Из научно-популярной энциклопедии Джеймса Трефила «Cassel's Laws of Nature: An A–Z of Laws and Principles Governing the
Workings of Our Universe»
Нулевая
гипотеза
Проводя
статистическое исследование, необходимо учитывать, что никакой закономерности
может и не быть.
Проводя
научный эксперимент, мы анализируем полученную информацию, чтобы иметь
возможность выбирать между гипотезами. К примеру, если вы полагаете, что
природа должна вести себя в данной ситуации таким-то образом, и проводите
эксперимент, чтобы это доказать или опровергнуть, вы ведь хотите иметь
возможность заявить, что экспериментальные данные подтверждают вашу гипотезу, а
не чью-либо еще. Иными словами, мы ожидаем, что данные докажут ту, а не иную
зависимость результатов эксперимента от переменных. В большинстве случаев не
существует единственного «чистого» эксперимента, так что нам приходится
многократно повторять измерения, чтобы получить гарантию достоверности
результата. Поэтому мы часто нуждаемся в статистическом анализе полученной
информации. Часто оказывается, что результат зависит от множества факторов. В
этом случае нам необходимо отделить главные из них от второстепенных — зерно от
шелухи.
Например,
когда ученый хочет найти связь между курением и раком легких, ему не достаточно
найти одного курильщика, получившего (или не получившего) рак легких. Должен
быть собран и проанализирован значительный объем данных, прежде чем этот ученый
сможет утверждать, что между курением и раком легких существует зависимость. В
исследованиях такого рода нулевая гипотеза играет ключевую роль. Нулевая
гипотеза — это, по сути, предположение, что результата — конечной цели любого
исследования — не существует. И как бы далеко ни зашли ваши поиски взаимосвязи
между курением и раком легких, нулевая гипотеза будет утверждать, что никакой
такой взаимосвязи не существует. Встает вопрос, в какой момент собранных данных
станет достаточно, чтобы отвергнуть это утверждение.
Если
говорить о курении и раке легких, то нулевая гипотеза была исключена уже давно:
ни один уважающий себя ученый не прибегнет к ней сейчас. Но было время, когда
просто-напросто не хватало данных, чтобы ее исключить; и исследователи не могли
доказать, что заболеваемость раком легких среди курящих и некурящих людей не
была лишь делом случая. Только имея большой массив данных и тем самым сводя
возможность случайного результата к минимуму, можно исключить нулевую гипотезу.
В
нашем примере приходилось накапливать большое количество данных — ученые скажут
«большую выборку», — чтобы исключить нулевую гипотезу. Но может быть и
по-другому. Например, Тихо Браге, чья многолетняя работа привела к созданию
законов Кеплера о планетарном движении, просто проводил наиболее точные
измерения, которых оказалось достаточно, чтобы отвергнуть нулевую гипотезу и
убедиться в верности результата.
Итак,
когда вы в следующий раз будете читать работу, в которой утверждается о наличие
корреляции между заболеванием и его предполагаемой причиной, спросите себя,
действительно ли исследователи рассмотрели достаточное количество случаев,
прежде чем исключить нулевую гипотезу.
Бритва
Оккама
Самое
простое объяснение скорее всего и есть правильное.
В
XIV веке Уильям Оккам был одним из самых известных философов своего
времени, но сегодня мы знаем его лишь как автора принципа простоты, который он
сформулировал в одной из своих книг, предложив «сбривать» лишнюю сложность в
аргументации. Этот принцип получил название «бритва Оккама»* и звучал
приблизительно так: «Non sunt entia multiplicanda praeter necessitatem», что означает: «Не нужно множить сущности без необходимости».
Это предупреждение о том, что не надо прибегать к сложным объяснениям там, где
вполне годятся простые.
Допустим,
кто-то увидел яркий и необычный свет в ночном небе — неопознанный летающий
объект. Конечно, можно предположить, что это огни космического корабля,
управляемого инопланетянами. Однако такое объяснение требует множества
излишних, по Оккаму, «допущений» — что существуют инопланетяне, что они умеют
управлять межпланетными кораблями, что они проявляют интерес к планете Земля,
что они не могут пролететь незамеченными (несмотря на свои передовые
технологии) и т. п. Но для огней на небе существует множество других, более
простых, объяснений — что это был самолет, или планета Венера (причина номер
один «появления» всяческих НЛО), или пресловутые погодные зонды и т. п. Каждое
из этих объяснений требует относительно небольшого количества допущений. И хотя
никто не может доказать, что свет исходил не от инопланетного космического
корабля, большинство из нас (сознательно или бессознательно) воспользуется
бритвой Оккама и отвергнет это предположение.
Хотя
ученые часто говорят о бритве Оккама и даже используют ее, когда речь идет о
таких вещах, как НЛО, сложно припомнить, чтобы к ней прибегали во время
серьезных научных дискуссий. Причина, видимо, в том, что ученые чувствуют себя
неуютно, когда им приходится использовать философские аргументы, а имея под
рукой надежные экспериментальные данные, незачем прибегать к общим
соображениям. Иными словами, выбирая между теориями А и В, ученый будет
полагаться на наблюдения и экспериментальные данные, а не на философские
принципы вроде бритвы Оккама. В этом отношении бритва Оккама подобна критерию
красоты — ученым удобно, что они существуют, они даже не сомневаются в их
правильности, но редко используют их в работе.
*
Любопытно, что в авторитетнейшем Словаре научных биографий в статье об Оккаме,
занимающей несколько страниц, ни разу не упоминается его «бритва».
Уильям ОККАМ / William
of Occam, 1285–1349
Английский
философ и богослов. Родился в Оккаме, деревушке в графстве Суррей. Стал
монахом-францисканцем, изучал богословие в Оксфордском университете. В 1324
году был обвинен в ереси и оказался вовлечен в споры между орденом
францисканцев и Ватиканом. Уильям закончил свою жизнь в Баварии, написав
трактаты о церкви и государстве, в которых выступал против абсолютной власти
папы. Первоначально он ввел свою «бритву» для упрощения богословской аргументации.
Критерий
красоты
Существуют
не только прагматические, но и эстетические критерии оценки научных теорий ...
...
иными словами, к научной теории можно подходить не только как к инструменту для
объяснения явлений природы, но и как к произведению искусства. Эта мысль вряд
ли удивит кого-нибудь из ученых — каждый из них за время своей работы не раз
сталкивался с подобными рассуждениями, а иногда и сам принимал в них участие.
Зато широкую публику тот факт, что ученые — не безнадежные практики и рационалисты,
какими их принято изображать, а такие же, как и все, ценители красоты и
изящества, может даже шокировать.
Существует
множество примеров того, как этот критерий работает в науке. Так, общая теория
относительности благодаря своему изяществу была почти сразу принята учеными,
хотя потребовались десятилетия, чтобы экспериментально подтвердить ее
предсказания. Этот пример показывает — я хочу это специально подчеркнуть, —
что, хотя красота и изящество и могут склонить ученых в пользу той или иной
теории, они все же не могут изменить экспериментальные данные на
противоположные. Если бы теория относительности не нашла экспериментального
подтверждения, ее бы изменили или отвергли, несмотря на всю ее красоту. Таким
образом, критерий красоты может повышать или понижать вес той или иной теории,
но не является сам по себе решающим фактором в принятии этой теории.
Однако
критерий красоты — вещь довольно расплывчатая и субъективная. Он определен не
так четко, как другие понятия. Например, нет ясного толкования слова «красота»
в контексте научных теорий. Тем не менее существуют некоторые общепринятые
положения. Например, чем универсальнее теория, тем больше шансов, что она будет
признана красивой. Чем менее случайные и наскоро сколоченные данные
использовались при построении теории, тем меньше шансов, что ее сочтут просто
подогнанной под конкретный набор фактов, и тем более изящной покажется эта
теория. И конечно же, не последнюю роль в признании теории изящной играет ее
простота . Надо думать, что хотя бы в отношении этих трех положений среди
ученых существует определенное единодушие.
Естественно,
возникает вопрос: можно ли сформулировать критерий научной красоты — более
объективный, чем тот, который мы применяем, скажем, в живописи или в музыке?
Например,
некоторые находят идею плоской вселенной — где пространство-время выглядят
координатной сеткой на поверхности стола — красивой. Другие считают, что
вселенная, в которой ускорение вызывает космологическая постоянная, прекрасна,
однако Роки Колб, известный астрофизик, находит такую вселенную «невыразимо
уродливой». В науке, как и в искусстве, у каждого свое представление о красоте.
Гипотеза
Геи
Земля
представляет собой единый живой организм.
Гея
— греческая богиня, которая вывела мир из хаоса. Гипотезу Геи выдвинул
английский ученый Джеймс Лавлок, работавший в НАСА в начале 1960-х годов, в
период, когда только начинались поиски жизни в Солнечной системе. Исходя из
того факта, что земная атмосфера значительно отличается от атмосфер
безжизненных планет, Лавлок утверждал, что наша планета и ее биосфера
представляют собой некий живой организм. Он говорил: «Земля — больше, чем
просто дом, это живой организм, и мы являемся его частью».
Как
относиться к этой гипотезе, непонятно. Ведь в ней нет четко определенных выводов,
которые можно было бы проверить экспериментально, а такая проверка требуется любой
научной теории. Некоторые считают, что эту гипотезу лучше рассматривать как
литературную метафору — возможно, полезную при рассуждении о планетах, но
недостаточно точную. Но у нее есть и свои приверженцы среди серьезных ученых
(например, американский биолог Линн Маргулис).
Сторонники
гипотезы отмечают, что она предполагает наличие механизма обратной связи со
стороны живых организмов, благодаря чему планета остается пригодной для жизни.
Приводится такой пример: повышение содержания углекислого газа в атмосфере
приводит к усилению роста растений, что в свою очередь снижает уровень
углекислого газа. Однако эти механизмы обратной связи хорошо известны, и для их
объяснения не требуется гипотеза Геи.
Значение
же гипотезы состоит в том, что она способствовала развитию системного подхода к
изучению Земли, при котором планета рассматривается как единое целое, а не как
набор отдельных частей. Действительно, развитие наук о Земле в последние
десятилетия ХХ века стимулировалось пониманием того, что различные части
планеты — например, горные породы или океаны — нельзя исследовать в отрыве друг
от друга. Именно поэтому соответствующие факультеты в американских
университетах стали чаще называться факультетами науки о земных системах, а не
геологическими, как раньше. Во многом эта перемена была вызвана прогрессом в
развитии вычислительной техники, но и гипотеза Геи также внесла свой вклад.
Джеймс
Эфраим ЛАВЛОК / James Ephraim Lovelock, р. 1919.
Английский
ученый, родился в Лондоне. После окончания учебы работал в Национальном
институте медицинских исследований. Затем, недолгое время проработав в НАСА, в
1964 году Лавлок объявил себя независимым ученым, свободным от любых
ограничений, связанных с влиянием международных компаний на направление научных
исследований. Два года спустя обнаружил присутствие в атмосфере
хлорфторуглеродов (ХФУ) (см. Парниковый эффект). Лавлок стал широко известен
благодаря гипотезе, впервые выдвинутой им в книге «Гея» (1979).
Экологическая
сукцессия
Восстановление
экосистемой нарушенного равновесия проходит через четко определенные стадии.
Экосистему
можно вывести из состояния равновесия многими способами. Обычно это бывает
пожар, наводнение или засуха. После такого нарушения равновесия новая
экосистема сама себя восстанавливает, и этот процесс носит регулярный характер
и повторяется в самых разных ситуациях. Что же происходит в нарушенной
экосистеме? На месте нарушения определенные виды и вся экосистема развиваются
таким образом, что порядок появления этих видов одинаков для схожих нарушений и
схожих ареалах. В этой последовательной смене одних видов другими и заключается
суть экологической сукцессии.
Например,
в большинстве северо-восточных штатов США в XVIII веке земли, занятые лесами,
были расчищены, и на этих территориях были построены фермы, в XIX веке продолжалась
обработка этих земель, а в ХХ веке фермы были заброшены и участки вновь стали
превращаться в леса. Растения, с течением времени заселившие поля, появлялись в
определенной, уже известной и строго повторяющейся последовательности. В первый
год вырастали однолетние сорняки и одиночные сеянцы деревьев. В течение
нескольких последующих лет происходило заселение определенными видами (это так
называемые «пионерные виды», или, выражаясь более научно, ранние сукцессионные
виды), которые начинали преобладать. Типичный пионерный вид — сосна Веймутова.
Она растет очень быстро, и ее семена распространяются на большую территорию. В
течение нескольких десятилетий пионерные виды образовывали густой лес.
Следующий
этап — появление деревьев, которые хорошо растут в тени пионерных видов, —
например, кленов. Через полвека пионерные деревья становились зрелыми и
постепенно погибали. Их семена уже не могли прорастать под покровом леса, и
состав популяции деревьев сдвигался в сторону медленно растущих новичков — так
называемых поздних сукцессионных видов. В конце концов весь лес стал состоять
из этих видов деревьев, что и наблюдают каждый год осенью жители Новой Англии,
когда листья деревьев меняют окраску и лес приобретает огненный цвет,
характерный для кленов.
Такой
пример быстрорастущих пионеров с последующим заселением медленно растущими
видами наблюдается во многих экосистемах. Например, на недавно образованных
прибрежных песчаных дюнах первой появляется песчаный тростник. Эта трава
помогает укрепить дюны так, чтобы в них смогли укорениться виды-преемники
(вначале кустарники, а затем и деревья).
Изучая
сукцессию в экосистемах, экологи выделили три механизма ее действия:
Содействие.
Появившиеся в новой экосистеме пионерные виды облегчают другим видам
последующее заселение. Например, после отступления ледника первыми появляются
лишайники и некоторые растения с поверхностными корнями — то есть виды,
способные выжить на бесплодной, бедной питательными веществами почве. По мере
отмирания этих растений происходит нарастание слоя почвы, что дает возможность
укорениться поздним сукцессионным видам. Аналогично ранние деревья дают тень и
убежище для ростков поздних сукцессионных деревьев.
Сдерживание.
Иногда пионерные виды создают условия, усложняющие или вообще делающие
невозможным появление поздних сукцессионных растений. Когда около океана
появляются новые поверхности (например, в результате строительства бетонных
пирсов или волнорезов), они быстро обрастают пионерными видами водорослей, и
другие виды растений просто вытесняются. Это вытеснение происходит очень легко,
поскольку пионерный вид воспроизводится крайне быстро и вскоре покрывает все
доступные поверхности, не оставляя места для последующих видов. Пример
активного сдерживания — появление горчака, азиатского растения, распространившегося
по американскому Западу. Горчак в значительной мере защелачивает почву, в
которой растет, что делает ее непригодной для многих диких трав.
Сосуществование.
Наконец, пионерные виды могут вообще не оказывать на последующие растения
никакого воздействия — ни полезного, ни вредного. В частности, это происходит,
если разные виды используют разные ресурсы и растут независимо друг от друга .
Важно
понимать, что конечное состояние леса или дюны экологически неустойчиво .
Зрелый лес обычно характеризуется нулевым суммарным приростом органических
веществ. Это означает, что с течением времени из-за потери веществ под
воздействием таких процессов, как эрозия, лес постепенно начнет погибать.
Кстати, большинство лесов обладают максимальной продуктивностью в течение
первой половины сукцессионного цикла.
Круговорот
углерода в природе
Углерод
непрерывно циркулирует в биосфере Земли под влиянием химических и прочих
процессов.
Вся
земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена
на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной
части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На
примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину
жизни на нашей планете.
Основные
запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и
растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа
(CO2). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере.
Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода
превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается
в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:
углерод
может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы
пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим
веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким
как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве
CO2;
растения
могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в
атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо
травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же
вернется в атмосферу теми же путями);
растения
могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся
в ископаемое топливо — например, в уголь.
В
случае же растворения исходной молекулы CO2 в морской воде также возможно
несколько вариантов:
углекислый
газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между
Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);
углерод
может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно
накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов
превратится в известняк или из отложений
вновь перейдет в морскую воду.
Углерод
постоянно циркулирует в земной биосфере по замкнутым взаимосвязанным путям. В
настоящее время к природным процессам добавляются последствия сжигания
ископаемого топлива :
Если
углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого топлива, он
изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли изъятый таким образом
углерод замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических
извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим
природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого
топлива. В связи с влиянием CO2 на парниковый эффект исследование круговорота
углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.
Составной
частью этих поисков является установление количества CO2, находящегося в тканях
растений (например, в только что посаженном лесу) — ученые называют это стоком
углерода. Поскольку правительства разных стран пытаются достичь международного
соглашения по ограничению выбросов CO2, вопрос сбалансированного соотношения стоков
и выбросов углерода в отдельных государствах стал главным яблоком раздора для
промышленных стран. Однако ученые сомневаются, что накопление углекислого газа
в атмосфере можно остановить одними лесопосадками.
Коэволюция
Эволюция
одного организма может зависеть от эволюции другого.
Согласно
теории эволюции, с течением времени живые существа видоизменяются под
воздействием внешней среды. Обычно под факторами естественного отбора понимают,
например, климат, обеспеченность пищей или доступность воды. Однако понятие
«внешняя среда» может включать в себя и другие живые существа. Изменения в
одном организме могут приводить к изменениям в другом; эти изменения, в свою
очередь, вызывают изменения в первом организме и так далее. Такой «вальс
организмов» во времени называется коэволюцией.
Например,
у растения может образоваться жесткий покров на листьях, чтобы его не смогли
съесть насекомые. В ответ у одного из насекомых, питающихся этим растением,
могут так развиться части ротового аппарата, чтобы преодолеть это защитное
приспособление растения. Растение может затем создать еще более мощную защиту
(колючки, например), чтобы не подпускать насекомое, а насекомое опять может
выработать средства противодействия этой новой оборонной стратегии. Здесь
растение и насекомое реагируют не на изменения среды обитания, а на мутации
агрессора и источника пищи.
Коэволюция
иногда может приводить к поразительным результатам — результатам, которые часто
ставили в тупик биологов-эволюционистов. Например, у некоторых видов насекомых
ротовой аппарат настолько узко приспособлен, что они могут добывать нектар
только из цветков одного-единственного вида растений. В свою очередь, цветки
этого растения могут опылять (те есть переносить пыльцу с одного цветка на
другой) только насекомые данного вида. Можно сказать, что эти два вида
коэволюционировали во что-то третье, что пока еще не является единым
организмом, но уже и не может считаться двумя независимыми организмами.
Подобные
системы иногда ошибочно приводят в пример как свидетельство против теории
эволюции — якобы их существование доказывает, что какие-то виды создавались с
заранее определенной узкой направленностью. Однако, как мы видим, появление
таких «сверхъестественных» союзов нетрудно объяснить законами естественного
отбора.
Молекулярные
часы
Чем
больше времени отделяет два вида от той эпохи, когда жил их общий предок, тем
больше различаются ДНК этих видов.
Согласно
центральной догме молекулярной биологии, химическая индивидуальность каждого
живого организма определяется последовательностью пар оснований в ДНК этого
организма. Теория эволюции утверждает, что виды развиваются в течение времени,
и параллельно этому развитию изменяются их ДНК. К изменению ДНК могут привести
различные события. Например, медленное накапливание мутаций, массовые ошибки
при копировании или проникновение последовательности вирусных нуклеиновых
кислот. Но одно можно утверждать смело — чем больше прошло времени с тех пор,
как жил общий предок двух видов, тем длиннее период, в течение которого
происходили эти изменения, и, следовательно, тем сильнее отличаются
последовательности ДНК этих двух видов.
Следует
отметить несколько моментов, касающихся этого утверждения. Во-первых, подсчитав
различия между последовательностями ДНК, мы можем построить генеалогическое
древо всех живых организмов. Например, у человека и шимпанзе совпадают 98% ДНК.
Это означает, что наш общий предок жил совсем недавно. В то же время у человека
и лягушек совпадающая часть ДНК значительно меньше, следовательно наша ветвь
отделилась от ветви, занимаемой земноводными, значительно раньше. Теория
эволюции предсказывает, что построенное таким образом генеалогическое древо
должно быть сходно с древом, построенным в прошлом веке на основании изучения
окаменелостей. Видимо совпадение двух генеалогических древ является одним из
самых убедительных доказательств эволюции. Оно также показывает, что теория
эволюции может быть подвергнута проверке, поскольку могло оказаться, что люди
генетически более близки к лягушкам, чем к шимпанзе.
Метод
молекулярных часов использует данные ДНК более фундаментально. Если изменения
ДНК происходят с некоторой средней скоростью — если молекулярные часы тикают
равномерно — то, подсчитывая количество различающихся пар оснований в
последовательностях двух видов, мы можем получить представление о времени жизни
их последнего общего предка. Если частота изменений ДНК постоянна, анализ
современной ДНК может рассказать нам о шкалах времени на разных этапах развития
генеалогического древа.
В
1980-е годы, когда впервые была предложена концепция молекулярных часов, от
исследователей ожидали услышать, что изменения во всех ДНК происходят с
одинаковой скоростью — что все часы тикают с одним и тем же интервалом. Однако
оказалось, что существует много разных молекулярных часов, и все они идут с
разной скоростью. Например, пары оснований в последовательности важного гена не
могут сильно измениться без ущерба для организма в целом, поэтому часы,
показывающие время для пар оснований в таких генах, идут относительно медленно.
С другой стороны, большинство сегментов ДНК не влияют на химические процессы в
организме, поэтому для этих сегментов часы могут идти быстрее.
Пожалуй,
больше всего привлекает в методе молекулярных часов перспектива его применения
к недавней эволюции человека. Чтобы лучше все это понять, вам нужно знать, что
внутри каждой клетки высокоразвитых организмов имеются крохотные органеллы —
митохондрии. В них сгорает топливо клетки — то есть осуществляется важнейшая
функция обмена веществ. Считается, что митохондрии впервые проникли в более
сложно организованные клетки миллионы лет назад в процессе симбиоза. Две
клетки, эволюционировавшие независимо друг от друга, обнаружили, что им пойдут
на пользу партнерские отношения, при которых одна клетка будет жить внутри
другой. Тот факт, что в митохондрии содержится собственная небольшая
петлевидная ДНК (в митохондриальной ДНК человека 26 генов), говорит о том, что
это событие произошло очень давно.
В
сперматозоидах нет митохондрий, поэтому вся митохондриальная ДНК в вашем
организме получена вами из яйцеклетки матери. Другими словами, митохондриальная
ДНК передается по материнской линии. Установлено, что молекулярные часы
митохондриальной ДНК тикают почти в 10 раз быстрее, чем часы ДНК, содержащейся
в клеточном ядре. Поэтому для анализа и была выбрана митохондриальная ДНК —
ведь за определенный промежуток времени в ней произойдет значительно больше
изменений, чем в ядерной ДНК.
Митохондриальная
ДНК впервые привлекла к себе всеобщее внимание после того, как в 1987 году
группа американских исследователей получила митохондриальные ДНК от 147
представителей различных рас из разных уголков мира и установила количество
мутаций, их различающих. По результатам первого анализа складывалось
впечатление, что все современные люди ведут свою родословную от одной и той же
женщины, которая жила в Африке около 200 000 лет назад. Эту женщину немедленно
нарекли Евой (или, для большей наукообразности, Митохондриальной Евой) и даже
поместили ее на обложку крупного общественно-политического журнала.
К
сожалению, этот сногсшибательный результат не выдержал испытания более полным
анализом, и ученые больше не вспоминают Еву (она пала жертвой критического
анализа ДНК, сделанного компьютерной программой). Согласно последним научным
веяниям, данные ДНК указывают на то, что все современные люди произошли от
довольно небольшой популяции — около 5–10 тысяч человек, — жившей в Африке
100–200 тысяч лет назад.
Отношения
хищник—жертва
Отношения
между хищниками и их жертвами развиваются циклически, являясь иллюстрацией
нейтрального равновесия.
Итак,
если число растительноядных жертв Н, а число плотоядных хищников С, то
вероятность, что хищник встретится с травоядным, пропорциональна произведению
НС. Другими словами, чем выше численность одного из видов, тем выше вероятность
таких встреч. В отсутствие хищников популяция жертвы будет расти
экспоненциально (по крайне мере вначале), а в отсутствие жертв популяция
хищника сократится до нуля — либо из-за голода, либо в результате миграции.
Теперь, если dH — изменение популяции растительноядных за время dt, а dC
изменение популяции плотоядных за тот же интервал времени, то две популяции
описываются уравнениями:
dH/dt = rH – AHC и
dC/dt = –qC + BHC
Здесь
r — скорость роста численности травоядных в отсутствие хищников, а q — скорость
сокращения численности плотоядных в отсутствие травоядных. Постоянные A и B —
скорость, с которой встречи хищников с жертвами удаляют травоядных из
популяции, и скорость, с которой эти встречи позволяют хищникам прибавлять
численность своей популяции. Знак минус в первом уравнении показывает, что
встречи сокращают популяцию жертвы, а знак плюс во втором говорит о том, что встречи
увеличивают популяцию хищника. Как видите, любое изменение численности
травоядных влияет на численность плотоядных, и наоборот. Две популяции
необходимо рассматривать вместе.
Решение
этих уравнений показывает, что обе популяции развиваются циклически. Если
популяция травоядных увеличивается, вероятность встреч хищник—жертва
возрастает, и, соответственно (после некоторой временной задержки), растет
популяция хищников. Но рост популяции хищников приводит к сокращению популяции
травоядных (также после некоторой задержки), что ведет к снижению численности
потомства хищников, а это повышает число травоядных и так далее. Эти две
популяции как бы танцуют вальс во времени — когда изменяется одна из них, за
ней следом изменяется и другая.
Теория
струн
В
конечном счете все элементарные частицы можно представить в виде
микроскопических многомерных струн, в которых возбуждены вибрации различных
гармоник.
Внимание,
пристегните покрепче ремни —здесь можно попробовать описать вам одну из самых
странных теорий из числа серьезно обсуждаемых сегодня научных кругах, которая
способна дать наконец окончательную разгадку устройства Вселенной. Теория эта
выглядит настолько дико, что, вполне возможно, она правильна!
Различные
версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на
звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего. А
это — своего рода Священный Грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией
элементарных частиц и космологии. Универсальная теория (она же теория всего
сущего) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю
совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах
фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная. Сегодня
теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего
родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что
удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных
взаимодействий (действующих в природе сил). Сама по себе теория суперсимметрии уже
построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое
дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями
взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами . Для
наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а
частицы-носители — цементом.
В
рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли
носителей взаимодействия — калибровочные бозоны, которыми эти кварки
обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и
утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из
еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи,
скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей
взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов. Естественно, в
лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор
не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже
имеют названия — например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона),
скварк и т. д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода
предсказывается однозначно.
Картину
Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить
себе наглядно. В масштабах порядка 10–35 м, то есть на 20 порядков меньше
диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка,
структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц.
На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что
это и представить немыслимо) материя превращается в серию полевых стоячих волн,
подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Подобно
гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона,
множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное
энергетическое состояние. Согласно принципу относительности , энергия и масса
эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации
струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.
Однако,
если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно
просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн наглядному представлению
поддаются с трудом — дело в том, что колебания суперструн происходят в
пространстве, имеющем 11 измерений. Мы привыкли к четырехмерному пространству,
которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо,
вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн всё обстоит
гораздо сложнее . Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних»
пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным
языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных
энергиях.
Совсем
уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных
мембран — по сути, это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из
ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается
от вермишели.
Вот,
пожалуй, и всё, что можно вкратце рассказать об одной из теорий, не без
основания претендующих на сегодняшний день на звание универсальной теории
Великого объединения всех силовых взаимодействий. Увы, и эта теория
небезгрешна. Прежде всего, она до сих пор не приведена к строгому
математическому виду по причине недостаточности математического аппарата для ее
приведения в строгое внутреннее соответствие. Прошло уже 20 лет, как эта теория
появилась на свет, а непротиворечиво согласовать одни ее аспекты и версии с
другими так никому и не удалось. Еще неприятнее то, что никто из теоретиков,
предлагающих теорию струн (и, тем более суперструн) до сих пор не предложил ни
одного опыта, на котором эти теории можно было бы проверить лабораторно. Увы, до
тех пор, пока они этого не сделают, вся их работа так и останется причудливой
игрой фантазии и упражнениями в постижении эзотерических знаний за пределами
основного русла естествознания.
Детерминизм
Если
известны начальные условия системы, можно, используя законы природы,
предсказать ее конечное состояние.
Одно
из основных положений научного метода состоит в том, что мир предсказуем — то
есть для данного набора обстоятельств есть только один возможный (и
предсказуемый) исход. Эта философская доктрина известна под названием
«детерминизм». Возможно, лучший пример детерминистической системы получится из
сочетания законов механики Ньютона и закона всемирного тяготения Ньютона. Если
вы примените эти законы к единственной планете, вращающейся вокруг звезды, и
запустите планету с заданного места с заданной скоростью, вы можете
предсказать, где она будет в любой момент времени в будущем. Так возникла идея
«часового механизма Вселенной», имевшая огромное влияние не только на развитие
науки, но и на появление такого философско-культурного движения, как
Просвещение, которое достигло своего расцвета в XVIII
веке.
Как
философская доктрина детерминизм играл (и продолжает играть) важную роль в
науке. Однако на практике не всегда легко предсказать, какой будет система в
конце своего существования (ученые называют это конечным состоянием системы),
даже если известны начальные условия. Например, довольно просто рассчитать
орбиту единственной планеты в вышеприведенном примере. Но введите еще две-три
планеты в систему, и все значительно усложнится. Каждая планета действует своей
силой притяжения на все остальные планеты и в свою очередь испытывает их
влияние. Найти точное решение такой задачи многих тел, как ее называют
астрономы, практически невозможно.
В
XIX веке было обещано вознаграждение тому, кто первым сможет
ответить, стабильна ли Солнечная система. Вопрос о стабильности можно
переформулировать так: если бы вы могли оказаться в далеком будущем, увидели ли
бы вы все планеты точно там, где они находятся сегодня, так же расположенными
друг относительно друга и движущимися с той же скоростью? Это — чрезвычайно
трудный вопрос. На него нельзя ответить однозначно, поскольку в Солнечной
системе много планет, не считая их спутников, астероидов и комет, у которых
есть свои собственные маленькие спутники с неизвестными нам орбитами. Хотя
Солнечная система и приводится как показательный пример часового механизма
Вселенной и принципа детерминизма, но ее будущее не всегда можно точно
предсказать.
Это
наличие большого количества разнообразных факторов, влияющих на движение
планет, в первой половине XX века
сыграло важную роль в экспериментальном подтверждении общей теории
относительности. У Меркурия, как и у всех остальных планет, орбита эллиптическая
. Если бы Солнечная система состояла только из Меркурия и Солнца, то Меркурий
двигался бы все время по одному и тому же эллипсу. Однако из-за влияния других
планет этот эллипс с каждым оборотом планеты вокруг Солнца немного
искривляется. По мере движения планеты ближайшая к Солнцу точка орбиты —
перигелий — постепенно смещается, причем смещается ненамного: каждые сто лет
она сдвигается вокруг Солнца примерно на 1000 угловых секунд, то есть на четверть
градуса. Почти все это смещение можно объяснить результатом гравитационного
притяжения других планет — за исключением 43 угловых секунд за столетие.
До
того, как Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности, феномен с
перигелием Меркурия был всего-навсего очередной необъяснимой загадкой Вселенной
— никто не знал, чем вызвано это смещение, хотя, честно говоря, немногие
астрономы вообще обращали на это внимание. Но когда орбиту Меркурия рассчитали
исходя из уравнений общей теории относительности, к ньютоновскому закону
всемирному тяготению применили маленькую поправку, которой оказалось достаточно
для объяснения этого смещения перигелия планеты. Орбиты всех планет, включая
Землю, тоже испытывают смещение перигелия, как и Меркурий, просто у Меркурия
оно наиболее выражено и его проще измерить, поскольку Меркурий расположен ближе
всех к Солнцу и поэтому имеет самую высокую орбитальную скорость (в
соответствии с законами Кеплера). В настоящее время измерены смещения
перигелиев всех внутренних планет с использованием современных радиолокационных
методов определения дальности, и они подтвердили предсказания общей теории
относительности.
Итак,
если ставки достаточно высоки, ученые будут прокладывать свой путь сквозь
запутанные силы притяжения в Солнечное системе, чтобы проникнуть в суть таких
явлений, как смещение перигелия. Однако вопрос о стабильности остается
нерешенным. Возможно, эта проблема и в самом деле неразрешима, да и награда за
ее решение, надо сказать, довольно скромная. Пример Солнечной системы
показывает, что даже для систем, полностью детерминистических в классическом
ньютоновском смысле, возможность делать предсказания неочевидна.
Правило
октета
Атомы
стремятся отдавать или принимать электроны до тех пор, пока в их внешнем слое не
станет 8 электронов.
Расположение
химических элементов в периодической системе Менделеева объясняется тем, как
электроны заполняют доступные энергетические уровни, или слои, в атоме.
Например, благородные газы, такие как неон, ксенон и аргон, имеют во внешнем
слое по 8 электронов (то есть слой заполнен) — и поэтому они неохотно вступают
в химические реакции. Самое низкое энергетическое состояние (и, следовательно,
самое устойчивое) в большинстве случаев имеют атомы с заполненным внешним
электронным слоем. На этом и построено правила октета.
Правило
октета объясняет, как атомы образуют ионы. Рассмотрим в качестве примера
натрий. В его атоме 11 электронов: два во внутреннем слое, восемь в следующем и
один во внешнем слое. Этот внешний электрон очень подвижен, поэтому, если атому
натрия передается энергия (например, в результате столкновения с другим
атомом), он легко образует ион натрия с единичным положительным зарядом. Чтобы
удалить электрон с внутреннего слоя, энергии потребуется в десять раз больше,
поэтому ион натрия с двойным положительным зарядом — большая редкость. Точно
так же кальций, имеющий 2 электрона во внешнем слое и 8 в следующем, более
низком слое, образует ион, теряя 2 электрона. То есть, когда атомы превращаются
в ионы, они по строению становятся похожи на атомы благородных газов.
Правило
октета помогает нам понять, как устроены химические связи. Но оно работает
далеко не для всех элементов. Например, олово имеет во внешнем незаполненном
слое 14 электронов, но может отдавать только 2 или 4 электрона: отрыв большего
количества электронов потребовал бы непомерных затрат энергии. Поэтому олово
образует ионы с положительным зарядом 2 или 4.
Правило
октета — одно из тех правил, которые отражают на первый взгляд случайные
закономерности, выведенные химиками из опыта и наблюдений. Однако эти
закономерности легко могут быть объяснены в терминах атомной теории строения
вещества.
Атомная
теория строения вещества
Материя
состоит из атомов.
Слово
«атом» — греческого происхождения, и переводится оно «неделимый». Принято
считать, что первым идею о том, что кажущаяся гладкой и непрерывной материя на
самом деле состоит из великого множества мельчайших и потому невидимых частиц,
выдвинул древнегреческий философ Демокрит (чей «расцвет», согласно восхитительному
по образности выражению классиков, пришелся на V век до н. э.). О жизни
Демокрита нам, однако, практически ничего неизвестно, и оригинальные труды
этого мыслителя до наших дней не дошли. Поэтому об идеях Демокрита остается
судить в основном по цитатам из его работ, которые мы находим у других авторов,
прежде всего у Аристотеля.
Логика
рассуждений Демокрита, если перевести ее на современный язык, была крайне
проста. Представим, говорил он, что у нас есть самый острый в мире нож. Берем
первый попавшийся под руку материальный объект и разрезаем его пополам, затем
одну из получившихся половинок также разрезаем пополам, затем разрезаем пополам
одну из получившихся четвертинок и так далее. Рано или поздно, утверждал он
(основываясь, как и все древнегреческие мыслители, прежде всего на философских
соображениях), мы получим частицу столь мелкую, что дальнейшему делению на две
она не поддается. Это и будет неделимый атом материи.
По
представлениям Демокрита атомы были вечными, неизменными и неделимыми.
Изменения во Вселенной происходили исключительно из-за изменений в связях между
атомами, но не в них самих. Тем самым он тонко обошел давнишний спор
древнегреческих философов о том, подвержена ли переменам сама суть видимого
мира или все перемены в нем носят чисто внешний характер.
От
древнегреческих представлений об атоме на сегодняшний день сохранилось разве
что само слово «атом». Теперь мы знаем, что атом состоит из более
фундаментальных частиц . Ясно, что между древнегреческой теорией и современными
научными исследованиями мало общего: идеи Демокрита не основывались ни на каких
наблюдениях или практических опытах. Демокрит, подобно всем натурфилософам
античности, просто рассуждал и делал умозрительные заключения относительно
природы мира.
Тем
не менее труды Демокрита не остались без признания и в современном мире. На
последней греческой монете достоинством 10 драхм (теперь она выведена из
обращения и заменена евро) на лицевой стороне изображен портрет Демокрита, а на
оборотной — схематическая модель атома.
На монете изображен атом с тремя
электронами — стало быть, это атом лития. Демокрита называли «смеющимся
философом» (похоже, он обладал несвойственным другим античным философам
чувством юмора). Не потому ли на монете, увековечивающей его память, изображен
именно атом лития — химического элемента, который теперь широко используется
для лечения депрессии?
Идея
об атомном строении материи так и оставалась чисто философским умопостроением
вплоть до начала XIX века, когда сформировались основы химии как науки. Химики
первыми и обнаружили, что многие вещества в процессе реакций распадаются на
более простые компоненты. Например, вода распадается на водород и кислород.
Однако некоторые вещества — те же водород и кислород — разложению на
составляющие при помощи химических реакций не поддаются. Такие вещества назвали
химическими элементами. К началу XIX века было известно около 30 химических
элементов (на момент написания этой статьи их открыто более 110, включая
искусственно полученные в лабораторных условиях). Кроме того, было установлено,
что в процессе химических реакций количественное соотношение веществ,
участвующих в данной реакции, не изменяется. Так, для получения воды неизменно
берутся восемь массовых долей кислорода и одна доля водорода .
Первым
осмысленную интерпретацию этих фактов предложил Джон Дальтон, чьё имя
увековечено в открытом им законе Дальтона. В своих химических опытах он исследовал
поведение газов, но этим круг его интересов не ограничивался. В 1808 году он
приступил к публикации своего фундаментального двухтомного труда «Новая система
химической философии», радикально повлиявшего на дальнейшее развитие химии. В
этой работе Дальтон предположил, что осмыслить и интерпретировать последние
достижения экспериментальной химии можно только приняв, что каждому химическому
элементу в этих опытах соответствует уникальный для него атом, и что именно
смешение и объединение в различных пропорциях этих атомов приводит к
образованию наблюдаемых в природе химических веществ. Например, вода, по
Дальтону, состоит из сочетания двух атомов водорода и одного атома кислорода
(общеизвестная формула H2O). Тот факт, что все атомы одного вида неразличимы
между собой, удачно объяснял, почему при химических реакциях они всегда
обнаруживаются в неизменных пропорциях. Так, в случае с водой, два атома водорода
всегда одни и те же, где бы мы ни взяли эту воду, и всегда находятся в одной и
той же связи с единственным атомом кислорода.
Для
Дальтона, как и для Демокрита, атомы оставались неделимыми. В черновиках и
книгах Дальтона мы находим рисунки, где атомы представлены в виде шариков.
Однако основное положение его работы — что каждому химическому элементу
соответствует особый тип атома — легло в основу всей современной химии. Этот
факт остается непреложным и теперь, когда мы знаем, что каждый атом сам по себе
является сложной структурой и состоит из тяжелого, положительно заряженного
ядра и легких, отрицательно заряженных электронов, вращающихся по орбитам
вокруг ядра. Достаточно обратиться к сложностям квантовой механики , чтобы
понять, что концепция атома не исчерпала себя и в XXI веке.
Неплохо,
однако, для идеи, зародившейся в философских спорах 2500 лет назад!
По теме :
science v. 1.0
science v. 3.0