# Современная естественно-научная картина мира

С В Вонсовский

В учебном пособии С.В. Вонсовского излагаются основные представления современной естественно-научной картины мира. Детально рассмотрены важнейшие физические законы микро- и макромира в форме, доступной для широкого круга читателей. Большое внимание уделено как классическим вопросам, так и последним достижениям науки. Обсуждаются связи физики с другими естественными науками, техникой и гуманитарными дисциплинами. В дополнении В.Ю. Ирхина и М.И. Кацнельсона дан сравнительный анализ современных научных результатов и традиционных философских и духовных концепций. В html-формате: Глава 3 и Дополнение. В формате pdf (с оглавлением по разделам): Глава 1 и Глава 2. В Приложении Главы 1-3 и Дополнение в формате pdf (с иллюстрациями).

Вонсовский С.В.

Современная естественно-научная картина мира. - Екатеринбург: Изд-во Гуманитарного ун-та, 2005. - 680 с.

ISBN 5-901527-39-9


Второе издание: РХД, 2006. - 680  с.

ISBN 5-93972-574-0


В учебном пособии излагаются основные представления современной естественно-научной картины мира. Детально рассмотрены важнейшие физические законы микро- и макромира в форме, доступной для широкого круга читателей. Большое внимание уделено как классическим вопросам, так и последним достижениям науки. Обсуждаются связи физики с другими естественными науками, техникой и гуманитарными дисциплинами.

В дополнении В.Ю.Ирхина и М.И. Кацнельсона дан сравнительный анализ современных научных результатов и традиционных философских и духовных концепций.

Для студентов, аспирантов и научных сотрудников гуманитарных и других специальностей высших учебных заведений. Книга также может быть полезна всем, интересующимся современной наукой и стремящимся расширить свой кругозор.


СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА......................................7

Предисловие АВТОРА.................................................................................7

ВВЕДЕНИЕ ..............................................................................8


## Глава 1.

Современные физические представления

об атомном и субатомном мирах ............................................13

1.1. Зарождение атомистических представлений

в античной науке ................................................................................16

1.2. Два направления античного атомизма: Левкипп,

Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар, Платон .............................19

1.3. Атомистика в Новом времени .....................................25

1.4. Периодический закон химических элементов Менделеева ............31

1.5. Атомизм в новой физике ...........................................................35

1.6. Экспериментальное доказательство реальности

атомизма - броуновское движение .................................................41

1.7. Открытие субатомного мира: опыты Фарадея

по электролизу ..........................................................................45

1.8. Открытие катодных лучей - потоков электронов;

их изучение и определение удельного заряда электрона ................48

1.9. Основы электронной теории металлов.

Опыты Стюарта и Толмена ...................................................52

1.10. Рентгеновские лучи, их получение и исследование.

Опыты по определению электрического заряда электрона ......62

1.11. Открытие и изучение явления радиоактивности .......................77

1.12. Теория излучения света. Гипотеза Макса Планка о кван-

тах света. Квантовая теория фотоэффекта по Эйнштейну .........87

1.13. Ядерная модель атома, опыты Резерфорда.

Полуклассическая теория атома Бора ......................................94

1.14. Идеи де Бройля. Элементы квантовой механики ...............101

1.15. Квантово-механическое объяснение периодического

закона химических элементов Менделеева ....................108

1.16. Соотношение неопределенностей Гейзенберга

и принцип дополнительности Бора .................................118

1.17. Математический аппарат квантовой механики ..................126

1.18. Релятивистская квантовая механика Дирака.

Предсказание и открытие античастиц .................................132

1.19. Строение атомного ядра ..............................................136

1.20. Ядерная энергетика. Ядерные процессы

в звездах и космические лучи ........................................144

1.21.Открытие нейтрино и антинейтрино.

Эффект Комптона. Механизм ядерных сил ..........................155


1.22. Классификация элементарных микрочастиц.

Новые квантовые числа в мире микрочастиц ......................171

1.23. Фундаментальные взаимодействия микрочастиц.

Адроны и лептоны, барионы и мезоны ............................188

1.24. Внутренняя структура адронов. Гипотеза кварков,

глюонов. Четность С, зарядовое сопряжение Р

и изменение Т. СРТ - инвариантность ..................................200

1.25. Законы сохранения в микромире ........................................211

1.26. Природа физического вакуума ........................................217


## Глава 2.

О некоторых важнейших представлениях

макрофизики и физики Космоса .......................................223

2.1. Понятия пространства и времени в макрофизике, их

топологические и метрические характеристики. Ньютонов-

ская картина абсолютного пространства-времени. Опыт

Майкельсона-Морли и его отрицательный результат ..........226

2.2. О теории электромагнетизма и магнитных

свойствах вещества ...........................................................237

2.3. Некоторые применения квантовой механики

в макрофизике. Электронная теория твердых тел ...........260

2.4. Несимметричность времени. Термодинамика и ее

основные понятия ........................................................................276

2.5. Колебания кристаллической решетки. Сверхпроводи-

мость и сверхтекучесть ...........................................................287

2.6. Элементы специальной теории относительности ......................309

2.7. Теория гравитации (общая теория относительности),

ее опытная проверка ............................................................326

2.8. Основные сведения о космологии. Красное смещение

в спектрах звезд. Решение уравнений теории тяготе-

ния Фридманом и его модели эволюции Вселенной ................339

2.9. Современные представления об эволюции Вселенной.

Теория Большого взрыва и горячей Вселенной .........................350

2.10. О связи законов сохранения со свойствами симметрии

пространства-времени ...........................................................362

2.11. Проблема объединения фундаментальных взаимодейст-

вий микрочастиц. Теория суперсимметрии и суперструн ...365


## Глава 3

. Связь физики с другими естественными

и гуманитарными дисциплинами.

Некоторые общие проблемы

современной науки и культуры.............................................377

3.1. Связь физики с химией ............................................................380

3.2. Связь физики с биологией ............................................................385

3.3. Связь физики с геологией и геофизикой ....................................403

3.4. Связь математики и физики с социальными

и гуманитарными науками ......................................................407

3.5. Связь физики с техникой .............................................................419

3.6. Электронно-вычислительные методы.

Компьютеры и кибернетика ......................................................424

3.7. Проблемы синергетики ........................................................427

3.8. О проблемах экологии ...............................................................432

3.9. О зарождении органической жизни на Земле ...........................437

3.10. Место человека во Вселенной ..................................................439

Литература ...............................................................................446


ДОПОЛНЕНИЕ

В.Ю. Ирхин, М.И. Кацнельсон.

Естественно-научный и гуманитарный подходы

к современному мировоззрению .....................................................447

Предисловие ...........................................................................449

Введение .......................................................................................451

1. Западная научная картина мира .................................................458

1.1. Наука средневековья и переход к Новому времени ...........460

1.2. Современная наука ...................................................................474

1.3. Критерии истинности в научном исследовании ..............486

2. Атомизм и первоэлементы .....................................................504

3. Квантовая механика: проблема субъекта и объекта .............529

4. Энергия ......................................................................................558

5. Пространство ..........................................................................580

5.1. Понятие пространства и взаимодействие .............................581

5.2. Пространство и сознание человека .....................................594

6. Время ........................................................................................609

6.1. Творение, цикличность и начало времени ...........................609

6.2. Необратимость и трагедия времени .................................635

6.3. Эволюция и конец времени ................................................647

Заключение .............................................................................661

Литература ...........................................................................671

ОБ АВТОРЕ...........................................................................679


SUMMARY...........................................................................680


Предисловие научного редактора


К несчастью, смерть помешала Сергею Васильевичу Вонсовскому завершить работу над своей последней книгой. Несмотря на некоторую неоднородность материала, при редактировании рукописи я старался по возможности избежать сокращений (за исключением стандартных рабочих деталей математических выкладок) и ограничиться минимальными исправлениями. Нам казалось принципиальным сохранить особенности стиля книги, поскольку ее содержание важно не только с учебной точки зрения, но и как свидетельство духа безвозвратно уходящего времени. Хотя некоторые освещенные в книге вопросы можно найти в классических учебниках, изложение часто имеет оригинальный характер. Ряд разделов, которые могут составить трудности для гуманитариев (либо быть пропущенными при первом чтении), выделены при изложении материала другим шрифтом.


В.Ю. Ирхин


ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА


В этой книге изложено содержание курса лекций об основных представлениях современного естествознания, в основном, физики, касающихся учения о природе окружающего нас мира. Кратко затронуты вопросы истории и экспериментального обоснования открытых законов. Изложение весьма строгое, но не загружено сложным математическим аппаратом.

В начале речь идет о структуре и свойствах атомных и субатомных микрочастиц, а также о физическом вакууме. Значительное место уделено проблемам квантовой физики. Далее рассматриваются макропредставления о структуре материи, о понятиях пространства-времени, об архитектуре и эволюции Вселенной. Дается представление об основных законах электродинамики, термодинамики, теории относительности. Затем идут сведения о связи физико-математического цикла наук с другими естественными науками - химией, биологией, геологией. Обсуждаются проблемы связи физики с техникой и с гуманитарными науками. Отдельно рассматриваются вопросы экологии, синергетики, компьютеризации и проблема о месте человека во Вселенной.


Предисловие к дополнению


Не секрет, что в настоящеее время как в России, так и в мире в целом заметна тенденция к падению интереса к "классическим" естественным наукам. В то же время наблюдается размытие границ между различными науками, даже между гуманитарными и естественными, и растет интерес к "пограничным" отраслям знания. В силу последнего обстоятельства знакомство с естественными науками не через "третьи руки" становится актуальным для людей со специфически "гуманитарными" интересами. С учетом этих тенденций и для расширения возможного круга читателей было сочтено возможным включить в настоящее издание дополнение, посвященное месту естественных наук в общей картине мира современного человека, и добавить соответствующую библиографию. Разумеется, вступая в эту обширную и непростую область, мы сталкиваемся с рядом проблем. В частности, отбор материала и обсуждаемых точек зрения неизбежно становится субъективным. В то же время мы надеемся, что местами дискуссионный характер дополнения будет способствовать активной выработке собственного мировоззрения читателя.

Сергей Васильевич не успел подробно осветить эту тему, и мы излагаем соответствующий материал исходя из собственных оценок. Однако нам кажется, что он прочитал бы этот текст со свойственным ему доброжелательным вниманием и интересом, поскольку нам известна широта его взглядов из опыта личного многолетнего общения с ним. Было бы неправильно судить о мировоззрении Сергея Васильевича по его немногочисленных публикациях, касающихся философских вопросов: на них наложило свой отпечаток тяжелое время, пережитое нашей страной. Приведем в этой связи отрывок из письма к Т.П. Козляковской от 16.1.94:


И вот то, что я написал в ответ на статью [Тростникова] из "Нового мира", - это тоже еще отрыжка от рабства. И вот, может теперь... я найду в себе силы душевные, чтобы изгнать все рабское, что сохранилось внутри меня. В чем я согласен с тобой полностью - это с тем, что должна быть какая-то идея. Здесь может быть много разных путей. Здесь и наука, и искусство, и религия. Все они ставят свои цели. Самое главное, это чтобы общество было высоко интеллигентным, вот, наверно, это самое главное, мой друг (Т.П. Козляковской, 16.1.94).

О богатстве мировосприятия Сергея Васильевича говорят заключительные страницы последней главы книги, впечатляющие своей глубиной. Наше дополнение как раз касается поднятых там вопросов.


В. Ю. Ирхин

М. И. Кацнельсон


ВВЕДЕНИЕ


К урс лекций "Современная естественно-научная картина мира" рассчитан на слушателей гуманитарных специальностей в высших учебных заведениях. Он предполагает, что слушатели знакомы с физикой и математикой в объеме средней школы и с начальными элементами высшей математики, которая введена в программы гуманитарных вузов.

Курс будет посвящен изложению основных концепций современного естествознания, касающихся учения о природе окружающего нас мира, об иерархии структурных элементов материи, о микро-, макро- и мегамире, о специфике неорганического и животного мира, о месте человека во Вселенной и об ее эволюции.

Разделение наук на естественные, технические и гуманитарные вызвано, конечно, не какими-то принципиальными различиями, а скорее, сложившимися исторически процессами их специализации и профессионализации. Акценты, которые делались в них на ту или иную специальность, и привели к некой односторонности при обучении естественников и гуманитариев. Однако мы никогда не должны забывать об основной сути всех этих научных направлений: они описывают единый мир природы, лишь частями которого являются неорганический и органический миры и человеческое общество. Это единство мира приводит в настоящее время к необходимости объединения всех направлений в знании человека, хотя казалось бы, что специализация наук поставила между ними непроницаемые барьеры или вырыла какие-то глубокие пропасти.

Актуальной задачей современного этапа развития человеческой культуры, является разрушение таких барьеров или наведение мостов через эти мифические пропасти. В области естественных наук, где между различными дисциплинами было тоже кажущееся, якобы принципиальное различие, устанавливается некое своеобразное единство, например, путем возникновения промежуточных дисциплин, таких как химическая физика, биофизика, геофизика и т. п., что приводит к резкому переходу во всем естествознании от описательного, качественного этапа к строго количественному с использованием всей мощи современного математического аппарата. Такая же тенденция наблюдается и в социальных и гуманитарных науках: уже создан целый комплекс наук по экономической кибернетике, где применяется сложнейший математический аппарат. И даже в таких далеких, казалось бы, от математики науках, как филология и история, имеется совершенно явное стремление к разработке специального математического подхода, что заставляет нас всячески способствовать указанному прогрессивному процессу объединения наук. Этой задаче и служит настоящий курс лекций, введение которого в программы обучения в гуманитарных вузах является чрезвычайно актуальным и своевременным.

Следует еще добавить, что такого рода лекции ставят перед собой две основных цели:

1. Дать возможность слушателям использовать некоторые результаты и методы естествознания (в основном, физики) в своей будущей профессиональной деятельности.

2. Сформулировать у студентов-гуманитариев правильное и достаточно полное представление о естественно-научной картине мира.

Первая цель вполне понятна и может быть решена самими слушателями. Целесообразность второй цели заключается в том, что успехи естествознания, особенно в последнее время, представляют собой достижения общечеловеческой культуры, которые надо знать любому образованному человеку, тем более с высшим образованием.

Приобщение к этим ценностям культуры может дать свой толчок к творческой деятельности гуманитариев в их собственной профессиональной области. Знакомство с естественно-научной культурой будет также способствовать развитию логически стройного и аналитически глубокого мышления. Многие глобальные проблемы, рассматриваемые в социальных и гуманитарных науках (от философии до эстетики и лингвистики), настоятельно требуют обращения к последним сведениям науки о Космосе, структуре микромира, кибернетике, синергетике и т. д. Знакомство с историческим развитием естествознания и техники может привести гуманитариев к интересным корреляциям с историей общественных отношений, а также с историей развития их собственных конкретных научных направлений. Достаточно строгое, лишенное какого-либо намека на упрощенчество знакомство с естествознанием также может быть важным элементом в борьбе образованных гуманитариев с различными, становящимися в последнее время модными псевдонауками вроде оккультизма, со всевозможными "средневековыми" суевериями, с ложной постановкой проблемы НЛО и т. д.

Предлагаемый курс лекций разбит на три раздела. В первой части дается достаточно полное представление о состоянии современной физической науки, о структуре и свойствах микромира - мира атомов и субатомных частиц, а также о "физическом вакууме". При этом изложение не загружено сложным аппаратом математических выкладок современной теоретической физики. Однако само качественное изложение весьма строгое и лишено какого-либо намека на вульгаризацию.

Во второй части курса речь будет идти о макроскопических представлениях: структуре материи, понятиях пространства и времени, об электродинамике и термодинамике, о теории относительности, а также достаточно подробно - о наших современных представлениях об архитектуре Космоса и его эволюции. Особый акцент делается на космологических проблемах, поскольку правильное знакомство с их основами играет важнейшую роль в формировании нашего мировоззрения.

Третья часть курса тоже очень важна для гуманитариев, поскольку она дает знакомство с общими принципами связи физики и математики с другими естественными науками - химией, биологией и геологией, в которых за последнее время произошел переход от описательного этапа в их развитии к строго количественному подходу решения соответствующих проблем. Это наиболее ясно проявляется в упоминавшемся выше процессе рождения промежуточных наук. Кроме того, в третьей части дается изложение важнейшей связи физики с техникой, а также, что представляется особенно важным для гуманитариев, связи естествознания с социологическими и гуманитарными науками. Отдельно рассматриваются вопросы экологии, кибернетики, компьютеризации, синергетики и проблема о месте человека во Вселенной.

Физика и математика уже давно тесно связаны между собой, они являются фундаментом вообще всех научных знаний о мире. В настоящее время их влияние усилилось во всех науках - естественных, социальных и гуманитарных.

"Первичной" естественной наукой является математика, которая рассматривает чисто количественные связи в природных явлениях и в человеческом обществе. Для этого она отвлекается от конкретного содержания изучаемых объектов, интересуясь лишь числами. Элементарная математика - арифметика, алгебра, геометрия и тригонометрия изучают самые простые количественные соотношения. Более сложными являются количественные характеристики, которые описываются высшей математикой - математическим анализом, аналитической и дифференциальной геометрией, теорией групп, теорией чисел, математической логикой и другими разделами современной высшей математики.

Прогресс в математике теперь определяется не только логикой ее собственного развития, но и требованиями со стороны. Например, это могут быть запросы физики, а теперь и многих других естественных, социальных и гуманитарных наук, в которых перед математикой ставятся новые конкретные задачи. Но при этом новое не меняет абстрактного характера математики, отражая только чисто количественные отношения в соответствующих явлениях и процессах природы и общества. В качестве примера собственного развития математики можно привести появление в ней теории групп, которая вначале была открыта математиками и не связывалась с какими-либо конкретными явлениями в природе. И только потом физики нашли для этой абстрактной математической дисциплины широкое поле применений в кристаллографии, квантовой механике и т. д. Точно так же неевклидова геометрия была открыта русским ученым Н. Лобачевским в самой математике, и казалось, что она весьма далека от реальной действительности. Только потом физики, в связи с созданием теории относительности, поняли, что она отражает вполне реальные материальные отношения в природе. Примером другого типа, когда математические разработки индуцируются запросами извне, может быть теория микроявлений в современной физике, которая непрерывно предъявляет свои требования к развитию новых разделов математики. В целом прогресс в математике очень важен для развития всей нашей цивилизации.

Физика, в отличие от математики - вполне конкретная наука, которая математическим языком формулирует свои объяснения явлений и процессов в природе. При этом она, в отличие от других наук, изучает наиболее глубинные, элементарные явления в мире атомных и субатомных частиц, лежащие в основе строения всех тел природы. Здесь физика, как и математика, несколько абстрагируется от сугубо специфических особенностей отдельных объектов природы, рассматривая лишь наиболее общие типы тел и процессов, а также вопросы о структуре пространства и времени и проблемы эволюции Вселенной.

Отметим, что математика и физика имеют важное значение в развитии всей современной цивилизации - обе эти науки являются фундаментом всей современной техники и технических наук. Мы - свидетели того, как из физики рождаются новые отрасли техники, когда, например, по "вине" физики атомного ядра возникли ядерная энергетика с ее атомными электростанциями и полупроводниковая и лазерная техника.

Обратим внимание на важную роль физики в философских проблемах, т. к. уже в античную эпоху физика была рядом с философией: недаром античных ученых называли натурфилософами. Ниже мы неоднократно будем касаться связи физики как с техникой, так и философией.


## Глава 3


Связь физики с другими естественными и гуманитарными дисциплинами.


Некоторые общие проблемы современной науки и культуры


Кроме проблем микрофизики, рассмотренных в первой части нашего курса, проблем макрофизики и учения о Космосе, которые излагались во второй части, в третьей части курса мы кратко остановимся на связи физики с другими естественными науками - химией, биологией и геологией, с гуманитарными науками и техникой. Здесь же будут рассмотрены проблемы кибернетики, компьютеризации, экологии и синергетики, а также место человека во Вселенной.


3.1. Связь физики с химией


Во всех химических процессах мы встречаемся прежде всего с атомизмом тел природы. Еще великий русский ученый М.В. Ломоносов одновременно был и замечательным химиком, и замечательном физиком. Атомы и молекулы для него были элементарными единицами физического и химического строения вещества. Великий химик второй половины XIX и начала XX века Д.И. Менделеев гениально угадал один из основных законов природы - закон Периодической системы элементов. В начале ХХ века не менее великий физик датчанин Нильс Бор раскрыл внутренний атомно-электронный физический механизм этого закона.

Химия - одна из важнейших естественно-научных дисциплин, прежде всего наука о структуре молекул, а также о процессах взаимодействия молекул и поведении веществ при различных химических реакциях. В современной химии изучаются не только простейшие молекулы, состоящие из двух или нескольких атомов, что характерно для неорганических соединений, но и более сложные молекулярные образования из десятков, сотен и даже тысяч атомов, которые встречаются в органической химии и особенно в биохимии, т.е. химии биологических веществ. Проблемы сложных молекулярных образований требуют строгого применения всех достижений современной микрофизики. Именно поэтому в наше время возникла и получила большое развитие новая промежуточная дисциплина, получившая название химической физики. Она отлична от ранее существовавшей физической химии, которая возникла еще в XIX веке на основе достижений макрофизики, в основном механики и термодинамики.

Химическая физика исследует строение электронных оболочек атомов и их изменение при образовании молекул. В ней также с позиций физики, а точнее с позиций квантовой механики, трактуется природа химической валентности и общая природа химических связей. Теперь с помощью шредингеровских волновых функций можно с полным основанием очень детально говорить о пространственном распределении электронов в электронной системе молекул и на этом основании понимать их физико-химические свойства. Динамика молекул, химическая кинетика также являются предметом изучения химической физики.

Итак, химическая физика в основном занимается проблемами электронного строения молекулярной электронной оболочки и различными типами химических превращений веществ, пользуясь методами современной атомной и субатомной физики с широчайшим применением квантово-механических математических расчетов.

Становление химической физики как новой отрасли современного естествознания можно с полным правом связать с именем выдающегося русского ученого академика Н.Н. Семенова. Особо важное значение имеют его работы по теории цепных химических реакций. Под последними понимают сложные процессы, в которых промежуточные активные частицы (которыми в химических реакциях являются свободные радикалы с неспаренным электроном или возбужденные атомы и молекулы). Реагируя в каждом элементарном акте, они вызывают большое число (целую цепочку) превращений исходного вещества. В химии цепные реакции - это горение, полимеризация (синтез полимеров, т.е. веществ, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев). В случае же цепных ядерных реакций, которые мы выше рассматривали, активную роль играют вторичные нейтроны.

Работы Н.Н. Семенова по теории цепных реакций были обобщены в его известной монографии "Цепные реакции". В 1956 году ему и американскому химику С. Хиншельвуду была присуждена Нобелевская премия. Н.Н. Семенов, будучи одним из первых по времени учеников академика А.Ф. Иоффе, сам стал главой большой научной школы русских ученых, среди которых такие выдающиеся представители российской научной мысли, как Ю.Б. Харитон, Я.Б. Зельдович и многие другие.

Не углубляясь в детали проблем химической физики, перечислим только трактовки в ней двух основных типов химической связи с учетом современных достижений электронной физики. Первым из них можно назвать ионный тип, когда происходит передача электрона от одного атома к другому, и они превращаются в разноименно электрически заряженные ионы - отрицательно заряженный ион или анион и положительно заряженный ион или катион. Примером такой связи может служить двухатомная молекула, состоящая из соединения одного атома щелочного металла и одного атома галогена. В частности, если мы имеем один нейтральный атом щелочного металла лития или натрия с одним валентным электроном, который сравнительно слабо связан со своим ионом, а с другой стороны - нейтральный атом галогена, например, хлора или брома, у которых имеется одно пустое место в недостроенной наружной электронной подоболочке, то при сближении атома натрия с атомом хлора происходит передача электрона от натрия к атому хлора и они превращаются соответственно в катион и анион. Последние притягиваются кулоновскими силами и тем самым образуют молекулу с ионной связью, т.е. молекулу поваренной соли NaCl. Данный тип химической связи и называется ионной-гетерополярной связью.

Однако в твердом состоянии анионы и катионы нельзя считать жесткими сферами, т.е. атомными частицами с неперекрывающимися электронными оболочками. Из-за значительного перекрытия этих оболочек межатомная связь в ионных кристаллах зависит от двух противодействующих факторов: во-первых, кулоновского притяжения аниона и катиона и, во-вторых, взаимного отталкивания перекрытия их электронных оболочек. Энергия последнего была детально просчитана Борном и Майером и дается выражением:


A ехр(-R/b),


где А и b - эмпирические константы, а R - расстояние между центрами соседних аниона и катиона. На рис. 102 приведен график полной потенциальной энергии их взаимодействия, откуда следует, что результирующий потенциал имеет четкий минимум на расстоянии Ro, которое соответствует параметру решетки кристалла, т.е. расстоянию между центрами ближайших соседних катионов и анионов. Из результирующей кривой энергии связи также видно, что на близких расстояниях R < Ro наблюдается резкое отталкивание, а на больших расстояниях, когда R > Ro - типичное кулоновское притяжение.

Вторым основным типом химической связи является ковалентная или гомеополярная связь. В этом случае происходит не передача электрона от одного атома к другому, а образование общей молекулярной электронной оболочки, когда внешние электроны обоих реагирующих атомов как бы коллективизируются в ней. В результате такой коллективизации происходит понижение энергии в системе внешних электронов молекулы. Уменьшение суммарной энергии в молекулярной электронной оболочке численно равно некоторой величине, в которую, кроме обычной кулоновской энергии, входят еще произведения соответствующих волновых функций электронов с обменом у них координат соединяющихся атомов, поэтому данный тип связи можно назвать обменной связью.

Исторически первый расчет такой связи был сделан немецкими физиками Гайтлером и Лондоном для молекулы водорода, состоящей из двух электрически нейтральных атомов водорода. Следует подчеркнуть, что в обменном взаимодействии активную роль играют спины электронов. Например, при образовании электронной оболочки в молекуле водорода спины двух электронов в молекулярной оболочке оказываются антипараллельными. Это видно из графика кривой энергии связи молекулы водорода на рис. 103, где кривая энергии для параллельных спинов дает только отталкивание, а кривая для антипараллельных спинов имеет при некотором расстоянии R0 минимум, который и соответствует размерам молекулы. Также антипараллельны и их спиновые магнитные моменты, поэтому молекула водорода в нормальном состоянии является магнитонейтральной, т.е. диамагнитной, поскольку и орбитальные магнитные моменты обоих электронов равны нулю.

Но могут быть случаи, когда энергетически выгодной является параллельная ориентация спинов и их магнитных моментов. Тогда молекула становится обладательницей результирующего спинового магнитного момента, т.е. парамагнитной, например, в молекуле кислорода О2.

В случае кристаллов это может приводить к различным магнитным эффектам - диамагнетизму, парамагнетизму и ферромагнетизму, когда спины всех атомов кристалла, как мы уже видели, оказываются взаимно параллельными. Кроме того, возможен случай, когда есть спиновый порядок в кристалле, но антипараллельный, т.е. соседние атомы имеют антипараллельные спины в шахматном порядке. Он называется антиферромагнетизмом. Напомним, что магнитные свойства вещества были достаточно подробно рассмотрены выше, во второй части курса.

Не будем больше останавливаться на деталях сложной и хорошо разработанной теории химических связей. Можно только сказать, что в настоящее время многие из квантовых аспектов химической физики проникли и в старую физическую химию, "заразив" ее новыми квантовыми идеями. В заключение отметим, что современная химия прочно встала на строгий в математическом смысле количественный путь своего развития.


3.2. Связь физики с биологией


Перейдем теперь к рассмотрению основных положений биологической науки и ее связей с физикой, а также с современной химией. Тела неживой природы и живые организмы построены из одних и тех же атомов и молекул. Поэтому органический мир подчиняется тем же единым законам, учитывающим ядерно-электронное строение всех тел. Проблемы соотношения физики и биологии стали сейчас особенно актуальными. Из-за сложности и своеобразия явлений жизни пути биологии и физики в прошлом все более расходились. Основные биологические закономерности, прежде всего законы естественного отбора Дарвина, считались совершенно не связанными с физикой.

Несколько иначе развивался контакт биологии с химией. В начале своего развития химия жизненных процессов - органическая химия - была почти полностью отделена от химии неорганических веществ. Представлялось, что получить вещества, функционирующие в живых организмах, вообще невозможно, поскольку требовалась какая-то особая "жизненная сила". Таким образом, органическая химия была своего рода опорой витализма - идеалистического учения о жизни. Но после работ Лавуазье, установившего аналогию между процессами дыхания живых организмов и процессами горения неорганических веществ, а также работ по синтезу мочевины, проведенных немецким химиком Велером в 1828 году из неорганических веществ, стало ясным, что ничего оторванного от неорганической химии в процессах органической химии нет. Органическая химия - всего лишь учение о химических соединениях с обязательным участием углерода. Ученые стали верить, что химия позволит объяснить материальную природу органической жизни. Но здесь, конечно, было и осталось много трудностей.

Развитие науки показало, что за функционирование живого организма ответственны белки, довольно сложные органические соединения, и даже не просто одни белки, а их связь со многими низко- и высокомолекулярными веществами, прежде всего с нуклеиновыми кислотами. Под этими соединениями мы понимаем сложные органические соединения, в состав которых входят углерод, пуриновые и пирамидиновые основания и фосфорная кислота.

Живой организм и любая его функциональная часть всегда являются весьма сложной открытой термодинамической системой. Она оказывается гетерогенной, т.е. неоднородной макросистемой, состоящей из однородных частей, разделенных поверхностными слоями, а они, в свою очередь, состоят из взаимодействующих элементов - больших и малых молекул и ионов. Отсюда и следует, что все биологические системы являются типичными открытыми системами, которые активно и постоянно поддерживают тесный обмен с окружающей средой через дыхание, поглощение продуктов питания и т.д. Поэтому закон возрастания энтропии относится только к общей системе, состоящей из самой открытой системы, где энтропия может таким образом убывать, и к окружающей среде. Термодинамика открытых систем отличается от термодинамики изолированных систем. Это термодинамика существенно необратимых - неравновесных процессов, которую развили ученые Онзагер, Пригожин и другие.

Очень интересными являются воззрения Н. Бора на биологические процессы. Он рассматривал проблему связи физики и биологии на основе уже знакомого нам принципа дополнительности, считая, что собственно биологические законы дополнительны законам, которым подчиняются тела неорганического мира. По Бору, нельзя одновременно определять физико-химические свойства организма и явления жизни - анализ свойств одного исключает подобный анализ другого. Таким образом, Бор рассматривал биологические и физико-химические исследования как дополнительные, т.е. несовместимые, хотя и не противоречащие друг другу. Идея Бора не имеет ничего общего с витализмом, ибо его точка зрения отрицает существование какой-либо границы для применения физики и химии к решению биологических проблем. Дополнительность наиболее ярко проявляется в том, что для изучения атомно-молекулярного строения организма он должен быть убит. В последнем изложении своей точки зрения Бор считал, что применение принципа дополнительности к биологии обусловлено не каким-то особым характером понятия жизни, а лишь чрезвычайной сложностью организма как целостной структуры.

В 1945 году Э. Шредингер написал книгу о связи физики с биологией: "Что такое жизнь с точки зрения физики?", где он рассмотрел три основные проблемы биофизики. Перваяпроблема - термодинамические основы жизни. Организм - прежде всего открытая высокоорганизованная система, которая, в отличие от неорганических веществ, способна поддерживать эту упорядоченность. Речь идет здесь о саморегуляции, самовоспроизводстве организма и его клеток. По Шредингеру, это объясняется тем, что организм, как мы только что отметили, - система, которая находится в неравновесном состоянии благодаря потоку энтропии во внешнюю среду. Организм непрерывно создает порядок, извлекая его из окружающей среды в виде высокоупорядоченного состояния материи, например, в пищевых продуктах. Только благодаря макроскопичности и многоатомности организма такой процесс становится возможным, а в малых системах из-за флюктуаций упорядоченность может уничтожаться.

Вторая проблема по Шредингеру - это молекулярные основы жизни. В ней автор определяет молекулярную природу генов, которые ответственны за наследственность, а также ставит вопросы о структуре вещества наследственности и о причинах его устойчивого воспроизводства в ряду поколений.

Третья проблема - квантово-механические закономерности, которые отчетливо проявляются в радиобиологических явлениях, что было показано в работах Н.В. Тимофеева-Ресовского, М. Дельбрюка и других. Здесь Шредингер отмечает соответствие биологических процессов законам квантовой механики. В важной работе Эйгена, посвященной самоорганизации и эволюции биологических макромолекул, убедительно аргументируется утверждение о достаточности современной микрофизики для объяснения биологических явлений.

Итак, живой организм - это открытая, саморегулируемая и самовоспроизводящаяся гетерогенная система, важнейшим функциональным веществом которой служат биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты. Такая система подлежит комплексному физическому и химическому исследованию, а ее познание должно опираться на раскрытие физико-химических особенностей жизни - на физическое рассмотрение развития организма, его неравновесности, упорядоченности, системности. Можно установить такую цепочку связей:


организм - клетка - ядро клетки -


хромосомы в ядре - гены.


Последние представляют собой отдельные участки молекулы ДНК - дезоксирибонуклеиновой кислоты. Кроме ДНК, также большую роль играет молекула РНК - рибонуклеиновой кислоты. Молекула ДНК имеет двойную спиральную структуру (рис. 104а, б). Американский биохимик Джеймс Уотсон и англичанин Френсис Крик в 1953 году совершили великое открытие. Они показали, что молекулы ДНК имеют вид двойной спирали, что позволило им объяснить, каким образом генетическая информация записана в молекуле ДНК, а также высказать гипотезу о ее самовоспроизведении - редупликации. Именно с появлением этой работы и родилась современная молекулярная генетика, одно из замечательных открытий ХХ века. Уотсон и Крик сделали свое открытие методом рентгенографии. Заметим, что проблема генетического кода была теоретически впервые сформулирована Г. Гамовым, но экспериментальная расшифровка кода была получена только после рентгеновских исследований упомянутых двух авторов.

Одновременно с рентгеновскими исследованиями широко проводились и химические эксперименты. В биологии, науке, которая долгое время была чисто описательной, не использовавшей физического и химического эксперимента, химики стали "приспосабливать" биологов к использованию количественных измерений прежде всего в следующих двух разделах биологии. Одним из таких разделов была генетика. Начало научному эксперименту и количественным выводам из него в генетике было положено работами Менделя, за которыми последовали результаты Моргана, Вейсмана и многих других. Второй раздел, в котором ученые-биологи под влиянием химиков встали на путь количественного эксперимента, была биохимия, причем пионерские работы в этой области принадлежат Лавуазье.

Итак, генетика и биохимия были родоначальниками экспериментальной биологии, развившейся в результате сотрудничества биологов с химиками, к ним затем присоединились и биофизики, вооруженные новыми идеями и экспериментальной техникой, возникшей благодаря научно-технической революции первых десятилетий ХХ века. В настоящее время мы уже имеем дело с вполне сформировавшейся научной дисциплиной - молекулярной биологией, экспериментальной и строго количественной наукой. Ее главные проблемы - изучение биополимеров, т.е. белков и нуклеиновых кислот. Именно физики способствовали изучению атомной структуры биополимеров и их биологических функций, а также механизма наследственности и изменчивости в живых организмах, построенных из них.

Еще в конце ХIХ и начале ХХ веков атомные структуры подобных веществ, содержащие сотни и тысячи атомов, казались бесконечно сложными и недоступными для детальных исследований. За последние два-три десятилетия они, тем не менее, были расшифрованы и изучены во всех подробностях. И это произошло благодаря применению рентгеноструктурного анализа, оптической и радиоспектроскопии, электронной микроскопии и различных изотопных методов, которыми теперь вооружено все естествознание, а также благодаря прогрессивным идеям современной молекулярной физики, химии, физической статистики и, в особенности, квантовой механики.

Раскрытие структуры сложнейших биологических молекул немедленно привело к расшифровке и их сложнейших биологических функций. Именно так и случилось в 1953 году в упомянутой выше знаменитой работе Уотсона и Крика, которая позволила создать современную биофизическую теорию атомной структуры нуклеиновых кислот. Оказалось, что, молекула ДНК - это полимер, атомные цепи которого образуют двойную спираль (рис. 104а и б), навитую на цилиндр с диаметром порядка 20 ангстрем.

Полимерные цепи в молекуле ДНК состоят попеременно из молекул сахара и молекул фосфорной кислоты. В развернутом виде молекула ДНК напоминает лестницу, состоящую из отдельных звеньев (хотя в действительности она скручена в спираль). Число звеньев в молекуле может достигать порядка 105. На рис. 105а показано несколько таких звеньев. Молекула сахара, типичного углеводородного соединения в форме дезоксирибозы с химической формулой С5Н10О4, показана графически на рис.105б. Химическая формула фосфата имеет вид НРО3, и график ее показан на том же рис. 105б. Кружки на рис.105а означают фосфаты, а пятиугольнички - молекулы сахара. Последние соединены с пуриновыми и пирамидиновыми основаниями, вид которых изображен на рис.105в. Общая формула пурина - С5N4Н4. В нашем случае из возможных модификаций пурина существенны две:


аденин: NC5H4N4 (рис. 105г),


гуанин: NC5H4ОN4 (рис. 105д),


из производных пирамидина с общей формулой С4N2H4 нам нужны только две модификации:


цитозин: NС4Н4ОN4 (рис. 105д),


тимин: NC5H4ON4 (рис. 105г).


Там же пунктиром показана водородная связь для пар тимин-аденин и цитозин-гуанин. В основе водородной связи лежит трехцентровая связь типа Х-Н ... Y. В ней центральный атом водорода Н соединяется ковалентной связью с электроотрицательным атомом Х (в роли которого может быть любой из атомов С, N, О) с его валентным электроном. После этого промежуточный атом водорода в виде "голого" протона образует вторую связь с электроотрицательным атомом Y (в качестве которого может быть любой из атомов С, О, N), имеющим вдоль линии Х-Н ... Y направленную связь. Обычно положение атома водорода между атомами Х и Y несимметрично. Например, во льду расстояние О..Н равно 0,96 А, а Н...О равно 2,04 А, но в других случаях эти расстояния могут быть и меньше, а связь сильнее. Водородная связь может быть как внутримолекулярной, так и межмолекулярной. В первом случае атомы Х и Y принадлежат одной и той же молекуле, а во втором случае - разным.

Водородная связь имеет исключительно важное значение при формировании белков и нуклеидов ДНК и РНК. Такие связи замыкают связь между пуриновыми и пирамидиновыми основаниями в их парах: тимин-аденин и цитозин-гуанин (Рис.105г и д) в молекуле ДНК. Здесь можно с полным основанием сказать, что именно водородная связь определяет образование двойной спирали ДНК, а тем самым и генетический код, и вообще всю жизнь.

Азотистые основания, скрепленные между собой водородной связью, заполняют всю внутреннюю полость цилиндра молекулы ДНК, подобно стопке монет. В данной структуре оказалось самым важным точное соответствие боковых групп в обеих противоположных цепях молекулы ДНК, с чем тесно связан принцип дополнительности или комплиментарности, который тоже установили Уотсон и Крик. Когда цепи расходятся, то на освободившееся место в азотистых основаниях сорбируются (оседают) основания, опять с точным выполнением принципа Уотсона-Крика. Мы можем из одной двойной цепи после ее разделения получить две абсолютно идентичные двухзаходные цепи, как это показано на рис. 106а.

Таким образом, сама структура молекулы ДНК содержит в себе принцип редупликации, т.е. передачи наследуемых свойств от материнской клетки к дочерней. Не будем дальше останавливаться на механизме передачи информации и природе генетического кода, а также на структуре и роли молекул РНК как посредника и переносчика информации от ДНК к белку. Только подчеркнем еще раз, что молекулярные силы, управляющие всеми процессами синтеза белков и нуклеиновых кислот, которые лежат в основе генетического кода, представляют собой водородные связи между азотистыми основаниями. На рис. 106б в более развернутом виде показана картина нескольких звеньев лестницы ДНК, изображенная на рис.105а. В отличие от схематического рис.105а, здесь указана атомная структура всех молекул: сахара, фосфата и четырех азотистых оснований.

Исследования биофизиков также показали, что изменчивость живых организмов, т.е. природа мутаций, легко объясняется современной молекулярной физикой: она есть результат химических модификаций молекулы ДНК, возникающих под действием различных факторов, в том числе излучений и химических мутагенов. А спонтанные мутации, которые являются движущей силой в эволюции, суть просто ошибки, "тепловые шумы", происходящие при процессах копирования молекулы ДНК. Таким образом, основная функция нуклеиновых кислот - перенос информации от ядра клетки к синтезируемым в цитоплазме белкам - была выяснена в современной молекулярной биологии.

Венцом познания белков и нуклеиновых кислот явился их полный лабораторный синтез. Но, конечно, в молекулярной биологии еще много нерешенных вопросов, и ее нельзя считать завершенной наукой. И самое, пожалуй, главное, что мы до сих пор не раскрыли физический механизм работы человеческого мозга, механизм формирования нашего разума, хотя теперь можно считать, что такой механизм существует.

Из общих проблем физики и биологии надо выделить две основных проблемы:

1) историческое развитие обеих наук;

2) проблему необратимости в процессах живой природы.

Остановимся сначала на первой из них. Жизнь возникла на Земле миллиарды лет тому назад, и все это время в ней шла бурная эволюция. Живые организмы развивались от примитивных одноклеточных до сложнейших биологических систем, каким является человек. Законы квантовой механики, выраженные уравнениями Шредингера или Дирака, оставались всегда такими же, хотя мы узнали о них совсем недавно. Они строго инвариантны к изменению знака времени, т.е. справедливы и неизменны во все времена, однако такое противоречие между физикой и биологией - только кажущееся. Действительно, для уравнений квантовой механики указанный вывод справедлив. В то же время, когда в физике приходится переходить к статистике, т.е. когда мы имеем дело с системами, состоящими из очень большого числа частиц, то это приводит к появлению новых вероятностных статистических закономерностей в поведении таких макросистем, имеющих направленность во времени.

Рассмотрим, например, молекулярный газ и выделим в нем некий небольшой, но все же макрообъем. Из эксперимента известно, что число частиц в нем будет меняться со временем. В равновесном состоянии системы все изменения будут иметь характер беспорядочных колебаний числа частиц, т.е. флуктуаций около некоторого постоянного среднего значения, отвечающего данным условиям равновесия. При достаточно большом числе частиц в выделенном объеме флуктуации будут относительно ничтожными, и для описания макроповедения достаточно знать только это среднее значение. Именно при таком описании макроскопических природных объектов и явлений в них проявляется направленность во времени, т.е. они являются необратимыми.

Поэтому физическим процессам и телам также не чужда историчность развития. Следовательно, однонаправленная эволюция во времени - не только привилегия биологии. Земля, Солнце, звезды и все галактики, т.е. вся Вселенная, также претерпевают однонаправленную эволюцию. Можно сказать, что биологическая эволюция живых существ есть деталь геологических изменений условий жизни на Земле, ибо жизнь с ней тесно связана и должна все время приспосабливаться к новым условиям существования на Земле.

Перейдем к рассмотрению второго вопроса - о механизме необратимости в процессах живой природы. Прежде все го, нам надо решить вопрос, какова природа тех "шумов" биологических веществ, которые являются главной движущей силой эволюции живых организмов. Рассмотрим сначала простейшие из них, например, бактерии, которые достаточно хорошо изучены. Для них эксперимент показал, что основной процесс, происходящий в клетке, - это редупликация, т.е. образование двух дочерних клеток. В основе такого процесса лежит авторепликация основного генетического материала, т.е. молекулы ДНК, которая происходит путем разматывания нитей в спирали молекулы, после чего на каждой нити, как на матрице, синтезируются дополнительные цепи согласно принципу Уотсона-Крика в идеальном случае. Однако в реальной жизни существуют известные нам тепловые флуктуации или "шумы". Они с конечной вероятностью приводят к неправильной редупликации, когда водородные связи не могут организоваться. Такие ошибки и есть генетические "шумы", которые и являются механизмом так называемых спонтанных мутаций. Последние очень редко бывают полезными, то есть способными закрепляться естественным отбором, вследствие чего эволюция видов в живой природе протекала так медленно и заняла миллиарды лет.

Генетические "шумы", в отличие от флуктуаций в броуновском движении, не рассасываются, а накапливаются в данной особи со временем, что ведет к умиранию организма. Мы теперь твердо знаем, что каждый организм рождается, живет и умирает и что эту последовательность событий повернуть вспять нельзя, она необратима. Итак, в настоящее время молекулярная биология достаточно хорошо знает механизм старения. Путем безупречных экспериментальных данных целиком подтверждается концепция старения для клетки как накопления генетических "шумов" или спонтанных мутаций.

В случае более сложных живых организмов, конечно, дело обстоит труднее, в частности, для такого тонкого организма, каким является мыслящий человек. По-видимому, основа механизма старения такая же, как и у более простых организмов, но мы не знаем еще, где то слабое звено в сложном организме, которое после накопления "шумов" приводит к его гибели в целом, есть только разные предварительные гипотезы. В частности, высказывается мнение, что такие слабые звенья - железы внутренней секреции. По другим мнениям, старение - результат исчерпания иммунологической защиты организма от инфекционных болезней, т.е. старения лимфатических клеток. Окончательное решение этого вопроса - пока дело будущего. Но теперь уже ясно, что необратимость жизни любого индивидуума имеет в своей основе статистику и тепловые шумы, так же как появление необратимости в термодинамике. Таким образом, в целом биологическую эволюцию можно рассматривать с точки зрения статистической физики, подобно эволюции в геологии и в астрономии.

Весьма актуальной, но далеко не решенной проблемой биологии жизни является проблема нейробиологии и раскрытия кода нервной системы у человека. Решение ее должно выяснить природу физического механизма нашего разума, но мы находимся пока только в самом начале научного эксперимента. Система нервной деятельности человека необычайно сложна, и в особенности сложны функции головного мозга, хотя известно, что в процессе нервного возбуждения большую роль играют электрические импульсы.

При изучении нервной системы высказываются две совершенно различные (и, по-видимому, обе неверные) точки зрения. Одна из них гласит, что нервная система непознаваема принципиально, потому что при эксперименте мы вынуждены так изменить ее состояние, что она становится совершенно отличной от первоначально изучаемого объекта. Так думал, например, Бор в 1937 году, выступая здесь как виталист. В 1959 году он изменил свое мнение, опираясь на достижения молекулярной биологии, и стал считать, что нет причин ожидать ограничений в изучении механизма действия нервной системы.

Вторая точка зрения - вульгарно-механистическая - распространена среди ученых, занимающихся кибернетикой и автоматикой. Согласно их мнению, психику и интеллект человека можно полностью моделировать компьютерами. Эта идея идет еще от Лапласа, который, увлекаясь успехами классической механики, считал, что механика способна построить думающий робот. Но теперь, когда мы продвинулись в молекулярной биологии достаточно далеко, видно, что замена человека кибернетической машиной - дело совсем не простое. Ведь мозг человека представляет собой сложнейший статистический ансамбль из огромного числа нейронов

(до 1010 штук) со своими специфическими шумами, которые вряд ли можно смоделировать. Даже электрические импульсы между нервными клетками являются просто итогом первых биофизических экспериментов, начиная с открытия явления подрагивания ножек лягушки в опытах Гальвани в 1791 году. Но нет доказательств того, что электрические импульсы в системе нервных клеток являются первопричиной всей деятельности нервной системы человека, а не представляют собой одно из следствий чего-то первичного и еще не открытого. Таким образом, можно сказать, что раскрытие тайн нейробиологии - настоящая нетронутая "целина".

В последние годы наряду с изучением структуры белков развивается молодое направление в прикладной биологии - генетическая инженерия, или генная инженерия. Это раздел молекулярной биологии, связанный с целенаправленным конструированием новых, не существующих до сих пор в природе сочетаний генов, полученных генетическими биологическими методами. Они основаны на извлечении из клеток какого-нибудь организма гена или группы генов, а затем соединения их с определенными молекулами нуклеиновых кислот и внедрения полученных гибридных молекул в клетки других живых организмов. Перспективы такой генной инженерии являются поистине захватывающими как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения возможностей ее практических применений в генетике, медицине, сельском хозяйстве и биотехнологии.

Среди органических конденсированных систем с довольно большими молекулами особое место занимают так называемые жидкие кристаллы. Они одновременно обладают свойствами жидкости, т.е. текучестью, но сохраняют определенную упорядоченность в пространственном расположении молекул. Благодаря последнему эта жидкая фаза является анизотропной, т.е. имеет свойства, характерные для твердых кристаллов, причем их молекулы имеют удлиненную форму тонких палочек. Различают три основных типа таких тел: смектические, нематические и холестерические жидкие кристаллы.

Из них наименьший порядок имеют нематические жидкие кристаллы (рис. 107а). В них молекулы ориентированы параллельно друг другу вдоль одного направления, но сдвинуты вдоль него относительно своих ближайших соседей на

произвольные расстояния. Во втором типе - смектических жидких кристаллах - молекулы также расположены параллельно между собой, но еще и расположены упорядоченно в последовательных параллельных слоях (рис. 107б). И, наконец, третья - структура холестерических жидких кристаллов - похожа на предыдущую, но в каждой соседней плоскости происходит дополнительное закручивание молекул в направлении, перпендикулярном их длинным осям (рис. 107в). Эти вещества в последнее время приобрели довольно большое практическое применение, особенно в системах, передающих информацию, например, в электронных часах и т.п.

Наконец, упомянем, что в 1990 году была создана третья модификация кристалла углерода (помимо графита и алмаза), состоящая из больших молекул, которые имеют форму футбольного мяча, покрытого по поверхности в определенном порядке атомами углерода в вершинах правильных пяти- или шестиугольников, как это показано на рис. 108а-д. Такие молекулы стали называть фуллеренами. Центральное место среди фуллеренов занимает молекула С60, которая характеризуется наибольшей симметрией и стабильностью (рис. 108г). Кристалл, состоящий из этих молекул, называют фуллеритом. Он является диэлектриком, но его соединения, например, с калием К3С60, рубидием Rb3C60 и некоторыми другими химическими элементами являются металлами, причем сверхпроводящими, с критической температурой порядка 30 К. Важно отметить, что, хотя фуллерены находят в земной и космической саже, в основном их создание - результат фундаментальных научных исследований.


3.3. Связь физики с геологией и геофизикой


Геология - это целый комплекс наук о составе, строении и истории развития земной коры и всей Земли с ее различными сферами, вплоть до ионосферы. Истоки геологии уходят в глубокую древность, но впервые термин "геология" ввел Эшольт в 1637 году. В самостоятельную ветвь естественных наук геология превратилась в конце ХVIII - начале ХIХ века, чему в России в значительной степени способствовали труды М.В. Ломоносова. Последний качественный скачок в превращении геологии в комплекс наук естествознания произошел в конце ХIХ - начале ХХ века, когда в описательную качественную науку были введены физико-математические и химические методы исследования. Современная геология включает в себя: стратиграфию (учение о формировании горных пород), тектонику (учение о развитии структуры земной коры и ее изменений под влиянием тектонических движений и деформаций, связанных с развитием Земли в целом), региональную геологию, минералогию (учение о составе, свойствах и условиях образования минералов, нахождении и изменении их в природе), петрографию (наука о горных породах), литологию (науку об осадочных породах), учение о полезных ископаемых и т.д. Геология связана с физикой в основном через промежуточную науку - геофизику, с химией - через геохимию, а также со многими другими науками. Особые отношения геология имеет с техникой, например, со строительной.

Хотя проникновение физики и физических методов исследования в геологию и идет в основном через геофизику, оно также внедряется непосредственно из различных разделов физической науки, например, в связи с проблемой определения возраста различных геологических объектов с помощью явления радиоактивности различных атомных ядер в составе минералов.

Рассмотрим подробнее этот количественный метод, который является основным в геохронологии, т.е. в учении о временной последовательности формирования и возрасте горных пород, образующих земную кору. Он используется в абсолютной геохронологии, где возраст устанавливается в единицах времени (обычно в миллионах лет). Его в начале ХХ века предложил П. Кюри во Франции и Э. Резерфорд в Англии. По идее этих ученых, измерение возраста пород производится по содержанию продуктов распада радиоактивных химических элементов в тех или иных минералах, считая, что распад происходит с постоянной скоростью. В результате распада появляются в конце концов атомы устойчивых изотопов химических элементов, уже не распадающихся, количество которых увеличивается пропорционально времени, т.е. возрасту минерала. Еще предполагается, что отношение массы продукта распада к массе имеющегося в настоящее время радиоактивного химического элемента не изменялось за счет каких-либо других причин, т.е. минерал представляет собой замкнутую систему.

Накопление продуктов распада со временем выражается формулой:


В = Р(ехрlt - 1), (3.1)


где В - число атомов нерадиоактивного продукта распада, возникшего за время t, Р - число атомов радиоактивного химического элемента в момент времени наблюдения, l - константа распада, которая показывает, какая часть атомов радиоактивного химического элемента распадается за единицу времени. Из (3.1) вытекает, что отношение В/Р является функцией времени t, т.е. возраста минерала:


В/Р = ехрlt - 1 или t = (1/l)ln(1 + В/Р).


Основные типы радиоактивного распада, используемые в этом методе, следующие:


238U ╝ 206Pb + 8 4Не,


235U ╝ 207Pb + 7 4Не,


232Th ╝ 208Рb + 6 4Не,


40К + b ╝ 40Аr,


87Rb ╝ 87Sr +b,


187Re ╝ 187Os +b.


В зависимости от конечных продуктов такие методы называются свинцовыми, гелиевыми, аргоновыми, кальциевыми, стронциевыми и осьмиевыми, соответственно. Измерения масс изотопов продуктов распада и исходного химического элемента производится на масс-спектрометре. Таким способом был установлен возраст пород до 3500 миллионов лет, но породы с продолжительностью жизни от 3500 до 4500миллионов лет (предполагаемый возраст Земли) с достоверностью не обнаружены.

Отметим также, что в настоящее время для определения более коротких времен жизни геологических объектов (примерно до 60 тысяч лет) приобрел большое значение радиоуглеродный метод. Он основан на том, что в атмосфере Земли, где содержится много азота, под действием космического излучения идет реакция с космическими нейтронами:


14N + n ╝ 14С + p.


Вместе с тем, изотоп углерода 14С оказывается радиоактивным, и период полураспада у него более 5700 лет. В земной атмосфере установилось равновесие между синтезом и распадом этого изотопа, так что его содержание в атмосфере постоянно. Растения и животные при их жизни все время обмениваются углеродом с атмосферой, поэтому концентрация в них изотопа 14С также поддерживается на постоянном уровне. В мертвых же организмах обмен с атмосферой прекращается, и концентрация в них изотопа 14С начинает падать по закону радиоактивного распада. Измеряя содержание изотопа 14С с помощью высокочувствительного радиометра, можно установить возраст органических остатков.

В частности, углеродный метод позволил по костям и шкуре мамонта, найденного на Таймыре, установить время его смерти. Оказалось, что она произошла 11000 лет тому назад. Так же были определены время оледенения в Европе и Северной Америке, возраст следов древних человеческих поселений и т.п. В целом радиоуглеродный метод оказался весьма перспективным не только в геологии, но и в археологии.

Возвращаясь к геофизике как главному пути проникновения физических количественных методов исследования в геологию, можно сказать, что в ней преобладают наблюдения за ходом природных процессов, а потом ведется их количественная лабораторная обработка с привлечением всего математического аппарата современной физики. В состав геофизики входит много специальных разделов, которые можно считать уже отдельными науками, например, геомагнетизм, аэрономия - учение о высших слоях атмосферы, метеорология - учение обо всей атмосфере, которая в свою очередь разделяется на несколько отдельных дисциплин: климатологию, океанологию, гидрологию суши, гляциологию (учение о льде), сейсмологию, гравиметрию и т.д.

Геофизика теперь имеет большое применение и в технике - ее типичными прикладными разделами являются разведывательная и промысловая геофизика и т.д. Развитие геофизических дисциплин стимулируется все возрастающими потребностями в прогнозе разных свойств окружающей человека среды: погоды, водного режима, а также в освоении природных богатств и в сознательном регулировании природных процессов на Земле. Очень важны связи геофизики с космическими исследованиями, поскольку космические корабли либо все время движутся в воздушной оболочке Земли, либо ее пересекают в самом начале полета или при возвращении на Землю. И здесь на помощь геофизике со стороны техники приходят новейшие методы электроники, автоматики и компьютеризации для обработки огромного количества результатов наблюдений со все более широким применением математического анализа.

Есть еще два явления, при объяснении которых существенно используется физика и которые имеют большое значение в геологии и геофизике - земной магнетизм и цвета минералов.


3.4. Связь математики и физики

с социальными и гуманитарными

науками


Под социальными и гуманитарными науками, в отличие

от естествознания, предметом которого является изучение неживой (неорганической) и живой (органической) природы, мы понимаем дисциплины, изучающие закономерности существования и развития человеческого общества и отдельного человека во всех его проявлениях. Здесь будут рассмотрены только некоторые наиболее яркие и актуальные проблемы, характерные именно для сегодняшнего дня нашей цивилизации. Важнейшая роль в указанном плане принадлежит связи естествознания с такими науками, как философия, социология и экономика. Напомним, что философия - это наука о взаимодействии человеческого сознания с бытием - материей; социология - наука о человеческом обществе как целостной системе; экономика - целая область наук, которые занимаются изучением производственных отношений, т.е. объективными закономерностями экономического строя общества.

Контакты между физикой и философией уходят в глубокую древность, о чем говорилось в самом начале первой части нашего курса - недаром античных ученых-естествоиспытателей называли натурфилософами. Но и в более поздние времена, когда творили Декарт или Кант, тоже актуальны были вопросы, связывающие физику с философией, а также связи философских обобщений с физическими представлениями о природе мира.

В России окончился "лысенковский" период безграничного засилья коммунистической идеологии, когда вся западная философия признавалась без всякой научной аргументации "антинаучной". Так же обстоит дело в социологии и экономике после их "опеки" со стороны большевистских идеологов. Теперь мы можем с достаточным основанием считать, что социальные и гуманитарные науки имеют предметом своего рассмотрения ту же материальную действительность, что и естествознание, но только их объектом изучения являются не обычные неорганические и органические тела природы, а человеческое общество, где действующим лицом является мыслящий человек, и главным при этом является не его физиологическая сущность, а его разум, сознание. Вот это и определяет специфику упомянутых выше научных направлений в социальных и гуманитарных дисциплинах. Тем не менее, можно ожидать, что фактическая связь естествознания с рассматриваемой областью человеческого знания есть, но она еще далеко не раскрыта полностью. Пока надо в известной степени согласиться с мнением английского ученого Сноу, который в своей лекции в 1967 году в Кембридже в Англии сказал, что между естествознанием и общественными науками, как между двумя особыми культурами, имеется "брешь" или "щель", "ущелье" (по английски - gap).

Первой ласточкой в установлении прочного "моста" через такое "ущелье" явилась возникшая в шестидесятых годах нашего века экономическая кибернетика, успешно применившая все новейшие математические методы для строгого количественного описания экономических систем самого различного типа. В данной системе наук различают три главных направления:

1. Теорию экономических систем и их математических моделей.

2. Теорию экономической информации, которая рассматривает экономические системы как информационные.

3. Теорию упорядоченных систем, которая объединяет все разделы экономической науки.

Таким образом, весь комплекс экономических дисциплин перешел из разряда чисто качественных описательных наук в точные количественные науки.

В связи с этим не лишним будет сказать, что математизированная экономика сейчас уже начинает использовать и чисто физические методы и модели. Еще в прошлом столетии со стороны физики появились первые попытки применить для описания явлений общественной жизни человеческого общества специальные термины "социальной физики". Но такой грубо наивный подход - более или менее прямое применение физических понятий и математического аппарата физики, которым пользовались для описания чисто физических процессов, к описанию общественных систем. Недостатки прямого физического подхода быстро стали очевидными в первую очередь для самих социологов, ибо на фундаментальном уровне науки не существует никакого прямого структурного соответствия между основными элементами разных наук, т.е. какого-либо изоморфизма (сходства по форме). Действительно, такой изоморфизм существовал бы, только если состояния и взаимодействия элементарных единиц физических систем, например, молекул, можно было формально и однозначно спроецировать на состояние и взаимодействия единиц социальной системы, например, человеческого индивидуума. Точно так же прямое сравнение физической и социальной систем на феноменологическом уровне, скажем, сравнение понятий физики - давления, температуры или энергии - с поведением общества может привести только к грубо поверхностной, лишенной научной глубины аналогии.

Именно поэтому ученые-общественники отвергли грубые попытки простого "физического" метода сравнения естественных и общественных наук и дали свои достаточно убедительные разъяснения причин увеличения сноуновского "ущелья" между естественными и общественными науками. Во-первых, это высокая степень сложности человека и человеческого общества, требующая соответствующих адекватных методов исследования. Здесь нельзя было ожидать успеха на пути простого употребления даже очень сложных, например, биологических понятий. Во-вторых, все, что было известно о человеке, носило описательный характер и не сводилось к понятиям естественных наук.

Вернемся к вопросу, почему в настоящее время новое содружество между естественными и общественными науками представляется более обещающим, чем было ранее, о чем свидетельствует рождение строго количественной экономической кибернетики.

Отметим, что, во-первых, в настоящее время естествознание достаточно хорошо сформировалось, и в нем все более и более сложные системы попадают в фокус интересов физики, химии и биологии. Поэтому в естественных науках теперь значительную роль играют направления, связанные с разработкой методов трактовки таких сложных систем. Во-вторых, что более важно, современный подход к количественному описанию социальных систем имеет иную структуру, чем прежде. Теперь фундаментальные представления с самого начала относятся именно к социальным системам. Мы лишь используем при построении количественных формулировок социальных законов математический аппарат, который является универсальным для описания любых различных многокомпонентных систем, т.к. он хорошо годится для описания социальных систем, как и естественно-научных. Здесь разница пока только в том, что в естествознании эти методы нашли уже широкое применение, а в социальных науках мы находимся в указанном смысле на самой начальной стадии. Для решения данной проблемы надо найти более глубокие, предпочтительно универсальные структурные аналогии между социальными и естественно-научными системами. Не являясь прямым подобием, они лишь отражают тот факт, что, благодаря универсальности в применении некоторых математических понятий к многокомпонентным статистическим системам, все такие системы обладают косвенным подобием на макроуровне, которое не зависит от того, есть ли возможность сравнения на микроуровне.

Для того чтобы сформулировать подход к количественной трактовке социальных систем, надо сначала получить общие представления о структурных соотношениях между науками. Совершенно ясно, что все существующее в нашем мире, включая миры неорганический и органический, а также мир духовный, расслаивается на последовательность организационных уровней переменной сложности. Более высокие макроуровни стоят над более низкими микроскопическими уровнями, причем уровень определяется как своеобразный слой в реальном существовании любой независимой (в какой-то степени) системы.

Физики и другие естественники уже давно знали об иерархии уровней в системе своих наук. Например, если в физике в качестве определенного уровня выбираем молекулу, то мы знаем, что она состоит из атомных ядер и электронных оболочек. Здесь атомные ядра - более низкий уровень структуры. Они в свою очередь состоят из нуклонов - протонов и нейтронов, а последние - из кварков и глюонов. И все эти нижние уровни не имеют особого значения, пока мы находимся на уровне молекулы. Нам важно знать только некоторые общие константы, относящиеся к атомным ядрам и электронам, такие, как масса, заряд и спин. А сама молекула может входить в еще более высокий уровень - газ или молекулярный кристалл, у которых свои главные свойства, например, температура или кристаллическое поле. В прилагаемых двух таблицах N 16 и N 17 приведены в несколько упрощенном виде последовательности уровней для неорганического и органического мира, включая человека и его общество. В них указаны соответствующие науки, которые имеют предметом своего исследования те или иные уровни.

По отношению к трактовке природы уровней установились две экстремальные и противоположные точки зрения. Первая из них называется редукционистской. Согласно ей, все свойства уровней более высокой сложности могут и должны быть сведены и объяснены свойствами и качествами более низкого (микроскопического) уровня, образующие единицы которого (например, в случае системы молекулы - атомы) являются составными частями более высокого уровня (молекулы). Вторая, противоположная точка зрения, называемая обычно холизмом (т.е. целостностью), состоит в утверждении, что свойства и качества сложного уровня существуют сами по себе, и нет ни необходимости, ни возможности представлять их состоящими из структур более низкого уровня.

Физики и другие естественники более склонны к редукционализму, а социологи, психологи и искусствоведы - к холизму. В физике, например, уже давно есть хороший случай редукционализма, когда законы феноменологической термодинамики нашли свое глубокое обоснование в статистической механике. С другой стороны, социологи, психологи и

искусствоведы, работая в основном в области духовных взаимодействий и имея дело с такими уровнями этой структуры, как логика и т.п., оперируют с почти полностью автономными понятиями, не сводимыми к чему-либо более простому, по крайней мере, на сегодня.

Однако, по-видимому, достаточно ясно, что обе точки зрения не могут быть строго абсолютными и фактически и, как показывает практика естествознания и экономических наук, имеют лишь относительный характер. Для некоторой иллюстрации такого заключения приведем пример из физики и потом распространим его на социальные науки. Из физики хорошо известен так называемый метод самосогласованного поля, или метод Хартри-Фока, применяемый в теории электронных оболочек атомов или в теории твердого тела. Сущность метода заключается в том, что каждая частица, например, электрон, дает свой вклад в общее самосогласованное поле и, вместе с тем, движется в этом поле. Система как бы расщепляется на два уровня, взаимодействующих друг с другом. Один уровень - уровень общего глобального поля, создаваемого всеми частицами, а другой - уровень отдель

ных частиц, двигающихся в этом поле. Следовательно, прямое взаимодействие между частицами заменяется косвенным, через среду глобального поля.

Посмотрим теперь, как можно поступить аналогичным образом в социальной системе. В ней индивидуальные члены посредством культурной и экономической зависимости вносят свой вклад в генерирование общего "поля" цивилизации, состоящего из культурных, политических, религиозных, социальных и экономических составляющих. Все институты государства, религии, экономики, юрисдикции и политики входят в коллективное поле, которое и определяет всю "атмосферу" общества. Но, кроме того, это поле сильно влияет на поведение отдельных индивидуальностей. Здесь опять возникают два уровня - индивидуального поведения и коллективного социального поля, т.е. прямое взаимодействие индивидуальностей по существу заменяется взаимодействием через различные институты общества.

Итак, мы установили некую аналогию между естествознанием и областью социальных наук. Но не надо забывать, что социальные системы гораздо сложнее систем неорганического и даже органического миров. Можно, например, привести следующее различие между ними. В физике более низкий уровень только обеспечивает составляющие элементы для более высокого уровня. Хотя атомы и молекулы и являются составляющими газа, но детали их строения не важны для свойств газа. Поэтому между газом и молекулой имеется только своего рода "вертикальное" соседство (от низшего к высшему уровню).

В случае же социальных систем проявляется большая сложность. У них гораздо больше отдельных уровней, большая плотность их распределения (семья, школа, работа, политическая партия, церковь, клуб, университет, правительство и т.д., и т.п.). Все они очень сильно перекрываются, поэтому наряду с "вертикальными" соотношениями между уровнями могут быть и своего рода "горизонтальные" взаимодействия на данном микроуровне. Кроме того, при некоторых критических условиях, например, при революциях, т.е. при фазовых превращениях в обществе, старые параметры порядка могут исчезать и возникать новые. Несмотря на эти сложности, все же, как показал пример экономических наук, количественный метод в социальной области знания вполне возможен. Что же касается редукционизма и холизма, то приведенныепримеры убеждают нас в том, что, согласно первой точке зрения (редукционалистской), всегда есть некое сведение более сложного к простому, а с точки зрения второй (холистской) - у более сложного уровня всегда проявляются новые качества, которые присущи только ему самому.

Для иллюстрации самого простого подхода к количественному описанию социальных систем рассмотрим простейший случай элементарных взаимодействий между макропеременными социальной системы, вначале пренебрегая полностью их конкретной природой, а определив только количественно. Пусть в системе будет всего две переменных, которые мы обозначим через Х и Y, причем влияние переменной Х на Y можно выразить только в количественной форме, пренебрегая их конкретным значением. Ограничимся такими влияниями: 1) переменная Х может оказывать поддержку (усиление) величины (амплитуды) Y, или 2) переменная Х подавляет (уменьшает) переменную Y. Если Y совпадает с Х, то в случае 1 будет самоподдержка, а в случае 2 - самоподавление. Можно также ввести различия для двух сортов активных переменных Х: а) когда активная переменная Х поддерживает своего пассивного партнера Y при больших Х, но подавляет Y при малых Х - такие переменные называются кооперативными (другими словами, кооперативная переменная X стремится сделать переменную Y подобной собственной величине), б) когда переменная Х подавляет переменную Y при больших Х и поддерживает Y при малых Х, такие Х называются антагонистическими переменными (т.е. антагонистическая переменная X стремится к противопоставлению величины Y по отношению к своей величине). Такие типы переменных часто встречаются в социальных системах. Их изменение и взаимодействие описываются простыми логарифмическими дифференциальными уравнениями, которые мы приводим без доказательства:


dX/d? = X[a(Y)s - X], 0 < X ?,


dY/d? = Y[b(X)s - Y], 0 < Y < ?,


где ? - безразмерное время, квадратичные члены с Х2 и Y2 в правых частях уравнений дают насыщение, а линейные дают рост или распад Х и Y в зависимости от характера зависимости Х и Y через функции влияния а(Y) и b(X). Вид последних и определяет кооперативное или антагонистическое взаимодействие переменных X и Y c неким параметром s, регулирующим насыщение.

Не занимаясь анализом указанных дифференциальных уравнений, мы ограничимся примером двух конкретных систем, которые могут быть изучены в этой модели. В качестве первого примера рассмотрим взаимодействие населения какой-нибудь страны с его правительством. Пусть Х представляет собой влияние и демократическое участие населения в государственных делах, а Y - степень власти и авторитета правительства. Рассмотрим влияние Х на Y. Если население очень активно (большие Х), оно стремится поддержать активность правительства. Если же население имеет малую активность или его активность подавлена (малые Х), то население стремится затруднить действия правительства. Теперь выясним влияние Y на Х. Если правительство имеет большую власть (большие Y), оно эффективно в поддержке населения и способствует его активности, в случае боязни потерять свой авторитет и власть (уменьшение Y) правительство будет подавлять влияние населения.

Такая политическая система будет в конечном счете эволюционировать в одно из двух возможных состояний устойчивого равновесия (стабильности): либо состояние "кооперативной демократии", когда обе переменные Х и Y велики, т.е. когда население "уважает" правительство и кооперируется с ним, а правительство влияет на население, поддерживая его активность, либо состояние "расстроенной демократии", когда и Х, и Y малы, население затрудняет политику правительства, а правительство, в свою очередь, подавляет активность населения. К какому из двух стабильных состояний мы придем - ответ на этот вопрос поможет дать решение наших дифференциальных уравнений, которые зависят, в свою очередь, от входящих в них параметров.

В качестве второго примера рассмотрим циклическое решение исходных дифференциальных уравнений (оказывается, могут быть и такие решения). Экономистам уже давно было известно о существовании долгосрочных циклов экономической эволюции, состоящей из четырех фаз: процветания, ухудшения, депрессии и восстановления. Введем в нашей модели двух переменных следующие конкретные величины: Х - описывающую новую, молодую, прогрессивную индустрию, и Y - зрелую, но уже устаревающую индустрию. Х будет действовать как кооперативная переменная, аY, очевидно, как антагонистическая. Рассмотрим упомянутые выше четыре фазы в данном случае:

1. Фаза процветания: в ней процветающая зрелая индустрия имеет большие Y, она также поддерживается обновленной индустрией Х, т.е. растущим объемом Х. Но Y начинает задерживать дальнейший рост и развитие Х, ибо для старой индустрии главная выгода состоит в достаточно большом выпуске продукции по старым канонам, а не поддержке развития молодой индустрии Х.

2. Фаза ухудшения: старая индустрия все больше подавляет рост новой индустрии, т.е. стремится уменьшить объем Х, а это приводит к спаду и ухудшению старой индустрии, т.е. к уменьшению объема Y, что ведет к общему спаду.

3. Фаза депрессии: старая индустрия Y становится совсем изношенной и скатывается к кризису, т.е к депрессии. Однако утрата ее подавляющего влияния, сдерживающего рост Х, приводит к оживлению и росту новой индустрии Х.

4. Фаза восстановления: поскольку кризис старой изношенной индустрии Y облегчает резкий подъем новой индустрии Х, последняя теперь также способствует восстановлению на новых основах бывшей зрелой индустрии Y.

Немецкий физик В. Вейдлих, написавший обзорную статью о связи физики с социальными науками, и выводам которого мы следуем в данном разделе нашего курса, приводит такой, несколько шутливый, пример циклической эволюции в виде "ресторанного цикла". Согласно этому примеру, гурманы, живущие в каком-то городе, выяснили, что открылся новый ресторан. Благодаря высокому качеству пищи, его популярность возрастает. Но с некоторого момента она начинает падать, так что ресторан должен закрыться. Возможно, откроется новый, но уже с другим хозяином. Как это объяснить с помощью приведенных выше фаз циклического развития социальной системы? Пусть Х - качество пищи на единицу цены, а Y - число посетителей ресторана. Х - кооперативная переменная, а Y - антагонистическая. Тогда мы имеем:

1. Фаза открытия: небольшое число посетителей во вновь открытом ресторане способствует улучшению качества пищи, т.е. росту Х, так как хозяин заинтересован в привлечении большего числа посетителей, т.е. в росте Y.

2. Фаза процветания: вследствие положительной репутации ресторана Х растет число посетителей Y. Однако рост Y приводит и к отрицательному эффекту, поскольку владелецресторана становится небрежным и спешит только изготовить достаточное количество пищи, не очень заботясь о ее качестве, для него важно лишь получить больший доход от посетителей.

3. Фаза упадка: хотя число посетителей еще велико (большие Y) и владелец может позволить себе небрежность в приготовлении пищи, большинство посетителей ресторана уже почувствовали ухудшение качества пищи (уменьшено X), и их число Y начинает уменьшаться.

4. Фаза кризиса: ресторан заработал худую славу, и число посетителей Y сильно уменьшается. Теперь даже улучшение (запоздалое) качества блюд не может помочь делу. Ресторан должен закрыться из-за катастрофического уменьшения числа посетителей, и должен возникнуть новый ресторан с новым хозяином.

И Вейдлих советует профессорам после заключительного заседания по обсуждению проблем, например, синергетики, посещать рестораны, которые находятся только в конце первой фазы своего циклического развития, когда качество пищи отменное и народу в ресторане еще немного, но ни в коем случае не в конце третьей фазы, когда качество блюд уже отвратительное, а народу в ресторане еще много.

Теория здесь развивается полным ходом, и мы имеем дело с мощным проникновением математики и физики не только в социальные науки, но и в такие, казалось бы, далекие от естествознания, как филология, этика, эстетика, искусствоведение, история и т. п. Во всех этих науках можно найти проблемы, которые ждут своего количественного оформления и своего математического аппарата. Можно сказать, что в науках, отличных от естествознания, для перехода к количественному описанию самым главным моментом является четкий выбор их специфических переменных, для которых и нужно строить количественные соотношения.


3.5. Связь физики с техникой


В предыдущих разделах мы достаточно подробно,

хотя и качественно, рассмотрели важную роль физической науки в общей системе естественных и гуманитарных наук. Теперь мы перейдем к другому, также весьма существенному аспекту физики, который был характерен для нее с момента возникновения, - тесной связи с техникой. Вполне сформировавшейся наукой мы обычно считаем физику античной эпохи в истории человеческой цивилизации, а может быть и даже более ранней эпохи, имея в виду Египет, Китай и Индию, а также Месопотамию. Рождение науки диктовалось именно техническими потребностями общественной человеческой практики. Поэтому она и начала свое развитие в теснейшем контакте с техникой, с решения ее теоретических и практических задач: в первую очередь строительства жилья и других необходимых для человека сооружений, которые обеспечивали бы нормальное существование и развитие человеческого общества и его деятельности. Далее, шло строительство лодок и судов для мореплавания и плавания по рекам - средства сообщения между различными местами жительства людей на берегах рек и морей, изготовление элементарного и более сложного оружия для охоты и ведения войн и т.д. Можно сказать, что все разделы первой отрасли физической науки - механики - родились из вполне конкретных, перечисленных выше запросов технической теории и практики.

"Дружба" между физикой и техникой продолжалась во все последующие времена. В настоящее время она не только не прекращается, но стала еще гораздо более тесной и, самое главное, взаимной. Наука, благодаря своему развитию стала в действительности непосредственной производительной силой человеческого общества. Вместе с тем и техника необычайно сильно и вполне успешно индустриализует науку, создавая необычайно мощные и громадные по размерам экспериментальные физические установки, например, гигантские ускорители микрочастиц, огромные телескопы для астрономических наблюдений, радиоустановки для "просвечивания" Космоса и т.д. И это взаимное обогащение техники физикой и физики техникой приводит к получению новых фундаментальных результатов и новых разделов науки, а в технике - к возникновению целых новых технических отраслей.

Если вернуться к истории развития отношений между физикой и техникой, то после чисто "механического" этапа, получившего достаточно большое развитие в античные времена, наступил этап, который можно назвать тепловым или энергетическим. Физиками или, по крайней мере, с их активнейшим участием была создана первая паровая машина, которая произвела целую революцию в промышленности, освободив во многом людей от тяжелого физического труда. Паровая машина стала использоваться не только в стационарных установках, были построены первые паровозы и пароходы, радикально изменившие весь транспорт. Из практических требований усовершенствования паровых машин родилась физическая и техническая термодинамика. После поршневых паровых машин появились паровые турбины, обладавшие большим коэффициентом полезного действия, чем поршневые машины. А после паровых турбин появились двигатели внутреннего сгорания, которые резко изменили и развили всю энергетику современной жизни человечества.

Большое значение имело введение открытий электромагнетизма в технику. Мы уже говорили выше о технических достижениях, полученных при применении результатов физики магнитных материалов и вообще физики магнитных явлений в различных областях техники. Не менее впечатляющим было и то, что сделали Фарадей, Максвелл и их последователи, - внедрение динамомашины и электромотора, телефона, телеграфа и беспроволочной радиосвязи, также приведшее к революционному развитию и изменению не только техники, но и всей нашей жизни вообще.

Далее, проникновение физики в изучение структуры атомного ядра и всего субатомного мира вызвало почти сразу же революционные открытия и в современной технике. Успехи теоретической и экспериментальной физики твердого тела привели к внедрению полупроводников, а теперь и сверхпроводников в техническую практику, к созданию мощнейшей полупроводниковой электронной промышленности.

Сейчас наблюдается гигантский прогресс в создании миниатюрных электронных интегральных схем, которые позволили строить современные сверхмощные электронно-вычислительные машины - компьютеры. Нельзя не упомянуть о большом прогрессе в области металлического инеметаллического керамического материаловедения - созданию новых технических материалов на базе так называемых нанокристаллов (т.е. поликристаллов с кристаллитами мельчайших размеров) и т.д. Колоссальный расцвет применений физики в технике произошел после открытия процессов распада тяжелых атомных ядер с большим выделением полезной энергии, что привело к созданию атомной, или лучше сказать, ядерной промышленности. Теперь уже во многих странах имеется ядерная энергетика в виде мощных атомных энергетических станций (АЭС), созданы также надводные и подводные суда с ядерными силовыми установками. Не менее глубокие изменения за последние десятилетия произошли в ракетной технике, строительстве гигантских ракет, искусственных спутников Земли, а также пассажирских и транспортных самолетов с реактивными двигателями. Заметим, что авиация - тоже детище физики, ее аэродинамической отрасли. Не правда ли, как это все далеко ушло от примитивных приемов античной строительной механики!

Для развития ядерной энергетики огромное значение имеет управляемый синтез легких атомных ядер с использованием таких ядерных реакций:

d + d → 3He + n + 3,27 MэВ,

d + d → t + p + 4,03 МэВ,

d + t → 4Не + n + 17,6 МэВ,

где символы d и t означают атомные ядра дейтерия и трития. Важна также реакция нейтрона с изотопом 6Li, которая имеет вид:

6Li + n → t + 4He + 4,6 МэВ,

что позволяет получать тритий, который сам по себе отсутствует на Земле.

Уже отмечалось выше, что проблема термоядерного синтеза очень сложна технически. Именно поэтому проблема использования подобных ядерных реакций для целей мирной энергетики до сих пор не решена практически, хотя уже сконструированы плазменные реакторы с магнитным удержанием (с помощью сверхпроводящих магнитов) горячей плазмы от контакта со стенками сосуда, где она находится. Такие магнитные ловушки имеют тороидальную форму, из-за чего подобные установки принято называть токомаками. Над решением данной научно-технической задачи и у нас в России, и за рубежом все время ведется интенсивная работа.

В связи с ядерной энергетикой, и, в частности, с термоядерной, особенно остро стоит вопрос в отношении безопасности, особенно после большой аварии, которая произошла в 1986 году в Чернобыле. Жизнь заставляет обратить внимание ученых и производственников, работающих в области развития энергетики, и на альтернативные термояду источники энергии, например, использование солнечной энергии, которая безгранична по своим запасам, но пока не получено реального практического результата.

Еще остановимся на проблеме получения новых веществ в твердом состоянии. Здесь, пожалуй, большое внимание привлекает задача получения твердого металлического водорода - кристалла из самого простого атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона. В обычных условиях при атмосферном давлении водородный газ из молекул Н2 сжижается при температуре Т = 20,3 К, а затвердевает в кристалл при Т = 14 К. Плотность такого нормального водородного кристалла, как показывает опыт, равна 0,076 г/см3, и он является типичным диэлектриком. Однако при сильном внешнем сжатии, когда электронные оболочки в кристалле раздавливаются, водород, как и все другие кристаллы, переходит в металлическое состояние. При грубой оценке можно считать, что тогда расстояние между ближайшими соседними протонами будет порядка первого боровского радиуса, т.е. величины ао = 0,529?10-8 см, отсюда легко получить для плотности значение ? 10 г/см3. Возможно, металлический водород является сверхпроводником, причем из группы ВТСП с критической температурой порядка 100-300 К, поскольку температура Дебая у него порядка 3?103 К.

К сожалению, технические трудности, вызванные необходимостью иметь при получении металлического водорода давления более 1-2 мегабар, не позволяют пока получить это интересное вещество, по крайней мере в сколько-нибудь заметном количестве, поскольку известные материалы, включая алмаз, не выдерживают таких нагрузок, и мы не можем просто получить нужную камеру, в которой водород сжимался бы до нужного давления. Поэтому пока указанная проблема остается для дотошных физиков заманчивой задачей, требующей от них еще большей изобретательности.

Кратко остановимся на открытии и практическом применении лазера. Под лазером мы понимаем сильный оптический квантовый источник-генератор оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Само слово "лазер" является аббревиатурой слов английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Rauiation, т.е. усиления света в результате вынужденного излучения. Существуют газовые, жидкостные и твердотельные лазеры. Веществами, используемыми для приготовления лазеров, являются диэлектрические монокристаллы и стекла с активными примесями (например, атомами хрома Cr и неодима Nd), некоторые полупроводники и газы (как чистые - Ar, N2, CO2 и др.) и смеси газов (например, Ne c He), а также растворы красителей, пары металлов и др. За счет индуцированного излучения, предсказанного еще Эйнштейном, с помощью так называемой оптической накачки заселяются некоторые возбужденные энергетические уровни, а потом с них происходит когерентный переход с излучением, в отличие от обычного некогерентного излучения.

Лазеры получили широкое применение как в научных исследованиях (в физике, химии, биологии и других науках), так и в технике (появилась своеобразная лазерная технология), наконец, лазеры теперь широко используются в практической медицине (например, в хирургии глаза). В последнее время делаются попытки использовать мощное лазерное излучение и в термоядерной энергетике.


3.6. Электронно-вычислительные


методы. Компьютеры и кибернетика


Огромное влияние на развитие самого естествознания, его применения в технике и вообще во всей человеческой цивилизации оказало создание мощной электронно-вычислительной техники. Оно началось во время последней мировой войны и было обусловлено растущими потребностями науки и техники, а также и политики. На основе ярких успехов экспериментальной и теоретической физики были созданы разнообразные электронно-вычислительные машины, или, как их теперь называют, компьютеры.

Как в свое время паровая машина и другие двигатели освободили человека от тяжелого физического труда, так и современные компьютеры освободили ученых и инженеров от рутинного труда длительных математических вычислений. Сейчас компьютеры весьма широко внедряются не только в научных учреждениях, конструкторских бюро и на производстве, но и в повседневной жизни человеческой семьи. Уже созданы и внедрены в практику свыше полудесятка поколений компьютеров. Особенно важно, что созданы персональные компьютеры, которые успешно используются учеными в лабораториях и инженерами на производстве, техническими работниками в самых различных учреждениях, а также для домашних вычислительных работ и детских игр. Применение этих аппаратов с самого начала сводилось к количественной обработке получаемых физиками и инженерами математических формул и выводов. Они позволили сравнивать получаемые численные результаты с экспериментом и делать дальнейшие научные предсказания, что есть и остается на будущее важнейшей задачей компьютеров. Но компьютеры выступают и как вполне самостоятельный источник наших знаний вместе с экспериментальными исследованиями. Поэтому, наряду с традиционным делением физики на экспериментальную и теоретическую, можно говорить, что появилась еще и ее третья ветвь - "вычислительная физика".

Из нового и существенного, что внесла компьютеризация в науку, отметим создание по существу совершенно новой дисциплины - кибернетики (термин происходит от греческого слова - "искусство управления"), науки об управлении, связи и переработке информации. Объектом исследования данной научной дисциплины являются так называемые кибернетические системы, рассматриваемые абстрактно, вне зависимости от их материального содержания. Примером таких систем могут служить: автоматические регуляторы в технике компьютеров, человеческий мозг, биологические популяции (совокупности живых особей одного вида), человеческое общество и т.д. Каждая из систем представляет собой совокупность множества взаимносвязанных объектов, которые способны воспроизводить, запоминать и перерабатывать информацию и обмениваться ею.

Современная кибернетика состоит из ряда самостоятельных разделов. Ее теоретическое ядро образуют разнообразные теории - информации, алгоритмов (способов вычисления задач), автоматов, исследования операций, оптимального управления и распознавания образов. В кибернетике разрабатываются общие принципы создания систем управления и систематизации умственного труда. Ясно, что основным техническим средством для решения всех таких задач являются компьютеры. Но здесь ведущую роль, по крайней мере пока, играет сам человек - ученый или инженер, который задает программу работы аппарата.

Очень интересен в связи с развитием компьютерной техники вопрос о построении искусственного интеллекта. В настоящее время это понятие используют в двух значениях: как техническую информационную модель человеческой (естественной) способности мышления и как научно-техническую дисциплину, которая решает проблемы имитации человеческого разума. Еще многое находится в стадии поисков и дискуссий, но мы должны всегда помнить, что любой компьютер работает по программам, которые задает человек - его мозг. Чтобы реализовать программу, конечно, нужен компьютер, но сама программа есть часть этого компьютера. Представляя работу человеческого мозга как программу, выполняемую по заданию нашего разума в мозге-компьютере из плоти и крови (нашего организма), вряд ли можно заменить его целиком совершенно автономно работающим компьютером (роботом). И хотя здесь о полном дублировании мозга пока рано (а может быть и никогда не придется) говорить, тем не менее проблема "искусственного интеллекта" - очень важное научное направление, которое уже сейчас имеет много практических полезных применений. Среди них укажем на возможную разработку новых принципов законодательства, систем организации в различных областях экономики, оптимизации принятия решений в критической ситуации, планирования разработок и распределения ресурсов. Можно также ожидать много интересного в этой области в связи с проблемами создания новых летательных аппаратов, систем организации промышленности для производства новых материалов, обладающих высокой надежностью с наперед заданными эксплуатационными техническими характеристиками.


3.7. Проблемы синергетики


Синергетика представляет собой новую область научных исследований или, как говорит русский ученый Ю.Л. Климонтович, "новое объединяющее направление в науке", главной целью которого является выявление общих закономерностей в совершенно различных процессах, происходящих в сложных, открытых, неравновесных системах разнообразной природы: физических, химических, биологических, экологических и т.п. Указанный термин произошел от греческого слова "синэргетикос", что означает "совместный" или "согласованно действующий". Это научное направление возникло и начало бурно развиваться в 70-х годах ХХ столетия.

Основной причиной появления данной дисциплины, видимо, явилась "встреча" с явлениями возникновения "порядка" из "беспорядка", с которыми физики, химики и биологи столкнулись в своих исследованиях диссипативных открытых систем. Диссипативными называют системы, в которых происходит переход энергии из упорядоченного состояния в неупорядоченное, т.е. в тепловую энергию. А открытыми, как мы уже знаем, называются системы, которые могут обмениваться массой и энергией с окружающей средой. Как правило, эти системы далеки от состояния термодинамического равновесия. При указанных превращениях, приводящих к возникновению организованного поведения, оно может обусловливаться как внешними воздействиями, так и являться результатом собственных (внутренних) неустойчивостей. В первом случае мы имеем дело с вынужденной организацией, а во втором - с самоорганизацией. Само название возникновения порядка - синергетика - было введено в 70-х годах ХХ века Г. Хакеном. Вначале оно бурно оспаривалось многими учеными, не соглашавшимися с таким названием. Однако теперь эта терминология общепризнана, и в немецком научном издательстве "Шпрингер" уже выпущено в свет почти три десятка томов монографий, посвященных проблемам синергетики.

В связи с задачей выяснения роли синергетики в развитии науки Ю.Л. Климонтович указывает на любопытный исторический факт. Он напомнил своим читателям, что Людвиг Больцман в свое время назвал ХIХ век веком Дарвина, имея в виду его теорию эволюции в биологических системах, основанную на принципе естественного отбора. Именно ее Больцман и считал наиболее значительным открытием XIX века. Почему же так думал великий ученый, каким был Больцман, спрашивает себя Климонтович? Ведь ХIХ век - век термодинамики, созданной Карно, Клаузиусом, Томсоном и другими корифеями науки, век создания электромагнитной теории Фарадея-Максвелла. И, наконец, в ХIХ веке были заложены количественные основы современной кинетической теории материи, которую наряду с Максвеллом создал сам Больцман. Именно он автор первого кинетического уравнения для описания необратимых процессов, и сегодня являющегося одним из основных в современной статистической физике. Кроме того, Больцман дал первое статистическое определение энтропии неравновесных процессов и сформулировал свою знаменитую Н-теорему.

Далее Климонтович опять спрашивает себя, не есть ли высказывание Больцмана о роли Дарвина проявлением скромности великого ученого. И он отвечает, что, может быть, это отчасти и так, но главное в его высказывании - глубина замечательной научной интуиции великого ученого, которой мы удивляемся и сегодня. Несмотря на критику Пуанкаре и других ученых, несмотря на "накал страстей" в соперничестве динамической и статистической теорий необратимых процессов в сложных системах, Больцман с фантастической внутренней силой отстаивал свои взгляды, хотя и не мог в то время опираться на строгие математические доказательства своей правоты. Называя век ХIХ веком Дарвина, Больцман и утверждал, что его кинетическая теория неравновесных процессов будет основой описания процессов в открытых физических, химических и биологических системах.

Хотя рассматриваемые системы, как правило, далеки от состояния термодинамического равновесия, внутри них при определенных условиях могут возникать упорядоченные подсистемы. Например, типичным для синергетики является появление в нагреваемом снизу слое жидкости правильных геометрических шестиугольных образований. Они появляются, начиная с некоторых градиентов температуры, и носят название ячеек Бернара. В качестве второго примера можно указать поведение жидкости между двумя вращающимися коаксиальными цилиндрами. При возрастании скорости их вращения возникает движение жидкости особого вида, организованного в так называемые вихри Тейлора, в которых жидкость движется то наружу, то внутрь в горизонтальных слоях. Дальнейшее увеличение скорости вращения цилиндров приводит к осцилляциям (т.е. колебаниям жидкости), вначале с одной частотой, а потом со многими частотами, и, наконец, наступает хаотическое движение. Подобные явления наблюдаются также в лазерной физике, физике твердого тела, в полупроводниках при росте кристаллов.

Не менее интересны случаи, когда изменения внешних условий вызывают резкие изменения в строительной механике, например, при изгибе стержней, разрушении автоматов, деформациях тонких оболочек, причем такие неустойчивости могут наблюдаться не только в статике, но и в динамике. Аналогичные случаи самоорганизации можно было бы привести из электро- и радиотехники, из электроники.

Важными являются применения синергетики и в химии. Обычно, если при реагировании различных химических компонент проходит достаточно много времени и существует хорошее их перемешивание, то продукты реакции получаются однородными. Но в некоторых реакциях могут возникать временные, пространственные или смешанные пространственно-временные структуры. Наиболее ярким примером может служить так называемая реакция Белоусова-Жаботинского, когда происходит соединение в смеси некоторых веществ и при перемешивании ее возникают колебания концентрации, которые наблюдаются непосредственно глазом при изменении цвета смеси от красного к синему. В замкнутой системе, без подвода новых добавок реагентов эти колебания затухают, но при непрерывной подаче реагентов колебания могут продолжаться неограниченно долго. Возможны случаи и других упорядоченных структур, например, концентрических волн.

Наблюдались и другие синергетические явления как в химии на молекулярном уровне, так и в биохимии с участием сложных биологических многоатомных молекул. Укажем, что синергетика успешно внедряется и в биологию как на клеточном уровне, так и на уровне сообществ (популяций) животных. Известны также применения общих принципов синергетики к иммунным системам живых организмов (т.е. системам, защищающим организм от инфекций).

Синергетика начала вторгаться и в общую теорию вычислительных систем. Можно, оказывается, построить сеть вычислительных машин, которые не подчиняются управляющему компьютеру, а связаны между собой и сами распределяют задания, т.е. в такой системе имеет место самоорганизация. Здесь возникает очень интересная проблема: как можно создать надежные вычислительные системы из ненадежных элементов, которые работают на молекулярном уровне. По-видимому, природа справилась с такой задачей в здоровом мозге человека, где мы имеем систему из живых элементов - нейронов. В компьютере с ростом миниатюризации элементов растет и их ненадежность, в данном случае методы синергетики тоже дают свой рецепт борьбы с этим неприятным явлением.

Приведем без доказательства описание приема синергетики, который позволяет построить надежную память из не очень надежных элементов. Для того, чтобы обсудить поведение отдельного элемента, воспользуемся понятием "параметра порядка", который мы определим как частицу, которая двигается в двухъямном потенциальном поле. Два рабочих состояния частицы отождествляются с двумя минимумами потенциала. Очевидно, что, если потенциальный барьер низкий, то любой "шум" вынудит частицу беспорядочно перемещаться из одной неглубокой ямки в другую, и рабочее состояние становится невозможным. Однако если связать друг с другом несколько таких элементов, то потенциальный барьер между ямками возрастет, последние эффективно углубляются, и удержание частиц, т.е. параметр порядка станет возможным.

Синергетика в настоящее время уже находит широкое применение и в науках, которые не относятся к естествознанию и технике. С ее помощью научились решать некоторые проблемы экономики, социологии, экологии, философии, логики, искусствоведения и т.д. Подчеркнем, что главное в механизме всех таких применений сводится к тому, что практически во всех случаях рассматриваемые системы состоят из большого числа подсистем, находящихся в весьма сложных и запутанных взаимодействиях. При изменении внешних и внутренних условий процессов, т.е. изменении управляющих параметров, в системах могут образоваться в макромасштабах качественно новые структуры. Системы могут переходить из однородного состояния покоя в неоднородноединамическое состояние, либо хорошо упорядоченное, либо неупорядоченное. В упорядоченных состояниях могут происходить различные колебания с одной или многими частотами, а может возникать и хаос. Синергетика находит для решения этих проблем мощный математический аппарат, который состоит, как правило, из нелинейных дифференциальных уравнений, причем теория тесно связана с общими проблемами термодинамики необратимых процессов и статистической физикой.

Кратко упомянем о так называемой нелинейной физике. Дело в том, что в классической и квантовой физике мы обычно имеем дело с линейными дифференциальными уравнениями, в которые производные искомой функции и сама функция входят линейно. Поэтому сумма отдельных решений этих уравнений тоже является решением, т.е. имеет место так называемый принцип суперпозиции. Однако в теории квантованных полей, да и в классической теории мы теперь все чаще встречаемся с нелинейными дифференциальными уравнениями, что значительно усложняет все математические расчеты. Первое знакомство с этой проблемой в классической теории колебаний читатель может найти в книгах Г.С. Горелика или А.А. Андронова, А.А. Витта и С.Э. Хайкина, учеников академика Л.И. Мандельштама, которые одними из первых занялись разработкой нелинейной физики, а также книге академика В.Л. Гинзбурга.


3.8. О проблемах экологии


Экология - это раздел биологии, который изучает организацию и функционирование систем различного типа. К ним относятся:

1. Популяции - сообщества людей, животных и растений одного вида.

2. Биоценозы - совокупности животных и растений, обитающих в области с более или менее одинаковыми условиями существования, которые развиваются и характеризуются определенными взаимоотношениями между своими членами и средой обитания.

3. Экосистемы - природные комплексы, образованные живыми организмами и средой их обитания, связанные между собой обменом веществ и энергией.

4. Биогеоценозы - сообщества растений (фитоценозы) и животных (зооценозы), находящихся в соответствующих участках земной поверхности с их особыми свойствами - микроклиматом, строением земной коры, почвой и водным режимом, образующими единый комплекс.

5. Биосфера - это одна из оболочек Земли, занятая совокупностью организмов. Она включает в себя нижнюю часть земной атмосферы - тропосферу, всю водную оболочку - гидросферу и верхнюю часть твердой оболочки - литосферу, главным образом, кору выветривания. Верхняя граница биосферы находится примерно на высоте 10-15 км над уровнем моря, нижняя - на глубине 2-3 км ниже уровня моря, а в океанах до 10 км глубины.

Кроме того, экологию определяют как науку о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой. Современная экология очень внимательно исследует проблемы взаимодействия именно человека и биосферы. Экологическую науку также подразделяют на общую экологию, изучающую основные принципы организации и функционирования различных систем организмов, и частную экологию. Можно произвести еще классификацию применений экологических исследований, выделив в них следующие направления: популяционную экологию, т.е. экологию населения, изучающую популяцию совокупностей особей, объединенных общей территорией. Далее выделяют экологию сообществ, или биоценологию, изучающую структуру и динамику природных сообществ (ценозов), совокупностей совместно обитающих популяций различного типа, а также биогеноциологию, т.е. раздел общей экологии, исследующий экосистемы.

Частная экология делится на экологию растений и экологию животных. Кроме того, имеется и множество других разделов, среди которых упомянем (в связи с их большой актуальностью) вопросы влияния человеческой цивилизации на природу и защиту последней от вредных последствий урбанизации, в связи с чем уже в середине 20-х годов ХХ столетия возникла специальная дисциплина - экология человека. Заметим, что термин "экология"  был предложен немецким зоологом Э.Геккелем в 1866 году. В России начало экологическим исследованиям положил известный русский зоолог профессор Д.Н.Кашкаров, который долгое время работал в Ташкенте, заведуя кафедрой в Средне-Азиатском государственном университете.

Основной задачей экологии на современном этапе ее развития являются изучение количественными методами (вот тут и нужна помощь математики и физики) основ структуры и функционирования природных и созданных человеком систем, что имеет очень важное значение для дальнейшего возможного обитания человека на Земле. Мы должны всемерно стремиться к тому, чтобы в разных отраслях промышленности, особенно в тех, которые наносят существенный вред окружающей среде, разрабатывать с помощью математики, физики и химии экологически чистые технологии и вести непрерывную борьбу с нарушителями экологической чистоты, что приобретает особое значение на современном этапе научно-технической революции, когда влияние человека на биосферу резко возросло.

Экология также является теоретической основой для рационального ведения различных промыслов, например, рыболовства и рыбовоспроизводства, охотничьего хозяйства и т.п. Очень важно сохранять чистоту водной оболочки Земли - рек, озер, морей и океанов. В качестве примера сошлемся на авторов американского научного журнала "Диалог-США" N 44 за 1990 год. Там приведен положительный результат действия людей совместно с самой природой, очистивших от загрязнения реку Каламазу в штате Мичиган. Река была полна самых разнообразных загрязнений и фактически полностью мертва для жизни животных и людей.

И вот, благодаря настойчивым совместным усилиям людей и самой природы, река ожила, теперь в ней снова живут многочисленные цапли, утки, форели и окуни. И все это происходит вблизи тех же, что и раньше, многочисленных фабрик и заводов, которые продолжают нормально и успешно действовать, но только теперь они строго придерживаются экологического режима.

Таким образом, многие экологические проблемы, которые по своей сложности кажутся непреодолимыми, на конкретном локальном уровне, при добром желании людей могут быть вполне успешно решены. В том же американском журнале в N 46 за 1991 год высказывается любопытная мысль, что именно при частном предпринимательстве мы будем иметь наиболее эффективные стимулы для сохранения чистоты рек, озер и лесов. Эта точка зрения принадлежит крупным ученым, которые имеют заметное влияние на политическую и научную жизнь США - Ричарду Л. Строупу и Джейн С. Шоу из университета штата Монтана. Они считают, что, поскольку государственные чиновники тратят на экологические проблемы не свои собственные, а правительственные денежные средства, им не хватает стимулов, способных сделать их деятельность результативной. Поэтому лучшей гарантией чистоты земли, воздуха и воды является рынок и система частной собственности на землю. Они указывают также, что поскольку все больше людей стремится проводить свободное время в красивых и экологически чистых местах, то охрана окружающей природной среды будет все более доходным капиталовложением. В качестве примера приводится частный курорт Биг-Скай, созданный в 70-х годах ХХ века в штате Монтана, где посетителям предоставляется возможность наслаждаться чистой и красивейшей природой северной части Скалистых гор. Собственники земли в этом районе очистили и обезопасили местность от загрязнений, хотя и значительно увеличили стоимость земли.

Конечно, все это не означает, что частные организации в состоянии решить все экологические проблемы. Здесь, наверное, необходимо иметь тесное и разумное содружество между частной инициативой и разумным участием государства. И, конечно, необходимо всемерное использование физических, химических, биологических и математических количественных методов в применении к рациональному ведению соответствующего экологически чистого хозяйства.

Хотелось бы отметить и интересный факт создания великолепного в экологическом смысле района на Северном Кавказе вокруг города Кисловодска в Ставропольском крае, возникшего еще в первой половине XIX века. Прекрасный уголок чудесного кавказского предгорья с очаровательном видом на двуглавую сверкающую белоснежную вершину Эльбруса стал любимым местом отдыха многих десятков и даже сотен тысяч людей. В этом экологическом оазисе чистейший воздух, многочисленные целебные воды и вся окружающая cреда способствуют укреплению жизненных сил и всей психики человека.

Подчеркнем, что научно-техническая революция связана с непрерывной интенсификацией и расширением деятельности человеческого общества. Указанное обстоятельство обостряет взгляд и на экологические проблемы, связанные с сильным побочным влиянием технической деятельности человека на состояние и свойства атмосферы, тепловой режим планеты, фон радиоактивности, загрязнение мирового океана, а также других водоемов и уменьшение количества источников чистой пресной воды, истощение невозобновляемых природных сырьевых и энергетических рессурсов, выделение в биосферу непереработанных биохимических и токсичных отходов, которое оказывает вредное влияние на физическое и психическое здоровье людей. Все эти социальные аспекты экологии стали предметом научных исследований, особенно в самые последние десятилетия.

Предмет и статут социальной экологии является предметом жарких дискуссий. В частности, она понимается либо как наука о социальных механизмах взаимосвязи человеческого общества с окружающей средой или как наука, делающая акцент на человеке как биологическом виде

Экология существенно изменила научное мышление не только естественников, но и гуманитариев, выработав специфическую экологическую идеологию. С помощью количественного системного подхода экология анализирует природную среду как сложную дифференцированную систему, различные компоненты которой находятся в динамическомравновесии. При этом биосфера Земли рассматривается как обиталище человечества, где природа и деятельность человека связаны в единой системе "природа - общество", раскрывающей воздействие человека на равновесие природных экосистем и ставящей вопрос об управлении и рационализации взаимоотношения человека и природы. Планетарный характер воздействия человека на среду его обитания требует международного сотрудничества для осуществления общенациональных и межгосударственных мероприятий.


3.9. О зарождении органической

жизни на Земле


Поставим важный вопрос о зарождении жизни на Земле и развитии органической жизни не только на ней, но и вообще в различных частях Вселенной. Согласно современным научным воззрениям, жизнь возникла на Земле из "сырья", изготовленного звездами, благодаря случайному обстоятельству - положению возбужденного уровня энергии в атомном ядре углерода 12С, которое позволило происходить его синтезу из атомных ядер гелия и бериллия. Но это могло случиться не только на нашей Земле (такая точка зрения была бы слишком самонадеянной).

В последние годы биохимики достигли значительных успехов в понимании того, какие условия нужны для формирования жизни органических существ. В 1953 году в Чикаго американские ученые Миллер и Юри произвели замечательные опыты, воссоздав в лабораторных условиях ситуацию, которая, как они полагают, существовала на Земле 3-4 миллиарда лет тому назад. В результате многодневных опытов им удалось синтезировать большие количества важных органических молекул. Хотя и возникло еще не живое существо (вроде амебы), полученный результат подтвердил предположение о том, что в довольно широком интервале условий возможно образование "предбиологического" строительного материала. И современные биохимики твердо верят, что пусть и не так скоро, но они или их последователи смогут искусственно создать и настоящий живой организм. Переход от "кирпичиков" предбиологического материала к живым самовоспроизводящимся организмам является самым трудным звеном, и здесь еще многого мы пока не понимаем.

Ученые-биохимики уверены, что органическая жизнь вполне может возникать и развиваться на других планетах в окрестности большинства звезд, подобных нашему Солнцу. Уже открыты планеты, значительно большие по размерам, чем наша Земля, у ряда ближайших звезд. Возможно, что в существующей на них органической жизни основой является не углерод, а жизнь развивается на совершенно другой биохимической основе. В настоящее время биологическое вещество можно рассматривать как четвертую разновидность агрегатного состояния вещества - газ, жидкость, твердое тело и биологическое вещество.

Возникла и специальная наука экзобиология, изучающая жизнь вне Земли, в настоящее время она еще находится без реальных объектов исследования, однако полна теориями. Для обнаружения жизни на других планетах имеются в принципе два способа. Один из них - это космические полеты, но он пока недоступен, по крайней мере, при современной космической технике. Недоступность связана также с тем, что при околосветовых скоростях полета становятся смертельно опасными столкновения со встречными частицами, метеоритами и излучением. Второй способ более надежный - радиосвязь. Но возникает вопрос: где с ее помощью надо искать соответствующие объекты с органической жизнью? Заметим, что количество звезд - миллиарды миллиардов объектов! Интенсивные изыскания в этом направлении тем не менее идут все время. Самое сложное при рассмотрении места человека во Вселенной состоит в том, что человек представляет собой весьма частный случай, появление которого требует непременного выполнения весьма специфических условий.


3.10. Место человека во Вселенной


В заключение нашего курса остановимся еще раз на

выяснении места человека и вообще человечества во Вселенной, а также рассмотрим вопрос об условиях и возможности жизни в Космосе.

До Коперника в просвещенном обществе господствовала точка зрения, согласно которой человечество наделялось исключительным правом считать, что оно находится в центре Вселенной. Наша Земля считалась специально сотворенной для пребывания на ней человека и являлась той осью, вокруг которой вращалось "колесо" всего Космоса, все в мире подчинялось "уникальному жилищу" человека - центру деятельности всего в мире.

Однако после трудов Коперника и особенно в настоящее время научная картина мира, т.е. картина Вселенной, а вместе с тем и картина существования человека на Земле, которая в ХХ веке принята всеми сознательными и образованными людьми, стала как нельзя более удаленной от прошлого эгоцентрического "бреда". Земля теперь навсегда лишилась своего исключительного положения во Вселенной, а ее состояние и происхождение считается во всех отношениях типичным и заурядным для всех частей Вселенной. Так же и Солнце - обычная звезда в огромном числе звезд нашей Галактики, которая не выделяется чем-либо особенным из миллионов других галактик, рассыпанных по бескрайним просторам Вселенной. Если Солнце, Земля и вся наша Галактика столь типичны, то легко себе представить, что и биосфера Земли, и человеческое общество - также типичные явления в Космосе.

В настоящий момент (в свете подобных представлений) стало привычным рассматривать жизнь как один из обычных этапов эволюции и самоорганизации во Вселенной. Мы теперь знаем, что Вселенная возникла из огненного шара, и  все удаленные от нас части Метагалактики подчинены одним и тем же законам астрономии, физики и химии. Это надежно установлено на основании спектроскопических и радиоспектроскопических наблюдений, которые производятся с помощью разнообразных приборов. Однако утверждение, что другие части Вселенной подчинены таким же биологическим законом, все еще вызывает довольно много споров. Причина их лежит в больших трудностях, которые имеются на пути изучения внеземной биологии.

Если жизнь - действительно всемирное явление, то такое предположение решительно меняет все наши оценки важности места человека во Вселенной. Потребуется столь же значительный пересмотр всех наших представлений, как и в случае появления учения Коперника. Встает вопрос: неужели действительно так неоригинальна жизнь на Земле?

Мы уже приводили некоторые доводы в пользу широкого распространения законов биологии в бесконечных просторах Метагалактики. Важно то, что земная биология находится в постоянной зависимости от непрерывного термодинамического неравновесия вблизи мощного генератора негэнтропии - Солнца. Из наблюдений астрономов следует, что во Вселенной нет недостатка в градиентах температур, но жизнь, кроме неравновесия, нуждается еще и в большом промежутке времени для своей эволюции. Например, чтобы от амебы пройти путь до человека, требовалось до трех миллиардов лет, а это уже заметный промежуток времени в существовании Солнца и Земли.

Солнце, по данным современной астрофизики, находится в весьма устойчивом состоянии. Хотя для жизни на Земле необходимо неравновесие, постоянство условий, создаваемое Солнцем в окружающем его пространстве и обусловленное испусканием огромного количества лучистой энергии, тоже имеет место, но для самого Солнца такие потери энергии являются лишь слабым возмущением его внутренней структуры. Поэтому нет пока противоречия между термодинамическим неравновесием вокруг Солнца и долгосрочной стабильностью источника негэнтропии. Для жизни также нужно особое "сырье", что, по-видимому, накладывает очень жесткие ограничения на характер среды, подходящей для развития органической жизни. Биохимики, несмотря на многие еще не очень понятные проблемы происхождения жизни, полны оптимизма в том смысле, что жизнь должна развиваться в окрестностях большинства звезд того же типа, что и наше Солнце, если около них есть планеты, подобные Земле. Но пока, к сожалению, мы не нашли такие планеты, т.к. это слишком мелкие космические образования, чтобы их можно было наблюдать в существующие сейчас приборы астрофизиков и подвергнуть детальному изучению. Тем не менее, уже открыты планеты, не похожие на Землю (много большие по размерам, чем Земля) около ближайших к нам звезд, и некоторые биологи предполагают, что на них может возникнуть совершенно иная жизнь, которая не основана на соединениях углерода и воде.

Главный вопрос еще не решен: существует ли жизнь повсюду или она - исключительное событие, случившееся в условиях нашей солнечной системы? Поскольку биологическое вещество - одно из агрегатных состояний материи, оно может образовываться естественно и неизбежно, но, конечно, при наличии строго определенных условий. Пока что мы должны с некой долей оптимизма довольствоваться лишь утверждением вероятностного порядка: планеты с органической жизнью являются не исключительным случаем Земли.

И все же нас мучает вопрос о том, насколько специфична наша Вселенная. Самое удивительное, что за несколько десятилетий существования радиоастрономии мы узнали о происхождении и строении Вселенной больше, чем за тысячи лет наблюдений до этого. Успехи астрономии, астрофизики и всей космологии последних лет внесли определенные представления о месте человека во Вселенной. Даже сейчас трудно со всей определенностью сказать, насколько "тонко" зависит жизнь от физических и химических условий окружения. Но, пожалуй, мы можем, или вернее, должны сказать, что наш мир устроен так, а не иначе, не для того, чтобы нам было удобно в нем жить. Наоборот, мы созданы так, а не иначе, чтобы соответствовать этому миру.

Пока нам не известно до конца, в какой мере должна была бы измениться организация Вселенной, чтобы все мыслимые формы жизни стали невозможными. Скажем, что если бы фоновая реликтовая температура была равна не трем градусам Кельвина, а, например, близка к комнатной температуре (около 300 К), то необходимое для жизни термодинамическое неравновесие могло существовать лишь на более жаркой планете, где вода находилась бы в парообразном состоянии, а жидкая фаза воды необходима именно для нашей формы жизни. Кроме того, высокая температура реликтового фона вообще бы препятствовала созданию галактик во Вселенной в целом, ибо при таком уровне фона излучение преобладало бы над веществом с его гравитационным притяжением, а без галактик не могла бы возникнуть и жизнь. Кроме указанного условия, обязательного для существования жизни, требуется еще, чтобы существовали достаточно устойчивые звезды типа нашего Солнца, а это зависит от соотношения гравитационных и ядерных сил в микромасштабах, что лежит в основе "жизни" звезд, подобных нашему Солнцу.

Важно понять, что существование во Вселенной разумной жизни не объясняет тех свойств, которые необходимы для ее бытия. Если они были совсем другие, то мы бы об этом не знали, так как нас тогда просто не было. Мы живем во Вселенной потому, что в ней есть почему-то такие условия, которые необходимы для существования земной жизни. Современная научная картина Вселенной, данная нашей наукой, абсолютно противоположна той картине, которая покоилась на религиозных догмах. Согласно современной науке, существенным фактором являются крупномасштабные свойства Вселенной, а положения в ее локальных участках "образуются сами собой". При подходящих глобальных условиях неизбежно должны возникать такие локальные, удобные для возникновения жизни системы, как наша Солнечная система.

Когда мы спрашиваем себя, что такое Вселенная, как она родилась и каковы законы ее эволюции, то лучше всего ответить словами знаменитого немецкого математика Германа Вейля (1885-1955), который писал: "Мир не "оказывается", он просто "есть"!" Мир - это и есть пространство-время, материя, различные взаимодействия, идущие из прошлого в будущее, от точки к точке, от события к событию в великом сплетении многообразия и многосложности их сосуществования.

Еще раз напомним об антропном принципе, о котором шла речь во второй части нашего курса. Здесь очень важным представляется вопрос о фундаментальных мировых постоянных физики. В 1991 году в журнале "Успехи физических наук" по данному вопросу появилась очень интересная статья известного физика Л.Б. Окуня. Дело в том, что существование человечества на Земле в значительной степени зависит от вполне определенного набора значений мировых фундаментальных констант, какими они возникли в процессе космологической эволюции Вселенной на ее ранних стадиях развития, причем они с большей или меньшей вероятностью могли иметь и другие значения. Например, как указывает в своей статье Л.Б. Окунь, если бы разность масс покоя нейтрона и протона была бы на один МэВ меньше существующей, стабильной частицей был бы нейтрон, а не протон, и поэтому атом водорода стал бы нестабильной микрочастицей. Тогда была бы возможной такая ядерная реакция:


р + е- = n + ?е,


вся эволюция образования и сгорания звезд была недолговечной, и органическая жизнь стала бы невозможной.

Следовательно, все строение и эволюция Вселенной крайне чувствительны к совсем небольшому, как выражается Окунь, "шевелению" величин массы покоя различных микрочастиц, что точно так же относится и к энергии связи нуклонов в ядрах. Ее изменение могло бы совершенно изменить характер термоядерных реакций внутри звезд. Различие масс покоя нейтрона и протона, как теперь известно, зависит от соотношения этих масс у разных типов кварков, из которых состоят протоны и нейтроны. Такую необычайную чувствительность всей жизни Вселенной к расположению энергетических уровней нуклонов в атомных ядрах мы уже видели на примере "знаменитого" уровня возбужденного состояния атомного ядра изотопа углерода 12С с энергией в 7,65 МэВ. Согласимся со словами автора статьи:"Когда глядишь на расположение уровней энергий атомного ядра изотопа 12С и видишь там этот уровень с энергией в 7,65 МэВ, то душу охватывает чувство глубокой благодарности к нему за то, что он не спустился на некоторое число МэВ ниже!" Природа дала нам очень малый запас прочности для построения органического мира во Вселенной.

Антропности Вселенной посвящено очень много научной и научно-популярной литературы. Мы можем также, следуя Окуню, указать, что для будущего развития физики очень важным фактором являются так называемые планковские значения фундаментальных масс, длин и времен. Они получаются из комбинаций трех мировых постоянных: константы G, постоянной Планка h и скорости света в вакууме с.

Тогда, для массы Планка mp мы имеем:


mp = (hc/2?G)1/2 = 1,2?1019 ГэВ/с2,


длина Планка равняется:


lp = h/2?mpc = 10-33 cм,


время Планка:


tp = h/2?mpc2 = 10-43 сек.


Еще в 1918 году Эддингтон вслед за Планком подчеркивал, что из всех физических систем единиц система cGh является абсолютно выделенной и что планковская длина "должна служить ключом к некоторой весьма существенной структуре материи". Однако другой физик Бриджмен (это отражено в его известной и весьма полезной книге "Анализ размерностей") в противоположность Эддингтону считает, что планковская длина не имеет никакого значения для реальной физики. Теперешнее состояние физической науки склоняет чашу весов в сторону именно предсказания Эддингтона, а не критики Бриджмена.

В заключение нашего курса остановимся еще раз на понятии и чувстве времени. Человек наблюдает Вселенную не как единое явление, а лишь ее малую часть в "окошко" своего разума. Картина, которую мы видим, представляет собой своеобразный "кинофильм". Она движется, мир полон действия. События случаются потому, что проходит время, причем только в одном направлении. В психологии людей понятие "время" отлично от времени, с которым мы имеем дело в физике, где есть только различия прошлого и будущего, а в нашем уме различается еще и настоящее - теперь или сейчас.

Что такое "сейчас"? Его нет в физике, а особенно в современной физике, где специальный принцип относительности Эйнштейна открыл нам относительность понятия одновременности. Для всех точек пространства нет единого общего настоящего момента. Поэтому одна из характерных черт мысленного "сейчас", предполагающая, что все люди повсюду испытывают одно и то же "сейчас", оказывается неоправданной экстраполяцией. Всеобщего "сейчас" не существует, есть только индивидуальное "здесь и сейчас". Это является важным указанием на то, что истоки разделения времени на прошлое, настоящее и будущее надо искать в нашем разуме, а не в физике. "Сейчас" в нашем сознательном мироощущении представляется все время движущимся из прошлого в будущее. Такое ощущение и создает у нас резкое различие между прошлым и будущим, что отражено и в нашем языке: время "летит", будущее "становится" реальностью, а прошлое "уходит", как и человек нас покидает, умирая.

Повторяем, для нас существует только настоящее. Все время как бы происходит непрерывное умственное творение - мир в каждое мгновение обновляется. Взаимосвязь последовательных миров создает у нас впечатление, что один мир "превращается" или "переходит" в другой, "последующий" мир. Ничего подобного в физике нет, не было физических экспериментов, которые позволили бы установить течение времени. Обращаясь к объективному окружающему нас миру, мы теряем ход времени, он пропадает, как призрак.

Таким образом, в существующей ныне картине мира и места человека во Вселенной будущее несомненно должно принести открытие новых данных о природе пространства и времени, которые раскроют перед нами новые глубокие и широкие перспективы в понимании и использовании взаимосвязей между человеческим разумом и бесконечно разнообразной природой нашей Вселенной.