Основы естествознания

Действия, которые  можно предпринять для развития этой идеи, сводятся к выделению  общей части в последовательностях  ДНК, присутствующих в различных  белковых молекулах, и рассмотрению ее как текста. Подходящими являются, например, 28s- и 18s- последовательности рРНК (различные белки необходимы, поскольку эволюция могла пойти разными путями, но текст, скорее всего, один). Это и будет тем критическим экспериментом, который может подтвердить или опровергнуть данную теорию. Опыт подобной дешифровки у человечества имеется: прочтены египетские иероглифы, найдена Троя, математические абстракции реализовывались в физических экспериментах. Конечно, сказанное есть лишь смещение цели эволюции с Земли в сферу деятельности загадочных космических операторов. Но так происходило и в других разделах естественных наук, о которых мы говорили в предыдущих главах. 

Наконец, обсудим  концепции, возникшие в результате появления генетики. Дарвин (ошибочно) полагал, что естественный отбор обусловлен небольшими случайными изменениями в облике живого существа. Возьмем большое количество растений, например, ячменя и построим диаграмму (рис.5), на вертикальной оси которой отложено число особей, а на горизонтальной - длина ости колоса. Существует такая (характерная) длина ости, которой обладает наибольшее число растений. Если взять на семена растения, соответствующие той части диаграммы, где длина ости несколько больше характерной, с целью получить ячмень с длинной остью, то ничего не получится. У новых растений распределение остей будет прежним, а их характерная длина той же. Такие отклонения не унаследуются. Однако если выбрать на семена те растения, длина остей которых существенно превосходит характерную (таких обычно бывает 2-3 на 10000), то примерно у 50% новых растений длина остей будет столь же велика, то есть наследование признака произойдет. Такое событие Де Фриз назвал мутацией - скачкообразным изменением. Как мы теперь знаем, мутации обусловлены изменением в определенной области одной из хромосом ядра половой клетки. Такая область называется геном, а раздел биологии, изучающий законы наследственности, - генетикой. Впервые (на эмпирическом уровне) законы генетики были установлены Менделем. (Представление о генах позволило недавно осуществить клонирование млекопитающего - ставшей знаменитой овцы Долли. Ядро соматической (неполовой) клетки, содержащей парный (полный) набор хромосом, было помещено в яйцеклетку с предварительно удаленным ядром, наступила беременность и родилось живое существо, генетически тождественное своему родителю - той овце, чье ядро соматической клетки было использовано). 

Наиболее важной идеей генетики является переход  от "непрерывности" в описании наследуемых свойств к "дискретности". Можно сказать, что существуют некоторые состояния, между которыми возможны переходы, нет непрерывных изменений, а есть скачкообразные. Возможность пересчета таких состояний приводит к возможности использования статистических закономерностей - хорошо разработанной области математики, дающей возможность делать прогноз. В этом смысле генетику можно сравнить с квантовой механикой, о которой пойдет речь в следующей главе. 

Заключая эту  главу, отметим важное обстоятельство. С какой стороны ни рассматривать  эволюцию, всегда выполняется следующее: эволюция шла таким образом, что в ее процессе возникали все более сложные системы, наиболее сложной из которых является мозг человека. Именно мозг генерирует (самостоятельно или под воздействием окружающей среды) все те рациональные схемы, к которым человек приспосабливает себя и свою деятельность, все те концепции, которые в том числе касаются и естествознания.

Глава 5  

      Основные концепции современной  физики 

Классическая  физика и ее кризис в начале ХХ-го века; принцип неопределенности в квантовой теории; жизнь атома; идеи теории относительности; порядок из беспорядка - самоорганизация. 
 
 

"Есть многое  на свете, друг Горацио, 

Что и не снилось  нашим мудрецам" 

У.Шекспир 
 
 

Когда говорят  о современной физике, обычно имеют  в виду две фундаментальные концепции, возникшие в двадцатом веке - квантовую теорию и теорию относительности. В последнее двадцатилетие возникла еще одна теория, носящая глубокий характер, - теория коллективных явлений или синергетика. Ко всем трем в полной мере можно отнести все то, что говорилось во Введении применительно к теориям вообще как к моделям, порождаемым разумом. Однако прежде чем ознакомиться с их основными идеями, напомним вкратце, с чем подошла наука к рубежу ХIХ-ХХ веков и чем был вызван кризис, вследствие которого и возникла современная физика. 

В отношении  к природе еще в древнегреческие  времена возникла атомистическая идея - есть ли предел делимости тела на части? Положительный ответ означал, что  наступит такой момент, что дальнейшее разделение станет невозможным, и существует одна или несколько различных частиц - атомов, которые представляют основу сущего и из различных комбинаций которых состоят все тела. В противном случае материя была бы непрерывной, бесконечно делимой. Греки решали этот вопрос философски, умозрительно, и традиция такого подхода продержалась еще почти два тысячелетия. Впрочем, подходящая техника появилась еще позже. Наука в современном понимании возникла лишь в XVII веке, когда эксперименту было предоставлено право участвовать в обсуждении вопросов бытия, и на помощь "чистому разуму" были призваны органы чувств. 

Классическая  физика началась с И.Ньютона, который  последовательно описал механические процессы движения и взаимодействия макроскопических тел на основе созданного им математического языка бесконечно малых. В этом было отступление от атомистических воззрений, но это привело к значительному продвижению в описании и понимании природы. Несмотря на то, что в настоящее время его подход кажется естественным и очевидным на фоне абстрактных представлений современной физики, и с него начинают знакомство с этой наукой в школе, в то время понадобилось почти семьдесят лет, чтобы этот подход окончательно утвердился в умах ученых. Дав свое определение понятиям скорости, ускорения, силы, массы, Ньютон сформулировал законы динамики в виде связей между этими величинами. Проанализировав законы движения небесных тел, обнаруженных Т.Браге и И.Кеплером, он установил закон всемирного тяготения, введя в науку меру гравитационного взаимодействия тел в нашей Вселенной. В результате удалось научиться точно предсказывать солнечные затмения и понять природу морских приливов. Отличительной чертой классической механики являлась обратимость движений во времени, что следовало из соответствующих уравнений. При описании механических процессов в различных системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, следовало использовать принцип относительности Галилея, состоявший в том, что на ускорения тел, явившиеся следствием их силового взаимодействия, относительное движение систем отсчета никакого влияния не оказывает, и никакими механическими опытами невозможно установить, какая именно из систем движется. Для расчета достаточно просто сложить скорость движения тела в данной системе отсчета и скорость относительного движения систем отсчета. Поэтому можно выбрать наиболее удобную систему отсчета и работать с ней. Например, в движущемся вагоне отпущенный камень упадет вдоль вертикальной прямой, но при наблюдении с неподвижной платформы его траектория будет иметь вид кривой линии - параболы. Если описать движение (и предсказать положения камня) в системе движущегося вагона (что проще), то, чтобы сказать, когда и в какой точке он будет при наблюдении с платформы, достаточно просто учесть относительную скорость (скорость вагона) в конечном ответе. 

Сплошные среды, такие, как жидкости и газы, явились  предметом термодинамики. Между  их параметрами (давлением, объемом, температурой, химическим составом) были также установлены  количественные соотношения - закон Менделеева-Клапейрона завершил усилия Бойля, Мариотта, Гей-Люссака и Шарля, направленные на изучение поведения газов и жидкостей. Понятие теплоты было отождествлено с энергией, а представления о газах как о системах множеств маленьких молекул позволило связать законы термодинамики и механики в молекулярно-кинетической теории. Этот обобщающий шаг укрепил представление о единстве и познаваемости мира. В XIX веке трудами Дж.Максвелла и Л.Больцмана в строго детерминированный мир механических движений молекул были введены идеи теории вероятности. Удивительная (для механики) необратимость ряда термодинамических явлений (молекулы, разлетевшись из половины сосуда по всему сосуду, никогда вновь не соберутся в половине, хотя из механики это никак не следует; тепло от нагретого тела, перейдя к холодному, никогда не вернется обратно, и термодинамическое равновесие самопроизвольно не нарушится) нашла свое объяснение с точки зрения теории вероятности при учете гигантского числа молекул (порядка 1019 штук в кубическом сантиметре) в любом макроскопическом объеме. Это, между прочим, означает, что упорядоченность в замкнутой (термодинамической) системе никогда не возрастает. Выравнивание температуры и разрушение существующих структур - такова судьба косной материи (в отличие от живых систем, в которых наблюдается усложнение, т.е. образование структур). Механические устройства с тепловыми двигателями явили собой практическое воплощение научных идей молекулярной физики и термодинамики. 

Новый тип явлений - электрических и магнитных - потребовал новой концепции. И она была дана Дж.Максвеллом на основе опытных данных Ампера и Фарадея. Язык теории Максвелла был все той же математикой бесконечно малых - дифференциальными уравнениями. Непрерывность возобладала и потребовала введения понятия физического поля - области пространства, каждой точке которой поставлено в соответствие одно или несколько чисел. Соотношения между характеристиками полей позволяли предсказать эффекты, которые удалось пронаблюдать на опыте. Электрические машины и радиосвязь отразили научный прогресс, и это было замечательной иллюстрацией успеха теории. Но радиоволны были волнами, а, значит, требовали среды, в которой они могли бы распространяться. Эта среда - мировой эфир, пронизывающий все пространство, - могла бы послужить абсолютной системой отсчета, тем самым укрепив единство мира. Значит, вопрос состоял в том, чтобы как-то ее обнаружить. "Как-то" - потому, что свойства ее были уж очень экзотическими. С одной стороны, огромная Земля летит сквозь эфир со скоростью 30 км/сек, но никакого торможения зарегистрировать не удается (маленькая пуля, вылетев из ружья со скоростью несколько сот метров в секунду, пролетит в воздухе всего несколько километров). Получается, что он очень разреженный. С другой стороны, скорость радиоволн в эфире - 300000 км/сек, что должно соответствовать неимоверным плотности и жесткости этой среды (скорость звуковых волн в стали порядка нескольких километров в секунду). 

Последним крупным  разделом являлась оптика - наука о  световых явлениях. Простые законы геометрической оптики с ее прямолинейными лучами требовали объяснения. Его можно было дать, считая свет потоком маленьких частиц. Но тогда было неясно, как частицы узнают, кому отражаться, а кому преломляться, проходя внутрь прозрачного тела. Кроме того, два пересекающихся потока (два луча) никак не воздействовали друг на друга. И как объяснить разложение белго света в радугу ("таинственное явление цветов", как называл его Ньютон)? Можно было также счесть свет волной, распространяющейся в некоей среде, обладающей свойствами эфира. Трудами Гюйгенса и Френеля утвердились представления, в рамках которых свет считался волной, а, значит, должен был проявлять такие волновые свойства, как интерференция (наложение волн) и дифракция (огибание препятствий). И эти свойства наблюдались! После того, как Фарадей обнаружил воздействие магнитного поля на световую волну, тождество электромагнитных и световых волн стало очевидным. Тепловое излучение нагретых тел оказалось электромагнитным (а, значит, световым) излучением, но только с большой длиной волны - такой, что человеческий глаз не мог ее воспринять как свет. Это замкнуло общую картину. В классической физике наступил апофеоз. В соответствии с теорией парадигм оставалось только уточнять детали. 

Одной из них  была нестыковка в теоретических  и экспериментальных результатах  при излучении так называемого  абсолютно черного тела - такого тела, которое, будучи нагретым до определенной температуры, может излучать электромагнитные волны, поглощать их, но отражать не может. Как сажа. Или как Солнце. Эксперимент показывал (рис.), что для каждой температуры существует такая длина волны, на которой тело излучает больше всего энергии. Строгий расчет Рэлея и Джинса, основанный на свойствах электромагнитных волн и термодинамических исследованиях Больцмана, приводил к абсурдному результату: при уменьшении значения длины волны излучаемая энергия должна была стать бесконечно большой. Эта ситуация получила название ультрафиолетовой (то есть коротковолновой) катастрофы. Был еще ряд эффектов, которые не имели удовлетворительного объяснения. Наиболее известный - фотоэффект, то есть эффект возникновения электрического тока в разомкнутой цепи при освещении одного из ее электродов светом. Упрощенно говоря, парадокс состоял в том, что интенсивный свет с большей длиной волны не приводил к эффекту, в то время как слабый свет, но с меньшей длиной волны, направленный на тот же электрод, к эффекту приводил. Кроме того, Лебедевым было обнаружено и измерено давление света (то есть световых волн) на объект. 

Решение проблемы излучения черного тела, предложенное М.Планком в 1900 году, не укладывалось в рамки здравого смысла позитивистской науки. Планк предположил, что электромагнитная волна испускается порциями, которые  получили названия квантов. Но такая дискретность означает, что волна имеет свойство частиц, корпускул! Энергия же одной такой частицы определяется частотой волны, другими словами, ее длиной, и равна произведению частоты на новую мировую константу (постоянную Планка h), которая хоть и очень мала (h = 6,62*1034 Дж*с), но все же конечна. Как это понять? Выполнив соответствующий расчет, Планк получил распределение энергий волн, излучаемых черным телом, в точности совпадающее с экспериментом. А.Эйнштейн применил странную идею Планка к объяснению явления фотоэффекта, и все стало на место: для выбивания электронов из материала электрода, которое и приводит к возникновению тока, нужны частицы с большой энергией, то есть свет с малой длиной волны. Интенсивность света соответствует количеству налетающих частиц, но не характеризует сами частицы. Поэтому интенсивный свет, но с большой длиной волны (соответственно - с малой частотой), к эффекту привести не может. Ну и световое давление - это просто бомбардировка частицами, причем величина давления зависит от энергии частиц (то есть от длины волны) в точном соответствии с теорией Планка. (Интересно отметить, что идея дискретности, прерывности, счетности в генетике утвердилась в том же 1900 году). Другое название электромагнитных квантов - фотоны, мы встречали его в предыдущих главах. Странен фотон... Это такой объект, такая концепция, такой продукт решения математических уравнений, зрительно представить который невозможно (увидеть-то поток фотонов можно): некоторые его свойства - такие же, как у волны, некоторые - такие же, как у частицы.