- •Наука ≠ техника
- •Научный метод в действии
- •Нерешенные проблемы
- •Более элементарные по сравнению с атоллами
- •Спасительные космические лучи
- •Четыре силы
- •Осколки частиц, или Трудное разделение
- •Вмешательство политики
- •Физика возвращается к повседневным заботам
- •Появление кварков
- •Теория наносит ответный удар: объединение
- •Стандартная модель
- •Проверка стандартной модели
- •Теневая сторона стандартной модели
- •Проблема происхождения массы, известная как проблема полей Хиггса
- •Нужна новая физика
- •Необходим новый язык?
- •Решение головоломки: как, кто, где и когда?
- •Становление химических систем
- •Предположения о происхождении жизни
- •Нынешняя жизнь: клеточные структуры
- •Отправления клетки
- •Предсолнце
- •Наше Солнце
- •Появление рнк
- •Рнк-мир
- •Альтернативы рнк-миру
- •Сложности
- •Решение головоломки: как, кто и почему?
- •Биология
- •E. Coli
- •Опероны е. Coli
- •Оперон днк — рнк — белки
- •От прокариот к эукариоталл
- •Модельные организмы
- •Физика — биология — химия
- •Секвенирование генома человека
- •Угроза патентования
- •Секвенирование дроблением
- •План на вторую половину игры
- •Последствия и бедствия
- •Решение головоломки: почему, как, кто и где, когда?
- •Глава пятая Геология
- •Погода на Земле
- •Воздух местного производства
- •Получение атмосферного газа
- •Потеря атмосферного газа
- •Получение или утрата атмосферного газа
- •Погода и климат: гипотезы (весьма добротные), прогнозы (не столь добротные)
- •Решение головоломки: как и где?
- •Астрономия
- •Содержимое Вселенной
- •Измерение межзвездных расстояний
- •Галактики: первые теории и наблюдения
- •Космологический вклад Эйнштейна
- •Чем крупнее телескопы, тем больше расстояния до звезд
- •Одна большая Галактика или многочисленные обособленные галактики
- •Вселенная галактик
- •Столкнувшись с неожиданным: ускорение Вселенной
- •В темноте рассуждать о темной энергии
- •Решение головоломки: где, когда, как и кто?
- •1. Антивещество
- •2. Ускорители
- •4. Внеземная жизнь
- •1. Какова скорость образования в нашей Галактике звезд, подходящих для создания пригодных для жизни планет ?
- •2. Какова доля таких звезд, имеющих планеты ?
- •3. Какова доля планет, обращающихся вокруг своих звезд в пределах, где возможно зарождение жизни ?
- •4. Какова доля благоприятно расположенных планет, где действительно зародилась жизнь?
- •5. Какова доля форм жизни, приведших к возникновению разума ?
- •6. Какова доля разумных форм жизни, способных создать технические средства для передачи поддающихся обнаружению сигналов?
- •7. В течение скольких лет разумная цивилизация передает в космос поддающиеся обнаружению сигналы?
- •5. Аминокислоты
- •6. Построение модели днк
- •7. Кодоны
- •8. Укладка белков
- •10. Парниковые газы
- •11. Земля: история недр
- •12. Теория хаоса
- •13 .Предсказание землетрясений
- •15. Труды Эйнштейна: помимо теории относительности
- •16. «Большой взрыв»
- •Глава 1. Видение науки
- •Глава 2. Физика. Почему одни частицы обладают массой, а другие нет?
- •Глава 3. Химия. Какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?
- •Глава 4. Биология. Каково строение и предназначение протеома?
- •Глава 5. Геология. Возможен ли точный долговременный прогноз погоды?
- •Глава 6. Астрономия. Почему Вселенная расширяется со все большей скоростью?
11. Земля: история недр
В ходе формирования Земли тяготение сортировало первичный материал в соответствии с его плотностью: более плотные составляющие опускались к центру, а менее плотные плавали сверху, образовав в итоге кору. На рис. 1.8 представлена Земля в разрезе.
Кора — внешняя оболочка. Она обладает наименьшей плотностью и расколота на многочисленные тонкие и жесткие каменные плиты, медленно движущиеся ввиду перемещения нижележащей мантии.
Мантия — следующая оболочка. Она самая толстая из всех оболочек, относительно теплая и жидкая по сравнению с корой, имеет горячие точки, порождающие конвекционные потоки (представьте завихрения в закипающей воде, только значительно медленнее движущиеся). Потоки в мантии перемещают плиты, вызывая землетрясения, вулканические извержения, расширение морского дна и дрейф континентов.
Далее идет горячее жидкое внешнее ядро, состоящее из плотного железа и никеля и плещущееся ввиду вращения Земли. Земной магнетизм, возможно, вызван местным движением внутри этой оболочки.
Самая нижняя оболочка именуется внутренним ядром. Она хотя и состоит из расплавленного железа и никеля, из-за огромного давления оказывается твердой и самой плотной оболочкой.
За подробностями процесса создания этой модели и подтверждающими ее опытными данными обращайтесь к нашей книге Пять крупнейших представлений в науке (The Five Biggest Ideas in Science. N.Y.: John Wiley & Sons, Inc., 1997).
Следующие узлы Всемирной Паутины содержат свежую информацию и прекрасные иллюстративные материалы:
www.hartrao.ac.za/geodesy/tectonics.html http://pubs.usgs.gov/peubications/text/dynamic.html www.seismo.unr.edu/ftp/pub/louie/class/100/plate-tectonics.html http://scign.jpl.nasa.gov/lwarn/plate/htm
12. Теория хаоса
О тягость легкости, смысл пустоты! Бесформенный хаос прекрасных форм!
У. Шекспир. Ромео и Джульетта
Как уже говорилось в гл. 5, хаос не следует путать с произволом. Хаос означает скорее чрезвычайную восприимчивость конечного результата к малым изменениям в начальных условиях. Как поется в старой колыбельной:
Не было гвоздя —
Подкова пропала.
Не было подковы —
Лошадь захромала.
Лошадь захромала —
Командир убит.
Конница разбита,
Армия бежит.
Враг вступает
В город,
Пленных не щадя,
Оттого что в кузнице
Не было гвоздя!
[Гвоздь и подкова.
Пер. с англ. С. Маршака]
До 1960-х годов существовал некий сугубо математический метод, как оказалось, связанный с теорией хаоса. Гастон Морис Жулиа, математик из Алжира, после ранения в сражениях Первой мировой войны вынужден был носить на лице кожаную повязку, защищавшую сильно искалеченный нос. Из-за многочисленных операций ему приходилось долго скитаться по госпиталям, где, чтобы как-то скоротать время, он занимался математическими выкладками. В 25 лет он пишет «Записку о приближении рациональных функций». Работу он делал в связи с темой, объявленной в 1915 году Французской академией наук на соискание главной премии 1918 года, которой и удостоился; хотя французский математик и астроном Пьер Жозеф Луи Фату (1878-1929) опубликовал в декабре 1917 года работу на ту же тему, однако Жулиа отослал свою статью в Академию наук раньше. Функция представляет собой математическое правило вычисления наподобие следующего: f(x) = х2 + const. Если х = 2, а const = 3, то значение функции составит 7. Приближение (итерация) осуществляется использованием вычисленного для /значения в качестве следующего значения для х. Итак, если х = 7, то f (х) = 52, и т. д. Жулиа исследовал более сложные выражения. Особо его занимали функции и значения, при которых возможно многократное приближение без бесконечного роста итоговой величины [самой функции]. Значения х, для которых повторяющиеся итерации давали конечный результат, стали именоваться пленниками [обычно говорят о множестве точек притяжения, или аттракторах]. При стремлении к бесконечности итоговых величин их называют «беглецами» [обычно говорят о множестве точек отталкивания, или репеллерах]. Вычисления велись вручную и были крайне трудоемкими даже для простых функций. Хотя Жулиа и обрел некую славу в математических кругах, его труд был основательно забыт, и вспомнили о нем уже в 1970-е годы.
Бенуа Маидельброта, родившегося в Польше в 1924 году, со статьей Жулиа познакомил в 1945 году родной дядя, профессор математики. В то время идеи Жулиа его не заинтересовали. Но спустя 30 лет после головокружительной научной карьеры Мандельброт очутился в компании IBM и обратил мощь ЭВМ на итеративные вычисления Жулиа. Мандельброт первым разработал метод графического построения, когда ЭВМ выводит на экран образ схождения и расхождения приближаемой функции.
Рис. 1.9. Множество Мандельброта
Прекрасные образы, порождаемые методами итерации Мандельброта и Жулиа, способствовали одно время появлению бесчисленных книг и узлов Всемирной Паутины. Вот некоторые из них:
Gleick J. Making a New Science. N.Y.: Viking Penguin, 1987.
Exploring Chaos — A Guide to the New Science of Disorder / Nina Hall (Ed.). N.Y.: W. W. Norton & Company, 1991.
http://hypertextbook.com/chaos
www.wfu.edu/~petrejh4/chaosind.htm
В 2002 году Стивен Вулфрем издал книгу по смежной тематике A New Kind of Science (см. www.Wolfram.com ). Его труд основан на собственных исследованиях в области клеточных автоматов, представляющих собой ряд одинаково запрограммированных автоматов, иначе «клеток», взаимодействующих друг с другом по определенным правилам. С помощью очень простых правил можно создать очень сложные образы. Некоторые из этих образов очень похожи на природные объекты, однако установление связи между математикой хаоса и пригодным описанием реального мира все еще ждет своего часа.