Вопросы наследственности,
передачи отдельных признаков от родителей потомству,
самовоспроизводства живых организмов
на Земле издавна волновали человечество.
В разные эпохи различными учеными выдвигалось
множество теорий, своеобразно объясняющих
подобные процессы. Наиболее древняя из
них датирована VI-V вв. до н. э. Это так называемое
энцефаломиелоидное учение древнегреческого
врача и натурфилософа Алкмеона из Кротона
(Гайсинович А. Е., 1988).
Но истинные ответы на эти вопросы человечество
смогло найти лишь спустя несколько тысяч
лет, с появлением и развитием генетики
- науки о наследственности и изменчивости
организмов. Официальной датой рождения
генетики считают 1900 г., когда трое ученых
- голландец Х. де Фриз, немец К. Коренс и
австриец Э. Чермак - независимо друг от
друга переоткрыли законы Грегора Менделя
о наследовании генетических признаков.
С развитием точных наук и техники менялись
методы и уровни изучения живой материи.
Наряду с классической генетикой, появились
такие важные направления, как цитогенетика,
генетика человека, генетика микроорганизмов,
биохимическая, эволюционная генетика,
космическая генетика, молекулярная генетика
и многое др.
Именно с молекулярной генетикой связана история изучения
структуры и значения ДНК в понимании наследственности.
1. Открытие днк и нуклеопротеидная
теория наследственности
В настоящее время в сознании
многих людей такие термины, как ДНК и генетика,
неразделимы. Однако так было не всегда.
В 1868 г. швейцарский химик Ф.
Мишер обнаружил в клеточных ядрах, изолированных
из гноя, а позже из спермиев лосося вещество,
которое он назвал «нуклеином» (от лат.
nucleus - ядро). Впоследствии Р. Альтманн (1889
г.) сообщил, что выделенный Ф. Мишером
«нуклеин» состоит из двух фракций - белковой
и нуклеиновых кислот (Гайсинович А. Е.,
1988).
Достаточно длительное время считали,
что функцию передачи наследственной информации
выполняют белки, т. к. нуклеиновые кислоты
относительно просты по химической структуре
и проявляют «поразительное единообразие»
у разных видов растений и животных. Этому заблуждению
способствовало предположение Э. Вильсона
(сделанное им в 1925 г.) о том, что функциональную
роль в хроматине играют белки, а не нуклеиновые
кислоты. В 1928 г. крупнейший советский
биолог Н. К. Кольцов (1872-1940) разрабатывает
гипотезу молекулярного строения и матричной
репродукции хромосом, которая легла в
основу главнейших принципов и положений
современной молекулярной биологии и
генетики. Тем не менее он считает, что
хромосома - это гигантская биологическая
молекула, обладающая свойством самоудвоения,
и что все признаки и свойства организма
предопределены строением белка и взаимодействием
его молекул, а не ДНК (Гуляев Г. В., 1971).
Иначе говоря, в конце XIX - начале
XX вв. в генетике распространилось ошибочное мнение
о том, что материальным носителем генетической
информации являются белки. О значении
нуклеиновых кислот в данных процессах,
а равно и о функциях этих химических соединений
в организме ничего не было известно. Поэтому этот
период в истории изучения ДНК можно смело назвать
нуклеопротеидным.
2. Доказательства роли днк как
материального носителя наследственной
информации
Решающим поворотом в генетике
было открытие в 1944 г. трансформирующей
функции ДНК. Группа американских бактериологов
- О. Эвери, Ч. Мак-Леод и М. Мак-Карти - проводила
исследования вирулентности возбудителя
пневмонии бактерии Diplococcus pneumoniae (Гуляев
Г. В., 1971). Их опыты повторил английский
бактериолог Ф. Гриффитс. В его опытах
использовались два штамма пневмококков
с противоположными признаками: с наличием
и отсутствием капсул. Клетки капсульного
штамма S были вирулентными, а бескапсульного
- R - безвредными.
Ф. Гриффитс вводил суспензию
данных микроорганизмов белым мышам в
различных комбинациях. Животные, зараженные
вирулентным штаммом S, погибали. При введении
бескапсульных бактерий (R) и клеток S-штамма,
убитых нагреванием, мыши выживали. Казалось
бы, полученные результаты были закономерны,
а их причины - очевидны. Но совершенно
обескураживающие результаты были получены
у последней группы белых мышей. Этим животным
вводили суспензию, содержащую живые клетки
бескапсульного штамма и убитые вирулентные
бактерии. Через некоторое время у мышей
обнаруживались клинические признаки
пневмококковой инфекции и животные погибали.
Проведенный бактериологический анализ
показал, что в тканях погибших мышей содержатся
клетки пневмококка, окруженные капсулой.
Следовательно, невирулентный бескапсульный
штамм пневмококков под воздействием
убитых бактерий S-штамма получал новый
признак - капсулу - и приобретал вирулентные
свойства. Такое явление Гриффитс назвал
трансформацией.
Однако природу трансформирующего агента
в то время установить не удалось. Было
известно, что это вещество небелкового
происхождения, т. к. все белки при нагревании
подвергались денатурации.
Явление трансформации наблюдалось также и в пробирке
(in vitro), где смешивали живые клетки бескапсульного
и мертвые бактерии вирулентного штаммов
Diplococcus pneumoniаe. Через определенное время
часть бескапсульных бактерий приобрели
капсулу и вирулентность. Эксперименты
in vitro полностью исключали участие в феномене
трансформации каких-либо систем макроорганизмов.
Задача О. Эвери с сотрудниками
состояла в том, чтобы выяснить, какое
именно вещество способствует трансформации.
Методика определения была выбрана относительно
простая. Лизированные клетки капсульного
штамма разделялись на различные химические
составляющие. Каждый компонент испытывался
на наличие трансформирующих свойств.
Путем такого отбора удалось получить
вещество, обладающее высокой трансформирующей
активностью. Это была дезоксирибонуклеиновая
кислота - ДНК.
Однако выводы группы О. Эвери
о том, что посредством ДНК клетки-реципиенты
получали от клеток-доноров новый генетический
признак, долгое время многие ученые-генетики
подвергали сомнению.
Например, существенные сомнения
вызывал уровень очистки ДНК в экспериментах О.
Эвери. Предполагалось, что присутствующие
в препаратах нуклеиновых кислот белковые
примеси и были причиной передачи нового
генетического признака, что абсолютно
не противоречило нуклеопротеидной теории.
Стремясь проверить правильность выводов
О. Эвери, Хочкисс добился такой степени
очистки ДНК, что доля балластных веществ,
в т. ч. и белков, в препарате составляла
всего 0,02 %. Полученная таким образом чистая
ДНК, тем не менее, обладала трансформирующими
свойствами.
Другое возражение против генетической
роли ДНК сводилось к тому, что ДНК как химическое
соединение каким-то образом препятствовало
биосинтезу основного вещества капсулы
- полисахарида. То есть ДНК приписывалось
физиологическое, а не генетическое воздействие.
Чтобы опровергнуть это возражение, Гарриет Тейлор
в 1949 г. получила новые данные о пневмококковой
трансформации: она использовала два штамма,
полностью лишенных капсул. Первый R-штамм
был типичной бескапсульной бактерией,
образующей шероховатые колонии. Второй,
названный ей eхtremely R (ER), отличался ярко
выраженными характеристиками и образовывал
сильно шероховатые колонии. Выделенная
из штамма R ДНК вносилась на среду с клетками
ER. Через определенное время большая часть
ER-бактерий превращалась в R-формы. Таким
образом было показано, что наличие или
отсутствие капсулы не отражается на трансформирующей
роли ДНК.
В 1949 г. Хочкисс провел ряд экспериментов,
которые подтвердили, что определенной
зависимости между ДНК и синтезом бактериальными
клетками капсулы на уровне метаболизма
не существует. В его опытах трансформации
подвергались бактериальные признаки,
которые не имеют никакого отношения к
капсулообразованию, - устойчивость микробов
определенного штамма к пенициллину и
стрептомицину передавалась к другому
штамму бактерий.
Более наглядно роль ДНК в передаче
наследственной информации была установлена в
1952 г. американскими вирусологами А. Д.
Херши и М. Чейзом при изучении разложения
фага Т2 (вируса бактерий). Опыт состоял
в том, что белки, входящие в протеиновую
оболочку вириона, были помечены радиоизотопной
меткой - S 35 (сера), а ДНК - радиоактивным
фосфором - Р32. В дальнейшем вирус культивировался
в клетках бактерий. После этого дочерние
вирионы - потомство фага - подвергались
радиометрическому анализу на распределение
радиоактивных меток. Исследования показали,
что новое поколение фаговых частиц содержало
только фосфор - Р32. Исследователи сделали
справедливый вывод о том, что именно ДНК,
а не белок передается от родителей к потомству.
О роли ДНК в передаче наследственной
информации свидетельствует также открытие
в 1952 г. Зайндером и Ледербергом явления
трансдукции, заключающееся в переносе
генетического материала фагами от одних
бактерий к другим. Ученые при этом показали,
что в процессе трансдукции активное участие
принимает ДНК (Лехов А. П., 1973).
Кроме прямых доказательств
об участии ДНК в процессах наследования
признаков, наукой был накоплен обширный
фактический материал, косвенно подтверждающий
высказанные ранее предположения. В частности,
об этом говорят данные относительно возникновения вызываемых
химическими веществами и радиацией генетических
изменений - мутаций.
Значительный вклад в изучение
мутагенеза внесли отечественные ученые.
Впервые в 1925 г. сотрудники Ленинградского
радиевого института Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов
воспроизвели мутацию у дрожжевых грибков под влиянием
лучей радия (Гулиев Г. В., 1971). В 1932 г. В. В.
Сахаров получил мутацию у дрозофилы под воздействием
раствора йодистого калия, в 1933 г. М. Е. Лобашев
открыл мутагенное действие аммиака (Беляев
Д. К., Иванов В. И., 1980). Несколько позже
было показано, что мишенью для действия
мутагенов является ДНК. Следовательно,
изменение в структуре ДНК способствовало
изменению генетической информации.
Открытия, сделанные в конце
40 - начале 50 гг. ХХ в. в области молекулярной
генетики, предопределили современное
направление исследований не только в
изучении наследственности, но и биологии
в целом. Важнейшее значение открытия
явлений трансформации и трансдукции,
а также расшифровки действия мутационных
факторов заключается прежде всего в доказательстве
генетической роли ДНК. Теперь генетики
могли с уверенностью констатировать:
ДНК является материальным носителем
наследственности. Именно эта молекула
ответственна за передачу важнейших признаков
от родительских особей потомству.
3. Изучение химического состава и структуры ДНК
Если основная функция ДНК для многих
ученых была понятна, то химическое строение
и, в особенности, трехмерная структура
нуклеиновых кислот представлялась еще недостаточно
ясной.
С момента открытия Миллером
в 1868 г. «нуклеина» прошло немало времени.
Основные сведения по химическому составу были
изложены А. Косселем, биохимиком, работавшим
на рубеже XIX-XX вв. (Стент Г., 1974). Он установил,
что нуклеиновая кислота состоит из четырех
азотистых оснований, сахара и фосфорной
кислоты. Азотистые основания были представлены
двумя пуриновыми (аденин, гуанин) и двумя
пиримидиновыми (цитозин и урацил) соединениями.
В 20-х гг. минувшего столетия
П. Левеном и У. Джонсом в эту схему были
внесены важные уточнения. Ими было обнаружено,
что нуклеиновые кислоты имеют две разновидности:
РНК и ДНК, различные по химическому строению.
РНК, или рибонуклеиновая кислота, содержит
пятиуглеродный сахар рибозу, а в ДНК присутствует
дезоксирибоза. Наконец, ДНК не содержит
урацила, как это полагал А. Коссель, вместо
него имеется тимин. Кроме того, установлено,
что азотистое основание, сахар и остатки
фосфорной кислоты образуют соединение,
названное нуклеотидом. В свою очередь,
нуклеотиды образуют с помощью фосфодиэфирных
связей некое подобие цепочки.
В 1924 г. немецкий химик Р. Фельген
предложил гистохимический способ окраски
ДНК животных, растений и бактерий. Основу
методики составлял реактив Шиффа, который
окрашивал ДНК в красно-фиолетовый цвет.
С помощью реакции Фельгена ученые установили,
что ДНК содержится преимущественно в
ядре клетки, а РНК - в цитоплазме.
До 1950 г. среди генетиков и биохимиков
господствовала тетрануклеотидная теория
Ф. А. Левина. Согласно этой теории, все
нуклеиновые кислоты - это монотонные
макромолекулы, представляющие собою
единообразное повторение четырех азотистых
оснований - тетрануклеотидов. При этом
полярные соотношения аденина, гуанина,
цитозина и тимина представлялись как
приблизительно равные. Ошибочность этой
теории заключалась в том, что структуру
ДНК понимали как элементарное химическое
соединение, придавая ему линейный характер.
Наличие вторичных и третичных структур
у ДНК не учитывалось. Это привело к тому,
что долгое время ученые считали, что ДНК
не способна выполнить функцию носителя
информации.
Эту теорию опроверг Э. Чаргафф.
В 1948 г. Эрвин Чаргафф и Хочкисс применили
для количественной оценки компонентов
нуклеиновой кислоты тогда еще новый метод
хроматографии на бумаге. Анализируя таким
образом различные образцы ДНК от животных,
растений и человека, ученые обнаружили,
что точного количественного соответствия
азотистых оснований ни в одном из случаев
не наблюдалось. Напротив, в зависимости
от биологического происхождения ДНК,
состав молекулы будет различен. Следовательно,
обнаружилось, что ДНК отнюдь не монотонная
макромолекула. Обобщая данные своих исследований,
Э. Чаргафф в 1949 г. сформулировал правило
эквивалентности, которое вошло в историю
генетики как правило Чаргаффа. Оно гласит:
количественные отношения гуанина всегда
равны содержанию цитозина, а содержание
аденина соответствует содержание тимина.
Математически это можно записать так:
А + Г = ц + Т А + Г = Ц + Т
|
Оглавление
Введение. 4
Проблемы учения о взаимодействии и движении. 7
Гравитационное взаимодействие. 9
Электромагнитное взаимодействие. 12
Слабое ядерное взаимодействие. 15
Сильное ядерное взаимодействие. 17
Теория большого объединения и суперобъединения. 19
Заключение. 22
Список литературы. 23
Введение.
Естествознание не
только выделяет типы материальных объектов
во Вселенной, но и раскрывает связи между ними.
Связь между объектами в целостной системе более
упорядочена, более устойчива, чем связь каждого из
элементов с элементами из внешней среды.
Чтобы разрушить систему, выделить из системы
тот или иной элемент, нужно приложить к ней определенную
энергию. Эта энергия имеет разную величину
и зависит от типа взаимодействия между
элементами системы. В мегамире эти взаимодействия
обеспечиваются гравитацией, в макромире
к гравитации добавляется электромагнитное
взаимодействие, и оно становится основным,
как более сильное. В микромире на размерах
атома проявляется еще более сильное ядерное
взаимодействие, обеспечивающее целостность
атомных ядер. При переходе к элементарным
частицам энергия внутренних связей становится
сравнимой с собственной энергией частиц
— слабое ядерное взаимодействие обеспечивает
их целостность. Так что чем меньше размеры
материальных систем, тем более прочно
связаны между собой элементы.
История науки знает множество попыток представить сложные
процессы во Вселенной в виде определенных
схем. Успешное познание окружающего мира
и приведение наблюдаемых явлений к простейшим
понятиям возможны лишь в том случае, если
бы мы сумели описать мир в терминах ограниченного
числа фундаментальных частиц и нескольких
типов фундаментальных взаимодействий,
в которые они могут вступать. В основе каждого
фундаментального взаимодействия лежит
изначально присущее веществу особое
свойство, природу которого удастся выяснить
лишь в ходе дальнейших, все более глубоких
исследований природы вещества и вакуума.
Носителем способности частиц к взаимодействиям,
а также количественной мерой самого взаимодействия
служит понятие заряда. Каждая частица
изначально обладает одним или несколькими
зарядами, причем между собой взаимодействуют
только однотипные заряды, а заряды разных
типов друг друга «не замечают». Наименьшее
дискретное значение заряда (квант) называют
единичным зарядом. Сила взаимодействия
во всех случаях пропорциональна произведению
зарядов двух взаимодействующих частиц,
более сложно она зависит от расстояния
между частицами.
По современным представлениям взаимодействие
любого вида должно иметь своего физического агента,
без посредника оно не протекает. В основе
такого требования лежит тот факт, что скорость
передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом
- скоростью света. Поэтому притяжение
или отталкивание частиц передается через среду,
их разделяющую. Такой средой является
вакуум. При создании теории взаимодействия
используют определенную модель процесса:
заряд-фермион создает вокруг частицы поле,
порождающее присущие ему частицы-бозоны;
по своей природе это поле близко к тому
состоянию, которое физики приписывают
вакууму. Иначе говоря, заряд частицы возмущает
вакуум, и это возмущение с затуханием
передается на определенное расстояние;
частицы поля являются виртуальными -
существуют очень короткое время и в эксперименте
не могут быть обнаружены; оказавшись
в радиусе действия своих однотипных зарядов,
две реальные частицы начинают стабильно
обмениваться виртуальными бозонами:
одна частица испускает бозон и тут же
поглощает идентичный бозон, испущенный
частицей-партнером, и наоборот; обмен
бозонами создает эффект притяжения или
отталкивания частиц-хозяев.
Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из
фундаментальных взаимодействий, соответствует своя
бозонная частица - переносчик взаимодействия.
Очень важным фактором является наличие
массы у частиц, в том числе и у некоторых
переносчиков взаимодействия (вопрос
о происхождении массы у частиц до сих
пор не решен, предполагается, что она
появляется в результате особой формы
взаимодействия частиц со структурой
вакуума) - от этого зависит радиус действия
соответствующих сил.
Механика Ньютона гласила же о другом. Она
была признана, но происхождение сил, которые
вызывают ускорения, в ней не обсуждались.
Теория утверждала, что силы гравитации
действуют через пустоту, они дальнодействующие,
тогда как силы электромагнитные — через
среду. В настоящее время все взаимодействия
в природе сводят к четырем типам: гравитационные,
электромагнитные, сильные ядерные и слабые
ядерные.
Проблемы учения
о взаимодействии и движении.
Связь, взаимодействие
и движение представляют собой важнейшие атрибуты
материи, без которых невозможно ее существование.
Взаимодействие обусловливает соединение
различных материальных элементов в системы,
системную организацию материи. Все свойства
тел производны от взаимодействий, являются
результатом их структурных связей и внешних взаимодействий
между собой.
Взаимодействие представляет собой развертывающийся
во времени и пространстве процесс воздействия
одних объектов на другие путем обмена
материей и движением. Взаимодействие
выступает как движение материи, а любое движение
включает в себя различные виды взаимодействия.
По существу, эти понятия совпадают, хотя
часто употребляются в разных контекстах.
Когда мы говорим о движении, то имеем в виду
не столько внутренние изменения, основанные
на структурных взаимодействиях, составляющих
систему элементов материи, сколько внешнее
пространственное перемещение тел, где взаимодействия
как будто не видно. Но если взглянуть глубже,
то и при пространственном перемещении
тел обязательно есть их взаимодействие
с окружающей средой и материальными полями,
в результате чего изменяются свойства
тел. Не существует такого движения, в
содержании которого не было бы взаимодействия
элементов материи, так же, как и всякое
взаимодействие выступает как определенное
изменение и движение.
Взаимодействие и движение являются формой
существования материи. Для всякого объекта существовать
- значит взаимодействовать, как-то проявлять
себя по отношению к другим телам, находиться
с ними в объективных отношениях. Именно
взаимодействие и движение являются объективными
критериями существования тел.
Следуя объективной логике развития природы,
можно выделить несколько форм движения:
в неживой природе, в живой природе и в обществе.
Физика занимается исследованием процессов,
происходящих в неживой природе и являющихся
фундаментом гораздо более сложных процессов,
происходящих на более высоких уровнях
организации материи.
Несомненные успехи физических наук за
последнее столетие привели к необычайному
углублению наших знаний в этой области бытия и,
особенно в теории взаимодействия и движения
материи.
Долгое время физика понимала движение
как простое механическое движение, но
затем было осознано, что оно является лишь
частным случаем пространственного перемещения
- любого изменения положения тела и его
элементов в пространстве, связанного и с изменением
во времени. Так, механическим является
движение по определенной траектории,
но существует бестраекторное пространственное
перемещение типа сферического распространения
фронта электромагнитных волн в полях,
а также гравитационных волн в поле тяготения.
Движению элементарных частиц тоже нельзя
приписать определенную траекторию, как
у материальной точки.
Но любые формы движения, изучаемые физикой,
есть проявление глубинных свойств материи
- так называемых фундаментальных взаимодействий.
Гравитационное
взаимодействие.
Гравитация первым
из четырех фундаментальных взаимодействий
стала предметом научного исследования.
Аристотель и его последователи считали,
что все тела стремятся к «своему месту»
(тяжелые — вниз, к Земле, легкие — вверх).
Созданная в XVII в. ньютоновская теория
гравитации (закон всемирного тяготения)
позволила впервые осознать истинную
роль гравитации как силы природы. В ньютоновской
гравитационной теории гравитация фактически
полностью ассоциирована с силой тяжести
или силой веса. Сущность гравитации по
Ньютону в том, что к телу приложена сила
- сила тяжести (в условиях Земли она обычно
называется силой веса). Источник этой
силы - другое или другие тела. Никакого
гравитационного поля, фактически, нет.
Гравитация есть прямое взаимодействие
между телами. Это взаимодействие определяется
Законом Всемирного Тяготения Ньютона.
Никакого особого гравитационного пространства
не существует. Гравитационное поле носит
условный характер и служит лишь для удобства
расчетов.
Релятивистской теорией гравитации является
Общая Теория Относительности. Теория
дает отличающиеся результаты от закона
Ньютона в сильных гравитационных полях,
в слабых — обе теории совпадают. Согласно
ОТО, гравитация — это проявление искривления
пространства-времени. Тела движутся по
искривленным траекториям не потому, что
на них действует гравитация, а потому,
что они движутся в искривленном пространстве-времени.
Движутся «кратчайшим путем, и тяготение
— это геометрия». Влияние искривления
пространства-времени можно обнаружить
не только вблизи коллабсирующих объектов
типа нейтронных звезд или черных дыр.
Таковы, например, прецессия орбиты Меркурия
или замедление времени на поверхности
Земли. Эйнштейн показал, что гравитацию
можно описывать как эквивалент ускоренного
движения.
Гравитация обладает рядом особенностей,
резко отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий.
Наиболее удивительной особенностью гравитации
является ее малая интенсивность. Гравитационное
взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия
электрических зарядов. Поэтому в описании
взаимодействий элементарных частиц оно
обычно не учитывается. В микромире гравитация
ничтожна.
Если бы размеры атома водорода определялись
гравитацией, а не взаимодействием между электрическими
зарядами, то радиус низшей (самой близкой
к ядру) орбиты электрона превосходил бы
радиус доступной наблюдению части Вселенной.
Как может такое слабое взаимодействие
оказаться господствующей силой во Вселенной?
Все дело во второй удивительной черте гравитации
— ее универсальности. Ничто во Вселенной
не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает
на себе действие гравитации и сама является
источником гравитации, вызывает гравитационное
притяжение. Гравитация возрастает по
мере образования все больших скоплений вещества.
И хотя притяжение одного атома пренебрежимо
мало, но результирующая сила притяжения
со стороны всех атомов может быть значительной.
Это проявляется и в повседневной жизни:
мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща
притягивают нас.
Кроме того, гравитация — дальнодействующая сила
природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного
взаимодействия убывает с расстоянием,
оно распространяется в пространстве и может сказываться на
весьма удаленных от источника телах. В
астрономическом масштабе гравитационное
взаимодействие, как правило, играет главную роль.
Благодаря дальнодействию гравитация
не позволяет Вселенной развалиться на
части: она удерживает планеты на орбитах,
звезды в галактиках, галактики в скоплениях,
скопления в Метагалактике.
Сила гравитации, действующая между частицами,
всегда представляет собой силу притяжения:
она стремится сблизить частицы. Гравитационное
отталкивание еще никогда не наблюдалось.
Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть
целая область, которая называется левитацией
— поиск «фактов» антигравитации.
Весьма трудно развиваются представления о квантовании
гравитации. Тем не менее, согласно общим
теоретико-физическим представлениям
гравитационное взаимодействие должно
подчиняться квантовым законам так же,
как и электромагнитное. (Иначе возникают
множественные противоречия в основаниях
современной физики, в том числе связанные
с принципом неопределенности и др.) В
таком случае гравитационному взаимодействию
должно соответствовать поле с квантом
гравитации — гравитоном (нейтральная
частица с нулевой массой покоя и спином
2). Квантовая гравитация приводит к появлению
представления о дискретности свойств
пространства-времени, понятиям элементарной
длины, кванта пространства r ? 10-33см, и элементарного временного
интервала, кванта времени t ? 10-43 сек. Последовательная квантовая
теория гравитации пока не создана.
К сожалению, возможности современной экспериментальной
гравитационной физики и астрономии не
позволяют зафиксировать квантовые эффекты гравитации
в силу их чрезвычайной слабости. Тем ни
менее явления, в которых проявляются
квантовые свойства гравитации, по-видимому,
существуют. Они проявляют себя в очень
сильных гравитационных полях, где происходят
квантовые процессы рождения частиц (точка
сингулярности, начальные моменты возникновения
Вселенной, гравитационный коллапс, черные
дыры).
Электромагнитное
взаимодействие.
По величине электрические
силы намного превосходят гравитационные,
поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия
электрические силы, действующие между телами
обычных размеров, можно легко наблюдать.
Электромагнетизм известен людям с незапамятных
времен (полярные сияния, вспышки молнии
и др.).
. Но долгое время электрические и магнитные
явления изучались независимо друг от
друга. И только в середине XIX в. Дж. К. Максвелл
объединил учения об электричестве и магнетизме
в единой теории электромагнитного поля.
А существование электрона (единицы электрического
заряда) было твердо установлено в 1890-е
гг. Затем было установлено существование
протона и позитрона, поэтому электрический
заряд в электромагнитном взаимодействии
проявляется в двух разновидностях: заряд,
присущий электрону, назван отрицательным;
заряд, присущий протону и позитрону, назван
положительным. Взаимодействие зарядов
обеспечивается обменом виртуальных фотонов.
В случае разноименных зарядов обмен создает
эффект притяжения, а в случае одноименных
– отталкивания. Но не все элементарные
частицы являются носителями электрического
заряда. Электрически нейтральны, например,
фотон и нейтрино. Этим электричество
отличается от гравитации. Все материальные
частицы создают гравитационное поле,
тогда как с электромагнитным полем связаны
только заряженные частицы.
Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы
отталкиваются, а разноименные — притягиваются.
Но в отличие от электрических зарядов магнитные полюсы
встречаются не по отдельности, а только
парами — северный полюс и южный. Еще с древнейших
времен известны попытки получить посредством разделения
магнита лишь один изолированный магнитный
полюс — монополь. Но все они заканчивались неудачей.
Может быть, существование изолированных магнитных
полюсов в природе исключено? Определенного ответа
на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные
теории допускают возможность существования
магнитного монополя.
Современная физика создала более совершенную и точную
теорию электромагнетизма, в которой учтены
и квантово-полевые аспекты явления. Эта теория
названа квантовой электродинамикой. Так же
как физике неизвестна причина существования
массы, так же и теории электромагнетизма
неизвестна природа электромагнитного
заряда. Поэтому теория начинается с постулирования
существования этого заряда. Заряд создает
поле, квантом которого служит безмассовый
бозон - фотон со спином, равным 1.
Электромагнитное поле неподвижных или равномерно
движущихся заряженных частиц неотрывно от
этих частиц. Но при ускоренном движении
частиц электромагнитное поле «отрывается»
от них и участвует в независимой форме электромагнитных
волн. При этом радиоволны (103
и т.д................. |
|
|