Артур Уиггинс - Пять нерешенных проблем науки

• Название: Пять нерешенных проблем науки
• Автор: Артур Уиггинс
• Издательство: ФАИР- ПРЕСС
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2005
• ISBN: 5-8183-0843-Х (рус.) 0-471-26808-9 (англ.)

Американские ученые Артур Уиггинс и Чарлз Уинн просто, подробно и с юмором рассказывают о крупнейших проблемах науки, над решением которых бьются ученые всего мира.

Астрономия. Почему Вселенная расширяется, а скорость расширения постоянно возрастает?

Физика. Почему одни частицы обладают массой, а другие — нет?

Химия. Какие химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?

Биология. Каково полное устройство и предназначение протеома?

Геология. Возможен ли точный долговременный прогноз погоды?

Авторы знакомят с событиями, поставившими данные проблемы, обсуждают существующие теории, среди которых теории струн, хаоса, генома человека и укладки белков, дают возможность читателям принять участие в размышлениях над предложенными идеями.

Книга рассказывает о крупнейших проблемах астрономии, физики, химии, биологии и геологии, над которыми сейчас работают ученые. Авторы рассматривают открытия, приведшие к этим проблемам, знакомят с работой по их решению, обсуждают новые теории, в том числе теории струн, хаоса, генома человека и укладки белков. Для широкого круга читателей.

Рисунки Сидни Харриса

---

Крупнейший ускоритель в CERN'e, электрон-позитронный коллайдер (LEP) имел самую длинную в мире траекторию разгона пучка 27 км. LEP теперь в прошлом; его тоннель переоборудуется для использования уже в качестве большого адронного коллайдера (LHC), где протоны будут сталкиваться с протонами при энергии 7 ТэВ. Со вступлением в строй в 2005 году он станет крупнейшим в мире.

Для более подробного ознакомления с LHC см. узел Всемирной Паутины http://lhc-new- homepage. web. cern. ch/lhc-new-homepage/.

Некоторые теоретики считают, что новый LHC сможет создавать крохотные черные дыры со скоростью одной такой дыры в секунду, называя его производителем черных дыр. Эти черные дыры будут исчезать в течение долей секунды, но при этом возможно возникновение всеми разыскиваемой частицы — бозона Хиггса, о которой шла речь в гл. 2. По словам сотрудника Мэрилендского университета Грегори Ландсберга, все это вполне может случиться «за один час работы» в «черных дырах на большом адронном коллайдере» (S. Dimopoulos, G. Landsberg, Physical Review Letters 87 (2001): 161602).

Узлы Всемирной Паутины:

www.aip.org/history/lawrence/first.htm; www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/early-years.html

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 (SiH4). Химическое взаимодействие кремния с кислородом тоже роднит их (СO2 и SiO2), но наблюдается и существенное различие. Двуокись кремния образует трехмерную решетку, ее крепкие связи делают SiO2 твердым (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.