|
Реферат: Будущее науки (Естествознание)
I. Что нам пророчат ученные?
Шесть миллиардов жителей планеты Земля, которые готовятся
встретить 2000-й год, отчаянно пытаются представить себе, что ждет их
в новом тысячелетии.
1.1. Прогнозы в области технологий.
В ближайшие 20 лет компьютеры полностью возьмут на себя заботу о
доме. Стиральные машины будут определять нужный режим стирки, а
микроволновые печи справятся со всей стряпней. В тело человека будут
имплантированы микрочипы, которые позволят регулировать освещение и
температуру в жилых помещениях. Такие имплатанты заменят кредитные
карточки, ключи от квартиры, паспорта и водительские права.
Уже в начале века на рынок энергоресурсов поступит первая
«чистая» и «безопасная» энергия, произведенная установкой,
использующей «низкотемпературную» ядерную реакцию. Это будет означать
конец «нефтяной» эры. Все нынешние денежные единицы будут отменены.
Единицей обмена станет мегаватт-час.
В самом начале века произойдет первое клонирование человека, а в
2025-м появятся клонированные динозавры из генерированных компьютером
молекул ДНК.
В начале века один из городов в развивающихся странах будет
уничтожен в результате случайного срабатывания ядерного устройства.
После коротких дебатов в ООН все ядерное оружие на Земле будет
ликвидировано.
На околоземной орбите начнется сооружение космического отеля, а
к 2020 году произойдет первая высадка человека на Марс, которая
обернется не очень приятными сюрпризами.
Чуть позже ученые засекут инфракрасные сигналы, исходящие из
центра Галактики. Однако попытки расшифровать их потерпят неудачу.
Около 2020 года в районе Северного полюса упадет крупный
метеорит. Жертв в результате столкновения не будет, однако сильное
цунами нанесет ущерб прибрежным районам Гренландии и Канады.
Показатель средней продолжительности жизни сделает резкий
скачок. Большинство детей, родившихся в начале века, с большой
вероятностью увидят также и век следующий. Генная терапия и новейшие
лекарственные препараты будут все более популярными. У каждого
человека появится небольшое устройство вроде обычных наручных часов,
которое будет выдавать ему полную информацию о состоянии здоровья. К
2050 году будут побеждены многие серьезные заболевания. К сожалению,
относительно СПИДа с хорошими прогнозами приходится быть осторожнее.
XXI век будет отмечен распространением бесплодия и падением
рождаемости. Численность населения планеты заметно сократится к 2035
году.
Новые технологии преобразят сельское хозяйство. Биоинженерия
резко поднимет урожаи. Генетически модифицированные продукты питания
сделают пищу вкусной и действительно здоровой, выполняющей
одновременно лечебную функцию.
К 2020 году искусственный интеллект достигнет уровня интеллекта
человека. С этих пор на Земле будут присутствовать два вида
интеллектуальных существ, причем искусственные будут развиваться
гораздо быстрее биологических. Грань между производственной жизнью и
досугом сотрется. Общению с коллегами на работе будут посвящены два
дня в неделю, остальное время информационные технологии позволят
трудиться дома.
Количество террористических актов в будущем столетии возрастет,
их последствия будут гораздо более разрушительными. Некоторые
террористы получат доступ к оружию массового уничтожения.
В 2061 году вернется комета Галлея. Несмотря на столь
кардинальные изменения, человечество опять будет обуяно ужасом.
К 2100 году на грани исчезновения окажется 90% из 6 тысяч
языков, пока существующих в мире.
Кроме того, к концу столетия будут созданы космические корабли,
делающие возможными полеты со скоростью света.
В следующем столетии обострится проблема негативного воздействия
на человека разного вида применяемых в сельском хозяйстве химических и
биоинженерных препаратов, попадающих в организм человека через
продукты питания.
К числу приятных обещаний относится прогноз о том, что ядерная
энергетика станет в XXI веке безопасной, а экологически вредные
угольные и мазутные ТЭЦ потеряют свое значение.
1.2. Прогнозы метеорологов.
Футурологические прогнозы метеорологов на XXI век сводятся к
тому, что процесс глобального потепления продолжится. К концу
столетия, вероятнее всего, станет теплее на 3-4 градуса. В целом
погода останется столь же капризной, а ее предсказание – таким же
трудным.
К числу тревожных прогнозов глобального характера относится
предполагаемое истощение к 2025 году водных ресурсов Земли. Сохранится
и процесс загрязнения окружающей среды, противоядия которому будут
искать целыми институтами, но без особого успеха.
Человечество ожидает множество аномальных природных явлений и
неустойчивая, постоянно меняющаяся погода. Циклоны, тайфуны, смерчи,
наводнения, цунами и засухи останутся бичом человечества и в
технологическом XXI веке.
Особенно много таких событий ожидается в годы Дракона, каковым
является, кстати, наступающий 2000 год. Только что пронесшийся над
Западной Европой сильнейший разрушительный ураган, стал проявлением
огненного дыхания Дракона, который появляется раз в 12 лет.
В начале XXI века, как считают футурологи, произойдет
столкновение Земли с крупным – наподобие Тунгусского – метеоритом.
Такие столкновения происходят с достаточной регулярностью – видимо, по
статистике пришло время для очередного. Большинство экспертов
склоняются к тому, что в связи с траекториями близлежащих к нашей
планете метеорных потоков и комет произойдет падение метеорита в
районе Арктики, что может вызвать таяние льдов и крупное наводнение.
Многое из того, что происходит сейчас, на рубеже тысячелетий,
заставляет думать, что грядущие века будут такими же неспокойными,
как и минувшие. Семена будущего прорастают сегодня.
Геополитические, экономические, демографические и климатические
проблемы нашей планеты переплелись невероятным образом. Все согласны,
что в мире действительно происходит нечто очень важное. Процесс этот
окрестили «глобализацией», и связан он с обострившимся в последние
годы чувством единства мира и смутным ощущением, что национальные
правительства неспособны справиться с кризисами, грозящими
человечеству.
С геологической точки зрения тысяча лет – это не так уж и долго,
считает Дэвид Стивенсон, бывший президент Американского геологического
института. До 3000 года ничего неожиданного не случится. Континенты
будут все также неторопливо, со скоростью 2-4 см в столетие,
дрейфовать, некоторые горные вершины вырастут на метр-другой, другие
немного опустятся. И, тем не менее, возможны «сюрпризы». Только в
Северной Америке, по словам Стивенсона, катастрофы, сравнимые по
масштабам со взрывом вулкана Сент-Хеленс, могут произойти в Каскадных
горах, что высятся в штатах Вашингтон и Орегон. Геологи давно ждут
сильного землетрясения на Западном побережье США. В центральных
районах страны не исключено повторение катастрофы 1811 года, когда
подземные толчки на некоторое время обратили вспять воды Миссисипи.
Об угрозе глобального потепления говорят все, но скептики
опасаются, что человечество потратит огромные силы и средства впустую,
подорвав мировую экономику в борьбе с несуществующей опасностью –
связь между деятельностью человека и потеплением климата вовсе не
доказана.
Достоверно известно лишь то, что средняя температура воздуха у
земной поверхности возросла за минувшие сто лет примерно на полградуса
Цельсия, а уровень океана за это время вырос примерно на 10-20 см.
По прогнозу Межправительственной комиссии по проблемам
изменения климата, в которую входит около 2000 климатологов, в
ближайшие сто лет средняя температура на планете вырастет на 1,5-3
градуса Цельсия, а уровень океана поднимется на 0,2-1 метр.
Климатологи предупреждают: их модели не могут быть точными. Для
точного прогноза нужно вести наблюдения, по крайней мере, 1400 лет, и
по всему земному шару.
Все это не убеждает сторонников активных действий. Пока идут
споры, считают они, драгоценное время, когда еще можно что-то
предпринять, уходит. А ведь уже в ближайшие 30-50 лет, на их взгляд,
человечество столкнется с невиданной катастрофой, которая вызовет
тяжелейшие экономические и социальные последствия. Тропический климат
установится в Нью-Йорке и Бостоне, ужасные засухи поразят Средний
Запад США. С высокими температурами придут неведомые вредители,
сорняки и болезни. С каждым годом все чаще будут потрясать мир
ураганы, смерчи, наводнения, засухи. Мировой океан поглотит
Мальдивские в Индийском океане, Маршалловы – в Тихом, множество
островов Карибского моря.
1.3. Что обещают нам демографы?
Не меньше споров вызывает рост населения Земли. Хотя
апокалипсические прогнозы Мальтуса не сбылись, последствия
беспрецедентного роста населения, начавшегося в эпоху промышленной
революции и достигшего пика в шестидесятые годы XX века, до сих пор не
ясны. За минувшие сто лет население мира возросло более чем в три раза
и совсем недавно перевалило за 6 миллиардов.
Полагаться на демографические прогнозы так же опасно, как и на
климатологические. По оценке Бюро переписи населения США, к 2025 году
в мире будет жить почти 8 миллиардов человек, а к середине XXI века –
9,3 миллиарда. В дальнейшем рост численности населения замедлится и
постепенно прекратится совсем. С этим согласны все демографы. Споры
начинаются, когда речь заходит о том, где и как будут жить новые
миллиарды людей. Население возрастает почти исключительно за счет
развивающихся стран, прежде всего Китая и Индии. Скоро плотность
населения в прибрежных городах или плодородных долинах окажется просто
катастрофической.
Все это проблемы крайне сложно решить в рамках национального
государства. Они требуют согласованных подходов всего мирового
сообщества и принципиально новых решений. Самый тяжелый удар
экологический, энергетический и демографический кризисы нанесут по
слаборазвитым странам.
II. БУДУЩЕЕ РОЖДАЕТСЯ СЕГОДНЯ.
2.1. XXI век будет веком генной терапии.
Циклическая нейтропения – довольно редкое наследственное
заболевание, характерное для населения небольших стран, где возможны
кровнородственные браки. При нем в крови отсутствуют нейтрофилы –
клетки, которые борются с инфекцией. Больные дети обречены либо жить
всю свою недолгую жизнь в стерильных боксах, куда даже родным нет
доступа, либо принимать огромные дозы антибиотиков. В последние годы
разрабатывался такой метод, как донорская трансплантация костного
мозга, но она не всегда возможна из-за трудности подбора донора. При
самом хорошем лечении такие дети редко доживают до 16-17 лет.
Для переноса здоровых генов в ДНК чаще всего используется так
называемый «вирусный вектор». Здоровые гены «приклеиваются» к одному
из множества ретровирусов, которые легко интегрируются с геном
человека. Ретровирусы не патогенны, но никто не знает, как они поведут
себя в отдаленном будущем. Отличаясь высокой изменчивостью, они
способны встроиться в наследственный аппарат человека, а возможно, и
дать жизнь новым поколениям вирусов, которые будут обладать
непредсказуемыми качествами, к примеру, необычайной патогенностью. Не
станет ли сегодняшний успех началом катастрофы, которую невозможно
будет исправить – на этот вопрос у науки ответа пока нет.
Но как бы там ни было, открыта новая страница в современной
медицине – генная терапия из лабораторных экспериментов пришла в
обычную клинику.
2.2. Да будет свет!
Что общего между поэтами Гомером, Мильтоном и Асадовым, певцами Рэем
Чарльзом и Стиви Уандером? Все они слепцы. Но им не повезло не только
со зрением, но и с датой рождения. Живи они в XXI веке, медицина
сумела бы им помочь.
К такому выводу подталкивает сообщение из университета в
канадском городе Оттава. Группа исследователей под руководством
профессора Мэй Гриффит сумела впервые вырастить в лаборатории роговицу
глаза человека. Знаменитый глазной хирург Терренс О'Брайен из
Университета Джонса Хопкинса в США назвал этот результат
«вдохновляющим» и сказал, что сделан важнейший шаг в получении
искусственных роговиц для трансплантации и излечения от слепоты.
Доктор О'Брайен осторожно подчеркнул, что впереди еще годы
исследований, но они будут вестись на качественно новом уровне.
В чем новизна работы Гриффит? Человеческая роговица сложена из
пяти слоев. Первый – эпителий – восстанавливается очень быстро. Грубо
говоря, его можно ободрать и через сутки он регенерирует, как хвост у
ящерицы. Оставшиеся четыре слоя такой способностью практически не
обладают. Особенно инертен центральный, самый важный слой – так
называемая строма, где сосредоточено 0,9 всей массы роговицы. Никогда
в лаборатории клетки стромы заставить размножаться не удавалось.
Прикладное для хирургии значение сенсационного опыта состоит,
например, в том, что открывается возможность взять миниатюрный кусочек
неповрежденной роговицы больного глаза, вырастить его до нужного
размера и провести трансплантацию в том же самом глазе, что исключает
всякую вероятность отторжения из-за несовместимости тканей.
2.3. Медицинский суперкомпьютер.
IBM объявила о проекте создания самого быстродействующего в мире
компьютера, который будет использоваться для изучения строения
протеинов. Это поможет понять природу многих заболеваний и найти
методы их лечения. Бюджет проекта составляет 100 миллионов долларов.
Очередной амбициозный план IBM предусматривает разработку нового
компьютера семейства RS/6000 под названием Blue Gene, способного
выполнять свыше одного квадриллиона операций в секунду, что в 1000 раз
превышает производительность машины Deep Blue, победившей в 1997 году
чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова. Blue Gene будет работать на
основе более миллиона процессоров, каждый из которых способен
совершать миллиард операций в секунду, сообщают представители IBM.
Каждый из этих процессоров на порядок быстрее любого современного
персонального компьютера. Вся эта колоссальная вычислительная мощность
будет использоваться для моделирования построения белка из
аминокислот. Биохимия всегда была одной из наиболее ресурсоемких
областей применения для суперкомпьютерной техники. Однако до
последнего времени ее опережали такие задачи, как моделирование
глобальных климатических процессов (в том числе и для предсказания
погоды), и, разумеется, оборонные задачи – например, виртуальные
ядерные испытания.
Если новый компьютер разгадает тайну структуры протеинов, это
будет важнейший толчок для дальнейшего развития медицины и биологии.
Протеины, управляющие всей работой клеток в организме человека,
образуют очень сложные трехмерные структуры, которые и определяют их
функции. Изменение формы протеина существенно влияет на его работу, и
даже небольшое изменение формы молекулы может полностью менять его
свойства. Впрочем, изучение протеинов – не единственное из будущих
применений Blue Gene. Ученые, занимающиеся генной инженерией, уже
весьма алчно поглядывают на разработки IBM в области суперкомпьютеров.
2.4. Загадка витамина «Ф».
Фолиевая кислота, один из витаминов группы В, прежде ничем не
выделялась среди своих собратьев-витаминов. Но в последние два-три
года она стала настоящим возмутителем спокойствия. Именно недостатком
в организме человека фолата (так еще называют эту кислоту) объясняют
теперь возникновение главной болезни цивилизации (атеросклероза) и
нескольких тяжелых врожденных дефектов.
Администрация по контролю за продуктами питания и лекарствами
США недавно опубликовала заявление о возможной связи синдрома Дауна с
недостатком фолиевой кислоты в организме матери.
Синдром Дауна – тяжелое генетическое заболевание, при котором
ребенок получает от родителей лишнюю 21-ю хромосому. За это дети
расплачиваются слабоумием, замедленным развитием и прочими врожденными
пороками. Синдром Дауна встречается примерно у одного из семисот
новорожденных. По мнению биохимика Джилла Джеймса, у матерей, рожающих
таких детей, ферменты, участвующие в преобразовании фолиевой кислоты,
отличаются от нормальных.
С недостатком фолата связывают также такие тяжелые пороки
развития, как анэнцефалия (отсутствие или сильное недоразвитие
головного мозга) и расщелина позвоночника, при которой спинной мозг
частично не прикрыт. При первой болезни дети рождаются мертвыми или
неспособными к жизни, при второй – появляются на свет тяжелыми
инвалидами с параличами и нарушениями тазовых функций. Правда, бывают
и легкие варианты болезни – различные искривления позвоночника.
Сегодня в самых респектабельных медицинских журналах печатается
множество статей о теории гомоцистеинового происхождения
атеросклероза. Природное соединение гомоцистеин делает внутреннюю
поверхность сосудов более рыхлой, «шершавой». На такой поверхности
быстрее оседают холестерин и кальций, которые и образуют
атеросклеротическую бляшку. Но, в отличие от холестерина, гомоцистеин
не содержится в продуктах. Он образуется в нашем организме, живет
очень не долго, так как быстро разрушается. И происходит это двумя
способами: или с помощью фолиевой кислоты и витамина В12, или при
участии витамина В6. Теперь, представьте, что витаминов в организме
недостает. Гомоцистеин разрушается медленно, успевает навредить
сосудам. В этом сущность гомоцистеиновой теории атеросклероза.
Подсчитано, что если она подтвердится, в США фолиевая кислота будет
спасать более 50 тысяч жизней ежегодно.
2.5. «Золотой» век наступит через 50 лет.
Лауреат Нобелевской премии Ричард Смайли в прошлом году заявил в
Конгрессе США: события грядущего столетия повергнут мир в шок. А в
докладе американской Национальной академии наук, подготовленном для
правительства, утверждается, что в XXI веке произойдет самый
удивительный переворот в истории цивилизации.
Называют и «виновника» переустройства – нанотехнологии. Они
работают с объектами размером 10-9 метра. Впервые о них заговорил
около 40 лет назад знаменитый физик, нобелевский лауреат Ричард
Фейнман, предсказавший, что человек сможет конструировать материальный
мир, манипулируя атомами и молекулами, как болтами и гайками. Вскоре в
одном из рассказов Артур Кларк описал домашнюю скатерть –самобранку,
которая, беря атомы из воды и земли, готовит любые блюда.
Эти идеи казались невероятными, но прошло всего два десятка лет
и началась нанотехнологическая революция. Старт дал туннельный
микроскоп, созданный в Швейцарии. Его сверхтонкая игла движется над
поверхностью материала на расстоянии, примерно равном размеру атома.
Электрический потенциал иглы позволяет «выдернуть» с поверхности
материала один атом, перенести его в другую точку, а также
имплантировать атом другого вещества.
Один компакт-диск, изготовленный по нанотехнологии, заменит
тысячи лазерных. Из наночипов можно будет делать суперкомпьютеры
размером с ноготь, с колоссальным быстродействием и памятью, вмещающей
всю бывшую «Ленинку». По сравнению с ними нынешние «суперы» покажутся
механическими арифмометрами.
Паровая машина, затем электричество, потом компьютер породили
научно-технические революции. Нанотехнология окажет куда более
фундаментальное воздействие на цивилизацию. Она в корне изменит жизнь
общества и каждого человека. Какой будет новая экономика, экология, а
главное – человек, у которого почти не останется неудовлетворенных
потребностей? Захочет ли он работать? А с другой стороны, найдется ли
дело для миллиардов людей, если ненужными станут целые отрасли? Не
использует ли человек, в который уже раз новую технику для создания
смертоносного оружия? И тогда реализуется сценарий, описанный
Станиславом Лемом в романе «Непобедимый»: мириады жучков-роботов
носятся в воздухе, уничтожая все живое. Или на этот раз человечество
поумнеет?
2.6. Гиперболоид инженера Гарина вот-вот окажется в космосе.
Создание лазерного оружия можно сравнить с рождением оружия
ядерного. Та из стран, которая решит эту сложнейшую научно-техническую
проблему первой, получит возможность диктовать свои условия мировому
сообществу.
Последнее поколение американских космических лазеров с сопловым
блоком «Хилти» выдает 15 мегаватт и потребляет водорода и фтора как
обычный ракетный двигатель. Чтобы поразить цель, достаточно двух-трех
секунд. От одной заправки американский лазер выпускает 20-30 залпов.
Лазерное оружие будет развиваться по двум основным направлениям.
Это создание мобильных установок для выполнения тактических задач и,
главное, строительство противоракетных комплексов на базе химических
лазеров.
Как и ядерная энергия, химический лазер способен творить как
благо, так и неисчислимые беды. С его помощью можно научиться
управлять термоядерной реакцией и решить в масштабах человечества
энергетическую проблему. Мощные лазеры следят за окружающей средой.
Еще одна сугубо мирная профессия космического лазера – очищать космос
от мусора. Наконец, можно бороться с терроризмом, подавляя
труднодоступные горные базы и отрезая коммуникации.
С другой стороны, космический лазер – тоже идеальное средство
для террористических акций и диверсий. Им можно поджечь лесной массив,
перерезать ветку нефтепровода, нарушить работу навигационных систем,
телевизионного вещания и связи. Можно эффективно защищаться от
ракетных ударов противника, уничтожать его спутники. Имея три-четыре
лазерные космические платформы, любое государство сможет
контролировать все околоземное космическое пространство. Это означает
монополию на все коммерческие запуски спутников и космических
кораблей.
7. Организм, созданный с нуля.
Американские ученые из Института генетических исследований в
штате Мэриленд взяли простейшую бактерию «микоплазма гениталиум» и
уничтожали в ней один ген за другим, чтобы понять, какие именно из них
необходимы для поддержания жизни этого простейшего организма. Они
обнаружили, что бактерия жизнеспособна при наличии всего 300 генов.
Теперь руководитель группы исследователей доктор Крейг Вентер решил
создать эти гены искусственно и выстроить их в правильном порядке.
Если это удастся сделать, то тогда впервые на Земле появится
принципиально новый живой организм, созданный с нуля. «Совершенно
очевидно, что мы сможем создать новый микроорганизм, доселе не
существовавший. Мы можем по-настоящему понять одну из формул создания
жизни. Надо понимать, что таких формул существует тысячи, если не
миллионы. Так что это будет огромным прорывом в науке», - сказал
Вентер.
Практическое значение эксперимента огромно: на основе
искусственно созданной бактерии можно будет производить лекарства или
получать химикаты. Искусственно созданные бактерии могут заняться
переработкой токсичных отходов в безвредные вещества или выделением
водорода и кислорода из воды.
Однако к этому эксперименту нужно относиться с осторожностью,
так как он уводит человечество в абсолютно неведомую область, в мир,
где ученые, а затем и связанные с ними производственные компании,
смогут создавать и модулировать собственный генезис.
Литература.
1. http://www.sgi.com/nwesroom/
2. http://www.symantec.com
3. Газета «Известия» за сентябрь – декабрь 1999 года.
Реферат на тему: Вероятностный подход
ПЛАН
1. Квантовая механика
2. Вглубь материи .
3. Физические взаимодействия
Квантовая механика
Квантовая механика — это физическая теория, устанавливающая способ
описания и законы движения на микроуровне. Ее начало совпало с началом
века. М. Планк в 1900 году предположил, что свет испускается неделимыми
порциями энергии — квантами, и математически представил это в виде формулы
E=hv, где v — частота света, а h — универсальная постоянная,
характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются
вещество и излучение. В атомную теорию вошли, таким образом, прерывистые
физические величины, которые могут изменяться только скачками.
Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые
резко расходились с общепринятыми в классической физике и даже теории
относительности представлениями. Классическая физика видела свою цель в
описании объектов, существующих в пространстве и в формулировке законов,
управляющих их изменениями во времени. Но для таких явлений, как
радиоактивный распад, дифракция, испускание спектральных линий можно
утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный
объект таков и что он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет
места для законов, управляющих изменениями индивидуального объекта во
времени.
Для классической механики характерно описание частиц путем задания их
положения и скоростей и зависимости этих величин от времени. В квантовой
механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-
разному. Эксперимент с двумя отверстиями, через которые проходит электрон,
позволяет и требует применения вероятностных представлений. Нельзя сказать,
через какое отверстие пройдет данный электрон, но если их много, то можно
предположить, что часть их проходит через одно отверстие, часть — через
другое. Законы квантовой механики — законы статистического характера. «Мы
можем предсказать, сколько приблизительно атомов (радиоактивного вещества —
А. Г.) распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать... почему
именно эти отдельные атомы обречены на гибель» (Эйнштейн А., Инфельд Л.
Цит. соч.- С. 232).
В микромире господствует статистика, а не уравнения Максвелла или
законы Ньютона. «Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями во
времени» (Там же.- С. 237). Статистические законы можно применить только к
большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика
отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и
устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно
описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее
будущий путь. Волны вероятности говорят нам о вероятности встретить
электрон в том или ином месте.
В. Гейзенберг делает такой вывод: «В экспериментах с атомными
процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны,
сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные
частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или
возможностей, чем мир вещей и фактов» (Гейзенберг. Цит. соч.- С. 117).
В первой модели атома, построенной на основе экспериментального
обнаружения квантования света, H. Бор (1913 год) объяснил это явление тем,
что излучение происходит при переходе электрона с одной орбиты на другую,
при этом рождается квант света с энергией, равной разности энергий уровней,
между которыми осуществлялся переход. Так возникает линейчатый спектр —
основная особенность атомных спектров (в спектрах оказываются лишь
определенные длины волн).
Важная особенность явлений микромира заключается в том, что электрон
ведет себя подобно частице, когда движется во виеш-нем электрическом или
магнитном поле, и подобно волне, когда диф-рагирует, проходя сквозь
кристалл. Поведение потока частиц—электронов, атомов, молекул — при встрече
с препятствиями или отверстиями атомных размеров подчиняется волновым
законам: наблюдаются явления дифракции, интерференции, отражения,
преломления и т. п. Луи де Бройль предположил, что электрон — это волна
определенной длины.
Дифракция подтверждает волновую гипотезу, отсутствие увеличения
энергии выбиваемых светом частиц — квантовую. Это и получило название
корпускулярно-волнового дуализма. Как же описывать процессы в микромире,
если «нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав
только какую-либо одну из двух возможных теорий — волновую или квантовую»
(Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 215)?
Некоторые эффекты объясняются волновой теорией, некоторые другие —
квантовой. Поэтому следует использовать разные формулы и из волновой и из
квантовой теории для более полного описания процессов — таков смысл
принципа дополнительности Н. Бора. «Усилия Бора были направлены на то, что
бы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярным и
волновым, одинаковое право на существование, причем он пытался показать,
что хотя эти представления возможно исключают друг друга, однако они лишь
вместе делают возможным полное описание процессов в атоме» (Гейзенберг В.
Цит. соч.- С. 203).
С принципом дополнительности связано и так называемое «соотношение
неопределенностей», сформулированное в 1927 году Вернером Гейзенбергом, в
соответствии с которым в квантовой механике не существует состояний, в
которых и местоположение, и количество движения (произведение массы на
скорость) имели бы вполне определенное значение. Частица со строго
определенным импульсом совершенно не локализована. Чем более определенным
становится импульс, тем менее определенно ее положение.
Соотношение неопределенностей гласит, что для абсолютно точной
локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что
физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика
элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на
частицу, она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное
рождение частиц.
В более общем плане можно сказать, что только часть относящихся к
квантовой системе физических величин может иметь одновременно точные
значения, остальные величины оказываются неопределенными. Поэтому во всякой
квантовой системе не могут одновременно равняться нулю все физические
величины.
Энергию системы также, можно измерить с точностью, не превышающей
определенной величины. Причина этого — во взаимодействии системы с
измерительным прибором, который препятствует точному измерению энергии. Из
соотношения неопределенностей вытекает, что энергии возбужденных состояний
атомов, молекул, ядер не могут быть строго определенными. На этом выводе и
основана гипотеза происхождения Вселенной из «возбужденного вакуума».
Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени,
что, как пишет Гейзенберг, «наблюдение играет решающую роль в атомном
событии, и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы
ее или нет» (Гейзенберг В. Цит. соч.- С. 24). Из данного обстоятельства,
заключающегося в том, что сам измерительный прибор влияет на результаты
измерения и участвует в формировании изучаемого явления, следовало, во-
первых, представление об особой « физической реальности », которой присущ
данный феномен, а, во-вторых, представление о субъект-объектном единстве
как единстве измерительного прибора и изучаемой реальности. «Квантовая
теория уже не допускает вполне объективного описания природы» (Там же.- С.
61). Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние
оказывается неустранимым в ходе эксперимента и фиксируемым результатом
является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.
Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали: 1)
каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми
свойствами; 2) вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и
античастицы дает фотон, т. е. квант света); 3) можно предсказать место и
импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью; 4)
прибор, исследующий реальность, влияет на нее; 5) точное измерение
возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.
По существу, относительность восторжествовала и в квантовой механике,
так как ученые признали, что нельзя: 1) найти объективную истину
безотносительно от измерительного прибора; 2) знать ' одновременно и
положение и скорость частиц; 3) установить, имеем ли мы в микромире дело с
частицами или волнами. Это и есть торжество относительности в физике XX
века.
Вглубь материи
В химии элементом назвали субстанцию, которая не могла быть разложена
или расщеплена какими угодно средствами, имевшимися в то время в
распоряжении ученых: кипячением, сжиганием, растворением, смешиванием с
другими веществами. Затем в физике появилось понятие атома, заимствованное
у Демокрита (с греч. «неделимый»), которым была названа мельчайшая единица
материи, входящая в состав химического элемента. Химический элемент состоит
из одинаковых атомов.
Потом выяснилось, что сам атом состоит из элементарных частиц. В
первой модели атома, предложенной Э. Резерфордом, электроны движутся вокруг
ядра, как планеты вокруг Солнца (планетар-. ная модель атома). Установлено,
что поперечник атома составляет 10'8 см, а ядра — 10'12 см. Масса протона
больше массы электрона в 2000 раз. Плотность ядра 1014 г/см3. Превращение
химических веществ друг в друга, о чем мечтали алхимики, возможно, но для
этого нужно изменить атомное ядро, а это требует энергий в миллионы раз
превосходящих те, которые имеют место при химических процессах.
В XX веке открыто огромное количество элементарных частиц и выявлены
закономерности их взаимодействия. Их можно разделить на несколько групп:
адроны (из них состоят ядра), лептоны (электроны, нейтрино), фотоны (кванты
света без массы покоя). Фотоны и нейтрино движутся со скоростью света.
Немецкий физик П. Дирак предсказал в 1936 году существование
античастиц с той же массой, что и частицы, но зарядом противоположного
знака. К настоящему времени на ускорителях высоких энергий получены
позитроны(античастицы электронов) и антипротоны. При столкновении частица и
античастица аннигилируют с выделением фотонов — безмассовых частиц света
(вещество переходит в излучение). В результате взаимодействия фотонов могут
рождаться пары «частица — античастица».
Открытие все большего количества элементарных частиц подтвердило
взаимопревращение вещества и энергии (предсказанное, впрочем, еще
Анаксимандром), так что материя, которая прежде отождествлялась с
веществом, все больше начала походить на материю как «потенцию» в смысле
Аристотеля, которая нуждается в форме, чтобы стать вещественной
реальностью.
Понятия «химического элемента» и «элементарной частицы»
свидетельствуют о том, что и то, и другое когда-то предполагалось простым и
бесструктурным. Затем ученые перестали употреблять для каждого нового
уровня одно и то же слово элемент-неделимый и для следующего уровня взяли
ничего конкретно не значащее слово из художественного произведения «кварк».
Может так точнее и ближе к истине. Все кажется элементарным, пока не
обнаружишь его составные части. Будет ли конец возможности расщепления
определит только прогресс научного знания.
Теоретически предсказанные кварки, главной особенностью которых
является дробный заряд, были затем экспериментально найдены. По сообщениям
американских ученых в 1994 году обнаружен последний из шести
разновидностей, самый тяжелый кварк.
Физические взаимодействия
Известны четыре основных физических взаимодействия, которые определяют
структуру нашего мира: сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные.
I. Сильные взаимодействия имеют место между адронами (от греч. «адрос»
— сильный), к которым относятся барионы (греч. «ба-рис» — тяжелый) — это
нуклоны (протоны и нейтроны) и гипероны, и мезоны. Сильные взаимодействия
возможны только на больших расстояниях (радиус примерно 10"13 см.).
Одно из проявлений сильных взаимодействий — ядерные силы. Сильные
взаимодействия открыты Э. Резерфордом в 1911 году одновременно с открытием
атомного ядра (этими силами объясняется рассеяние а-частиц, проходящих
через вещество). Согласно гипотезе Юкавы (1935 г.) сильные взаимодействия
состоят в испускании промежуточной частицы — переносчика ядерных сил. Это
пи-мезон, обнаруженный в 1947 году, с массой в 6 раз меньше массы нуклона,
и найденные позже другие мезоны. Нуклоны окружены «облаками» мезонов.
Нуклоны могут приходить в возбужденное состояния- барионные резонансы
— и обмениваться при этом иными частицами. При столкновении барионов их
облака перекрываются и «возбуждаются», испуская частицы в направлении
разлетающихся облаков. Из центральной области столкновения могут
испускаться в различных направлениях более медленные вторичные частицы.
Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях
величина заряда сохраняется.
II. Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее сильного
взаимодействия. При нем происходит испускание и поглощение «частиц света» —
фотонов.
III. Слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее
гравитационного. Радиус действия на два порядка меньше радиуса сильного
взаимодействия. За счет слабого взаимодействия светит Солнце (протон
превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино). Испускаемое нейтрино обладает
огромной проницающей способностью — оно проходит через железную плиту
толщиной миллиард км. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц.
Слабое взаимодействие представляет собой не контактное взаимодействие,
а осуществляется путем обмена промежуточными тяжелыми частицами — бозонами,
аналогичными фотону. Бозон виртуален и нестабилен.
IV. Гравитационное взаимодействие во много раз слабее
электромагнитного. «Спустя 100 лет после того, как Ньютон открыл закон
тяготения, Кулон обнаружил такую же зависимость электрической силы от
расстояния. Но закон Ньютона и закон Кулона существенно различаются в
следующих двух отношениях. Гравитационное притяжение существует всегда, в
то время как электрические силы существуют только в том случае, если тела
обладают электрическими зарядами. В законе тяготения имеется только
притяжение, а электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать»
(Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 65).
Одна из главных задач современной физики — создать общую теорию поля и
физических взаимоотношений. Но действительное развитие науки далеко не
всегда совпадает с планируемым.
Новый диалог с природой возникает и в результате изучения механизмов
эволюции неживых систем в новой науке — синергетике. «Установившееся в
результате ее (науки — А. Г.) успехов, ставшее для европейцев традиционным
видение мира — взгляд со стороны. Человек ставит опыты, ищет объяснение их
результатам, но сам себя частью изучаемой природы не считает. Он — вне ее,
выше. Теперь же начинают изучать природу изнутри, учитывать и наше личное
присутствие во Вселенной, принимать во внимание наши чувства и эмоции» (И.
Пригожин. Краткий миг торжества.- С. 315).
Список литературы
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.
Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.
Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.
Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1994.
Мечников Л. И. Цивилизация и великие исторические реки. М., 1995.
Селье Г. От мечты к открытию. М., 1987.
Краткий миг торжества. М., 1989.
| |
