11046 (567492), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Рассмотрим ключевые, концептуальные положения, сгруппировав их в три больших класса, сообразно масштабу объектов и рассматриваемых процессов: микро-, макро- и мега-.

1. Микрофизика. Основными предметами этого раздела естествознания являются элементарные частицы, фундаментальные физические поля, пространство-время и их взаимодействия. Синонимом микрофизики являются «физика высоких энергий» или «физика элементарных частиц». После открытий Бора, Резерфорда, Эйнштейна и др. квантовая механика продолжала развиваться и к середине 30-х годов 20-го века выросла в мощную, сильную математизированную теорию микромира.

Было открыто множество «элементарных» частиц и реакций между ними, в результате которых они превращались друг в друга или рождали новые, неизвестные до той поры частицы.

Помимо гравитационного и электромагнитного полей, которые безуспешно пытался объединить в рамках одной теории Эйнштейн, обнаружились еще два фундаментальных физических поля: ядерное (сильное) и слабое, которые по своим свойствам отличались от двух предыдущих. Были открыты ядерные реакции, приводившие к синтезу или распаду ядер на более мелкие осколки, увеличению или уменьшению их электрического заряда на один или два элементарных. Т.е. открылась новая отрасль науки - ядерная химия. Фактически на новом витке развития науки осуществилась вековая мечта полузабытых алхимиков о превращении одного химического элемента в другой. Несколько хорошо оснащенных лабораторий мира продолжают «удлинять» таблицу Менделеева в сторону с большим атомным номером. В природе не существует элементов тяжелее урана, т.к. они нестабильны и относительно быстро распадаются, если их даже получить искусственно путем ядерной реакции. Причем, чем дальше они отстоят в таблице Менделеева от урана, тем период полураспада делается меньше, уменьшаясь до малых долей секунды. Но в области атомных номеров 114-116 (уран имеет атомный номер 92) теория предсказывает «остров стабильности», где могут существовать химические элементы с совершенно удивительными свойствами. Первые атомы с такими высокими элементами уже в 21 веке получили российские ученые из Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубна. Росло и число вновь открываемых «элементарных» частиц.

Современные справочники содержат сейчас уже около 400 таких частиц (вместе с античастицами, у которых все свойства, кроме электрического заряда тождественны соответствующим частицам). По всеобщему мнению - это слишком много для того чтобы, образовывать основу, фундамент нашего мира. Да и большинство из них не являются в буквальном смысле «элементарными«, т.е. не состоящими из более мелких частиц. Напротив, о многих из них известно, что в их составе имеются более мелкие образования. Таковы, например, основные частицы атомного ядра - нейтроны, протоны, пи-мезоны. Сейчас твердо установлено, что они состоят из трех (первые две) или двух (пи-мезоны) частиц, получивших название «кварки». Есть подозрения, что и кварки могут оказаться не вполне элементарными. До каких же пор ученые будут разбирать эту «матрешку» природы? На это никто пока не может дать ответа. Проблема установления полного набора истинно элементарных частиц во Вселенной - одна из наиболее принципиальных нерешенных в современной науке (в физике элементарных частиц она называется проблемой «спектра масс» ).

2. Макрофизика. Это наиболее обширная, “густо заселенная” учеными и наиболее понятная публике область естествознания. Поскольку она стоит ближе к практике, чем многие другие направления фундаментальной науки, ей больше уделяют внимание общественность, пресса и органы, финансирующие исследования. Однако идеологическая нагрузка этого большого раздела современной науки не так велика, как ее количественные характеристики. Поэтому остановимся лишь на тех проблемах, которые имеют очевидный междисциплинарный или мировоззренческий характер.

2.1. Системы с малой и дробной размерностью. В обычной жизни мы привыкли к трехмерным, евклидовым объектам, имеющим три измерения и простую форму (сфера, куб, призма, параллелепипед, конус и т.д.). Однако в природе существуют и такие объекты, которые характеризуются меньшим числом измерений. Так, например, тонкие пленки или поверхностные слои атомов жидкости, твердого тела или границ между ними являются квазидвумерными системами. После создания так называемых “планарных” технологий изготовления современной полупроводниковой техники внимание к ним сильно возросло. Выяснилось, что свойства таких объектов могут радикально отличаться от таковых в объемных трехмерных телах, составленных из тех же атомов. Можно себе представить и квазиодномерные объекты в виде тонкой нити, для которых существенной является только одна координата - вдоль длины (таковы, например, органические полимерные молекулы, из которых состоит все живое и мы с вами). Физика низкоразмерных систем выделилась в самостоятельную интересную дисциплину, а ее приложения уже сейчас дали много очень полезных результатов.

В отличие от человека, который создает искусственно в основном предметы с целым числом размерностей, природа более изощрена и часто порождает объекты с дробной или, как еще говорят, фрактальной размерностью, т.е. не целым числом, например, 1, 2 или 3, а имеющими значение между единицей и двойкой, или двойкой и тройкой. Таковы с точки зрения геометрии контуры облаков, деревьев, береговых линий морского побережья, снежинок и много другого. Введение в широкий научный оборот понятия фрактала дает возможность посмотреть на окружающий мир под новым углом зрения, найти в нем некоторые новые “универсалии”, обобщения. Например, рассматривая кучевые или пористые облака на небе, скорее всего, вы не найдете и двух похожих друг на друга по своей геометрии. Но оказывается, что фрактальные размерности облаков определенного типа (или, скажем, деревьев определенного вида в лесу) есть величина неизменная для них и характеризующая их всего одним числом. Это позволяет сильно “свертывать “ информацию об объекте, если его потом нужно просто распознавать и классифицировать, а не изучать в мельчайших подробностях.

Генетика (от греческого - происхождение, рождение).

Генетика - важнейшая и сейчас ведущая часть современных биологических знаний. Она охватывает широкий круг явлений наследственности и изменчивости всех живых организмов, начиная с фагов и вирусов и заканчивая человеком. Генетика ставит своей задачей не только изучение механизмов наследственности и изменчивости, но и сознательное управление ими с целью выведения новых организмов, лечения болезней и направление развития в желательную сторону.

Генетика прошла в своем развитии несколько этапов. Австрийский монах Г. Мендель, скрещивая разные сорта гороха, открыл в середине 19 века феноменологические законы наследственности. А. Вейсман показал в конце 19-го века, что половые клетки обособлены от остального организма и не подвержены влияниям, действующим на соматические клетки. Голландец Гуго де Фриз в начале 20-го века открыл существование наследственных мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Мутации - это своеобразные опечатки, возникающие под действием естественных флуктуаций и внешних причин (химических, радиационных) в переиздающейся программе жизни следующего поколения. В результате мутаций наследственные признаки не являются постоянными, а могут скачкообразно изменяться, меняя в конечном итоге свойства белков, синтезируемых организмом.

Российские ученые до начала 40-х годов занимали ведущие позиции в генетике (Н.Кольцов, Н.Тимофеев-Ресовский, В.Сахаров, И.Раппопорт, Н.Дубинин, Н.Вавилов и др.). Однако политические репрессии и известная сессия ВАСХНИЛ, проведенная под идеологическим руководством “народного академика” Лысенко в 1948 году, надолго отбросила российскую генетику в положение догоняющей.

По своей значимости открытие законов наследственности и ее молекулярных механизмов стоит в одном ряду с самыми выдающимися достижениями естествознания. Началась новая эра в биологии, связанная с бурным развитием молекулярной биологии, т.е. рассмотрением основ жизни на молекулярном уровне.

Каковы же ее успехи, перспективы, проблемы? После того как было твердо установлено, что основной функцией ДНК является кодирование будущего синтеза белков, и эта информация заключена в определенной последовательности всего четырех букв, роль которых выполняют азотные основания (гуанин, аденин, тимин и цитазин) - открылись принципиальные возможности сознательного управления наследственностью. Однако до практической реализации этой идеи в полном объеме - путь не близкий. Конечно, уже сейчас методами генной инженерии созданы десятки новых штаммов полезных микроорганизмов, сортов высокоурожайных растений и т. д. Однако для работы не вслепую, а по “чертежам”, необходимо выяснить не только генотип каждого организма, с которым начинается работа, т. е. последовательность всех “букв” длинного текста - генов, но и их конкретные функции. Учитывая, что молекула ДНК - это практически самая большая молекула в организме (да и в природе вообще), даже при наличии очень производительной техники анализа требуются многие годы, чтобы проделать секвенирование (от латинского – «последовательность», т. е. установление последовательности генов в конкретной молекуле ДНК) даже для простейших организмов.

Нет сомнения, что все сложные научные проблемы будут решены в ближайшие годы, но уже сейчас возникли небывалые юридические и морально-этические вопросы. Вправе ли мы так сильно вмешиваться в природу живого, тем более человека? Можем ли мы представить и потом управлять всеми последствиями, выпуская этого джина из бутылки? Где проходит граница между правами индивидуума на тайну личной жизни и интересами общества? Список подобных вопросов очень велик. Они составляют предмет возникших совсем недавно дисциплин - биоэтика и биоправо, которые пытаются пытаются выработать моральные и юридические нормы поведения человека, разрешения конфликтов, ограничений в новых условиях. Важно, чтобы их разработка и принятие обществом не отставали от научно-технических возможностей.

Самоорганизация. Возможно, одна из самых захватывающих и масштабных доктрин, оформившихся в науке конца 20-го века – это концепция самоорганизации, под которой понимают самопроизвольное установление порядка (без участия внешних организующих воздействий) в неравновесных диссипативных системах. Первые систематические исследования в этой области провел выходец из России И.Пригожин в 60-е годы (Нобелевская премия в 1977 г.). Впоследствии направление в науке, которое изучает пространственно-временное упорядочение, стали называть по предложению Г.Хакена синергетикой (от греческого слова совместный, согласно действующий). На первый взгляд, сама возможность самоорганизации (а, следовательно, повышения порядка в системе с соответствующим понижением энтропии) как будто бы противоречит второму началу термодинамики. Однако классическая термодинамика была создана (и до сих пор справедлива) для описания равновесных или близких к равновесию систем. Кроме того, второе начало справедливо только для замкнутых систем (т. е. не обменивающихся ничем с окружающей средой). Множество объектов и систем в природе не являются ни равновесными, ни замкнутыми (а строго говоря – все до одной!), так что классическую термодинамику следует рассматривать как первое приближение, имеющее ограниченную область применимости.

Действительно, эволюционные процессы в биологии (как на уровне отдельного организма от момента его зарождения - филогенез, так и на уровне биосферы в целом - онтогенез) идут в направлении от простого - к сложному, от беспорядка – к большему порядку, т. е. в видимом противоречии с законом роста энтропии. Но с другой стороны, ни один живой организм и не является замкнутой системой по определению. Напротив, пока он жив, он участвует в обмене веществом, энергией, информацией с окружающей средой. Таким образом, для описания живого нужна неравновесная термодинамика открытых систем, исключающая необходимость мифических витальных сил.

Она была создана в последней трети 20-го века усилиями многих ученых. Если провести границы достаточно далеко от нашей открытой системы, то внутри этой большой области беспорядок все равно будет нарастать, и второе начало термодинамики остается в полном здравии. При значительном падении энтропии в системе в ней могут спонтанно (самопроизвольно) образовываться упорядоченные структуры, что и называется самоорганизацией.

Теория самоорганизации, родившаяся первоначально из рассмотрения проблем неравновесной термодинамики и конкретных задач гидродинамики, нелинейной оптики, кибернетики и т. д. впоследствии оказала громадное влияние на развитие современной физики, химии, биологии, наук о Земле, экономики, социальных и политических наук. Так, например, внедрение идей самоорганизации в теорию биологической эволюции снимает многие трудности, существовавшие в дарвинизме: отсутствие промежуточных форм между видами, крайне низкую скорость эволюции путем случайных мутаций и последующего естественного отбора и т. д.

С точки зрения математической, вовлечение в научный оборот концепции самоорганизации означает переход от линейных моделей (и уравнений) к нелинейным. Современная, очень развитая математика, умеет решать, главным образом, только линейные задачи. Они являются основой детерминистического подхода в науке, заложенного Галилеем и Ньютоном. Однако в свете достижений науки 20-го века следует признать, что мышление в линейном приближении не является адекватным по отношению к природным процессам. Множество явлений не могут быть описаны в рамках линейных моделей (бифуркации, катастрофы, динамический хаос и т. д.) Нелинейные же системы могут обладать крайне высокой чувствительностью к всегда имеющимся флуктуациям в природе (или ничтожным вариациям данных в математической модели). В результате становится невозможным предсказать состояние таких систем через некоторое время даже при наличие всех исходных данных. Таким образом, концепция детерминизма в природе за сто лет после создания статистической физики подверглась большим деформациям и ревизиям в третий раз (с учетом появившихся в начале 20-го века квантовомеханических представлений о причинности). Синергетику в ее нынешнем состоянии можно рассматривать, по мнению одного из ее создателей Хакена, как попытку обобщения дарвинизма, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.

Творчество в любой сфере, будь то наука, искусство, производство, можно рассматривать как «антиэнтропийную акцию», понижающую хаос в духовном или материальном окружении человека. Имея это ввиду, один из создателей кибернетики Н.Винер как-то сказал: «В этом мире наша новейшая обязанность состоит в том, чтобы устраивать произвольные островки порядка и системы».

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)