В 1909 году, получив признание в академических кругах, стал профессором Цюрихского, затем Пражского университетов и, наконец, возглавил Институт физики им. Кайзера Вильгельма в Берлине. Ранний брак с однокурсницей Милевой Марич (Mieva Marie) сложился неудачно; в 1919 году Эйнштейн развелся со своей первой
женой и вскоре женился на своей кузине Эльзе.
В том же году к Эйнштейну пришла всемирная слава — замеры отклонения световых лучей при их прохождении в непосредственной близости от Солнца стали экспериментально подтверждать предсказания общей теории относительности. Однако, будучи пацифистом и сионистом по убеждениям, Эйнштейн находил политическую обстановку, складывающуюся в Германии, все более невыносимой. В 1933 году, с окончательным утверждением у власти Адольфа Гитлера, ученый покинул историческую родину и отправился в Принстон (США) для продолжения работы в Институте фундаментальных исследований (Princeton Institute for Advanced Study), а в 1940 году принял американское подданство. В годы Второй мировой войны направил президенту США Франклину Рузвельту письмо, в котором предупредил об опасности разработки атомного оружия, хотя и не ясно, не стало ли именно это письмо своеобразным катализатором, побудившим администрацию США к реализации программы скорейшего создания атомной бомбы. Как бы то ни было, после войны Эйнштейн выступал последовательным поборником мира во всем мире и уделял миротворческой деятельности немало времени.
Будучи непримиримым противником квантовой механики как таковой, Эйнштейн своим скептическим отношением к этой теории немало способствовал развитию и оттачиванию ее сторонниками, в частности его старым другом Нильсом Бором, своих идей. На склоне лет Эйнштейн безуспешно пытался связать воедино теорию гравитации с теориями других природных сил (см. УНИВЕР-САЛЬНЫЕ ТЕОРИИ).

измерить расстояние до этих галактик. Для этого астрономам нужна так называемая стандартная свеча — объект с заведомо известной исходной светимостью. Сравнив энергию доходящего до нас излучения с исходной энергией, испускаемой таким объектом в пространство по всем направлениям и рассеивающейся в нем, мы можем оценить расстояние до него.
В 1990-е годы астрофизикам удалось наконец найти подходящую стандартную свечу — на эту роль идеально подошли сверхновые типа 1а (см. космический треугольник). Использование этого метода дало, мягко выражаясь, озадачивающие результаты. Расширение Вселенной не просто не замедляется со временем — оно ускоряется! Судя по всему, имеется какая-то неизвестная нам сила, которая буквально растаскивает Вселенную на куски, — какая-то, по сути, антигравитация, причем настолько сильная, что она побеждает силу тяжести и под ее воздействием галактики разлетаются с неуклонно возрастающей скоростью. И стоило астрофизикам осознать этот факт, как им пришлось срочно реабилитировать опальную космологическую постоянную Л. Вся космологическая теория была еще раз поставлена с ног на голову, и теперь физики-теоретики бьются над тем, как вернуть «грубейшую ошибку» Эйнштейна на законное место в своих теориях. Другой вопрос, навсегда ли космологическая постоянная возвращается в теоретическую физику.

Коэволюция
Эволюция одного организма может зависеть от эволюции другого

1859 ^ ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

1934 ^ ПРИНЦИП
1964
КОНКУРЕНТНОГО ИСКЛЮЧЕНИЯ

коэволюция

Согласно теории эволюции, с течением времени живые существа видоизменяются под воздействием внешней среды. Обычно под факторами естественного отбора понимают, например, климат, обеспеченность пищей или доступность воды. Однако понятие «внешняя среда» может включать в себя и другие живые существа. Изменения в одном организме могут приводить к изменениям в другом; эти изменения, в свою очередь, вызывают изменения в первом организме и так далее. Такой «вальс организмов» во времени называется коэволюцией.
Например, у растения может образоваться жесткий покров на листьях, чтобы его не смогли съесть насекомые. В ответ у одного из насекомых, питающихся этим растением, могут так развиться части ротового аппарата, чтобы преодолеть это защитное приспособление растения. Растение может затем создать еще более мощную защиту (колючки, например), чтобы не подпускать насекомое, а насекомое опять может выработать средства противодействия этой новой оборонной стратегии. Здесь растение и насекомое реагируют не на изменения среды обитания, а на мутации агрессора и источника пищи.
Коэволюция иногда может приводить к поразительным результатам — результатам, которые часто ставили в тупик биологов-эволюционистов. Например, у некоторых видов насекомых ротовой аппарат настолько узко приспособлен, что они могут добывать нектар только из цветков одного-единственного вида растений. В свою очередь, цветки этого растения могут опылять (то есть переносить пыльцу с одного цветка на другой) только насекомые данного вида. Можно сказать, что эти два вида коэво-люционировали во что-то третье, что пока еще не является единым организмом, но уже и не может считаться двумя независимыми организмами.
Подобные системы иногда ошибочно приводят в пример как свидетельство против теории эволюции — якобы их существование доказывает, что какие-то виды создавались с заранее определенной узкой направленностью. Однако, как мы видим, появление таких «сверхъестественных» союзов нетрудно объяснить законами естественного отбора.

Критерий красоты
Существуют не только прагматические, но и эстетические критерии оценки научных теорий...

...иными словами, к научной теории можно подходить не только как к инструменту для объяснения явлений природы, но и как к произведению искусства. Эта мысль вряд ли удивит кого-нибудь из ученых — каждый из них за время своей работы не раз сталкивался с подобными рассуждениями, а иногда и сам принимал в них участие. Зато широкую публику тот факт, что ученые не безнадежные практики и рационалисты, какими их принято изображать, а такие же, как и все, ценители красоты и изящества, может даже шокировать.
Существует множество примеров того, как этот критерий работает в науке. Так, общая теория относительности благодаря своему изяществу была почти сразу принята учеными, хотя потребовались десятилетия, чтобы экспериментально подтвердить ее предсказания. Этот пример показывает — я хочу это специально подчеркнуть, — что, хотя красота и изящество и могут склонить ученых в пользу той или иной теории, они все же не могут изменить экспериментальные данные на противоположные. Если бы теория относительности не нашла экспериментального подтверждения, ее бы изменили или отвергли, несмотря на всю ее красоту. Таким образом, критерий красоты может повышать или понижать вес той или иной теории, но не является сам по себе решающим фактором в принятии этой теории.
Однако критерий красоты — вещь довольно расплывчатая и субъективная. Он определен не так четко, как другие понятия, которые мы используем в этой книге. Например, нет ясного толкования слова «красота» в контексте научных теорий. Тем не менее существуют некоторые общепринятые положения. Например, чем универсальнее теория, тем больше шансов, что она будет признана красивой. Чем менее случайные и наскоро сколоченные данные использовались при построении теории, тем меньше шансов, что ее сочтут просто подогнанной под конкретный набор фактов, и тем более изящной покажется эта теория. И конечно же, не последнюю роль в признании теории изящной играет ее простота (см. бритва оккама). Надо думать, что хотя бы в отношении этих трех положений среди ученых существует определенное единодушие.
Естественно, возникает вопрос: можно ли сформулировать критерий научной красоты — более объективный, чем тот, который мы применяем, скажем, в живописи или в музыке? Когда я читаю чужие рассуждения о научной красоте, я часто ловлю себя на том, что не согласен с автором в его оценке той или иной научной идеи. Например, некоторые находят идею плоской Вселенной — где пространство-время выглядят координатной сеткой на поверхности стола — красивой. Мне же эта идея не кажется ни красивой, ни безобразной. Другие считают, что Вселенная, в которой ускорение вызывает космологическая постоянная, прекрасна, однако мой друг Роки Колб, известный астрофизик, находит такую Вселенную «невыразимо уродливой». В науке, как и в искусстве, у каждого свое представление о красоте.
Критерий Лоусона
Чтобы
термоядерный синтез стал источником энергии, произведение плотности частиц и времени их удержания на предельно близком расстоянии друг от друга должно превышать определенную величину

1905, • ТЕОРИЯ
1916 ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1917, • ЯДЕРНЫЙ РАСПАД 1934 И СИНТЕЗ

ок. 1930 • АНТИЧАСТИЦЫ

1957 • Критерий лоусОНА

В принципе, термоядерный синтез — реакция, при которой из ядер легких химических элементов образуются более тяжелые (см.
ядерный распад и синтез), может послужить для человечества источником энергии. При некоторых реакциях масса получающихся ядер (плюс масса образующихся в качестве побочного продукта элементарных частиц) меньше массы исходных ядер, участвующих в реакции, а избыток массы преобразуется в энергию в точном соответствии с хорошо известной формулой Эйнштейна Е = тс2.
Основным источником энергии звезд служит термоядерный синтез гелия из ядер водорода—протонов (см. эволюция звезд). Эта реакция происходит в три этапа; на первом из обычного водорода образуется дейтерий (тяжелый изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона) — происходит это в результате столкновения двух протонов. Попытки воспроизвести управляемый синтез водорода — простейшую из термоядерных реакций — находятся в центре пристального внимания физиков-ядерщиков начиная с середины ХХ века. Мотивация тут проста: запасы дейтерия в мировом океане практически неограниченны, и он может стать буквально неисчерпаемым источником энергии для человечества на многие века но лишь при условии, что удастся заставить ядра дейтерия вступить между собой в реакцию синтеза.
Попытки поставить ядерный синтез на службу человечеству в качестве источника энергии идут в обход первичного этапа термоядерного синтеза, который происходит в недрах звезд; ученые стремятся искусственно воспроизвести реакцию синтеза дейтерия (дейтерий обозначается символом 2Н) и трития (изотоп водорода с одним протоном и двумя нейтронами в ядре, обозначается 3Н). В результате должен получиться атом гелия, испуститься один нейтрон (п) и выделиться искомая энергия. Формула этой реакции такова:
3Н + 2Н — 4Не + п.
Для поддержания запасов трития его, в свою очередь, нужно «воспроизводить» путем улавливания тяжелым изотопом лития (1л) нейтронов, излучаемых в процессе реакции:
61л + п — 3Н + 4Не.
Основная проблема с получением управляемого термоядерного синтеза трития и дейтерия заключается в том, как разогнать два положительно заряженных ядра до нужной скорости и заставить их сблизиться на необходимое для начала реакции синтеза минимальное расстояние, преодолев силу электростатического отталкивания. На практике это означает, что смесь трития с дейтерием нужно разогреть до температуры в миллионы градусов, а такой температуры не выдержит никакая материальная оболочка (фактически, речь идет об удержании плазмы; см. агрегатные состо
яния вещества). Но, даже добившись столь высокой температуры (а современные технологии это позволяют), мы не будем иметь гарантию, что в результате реакции термоядерного синтеза будет получено больше энергии, чем затрачено нами на разогрев смеси и запуск реакции.
Критерий Лоусона как раз и определяет минимальную частоту реакций синтеза в секунду, необходимую для устойчивого поддержания реакции в материальной среде. Искусственного синтеза можно добиться либо за счет создания крайне высокой плотности взаимодействующих частиц (и, как следствие, повышения до нужного уровня вероятности их соударения) или за счет более длительного удержания частиц на предельно малом расстоянии друг от друга (давая тем самым частицам больше времени для вступления в реакцию). Получается, что для того, чтобы термоядерный синтез начал производить энергию, должно быть соблюдено условие:
Nt > около 1020,
где N — концентрация частиц (число частиц в кубометре объема), а t — время (в секундах). Это и есть критерий Лоусона, определяющий условия начала управляемой реакции термоядерного синтеза. Его смысл в том, что по достижении температуры запуска реакции необходим компромисс между концентрацией (или плотностью) частиц и временем их удержания в объеме, обеспечивающем эту плотность. Можно «разжечь» термоядерный синтез при меньшей концентрации частиц за счет более длительного удержания плазмы, а можно — при меньшем времени удержания плазмы за счет повышения плотности частиц в ней.
Соответственно, инженеры-ядерщики пытались добиться управляемого термоядерного синтеза двумя путями, используя два различных подхода к решению проблемы сжатия водорода, его разогрева до состояния плазмы и удержания в процессе реакции термоядерного синтеза. Эти подходы получили название, соответственно, «магнитная ловушка» и «инерциальная ловушка».
При использовании магнитной ловушки плазма удерживается сверхмощным магнитным полем. По мере повышения температуры силовые линии магнитного поля уплотняются, и горячая плазма стягивается от стен контейнера к его центру. Как только плотность и время удержания частиц достигнут порога, определяемого критерием Лоусона, запустится реакция термоядерного синтеза. В принципе, магнитные ловушки уже реализованы технически; в частности, условия, необходимые для запуска реакции управляемого термоядерного синтеза, достигнуты на установке «Торус» общеевропейского проекта JET (Joint European Torus) в Калхэме (Великобритания), однако по причине несовершенства и неэффективности оборудования затраты энергии на запуск реакции термоядерного синтеза по-прежнему превышают энергетическую отдачу от полученной реакции. (В отечественной прикладной науке описываемое

устройство принято называть токамак: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. — Прим. переводчика.)
Смысл инерциальной ловушки заключается в том, что капля глубоко охлажденной смеси трития и дейтерия помещается в стеклянную капсулу, а затем со всех сторон обстреливается мощными лазерными лучами. Внешний слой капли моментально испаряется, в результате чего на внутренние слои капли воздействуют сходящиеся ударные волны. Эти ударные волны сжимают и разогревают водород до температуры запуска реакции термоядерного синтеза. В настоящее время лазерная установка для возбуждения инерциальной реакции термоядерного синтеза строится на базе Ливерморской лаборатории (Livermore Laboratory) в Калифорнии. Ее запуск планируется на 2006 год, и каплю водорода там будут облучать 192 лазера с разовым энергетическим импульсом 1,8 мегаджоулей.

ДЖОН ДЭВИД ЛОУСОН (John David Lawson, р. 1923) — английский физик. Родился в Ковентри. В 1943 году окончил Кембриджский университет. До окончания войны занимался прикладными исследованиями в области разработки микроволновых антенн. В 1947 году влился в число сотрудников Британского научно-исследовательского института атомных исследований, занимался экспериментами
на ускорителе элементарных частиц первого поколения, а в 1957 году опубликовал статью, где впервые сформулировал критерий, который теперь носит его имя. В дальнейшем Лоусон занимался исследованиями прикладных проблем электромагнетизма, связанных с работой микроволновых ламп и ускорителей элементарных частиц, а также лучевыми исследованиями.

Критерий Рэлея
Два точечных источника света различимы в окуляре, если дифракционный максимум одного из них накладывается на дифракционный минимум другого

1807
1818
1896

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ДИФРАКЦИЯ КРИТЕРИЙ РЗЯЕЯ

Лорд Рэлей — один из ярких представителей поколения британских «ученых-джентльменов» Викторианской эпохи. Будучи всесторонне эрудированным естествоиспытателем, он отметился во многих отраслях науки, прославившись, прежде всего, открытием аргона. В то же время нельзя не отметить и его вклад в развитие различных разделов физики, в частности оптики. Изучая феномен рассеяния света, Рэлей сформулировал весьма важный критерий различимости источников света в оптических приборах, который теперь носит его имя.
Предположим, вы едете ночью по прямому неосвещенному шоссе. Навстречу вам едет другая машина с включенным дальним светом фар. Сначала вы видите вдали размытое световое пятно. Однако по мере ее приближения вы начинаете различать два отдельных источника света. Тут самое время вспомнить, что свет фар встречной машины вы наблюдаете через тонкий оптический прибор, коим является человеческий глаз: свет фар вы воспринимаете благодаря поступлению оптических лучей через линзу хрусталика на сетчатку глазного дна. Вопрос: как близко должна находиться встречная машина, чтобы мы начали воспринимать две фары по отдельности?
Согласно классической теории дифракции, луч света от удаленного источника, попадая в круглый окуляр, формирует изображение, состоящее из ряда светлых и темных концентрических полос вокруг яркой центральной точки, — так называемую дифракционную картину. Законы оптики говорят нам, что реальный источник света в нашем восприятии будет размыт, и такое размытие наблюдается в любом оптическом приборе. Если мы наблюдаем два близких источника света, их размытые образы накладываются один на другой. Рэлей как раз и показал, что если центральное световое пятно дифракционной картины одного источника света удалено от центрального светового пятна другого источника света на расстояние не менее радиуса первой темной дифракционной полосы, то мы начинаем воспринимать два источника света раздельно: это расстояние называется линейным разрешением оптического прибора. Если два источника света удалены друг от друга на расстояние й, расстояние от них до нас равно Б, длина световой волны равна X, а диаметр окуляра равен А, то, согласно критерию Рэлея, условием оптического разрешения двух источников в окуляре будет:
й/Б > 1,22Ш.
Иными словами, если точечные источники света разнесены на расстояние не меньше й, наблюдатель, находясь на удалении Б, сможет различить их в окуляре диаметром А как раздельные, в противном случае они сольются. Отношение й/Б представляет собой

угловую меру в радианах (для перевода в градусы нужно умножить ее на 57,3) между направлениями на два источника света. Критерий Рэлея, таким образом, устанавливает границы углового разрешения для любого оптического инструмента, будь то телескоп, фотоаппарат или человеческий глаз. (Коэффициент 1,22 определен математически и требует, чтобы размер окуляра и длина световой волны были измерены в одних и тех же единицах.)
звука» (Theory of Sound) до сих пор остается настольной книгой инженеров-акустиков. В 1904 году Рэлей получил Нобелевскую премию за открытие аргона. До этого много лет посвятил проработке теории взаимодействия света с веществом. В частности, Рэлей открыл закономерность, согласно которой степень рассеяния света зависит от длины волны: чем короче длина волны, тем сильнее рассеяние, то есть синий свет рассеивается сильнее красного (этим, в частности, объясняется, почему небо
синее; СМ. ДИСПЕРСИЯ: АТОМНАЯ ТЕОРИЯ).
Согласно критерию Рэлея, оптическое разрешение человеческого глаза равняется 25 угловым секундам, а это меньше одной сотой градуса! Но это в идеале. На практике же даже самые зоркие люди способны различать источники света с разрешением от 3 до 5 угловых минут, то есть на порядок хуже. И виновата в этом сетчатка — ее строение не обеспечивает полного использования возможностей хрусталика. Таким образом, возвращаясь к исходному примеру, в идеале две фары на прямом шоссе можно было бы различить как два отдельных источника света с расстояния около 10 км. На практике же человеческий глаз начинает различать их лишь с расстояния около 1 км. Реальный водитель, скорее всего, будет просто ослеплен и постарается сосредоточиться на дороге, в результате чего воспримет свет двух встречных фар раздельно с еще меньшего расстояния.

ДЖОН УИЛЬЯМ ОТРЕТТ, БАРОН РЭЛЕЙ (РЕЙЛИ) III (John Wiiam Strutt, Third Baron Rayeigh, 1842-1919) — английский физик. Родился в Уитеме, графство Эссекс (Witham, Essex). Титул унаследовал в 1873 году после смерти отца. Долгую и разностороннюю научную карьеру начал в семейном поместье, занявшись всевозможными физическими и химическими экспериментами. Со временем стал профессором Кембриджского университета. Добился успеха в самых разных областях естествознания: фундаментальный теоретический труд Рэлея «Теория

Круговорот азота в природе
1783
Азот непрерывно циркулирует в земной биосфере под влиянием различных химических и нехимических процессов, причем в последнее время связанный азот попадает в атмосферу в основном благодаря деятельности человека

КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ

ЦИКЛ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
1886

КРУГОВОРОТ АЗОТА В ПРИРОДЕ

КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме (см. химические связи ), при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота N Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.
Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (№Н3) или ионов аммония (ЫН4+). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (М33-). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молек ул. После гибели организма азот возвращается в почву и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так


1979
ГИПОТЕЗА ГЕИ

Азот непрерывно циркулирует в земной биосфере по сети замкнутых взаимосвязанных путей. В настоящее время к природным процессам, в которых участвует азот, добавляется еще и извлечение его из атмосферы в целях производства минеральных удобрений

и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.
Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом — огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.
Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4-1015) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20-1012) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллиардов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллиардов тонн связанного азота только 4 миллиарда тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.
Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.
Некоторое количество азота переводится в связанное состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо чаще, чем вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.
Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота.

Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.
Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).
Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человечество стало иметь преобладающее влияние на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и последствия этого в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Эвтро-фикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.
Тем не менее приходится признать, что видоизменение круговорота азота — еще далеко не худшая проблема из тех, с которыми столкнулось человечество. В связи с этим можно привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, изучающего растения: «Мы движемся к зеленому и заросшему сорняками миру, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации».

Круговорот воды
в природе
Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом ее общее количество остается неизменным

1783 •КРУГОВОРОТУГЛЕРОДА В ПРИРОДЕкон. XVIII <циклПРЕОБРАЗОВАНИЯГОРНОЙ ПОРОДЫ1886 «КРУГОВОРОТ АЗОТАВ ПРИРОДЕ1890, <РАДИОМЕТРИЧЕСКОЕ1940-еДАТИРОВАНИЕкон. XIX <КРУГОВОРОТ водыВ ПРИРОДЕ1979 •ГИПОТЕЗА ГЕИ
Земля образовалась более четырех миллиардов лет назад. И любая первичная атмосфера, которая могла бы появиться в то время, была бы уничтожена потоками энергетических частиц от новорож-ненного Солнца. Ранняя Земля представляла собой горячий голый шар в космосе. В течение долгого времени, благодаря извержениям вулканов и другим геотермальным процессам, газы (в том числе и водяной пар) из недр Земли поступали в образующуюся атмосферу. С тех пор общее количество воды на поверхности планеты практически не изменилось. Однако в отдельно взятый момент воду можно обнаружить в различных местах в разных агрегатных состояниях. Процесс циклического перемещения воды в земной биосфере называется круговоротом воды в природе.
Представьте, что теплым летним днем вы лежите на морском берегу. Под действием солнечного тепла вода испаряется с поверхности океана, водяной пар поднимается в атмосферу, где из него образуются облака. В конце концов вода вернется на поверхность в виде осадков (дождя, снега или града) и начнется ее долгий путь обратно в море или озеро. Вода может течь по поверхности в руслах рек или просачиваться в подземные стоки. Оттуда воду могут добыть люди для собственных нужд. Если осадки в виде снега выпадают вблизи полюсов или в высоких горах, вода может оказаться в составе ледника или многолетнего (пакового) льда и оставаться в таком виде до начала таяния льдов. Но в конце концов судьба этой воды будет все та же: она попадет обратно в море, где, дождавшись солнечного тепла, вновь поднимется в атмосферу и начнется новый цикл.
Из того факта, что общее количество воды на Земле более или менее постоянно, следуют интересные выводы. Во время последнего ледникового периода большие водные запасы сконцентрировались в горах, в ледниковых шапках, спустившихся с полюсов, поэтому уровень воды в океанах был намного ниже, чем в настоящее время. Если бы мы жили 18 тысяч лет назад, мы могли бы прогуляться по суше от Англии до Европы или от Азии до Аляски, а западное побережье Англии тогда располагалось на 150 км западнее, чем сейчас.



круговорот углерода в природе

1779, 1905
Углерод непрерывно циркулирует в биосфере Земли под влиянием химических и прочих процессов

фотосинтез

1783
КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ

цикл
1863
преобразования горной породы
1886

парниковый эффект

круговорот азота в природе

радиометрическое датирование
1979
круговорот воды в природе

гипотеза геи

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.
Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (С02). рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:
углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве С02;
растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);
растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо, например, в уголь.
В случае же растворения исходной молекулы С02 в морской воде также возможно несколько вариантов:
углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);
углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне мирового океана и в конце концов превратится в известняк (см. цикл преобразования горной породы) или из отложений вновь перейдет в морскую воду.
Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы

дыхание

Атмосфера



дыхание

дыхание

при сжигании человеком ископаемого топлива. В связи с влиянием С02 на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.
Составной частью этих поисков является установление количества С02, находящегося в тканях растений (например, в только что посаженном лесу) — ученые называют это стоком углерода. Поскольку правительства разных стран пытаются достичь международного соглашения по ограничению выбросов С02, вопрос сбалансированного соотношения стоков и выбросов углерода в отдельных государствах стал главным яблоком раздора для промышленных стран. Однако ученые сомневаются, что накопление углекислого газа в атмосфере можно остановить одними лесопосадками.

Ламаркизм
Эволюция происходит путем наследования приобретенных признаков

1809 • лАМАркиЗМ

ок. 1850 • СОЦИАЛЬНЫЙ ДАРВИНИЗМ

1859 • ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

Еще до появления разработанной Чарлзом Дарвином теории эволюции путем естественного отбора многие ученые пытались объяснить разнообразие форм жизни на нашей планете. Самый вьщающийся из них — Жан-Батист Ламарк. Как и другие ученые XVIII века, он заметил, что чем старше пласты горных пород, тем более простые формы жизни они содержат, поэтому история живых существ отражает развитие от простых организмов к более
сложным (см. закон последовательности напластования
горных пород).
На основании этого Ламарк сделал вывод, что в природе имеет место эволюция (он употреблял термин «продвижение»). Он предположил, что эволюция происходит под влиянием двух факторов. Первый из них (и именно с ним ассоциируется имя Ламарка) связан с наследованием приобретенных признаков. По мнению Ламарка, если в течение жизни у какого-нибудь организма развились особенные способности, его потомство унаследует эти способности. К примеру, дети тяжелоатлетов должны были быть более мускулистыми, дети интеллигентов — более умными и так далее. В качестве иллюстрации своей теории Ламарк часто приводил в пример жирафа, шея которого удлинялась в течение многих поколений из-за того, что животные тянули ее, чтобы достать вкусные молодые листочки с верхних веток деревьев. Второй менее известный фактор по Ламарку — существование универсальной созидательной движущей силы, изначального стремления к совершенствованию, под воздействием которого происходит постепенное усложнение всех форм жизни.
Конечно, сегодня известно, что наследственность зависит от генов, закодированных в молекуле ДНК, и что эволюция происходит в результате естественного отбора этих генов. Если жизнь стала сложнее, то это произошло только из-за того, что сложные организмы успешнее используют окружающую среду и система воспроизводства у них продуктивнее. И нет никакого мистического «стремления к совершенствованию».

жан-батист пьер-антуан де моне, шевалье де ламарк
(Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevaier de Lamarck, 1744-1829) — французский естествоиспытатель. Родился в Базантене (Пикардия)и был одиннадцатым ребенком в семье наполовину обедневших дворян. Пошел добровольцем в армию и служил во время Семилетней войны в разных французских военных учреждениях в районе Средиземного моря. Во время поездок заинтересовался растениями, и эти исследования принесли ему первое признание французского научного сообщества. После увольнения из армии некоторое время работал в банке, был трижды женат, но оставался бедным. Интересы Ламарка были очень разнообразны: ботаника (до Французской революции он был смотрителем Королевского ботанического сада), беспозвоночные животные (именно он впервые ввел этот термин), химия, метеорология, геология и палеонтология, что в конце концов и привело его к созданию первой целостной теории эволюции, изложенной в книге Философия зоологии (1809).

Магнетизм

1600
Благодаря различию свойств на уровне атомно-молекулярного строения все вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на три класса — ферромагнетики, парамагнетики или диамагнетики
1820
магнетизм
1895

ЗАКОН АМПЕРА
1895

ЗАКОН КЮРИ
1931

ТОЧКА КЮРИ

МАГНИТНЫЕ МОНОПОЛИ

Согласно закону ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, все равно индуцирует. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.
Теперь мы подходим к главному. В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он в целом создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.
Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамаг-нетики. Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Ферромагнетики
Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются постоянные магниты. На самом

деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит — тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.

Парамагнетики
В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Диамагнетики
В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции фараде я, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего

движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.
В отношении магнитных свойств вещества важно усвоить, что они зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении вы получите лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Итак, магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но никак не от свойства заряженных частиц атомной структуры.

Магнитные монополи
В природе до сих пор не найдено изолированных магнитных зарядов. Поток магнитного поля, проходящий через замкнутую поверхность, равен нулю

1600 • МАГНЕТИЗМ

1813 ^ ТЕОРЕМА ГАУССА

1897 ^ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

1931 ^ магнитные монополи

У любого магнита есть два полюса — северный (отрицательный) и южный (положительный). Однако, если разрезать магнит пополам, вы не получите отдельно южный и отдельно северный полюс: вы получите два магнита половинного размера, и у каждого снова окажется два полюса, ориентированные так же, как и у исходного магнита. И сколько бы вы ни повторяли процесс такого деления магнитов, вы просто будете получать все больше и больше двухполюсных магнитиков или, выражаясь научным языком, магнитных диполей. Как бы вы ни изощрялись, однополярного магнита — положительного или отрицательного магнитного заряда, или монополя, — вы не получите. Иными словами, в природе магнитных монополей не существует.
Этот факт сразу же подчеркивает удивительную асимметрию между магнетизмом и электричеством. Согласно закону био — савара, магнитные поля возбуждаются при движении электрических зарядов, а первый из законов электромагнитной индукции фарадея показывает, что движение магнитов возбуждает электрические токи. однако носители электрических зарядов выделить можно — например, электроны несут отрицательный единичный заряд, а протоны — положительный. С магнитами же, судя по всему, дело обстоит иначе.
Ученые уже давно ведут теоретические дискуссии о том, существуют ли магнитные монополи, и пытаются обнаружить их экспериментально, однако до сих пор тщетно. Во многом эти усилия обусловлены критерием красоты теории. Для физиков-теоретиков Вселенная без магнитного монополя подобна прекрасной картине с зияющей дырой в холсте. В ранней вселенной должно было сформироваться великое множество магнитных монополей, однако при последующем стремительном расширении они оказались размазанными очень тонким слоем по холсту мироздания. Возможно, во всей видимой части Вселенной существуют считанные единицы магнитных монополей, хотя, рискну предположить, что их все-таки несколько больше, и рано или поздно они объявятся.
Если монополи будут открыты, придется пересмотреть формулировки некоторых законов, описывающих явления магнетизма, в частности теорему гаусса для магнитного поля. Представьте себе изолированный в пространстве магнитный монополь, окруженный замкнутой поверхностью произвольной конфигурации. В каждой точке поверхности будет наблюдаться магнитное поле, производимое монополем. Согласно закону Гаусса, суммарный магнитный поток, проходящий через такую замкнутую поверхность, должен равняться нулю, а в случае присутствия внутри нее магнитного монополя он будет, очевидно, отличен от нуля. То есть закон Гаусса не допускает существования магнитных монополей.
Закон Гаусса, собственно, и исходит из того, что магнитные поля производятся диполями, их силовые линии замыкаются и, как

следствие, проходят сквозь окружающую поверхность дважды — в ту и другую сторону. Поэтому суммарное поле и обнуляется. В случае же монополя, каковым, в частности, является электрический заряд, силовые линии не замыкаются сами на себя, и закон Гаусса не выполняется.
То есть, если допустить существование магнитного монополя, суммарный поток магнитного поля через поверхность не будет равен нулю, а будет пропорционален магнитному заряду и будут выполняться два закона Гаусса для электрического поля.

Максимальная устойчивая добыча
Существует максимальное число особей, которых можно удалить из данной популяции, не ставя ее под угрозу исчезновения

РАВНОВЕСИЕ В ПРИРОДЕ

1798 ^ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ РОСТ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СУКЦЕССИЯ
1950-е
1954
максимальная устойчивая
добыча
1967
ТЕОРИЯ РАВНОВЕСИЯ МАКАРТУРА-УИЛСОНА

ЗЕЛЕНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

Численность популяции живых существ, например рыб или дичи, не постоянна — она меняется в зависимости от условий внешней среды и плотности этой популяции. Стандартный метод представления этих изменений — так называемая кривая роста популяции — график, показывающий, как меняется чистый прирост популяции (число рождений минус число смертей) с изменением плотности популяции. При низкой плотности происходит небольшое увеличение численности («прирост») популяции, просто потому, что слишком мало особей, приносящих потомство. Однако при высокой плотности возникает острая конкуренция за ресурсы, и чистый прирост вновь снижается, поскольку высока смертность. Между этими двумя крайними значениями скорость роста популяции повышается до некоторого максимального значения, а затем с увеличением плотности падает.
Точка максимума на кривой роста популяции соответствует максимальному числу особей, которые могут добавиться к популяции в результате естественных процессов. Если из популяции удаляется большее число особей, популяция пойдет на убыль, и вид будет обречен на вымирание. Максимальное число особей, которое можно удалить из популяции без ущерба для нее, устанавливается как точка максимума на кривой роста популяции. Это число и называется максимальной устойчивой добычей (или оптимальной добычей). Оно имеет чрезвычайно важное значение в деле охраны и регулирования ресурсов дикой природы — например, это число используется для установки максимальных квот на добычу промысловой рыбы по всему миру, а также квот на отстрел дичи в сезон охоты.
Однако концепцию максимальной устойчивой добычи не всегда легко применить на практике. Во-первых, биологи не всегда имеют достаточно данных, чтобы точно определить кривую роста популяции. Во-вторых, предположение, что кривая роста популяции имеет только один максимум, может оказаться неверным, и это может серьезно запутать дело. Чтобы учесть эти моменты при установлении планов добычи, биологи обычно вводят поправочные коэффициенты запаса.

Массовые вымирания
Несколько событий в истории нашей планеты вызвали вымирание значительной части живших в то время видов
1666

1788
ЗАКОН ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НАПЛАСТОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

УНИФОРМИЗМ

РАДИОМЕТРИЧЕСКОЕ
ДАТИРОВАНИЕ
1940
МАССОВЫЕ ВЫМИРАНИЯ
ГИПОТЕЗА
СВЕРХМОЩНОГО
СТОЛКНОВЕНИЯ

ТЕКТОНИКА ПЛИТ

Долгое время палеонтологи пытались понять, почему же вымерли динозавры. Все-таки динозавры господствовали более 100 миллионов лет. Они были самой процветающим классом животных на нашей планете. А потом за какое-то время — может, за несколько тысяч лет, а может, за пару дней — они исчезли. Так что же случилось?
Предлагалось множество объяснений — от фантастических (динозавров истребили охотившиеся на них маленькие зеленые человечки на летающих тарелках) до весьма правдоподобных (изменение климата разрушило их экологическую нишу). Больше всего мне нравится объяснение, связывающее вымирание динозавров с появлением цветковых растений, произошедшим, как считается, 65 миллионов лет назад — как раз тогда, когда исчезли динозавры. Смысл в том, что до этого динозавры питались главным образом сосновыми иголками и подобной им пищей, насыщенной натуральными маслами, а когда им пришлось переключиться на траву, все они умерли от запора!
На самом деле палеонтологи редко фокусируют внимание на одном лишь вымирании динозавров — ведь 65 миллионов лет назад, когда динозавры были повержены в прах, вместе с ними исчезло 70% всех видов на Земле. Это событие, чем бы оно ни было вызвано, ученые называют массовым вымиранием. Мы знаем о многих таких событиях, и массовое вымирание, которое постигло динозавров, не было ни самым масштабным, ни самым последним из них. В зависимости от того, какое исчезновение видов называть «массовым», за последние 500 миллионов лет было от пяти до двенадцати массовых вымираний. Самое крупное произошло примерно 280 миллионов лет назад, а самое последнее — примерно 13 миллионов лет назад. Хотя некоторые ученые считают, что причина у всех массовых вымираний была одна и та же, объяснения сводятся в основном к изменению земного климата.
В 1980 году команда ученых из Калифорнийского университета в Беркли, состоящая из отца и сына, натолкнулась на факт, который привел к созданию лучшей на данный момент теории вымирания динозавров. Нобелевский лауреат Луис Альварес и его сын Уолтер провели тщательный анализ осадочных отложений, образование которых относится к тому же периоду, что и вымирание динозавров. В отложениях они обнаружили аномально высокую концентрацию химического элемента иридия — тяжелого металла, похожего на платину. Иридий крайне редко встречается на поверхности Земли, поскольку она в своем развитии уже давно прошла фазу расплавленного состояния, когда тяжелые металлы опускались ближе к центру Земли. Однако иридий в гораздо больших количествах содержится в некоторых типах астероидов. Итак, гипотеза, которую иногда называют гипотезой Альвареса, состояла в том, что иридий появился в осадочных отложениях в результате удара о Землю астероида диаметром около 11 км. Главным орудием убийства было облако пыли, которое несколько лет окуты
вало Землю, не пропуская солнечные лучи и губя таким образом все живое на планете.
Вначале ученые отнеслись к этому заявлению весьма скептически, даже враждебно. Но через несколько лет стали появляться свидетельства в его пользу. Например, геологи при изучении отложений, образовавшихся во время гипотетического удара, обнаружили так называемый ударный кварц — минерал, который мог сформироваться только при высоких температуре и давлении, вызванных ударом астероида. Понемногу мнения специалистов стали склоняться к гипотезе Альвареса. Позже, в 1992 году, была найдено первое доказательство — кратер диаметром более 170 км на полуострове Юкатан в Мексике, большей частью похороненный под донными океанскими отложениями. Кратер Чиксулуб (он был назван по имени близлежащей рыбацкой деревушки) — один из самых крупных земных кратеров, и причиной его образования сегодня принято считать астероидный удар, который и положил конец эпохе динозавров. Недавние открытия, показавшие присутствие изотопов, характерных для астероидов, также и в ряде других отложений, говорят о том, что массовое вымирание, произошедшее 280 миллионов лет назад, могло быть вызвано аналогичными причинами.
Споры об астероидном ударе ученые теперь перенесли на другие массовые вымирания: были ли они также вызваны столкновением с каким-то небесным телом или же у них были иные причины — например, многочисленные извержения вулкана или внезапное изменение уровня моря? Сегодня ученые-эволюционисты пытаются ответить уже на эти вопросы.

ЛУИС УОЛТЕР АЛЬВАРЕС (Luis Water Avarez, 1911-88) — американский физик. Родился в Сан-Франциско, получил образование в Чикагском университете. В годы Второй мировой войны принимал участие в разработке радиолокационных систем захода на посадку, работал в Лос-Аламосе над проектом создания атомной бомбы. В Калифорнийском университете в Беркли усовершенствовал пузырьковую камеру — устройство для регистрации взаимодействий частиц высокой энергии, за что получил Нобелевскую премию по физике 1968 года. Гипотеза Альвареса появилась в результате исследований, которые он провел в 1980 году вместе со своим сыном — геологом Уолтером Альваресом (Water Avarez, р. 1940).

Механическая теория теплоты
Теплота представляет собой форму энергии, связанную с хаотичным движением атомов или молекул вещества

АТОМНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
1662 • ЗАКОН
БОЙЛЯ—МАРИОТТА

МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ

1787 • ЗАКОН ШАРЛЯ
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
1798
УРАВНЕНИЕ
СОСТОЯНИЯ
ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА
1827
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ
ТЕОРИЯ
1834
1849

Теплота — вещь мистическая. Можно взять в руку кусок дерева, и от него руке не будет, по большому счету, ни тепло, ни холодно. Однако стоит бросить его в огонь — и оно, загоревшись, будет выделять теплоту в большом количестве. Откуда же берется теплота? Издревле люди считали, что теплота представляет собой особую жидкость под названием флогистон, или теплород, заключенную в дереве и других горючих субстанциях и высвобождающуюся при горении. К концу XVIII века, однако, накопилось достаточно экспериментальных данных, чтобы убедиться в ошибочности такой теории.
Одним из первых современные представления о природе теплоты предложил Бенджамин Томпсон (граф Румфорд). Он всегда отличался техническим складом ума и всю свою жизнь интересовался наукой применительно к баллистике и оружейному делу, которым посвятил свою жизнь. Уже живя в Баварии, он был техническим управляющим пушечного завода. Грубо отлитые стволы обрабатывались изнутри сверлильной фрезой для доведения до нужного калибра и придания им должной гладкости. Румфорд заметил, что при расточке стволы нагреваются, причем тем сильнее, чем тупее фреза. Измерив теплоемкость металлической стружки, ему удалось показать, что тепло никак не могло храниться до расточки в веществе ствола, а следовательно, теплота возникает в результате трения. Рассказывают, что он даже помещал рассверливаемую пушку в воду и сверлил ее, пока вода не закипела спустя несколько часов.
Сегодня мы понимаем теплоту (точнее сказать, тепловую или термальную энергию) как особую форму энергии, связанную с движением атомов или молекул, из которых состоит материал. При притоке энергии извне атомы или молекулы разогреваются — т. е. начинают колебаться или двигаться быстрее, при остывании же движение замедляется. В жидкостях и газах увеличивается скорость хаотичного броуновского движения и частота соударений атомов или молекул друг с другом. В твердых же телах атомы с большей амплитудой колеблются вокруг своих мест в кристаллической решетке. В обоих случаях, однако, то, что мы воспринимаем как теплоту или термальную энергию, на самом деле является кинетической энергией атомов или молекул. Как и все другие формы энергии, подчиняющиеся первому началу термодинамики, тепловая энергия может переходить в другие формы энергии, и это используется, например, в двигателях внутреннего сгорания и электрогенераторах.

БЕНДЖАМИН ТОМПСОН (граф фон Румфорд) (Benjamin Thompson (Count Rumford), 1753-1814) — американский, а затем немецкий администратор и ученый. Родился в Вобурне, штат Массачусетс. Во время Войны за независимость США выступил на стороне Великобритании, куда и вынужден был бежать, бросив семью, в 1775 году после поражения колониальной армии и выдвижения против него обвинений в шпионаже. Позже переехал в Мюнхен (Бавария), где занимал высокие государственные посты. В 1790 году Томпсону за заслуги был пожалован титул графа, причем титульным графством было названо графство (округ) Румфорд (Rumford County, в настоящее время переименовано в Concord County) в штате Нью-Гемпшир, где он жил с первой женой до эмиграции из США. Вернувшись в Лондон, в 1800 году основал там знаменитый Королевский институт. В 1804 году переехал в Париж, женившись на вдове Антуана Лавуазье (см. флогистон). Брак не сложился; известна фраза фон Румфорда: «Лавуазье повезло, что он умер на гильотине».

Микробная теория инфекционных заболеваний
Инфекционные
заболевания
вызываются
микроорганизмами,
которые попадают
в организм человека
извне

1877 ^ МИКРОБНАЯ ТЕОРИЯ ИНФЕКЦИОННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ

1928 • ОТКРЫТИЕ
ПЕНИЦИЛЛИНА
сер. 1960-х

1947 • УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРОБОВ К АНТИБИОТИКАМ

ИММУННАЯ СИСТЕМА

В середине XIX века среди медиков разгорелся спор о происхождении инфекционных заболеваний. Представители одного лагеря защищали старую точку зрению, что причина заболевания — нарушение равновесия в организме, возможно, обостренное внешними воздействиями. Им противостояла группа ученых, отстаивавших революционное представление, согласно которому инфекционные заболевания возникают в результате внедрения в тело микроорганизмов.
Новое течение возглавлял французский ученый Луи Пастер. В своих исследованиях он шел не таким путем, как все. В 1854 году он был профессором химии в Лилле, где деятельность университета была направлена в основном на помощь местной промышленности. Пастер изучал процесс брожения, который, безусловно, очень важен для получения вина. Он пришел к заключению, что брожение вызвано микробами, которые питаются сахаром, содержащимся в виноградном соке, и производят в качестве побочного продукта своей жизнедеятельности спирт. Пастеру стало ясно, что брожение — это биохимический процесс, а не просто химический, как считали многие, и этот процесс невозможен без микроорганизмов, а именно дрожжей.
Пастер также обнаружил, что нагревание способствует более длительному хранению вина. Оно убивает микробов, которые в противном случае запустили бы дальнейшие реакции, приводящие к порче вина. Этот принцип лег в основу пастеризации, до сих пор применяющейся в молочной промышленности большинства стран мира для предохранения молока от скисания.
Подобно многим своим современникам, Пастер предчувствовал, что между процессом брожения и болезнетворным процессом в организме человека должно быть нечто общее. В конце XIX века представление о том что, заболевание, подобно брожению, вызывается микроорганизмами, уже имело немало сторонников, и количество доказательств в пользу этой точки зрения все возрастало. Пастер смог показать, что болезнь, нанесшая огромный ущерб шелковичным червям во Франции, имела бактериальное происхождение. В 1860-е годы английский хирург Джозеф Листер (Joseph Lister, 1827-1912), разделявший представ


Луи Пастер в своей лаборатории. Хотя аналогичные идеи возникали и у других ученых, именно благодаря экспериментам Пастера было установлено, что причина болезней — микроорганизмы, а его имя увековечено в термине «пастеризация»

ления Пастера, с их помощью продемонстрировал преимущества антисептической хирургии, а немецкий бактериолог Роберт Кох (Robert Koch, 1843-1910) добился успеха в обосновании бактериального происхождения сибирской язвы — болезни крупных животных (которой иногда болеет и человек). Пастер показал, что сибирская язва может передаваться даже с сильно разбавленной кровью, но не передается с кровью, пропущенной через фильтр (процесс фильтрования приводит к удалению бактерий). Вскоре он обнаружил, что микробы вызывают и ряд других заболеваний, включая родильную лихорадку (послеродовой сепсис), которая в то в