Текст книги "Пять нерешенных проблем науки"

Автор книги: Артур Уиггинс

Соавторы: Чарлз Уинн
сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 18 страниц)

3. Фермионы и бозоны

Все частицы, составляющие Вселенную, распадаются на две группы: фермионы и бозоны. Подобное различение ввели аспиранты Лейденского университета (Голландия) Сэмюэль Гаудсмит и Джордж Уленбек. Гаудсмит, больше занятый исследованиями, заметил дополнительное расщепление спектра излучения атомов гелия. Уленбек, лучше знавший классическую физику, усмотрел причину такого расщепления в некоем внутреннем свойстве электрона. Вместе они пришли к заключению, что электрон изначально обладает определенным угловым моментом – спином [статья 1925 года в Die Naturwissenschaften. № 13. S. 953–954].

Основы квантовой механики тогда только закладывались, так что данное представление привело к добавлению четвертого квантового числа (помимо главного, орбитального и магнитного), названного спиновым квантовым. Электрон изображают в виде крошечного, стремительно вращающегося волчка, однако подобное описание не надо воспринимать буквально. Внутренний угловой момент электрона, спин, равен ± 1 /2 (h/2р), где h – постоянная Планка. Понятие «спин» связано с привычным взглядом на электрон, поскольку спиновое квантовое число имеет два значения + 1 /2 (h/2р) и -1 /2 (h/2р), соответствуя как бы вращению [ускоряющемуся] «вверх» и вращению [падающему] «вниз». В 1928 году разработка британским физиком П. Дираком релятивистской квантовой механики подвела теоретическую базу под спин электрона; догадка Гаудсмита и Уленбека оказалась весьма удачной.

В 1925 году австрийский физик Вольфганг Паули заключил, что два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии на одном и том же месте. Этот принцип запрета Паули лежит в основе Периодической таблицы химических элементов.

При изучении статистического поведения электронов итальянско-американский физик Энрико Ферми и Дирак разработали теорию статистики Ферми – Дирака. Ее положения в дальнейшем были распространены и на другие частицы с полуцелым спином А/2р. Эти частицы, названные фермионами, охватывают собой все лептоны и кварки. Таким образом, массу Вселенной составляют фермионы.

Изучением частиц с нулевым или целым спином h/2р в 1924 году занимался индийский физик Шатьендранат Бозе. Работая в университете г. Дакка (Бангладеш), Бозе послал результаты своих изысканий для отзыва Эйнштейну. Тот перевел его труд на немецкий язык и настоятельно посоветовал издать [Bose S. N. Plancks Gesetz und Lichtquanten Hypothese // Zeitschrift fur Physik. 1924. № 26; на рус. яз.: Бозе Ш. Закон Планка и гипотеза световых квантов // Эйнштейн А. Собр. научных трудов. М., 1966]. На следующий год Эйнштейн расширил результаты Бозе с учетом всех частиц, не являющихся фермионами [Einstein А. Quantentheorie des einatomigen idealen Gases // Sitzungsberichte der PreuBischen Akademie der Wissenschaften, Physmath. Kl. 1924; 1925; на рус. яз.: Эйнштейн А. Квантовая теория одноатомного идеального газа // Собр. научных трудов. Т. 3]. Статистическое поведение таких частиц стали именовать статистикой Бозе – Эйнштейна. Подчиняющиеся этой статистике частицы Дирак назвал бозонами. Переносчики всех взаимодействий – фотон у электромагнитного, глюоны у сильного, и W– и Z-частицы у слабого – относятся к бозонам.

Если два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, то для бозонов такого ограничения не существует. И действительно, чем больше бозонов находится в определенном энергетическом состоянии, тем больше вероятность уподобления им всех прочих бозонов. Данное явление лежит в основе вынужденного излучения в лазерах, когда фотоны приводятся в одно и то же энергетическое состояние. Такого рода «стадность» помогает объяснить сверхтекучесть гелия и даже сверхпроводимость, когда электроны сбиваются в пары и действуют уже как бозоны. В 1995 году удалось так снизить температуру газообразного рубидия, что все атомы обрели одно и то же квантовое состояние. Подобное скопление называют конденсатом Бозе – Эйнштейна.

Склонность к «одиночеству» у фермионов и «общительность» бозонов делают их столь непохожими. Но это различие оказывается определяющим для природы Вселенной. Например, если бы фермионы объединялись подобно бозонам, все электроны в атоме собирались бы на самом нижнем энергетическом уровне, и тогда не могло бы быть и речи о химических реакциях, а стало быть, и о жизни.

4. Внеземнаяжизнь

Я говорил о летающих тарелках со множеством людей. Мне было любопытно: они настаивали, что такое возможно. И это так. Подобное возможно. Но они не понимают, что вопрос – то не в показе того, возможно такое или нет, а в том, существует это или нет.

Ричард Ф. Фейнман, физик, Нобелевский лауреат

Ученых, как и всех, будоражит возможность существования внеземной жизни. Однако действительность такова, что, помимо представлений на кино – и телеэкране, на страницах книг, на сайтах Всемирной Паутины и бесчисленного числа рассказов «очевидцев», нет ни одного научного свидетельства наличия жизни вне Земли. Тем не менее научные поиски ведутся на обоих фронтах, теоретическом и экспериментальном.

Теоретические поиски

Какие формы жизни возможны?

♦  Жизнь на углеродной основе, подобно нашей. Выражая мнение большинства, покойный химик Сирил Поннамперума из Мэрилендского университета полагал, что химия живого на Земле может быть обобщена на всю Вселенную. По его словам, данные «свидетельствуют, что создание и соединение кирпичиков жизни (аминокислот и нуклеотидов), похоже, было неизбежным, стоило лишь заработать химической печи земного „первичного бульона“», и «в случае существования жизни где – то еще на просторах Вселенной в химическом отношении она была бы крайне схожей с жизнью на Земле».

Большинство ученых соглашаются, что, несмотря на образ пучеглазых зеленых пришельцев, насаждаемый производителями игрушек, любая внеземная форма жизни будет существенно разниться от людей. Однако некоторые структурные и функциональные составляющие могут оказаться общими. Например, подобные глазам датчики для восприятия фотонов (возможно, в невидимой области спектра), два подобных глазам датчика для определения расстояния и кратчайший путь к устройству обработки данных от датчиков (мозгу) представляются схожими. Далее, вполне уместно компактное телесное устройство, включающее конечности для управления окружающими предметами и отдельные приспособления для передвижения. В некотором отношении голливудский образ пришельца может оказаться не столь далеким от действительности.

♦  Жизнь не на углеродной основе. Помимо углерода остовом жизни может вполне послужить расположенный в таблице Менделеева как раз под ним кремний. После того как эту связь заметили в 1890-е годы, романист Г. Уэллс писал: «Какие фантастические картины предстают при подобном предположении: образы кремнеалюминиевых организмов – а почему бы и не кремнеалюминиевых людей, бродящих посреди атмосферы из газообразной серы, скажем, вдоль моря, где плещется жидкое железо при температуре доменной печи в несколько тысяч градусов».

Действительно, химические свойства кремния и углерода во многом сходны. Например, углерод при соединении с четырьмя атомами водорода образует метан (Ct 4), тогда как кремний дает в этом случае силан (SiH 4). Химическое взаимодействие кремния с кислородом тоже роднит их (СO ₂и SiO ₂), но наблюдается и существенное различие. Двуокись кремния образует трехмерную решетку, ее крепкие связи делают SiO ₂твердым (песок), даже при высоких температурах.

В биохимии углеродной жизни энергия черпается из длинных углеводных цепей, которые разрываются посредством белковых ферментов – катализаторов. Отходами при этом являются вода и углекислый газ, которые легко выводятся из организма, поскольку находятся соответственно в жидком и газообразном состоянии. Кремниевой жизни пришлось бы иметь дело с твердыми отходами, удаление которых сопряжено с трудностями.

К тому же углеродные биологически важные молекулы обладают таким свойством, как хиральность (см. гл. 3), иначе говоря, трехмерность связей заставляет их при образовании спирали закручиваться либо вправо, либо влево. Данное свойство обеспечивает метаболизму гибкость, чего будет лишена кремниевая жизнь, у которой склонность к хиральности проявляется значительно слабее.

Наконец, распространенность. В 2002 году в космосе удалось обнаружить 113 углеродных молекул, тогда как кремниевых оказалось всего 10. Если и существуют формы жизни на основе кремния, похоже, они будут занимать значительно меньшую нишу по сравнению с углеродной жизнью.

Итак, насколько вероятно существование внеземных цивилизаций? В ноябре 1961 года Национальная академия наук организовала неофициальную встречу в местечке Грин-Банк, штат Западная Виргиния, по вопросу внеземной жизни. Радиоастроном из Национальной радиоастрономической обсерватории Фрэнк Дрейк привел уравнение, ставящее вероятность существования внеземной жизни в зависимость от ряда сомножителей, определяемых отдельно. Данное уравнение, названное Дрейком уравнением Грин-Банк, стало общепризнанным и было переименовано в уравнение Дрейка:

Число внеземных цивилизаций = (рождаемые за год звезды) х (f планет) х (f жизненной зоны) х (f жизни) х (f разума) х (f межзвездной связи) х (время жизни).

Для оценки количества «сообщающихся» цивилизаций (которые посылают и принимают послания) в галактике Млечный Путь необходимо прежде оценить семь сомножителей, где f принимают значения от 0 до 1.

1. Какова скорость образования в нашей Галактике звезд, подходящих для создания пригодных для жизни планет?

Большие звезды слишком недолговечны, а малые чересчур холодны, так что остаются лишь звезды средней величины.

2. Какова доля таких звезд, имеющих планеты?

Согласно нынешнему уровню понимания процесса образования звезд, вполне вероятно, что вокруг большинства таких звезд могли бы обращаться планеты.

3. Какова доля планет, обращающихся вокруг своих звезд в пределах, где возможно зарождение жизни?

На Земле решающее значение имеет наличие свободной воды в жидком состоянии. Венера для этого слишком жаркая, а Марс слишком холоден, так что в нашей Солнечной системе лишь одна планета находится в жизненной зоне – Земля. Большое значение могла иметь и Луна. Приливно – отливные явления способны повлиять на зарождение жизни, заставляя то наполняться, то высыхать водоемы, приводя к образованию «первичного бульона» нужной концентрации.

Неведомую пока роль в становлении жизни могли сыграть большие внешние планеты, особенно Юпитер, отводя идущие к внутренним планетам астероиды или кометы. Такой «громоотвод» защитил Землю от нежелательных воздействий, которые могли замедлить или даже прервать ход жизни.

4. Какова доля благоприятно расположенных планет, где действительно зародилась жизнь?

Оценка данного множителя делит людей на пессимистов и оптимистов. Некоторые, например Нобелевский лауреат бельгийский биохимик Кристиан Де Дюва, полагают, что при достаточном количестве углерода и воды в жидком состоянии, соответствующей температуре и достаточном сроке зарожсдение жизни неизбежно. Другие приводят массу примеров всевозможных тонкостей в устройстве даже одноклеточного организма и говорят, что жизнь – крайне редкое событие, возможно, даже единственное в своем роде. Ученые расходятся в оценках данного множителя. Некоторые вообще сомневаются в целесообразности подобного подхода ввиду столь больших разногласий. И все же в отсутствие свидетельств это лишь предположение, которое не стоит воспринимать слишком уж всерьез.

5. Какова доля форм жизни, приведших к возникновению разума?

На Земле многие виды выказывают разумное поведение, порой это относится и к людям. Поскольку разум показывает незаурядную способность к выживанию, то, пожалуй, при достаточном сроке он может развиться у многих форм жизни.

6. Какова доля разумных форм жизни, способных создать технические средства для передачи поддающихся обнаружению сигналов?

И люди, и дельфины представляют разумные формы жизни на Земле, но только разработанные человеком технические средства издают поддающиеся обнаружению сигналы, так что для данной оценки обычно берут величину от 0,05 до 0,5.

7. В течение скольких лет разумная цивилизация передает в космос поддающиеся обнаружению сигналы?

Данная оценка может служить очередным пробным камнем для выявления оптимистов и пессимистов.

Оптимисту видится цивилизация в миллионы лет, тогда как пессимист, глядя на нашу цивилизацию, говорит о близком конце. Не забывайте, что уравнение Дрейка составлялось для радиоастрономии. Цивилизация могла оставить радиопозывные, создав более действенные средства, или же вообще забросить радио, найдя более интересные занятия. Что касается нас, мы стали передавать радиопозывные чуть более 100 лет назад, так что самые ранние из этих посланий углубились в космос на расстояние 100 световых лет.

Перемножение всех этих сомножителей дает оценку общего числа «сообщающихся» цивилизаций в галактике Млечный Путь, которая колеблется от миллиардов (у оптимистов) до одной – нашей с вами. У Дрейка эта величина составляла 10 тыс. Современные оценки часто сводятся к числу «сообщающихся» цивилизаций, примерно равному количеству лет, в течение которых цивилизация передает поддающиеся обнаружению сигналы.

Некоторые считают, что уравнение Дрейка – лишь краткое выражение нашего неведения, однако полезно поразмышлять над каждым из сомножителей. К тому же уравнение позволяет получить еще одну оценку: среднего расстояния между «сообщающимися» цивилизациями. При всех пессимистичных или оптимистичных оценках семи перечисленных сомножителей среднее расстояние между «сообщающимися» цивилизациями в галактике Млечный Путь составляет от сотен до тысяч световых лет. Если путешествие света от одной цивилизации к другой займет несколько сотен лет, то связь между ними займет больше времени, чем выход скрипучих старых модемов в Интернет, если вы еще это помните. И все же для насчитывающей миллионы лет технически развитой, ширящейся цивилизации с ее стремлением заселить Галактику путешествие в тысячу лет к новому миру – не такое уж и безрассудство.

С учетом того, что Солнечная система существует лишь последнюю треть жизни Галактики, многие звезды имеют довольно большую фору. Возможно, там уже достигли нужного технического уровня развития и принялись заселять Галактику. Принимая в расчет размеры Галактики и допустимую скорость тамошних космических кораблей, вполне вероятно, что подобный план можно было бы осуществить за 2 млн. лет. Такой срок велик в отношении жизни отдельного человека, но мал по сравнению с возрастом Галактики. Иначе говоря, технически передовые цивилизации вполне могли бы заселить Галактику в духе «звездного пути», «звездных войн» или иных научно-фантастических произведений.

В 1950 году ученые трудились в Лос-Аламосе над созданием водородной бомбы. Тон их застольным беседам часто задавал Энрико Ферми своими каверзными вопросами. Размышляя над временем, отпущенным инопланетянам на заселение Галактики, Ферми заметил: «Вы никогда не задумывались, где все они находятся?» Вопрос впоследствии стал звучать иначе: «Где они?» – и получил название парадокса Ферми. Любой теории о внеземной жизни приходится иметь дело с этим простым, но веским доводом.

Экспериментальные поиски

Об оценках, необходимых для решения уравнения Дрейка, физик Филип Моррисон заметил: «Неправильная постановка вопроса. На самом деле вопрос таков: надо ли нам что-то предпринимать для уяснения существа дела?.. А уяснение требует практических шагов».

Первые практические шаги в этом направлении предпринял не кто иной, как Фрэнк Дрейк. Ежедневно в течение шести часов с апреля по июль 1960 года 25 —метровая параболическая антенна Национальной радиоастрономической обсерватории на частоте 1420 МГц наблюдала за двумя звездами примерно одного возраста с нашим Солнцем. Сигналы со звезд Tay Кита и Эпсилон Эридана оказывались радиопомехами, и лишь однажды донеслись некие послания, но это были сигналы с секретного военного объекта. Проект «Озма», названный по имени королевы Оз придуманной американским писателем Лайменом Фрэнком Баумом (1856–1919) страны с «удивительными и необычными существами» [более известной у нас по пересказам писателя Волкова («Волшебник Изумрудного города»)], не дал положительных результатов, но начало поиску внеземного разума было положено.

Для прослушивания внеземных сообщений и даже отправки собственных, в случае если «там» нас прослушивают, был разработан ряд других проектов. Самый крупный под названием SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence – «Поиск внеземного разума») начался в 1984 году. (Для более подробного ознакомления см. узел Всемирной Паутины www.seti.org .) Фильм «Контакт», снятый по роману астронома Карла Сагана, довольно точно воспроизводит многие стороны проекта SETI, где Джоди Фостер играет героиню, во многом похожую на Джилл Корнер Тарнер, соучредителя SETI (см. очерк о ней «An Ear to the Stars» в ноябрьском номере журнала Scientific American, 2002). Естественно, голливудские поиски оказываются более удачными по сравнению с действительностью.

Другие направления связаны с поиском оптических сигналов от лазеров [36]36
  Поиску подлежат видимые или инфракрасные сигналы (пульсирующие или постоянные) со сверхузкими спектральными линиями, то есть сигналы, источниками которые, скорее всего, являются лазеры или аналогичная инопланетная техника.


[Закрыть]и проектом SERENDIP [37]37
  Обыгрывание слова serendipity, означающего «везение на счастливые находки» и вошедшего в английский язык с легкой руки писателя XVIII века, родоначальника жанра «готического романа» Горация Уолпола (1717–1797) после его знакомства с персидской сказкой «Три царевича из Серендипа», в которой героям необыкновенно везло на неожиданные открытия. Серендиб, как называли Цейлон арабы, представляет собой искаженное заимствование от санскритского составного слова суварнавипа («золотой остров»).


[Закрыть](«Поиск внеземных радиосигналов от близлежащих развитых разумных миров»), поддержанным писателем – фантастом Артуром Кларком.

Недавно вышедшие книги и статьи на эту тему:

Shostak S. Sharing the Universe: Perspectives on Extraterrestrial life. Berkeley Hills Books, 1998;

McDonald K. Life in Outer Space: The Search for Extraterrestrials, Raintree/Steck– Vaughn, 2000;

Hazen R. M. Why Aren't black Holes Black? Anchor, 1997;

Crawford I. Where They Are? // Scientific American. 2000. July;

Greenwald J. Who's Out There? // Discover. 1999. April;

Davies P. Are We Alone? Basic Books, 1996.

Если вы пожелаете участвовать в проекте SETI, можете загрузить в свой компьютер программу, которая будет получать данные через Интернет и обрабатывать их на вашем компьютере, когда он будет находиться в режиме ожидания с появлением заставки, отображать сигналы и посылать их обратно SETI. Для получения программы обращайтесь на сайт по адресу: http://setiathome . ssl. berkeley. edu/download.html.

Но есть еще одна будоражащая воображение возможность: жизнь на основе темной материи (темной энергии). Ввиду отсутствия взаимодействия темной материи (темной энергии) и обычного вещества (обычной энергии) мы не можем воспринимать их, как и они нас. А если учесть преобладание темной энергии (темной материи) над обычным веществом, то основанные на них формы жизни могут оказаться столь огромными по величине или по численности, что мы окажемся букашками, совершенно неведомыми истинным формам жизни Вселенной или не замечаемыми ими.

5. Аминокислоты

Аминокислоты состоят из углерода (обозначаемого альфа-углерод) и связанных с ним четырех групп (рис. I.3). Группы таковы: карбоксильная (СОО-), представляющая собой кислоту; аминогруппа (H 3N) – основание; водород (Н) и обозначаемая знаком R группа – боковая цепь, своя для каждой аминокислоты.

При ковалентной связи углерода карбоксильной группы аминокислоты с азотом аминогруппы другой аминокислоты выделяется молекула воды и образуется пептидная связь. Белковые молекулы состоят из большой цепи аминокислот, соединенных пептидной связью.

Рис. I.3. Молекулярное строение аминокислоты

В пищеварительной системе животных аминокислоты выделяются при переваривании белковых молекул, после чего кровотоком доставляются к клеткам организма, где повторно используются. Аминокислоты идут на «сборку» белков в соответствии с «чертежом», хранящимся в клеточной ДНК и претворяемым в жизнь РНК при содействии белковых катализаторов (ферментов). Таким образом, большинство необходимых организму аминокислот можно собрать из имеющихся в нем аминокислот. Это так называемые заменимые аминокислоты. Те же, которые должны поступать с пищей, относятся к незаменимым аминокислотам.

Более 100 аминокислот встречаются у растений и бактерий, у животных же их 20. В приведенной таблице даны названия, принятые сокращенные обозначения и химические формулы (линейная запись) 20 аминокислот животных.

Источник: http://chemistry.about.com/library/weekly/aa080801 a.htm

6. Построение модели ДНК

Крайне малые размеры ДНК не позволяют увидеть ее. Вот почему для некоторых она предстает сугубо отвлеченным понятием, а не действительно существующей молекулой. Лучшему пониманию ДНК может помочь собственноручная сборка ее физической модели.

Детские конструкторы прекрасно подходят для сборки моделей молекул, включая ДНК. Один из авторов этой книги (Артур Уиггинз) воспользовался набором конструктора K'NEX для сборки модели ДНК, которую на рис. I.4 держат в руках дети, помогавшие ему в этом деле.

Рис. I.4. Модель ДНК, которую держат в руках Рей, Мелисса и Тим Ноу (внуки А. У. Уиггинза)

Данная модель собрана на основе набора K'NEX 32 Model Building Set в коробке Blue Value Tub (34006), который можно приобрести за 30 или 40 долларов (см. www.knex.com ). Руководство по сборке молекулы ДНК можно посмотреть на узле Всемирной Паутины .biomath.mssm.edu/knex/dna.models.knex.html http://c3

По завершении работы вы получите часть молекулы ДНК, содержащую 48 пар оснований. В длину она составит около 1 м.

Получившаяся модель немного отличается от настоящей ДНК. В модели каждый синий стержень находится под углом 20° к предыдущему стержню, тогда как водородные связи в настоящей ДНК параллельны в пределах 6°. Однако модель показывает отдельные повороты спирали, большую и маленькую бороздки и парные основания А – Т и Ц – Г Уотсона – Крика.

При сборке данной модели вы сможете увидеть действие lac-оперона по расщеплению двух нитей ДНК в ходе репликации и работу рестрикционных ферментов, разрезающих ДНК в определенных местах благодаря «подгонке» этих ферментов к молекулам.