Эволюция в живой природе

Основные характеристики паттернов - устойчивых, хорошо различаемых форм, - свойственных минералам, имеются и у растений и в животном мире. Можно предположить, что дендритные (внешне напоминающие растения) и спиралеобразные формы неслучайно встречаются и в живой, и в неживой природе (дендритные кристаллы, рога у животных и спиралевидные молекулы). Фундаментальный в живой природе процесс сегментации протекает и в царстве минералов. Без эволюции минералов эволюция клеток могла не состояться. И в процессе роста кристаллов, и в процессе роста организмов велика роль поверхности. Кристаллизация минералов обладает практически всеми чертами репликации органических молекул. Типы симметрии, характерные для живого, произошли от соответствующих свойств молекул и минералов. И там, и там имеются и существенное различие правого и левого, и существуют спиралевидные формы. Долгое время считалось, что у кристаллов имеются оси симметрии лишь 1, 2, 3, 4, и 6-го порядка, в то время, как для живого (существа) характерна ось симметрии 5-го порядка. И в связи с этим указывалось на то, что, скажем, треугольниками, квадратами и шестиугольниками можно замостить плоскость (океанского дна) без промежутков, что и приведет к неподвижности образовавшейся поверхности. В то же время пятиугольниками замостить плоскость без просветов нельзя, и пятиугольные формы могли проявить подвижность и, таким образом, сделать первый шаг в сторону живого. Однако теперь известны квазикристаллы, обладающие осью симметрии 5-го порядка, и таким образом "симметрийный разрыв" между мирами живого и неживого заполнился.

Живая клетка - единица органического мира - образуется в процессе самосборки. Но можно наблюдать это явление на всех уровнях организации материи: от первозданных элементов до человеческих сообществ. Самосборка детерминирована определенными правилами, и разнообразие получающихся форм есть результат комбинаций исходных элементов. Даже мутационный процесс не полностью случаен, но ограничен составом и формой нуклеиновых кислот и белков.

Основная мысль теории автоэволюции состоит в том, что как в основе эволюции частиц, химических элементов и минералов, предшествующей биологической эволюции, так и в ней самой лежат физические и химические факторы. Физические - это электромагнетизм (взаимодействие атомов и молекул, фотосинтез, прохождение нервного импульса), теплота (возможность протекания и интенсификация процессов), гравитация (слоистость расположения атомарных и молекулярных комплексов). Химические состоят в частности в том, что в состав живых организмов входит только порядка тридцати основных органических молекул, а все существенно необходимые для жизнедеятельности растений элементы находятся в начале периодической системы.

Одним из глубоких и важных для мировоззрения является вопрос о существовании цели эволюции - ее телеологичности и содержании этой цели. Самомнению человека трудно допустить как то, что он просто не слишком удачная обезьяна, выжившая в результате естественного отбора, так и то, что он есть проявление взаимодействия формы и функции со всем набором физических и химических факторов. Акт Божественного творения представляется более предпочтительным, однако, естественнонаучный подход требует исследовать этот вопрос с той же тщательностью, с какой ищутся все корни математического уравнения, и если есть возможность найти ответ без привлечения принципиально непознаваемого, сделать это.

Рассмотрим один из возможных вариантов, при котором возникновение человека является обусловленным, и биологическая эволюция имеет цель. Будем называть потенциально живыми те вечные (при определенных постоянных условиях) химические соединения, которые присутствуют в ядрах клеток всех живых существ, и актуально живыми те связанные с ними биологические единицы, которые претерпевают смерть, то есть разрушение и распад. Отметим затем, что только 2% молекулы ДНК, определяющей наследование свойств, связаны с признаками, то есть определяют фенотип живого существа, а остальные 98% ни с чем испытывающим воздействие среды, окружающей актуально живое существо, не связаны. При этом они передаются из поколения в поколение. Тогда вопрос состоит в том, почему потенциально живое превращается в актуально живое и зачем удерживается во времени наибольшая из двух часть наследуемой информации.

Для ответа на первый из этих вопросов прибегнем к аналогии из техники. Как поступает конструктор, когда ему требуется обеспечить безусловное выполнение какой-либо функции устройства? Конечно, он требует, чтобы все детали были выполнены из высококачественных материалов. Однако стопроцентной гарантии это не дает, поскольку имеется риск случайного дефекта (трещинки в отливке) или изменения окружающих условий. Поэтому применяется принудительная периодическая замена деталей конструкции. Это позволяет и вносить изменения в материалы или части конструкции при изменении внешних условий. Таким образом, возможный смысл превращения потенциально живого в актуально живое состоит в том, чтобы использовать постоянно возобновляемое и заменяемое устройство для того, чтобы обеспечить выполнение некоторой важной функции. Приспособление к окружающей среде происходит буквально и именно за счет фенотипических признаков.

Что же происходит помимо этого? Сохраняется информация, записанная в ДНК-кодах, не связанных с признаками. Она довольно велика. Длина одной молекулы ДНК достигает нескольких сот тысяч звеньев. Этих звеньев насчитывается двадцать типов, и возможно рассмотреть их последовательность в качестве текста и счесть ее посланием. Но кому и от кого? Тому, кто прочтет. Пославший же, вероятно, подписался в конце. Но где взять того, кто прочтет? Адресат, обладающий мозгом-дешифратором, может быть сформирован самим посланием в процессе биологической эволюции, живое усложняется по мере своего развития. Это напоминает известную гипотезу панспермии, когда зачатки живого, какие-нибудь вирусы или бактерии, способные существовать в условиях космического пространства, путешествуют по нему, как споры или пыльца в атмосфере Земли, пока не попадут в условия, благоприятные для эволюции. В данном случае панспермия оказывается целенаправленной, то есть содержит в себе не просто возможность для развития жизни, но и предпосылки для создания мозга, способного к прочтению послания. Прочитавший его - фактически создавший, приписавший и обнаруживший смысл, станет одновременно и автором, и адресатом. Текст может содержать, например, приглашение к галактическому сотрудничеству и указывать средства к его реализации.

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.

Странность его обусловлена принадлежностью к микромиру. Но в микромире имеются и другие объекты. Например, электрон. До гипотезы Планка электрон считался частицей. Но Де-Бройль предположил, что, как у волны микромира обнаружились корпускулярные свойства, так и у частицы микромира могут быть волновые свойства, и указал, как связаны между собой длина волны и количество движения частицы. И Дэвиссон и Джермер пронаблюдали дифракцию потока электронов на кристаллической решетке никеля, причем характеризующая дифракцию длина волны в точности соответствовала скоростям электронов. Работы Шредингера и Гейзенберга превратили обычную механику в волновую, основным понятием которой стала так называемая волновая функция, с помощью которой можно было предсказать вероятность обнаружения микрочастицы в том или ином месте пространства. Все смешалось. Избежав ультрафиолетовой катастрофы, физика вступила в новый этап, где результаты перестали быть наглядными, но тем не менее остались предсказуемыми. (Привлекая авиационную аналогию, можно сказать, что при подлете к грозовому фронту от визуального полета перешли к полету по приборам, с закрытыми шторками. И пока летим.). Практическая реализация концепции квантов происходит в любом из современных электронных приборов.

Обсудим важные мировоззренческие следствия квантовой теории. Как выполняется любое наблюдение? Условно говоря, свет падает на тот объект, за которым мы следим, отражается от него и попадает к нам в глаза. Любой макроскопический объект настолько превосходит микрообъект (в данном случае фотон), что говорить о воздействии этого падающего света на сам объект не приходится. Но если мы и следим за каким-нибудь электроном? Ведь фотон, который на него падает, перед тем как отразиться и попасть в глаз, вполне сравним по характеристикам с электроном и, налетев на него, изменит его движение весьма значительно. Что же мы узнаем об электроне из такого опыта? Видимо, только то, что электрон был в той точке, где произошла встреча с фотоном. Но что с ним станет потом, куда он полетит, сказать невозможно. Если же попытаться воздействовать на электрон как можно слабее, чтобы не изменить его поведение и получить возможность предсказать его дальнейшее движение, то есть взять низкоэнергичный фотон с большой длиной волны, то тогда место их встречи будет известно нам с малой точностью (определяемой в данном случае длиной волны). Таким образом, точного знания и положения, и параметров движения электрона одновременно получить не удается. Чем точнее мы узнаем одно, тем менее точно другое. Это утверждение составляет принцип неопределенности Гейзенберга, кладущий ограничение на наши возможности в познании микромира.

Любопытно, что по сравнению с термодинамикой роль теории вероятности в квантовой теории стала более фундаментальной - фактически у математических понятий появился физический смысл. Если раньше теория вероятности использовалась в основном для статистического осреднения параметров систем, содержащих большое количество частиц, то теперь даже одна частица перемещалась в пространстве так или иначе лишь с определенной вероятностью, понятие траектории перестало иметь смысл.

Следующей важной концепцией, приобретшей конкретные черты в связи с появлением квантовой теории, была концепция атома. В начале века эту неделимую частицу представляли себе в виде капли положительно заряженной жидкости, в которой плавали отрицательно заряженные электроны. В целом атом был электрически нейтрален и весьма устойчив. Такая модель в общем неплохо описывала наблюдаемые свойства, за исключением спектров излучения или поглощения. Если газ атомов подвергнуть воздействию, например, пропустить электрический разряд через этот газ, то атомы испускают электромагнитное излучение. Такое излучение (световое) можно видеть в газоразрядных трубках. Оказалось, что испускаемый свет имеет не сплошной спектр, как, скажем, Солнце или лампа накаливания, а линейчатый, то есть в нем присутствуют лишь линии определенных длин волн (частот, цветов). Если взять водород, в атоме которого имеется только один электрон, то с помощью капельной модели можно предсказать появление линии излучения, но только одной. Электрон мог бы колебаться в окружающей положительной жидкости и в соответствии с теорией Максвелла испускать электромагнитную волну. Но лишь одной частоты. Бальмер же в эксперименте обнаружил целую серию линий различных частот. Мало того, и в инфракрасной, и в ультрафиолетовой областях также обнаружились серии линий излучения. Известный опыт Резерфорда, в котором положительно заряженные альфа-частицы пролетали сквозь вещество фольги, практически не отклоняясь (только малая часть их отражалась в обратную сторону), решительно противоречил капельной модели атома. Резерфорд предположил, что атом представляет собой динамическую систему наподобие солнечной: вместо Солнца в центре находится массивное положительно заряженное ядро (это от него отскакивают налетающие положительные частицы), а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Таким образом, большая часть атома оказывается пустой - через нее-то и летят пролетающие частицы. Но классическая электродинамика не допускает устойчивого существования подобной системы. Движущийся ускоренно заряд, а вращающийся по орбите электрон именно таким и является, испускает энергию и должен очень быстро упасть на ядро, что соответствует "исчезновению" атома, похожего на солнечную систему. Но атом устойчив. Нильс Бор сформулировал новый постулат. Он провозгласил, что законы микромира и здесь отличаются от законов макромира, и электрон в атоме может двигаться по орбите и не излучать. Но не по всякой орбите, а только по такой, длина которой соответствует целому числу длин волн Де-Бройля, соответствующих движущемуся электрону. Ясно, что разным скоростям движения будут соответствовать разные радиусы орбит. Если же электрон каким-то образом (скажем, под воздействием внешнего поля) перескакивает с орбиты на орбиту, то его энергия (точнее, энергия атома в целом) меняется, а разность этих энергий излучается (или поглощается) в виде кванта с частотой, определяемой согласно Планку. Расчет привел к блестящему согласию с экспериментальными результатами Бальмера. Таким образом, был установлен еще один закон микромира, противоречащий здравому смыслу, но позволяющий точно предсказать поведение микросистем.

Открытое в конце прошлого века Беккерелем, а затем исследованное Пьером и Мари Кюри, Резерфордом, Чедвиком, Ферми явление радиоактивности, указало на сложный состав "атома", и микромир обогатился новыми обитателями - протонами, нейтронами, нейтрино и другими элементарными частицами. Все они подчинялись неочевидным законам квантовой механики.

Наиболее важной отличительной чертой новой физики явилась именно ее концептуальная основа, основа на концепции, принципиально неустранимый разрыв между входными условиями и наблюдаемыми результатами, требующий построения аксиоматической теории. Именно об этом шла речь во Введении, когда обсуждался "эксперимент на расстоянии". Одновременно возник важный вопрос, который ранее не обсуждался во всей полноте: что такое измерение? Что именно и как мы измеряем, когда измеряем что-то?

Одновременно с исследованием микромира велся поиск эфира, в котором могли бы распространяться электромагнитные волны. В конце прошлого века техника эксперимента достигла такого уровня, что стало возможным обнаружить разницу в 30 км/сек на фоне 300000 км/сек. Это означало, что если Земля летит сквозь неподвижный эфир, в котором распространяются световые сигналы, то, излучая их вдоль направления движения Земли и поперек этого направления (с учетом сложения скоростей света и Земли по Галилею), мы можем обнаружить разницу во временах прохождения одинаковых путей. (Точно так же время движения катера туда и обратно вдоль течения реки больше времени движения того же катера туда и обратно на такое же расстояние поперек течения реки). Наличие разницы свидетельствовало бы о том, что эфир есть (Земля - берег, эфир - текущая река, свет - катер). В 1887 году Майкельсон и Морли поставили соответствующий опыт, но разницы времен обнаружено не было. Впоследствие подобные попытки с использованием все более совершенной аппаратуры повторялись, но с тем же результатом. Эфира нет? По крайней мере, он, по-видимому, не является носителем электромагнитных возмущений. В противном же случае остается лишь предположить, и это сделали Лоренц и Фицджеральд, что все тела, движущиеся сквозь эфир, сокращают свои размеры вдоль направления движения. В этом случае эфир становится принципиально ненаблюдаемым, и никакой абсолютной системы отсчета не оказывается.

Сложившаяся ситуация позволяет (требует?) ужесточить принцип относительности Галилея и заявить, что никаким физическим экспериментом невозможно установить, которая из инерциальных систем отсчета движется, хотя пока что мы убедились в этом только для оптических экспериментов. Но, как и в случае с моделью атома Резерфорда, это приводит к логическому противоречию: из опыта Майкельсона-Морли следует, что выделенной системы отсчета нет, и, оставаясь в рамках классической физики и пользуясь обычной формулой Галилея для сложения скоростей, мы должны были бы честно сложить скорости света и Земли. Но тогда опыт Майкельсона-Морли должен был бы дать другой результат. Значит, как и в случае микромира, необходим новый постулат.

Его сформулировал А.Эйнштейн: скорость света, т.е. скорость перемещения возмущения электромагнитного поля, измеренная из любой инерциальной системы отсчета, имеет одно и то же значение независимо от относительного движения систем. Принять (и воспринять) его сложнее, чем постулат Бора, поскольку восприятие движения волн (хоть и не световых) входит в повседневный опыт человека, в отличие от восприятия поведения микрочастиц. Отчасти справиться с недоумением по поводу этого странного утверждения о независимости скорости света от системы ее отсчета можно, подумав о следующей аналогии: скорость звука не меняется в зависимости от того, измерим ли мы ее с разбега или стоя неподвижно. Частота звука - да, меняется, и все слышали, как меняется тон гудка локомотива, когда он проезжает мимо. Но скорость звука, испускаемого гудящим локомотивом, измерим ли мы ее, находясь в едущем вагоне или стоя на платформе, остается той же. Этот пример не эквивалентен ситуации со светом (уже потому, что звук распространяется в среде, которой для света не нашлось), но схож с ней.

Теперь для того, чтобы последовательно описывать наблюдаемые явления, приходится посягнуть на такие фундаментальные характеристики, как пространственные размеры и течение времени: следствием двух новых постулатов (уточненного принципа относительности и независимости скорости света от инерциального движения системы отсчета) является то, что размеры объектов и времена процессов зависят от того, по отношению к какой системе отсчета - движущейся или неподвижной относительно наблюдаемого объекта или явления - мы их измеряем. Это было осознано А.Эйнштейном в 1905 году и легло в основу так называемой специальной теории относительности.

Обсудим понятие одновременности и соотношение "раньше-позже" в рамках постулата о независимости скорости света от движения системы ее отсчета. Рассмотрим поезд, двигающийся с постоянной скоростью мимо платформы. Посредине поезда стоит проводник, в голове и хвосте поезда на одинаковом расстоянии от середины находятся два фонаря. На платформе стоит проверяющий. Пусть в тот момент, когда едущий проводник находится точно против неподвижного проверяющего, оба они видят, что фонари одновременно вспыхнули. Скорость света хоть и велика, но конечна. Вопрос: что скажут проводник и проверяющий, заранее предупрежденные о независимости скорости света, о последовательности вспышек фонарей? Проводник, наблюдая вспышки одновременно и учитывая, что свету предстояло пройти одинаковые расстояния от неподвижных в его системе отсчета фонарей до него, скажет, что фонари поезда вспыхнули одновременно. Проверяющий, наблюдая вспышки одновременно и учитывая, что фонари движутся относительно него, а скорость света конечна, скажет, что, раз свет дошел до него одновременно, а испущен-то он был несколько раньше, когда задний фонарь был от проверяющего дальше, свету от заднего фонаря предстояло пройти большее расстояние. И, чтобы сигналы добрались до проверяющего одновременно, задний фонарь поезда вспыхнул раньше. Пусть теперь над поездом вдоль рельсов, опережая поезд, летит самолет, и летчик оказывается над проверяющим в тот момент, когда мимо того проезжает проводник. Летчик тоже видит одновременные вспышки, но, рассуждая таким же образом, как проверяющий, он скажет, что передний фонарь поезда вспыхнул раньше. Трое наблюдателей, находясь в одной точке в один и тот же момент времени увидели одно и то же, но дали различное заключение о происшедшем. В наблюдение, а, значит, и в измерение неизбежно входит трактовка, интерпретация, выполняемая с учетом каких-то дополнительных обстоятельств (в данном случае конечности скорости света и постулата о независимости его скорости). Опять-таки стоит вспомнить Введение, а также аргументацию Фейерабенда о языке наблюдений, упомянутую в главе 1.

Есть, однако, еще один важный момент. Все эти новые труднопредставимые обстоятельства необходимо согласовать с принципом причинности. Следствие никак не может быть раньше причины. Поэтому, если вспышки самих фонарей связаны причинно-следственной связью (как выстрел и попадание пули в мишень), то приведенные рассуждения о "раньше-позже" необходимо соответствующим образом уточнить, чтобы не прийти к абсурду. Оказывается, что принцип причинности не будет нарушен, если скорость целенаправленной передачи информации от причины к следствию (скорость "полета пули") не превосходит скорости света. Тогда в любых системах отсчета причина будет предшествовать следствию. Таким образом, оказывается, что в окружающем нас постижимом мире существует предельная скорость - скорость света, и никакой материальный носитель информации не может перемещаться быстрее.

Проводя дотошные рассуждения подобного рода, можно убедиться в том, что понятие одновременности будет играть важную роль и при измерении длин отрезков в различных системах отсчета. Как измерить длину отрезка в движущейся системе? Ведь линейку надо приложить к обоим его концам одновременно! В нашем примере получится, что длина вагона, которую измерит едущий в нем проводник, будет отличаться от длины этого же вагона, которую измерит с платформы проверяющий, и от длины этого вагона, которую измерит летчик самолета, причем два последних результата будут зависеть от скоростей систем отсчета относительно вагона. То есть никакой абсолютной длины предмет не имеет. Именно потому, что необходимо договориться о том, как мы будем экспериментально проверять высказанные по этому поводу мнения. Между прочим, получится, что при измерении длины предмета (вагона), движущегося мимо нас, мы получим меньшую величину, чем при измерении того же предмета, когда мы неподвижны относительно него (находимся в вагоне). Это напоминает Лоренцево сокращение, но не является им, поскольку у Лоренца речь шла о физическом изменении длин движущихся предметов, здесь же мы говорим лишь о нашей способности договориться при экспериментальной проверке.

Нечто подобное происходит и при измерении промежутков времени в той или иной системе. Таким образом, такие фундаментальные в классической физике понятия, как пространство и время, выступают как предметы договоренности, как только мы собираемся экспериментально определять их количественные меры.

Дальнейшее развитие этих идей привело А.Эйнштейна к созданию общей теории относительности, также называемой теорией гравитации или геометродинамикой, согласно которой гравитационное "притяжение" тел является лишь наблюдаемым эффектом, в основе которого лежит геометрия нашего пространства, точнее единого пространства-времени. Находящиеся в нем массы искривляют его подобно тому, как прогибается двумерная упругая мембрана, если положить на нее тяжелый шарик: вталкивая в получившийся "раструб воронки" еще один шарик, мы увидим, как он скатится к первому или будет кружить вокруг него ("под действием сил гравитационного притяжения", - полагал Ньютон). Нечто подобное, согласно общей теории относительности, происходит и в случае трехмерного пространства. Предсказания этой странной теории подтвердились при измерении скорости поворота большой полуоси эллиптической орбиты Меркурия при его движении вокруг Солнца. Кроме того, из этой теории следует, что лучи света должны были бы отклоняться при прохождении мимо массивного тела вроде звезды. При соответствующих измерениях во время Солнечного затмения это было зарегистрировано. В настоящее время релятивистские эффекты непосредственно учитываются при конструировании спутниковых систем GPS (Global Positioning System), обеспечивающих навигацию на поверхности Земного шара с высокой точностью. Существование (гипотетических) загадочных черных дыр, обсуждавшихся в главе 2, также следует из этой теории.

В заключение этой главы скажем несколько слов о концепции, возникшей в последней четверти нашего века и ставшей своеобразным связующим звеном между мирами живой и неживой природы. Оказалось, что если от рассмотрения замкнутых систем многих тел перейти к рассмотрению открытых, то есть таких, которые тем или иным способом обмениваются энергией с окружающей средой, то возможно усиление флуктуаций, в результате которого в хаотической системе возникает упорядоченность, структура. Пожалуй, наиболее наглядным примером является образование перистых облаков. Облака - это мельчайшие частички жидкой воды или твердого льда, находящиеся в сложной системе воздушных потоков, и обычное кучевое облако, несмотря на опознаваемую форму (паттерн), структуры все же не имеет. Однако в определенных условиях она возникает, и появляются перистые облака с правильным чередованием равноотстоящих перьев. Это так называемый кооперативный эффект. Нечто подобное происходит и в такой непохожей системе, как лазер, где в результате кооперативного эффекта происходит согласованное излучение электромагнитных волн. С этой точки зрения процессы лазерной генерации были исследованы Г.Хакеном. И в случае фазовых переходов, сопровождающихся сменой симметрии, также играют роль кооперативные эффекты, и в химических реакциях особого рода. Такое совместное взаимодействие частиц с образованием структур получило название синергетики.

Большой вклад в исследование коллективных явлений в открытых системах был сделан И.Пригожиным, разработавшим так называемую нелинейную динамику и доказавшим, что неравновесие в термодинамической системе может быть причиной возникновения порядка. Таким образом, налицо образование структур в неживой материи, то есть свойство, которое считалось присущим лишь живому веществу. Самоорганизация проявляется в форме гигантской коллективной флуктуации, поведение которой не может быть описано в рамках традиционной статистической физики. В состоянии такого перехода элементы системы ведут себя коррелировано, хотя до этого они пребывали в хаотическом движении.

Наконец, Тома разработал теорию катастроф - скачкообразных изменений, возникающих в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий, - накопление мелких незначительных воздействий в конце концов вызывает лавинообразный срыв. Примером такого сорта явлений является накопление песка, высыпающегося тонкой струйкой на поверхность: сначала он просто рассыпается по ней, затем вырастает конус и в какой-то момент, когда количество песка в верхней части конуса превысит критическое значение, происходит обвал, а затем вновь наступает равновесие и накопление новой массы сверху. Эта теория дает универсальный метод исследования всех скачкообразных переходов, разрывов, внезапных качественных изменений.

Глава 6

Ноосфера

Геосфера и биосфера; биогенный характер природы; цефализация; ноосфера.

Материал этой главы было бы вполне уместно рассмотреть в любой из трех предшествующих глав. Основой его служит геологический и геохимический анализ земной поверхности с учетом взаимного влияния живой и неживой природы друг на друга. Происшедшая эволюция привела к возникновению такого биологического вида, как человек, ставшего мощным природопреобразующим фактором и начинающего теоретически (второй уровень отражения) осознавать свою роль в окружающем космосе. Выделение концепции ноосферы в отдельную главу кажется оправданным, благодаря тому, что в процессе своего развития эта концепция превращается из чисто естественнонаучной в мировоззренческую, философскую и поэтому смыкается с вопросами, затронутыми во Введении.

Планета Земля, земной шар, представляет собой геологическое образование, продукт астрофизических, физических и химических процессов, протекавших на протяжении нескольких миллиардов лет. Во второй и третьей главах вкратце упоминалось о том, как происходит формирование и развитие планет и, в частности, Земли. Минералогическая эволюция на нашей планете (см. главы 3-4) изучена достаточно глубоко, что позволяет установить закономерности распределения вещества ее недр на различных уровнях. Имеет смысл, однако, отдельно рассмотреть сначала часть нашей планеты, связанную с процессами жизнедеятельности разнообразных существ. Впервые это было сделано в конце ХIХ века В.В.Докучаевым, создавшим науку о почве. Почва - самостоятельное естественно-историческое тело природы, объединение приповерхностных процессов, связывающих в одно целое горные породы, рыхлые отложения, циркулирующие в них воды, произрастающие на них растения и гумусированные их остатки (плодородный перегной), населенные микроорганизмами. Взгляды Докучаева были восприняты и развиты В.И.Вернадским, создавшим в начале ХХ века учение о биосфере, раскрывающее огромную роль микроорганизмов, растений и животных в перемещении химических элементов в земной коре. Понятие биосфера шире, чем понятие почва, поскольку помимо последней включает в себя и тропосферу с прилегающей нижней стратосферой, и океаны, моря и другие водоемы, и верхние слои литосферы земного шара, и населяющие все эти области живые существа от простейших бактерий до человека - в общем все, что так или иначе связано с жизнью и продуктами жизнедеятельности. По мере развития экспериментальных средств определения возраста горных пород (радиоуглеродный метод) следы жизни обнаруживались на Земле все раньше и раньше. Сообщества микроорганизмов встречаются в породах, имеющих возраст порядка 4 млрд. лет. Это дало Вернадскому возможность прийти к выводу, что возраст существования жизни на Земле сравним с геологическим возрастом нашей планеты. Вопрос, таким образом, состоит в том, не предшествует ли жизнь как явление самому возникновению нашей планеты. Вернадский утверждает, что время существования планеты совпадает со временем существования на ней жизни. Несмотря на многолетние целенаправленные усилия, до сих пор не удалось получить живое из неживого, в то время как число примеров происхождения неживого из живого возрастает. Не только атмосфера Земли, сложившаяся в результате процессов фотосинтеза у растений, но и горные породы, и ископаемые (а возможно, и гидросфера) - есть продукт биосферы, результат жизнедеятельности растений, бактерий и животных. Таким образом, можно говорить о биогенном характере окружающей нас природы. Вернадский полагал жизнь космическим явлением, ее зародыши привносились на Землю извне постоянно, но укрепились и получили мощное развитие на Земле лишь тогда, когда на ней сложились благоприятные условия. Вместе с тем, вся геологическая история Земли протекала при участии и под воздействием биогенных факторов.

Между тем, биологическая эволюция, как мы ее себе представляем, имеет выраженное направление, обусловленное усложнением возникающих живых структур. Наиболее ярко это проявляется в изменениях нервной системы, приведших к возникновению такого сложного устройства, как головной мозг. Еще в конце прошлого века Дж.Дана говорил о цефализации в процессе эволюции. Как уже говорилось, мозг человека является наиболее сложной из всех известных систем. Человек и человечество выделяются из всей остальной биосферы и приобретают характер самостоятельного феномена. Создание новых культурных видов растений и животных, преобразование окружающей среды в своих целях имело и имеет огромное, фактически геологическое значение для биосферы. Таким образом, для характеристики современной геологической стадии развития биосферы можно говорить о ноосфере, то есть сфере разума. Масса биологического вида Homo Sapiens в целом ничтожно мала не только по сравнению с массой всей биосферы, но и по сравнению с массой всех остальных живых существ. Однако роль этого вида как природопреобразующего фактора огромна. П.Тейяр де Шарден определил ноосферу как одну из стадий эволюции мира, а движущей силой эволюции он считал целеустремленное сознание. Вернадский же полагал сознание лишь закономерным результатом развития биосферы. Вне зависимости от того, считать ли воздействие сознания на природу целеустремленным или полагать его возникшим в результате закономерностей эволюции, однажды возникнув, оно оказывает неустранимое и все возрастающее воздействие на биосферу вследствие трудовой деятельности человека. Уже на наших глазах это воздействие становится решающим. Недаром вопросы экологии и охраны окружающей среды сегодня являются важнейшими, не говоря уже о том, что достижения разума (?) привели к возможности практически мгновенного уничтожения жизни на планете. Основной тезис Вернадского состоял в том, что на определенном этапе развития биосферы она трансформируется в ноосферу, и человеческая цивилизация должна принять на себя ответственность за дальнейший ход эволюции космического типа: интеллект, а не естественная стихия должны управлять дальнейшей судьбой мира, в котором живет человек.

Вытекающие отсюда важнейшие вопросы этики и организации трудовой деятельности человечества не являются предметом данного курса. Говорить о "плановом развитии" человеческого хозяйства в космических масштабах, по-видимому, преждевременно. Важно, однако, подчеркнуть ту роль теоретического познания, которая неизбежно проявит себя в процессе дальнейшей человеческой истории. В зависимости от того, какие естественнонаучные концепции будут полагаться в основу наших знаний о природе, а, значит, и в основу дальнейшей как познавательной, так и практической деятельности человека, направление дальнейшего развития человеческой цивилизации будет тем или иным. Сознание, осознавшее собственное могущество, могущественно вдвойне.

Литература

1. Анфилов Г. Бегство от удивлений. М.:Дет.лит., 1974

2. Вернадский В.И. Собр.соч., М.,1995.

3. Грин Н., Стаут У., Тэйлор Д. Биология. М.:Мир, 1990.

4. Докинз Р. Эгоистичный ген. М.:Мир, 1993.

5. Ичас М. О природе живого: механизмы и смысл. М.:Мир, 1994.

6. Лима-де-Фариа А. Эволюция без отбора. М.:Мир, 1995.

7. Кауфман У. Планеты и луны. М.:Мир, 1982.

8. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.:Мир, 1988.

9. Кун Т. Структура научных революций. М.:Прогресс, 1977.

10. Купер Л. Физика для всех. М.:Мир, 1974.

11. Никифоров А.Л. Философия науки: история и методология. М., 1998

12. Пайерлс Р.Е. Законы природы. М.,1962.

13. Поппер К. Логика научного открытия. М.,1994.

14. Пригожин И. От существующего к возникающему: время и сложность в физических науках. М.:Наука, 1985.

15. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.:Культура и спорт, 1997

16. Сипаров С.В. Телеология эволюции. Silentium N3, СПб, 1996.

17. Сипаров С.В. Физический мир как функция сознания наблюдателя. Размышления о хаосе. СПб, 1997.

18. S.V.Siparov. Inversion in the cognition process and the reorganization of human personality. Proc.Conf."The Concept of Nature in Science and Theology". Munich, 1994.

19. S.V.Siparov. Conventional character of physical theories. Proc.Conf. "Physical Interpretations of Relativity Theory". London, 1996.

20. ТарлингД., Тарлинг М. Движущиеся материки. М.:Мир, 1973.

21. Тэйлор Э., Уилер Дж. Физика пространства-времени. М.:Мир, 1971.

22. Уотсон Дж. Двойная спираль. М., 1969.

23. Фейнман Р. Лекции по физике. М.:Мир, 1967.

24. Фейнман Р. Характер физических законов. М.:Мир, 1968.

25. Хакен Г. Синергетика. М.:Мир, 1985.

26. Чернин А.Д. Звезды и физика. М.:Наука, 1994.

27. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М.:Наука, 1987.

28. Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь, смерть. М., 1984.

29. Шредингер Э. Что такое жизнь: с точки зрения физика. М.:Атомиздат, 1972.

30. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М.:Наука, 1965.

Сетература

1. Со-знание. so-znanie.bsd.st.

Дата добавления: 2014-01-07