Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные концепции естествознания. Учебное пособие
.pdf
71
ми сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки. Наконец, с помощью промежуточных векторных бозонов осуществляются слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. В настоящее время считают, что все силы в природе сводятся к этим четырем фундаментальным взаимодействиям и их комбинациям.
Одним из самых ярких достижений физики XX в. стало доказательство
того, что при более высоких энергиях, или температурах, эти четыре взаимодействия объединяются в одно. В частности, эксперименты, выполненные в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРНе) в Женеве, показали,
что электромагнитные и слабые взаимодействия объединяются в единое электрослабое взаимодействие при энергиях, превышающих 100 млрд электронвольт
(100 ГэВ). Такая энергия соответствует температуре, которую имела Вселенная
через 10
-10
с после Большого взрыва. Это выше комнатной температуры более
чем в 4 трлн раз. Открытие, сделанное в ЦЕРНе, породило надежды на то, что
сильные взаимодействия объединяются с электрослабыми при энергиях порядка 1015 ГэВ, как утверждается в некоторых вариантах Теорий Великого Объединения (ТВО), и что при энергиях 1019 ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединятся гравитационные силы, «образуя» ТВС.
Энергии, при которых возможна проверка предсказаний ТВО и ТВС,
огромны по сравнению с теми, которые доступны на действующих ускорителях. Самый большой ускоритель в мире — Tevatron в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми — имеет длину окружности 4 км. На нем
достигаются энергии 2000 ГэВ. Если строить аналогичный ускоритель для проверки предсказаний ТВО, то он простирался бы до ближайших звезд, а ускоритель для проверки ТВС — до центра Галактики. Сооружение таких установок
выходит за пределы самого «оптимистического» бюджета, выделяемого на развитие науки. Этот простой факт стимулировал попытки использовать космологические наблюдения для проверки выводов теории элементарных частиц.
Поток информации пошел и с другой стороны: ускорители стали применять для проверки космологических теорий. Мы интересуемся теми предсказаниями космологии, которые имеют отношение к установлению ограничений на
число фундаментальных частиц.
Полагают, что существует 12 таких частиц, которым соответствует столько же античастиц. Шесть из них — это кварки, которые носят эксцентричные
имена «верхний» (и), «нижний» (d), «очарованный» (с), «странный» (s),
«истинный» (t) и «прелестный» (b). Все кварки, кроме «истинного», открыты
экспериментально. Предположение о его существовании поддерживается сильными теоретическими аргументами, хотя экспериментальных подтверждений
72
пока нет. Шесть остальных фундаментальных частиц являются лептонами.
Это — электрон, мюон, тау-частица и три соответствующих им нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино.
Все 12 фундаментальных частиц группируются в три поколения, каждое
из которых состоит из четырех членов. В первое поколение входят и-и
d-кварки, электрон и электронное нейтрино. Второе поколение состоит из с- и
s-кварков, мюона и мюонного нейтрино. Кварки t и b вместе с тау-лептоном и
тау-нейтрино образуют третье поколение. Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Например, протон состоит из двух d-кварков, несущих
2/3 элементарного электрического заряда, и одного d-кварка с отрицательным
зарядом 1/3. Нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка. Каждый
атом представляет собой тяжелое ядро из сильно связанных протонов и нейтронов, которое окружено электронным «облаком».
Поскольку обычное вещество построено из частиц первого поколения,
одной из тайн современной физики элементарных частиц является загадка: почему существуют другие поколения и сколько их всего? Как будут обнаруживаться все новые частицы, то можно ожидать безудержного размножения числа
поколений. В действительности ТВО почти ничего не говорят о числе поколений. Например, первый вариант ТВО, получивший распространение в середине
70-х гг., допускает произвольное число поколений.
Однако есть серьезный аргумент в пользу того, что должно насчитываться по меньшей мере три поколения частиц. Японские физики М. Кобаяси из
Лаборатории протонного ускорителя КЕК и Т. Маскава из Токийского университета, что асимметрия между веществом и антивеществом, обнаруженная экспериментально в 1964 г. В. Фитчем из Принстонского университета и
Дж. Крониным из Чикагского университета, может быть объяснена только в
том случае, когда число поколений фундаментальных частиц превышает три.
Асимметрия дает также объяснение тому, что во Вселенной имеется избыток
вещества по сравнению с антивеществом, благодаря чему вещество сохранилось до наших дней. Существование по меньшей мере трех поколений оказывается не совсем «бесполезным».
Ученые пытаются узнать, сколько поколений кварков и лептонов существует в природе. Если эти частицы являются основными «кирпичиками» природы, то имеет смысл познакомиться со всем ее «строительным ассортиментом». Если окажется, что число поколений не ограничено, то возникает вопрос,
действительно ли кварки и лептоны являются фундаментальными объектами?
Возможно, они состоят из еще меньших компонентов, так же как атомы — из
протонов, нейтронов и электронов.
73
Сейчас ясно, что ответ на вопрос о числе поколений кварков и лептонов с
тем же успехом может быть получен из космологии. Космологические теории
позволяют сделать вывод о конечности числа поколений элементарных частиц
и, более того, ограничивают это число узкими пределами: тремя или в крайнем
случае четырьмя поколениями. Ограничение на число поколений основано на
данных, собранных при наблюдениях за результатами величайшего ускорительного «эксперимента», который когда-либо проводился. Под экспериментом
следует здесь подразумевать Большой взрыв. Модель Большого взрыва (стандартная космологическая модель) в 50-х и начале 60-х гг. была одной из двух
соперничающих теорий, широко тогда обсуждавшихся. Другой моделью была
теория стационарной Вселенной. Обе модели были разработаны для объяснения расширения Вселенной, открытого Э. Хабблом в 1929 г. В модели Большого взрыва утверждается, что когда-то Вселенная была чрезвычайно горячей и
плотной, но затем стала расширяться, становилась более разреженной и остывала. Согласно теории стационарной Вселенной, вещество рождается постоянно,
так что при расширении Вселенной, плотность вещества остается неизменной.
В 60-е годы модель Большого взрыва получила поддержку благодаря ряду данных наблюдений и к 70-м гг. вышла победителем. Наибольшую известность в то время получило открытие А. Пензиаса и Р. Вильсона, принесшее им
Нобелевскую премию. Если модель Большого взрыва верна, то когда-то Вселенная должна была быть настолько плотной и горячей, что вещество породило
тепловое излучение с характерным спектром. Однако, согласно теории стационарной Вселенной, плотность вещества всегда была такой же, как сейчас, так
что Вселенная никогда не существовала в плотном горячем состоянии. Поэтому
теплового излучения быть не должно. В 1965 г. Пензиас и Вильсон открыли
микроволновое фоновое (реликтовое) излучение, существование и свойства которого согласуются со сценарием плотной горячей Вселенной в модели Большого Взрыва.
Наиболее сильную поддержку эта модель получила при исследованиях
первичного нуклеосинтеза. Чтобы из протонов и нейтронов «слепить» множество элементов, нужны температуры, превышающие комнатную примерно в
100 млн раз. Такие температуры могли быть через 1 с после Большого взрыва.
Измеряя относительную космическую распространенность химических элементов, можно восстановить условия, существовавшие во Вселенной в то невообразимо далекое время. Для сравнения: микроволновое фоновое излучение дает
информацию об эпохе примерно через 100 тыс. лет после рождения Вселенной,
когда фотоны в последний раз взаимодействовали с веществом при температурах порядка 3000 К, что превышает комнатную температуру всего в 10 раз.
74
Детали первичного нуклеосинтеза мы обсудим ниже, так как они не только подтверждают сам факт Большого Взрыва, но и выявляют связи с физикой
элементарных частиц. Сначала отметим, что в теории первичного нуклеосинтеза предсказывается степень распространенности нескольких легких элементов и
их изотопов, включая гелий-3, гелий-4, дейтрон (ядро дейтерия — тяжелого
изотопа водорода) и литий-7. Предсказанные величины охватывают область
значений, различающихся между собой на 10 порядков величины. Судя по всему, наблюдения подтверждают эти предсказания количественно.
Впечатляющее согласие между теоретическими предсказаниями о нуклеосинтезе в модели Большого Взрыва и астрономическими данными наблюдений по распространенности легких элементов приводит к неожиданному результату. Соответствие между теорией и данными наблюдений достигается для
таких значений плотности протонов и нейтронов, которые полностью соответствуют значениям их плотности, полученным при исследованиях динамики
светящегося (видимого) вещества во Вселенной. Предсказания, основанные на
представлениях об эволюции Вселенной в течение первых 1000 с после Большого Взрыва, согласуются с наблюдениями, выполненными примерно
10 млрд лет спустя.
Физики теперь могут количественно описать поведение Вселенной в эпоху нуклеосинтеза при Большом взрыве. Такое понимание деталей происходивших процессов необходимо при попытках заглянуть в еще более раннюю эпоху,
которая описывается в Теории Великого Объединения (ТВО) и Теории Всего
Сущего (ТВС).
Выводы:
1. Физика элементарных частиц и космология тесно взаимосвязаны.
2. Астрономия, благодаря физике элементарных частиц, эксперименталь-
ной наукой.
3. В космологии теоретические идеи стали проверяться в лабораторных
условиях.
4. Модель Большого Взрыва получила поддержку, благодаря физике эле-
ментарных частиц.
5. Успехи физики элементарных частиц позволяют создать картину эво-
люции Вселенной после Большого взрыва.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Какие четыре силы ответственны за все известные взаимодействия
элементарных частиц?
2. Какие факты Вы можете привести в пользу соответствия представле-
ний о Большом Взрыве наблюдениям, выполненным в астрономии?
75
ГЛАВА 7. СИММЕТРИЯ ВСЕЛЕННОЙ
В 1848 г. Пастер Луи, исследуя под микроскопом одну из солей винной
кислоты, обнаружил, что она существует в виде кристаллов двух типов, каждый
из которых является зеркальным отображением другого. Он отделил эти два
типа кристаллов друг от друга, растворил их в воде. Пропустив луч света через
оба раствора, Пастер к своему большому удивлению, обнаружил, что один из
растворов вращает плоскость поляризации света по часовой стрелке, а другой в
обратном направлении. Пастер высказал положение, что соли винной кислоты
могут существовать в двух различных формах, которые условно можно назвать
«правая» и «левая». (Как руки у человека, так и соли винной кислоты обладают
зеркальной симметрией.)
Продолжив свои исследования, Пастер прошел к другому замечательному
открытию, сделанному им в 1857 г. Он обнаружил, что в лабораторной чашке с
оптически неактивным (т. е. не вращающим плоскость поляризации света) раствором выросла плесень. Пастер проверил его оптическую активность, оказалось, что этот раствор вращал плоскость поляризации света. Микроорганизмы
превратили оптически неактивный раствор в активный.
На основе развитой им молекулярной теории, Пастер сделал вывод, что
первоначальный раствор был оптически неактивным, потому, что содержал
равное количество правых и левых молекул. А плесень изменила равновесие
молекул двух типов, и стала преобладать молекула одного типа. Эта диспропорция и породила оптическую активность раствора. Из этого Пастер заключил, что химические процессы в живых организмах не обладают зеркальной
симметрией, и что в них доминируют либо «левые» молекулы, либо «правые».
Пастер стал рассматривать зеркальную асимметрию как самое яркое различие между живой и неживой материей, и в конечном итоге провозгласил ее
основополагающим принципом природы, значение которого выходит за рамки
химии живого вещества. «Жизнь, какова она предстает перед нами, — писал
Пастер, — является функцией асимметрии Вселенной и следствием этого фактора». Позже Пастер во французской академии наук высказал великую догадку:
«Вселенная асимметрична».
Догадка оказалась верной до такой степени, что нынче доказано: вся природа от атомов до человека асимметрична. Современная наука выяснила, что
зеркальная симметрия часто отсутствует в природе.
Все известные элементарные частицы взаимодействуют друг с другом,
как мы уже раньше отметили, посредством четырех видов сил, к которым отно-
76
сятся гравитация, электромагнитные волны (ответственные за быстрые химические реакции), сильные ядерные взаимодействия (удерживающие вместе атомные ядра), и слабые ядерные взаимодействия.
Слабые ядерные взаимодействия, как указывает само их название, слабее
примерно в 100 раз по сравнению с электромагнитными силами и в 100 000 раз
по сравнению с сильными взаимодействиями. Испускаемые бета-лучи при радиоактивном распаде — самый известный процесс, происходящий благодаря
слабым взаимодействиям. Бета-лучи представляют собой электрон и античастицы — позитроны, обладающие довольно большой энергией. Эти частицы
имеют внутренний угловой момент, спин, и поэтому могут быть классифицированы как левая и правая в зависимости от направления своего движения вдоль
спина или против него.
Удивившее в 1957 г. мир и знаменитое теперь открытие не сохранения
четности, сделанное Ц. By и ее коллегами их Колумбийского университета,
привело к пониманию того, что процесс испускания бета-частиц при радиоактивном распаде зеркально асимметричен: левые электроны немного превосходят правые по числу.
Дальнейшие исследования бета-распада привели к открытию нейтрина и
антинейтрина, электрическики нейтральных частиц, так же испускаемых при
бета-распаде и распространяющихся со скоростью света. Антинейтрино, испускаемое радиоактивным веществом, так же как электрон, имеет силы, но в отличие от него встречается только в правой форме. Неизвестно, почему на таком
фундаментальном уровне существует зеркальная асимметрия. Радиоактивное
антивещество испускает только левые нейтроны и (с некоторым избытком)
правые позитроны.
По-видимому, во Вселенной не существует правых нейтрино и левых ан-
тинейтрино.
Поскольку электрослабые силы «отличают» правое от левого, атомы и
молекулы, которые, прежде считавшиеся зеркально симметричными, могут каким-то образом приобрести хиральность (асимметричность).
Сейчас становится очевидным, что реальный мир зеркально асимметричен на всех структурах и уровнях, начиная с элементарных частиц.
Исходя из левого и правого проявления в современной живой природе,
можно предположить, что на первобытной Земле могло возникнуть множество
биологически важных молекул в форме оптических L- и D-изомеров.
Однако в ходе эволюции возникла предпочтительность конкретного оптического изомера. В 1953 г. Ф. Франк разработал простую модель, иллюстри-
77
рующую спонтанные нарушения симметрии в симметрии в химической системе, состоящей из молекул двух видов (L- и D-форм). В этой модели предполагалось, что каждый вид способен к самовоспроизведению и что присутствие
одного из них уменьшает скорость роста популяции другого. В результате межвидовой борьбы за существование состояние симметрии между двумя видами
молекул, неделимо, и система самопроизвольно эволюционирует в сторону
асимметричного состояния с преобладанием одного из видов.
Вопросы симметрии сегодня учеными обсуждаются на макроскопическом
уровне. Согласно современным представлениям, существование Вселенной
обеспечивается некоторыми симметрии. Вселенная родилась в огненной
вспышке, в процессе, так называемого, Большого взрыва. По-видимому, до одной миллионной доли секунды после этого события вещества и антивещества
были поровну. Во Вселенной имелось примерно равное число частиц и античастиц, которые находились в термодинамическом равновесии при огромных
давлении и температуре. Напомним, что у каждой частицы есть античастица с
той же массой, но с противоположными электрическими свойствами. Например, у электрона есть античастица — позитрон.
По мере расширения и охлаждения Вселенной большинство частиц
встретилось со своими античастицами и произошло их взаимное уничтожение.
Поскольку симметрия была нарушена, то возник избыток электронов и протонов по сравнению с их античастицами. Именно нарушение симметрии, как подчеркивает Роберт К. Адэр (1988 г.), когда «пробил час», привело к образованию галактики, звезд, планет и нас с вами.
Выводы:
1. Л. Пастер впервые сформулировал принципиальное новое положение:
«Вселенная асимметрична».
2. Асимметрия выявляется на уровне элементарных частиц всех струк-
турных уровней живой природы.
3. Существование Вселенной обеспечивается асимметрией.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Как Л. Пастер пришел к выводу о том, что жизнь является функцией
асимметрии?
2. Приведите примеры асимметрии в мире элементарных частиц.
3. Приведите примеры асимметрии в живой природе.
78
ГЛАВА 9. ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВОЙ МАТЕРИИ
9.1. Эволюция жизни на Земле
Под влиянием религиозных идей о неизменности всего живого исследователи живой природы ограничивались описанием множества видов животных
и растений.
Различные методы изучения жизни постепенно заложили основы представлений о том, что организмы, населяющие Землю, не неизменны, а представляют результат эволюции.
Современное учение о биологической эволюции все многообразие живой
природы объясняет результатом действия трех взаимосвязанных факторов:
наследственности, изменчивости и естественного отбора. Не углубляясь в
предысторию и историю развития эволюционного учения и не вдаваясь в содержание эволюционной теории, ограничимся лишь следующим положением о
том, что теория эволюции путем естественного отбора занимает центральное
положение в современной биологии. В наиболее простом виде теория эволюции утверждает, что те особи, которые оставляют больше потомков по сравнению с другими, будут генетически лучше представлены в следующих поколениях. Механизм, с помощью которого осуществляется дифференцированный
репродуктивный успех, способствует естественному отбору. Отбор это не что
иное, как избранное выживание биологических единиц.
Теория эволюции, предложенная Дарвином и Уоллесом, в последующем
была расширена и разработана в свете современных данных биологической
науки и получила название неодарвинизм. Неодарвинизм, можно определить
как теорию биологической эволюции путем естественного отбора признаков,
детерминированных генетически.
В основе признания эволюционной теории лежат:
- установление факта изменения форм жизни во времени (эволюция в
прошлом);
- выявление механизма, осуществляющего эволюционные изменения
(естественный отбор генов);
- возможность продемонстрировать эволюцию, происходящую в настоя-
щее время (эволюция в действии).
79
Сведения, подтверждающие представления об эволюции, поступают из
разных источников. Эволюционную теорию подпитывают и палеонтология (доказывая эволюцию в прошлом), и сравнительная эмбриология (в ее недрах был
сформулировано понимание того, что все позвоночные на начальных стадиях
эмбрионального развития имеют общие черты), и сравнительная анатомия (выявив адаптивную радиацию, т. е. развитие какой-либо гомологической структуры у разных представителей данной группы в разных направлениях, в соответствии с выполняемыми его различными функциями), и сравнительная биохимия (наличие одинаковых веществ у всех организмов указывает на возможную
биохимическую гомологию, подобную морфологической гомологии на уровне
органов и тканей), и другие науки.
Современная теория эволюции, как следует из выше приведенных сведений, основана на данных из обширного круга источников и подтверждается
множеством современных независимых наблюдений. Для учения такие данные
служат самым убедительным доказательством достоверной теории.
Справедливо было бы вновь вспомнить, что Дарвин в научную мысль
внес понятие «вероятность». Наследственная изменчивость (мутация), адаптация и выживание наиболее приспособленных создают широкие возможности
для игры живой природы, для непредсказуемого эволюционного развития и,
соответственно, для разнообразия живой природы. Именно эволюционная теория в любой реальности живой природы находит непредсказуемое, элемент
случайности и утверждает, что естественный отбор — движущая и направляющая сила эволюции.
Итак, мы выстроили определенную схему зарождения и развития жизни.
Но было бы неверно, если бы мы умолчали о том, что имеются и другие взгляды (теории). Перечислим некоторые из них ниже:
1. Теория стационарного состояния. Согласно этой теории, Земля никогда
не возникала и существовала всегда. Сторонники этой теории не признают, что
наличие или отсутствие ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида.
2. Теория панспермии. Эта теория не предлагает никакого механизма для
объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении.
Однако какие бы концепции о происхождении и развитии жизни не выдвигались, необходимо опираться только на научные факты. Сегодня только
теория эволюции может служить фундаментом для всей биологии. Применительно к живым организмам эволюцию можно определить как развитие сложных организмов из предшествующих более простых организмов с течением
времени.
80
Выводы:
1. Описание образования планет солнечной системы сегодня носят гипо-
тетический характер.
2. Историю Земли наука расшифровывает через изучение ее химизма.
3. Земля имеет возраст примерно 5 миллиардов лет
4. Теория А.И. Опарина объясняет эволюцию материи и возникновение
жизни на Земле.
5. В клетках соблюдается хиральность.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Как вы представляете эволюцию материи от синтеза атомных ядер до
образования планеты?
2. Какое мировоззренческое значение имеет изучение геохронологии
Земли?
3. Каков возраст Земли?
4. В чем заключается сущность учения А.И. Опарина о происхождении
жизни на Земле?
5. Какие доказательства наука приводит для объяснения происхождения
жизни и ее эволюции?
9.2. Эволюция человека
Именно эволюционное учение, правильность которого подтверждена
многочисленными примерами и фактами, исходит из положения о том, что все
организмы родственны друг другу и имели общих предков на той или иной стадии своего развития. Это утверждение свидетельствует о том, что все живое на
Земле представляет продукт единого эволюционного процесса.
Значение этого процесса для возникновения всех ныне существующих
видов на Земле впервые осознали естествоиспытатели Чарльз Дарвин и Альфред Уоллес. Это произошло в середине XIX в., когда Ч. Дарвин опубликовал
свою работу «Происхождение видов путем естественного отбора».
Вокруг эволюционного учения до сих пор не утихают споры. Не вдаваясь
в сущность споров, отметим, что книга Ч. Дарвина и ныне сохраняет свое значение, потому что в ней впервые правильно была представлена общая картина
эволюционного процесса и возникновение современного человека.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]