Из научно-популярной энциклопедии Джеймса Трефила «Cassel's Laws
of Nature: An A–Z of Laws and Principles Governing the Workings of Our
Universe»
Эксперимент
Миллера—Юри
Молекулы,
необходимые для жизни, могли возникать в ходе химических реакций на заре
развития Земли.
4,5
миллиарда лет назад, когда возникла Земля, она представляла собой раскаленный
безжизненный шар. Сегодня же на ней в изобилии встречаются разные формы жизни.
В связи с этим возникает вопрос: какие изменения происходили на нашей планете с
момента ее образования и по сегодняшний день, и главное — как на безжизненной
Земле возникли молекулы, образующие живые организмы? В 1953 году в Чикагском
университете был поставлен эксперимент, сегодня ставший классическим. Он указал
ученым путь к ответу на этот фундаментальный вопрос.
В
1953 году Гарольд Юри был уже Нобелевским лауреатом, а Стэнли Миллер — всего
лишь его аспирантом. Идея эксперимента Миллера была простой: в полуподвальной
лаборатории он воспроизвел атмосферу древнейшей Земли, какой она была по мнению
ученых, и со стороны наблюдал за тем, что происходит. При поддержке Юри он
собрал простой аппарат из стеклянной сферической колбы и трубок, в котором
испарявшиеся вещества циркулировали по замкнутому контуру, охлаждались и вновь
поступали в колбу. Миллер заполнил колбу газами, которые, по мнению Юри и
русского биохимика Александра Опарина (1894–1980), присутствовали в атмосфере
на заре формирования Земли, — водяным паром, водородом, метаном и аммиаком.
Чтобы сымитировать солнечное тепло, Миллер нагревал колбу на бунзеновской горелке,
а чтобы получить аналог вспышек молний — вставил в стеклянную трубку два
электрода. По его замыслу, материал, испаряясь из колбы, должен был поступать в
трубку и подвергаться воздействию электрического искрового разряда. После этого
материал должен был охлаждаться и возвращаться в колбу, где весь цикл начинался
вновь.
После
двух недель работы системы жидкость в колбе стала приобретать темный
красно-коричневый оттенок. Миллер провел анализ этой жидкости и обнаружил в ней
аминокислоты — основные структурные единицы белков. Так у ученых появилась
возможность изучать происхождение жизни с точки зрения основных химических
процессов. Начиная с 1953 года с помощью усложненных вариантов эксперимента
Миллера—Юри, как стали его с тех пор называть, были получены все виды
биологических молекул — включая сложные белки, необходимые для клеточного
метаболизма, и жировые молекулы, называемые липидами и образующие мембраны
клетки. По-видимому, тот же результат мог бы быть получен и при использовании
вместо электрических разрядов других источников энергии — например, тепла и
ультрафиолетового излучения. Так что почти не остается сомнений в том, что все
компоненты, необходимые для сборки клетки, могли быть получены в химических
реакциях, происходивших на Земле в древнейшие времена.
Ценность
эксперимента Миллера—Юри состоит в том, что он показал, что вспышки молний в
атмосфере древней Земли за несколько сот миллионов лет могли вызвать
образование органических молекул, попадавших вместе с дождем в «первичный
бульон» . Не установленные до сих пор химические реакции, происходящие в этом
«бульоне», могли привести к образованию первых живых клеток. В последние годы
возникают серьезные вопросы по поводу того, как развивались эти события, в
частности подвергается сомнению присутствие аммиака в атмосфере древнейшей
Земли. Кроме того, предложено несколько альтернативных сценариев, которые могли
привести к образованию первой клетки, начиная от ферментативной активности
биохимической молекулы РНК и кончая простыми химическими процессами в океанских
глубинах. Некоторые ученые даже предполагают, что происхождение жизни имеет
отношение к новой науке о сложных адаптивных системах и что не исключено, что
жизнь — это неожиданное свойство материи, возникающие скачкообразно в
определенный момент и отсутствующее у ее составных частей. В наши дни эта
область знаний переживает период бурного развития, в ней появляются и проходят
проверку различные гипотезы. Из этого водоворота гипотез должна появиться
теория о том, как же возникли наши самые далекие предки.
Стэнли
Ллойд МИЛЛЕР / Stanley Lloyd Miller, р. 1930.
Американский
химик. Родился в Окленде, штат Калифорния, получил образование в Калифорнийском
университете в Беркли и в Чикагском университете. Начиная с 1960 года
профессиональная деятельность Миллера была в основном связана с Калифорнийским
университетом в Сан-Диего, где он занимал должность профессора химии. За работу
по проведению эксперимента Миллера—Юри был удостоен звания научного сотрудника
в Калифорнийском технологическом институте.
Гарольд
Клейтон ЮРИ / Harold Clayton Urey, 1893–1981
Американский
химик. Родился в Уолкертоне, штат Индиана, в семье священника. Изучал зоологию
в университете штата Монтана и получил докторскую степень по химии в
Калифорнийском университете в Беркли. Впервые применил физические методы в
химии и в 1934 году был удостоен Нобелевской премии в области химии за открытие
дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Позднее его деятельность была связана в
основном с изучением различий в скорости химических реакций при использовании
разных изотопов.
Тест
Тьюринга
Если
компьютер может работать так, что человек не в состоянии определить, с кем он
общается — с другим человеком или с машиной, — считается, что он прошел тест
Тьюринга.
Разумные,
подобные человеку машины на протяжении многих десятилетий были одной из
основных тем научно-фантастических произведений . С момента зарождения
современной вычислительной техники умы людей занимал вопрос: можно ли построить
машину, которая могла бы в чем-то заменить человека. Попыткой создать твердую
эмпирическую почву для решения этого вопроса и стал тест, разработанный Аланом
Тьюрингом.
Первый
вариант теста, опубликованный в 1950 году, была несколько запутанным.
Современная версия теста Тьюринга представляет собой следующее задание. Группа
экспертов общается с неизвестным существом. Они не видят своего собеседника и
могут общаться с ним только через какую-то изолирующую систему — например,
клавиатуру. Им разрешается задавать собеседнику любые вопросы, вести разговор
на любые темы. Если в конце эксперимента они не смогут сказать, общались ли они
с человеком или с машиной, и если на самом деле они разговаривали с машиной,
можно считать, что эта машина прошла тест Тьюринга.
Нет
нужды говорить, что сегодня ни одна машина не может даже близко подойти к тому,
что пройти тест Тьюринга, хотя некоторые из них весьма неплохо работают в очень
ограниченной области. Предположим, тем не менее, что в один прекрасный день
машина все-таки сможет пройти этот тест. Будет ли это означать, что она разумна
и обладает интеллектом?
Джон
Р. Сирл (John R. Searle,
р. 1932), преподаватель философии Калифорнийского университета в Беркли,
разработал воображаемую систему, которая показывает, что ответ на этот вопрос
отрицательный. Эта система под названием «Китайская комната» работает следующим
образом. Вы сидите в комнате. В стене этой комнаты есть две щели. Через первую
щель вам передают вопросы, написанные по-китайски. (Предполагается, что вы, как
и Джон Сирл, не знаете китайского. Если это не так, выберите какой-нибудь
другой язык, неизвестный вам.) Затем вы просматриваете книги с инструкциями
типа: «Если вы получили такой-то набор символов, напишите на листке бумаги
такой-то (отличный от исходного) набор символов и передайте его обратно через
другую щель».
Ясно,
что если книги с инструкциями достаточно полны, «машина», состоящая из вас и
комнаты, сможет пройти тест Тьюринга. При этом очевидно, что вам совсем не
обязательно понимать, что вы делаете. По мнению Сирла, это показывает, что даже
если машина прошла тест Тьюринга, это еще не значит, что она разумна и обладает
интеллектом.
Алан Матисон ТЬЮРИНГ / Alan Mathison Turing, 1912–54.
Английский
математик. Родился в Лондоне, учился в Кембридже (Великобритания) и Принстоне
(США). Был пионером в области теории вычислительной математики, ввел понятие
машины Тьюринга — идеальной цифровой вычислительной машины. Во время Второй
мировой войны работал криптографом в Блетчли-Парке — секретном учреждении
правительства Великобритании, созданном для раскрытия кода немецкой военной
шифровальной машины «Энигма». После войны, будучи снят со своей научной
должности и подвергаясь преследованиям из-за гомосексуальных наклонностей,
покончил с собой.
Детерминистический
хаос
В
природе существуют системы, в которых исход конкретной ситуации существенно
зависит от измерения воздействия на входе и будущее поведение которых
непредсказуемо для всех практических применений.
Принцип
детерминизма — один из наиболее важных в современной науке. Он гласит: если мы
знаем текущее состояние какой-либо системы в природе, мы можем применить наше
знание законов природы для предсказания будущего поведения этой системы.
Классическая ньютоновская «механическая» вселенная — в которой положение планет
походило на движение стрелок многострелочных часов, а наше знание законов
природы сводилось к пониманию устройства часового механизма — это наглядное
представлением данной концепции.
В
XX веке ученые пришли к пониманию того, что в природе имеются
системы, полностью детерминистические в ньютоновском смысле, тем не менее их
будущее с точки зрения практического применения не поддается расчетам.
Появление быстродействующих электронных вычислительных машин в 1980-е годы
привело к тому, что это явление, известное как детерминистический хаос, или
теория хаоса, стало областью активных научных исследований. Лучшая аналогия
детерминистического хаоса — так называемая «белая вода» горных потоков. Если вы
бросите в эту воду горной реки два листика, один за другим, то ниже по течению
они, вероятнее всего, окажутся далеко друг от друга. В системе, подобной этой,
небольшое различие в начальных условиях (положение листиков) может привести к
большому расхождению на выходе.
В
пенящейся бурной воде царит детерминистический хаос
Большинство
систем в природе не такие. Например, если вы уроните шар с высоты 5 метров и
измерите его скорость при ударе о землю, а затем уроните этот же шар с высоты
5,0001 метра, то значения его скорости при ударе будут не очень отличаться. В
системах, подобных этой, небольшие изменения начальных условий приводят к
небольшим изменениям на выходе. Большинство известных нам систем в природе
именно такого типа.
Но
даже для таких простых систем, как классические ньютоновские бильярдные шары,
иногда сложно делать предсказания об их состоянии в будущем. К примеру,
стандартная задача для студентов-дипломников по физике — показать, что даже
случай с бильярдным шаром, отскакивающим от бортов на совершенно ровном столе,
в итоге растворяется в неопределенности вследствие неточностей в измерении
угла, под которым шар приближается к борту в самом начале.
Однако
система горного потока иная, и открытие детерминистического хаоса — хорошая
иллюстрация того, каким образом работают подобные системы. По современным
стандартам, первые электронные вычислительные машины были очень медленными и
имели очень маленькую память. В 1960-е годы Эдвард Лоренц (Edward Lorenz, р. 1917) и его коллеги в Массачусетском
технологическом институте испытывали компьютерные модели климата Земли. Их
компьютеры часто приходили к некоторому промежуточному состоянию в вычислениях,
выводили эти промежуточные результаты на бумажную ленту в течение всей ночи и
заканчивали вычисления на следующий день. Они стали замечать, что вычисления,
выполнявшиеся непрерывно от начала до конца, приводили к результатам, которые
значительно отличались от результатов прерывавшихся вычислений. Они обнаружили,
что это расхождение происходит из-за того, что компьютер округлял числа в
промежуточных результатах. Например, для записи на ленту он выдал бы число
0,506, а если бы продолжал работать, то 0,506127. Это различие было достаточным
для того, чтобы привести в итоге к совершенно различным прогнозам будущих
состояний климата. Теперь мы знаем о существовании систем, которые гораздо
чувствительнее к начальным условиям и в которых различие в восьмом знаке после
запятой оказывает значительное влияние на конечный результат. (В технических
терминах хаотическая система определяется как система, в которой выход экспоненциально
зависит от изменений на входе.)
Дело
в том, что когда мы говорим об «определении» начального состояния, мы
фактически говорим об измерении. Каждое измерение в реальном мире содержит
ошибку — некоторую неточность в фактической величине. Например, если вы
измеряете длину стола линейкой, на которой наименьшее деление — миллиметр, то в
вашем определении неизбежно будет присутствовать ошибка в долю миллиметра.
Аналогично, если в приведенном выше примере вы хотите определить положение
листика в горном потоке, вы можете измерить расстояние между листиком и точкой
на берегу. Всегда будет присутствовать небольшая погрешность в этом измерении,
зависящая от точности используемого измерительного устройства. Если система
хаотическая, вы можете много раз класть тот же самый листик, как вам кажется,
на то же самое место и получать при этом различные результаты, поскольку вы
никогда не сможете точно положить его на одно и то же место дважды.
Таким
образом, для хаотических систем теоретически возможно предсказать будущий
исход, но только в тех случаях, когда начальное состояние можно определить с
абсолютной точностью. Поскольку такой точности достичь невозможно, эти системы
для всех практических применений непредсказуемы. При этом важно понимать, что
существование детерминистического хаоса не нарушает принципа детерминизма. Оно
просто говорит, что при определенных обстоятельствах вы не сможете осуществить
те виды измерений, которые вам нужны для определения текущего состояния системы
с достаточной точностью в целях предсказания ее будущих состояний.
Иными
словами, в хаотических системах имеется некоторое расхождение между
детерминизмом (нашим пониманием законов, управляющих системой) и предсказанием
(нашей способностью утверждать, что система будет делать). Это не значит, что
такого расхождения не существовало в ньютоновской физике — мы видели, что оно
есть. Это значит только, что до недавнего времени люди не уделяли ему должного
внимания: вероятно, они понимали, что решение проблемы предсказания — это
вопрос времени. Теория хаоса научила нас, что расхождение не только реально —
оно существует постоянно. Теперь мы понимаем, что система может быть
детерминистической и предсказуемой теоретически, в то же время оставаясь
непредсказуемой на практике.
Закон
Мура
Основные
характеристики компьютеров улучшаются в два раза каждые два года.
В
1960-е годы, в самом начале информационной революции, Гордон Мур, впоследствии
один из основателей корпорации Intel, обратил
внимание на интересную закономерность в развитии компьютеров. Он заметил, что
объем компьютерной памяти удваивается примерно каждые два года. Эта
закономерность стала своего рода эмпирическим правилом в компьютерной
промышленности, и вскоре оказалось, что не только память, но и каждый
показатель производительности компьютера — размер микросхем, скорость
процессора и т. д. — подчиняется этому правилу.
Последующее
развитие компьютеров шло в соответствии с «законом» Мура. Поразительно, но в
последние десятилетия мы стали свидетелями нескольких настоящих революций в
области технологий. Мы прошли путь от компьютеров на ламповых транзисторах к
компьютерам на интегральных схемах и далее — к компьютерам на микропроцессорах,
и каждый раз закон Мура находил подтверждение. В 1960-е годы ни один человек в
Силиконовой долине не мог даже предположить, что современные технологии
производства позволят размещать миллионы элементов в кремниевом кристалле
(чипе) размером с почтовую марку. Но когда в соответствии с законом Мура должна
была возникнуть такая степень интеграции, она возникла. Правда, закон Мура,
похоже, стал действовать быстрее — за последние несколько лет период удвоения
производительности сократился с двух лет до полутора.
Однако
рано или поздно законы природы положат конец господству закона Мура. Взять, к
примеру, размеры элементов микросхемы. Закон предсказывает, что к 2060 году они
должны будут стать размером с одиночный атом — что невозможно с точки зрения
квантовой механики!
Гордон Эрл МУР / Gordon Earle Moore, р. 1929.
Американский
компьютерный инженер и бизнесмен. Родился в Сан-Франциско, получил докторскую
степень в области химической физики в Калифорнийском технологическом институте.
Некоторое время работал под руководством Вильяма Шокли (William Shockley, 1910–89), одного из
изобретателей транзистора, и занимался изучением полупроводников. Но в
характере Шокли начала проявляться эксцентричность, поведение его стало
непредсказуемым, и Мур и несколько его коллег уволились. С одним из них,
Робертом Нойсом (Robert Noyce,
1927–90), в 1968 году Мур основал корпорацию Intel
(где до сих пор занимает должность почетного председателя совета директоров) и
приступил к разработке и производству сложных интегральных схем — «чипов», —
лежащих в основе современных персональных компьютеров. «Закон» Мура впервые был
изложен в 1965 году в журнале «Электроника» в комментарии ученого к статье о
том, как технология интегральных схем должна привести к снижению стоимости
компьютеров.
Формула
Дрейка
Число
внеземных цивилизаций, желающих вступить в контакт с нашей, предсказуемо.
Вообще-то
говоря, немногие крупные научные открытия датированы строго — не только годом,
но и месяцем, и числом. Однако, как минимум, одно из них можно датировать с
точностью буквально до минут. В ночь с 1 на 2 ноября 1961 года несколько ученых
— участников конференции, проходившей в Грин-Бэнке (Green Bank), штат Виржиния, США, засиделись в баре
допоздна за обсуждением статьи, написанной физиками Филипом Моррисоном (Philip Morrison, р. 1915) и Джузеппе Коккони (Giuseppe Cocconi, р. 1914). Они спорили, могут ли земные
ученые, едва начавшие строить серьезные по размерам радиотелескопы, реально
обнаружить радиосигналы, посылаемые внеземными цивилизациями из далекого
космоса. Если где-то в глубинах Вселенной действительно есть хоть одна
внеземная цивилизация, стремящаяся к контакту с нами, она, вероятно, посылает
нам радиосигналы, и нам лишь нужно их поймать, рассуждали они. Заодно была
сформулирована задача на следующий день конференции: оценить вероятное число
внеземных цивилизаций, готовых вступить в контакт с нами.
Вопрос
был поставлен, и ответ на него уже на следующий день предложил американский
радиоастроном Фрэнк Дрейк. Согласно его формуле число внеземных цивилизаций N составляет:
N = RPNeLCT
где
R — число ежегодно образующихся звезд во Вселенной; Р — вероятность
наличия у звезды планетной системы; Ne —
вероятность того, что среди планет имеется планета земного типа, на которой
возможно зарождение жизни; L —
вероятность реального зарождения жизни на планете; С — вероятность того, что
разумная жизнь пошла по техногенному пути развития, разработала средства связи
и желает вступить в контакт и, наконец, T —
усредненное время, на протяжении которого желающая вступить в контакт
цивилизация посылает радиосигналы в космос, чтобы связаться с нами. Смысл
формулы Дрейка состоит, если хотите, не в том, чтобы всё окончательно запутать,
а в том, чтобы наглядно показать всю степень человеческого неведения
относительно реального положения дел во Вселенной и, хотя бы приблизительно,
раздробить одну чисто гадательную оценку общего числа цивилизаций в ней на
несколько вероятностных оценок. По крайней мере, в таком виде всё начинает
выглядеть менее загадочно.
На
момент конференции в Грин-Бэнке единственным более или менее известным числом в
правой части формулы было число ежегодно образующихся звезд R. Что
касается других чисел, то к планетам земного типа (Ne)
даже в нашей Солнечной системе можно было отнести от одного (только Земля) до
пяти (Венера, Земля, Марс и по одному из крупных спутников Юпитера и Сатурна)
космических объектов планетарного типа. При оптимистичных прогнозах подобного
рода получалось, что Галактика буквально кишит миллионами технологически
развитых цивилизаций (N), а мы — по
сути — юниоры в этой «галактической лиге». Эти сведения незамедлительно
заполонили средства массовой информации, а через них — и массовое сознание, и
люди попросту перестали сомневаться, что существование внеземного разума —
непреложная истина.
Однако
с 1961 года прошло уже не одно десятилетие, и чем дальше, тем больше мы
убеждаемся в том, что нужно умерить оптимизм, изначально порожденный формулой
Дрейка в массовом сознании землян, истосковавшихся по братьям по разуму.
Сегодня мы знаем, например, в отличие от излишне оптимистичных участников
гринбэнкской группы, что существование жизни в пределах нашей Солнечной системы
вне Земли крайне маловероятно (разве что она существует под толстым ледяным
щитом в океане четвертого по величине спутника Сатурна, который по странной
иронии называется Европа). И, хотя после 1961 года нами было открыто немало
планетных систем вокруг ранее известных звезд, все они выглядят мало похожими
на нашу Солнечную систему, поскольку планеты там, по большей части, обращаются
по вытянутым эллиптическим орбитам с весьма значительным эксцентриситетом, а
значит, годовой перепад температур на них выглядит неприемлемым с точки зрения
развития белковой жизни. Фактически выяснилось, что условия, способствующие
удержанию воды на поверхности планетарного тела в течение миллиардов лет без ее
испарения и/или вымораживания, настолько жестки, что, кроме Земли, таких планет
пока не найдено — и это не удивительно, поскольку даже несколько процентов
изменения радиуса земной орбиты приведут к тому, что наша планета станет
непригодной для жизни.
Фрэнк Дональд ДРЕЙК / Frank Donald Drake, р. 1930.
Американский
астроном. Родился в Чикаго, учился на факультете электроники Корнелловского
университета. Прослушав курс лекций прославленного астронома Отто Струве
(1897–1963) о формировании планетных систем, на всю жизнь загорелся интересом к
вопросам внеземной жизни и цивилизаций. Отслужив в американских ВМС,
последовательно работал в Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO),
Корнельском университете и Калифорнийском университете (г. Санта-Крус). При
поддержке Струве Дрейк организовал строительство 28-метрового радиотелескопа на
базе NRAO (проект «Озма») — первого в мире
измерительно-регистрирующего прибора, специально созданного для попытки выявить
внеземную жизнь .
Закон
Мёрфи
Если
что-то может сломаться, это обязательно сломается.
Существует
множество вариантов закона Мёрфи : бутерброд падает маслом вниз, сдача в кассе
заканчивается всегда как раз перед тобой и т. п. Многие полагают, что закон
Мёрфи — это всего лишь образец народной мудрости, в ироничной форме выражающий
представления о мире, а Мёрфи — персонаж вымышленный. Поэтому очень удивляются, когда узнают, что Мёрфи —
не просто реальный человек, но еще и инженер военно-воздушных сил США, и его
устам действительно принадлежит так называемая «классическая» версия закона,
носящего его имя.
Как
ни странно, «Мёрфи» — это капитан Эдвард Алоизиус Мёрфи (р. 1917), выпускник
Военной академии сухопутных войск в Уэст-Пойнте и бывший летчик-истребитель,
участвовавший в середине 1940-х в первых экспериментах по изучению реакции
человеческого организма на сверхускорение. В ходе экспериментов, которые
проводились на авиабазе Эдвардс в калифорнийской пустыне Мохаве, волонтера
пристегивали к своего рода санкам, которые, двигаясь по рельсам, получали
ускорение от ракетного двигателя. Наибольшее ускорение (в данном случае
отрицательное) санки получали в конце поездки, когда скорость их движения резко
замедлял бассейн с водой, установленный на рельсах.
Нет
необходимости говорить, что это была система, в которой может произойти любая
неожиданность. Мёрфи, как конструктора одного из механизмов санок, постоянно
занимали мысли о том, почему его системы не работают должным образом. Вот его
реальные слова (первая формулировка закона Мёрфи): «Если что-то можно сделать
несколькими способами и один из них не работает, то обязательно найдется
кто-то, кто прибегнет именно к этому способу».Возможно, тот факт, что
изначальная мысль, много раз искажаясь, превратилась в хорошо знакомое нам всем
утверждение, только подтверждает закон Мёрфи. Кстати говоря, как потом
выяснилось, проблемы с механизмом Мёрфи возникли из-за того, что техник
установил его задом наперед — вот очередной прекрасный пример закона в
действии.
Конечно,
«закон» Мёрфи — это не закон в том смысле, в каком это слово обычно употребляется
- он никогда не подвергался тем тщательным испытаниям, которых требует научный
метод. Тем не менее эта частица народной мудрости помогает нам более спокойно
пережить те моменты, когда судьба отворачивается от нас.
Но
кроме того, закон выражает взгляды инженера на жизнь. Все инженеры знают, что
первым (а также вторым и третьим) делом сложную систему тестируют, и она не
работает. И не предполагается, что она сразу будет работать. Конечная цель
испытаний — найти неполадки в системе, чтобы их можно было устранить. Есть
принципиальное различие между тем, как подходит к этому вопросу инженер и
обычный человек. Так, насмешки, которым подверглась в 1960-е годы американская
космическая программа, когда ракеты одна за другой взрывались на старте,
показывают, что публика просто не понимает цели испытаний. Конечно, в конце
концов неполадки были устранены, и после успеха программы «Аполлон» все
насмешки прекратились.
Видимо
конструкторы руководствуются именно законом Мёрфи, когда «на всякий случай»
повышают коэффициент безопасности в своих сооружениях и механизмах. Большинство
зданий, например, способно выдержать по крайней мере на 50% более мощные
нагрузки, чем те, что возникают в реальной жизни, — просто потому, что их
создатели знают, что что-то может выйти не так.
Уравнение
Бернулли
Чем
выше скорость потока идеальной жидкости, тем ниже ее давление.
А
основополагающая идея здесь такова: воздушный поток разрезается надвое передней
кромкой крыла, и часть его обтекает крыло вдоль верхней поверхности, а вторая
часть — вдоль нижней. Чтобы двум потокам сомкнуться за задней кромкой крыла, не
образуя вакуума, воздух, обтекающий верхнюю поверхность крыла, должен двигаться
быстрее относительно самолета, чем воздух, обтекающий нижнюю поверхность,
поскольку ему нужно преодолеть большее расстояние. И тут в действие вступает
эффект, открытый Даниилом Бернулли, одним из представителей настоящей
потомственной династии неутомимых научных гениев родом из Швейцарии. (В
авторитетном «Словаре научных биографий», Dictionary of Scientific Biography, упомянуто
не меньше восьми представителей фамилии Бернулли.). Отец Даниила — Иоганн
Бернулли — был видным профессором математики в Университете г. Гронинген (позже
Иоганн Бернулли переехал в Базель и возглавил кафедру греческого языка местного
университета, однако после смерти брата вернулся в Гронинген, чтобы сменить его
на посту заведующего кафедрой математики. Книга Даниила «Гидродинамика»
(Hydrodynamica) была опубликована в 1738 году, практически одновременно с
книгой Иоганна Бернулли «Гидравлика» (Hydraulica), которая по взаимной
договоренности между сыном и отцом была, однако, специально датирована 1732
годом, чтобы, в случае чего, в семье не возникло недоразумений относительно
приоритетов в открытиях. Вот такая семья!).
Объединив
законы механики Ньютона с законом сохранения энергии и условием неразрывности
жидкости, Даниил Бернулли смог вывести уравнение, согласно которому давление со
стороны текучей среды падает с увеличением скорости потока этой среды (понятие
«текучая среда» включает жидкость или газ). В случае с самолетом воздух
обтекает крыло самолета снизу медленне, чем сверху. И благодаря этому эффекту
обратной зависимости давления от скорости давление воздуха снизу, направленное
вверх, оказывается больше давления сверху, напрвленного вниз. В результате, по
мере набора самолетом скорости, возрастает направленная вверх разность
давлений, и на крылья самолета действует нарастающая по мере разгона подъемная
сила. Как только она начинает превышать силу гравитационного притяжения
самолета к земле, самолет в буквальном смысле взмывает в небо. Эта же сила
удерживает самолет в горизонтальном полете: на крейсерской скорости и высоте
подъемная сила уравновешивает силу тяжести.
Эффект
Бернулли — это то, благодаря чему птицы и самолеты могут летать. Разрез крыла у
них практически одинаковый: за счет сложной формы крыла создается разница
обтекающих его сверху и снизу воздушных потоков, что позволяет телу подниматься
вверх
Если
вы часто летаете самолетом, вы не могли не заметить и еще одного явления,
напрямую связанного с эффектом Бернулли. Самолет в аэропорту вашего родного
города в разные дни берет разгон по взлетно-посадочной полосе в противоположных
направлениях, и садится на нее также то в одном, то в другом направлении. Выбор
направления не произволен: он зависит от направления ветра. При движении
навстречу преобладающему ветру скорость воздушного потока, обтекающего крыло
самолета, равна скорости самолета относительно земли плюс скорость самого ветра
относительно земли. Поэтому при движении навстречу ветру, скорость отрыва от
земли, при которой подъемная сила, описываемая уравнением Бернулли, начинает
превышать силу тяжести, оказывается ниже, и самолету требуется меньшая длина
разбега или торможения после посадки. Тем самым снижается риск выхода за
пределы взлетно-посадочной полосы и экономится горючее за счет того, что часть
подъемной силы создается за счет энергии встречного ветра.
С
эффектом Бернулли вы можете встретиться также, когда сидите ненастным вечером
дома у камина. Во время особенно сильных порывов ветра языки пламени взмывают
вверх, в дымоход. А происходит следующее: когда скорость ветра у выходного
отверстия трубы возрастает, давление в этом месте падает. Более высокое
давление внутри дома буквально «выталкивает» пламя из камина в дымоход. Вы,
наверное, замечали спиральные лопатки вокруг выходных отверстий заводских труб.
Они установлены там с той же целью: направляя ветер вокруг и над отверстием
трубы, они способствуют белее эффективному выбросу отработанных газов.
Даниил
БЕРНУЛЛИ / Daniel Bernoulli, 1700–82.
Швейцарский
математик, физик и физиолог. Родился в Гронингене (Нидерланды) в семье
потомственных математиков и интеллектуалов. Первоначально получил медицинское
образование, и в 1725 году принял приглашение Петербургской академии наук и
занял пост профессора кафедры физиологии. Обнаружив в этой области множество
нерешенных задач из области теоретической физики и, в частности, динамики
движения жидкости (крови) в сосудах, вернулся к математическому описанию
физических процессов и в 1730 году возглавил кафедру чистой математики
Петербургской академии. В 1733 году вернулся на родину в Базель, где возглавил
кафедру анатомии и ботаники местного университета, а с 1750 года — кафедру
экспериментальной физики, которой и руководил до своей смерти. В результате
изучения гидродинамических зависимостей сформулировал так называемый принцип
Бернулли и на столетие предвосхитил зарождение молекулярно-кинетической теории
газов.
Система
классификации Линнея
Все
живые существа можно классифицировать с помощью иерархической системы, в основе
которой лежат категории рода и вида.
Карл
Линней, шведский физиолог, был профессором медицины в университете города
Упсала. Он заведовал большим ботаническим садом, который был нужен университету
для проведения научных исследований. Люди присылали ему растения и семена со
всего света для выращивания в ботаническом саду. Именно благодаря интенсивному
изучению этой огромной коллекции растений Карл Линней сумел решить задачу
систематизации всех живых существ — сегодня ее назвали бы задачей таксономии
(систематики). Можно сказать, что он придумал категории для популярной в
Америке викторины «Двадцать вопросов», в которой первым делом спрашивают,
относится ли предмет к животным, растениям или минералам. В системе Линнея действительно
все относится либо к животным, либо к растениям, либо к неживой природе
(минералам).
Чтобы
легче понять принцип систематизации, представьте, что вы хотите
классифицировать все дома в мире. Можно начать с того, что дома в Европе,
например, больше похожи друг на друга, чем на дома в Северной Америке, поэтому
на первом, самом грубом уровне классификации необходимо указать континент, где
расположено здание. На уровне каждого континента можно пойти дальше, отметив,
что дома в одной стране (например, во Франции) больше похожи друг на друга, чем
на дома в другой стране (например, в Норвегии). Таким образом, вторым уровнем
классификации будет страна. Можно продолжать в том же роде, рассматривая
последовательно уровень страны, уровень города и уровень улицы. Номер дома на
конкретной улице будет той конечной ячейкой, куда можно поместить искомый
объект. Значит, каждый дом будет полностью классифицирован, если для него будут
указаны континент, страна, город, улица и номер дома.
Линней
заметил, что подобным образом можно классифицировать живые существа в
соответствии с их характеристиками. Человек, например, больше похож на белку,
чем на гремучую змею, и больше похож на гремучую змею, чем на сосну. Проделав
те же рассуждения, что и в случае домов, можно построить систему классификации,
в которой каждое живое существо получит свое уникальное место.
Именно
так и сделали последователи Карла Линнея. На начальном уровне все живые
существа делятся на пять царств — растения, животные, грибы и два царства
одноклеточных организмов (безъядерных и содержащих в ядре ДНК). Далее каждое
царство делится на типы. Например, в нервную систему человека входит длинный
спиной мозг, образующийся из хорды. Это относит нас к типу хордовых. У
большинства животных, обладающих спинным мозгом, он расположен внутри
позвоночника. Эта большая группа хордовых называется подтипом позвоночных.
Человек относится к этому подтипу. Наличие позвоночника — критерий, по которому
позвоночные животные отличаются от беспозвоночных, то есть не имеющих позвоночного
хребта (к ним относятся, например, крабы).
Следующая
категория классификации — класс. Человек является представителем класса
млекопитающих — теплокровных животных с шерстью, живородящих и выкармливающих
своих детенышей молоком. Этот уровень различает человека и таких животных, как
пресмыкающиеся и птицы. Следующая категория — отряд. Мы относимся к отряду
приматов — животных с бинокулярным зрением и руками и ногами, приспособленными
для хватания. Классификация человека как относящегося к приматам отличает нас
от других млекопитающих — таких, например, как собаки и жирафы.
Следующие
две категории классификации — семейство и род. Мы относимся к семейству гоминид
и роду Homo. Впрочем, это разграничение мало что значит
для нас, поскольку других представителей нашего семейства и нашего рода больше
нет (хотя в прошлом они существовали). У большинства животных каждый род
содержит несколько представителей. Например, белый медведь — это Ursus maritimis, а медведь гризли — Ursus horibilis. Оба эти медведя относятся к
одному роду (Ursus), но к разным видам — они не скрещиваются.
Последняя
категория в классификации Линнея — вид — обычно определяется как популяция
особей, которые могут скрещиваться между собой. Человек относится к виду sapience.
При
описании животных принято указывать род и вид. Поэтому человек классифицируется
как Homo sapiens
(«Человек разумный»). Это не означает, что другие категории классификации не
важны — они просто подразумеваются, когда говорят о роде и виде. Главный вклад
Линнея в науку состоит в том, что он применил и ввел в употребление так
называемую бинарную номенклатуру, согласно которой каждый объект классификации
обозначается двумя латинскими названиями — родовым и видовым.
Классифицируя
таким способом живую природу, система Линнея определяет каждому организму свое
собственное уникальное место в мире живых существ. Но успех зависит в первую
очередь от того, насколько правильно систематик выделит важные физические
характеристики, и здесь возможны неверные суждения и даже ошибки — Линней, к
примеру, отнес бегемота к отряду грызунов! В настоящее время при систематизации
все больше учитывается генетический код отдельных организмов или история их
эволюции — генеалогическое древо (этот подход называется кладистикой).
Карл
ЛИННЕЙ / Carolus Linnaeus, 1707–78.
Шведский
ботаник и врач. Родился в Росхульте, изучал медицину в Лундском университете, а
с 1728 года — в Упсальском университете. Впоследствии начал заниматься
систематизацией растений, а затем — животных и минералов. Осознал родовое
сходство между различными группами, классифицировав китов как млекопитающих и
поместив человека и приматов в один класс. В 1741 году Линней стал профессором
Упсальского университета. Исследование коллекции растений университетского
ботанического сада привело его к созданию бинарной классификации растений.
После смерти Линнея эта коллекция и тематическая библиотека были куплены
английским натуралистом Джеймсом Смитом, а позже приобретены лондонским
Линнеевским обществом.
Центробежная
сила
Во
вращающейся системе отсчета наблюдатель испытывает на себе действие силы,
уводящей его от оси вращения.
Вам,
наверное, доводилось испытывать неприятные ощущения, когда машина, в которой вы
едете, входила в крутой вираж. Казалось, что сейчас вас так и выбросит на обочину.
И если вспомнить законы механики Ньютона, то получается, что раз вас буквально
вдавливало в дверцу, значит на вас действовала некая сила. Ее обычно называют
«центробежная сила». Именно из-за центробежной силы так захватывает дух на
крутых поворотах, когда эта сила прижимает вас к бортику автомобиля. (Между
прочим, этот термин, происходящий от латинских слов centrum
(«центр») и fugus («бег»), ввел в научный обиход в 1689 году
Исаак Ньютон.)
Стороннему
наблюдателю, однако, всё будет представляться иначе. Когда машина закладывает
вираж, наблюдатель сочтет, что вы просто продолжаете прямолинейное движение,
как это и делало бы любое тело, на которое не оказывает действия никакая
внешняя сила; а автомобиль отклоняется от прямолинейной траектории. Такому
наблюдателю покажется, что это не вас прижимает к дверце машины, а, наоборот,
дверца машины начинает давить на вас.
Впрочем,
никаких противоречий между этими двумя точками зрения нет. В обеих системах
отсчета события описываются одинаково и для этого описания используются одни и
те же уравнения. Единственным отличием будет интерпретация происходящего
внешним и внутренним наблюдателем. В этом смысле центробежная сила напоминает
силу Кориолиса , которая также действует во вращающихся системах отсчета.
Поскольку
не все наблюдатели видят действие этой силы, физики часто называют центробежную
силу фиктивной силой или псевдосилой. Однако такая интерпретация может вводить
в заблуждение. В конце концов, едва ли можно назвать фиктивной силу, которая
ощутимо придавливает вас к дверце автомобиля. Просто всё дело в том, что,
продолжая двигаться по инерции, ваше тело стремится сохранить прямолинейное
направление движения, в то время как автомобиль от него уклоняется и из-за
этого давит на вас.
Чтобы
проиллюстрировать эквивалентность двух описаний центробежной силы, давайте
немного поупражняемся в математике. Тело, движущееся с постоянной скоростью по
окружности, движется с ускорением, поскольку оно всё время меняет направление.
Это ускорение равно v2/r, где v — скорость,
а r — радиус окружности. Соответственно, наблюдатель, находящийся в
движущейся по окружности системе отсчета, будет испытывать центробежную силу,
равную mv2/r.
Теперь
обобщим сказанное: любое тело, движущееся по криволинейной траектории, — будь
то пассажир в машине на вираже, мяч на веревочке, который вы раскручиваете над
головой, или Земля на орбите вокруг Солнца — испытывает на себе действие силы,
которая обусловлена давлением дверцы автомобиля, натяжением веревки или
гравитационным притяжением Солнца. Назовем эту силу F. С точки
зрения того, кто находится во вращающейся системе отсчета, тело не движется.
Это означает, что внутренняя сила F
уравновешивается внешней центробежной силой:
F = mv2/r
Однако
с точки зрения наблюдателя, находящегося вне вращающейся системы отсчета, тело
(вы, мяч, Земля) движется равноускоренно под воздействием внешней силы.
Согласно второму закону механики Ньютона, отношение между силой и ускорением в
этом случае F = ma. Подставив
в это уравнение формулу ускорения для тела, движущегося по окружности, получим:
F = ma
= mv2/r
Но
тем самым мы получили в точности уравнение для наблюдателя, находящегося во
вращающейся системе отсчета. Значит, оба наблюдателя приходят к идентичным
результатам относительно величины действующей силы, хотя и исходят из разных
предпосылок.
Это
очень важная иллюстрация того, что представляет собою механика как наука.
Наблюдатели, находящиеся в различных системах отсчета, могут описывать
происходящие явления совершенно по-разному. Однако, сколь бы принципиальными ни
были различия в подходах к описанию наблюдаемых ими явлений, уравнения, их
описывающие, окажутся идентичными. А это — не что иное, как принцип
инвариантности законов природы, лежащий в основе теории относительности.
Ламаркизм
Эволюция
происходит путем наследования приобретенных признаков.
Еще
до появления разработанной Чарльзом Дарвином теории эволюции путем
естественного отбора многие ученые пытались объяснить разнообразие форм жизни
на нашей планете. Самый выдающихся из них — Жан-Батист Ламарк. Как и другие
ученые XVIII века, он заметил, что чем старше пласты
горных пород, тем более простые формы жизни они содержат, поэтому история живых
существ отражает развитие от простых организмов к более сложным .
На
основании этого Ламарк сделал вывод, что в природе имеет место эволюция (он
употреблял термин «продвижение»). Он предположил, что эволюция происходит под
влиянием двух факторов. Первый из них (и именно с ним ассоциируется имя
Ламарка) связан с наследованием приобретенных признаков. По мнению Ламарка,
если в течение жизни у какого-нибудь организма развились особенные способности,
его потомство унаследует эти способности. К примеру, дети тяжелоатлетов должны
были быть более мускулистыми, дети интеллигентов — более умными и так далее. В
качестве иллюстрации своей теории Ламарк часто приводил в пример жирафа, шея
которого удлинялась в течение многих поколений из-за того, что животные тянули
ее, чтобы достать вкусные молодые листочки с верхних веток деревьев.
Второй,
менее известный, фактор по Ламарку — существование универсальной созидательной
движущей силы, изначального стремления к совершенствованию, под воздействием
которого происходит постепенное усложнение всех форм жизни.
Конечно,
сегодня известно, что наследственность зависит от генов, закодированных в
молекуле ДНК, и что эволюция происходит в результате естественного отбора этих
генов. Если жизнь стала сложнее, то это произошло только из-за того, что
сложные организмы успешнее используют окружающую среду и система
воспроизводства у них продуктивнее. И нет никакого мистического «стремления к
совершенствованию».
Жан-Батист
Пьер-Антуан де Моне, шевалье де ЛАМАРК / Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet,
Chevalier de Lamarck, 1744–1829.
Французский
естествоиспытатель. Родился в Базантене (Пикардия) и был одиннадцатым ребенком
в семье наполовину обедневших дворян. Пошел добровольцем в армию и служил во
время Семилетней войны в разных французских военных учреждениях в районе
Средиземного моря. Во время поездок заинтересовался растениями, и эти
исследования принесли ему первое признание французского научного сообщества.
После увольнения из армии некоторое время работал в банке, был трижды женат, но
оставался бедным. Интересы Ламарка были очень разнообразны: ботаника (до
Французской революции он был смотрителем Королевского ботанического сада),
беспозвоночные животные (именно он впервые ввел этот термин), химия,
метеорология, геология и палеонтология, что в конце концов и привело его к
созданию первой целостной теории эволюции, изложенной в книге Философия
зоологии (1809).
Социальный
дарвинизм
Социальное
неравенство — результат действия дарвиновского естественного отбора.
Появление
в XIX веке теории эволюции Дарвина привело к перевороту во многих
областях научной мысли. Британский философ и социолог Герберт Спенсер (Herbert Spencer, 1820–1903) был одним из самых восторженных
последователей идей Дарвина. Между прочим, именно ему принадлежит фраза
«Выживают наиболее приспособленные». Он был первым, кто попытался применить
законы эволюции к человеческому обществу.
Люди,
менее искушенные, чем Спенсер, развили эту идею в теорию «социального
дарвинизма». Сторонники этой теории утверждали, что эволюция человеческого
общества происходит точно так же, как эволюция в природе, — путем необузданной
конкуренции и выживания наиболее приспособленных. Исходя из этого, жесточайшая
конкуренция в капиталистическом обществе конца XIX
века и порожденное ею колоссальное социальное неравенство воспринимались как
«естественное» состояние этого общества — весомый аргумент против таких идей,
как социальная реформа и профессиональные союзы.
На
самом деле социальный дарвинизм основывался на элементарном непонимании
принципов естественного отбора. В природе действительно выживают «наиболее
приспособленные» (или, по крайней мере, гены «наиболее приспособленных»), но в
дарвиновском естественном отборе есть только один критерий приспособленности.
По Дарвину, выживает тот — это и есть наиболее приспособленный индивид, — кто
передает большинство своих генов следующему поколению. С точки зрения
дарвиновской теории, не имеет никакого значения, сколько денег накопил индивид
или сколько власти он сконцентрировал в своих руках. Важно лишь то, скольким
потомкам достались его гены.
Здесь
можно привести в качестве примера историю железнодорожного магната Лиланда
Стэнфорда (Leland Stanford, 1824–93). Он начинал клерком в бакалейной лавке, а в итоге стал
одним из самых влиятельных людей Америки. Это он забил «золотой костыль» в
местечке Промонтори-Пойнт (штат Юта), завершив тем самым строительство первой
трансамериканской железной дороги, соединившей Атлантическое побережье с
Тихоокеанским. Стэнфорд основал знаменитый университет, носящий теперь его имя
в память о его единственном сыне, умершем подростком (если присмотреться к
университетскому гербу, можно заметить, что на нем написано «Университет
Лиланда Стэнфорда-младшего»).
С
социальной точки зрения, Лиланд Стэнфорд достиг необычайных высот — это был
человек, изменивший лицо мира, в котором жил. Однако, если исходить из
дарвиновских критериев успеха, он потерпел фиаско, так и не передав ни одного
гена следующим поколениям. Одного этого примера достаточно, чтобы показать
полную научную несостоятельность доктрины социального дарвинизма. Против этой
теории могут быть выдвинуты и другие аргументы (например, что «есть» и «должно
быть» — не одно и то же), но, по сути, они излишни.
По теме :
