Владислав Ксионжек

Смысл жизни с точки зрения физики

На пути к закону сохранения отражения

Способность отражать в себе мир - универсальное свойство материальных объектов. Но взять, к примеру, круглый камень и внешне похожее на него яйцо. Если изучая гладыш мы сможем представить лишь море, которое его омывало, да еще, в лучшем случае, по химическому составу узнать кое-что об особенностях земного вулканизма, то в генофонде яйца - точные данные о современном состоянии планеты - составе атмосферы, силе тяжести, длине суток и т.п. Ведь организм приспосабливается, а значит несет отпечаток той среды, в которой обитает. А человек? Он, кроме заложенной в его генах наследственной информации, обладает и другим уровнем отражения окружающего мира - сознанием. Чем более организована материя, тем выше у нее способность к отражению. Случайно ли это? Оставим пока вопрос без ответа и обратим внимание на другое свойство живых организмов... Самюэл Батлер, английский поэт-сатирик ХVII века, однажды шутливо заметил: "курица - это способ, которым яйцо воспроизводит другое яйцо". Через триста лет, переосмыслив его утверждение, генетики провозгласили закон сохранения генов. Ведь курица (воспользуемся примером Батлера) сохра- няет свои гены в яйцах, которые со временем превращаются в куриц, откладывающих новые яйца, содержащие некоторые гены прародительницы. Если род курицы не пресечется, а потомство будет плодиться и множиться, гены яйца, с которого мы начали отсчет, сохранятся, будут разбросаны по разным пра-пра-пра-внукам и пра-пра-пра-внучкам. Законом сохранения генов пытаются объяснить родительские, да и вообще родственные чувства. Мол, мы любим человека тем больше, чем выше у нас с ним доля общих генов. Один биолог после несложных подсчетов заявил: "Я готов пожертвовать собой ради четырех внуков или восьмерых кузенов!" Но все равно, хоть и немало существует людей, готовых отдать жизнь ради спасения близких родственников (и в первую очередь, конечно, собственных детей), не следует сводить все к вышеупомянутому закону. Просто потому, что для больших отрезков времени он не выполняется. Частицы наследственного материала мутируют, превращаются в другие гены. А может быть следует обращать внимание не на сами по себе гены, а на их свойство концентрированно отражать в себе окружающий мир? Тогда почему бы не предположить, что с ростом уровня организации материи (от камня к курице, от курицы к человеку) увеличивается и способность к сохранению накопленного отражения? Похоже, что это действительно так. Стоит камню попасть в воду, и волны "слижут" с него за год-другой прежнюю форму. Гены курицы будут жить в потомстве века. Человек же, ознакомившись с древними летописями, узнает подробности о событиях тысячелетней давности. Если высказанное предположение верно, тогда закон сохранения генов - частный случай выдвигаемого нами закона сохранения отражения, согласно которому эволюция движется по пути создания форм организации материи, способных все больше вбирать в себя информации об окружающем мире, а также сохранять эту информацию все дольше. И получается, согласно этому закону зародились на нашей планете жизнь, а потом и разум.

Что же человечеству нужно?

Трудно, пожалуй, найти понятие многовариантнее, чем смысл жизни. Для одних он заключается в том, чтобы просто жить получше и подольше. Другие на первое место ставят заботу о детях. Третьих снедает "желанье славы и добра". Четвертые всецело поглощены любимым делом. Пятые... Но остановимся. Все многообразие человеческих желаний и устремлений можно свести к одному - попыткам сохранить на возможно больший срок накопленное отражение. Поскольку, если можно так сказать, у человека два уровня отражения на себя окружающего мира (биологический, свойственный любому живому существу, и свойственный на Земле только нам - сознание), то и реализуются жизненные цели у людей, имеющих различные приоритеты, трудносовместимыми путями. Кто-то смотрит на звезды, а кто-то не видит ничего дальше своего живота. Но и те, кто одухотворены жаждой познания, не могут отразить на себя Мир так глубоко, как хотели бы, а главное - сохранить целиком накопленное отражение (даже великие произведения искусства, надолго переживающие их создателей, несущие в себе частицу их души, не могут решить проблему бессмертия). Вызывает сомнение утверждение, что человек - высшая ступень на лестнице эволюции. Если нашим развитием движет закон сохранения отражения, то мы обязательно придем к новой форме организации материи. Смысл жизни человечества - воплотиться в нечто иное, чему пока нет подходящего названия. Может быть одно из проявлений этого "нечто" - ноосфера (сфера разума), возникновение которой предсказывал великий Вернадский. Говоря упрощенно, она должна появиться тогда, когда "плотность разума" на планете достигнет критического значения, и отдельные "искорки" сольются в большой костер. Человечество станет чем-то вроде единого мыслительного организма, и все, что прочувствовал, познал за свою жизнь каждый член сообщества, станет достоянием всех. И все-таки ноосфера это не искомое нами "нечто". Даже окутанная сферой разума планета может погибнуть, например, в результате космической катастрофы. Закон сохранения отражения требует, чтобы его носители обрели не только духовное, но и физическое бессмертие, чтобы отражение внешнего мира, полученное им однажды, никогда не стиралось, лишь дополнялось новыми отпечатками.

На пути к сверхцивилизации

Надо полагать, когда-нибудь человечество сбросит с себя хрупкую белковую оболочку, заменит ее чем-то иным, более добротным. "Смена рубашек" может происходить не раз, и не два, и в конце концов наши отдаленные потомки станут чем-то вроде "бесплотного духа", пронизывающего Вселенную. Бесплотного - не значит нематериального. Его основой может быть форма материи, слабо взаимодействующая с веществом, электромагнитными полями (в силу чего ее структура трудноуничтожима), а поскольку оно заполняет все пространство, то и не испытывает внешних воздействий, часто губительных для живого просто потому, что они неожиданны, непредсказуемы. "Бесплотному духу" уже не нужно преобразовывать природу, подстраивать ее под себя: строить дома-коконы, орошать поля, усмирять реки, убивать животных. Нет необходимости заботиться о собственном теле, создавать ему комфортные условия существования. Сверхцивилизация идеально приспособлена к Миру. Вот и разгадка парадокса, который ставит в тупик специалистов СЕТI. Ведь по некоторым оценкам только в нашей галактике - 600-700 млн. планет, пригодных для обитания человека, из них порядка 100 тыс. должно быть заселено разумными существами. А ведь самые старые звезды образовались 15 млрд. лет назад, на 10 млрд. лет раньше Солнца. Примерно на такой же срок должны были обогнать земную первые цивилизации Вселенной. Следуя логике экстенсивного развития (принято считать, что энерговооруженность цивилизации растет по экспоненте), наши старшие братья по разуму должны были успеть сначала полностью освоить энергетические ресурсы родной звезды, (построить вокруг нее непрозрачную оболочку), потом перебраться к соседним звездам, и, наконец, прибрать к рукам все топливные запасы Вселенной. Но этого не произошло. Астрономы наблюдают Мир девственно чистым, не "испорченным" вмешательством разума. Складывается впечатление, что цивилизаций, активно преобразующих космос, нет. Видимо это им и не нужно. Как только разумное сообщество становится свехцивилизацией, оно перестает вести себя во Вселенной как слон в посудной лавке.

Сверхцивилизация существует, или что

вытекает из принципа Маха

Эрнст Мах, австрийский физик и философ, усмотрел в законах Ньютона существенный изъян. Они описывают движение тела только в локальной (привязанной к определенной точке) системе отсчета. Чтобы определить, например, скорость вращения Земли, нужно раскачать маятник Фуко, который находится в локальной системе отсчета Земли, и замерить как перемещается плоскость его колебаний. Вычислять же угловую скорость нашей планеты, наблюдая за вращением ночного неба, как понял Мах, мы не имеем права. У звезд свои локальные системы отсчета, ни по какому закону механики между собой не связанные. Но практика показывает, что измерить скорость вращения Земли можно и тем, и другим способом. И что удивительно (с точки зрения Маха), оба дают одинаковый результат! Мах сделал вывод, что в природе должна быть некая связь между локальной системой отсчета и удаленными телами, и что эта связь придает материи инерциальные свойства. Другими словами, все тела чувствуют друг друга, и если какое-либо из них вдруг исчезнет (к счастью, этого не допускает закон сохранения материи), инерциальное движение всех остальных нарушится. Принцип Маха произвел глубокое впечатление на Эйнштейна. Некоторые считают, именно он вдохновил "короля физики ХХ столетия" на создание общей теории относительности (ОТО). Но, к великому разочарованию автора, принцип Маха не вытекал ни из одного постулата ОТО. Инертную массу, так и не объяснив ее природу, пришлось просто приравнять к массе гравитационной. Физические теории существуют сами по себе, принцип Маха - сам по себе. Может быть это потому, что он не был заложен в природу изначально, а возник позднее, на каком-то этапе развития Вселенной? Из принципа Маха следует: любое материальное тело отражено на всю Вселенную, и наоборот, в любом теле, сколь угодно малом, отражен весь окружающий мир. Но ведь это ни что иное, как ранее сформулированный нами закон сохранения отражения, причем уже реализованный в развитии, так сказать возведенный в абсолют. Значит свехцивилизация уже существует. Все вокруг нас пронизано "нитями" высокого разума. Принцип Маха - единственный результат его инженерной деятельности.

Попробуем теперь представить отдаленное будущее сверхцивилизации. Тут не обойтись без краткого экскурса в космогонию. Ныне общепризнанной считается теория расширяющейся Вселенной. Около 29 млрд. лет назад вся материя была сосредоточена в одной точке, так называемой сингулярности, плотность материи в которой бесконечна. Потом началось расширение - физики называют его Большим взрывом. До сих пор "осколки" сингулярности, ставшие со временем галактиками, туманностями, шаровыми скоплениями, разлетаются в разные стороны. Как будет Вселенная развиваться дальше? Возможны два пути. В том случае, если ее нынешняя плотность больше некой -29 3 критической величины 10 г/см), расширение со временем сменится сжатием, и примерно через 30 млрд. лет (еще 5 млрд. лет будет идти расширение, потом 25 млрд. лет - сжатие) Мир снова схлопнется в точку - новую сингулярность. Иначе же - если плотность Вселенной недостаточно высока - расширение будет продолжаться вечно. Какова плотность Вселенной, пока неизвестно. Но и в том и в другом случае судьба живых существ незавидна: В бесконечно расширяющейся Вселенной со временем выгорят и погаснут звезды. Их мертвые, связанные между собой гравитационными силами скопления сколлапсируют, образуют гигантские черные дыры. Тепловая энергия частично ими поглотится, частично рассеется. Температура уцелевших планет упадет до абсолютного нуля. Вместе с теплом уйдет из Вселенной и жизнь. Закрытый мир (который в конце концов сожмется в сингулярность) не будет страдать от недостатка света и тепла. Но когда вступит в завершающую фазу Большое сжатие, начнут сталкиваться звезды, крошиться атомы - погибнет все, что когда-либо приобрело индивидуальность. Останется клокочущий клубок раскаленных частиц. Да и они обречены. В -43 определенный момент времени (10 с до конца Большого сжатия - так называемый Планковский предел) исчезнут все элементарные частицы, обладающие массой покоя. Как известно, принцип запрета Паули не допускает нахождение в одной точке пространства двух или более частиц. Но, как говорится, при прочих равных, закрытый мир больше нравится ученым. В нем не возникает сакраментальный вопрос: а что было до того, как появилась Вселенная? Большому взрыву предшествовала Большое сжатие, ему - другой Большой взрыв, и так без конца. Вселенная существовала всегда, вернее была бесконечная череда Вселенных, разделенных по временной шкале особыми точками - сингулярностями, где большинство физических теорий перестают работать и в которых может происходить все что угодно. Высказано предположение (П.Фомин, "Гравитационая неустойчивость вакуума и космологическая проблема", препринт ИТФ - 74 - 90р, Киев 1974), что начальное состояние каждой из Вселенных - вакуумное, при котором в явном виде нет никаких частиц кроме гравитонов - квантов гравитационного поля. На них не распространяется Планковский предел. Они существуют и в сингулярности. Но ведь гравитационную массу отождествляют с инерционной! Вот и протянулась ниточка от гравитационного поля к закону сохранения отражения, к инерционному принципу Маха. Может быть именно из гравитонов соткан "бесплотный дух" - сверхцивилизация? В таком случае ее структура, отражение Мира накопленное за все время существования Вселенной, не исчезает даже тогда, когда Большое сжатие приводит к сингулярности. А ведь в ней уничтожается практически все, даже привычные нам физические законы там не действуют... Хотелось бы верить - носители высшего разума бессмертны!

Когда закон мешает, его меняют

Итак, вечный дух в бесконечно обновляющейся Вселенной? Однако английский физик-теоретик Ричард Толмен показал, что с учетом второго начал термодинамики циклы расширение-сжатие в модели пульсирующей Вселенной будут раз от раза увеличиваться, соответственно, станет расти и максимальный радиус Вселенной. Она как бы раскачивается, и в конце концов превращается в открытую, а значит наша (в научном смысле) спекуляция насчет вечного мирового разума не оправдывается. Напомним читателю формулировку второго начала термодинамики. Оно гласит: все процессы идут с возрастанием или, в лучшем случае, с постоянной энтропией. Энтропия (S) - мера беспорядка в какой-либо системе. Она нормируется от 0 до 1. В общем виде для энтропии Вселенной можно написать соотношение пропорциональности: S t, где t - время с начала самого первого цикла расширение-сжатие. Очевидно - при очень больших t энтропия стремится к единице. Но о каком же всемирном хаосе можно говорить, если существует закон сохранения отражения, подразумевающий прямо противоположные процессы - идущие с уменьшением энтропии? Многие ученые указывают на несовершенство, ограниченность применения второго начала термодинамики. Да и кто, собственно, доказал, что энтропия Вселенной должна стремиться к максимальному значению - единице? Любопытно отметить, что во многих отлаженных, прошедших долгий путь эволюции системах (будь то система для общения - язык или система экономических связей) наблюдается соотношение беспорядка и порядка, случайного и закономерного примерно 1/3. Если, допустим, в структурных звеньях экономической системы много беспорядка, царит неразбериха, низка трудовая дисциплина работающих, конечный продукт никому не нужен и был запланирован по ошибке или недомыслию - хорошего результата ждать не приходится. Это экономический хаос. Но и другая крайность - "железный порядок" себя не оправдывает. В такой системе ход процессов заранее предопределен, регламентирован строго по пунктам. Хода нет ни в лево, ни в право. Стоит произойти небольшой, как говорят физики, флуктуации, и систему начинает трясти. От запретов никуда не деться. В результате в скором времени порядок обращается в свою противоположность - хаос. (Что мы видим на примере нашей отечественной экономики). В том же случае, когда выполняется соотношение примерно один к трем (разумная творческая инициатива - трудовая дисциплина), производственный коллектив, как считают некоторые экономисты, добивается наилучших результатов. Скорее всего, S=1/3 и в живых системах (это пока можно только предполагать). Именно живая материя лучше всего отражает на себя окружающую среду (а значит и приспосабливается к ней). Наберемся смелости и добавим в формулу, описывающую энтропию Вселенной, дополнительный член с отрицательным t знаком: -В е, где В - неизвестный нам коэффициент пропорциональности. (О том, что законы развития, как правило, выражаются через экспоненту, мы уже говорили). Пронормировав коэффициент из условия, что к концу цикла рсширение-сжатие энтропия Вселенной принимает оптимальное значение - 1/З, получим вместо второго начала термодинамики выражение вида: t-T S = 1/3 (1 + 2t/T - 2e) где Т - продолжительность цикла расширение-сжатие, t - текущий параметр времени. Это аналитическая запись закона сохранения отражения. Заметим, что при t значительно меньших, чем Т, выражение практически не отличается от привычной нам формулы второго начала. Но к концу цикла экспоненциальный член стремительно нарастает, быстро становится преобладающим. Из формулы следует, что сверхцивилизация появляется лишь к завершению цикла расширение-сжатие, перед самым "занавесом". Складывается впечатление, что... время жизни Вселенной выбирается как раз таким, чтобы сверхцивилизация успела возникнуть и полностью познать Мир, который, согласно некоторым современным теориям и вопреки знаменитому ленинскому утверждению, бесконечен лишь по масштабной структуре, но исчерпаем, зациклен сам на себя.

Первичны и материя, и сознание

Ну уж, - наверно скажет искушенный читатель, - это слишком! Автор замахивается на святая святых - физические законы и намекает, что кто-то может их по своему усмотрению изменять. Однако мы уже говорили, что при переходе через Планковский предел - в области сингулярности современные физические теории в большинстве своем перестают работать. Сингулярность - волшебная страна, где может происходить все, что угодно. Некоторые ученые полагают, что там уничтожаются все физические константы, которые задавали облик погибшего Мира (М.Рис, Р.Руффини, Дж.Уилер "Черные дыры, гравитационные волны и космология" М.1977). Новые же константы, для очередного цикла расширение-сжатие, якобы задаются случайным образом... Да только случайным ли, - это еще вопрос. Английский физик-теоретик Б.Картер построил две модели Миров в каждом из которых так называемая постоянная тонкой структуры (безразмерное отношение фундаментальных физических 2 констант hc/е = 137,0338, где h - постоянная Планка, с - скорость света, е - заряд электрона) отличалась от аналогичной постоянной нашего Мира всего на 1%. Что же у него получилось? В одном случае все звезды во Вселенной стали красными, в другом - голубыми. Но голубые гиганты живут не более 1 млн. лет, затем превращаются в сверхновые, а для возникновения жизни, по расчетам Р.Дикке, требуется порядка 1 млрд. лет. В том же случае, если Мир населен красными карликами, времени для эволюции живой материи будет в избытке. Возраст карлика может достигать 20 млрд. лет (это в два раза больше времени жизни такой звезды, как Солнце). Он не взрывается, не образует сверхновую - медленно угасает по мере того, как выгорает термоядерное горючее. Превращается в конце концов в мертвый железный шар. Но и возле таких спокойных звезд не может появиться жизнь. Дело в том, что в первичной, еще только образовавшейся после Большого взрыва структуре Вселенной, практически нет никаких химических элементов кроме водорода с малой примесью гелия. Почти все атомы, составляющие наши бренные тела, были некогда синтезированы в недрах звезд. Потом они взорвались и выплеснули термоядерные шлаки в открытый космос. Нет сверхновых - не будет и планет, состоящих из химических элементов с порядковым номером выше второго. Без них же, как считают ученые, не может быть жизни. Тут самое время вспомнить о знаменитом антропном (от "антропос" - человек) принципе, гласящем: все, что мы наблюдаем вокруг, должно удовлетворять условиям, необходимым для нашего появления. Одни видят в антропном принципе промысел божий, другие считают, что нам просто повезло с набором физических констант во Вселенной. Ну хорошо, "повезти" могло какому-то определенному типу живых существ, нуждающемуся для развития в определенных, весьма жестких условиях. Скажем, не появилась на планете жизнь углеродная, так возникнет может быть жизнь кремниевая, железная, урановая. Но то обстоятельство, что жизнь как явление возможно лишь в узком интервале физических констант, и что по "счастливой случайности" реализовались именно те их значения, которые больше всего подходят живым существам (способствуют скорейшему отражению Вселенной самой на себя), наводит на размышления. Роль "бога-творца" хорошо может сыграть сверхцивилизация, способная сохранить себя даже в сингулярности. Так не эта ли сверхцивилизация, пользуясь временным отсутствием законов (раз ничего не запрещено, значит все можно) выбирает и задает по своему усмотрению величины физических констант для нового цикла Вселенной? Если подбирать константы должным образом, то после каждого нового Большого взрыва Вселенная будет становиться все лучше приспособленной к различным формам жизни, а значит ее самопознание будет углубляться от цикла к циклу. Отсюда, ни много ни мало, следует, что новое решение получает основной вопрос философии! К известной формуле "бытие определяет сознание" добавится "сознание определяет бытие". Обсуждать, что первично, что вторично - уже не имеет смысла. П е р в и ч н ы и м а т е р и я, и с о з н а н и е. На мой взгляд, это предположение вполне в духе диалектики.

Вместо послесловия. Сверхцивилизация и мы

Теперь поразмыслим немного о роли случайного в нашей жизни. Кому порой не казалось, что нежданные, на первый взгляд никак не связанные между собой события влияют на нас сходным, вполне определенным образом. Словно пытаются повернуть наш жизненный путь во вполне определенное русло. Как будто кто-то хочет нас подтолкнуть, помочь реализовать заложенные, но не всегда нам самим известные возможности. Разумеется, предопределенности в Мире нет. Каждый волен (вот в чем свобода!) упустить свой шанс. И тогда станет, скорее всего, неудачником от которого фортуна отвернулась надолго. Говорят: от судьбы не уйдешь. А уйдешь - пожалеешь... Под судьбой вполне может скрываться сверхцивилизация. Но каким образом она может вмешиваться в земные дела, не проявляя себя в то же время никаким механическим, физическим, химическим воздействием? Только с помощью хорошо организованных "случайных событий". Если много раз подбрасывать монетку, орел и решка выпадут примерно поровну. Это хорошо объясняет теория вероятностей. Однако ни одна теория не сможет предсказать, каким результатом закончится один единственный бросок. Все решает случай. Он может быть счастливым, может роковым. Наверно нам искренне хотят помочь познать Мир (цель-то жизни у всех разумных существ одна), а мы упорно не замечаем подсказок, упрямо пытаемся расшибить себе лоб и сетуем, что никто во Вселенной не желает протянуть нам руку помощи, что мы - одиноки. Но стоит лишь захотеть увидеть... Помощь, правда, нам предлагают весьма своеобычную. Пресыщенному, равнодушному, ленивому человеку она вряд ли придется по душе. Порой случается с нами такое... Впрочем, это уже тема для другой статьи.

Реферат

«Что такое жизнь с точки зрения физики?»

Выполнила:

Проверил:

2007г.

1. Общие принципы неклассической физики

К современному естествознанию относятся теоретические концепции, сформировавшиеся на протяжении ХХ века в рамках различных научных дисциплин. Важнейшей, естественной наукой является физика, изучающая законы функционирования неорганической формы материи на макро- и микроуровне; астрофизика, предметом которой является свойства и эволюция локальных астрономических объектов; косметология, моделирующая эволюцию Вселенной в целом (мегауровне). Современная наука характеризуется осознанием целостности своих объектов и взаимосвязанности законов их существования.

Физика по-прежнему остается одной из ведущих дисциплин в естествознании. Современная физическая картина мира представляет собой систему фундаментальных знаний о закономерностях существования неорганической материи, об основаниях целостности и многообразия явлений природы. Современная физика исходит из ряда фундаментальных предпосылок:

Во-первых, она признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности, законы современной физики не всегда демонстративны, в некоторых случаях их наглядное подтверждение - опыт - просто невозможен;

Во-вторых, современная физика утверждает существование трех качественно различающихся структурных уровней материи: мегамира - мира космических объектов и систем; макромира - мира макроскопических тел, привычного мира нашего эмпирического опыта; микромира - мира микрообъектов, молекул, атомов, элементарных, частиц и т.п.

Классическая физика изучала способы взаимодействия и строение макроскопических тел, законы классической механики описывают процессы макромира. Современная же физика (квантовая) занимается изучением микромира, соответственно законы квантовой механики описывают поведение микрочастиц. Мегамир - предмет астрономии и космологии, которые опираются на гипотезы, идеи и принципы неклассической (релятивистской и квантовой) физики;

В-третьих, неклассическая физика утверждает зависимость описания поведения физических объектов от условий наблюдения, т.е. от познающего эти процессы человека (принцип дополнительности);

В-четвертых, современная физика признает существование ограничений на описание состояния объекта (принцип неопределенности);

В-пятых, релятивистская физика отказывается от моделей и принципов механистического детерминизма, сформулированного в классической философии и предполагавшего возможность описать состояние мира в любой момент времени, опираясь на знание начальных условий. Процессы в микромире описываются статистическими закономерностями, а предсказания в квантовой физике носят вероятностный характер.

При всех различиях современная физика, так же как и классическая механика, изучает законы существования природы. Законпонимается как объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся и существенная связь между явлениями и событиями. Любой закон имеет ограниченную сферу действия.

Например, распространение законов механики, оправдывающих себя в пределах макромира, на уровень квантовых взаимодействий недопустимо. Процессы, происходящие в микромире, подчиняются другим законам. Проявление закона зависит также от конкретных условий, в которых он, этот мир, реализуется, изменение условий может усилить или, напротив, ослабить действие закона. Действие одного закона корректируется и видоизменяется другими законами.

Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь между отдельными состояниями предмета. Иначе говоря, динамические закономерности повторяются в каждом конкретном случае и имеют однозначный характер. Например, динамическими законами являются законы классической механики.

Классическое естествознание абсолютизировало динамические закономерности. Совершенно верные представления о взаимной связи всех явлений и событий в философии XVII-XVIII веков привели к неправильному выводу о существовании в мире всеобщей необходимости и об отсутствии случайности. Такая форма детерминизма получила название механистического. Механистический детерминизм говорит о том, что все типы взаимосвязи и взаимодействия механические и отрицает объективный характер случайности. Например, один из сторонников этого типа детерминизма, Б.Спиноза, считал, что мы называем явление случайным только вследствие недостатка наших знаний о нем. Следствием механистического детерминизма является фатализм - учение о всеобщей предопределенности явлений и событий, которое фактически сливается с верой в божественное предопределение.

Проблема ограниченности механистического детерминизма особенно четко обозначилась в связи с открытиями в квантовой физике. Закономерности взаимодействий в микромире оказалось невозможным объяснить с точки зрения принципов механистического детерминизма. Сначала новые открытия в физике привели к отказу от детерминизма, однако позже способствовали формированию нового содержания этого принципа. Механистический детерминизм перестал ассоциироваться с детерминизмом вообще. М.Борн писал: «… что новейшая физика отбросила причинность, целиком необоснованно». Действительно, современная физика отбросила или видоизменила многие традиционные идеи; но она перестала бы быть наукой, если бы прекратила поиски причин явлений. Причинность, таким образом, не изгоняется из постклассической науки, однако представления о ней меняются. Следствием этого становятся трансформация принципа детерминизма и введение понятия статистических закономерностей.

Статистические закономерности проявляются в массе явлений, и имеют форму тенденции. Эти законы иначе называют вероятностными, так как они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает в результате взаимодействия большого числа элементов, поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов. Этот тип законов иначе называют законами средних величин. При этом статистические закономерности, так же как и динамические, являются выражением детерминизма. Примерами статистических закономерностей являются законы квантовой механики и законы, действующие в обществе и истории. Понятие ве роятности, фигурирующее при описании статистических закономерностей, выражает степень возможности явления или события в конкретной совокупности условий.

2. Современные представления о материи, в пространстве и времени. Общая и специальная теории относительности

На границе XIX-XX веков в физике произошел кризис, который был связан с невозможностью объяснить новые эмпирические данные с помощью законов и принципов, сформулированных в рамках механистической парадигмы. Кризис и последовавшая за ним научная революция способствовали тому, что на смену классической физике, построенной на принципах механики И.Ньютона, пришла новая фундаментальная теория - специальная теория относительности А.Эйнштейна, которая возникла на границе между механикой И.Ньютона и электромагнитной теорией Дж.Максвелла, как результат попыток устранить логические противоречия, существовавшие между этими двумя концепциями.

Специальная теория относительности распространила принципы относительности, сформулированные еще Г.Галилеем для механических систем, на электромагнитные взаимодействия. Ряд опытов, проведенных физиками в конце XIX в., показал, что скорость света остается неизменной во всех системах координат независимо от того, движется излучающий свет источник или нет. Однако эти выводы противоречили принципу относительности Г.Галилея.

В конце XIX в. преобладало представление о том, что мировое пространство заполнено особым эфиром, в котором распространяются световые волны. Для того, чтобы обнаружить движение Земли относительно эфира, американский физик А.Майкельсон в 1887 году решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному и вертикальному направлениям относительно Земли. Согласно гипотезе светоносного эфира время прохождения света по этим направлениям должно различаться. Но результат эксперимента показал неизменность скорости света в обоих направлениях. Такой вывод противоречил классическим представлениям о том, что координаты и скорости должны преобразовываться при переходе от одной инерциальной системы к другой. Скорость света оказалась не зависящей от движения Земли.

Для объяснения результатов эксперимента А.Майкельсона X.Лоренц вывел уравнения, позволяющие вычислить сокращение движущихся тел и промежутков времени между событиями, которые происходят в зависимости от скорости движения объектов. Преобразования X.Лоренца предполагали реальное сокращение тел и промежутков времени.

В 1905г, А.Эйнштейн опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел», в которой объяснил результаты опытов А.Майкельсона и изложил основные положения специальной теории относительности. А.Эйнштейн распространил принцип относительности на все системы и сформулировал его иначе, чем Г.Галилей: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии прямолинейного и равномерного движения, т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны между собой. Таким образом, было преодолено представление об эталонной абсолютной системе отсчета, которую связывали с эфиром, все системы отсчета были признаны равнозначными, не имеющими никаких преимуществ друг перед другом, а принцип относительности приобрел всеобщий, универсальный характер.

Следствием такого понимания принципа относительности стало введение в физику понятия инвариантности. Инвариантность понимается как неизменность физических величин или свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Все законы природы неизменны при переходе от одной; инерциальной системы к другой, т.е., находясь внутри инерциальной системы, невозможно обнаружить, движется она или покоится.

Специальная теория относительности установила также инвариантность материальных процессов и скорости света относительно преобразований X.Лоренца. А.Эйнштейн показал, что преобразования X.Лоренца отражают не реальные сокращения тел и промежутков времени, а изменение результатов измерений в зависимости от движения системы отсчета. Тела сокращаются, а время замедляется для внешнего наблюдателя, тогда как внутри движущейся системы все физические процессы протекают обычным образом.

А.Эйнштейн сформулировал также принцип инвариантнос ти скорости света, который гласит: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300000 км/с.

А.Эйнштейн пришел к выводу, что противоречия в основах классической механики вытекают из неверного, не соответствующего физическому опыту представления о свойствах пространства и времени как абсолютных и неизменных, так и из неверного представления об абсолютной одновременности событий.

Классические представления о пространстве и времени сформулированы в рамках субстанциональной концепции, которая окончательно сформировалась в Новое время. Ее основой стали онтологические представления философов XVII века и И.Ньютона. Пространство в механике И.Ньютона - это пустое вместилище для вещества. Пространство - однородно, неподвижно и трехмерно. Время - совокупность равномерных моментов, следующих один за другим в направлении от прошлого к будущему. В субстанциональной концепции пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, не зависящие друг от друга и от характера протекающих в них материальных процессов.

Субстанциональная концепция пространства и времени адекватно вписывалась в механистическую картину мира, предлагаемую классической философией, и соответствовала уровню развития науки XVIIв. Но уже в эпоху Нового времени появляются идеи, которые характеризуют пространство и время вразрез с субстанциональными представлениями. Так, Г.Лейбниц считал, что пространство и время - это особые отношения между объектами и процессами и независимо от них не существуют. Пространство - порядок сосуществований тел, а время - порядок последовательностей событий. Г. Лейбниц утверждал, что существует связь материи с пространством и временем: «мгновения в отрыве от вещей ничто, и они имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей».

Несколько позже Г.Гегель отмечал, что движущаяся материя, пространство и время связаны друг с другом, а с изменением скорости протекания процессов меняются и пространственно-временные характеристики. Г. Гегель, в частности, говорил: «Мы не можем обнаружить никакого пространства, которое было бы самостоятельным. Оно всегда есть наполненное пространство и нигде не отличается от своего наполнения». Впервые же идеи о пространстве, которые можно характеризовать как реляционные, были высказаны античными философами. Так, Аристотель критиковал Демокрита и отрицал существование пустоты. Пространство, по его мнению, есть система естественных мест, занимаемых материальными объектами.

В законченном виде реляционная концепция пространства и времени сложилась после создания общей и специальной теорий относительности А.Эйнштейна и неевклидовой геометрии Н. Лобачевского.

Так, А.Эйнштейн пришел к выводу об универсальности и всеобщности принципа относительности: не только механические, но и электромагнитные инерциальные системы равноправны по отношению друг к другу, а события, одновременные в одной системе, не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой. Следствием этого вывода стало признание относительности измерений размеров тел: длина тела, измеренная разными наблюдателями, движущимися относительно друг друга с разными скоростями, должна быть различна. То же самое относится и ко времени: время протекания процесса будет различным, если измерять его часами, движущимися с разными скоростями. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, а размеры тел сокращаются, если наблюдать за ними, находясь за пределами самой движущейся системы.

Таким образом, в специальной теории относительности размеры тел и время протекания процессов ставятся в прямую зависимость от системы отсчета, в которой производится их измерение . Оказалось, что физический процесс может быть описан только по отношению к конкретной системе отсчета, выбор которой зависит от наблюдателя. Иначе, для адекватного описания релятивистских явлений фактор наблюдателя становится существенным.

Еще одним важным следствием теории А.Эйнштейна стало признание относительности, массы тела, которая была поставлена в зависимость от скорости его движения. Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии, а энергия зависит от скорости движения. Известная формула Е - тс 2 выражает это отношение.

Общая теория относительности (или гравитационная теория), созданная А.Эйнштейном в 1916 г., позволяет рассматривать не только инерциальные системы отсчета, но любые системы координат, которые движутся по криволинейным траекториям и с любым ускорением. Распространение результатов специальной теории на неинерциальные системы отсчета привело к установлению зависимости между метрическими свойствами пространства и времени и гравитационными взаимодействиями. К подобным выводам привели следующие размышления о существовании двух способов определения массы тела: через ускорение (инертная масса) и через притяжение в поле тяготения (гравитационная масса). Эквивалентность инертной и гравитационной масс была известна еще в классической физике. Специальная теория относительности установила зависимость инертной массы от скорости движения тела.

Перед физиками встал вопрос: существует ли зависимость между движением и гравитационной массой?.

Оказалось, что метрика пространства - времени зависит от силы гравитационного поля, которое создается веществом. Массы вещества создают особое поле тяготения, материя влияет на свойства пространства и времени. Например, было установлено, что на Солнце все происходит медленнее, чем на Земле, из-за более высокого гравитационного потенциала на его поверхности. В 1919г. во время солнечного затмения наблюдалось отклонение луча света вблизи поверхности Солнца, что свидетельствовало об изменении свойств пространства.

Вывод А.Эйнштейна гласил: в зависимости от гравитационных масс время замедляется или, напротив, ускоряется, а пространство искривляется. Кривизна пространства измеряется отклонением от классических правил геометрии Евклида. Так, например, в евклидовой геометрии предполагается, что сумма углов треугольника составляет 180°. Однако сумма углов треугольника, изображенного на поверхности сферы, больше 180°, а на седловидной поверхности - меньше 180°. Поверхность сферы в неевклидовой геометрии называется поверхностью положительной кривизны, а поверхность седла - отрицательной. Величина поля тяготения в каждой точке пространства зависит от его кривизны. Инерциальное движение точки в таком пространстве осуществляется не прямолинейно и равномерно, а по геодезической линии искривленного пространства.

Идею искривленного пространства положительной кривизны предложил Б.Риман, отрицательной - Н.И.Лобачевский. Еще в 1829г. Лобачевский в работе «Начала геометрии» доказал, что возможна непротиворечивая геометрия, отличная от считавшейся единственно возможной евклидовой геометрии. Ученый показал, что свойства пространства зависят от свойств движущейся материи, окончательный же ответ на вопрос о свойствах пространства, по мнению Н.И.Лобачевского, должны дать астрономические наблюдения. Немного позже, в 1867г., вышла в свет работа Б.Римана «О гипотезах, лежащих в основании геометрии», в которой он также высказывал идею зависимости свойств пространства от материальных тел. Физическое пространство может быть искривлено, однако искривлено ли оно на самом деле, должен, по мнению Б.Римана, решить эксперимент.

Общая теория относительности А.Эйнштейна соединила в рамках одной концепции понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени. Выводы общей и специальной теории относительности и неевклидовой геометрии полностью дискредитировали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Оказалось, что признанные классическими субстанциональные представления не являются окончательными и единственно верными.

Реляционная парадигма предполагает рассмотрение пространства и времени как систем отношений между взаимодействующими объектами. Пространство и время неразрывно связаны друг с другом и составляют единый пространственно-временной континуум. Кроме того, их свойства напрямую зависят от характера протекающих в них материальных процессов. Выводы общей теории относительности получили экспериментальное подтверждение после открытия явления красного смещения спектров звезд и отклонения луча света под действием поля тяготения.

Несмотря на достаточно убедительные доказательства общей теории относительности и ее всеобщее признание, в физике продолжаются попытки создания альтернативных теорий тяготения и гравитации. Основание для этого дает сама теория А.Эйнштейна. Например, фундаментальные свойства нашего мира, как однонаправленность времени или трехмерность пространства, рассматриваются теорией относительности просто как данность. Их происхождение и материальная основа не объясняются.

Кроме того, в основе теории относительности лежит предположение: «скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью физических процессов». Однако нет никаких доказательств абсолютности запрета на существование сверхсветовых скоростей. В связи с этим в современной физике рассматривается гипотеза тахионов - частиц, которые движутся с большей скоростью, чем скорость света. Гипотеза тахионов допускает, что досветовые и сверхсветовые частицы представляют собой принципиально различные типы частиц, которые нельзя преобразовать друг в друга путем изменения их скорости. Иными словами, тахионы рождаются и умирают, не преодолевая световой барьер, всегда имея скорость больше скорости света. Существование подобных частиц с совершенно непривычными для нас свойствами меняет описание процессов, протекающих в природе. Парадоксальность тахионов не может служить основанием для вывода о невозможности их существования, важно то, что теоретически мыслимые свойства тахионов не противоречат законам, лежащим в основе современной физики. Экспериментальные поиски сверхсветовых эффектов пока не увенчались успехом, в связи с этим вопрос о существовании тахионов остается открытым.

Новые концепции тяготения и гравитации пока не обладают большим эвристическим потенциалом, эстетической привлекательностью и простотой, т.е. не соответствуют принятым в современной науке критериям отбора и предпочтения теорий. Тем не менее, не вызывает сомнения, что поиски альтернативных теорий будут продолжаться. Как говорил А.Эйнштейн, «наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными».

В современной науке пространству и времени приписываются определенные характеристики. Общими и для пространства, и для времени являются свойства объективности и всеобщности. Пространство и время объективны, так как существуют независимо от сознания. Всеобщность означает, что эти формы присущи всем без исключения воплощениям материи на любом уровне ее существования.

У пространства и времени есть ряд специфических характеристик. Так, пространству приписываются протяженность, изотропность, однородность, трехмерность. Протяженность предполагает наличие у каждого материального объекта определенного местоположения. Изотропность - равномерность всех возможных направлений, т.е. инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета. Однородность пространства характеризует отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, т.е. при переносе в пространстве свойства системы не меняются. Свойства изотропности и однородности пространства являются следствием его симметричности, т.е. независимости от изменения физических условий. Трехмерность описывает тот факт, что положение любого объекта в пространстве может быть определено с помощью трех независимых величин.

Понятие многомерного пространства существует пока только как математическое, а не как физическое. Основания трехмерности наблюдаемого пространства ищутся в структуре некоторых фундаментальных процессов, например, в строении электромагнитной волны и фундаментальных частиц. Один из российских исследователей этой проблемы, Л.М.Гиндилис, утверждает, что мы можем изучать п -мерные миры лишь мысленно, но для нас закрыты возможности для их экспериментального изучения. Так, математический анализ показывает, что при п > 4 не могут существовать замкнутые устойчивые орбиты движения тел. Это в свою очередь означает, что планеты должны либо падать на центральное тело в планетной системе, либо уходить в бесконечность, т.е. в многомерных мирах невозможно существование аналогов планетных систем и атомов. Следовательно, невозможна жизнь. Таким образом, единственное значение параметра и, которое совместимо с существованием жизни во Вселенной, равно именно этот мир мы и наблюдаем.

Времени приписываются свойства: длительнос ти, необратимости, однородности и одномерности. Длительность времени интерпретируется как продолжительность существования любого материального объекта или процесса. Одномерность времени означает, что положение объекта во времени описывается единственной величиной. Однородность, как и в случае с пространством, свидетельствует об отсутствии каких-либо выделенных фрагментов, т.е. утверждает инвариантность физических законов относительно выбора точки отсчета времени. Необратимость, его однонаправленность от прошлого к будущему, скорее всего, связана с необратимостью протекания некоторых фундаментальных процессов и характером законов в квантовой механике. Существует также причинная концепция обоснования необратимости времени, согласно которой если бы время было обратимо, то причинная связь оказалась бы невозможной.

Идею о едином пространственно-временнум континууме в конце XIX веке предложил немецкий математик и физик Г.Минковский, поэтому четырехмерный пространственно-временной континуум называют миром Минковского. В этом мире положение тела может быть определено с помощью четырех величин: трех пространственных и одной временной.

3. Основные идеи и принципы квантовой физики

В 1900г. немецкий физик М.Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями - квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Теория М.Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж.Максвелла. Эксперименты М.Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовместим с представлениями классической физики. Теория М.Планка положила начало новой квантовой физики, которая описывает процессы, протекающие в микромире.

Опираясь на идеи М.Планка, А.Эйнштейн предложил фотонную теорию света, согласно которой свет есть поток движущихся квантов. Квантовая теория света (фотонная теория) рассматривает свет как волну с прерывистой структурой. Свет есть поток неделимых световых квантов - фотонов. Гипотеза А.Эйнштейна позволила объяснить явление фотоэффекта - выбивания электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Стало ясно, что электрон выбивается фотоном лишь в том случае, если энергия фотона достаточна для преодоления силы взаимодействия электронов с атомным ядром. В 1922 г. за создание квантовой теории света А.Эйнштейн получил Нобелевскую премию.

Объяснение процесса фотоэффекта опиралось, помимо квантовой гипотезы М.Планка, также на новые представления о строении атома. В 1911г. английский физик Э.Резерфорд предложил пла нетарную модель атома. Модель представляла собой атом как положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Возникающая при движении электронов по орбитам сила уравновешивается притяжением между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны друг другу. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, а масса электронов ничтожно мала. С помощью планетарной модели атома было объяснено явление отклонения альфа-частиц при прохождении через атом. Поскольку размеры атома велики по сравнению с размерами электронов и ядра, альфа-частица без препятствий проходит через него. Отклонение наблюдается только тогда, когда альфа-частица проходит близко от ядра, в этом случае электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути. В 1913г. датский физик Н.Бор предложил более совершенную модель атома, дополнив идеи Э.Резерфорда новыми гипотезами. Постулаты Н.Бора звучали следующим образом:

1.Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.

2.Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.

Первый постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны при движении по круговым орбитам вокруг ядра не падают на него, т.е. почему атом остается устойчивым образованием?

Второй постулат объяснил прерывность спектра излучения электрона. Квантовые постулаты Н.Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.

Несмотря на быстрое признание теория Н.Бора все же не давала ответов на многие вопросы. В частности, ученым не удавалось точно описать многоэлектронные атомы. Выяснилось, что это связано с волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно.

В действительности состояния электрона могут меняться. Н.Бор предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле, при другом - как дискретные материальные частицы. Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее «размазаны» по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его «орбиту».

В 20-30-е гг. В.Гейзенберг и Л. де Бройль заложили основы новой теории - квантовой механики. В 1924г. в работе «Свет и материя»

Л. де Бройль высказал предположение об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все микрообъекты могут вести себя и как волны, и как частицы. На основе уже установленной дуальной (корпускулярной и волновой) природы света он высказал идею о волновых свойствах любых материальных частиц. Так, например, электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта идея получила название корпускулярно-волнового дуализма. Принцип корпускулярно-волнового дуализма устанавливает единство дискретности и непрерывности материи.

В 1926г. Э.Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его мнению, квантовые процессы - это волновые процессы, поэтому классический образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Уравнение Э.Шредингера описывает движение микрочастиц в силовых полях и учитывает их волновые свойства.

На основе этих представлений в 1927г. был сформулирован принцип дополнительности, по которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание. При точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение. Понятия частицы и волны не только дополняют друг друга, но и в то же время противоречат друг другу. Они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

В 1927г. немецкий физик В.Гейзенберг пришел к выводу о невозможности одновременного, точного измерения координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины мы можем определить только с определенной степенью вероятности. В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность. В.Гейзенберг в работе «Физика атомного ядра» изложил свои идеи.

Вывод В. Гейзенберга получил название принципа соотно шения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Его суть в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы - координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообъекте. Таким образом, заключил В.Гейзенберг, реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы», - писал он. Измерительный прибор влияет на результаты измерения, т.е. в научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. В ситуации эксперимента мы сталкиваемся с субъект-объектным единством измерительного прибора и изучаемой реальности.

Важно отметить, что это обстоятельство не связано с несовершенством измерительных приборов, а является следствием объективных, корпускулярно-волновых свойств микрообъектов. Как утверждал физик М. Борн, волны и частицы - это только «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Два фундаментальных принципа квантовой физики - принцип соотношения неопределенностей и принцип дополнительности - указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики - статистические. Как пишет В.Гейзенберг, «в экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов». В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928г. П.Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

4. Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира

Структурность и системность наряду с пространством, временем, движением являются неотъемлемыми свойствами материи. Современное миропонимание предполагает упорядоченность и организованность мира, а проблема самоорганизации бытия является одной из самых важных в науке и философии. Бытие представляет собой сложноорганизованную иерархию систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом, кажущаяся неоформленность изменений в каком-то одном отношении оказывается упорядоченностью в другом. Именно это обстоятельство выражается в понятии системности.

Понятия «система» существует несколько десятков определений, однако классическим признано определение, данное основоположником теории систем Л.Берталанфи: система - это комплекс взаимодействующих элементов. Ключевым понятием в этом определении является понятие «элемент». Под элементом понимается - неразложимый компонент системы при определенном, заданном способе ее рассмотрения. Если меняется угол зрения, то явления или события, рассматриваемые в качестве элемента системы, сами могут становиться системами. Например, элементами системы «газ» выступают молекулы газа. Однако сами молекулы в свою очередь могут рассматриваться в качестве систем, элементами которых являются атомы.

Атом - тоже система, однако принципиально другого уровня, чем газ и т.д. Элементами системы признаются только те предметы, явле ния или процессы, которые участвуют в формировании ее свойств. Комплекс элементов системы может складываться в подсистемы разного уровня, которые выполняют частные программы и представляют собой промежуточные звенья между элементами и системой.

По характеру связей между элементами все системы делятся на суммативные и целостные. В суммативных системах связь между элементами выражена слабо, они автономны по отношению друг к другу и системе в целом. Качество такого образования равно сумме качеств составляющих его элементов. Примерами суммативной системы являются груда камней, куча песка и т.п. Несмотря на высокую степень автономности элементов, образования, аналогичные груде камней, все же рассматриваются как системы, поскольку могут сохранять устойчивость длительное время и существовать в качестве самостоятельных совокупностей. Кроме того, существует предел количественных изменений таких систем, превышение которого приводит к изменению их качества. У суммативных систем есть собственная программа существования, которая выражается в структурности.

В целостных системах четко выражена зависимость их возникновения и функционирования от составляющих элементов и наоборот. Каждый элемент такой системы в своем возникновении, развитии и функционировании зависит от всей целостности, и, в свою очередь, система зависит от каждого из своих элементов. Внутренние связи в целостностях стабильнее внешних, а качество системы не сводится к сумме составляющих ее элементов. Примером целостной системы является живой организм или общество. Под действием определенных факторов суммативные системы могут преобразовываться в целостные и наоборот.

Кроме типологии систем в зависимости от характера связи между элементами системы различают по типу их взаимодействия с окружающей средой. В этом случае выделяют открытые и закрытые (замкнутые) системы. В закрытых системах не происходит обмена энергией и веществом с внешним миром. Такие системы стремятся к равновесному состоянию, максимальная степень которого - неупорядоченность и хаос. Открытые сис темы, напротив, обмениваются энергией и веществом с внешним миром. В таких системах при определенных условиях из хаоса могут самопроизвольно возникать новые упорядоченные структуры, а система в целом повышает уровень своей структурной организации.

Структурность выражается в упорядоченности существования материи и ее конкретных форм и предполагает внутреннюю расчлененность материи. Структура определяется как совокупность устойчивых, закономерных связей и отношений между элементами системы, обеспечивающих сохранение ее основных свойств. Современные представления о структурированности Вселенной касаются мега-, макро- и микромира; и Метагалактика, и известный нам макромир, и микрочастица структурированы. Переход от одной области действительности к другой связан с изменением числа факторов, обеспечивающих упорядоченность, и трансформацией самих структур. Единство упорядоченности - системности, и внутренней расчлененности - структурности, определяет существование мира как системы систем: систем объектов, систем свойств или отношений и т.п.

Элементами структуры микромира выступают микрочасти цы. На данный момент известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Время жизни элементарной частицы определяет ее стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно. Нестабильные частицы живут несколько микросекунд, стабильные не распадаются длительное время. Нестабильные частицы распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. При этом нейтрон стабилен только в ядре, в свободном состоянии он также распадается. Сейчас высказываются предположения о возможной нестабильности протона. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансными. Резонансные частицы были открыты в начале 60-х гг. XXв.. Время жизни резонансов - порядка 10-22 с.

Все многообразие элементарных частиц можно разделить на три группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии - адроны, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии - пептоны, и частицы- - переносчики взаимодей ствий.

Все перечисленные частицы различаются по заряду, массе, спину, времени жизни и другим физическим характеристикам. Однако внутри одного типа элементарные частицы совершенно идентичны, лишены индивидуальности: все электроны тождественны друг другу, все фотоны тождественны друг другу и т.п.

В 1936г. П.Дирак предположил, что каждой частице соответствует античастица, отличающаяся от нее только знаком заряда. В 1936г. был открыт позитрон - античастица электрона, в 1955г. - антипротон, в 1956г. - антинейтрон. Сейчас уже не вызывает сомнения, что каждая частица имеет своего «двойника» - античастицу, совершенно идентичную по всем физическим характеристикам, кроме заряда. В 70-80-е гг. XX века в физике появилось множество теорий антивещества и антиматерии. Наиболее сложной формой антивещества, полученной в лабораторных условиях, являются антиядра трития, гелия. Эксперименты по получению антивещества были выполнены на серпуховском ускорителе в 1970-1974 гг. В 1998г. получены первые атомы антиводорода.

К середине 60-х гг. XX в. число известных адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень материи. В 1964г. была создана теория строения адронов, или теория кварков. Ее авторы - физики М.Гелл-Манн и Д.Цвейг. Слово «кварк» позаимствовано М.Гелл-Маном из романа Дж.Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого слышались слова о трех кварках. Слово «кварк» не имеет прямого смыслового значения. Кварки - это гипотетические материальные объекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной. Кварковая теория позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Адроны состоят из более мелких частиц - кварков. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков - дробный заряд. Кварки различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Для того чтобы учесть все известные адроны, необходимо было предположить существование шести видов кварков, различающихся ароматом: u (uр - верхний), d(down- нижний), s (strange- странный), с (сharm- очарование), b (beauty- прелесть) и t (tор - верхний). Существует устойчивое мнение, что кварков не должно быть больше.

Считается, что каждый кварк имеет один из трех возможных цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире, цвет кварка, как и аромат, - условное название для определенной физической характеристики. Гипотеза о существовании цвета у кварков впервые была высказана в 1965г. независимо Н.Боголюбовым, Б.Струминским, А.Тавхелидзе и М.Ханом, И.Намбу. Впоследствии она получила значительное число экспериментальных подтверждений.

Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединяясь тройками, соответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного - антикрасного, синего - антисинего и т.п.

Таким образом, можно говорить о цветовой симметрии в микромире. Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Глюоны также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например красный- антисиний и т.п., т.е. глюон. состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат.

Известно восемь типов глюонов. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют свой цвет и аромат. В слабых взаимодействиях - меняют аромат, но сохраняют цвет. Теория кварков позволяет предложить стройную и гармоничную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из тяжелого ядра (протоны и нейтроны, связанные глюонными полями) и электронной оболочки. Сейчас теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.

5. Фундаментальные физические взаимодействия

Способность к взаимодействию - важнейшее и неотъемлемое свойство материи. Именно взаимодействия обеспечивают объединение различных материальных объектов мега-, макро- и микромира в системы. Все известные современной науке силы сводятся к четырем типам взаимодействий, которые называются фундаментальными: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Гравитационное взаимодействие впервые стало объектом изучения физики в XVIIвеке. Теория гравитации И.Ньютона, основу которой составляет закон всемирного тяготения, стала одной из составляющих классической механики. Закон всемирного тяготения гласит: между двумя телами существует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Любая материальная частица является источником гравитационного воздействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы. Силы гравитации - это силы притяжения.

В последнее время физики высказывают предположение о существовании гравитационного отталкивания, которое действовало в самые первые мгновения существования Вселенной, однако эта идея пока не подтверждена. Гравитационное взаимодействие - наиболее слабое из ныне известных. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью. Считается, что переносчиком гравитационного взаимодействия является гипотетическая частица гравитон. В микромире гравитационное взаимодействие не играет существенной роли, однако в макро- и особенно мегапроцессах ему принадлежит ведущая роль.

Электромагнитное взаимодействие стало предметом изучения в физике XIX в. Первой единой теорией электромагнитного поля выступила концепция Дж.Максвелла. В отличие от гравитационной силы электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле - между двумя покоящимися заряженными частицами, маг

нитное - между двумя движущимися заряженными частицами. Электромагнитные силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания. Одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно притягиваются. Переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие проявляется в микро-, макро- и мегамире.

В середине XX в. была создана квантовая электродинамика - теория электромагнитного взаимодействия, которая удовлетворяла основным принципам квантовой теории и теории относительности. В 1965г. ее авторы С.Томанага, Р.Фейнман и Дж.Швингер были удостоены Нобелевской премии. Квантовая электродинамика описывает взаимодействие заряженных частиц - электронов и позитронов.

Слабое взаимодействие было открыто только в XX в., в 60-е гг. построена общая теория слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, поэтому его открытие последовало только вслед за открытием радиоактивности. При наблюдении радиоактивного распада частиц обнаружились явления, которые, казалось бы, противоречили закону сохранения энергии. Дело в том, что в процессе распада часть энергии «исчезала». Физик В.Паули предположил, что в процессе радиоактивного распада вещества вместе с электроном выделяется частица, обладающая высокой проникающей способностью. Позже эта частица была названа «нейтрино». Оказалось, что в результате слабых взаимодействий нейтроны, входящие в состав атомного ядра, распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино. Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях - не более 10 -22 см. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны.

В 70-е гг. XXв. была создана общая теория электромагнитного и слабого взаимодействия, получившая название теории элек трослабого взаимодействия. Ее создатели С.Вайнберг, А.Салам и С.Глэшоу в 1979г. получили Нобелевскую премию. Теория электрослабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявления единого, более глубокого. Так, на расстояниях более 10 -17 см преобладает электромагнитный аспект явлений, на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и электромагнитный, и слабый ас пекты. Создание рассматриваемой теории означало, что объединенные в классической физике XIX веке, в рамках теории Фарадея-Максвелла электричество, магнетизм и свет, в последней трети XX в. дополнились феноменом слабого взаимодействия.

Сильное взаимодействие также было открыто только в XXв. Оно удерживает протоны в ядре атома, не позволяя им разлететься под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие осуществляется на расстояниях не более чем 10 -13 см и отвечает за устойчивость ядер. Ядра элементов, находящихся в конце таблицы Д.И.Менделеева, неустойчи вы, поскольку их радиус велик и, соответственно, сильное взаимодействие теряет свою интенсивность. Такие ядра подвержены распаду, который и называется радиоактивным. Сильное взаимодействие ответственно за образование атомных ядер, в нем участвуют только тяжелые частицы: протоны и нейтроны. Ядерные взаимодействия не зависят от заряда частиц, переносчиками этого типа взаимодействий являются глюоны. Глюоны объединены в глюонное поле (по аналогии с электромагнитным), благодаря которому и осуществляется сильное взаимодействие. По своей мощи сильное взаимодействие превосходит другие известные и является источником огромной энергии. Примером сильного взаимодействия выступают термоядерные реакции на Солнце и других звездах. Принцип сильного взаимодействия использован при создании водородного оружия.

Теорию сильного взаимодействия называют квантовой хро модинамикой. Согласно этой теории сильное взаимодействие есть результат обмена глюонами, в результате чего обеспечивается связь кварков в адронах. Квантовая хромодинамика продолжает развиваться, и хотя ее нельзя пока считать законченной концепцией сильного взаимодействия, тем не менее, эта физическая теория имеет прочную экспериментальную базу.

В современной физике продолжаются поиски единой теории, которая позволила бы объяснить все четыре типа фундаментальных взаимодействий. Создание подобной теории означало бы также построение единой концепции элементарных частиц. Этот проект получил название «Великое объединение». Основанием для убежденности, что такая теория возможна, является то обстоятельство, что на малых расстояниях (менее 10 -29 см) и при большой энергии (более 10 14 ГэВ) электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия описываются одинаковым образом, что означает общность их природы. Однако этот вывод имеет пока только теоретический характер, проверить его экспериментально до сих пор не удалось.

Различные конкурирующие между собой теории Великого объединения по-разному интерпретируют космологию. Например, предполагается, что в момент рождения нашей Вселенной существовали условия, в которых все четыре фундаментальных взаимодействия проявлялись одинаковым образом. Создание теории, объясняющей на единых основаниях все четыре типа взаимодействий, потребует синтеза теории кварков, квантовой хромодинамики, современной космологии и релятивистской астрономии.

Однако поиск единой теории четырех типов фундаментальных взаимодействий не означает, что невозможно появление иных трактовок материи: открытие новых взаимодействий, поиск новых элементарных частиц и т.п. Некоторые физики высказывают сомнение в возможности единой теории. Так, создатели синергетики И.Пригожий и И.Сгенгерс в книге «Время, хаос, квант» пишут; «надежду на построение такой "теории всего", из которой можно было бы вывести полное описание физической реальности, придется оставить» и обосновывают свой тезис закономерностями, сформулированными в рамках синергетики.

Важную роль в понимании механизмов взаимодействия элементарных частиц, их образования и распада сыграли законы сохранения. Помимо законов сохранения, действующих в макромире (закона сохранения энергии, закона сохранения импульса и закона сохранения момента импульса), в физике микромира были обнаружены новые: закон сохранения барионного, лептонного зарядов, странности и др.

Каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем мире. В физике под симметрией понимается инвариантность, неизменность системы относительно ее преобразований, т.е. относительно изменений ряда физических условий. Немецким математиком Эммой Нетер была установлена связь между свойствами пространства и времени и законами сохранения классической физики. Фундаментальная теорема математической физики, называемая теоремой Нетер, гласит, что из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из однородности времени - закон сохранения энергии, а из изотропности пространства - закон сохранения момента импульса. Эти законы носят фундаментальный характер и справедливы для всех уровней существования материи.

Закон сохранения и превращения энергии утверждает, что энергия не исчезает и не появляется вновь, а лишь переходит из одной формы в другую. Закон сохранения импульса постулирует неизменность импульса замкнутой системы с течением времени. Закон сохранения момента импульса утверждает, что момент импульса замкнутой системы остается неизменным с течением времени. Законы сохранения являются следствием симметрии, т.е. инвариантности, неизменности структуры материальных объектов относительно преобразований, или изменения физических условий их существования.

Итак, законы сохранения энергии и импульса связаны с однородностью времени и пространства, закон сохранения момента импульса - с симметрией пространства относительно вращений. Законы сохранения зарядов связаны с симметрией относительно специальных преобразований волновых функций, описывающих частицы.

Список использованной литературы:

1.	Ансельм А.И. Очерки развития физической теории в первой трети 20 века. М.: Наука, ГРФМЛ, 1986.
2.	Гейзенберг В. Картина природы в современной физике// Природа. (1987). №6
3.	Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989
4.	Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. М., 1980
5.	Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современногоестествознания. М.: Высшая школа., 1998, 592с.
6.	Карнап Р. Философские основания физики. М., 1971, 390с.
7.	Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.:, ЮНИТИ, 1997, 520с.
8.	Лобачевский Н.И., Риман Б., Клиффорд В., Эйнштейн А., Мах Э., Гроссман М., Гильберт Д., Шварцшильд К., Керр Р., Петров А.З., Фок В.А., де Ситтер В., Фридман А.А., и др. Альберт Эйнштейн и теория гравитации, 1979, 592 с.
9.	Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М., 2002, 704с.
10.	Хелзин Ф., Мартин А. Лептоны и кварки. М., 1987
11.	Шредингер Э. Новые пути к физике: статьи и речи, Наука.: 1971
12.	Шредингер Э. Что такое жизнь? С точки зрения физика. - М., 1972

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер - австрийский физиктеоретик, лауреат Нобелевской премии по физике . Один из разработчиков квантовой механики и волновой теории материи. В 1945 г. Шредингер пишет книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики?», оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Основополагающим является вопрос: «Как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?». Текст и рисунки восстановлены по книге, вышедшей в 1947 г. в издательстве Иностранной литературы.

Э. Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? – М.: РИМИС, 2009. – 176 с.

Скачать краткий конспект в формате или

Глава I. Подход классического физика к предмету

Наиболее существенная часть живой клетки - хромосомная нить - может быть названа апериодическим кристаллом. В физике мы до сих пор имели дело только с периодическими кристаллами. Поэтому не очень удивительно, что химик-органик уже сделал большой и важный взнос в разрешение проблемы жизни, в то время как физик не внес почти ничего.

Почему атомы так малы? Было предложено много примеров, чтобы уяснить этот факт широкой публике, но не было ни одного более выразительного примера, чем тот, который привел когда-то лорд Кельвин: предположите, что вы можете поставить метки на все молекулы в стакане воды; после этого вы выльете содержимое стакана в океан и тщательно перемешаете океан так, чтобы распределить отмеченные молекулы равномерно во всех морях мира; если вы далее возьмете стакан воды где угодно, в любом месте океана, - вы найдете в этом стакане около сотни ваших отмеченных молекул.

Все наши органы чувств, составленные из неисчислимых атомов, оказываются слишком грубыми, чтобы воспринимать удары отдельного атома. Мы не можем ни видеть, ни слышать, ни чувствовать отдельных атомов. Обязательно ли должно быть так? Если бы дело обстояло не так, если бы человеческий организм был столь чувствителен, что несколько атомов или даже отдельный атом мог бы произвести заметное впечатление на наши органы чувств, на что была бы похожа жизнь!

Имеется только одна и единственная вещь, представляющая особый интерес для нас в нас самих, - это то, что мы можем чувствовать, думать и понимать. В отношении тех физиологических процессов, которые ответственны за наши мысли и чувства, все другие процессы в организме играют вспомогательную роль, по крайней мере, с человеческой точки зрения.

Все атомы все время проделывают совершенно беспорядочные тепловые движения. Только в соединении огромного количества атомов статистические законы начинают действовать и контролировать поведение этих объединений с точностью, возрастающей с увеличением числа атомов, вовлеченных в процесс. Именно этим путем события приобретают действительно закономерные черты. Точность физических законов основана на большом количестве участвующих атомов.

Степень неточности, которую надо ожидать в любом физическом законе – . Если некоторый газ при определенном давлении и температуре имеет определенную же плотность, то я могу сказать, что внутри какого-то объема имеется n молекул газа. Если в какой-то момент времени вы сможете проверить мое утверждение, то вы найдете его неточным, и отклонение будет порядка . Следовательно, если n = 100, вы нашли бы отклонение равным приблизительно 10. Таким образом, относительная ошибка здесь равна 10%. Но если n = 1 миллиону, вы бы, вероятно, нашли отклонение равным примерно 1000, и таким образом относительная ошибка равняется 0,1%.

Организм должен иметь сравнительно массивную структуру для того, чтобы наслаждаться благоденствием вполне точных законов как в своей внутренней жизни, так и при взаимодействии с внешним миром. Иначе количество участвующих частиц было бы слишком мало и «закон» слишком неточен.

Глава II. Механизм наследственности

Выше мы пришли к заключению, что организмы со всеми протекающими в них биологическими процессами должны иметь весьма «многоатомную» структуру, и для них необходимо, чтобы случайные «одноатомные» явления не играли в них слишком большой роли. Теперь мы знаем, что такая точка зрения не всегда верна.

Разрешите мне воспользоваться словом «план» (pattern) организма, обозначая этим не только структуру и функционирование организма во взрослом состоянии или на любой другой определенной стадии, но организм в его онтогенетическом развитии, от оплодотворенной яйцеклетки до стадии зрелости, когда он начинает размножаться. Теперь известно, что весь этот целостный план в четырех измерениях (пространство + время) определяется структурой всего одной клетки, а именно - оплодотворенного яйца. Более того, ее ядром, а еще точнее – парой хромосом: один набор приходит от матери (яйцевая клетка) и один - от отца (оплодотворяющий сперматозоид). Каждый полный набор хромосом содержит весь шифр, хранящийся в оплодотворенной яйцеклетке, которая представляет самую раннюю стадию будущего индивидуума.

Но термин шифровальный код, конечно, слишком узок. Хромосомные структуры служат в то же время и инструментом, осуществляющим развитие, которое они же предвещают. Они являются и кодексом законов и исполнительной властью или, употребляя другое сравнение, они являются и планом архитектора и силами строителя в одно и то же время.

Как хромосомы ведут себя в онтогенезе? Рост организма осуществляется последовательными клеточными делениями. Такое клеточное деление называется митозом. В среднем достаточно 50 или 60 последовательных делений, чтобы произвести количество клеток, имеющихся у взрослого человека.

Как ведут себя хромосомы в митозе? Они удваиваются, удваиваются оба набора, обе копии шифра. Каждая, даже наименее важная отдельная клетка обязательно обладает полной (двойной) копией шифровального кода. Существует единственное исключение из этого правила – редукционное деление или мейоз (рис. 1; автор немного упростил описание, чтобы сделать его более доступным).

Один набор хромосом происходит от отца, один - от матери. Ни случайность, ни судьба не могут помешать этому. Но когда вы проследите происхождение вашей наследственности вплоть до ваших дедов и бабок, то дело оказывается иным. Например, набор хромосом, пришедших ко мне от отца, в частности хромосома № 5. Это будет точная копия или того № 5, который мой отец получил от своего отца, или того № 5, который он получил от своей матери. Исход дела был решен (с вероятностью 50:50 шансов). Точно та же история могла бы быть повторена относительно хромосом № 1, 2, 3… 24 моего отцовского набора и относительно каждой из моих материнских хромосом.

Но роль случайности в смешении дедушкиной и бабушкиной наследственности у потомков еще больше, чем это могло показаться из предыдущего описания, в котором молчаливо предполагалось или даже прямо утверждалось, что определенные хромосомы пришли как целое или от бабушки, или от дедушки; другими словами, что единичные хромосомы пришли неразделенными. В действительности это не так или не всегда так. Перед тем как разойтись в редукционном делении, скажем в том, которое происходило в отцовском теле, каждые две «гомологичные» хромосомы приходят в тесный контакт одна с другой и иногда обмениваются друг с другом значительными своими частями (рис. 2). Явление кроссинговера, будучи не слишком редким, но и не слишком частым, обеспечивает нас ценнейшей информацией о расположении свойств в хромосомах.

Рис. 2. Кроссинговер. Слева - две гомологичные хромосомы в контакте; справа - после обмена и разделения.

Максимальный размер гена. Ген – материальный носитель определенной наследственной особенности – равен кубу со стороной в 300 . 300 - это только около 100 или 150 атомных расстояний, так что ген содержит не более миллиона или нескольких миллионов атомов. Согласно статистической физике такое число слишком мало (с точки зрения ), чтобы обусловить упорядоченное и закономерное поведение.

Глава III. Мутации

Мы теперь определенно знаем, что Дарвин ошибался, когда считал, что материалом, на основе которого действует естественный отбор, служат малые, непрерывные, случайные изменения, обязательно встречающиеся даже в наиболее однородной популяции. Потому что было доказано, что эти изменения не наследственны. Если вы возьмете урожай чистосортного ячменя и измерите у каждого колоса длину остей, а затем вычертите результат вашей статистики, вы получите колоколообразную кривую (рис. 3). На этом рисунке количество колосьев с определенной длиной остей отложено против соответствующей длины остей. Другими словами, преобладает известная средняя длина остей, а отклонения в том и другом направлении встречаются с определенными частотами. Теперь выберите группу колосьев, обозначенную черным, с остями, заметно превосходящими среднюю длину, но группу достаточно многочисленную, чтобы при посеве в поле она дала новый урожай. Проделывая подобный статистический опыт, Дарвин ожидал бы, что для нового урожая кривая сдвинется вправо. Другими словами, он ожидал бы, что отбор произведет увеличение средней величины остей. Однако на деле этого не случится.

Рис. 3. Статистика длины остей в чистосортном ячмене. Черная группа должна быть отобрана для посева

Отбор не дает результата, потому что малые, непрерывные различия не наследуются. Они, очевидно, не обусловлены строением наследственного вещества, они случайны. Голландец Хуго де-Фриз открыл, что в потомстве даже совершенно чистосортных линий появляется очень небольшое число особей - скажем, две или три на десятки тысяч – с малыми, но «скачкообразными» изменениями. Выражение «скачкообразные» означает здесь не то, что изменения очень значительны, а только факт прерывистости, так как между неизмененными особями и немногими измененными нет промежуточных форм. Де-Фриз назвал это мутацией . Существенной чертой тут является именно прерывистость. Физику она напоминает квантовую теорию - там тоже не наблюдается промежуточных ступеней между двумя соседними энергетическими уровнями.

Мутации наследуются так же хорошо, как первоначальные неизмененные признаки. Мутация определенно является изменением в наследственном багаже и должна обусловливаться каким-то изменением наследственной субстанции. В силу их свойства действительно передаваться потомкам, мутации служат также подходящим материалом и для естественного отбора, который может работать над ними и производить виды, как это описано Дарвином, элиминируя неприспособленных и сохраняя наиболее приспособленных.

Определенная мутация вызывается изменением в определенной области одной из хромосом. Мы твердо знаем, что это изменение происходит только в одной хромосоме и не возникает одновременно в соответствующем «локусе» гомологичной хромосомы (рис. 4). У мутантной особи две «копии шифровального кода» больше уже не одинаковы; они представляют два различных «толкования» или две «версии».

Рис. 4. Гетерозиготный мутант. Крестом отмечен мутировавший ген

Версия, которой следует особь, называется доминантной, противоположная - рецессивной; другими словами, мутация называется доминантной или рецессивной в зависимости от того, проявляет ли она свой эффект сразу или нет. Рецессивные мутации даже более часты, чем доминантные, и бывают весьма важными, хотя они не сразу обнаруживаются. Чтобы изменить свойства организма, они должны присутствовать в обеих хромосомах (рис. 5).

Рис. 5. Гомозиготный мутант, полученный в одной четверти потомства при самооплодотворении гетерозиготных мутантов (см. рис. 4) или при скрещивании их между собой

Версия шифровального кода - будь она первоначальной или мутантной, - принято обозначать термином аллель . Когда версии различны, как это показано на рис. 4, особь называется гетерозиготной в отношении этого локуса. Когда они одинаковы, как, например, в немутировавших особях или в случае, изображенном на рис. 5, они называются гомозиготными. Таким образом, рецессивные аллели влияют на признаки только в гомозиготном состоянии, тогда как доминантные аллели производят один и тот же признак как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии.

Особи могут быть совершенно подобны по внешности и, однако, различаться наследственно. Генетик говорит, что у особей один и тот же фенотип, но различный генотип. Содержание предыдущих параграфов может быть, таким образом, суммировано в кратком, но высоко техническом выражении: рецессивная аллель влияет на фенотип, только когда генотип гомозиготен.

Процент мутаций в потомстве - так называемый темп мутирования - можно увеличить во много раз по сравнению с естественным мутационным темпом, если освещать родителей х -лучами или γ -лучами. Мутации, вызванные таким путем, ничем (за исключением большей частоты) не отличаются от возникающих самопроизвольно.

Глава IV. Данные квантовой механики

В свете современного знания механизм наследственности тесно связан с основой квантовой теории. Величайшим открытием квантовой теории были черты дискретности. Первый случай этого рода касался энергии. Тело большого масштаба изменяет свою энергию непрерывно. Например, начавший качаться маятник постепенно замедляется вследствие сопротивления воздуха. Хотя это довольно странно, но приходится принять, что система, имеющая размер атомного порядка, ведет себя иначе. Малая система по самому своему существу может находиться в состояниях, отличающихся только дискретными количествами энергии, называемыми ее специфическими энергетическими уровнями. Переход от одного состояния к другому представляет собой несколько таинственное явление, обычно называемое «квантовым скачком».

Среди прерывистой серии состояний системы атомов необязательно, но все же может существовать наиболее низкий уровень, предполагающий тесное сближение ядер друг с другом. Атомы в таком состоянии образуют молекулу. Молекула будет иметь известную устойчивость; конфигурация ее не может изменяться, по крайней мере до тех пор, пока она не будет снабжена извне разностью энергий, необходимой, чтобы «поднять» молекулу на ближайший, более высокий уровень. Таким образом, эта разница уровней, представляющая собой совершенно определенную величину, характеризует количественно степень устойчивости молекулы.

При всякой температуре (выше абсолютного нуля) имеется определенная, большая или меньшая, вероятность подъема на новый уровень, причем эта вероятность, конечно, увеличивается с повышением температуры. Наилучший способ выразить эту вероятность - это указать среднее время, которое следует выждать, пока не произойдет подъем, то есть указать «время ожидания». Время ожидания зависит от отношения двух энергий: энергетической разности, какая необходима для подъема (W), и интенсивности теплового движения при данной температуре (обозначим через Т абсолютную температуру и через kТ эту характеристику; k – постоянная Больцмана ; 3/2kT представляет собой среднюю кинетическую энергию атома газа при температуре Т).

Удивительно, насколько сильно время ожидания зависит от сравнительно малых изменений отношения W:kT. Например, для W, которое в 30 раз больше, чем kТ, время ожидания будет всего 1/10 секунды, но оно повышается до 16 месяцев, когда W в 50 раз больше kТ, и до 30 000 лет, когда W в 60 раз больше kТ.

Причина чувствительности в том, что время ожидания, назовем его t, зависит от отношения W:kТ как степенная функция, то есть

τ - некоторая малая константа порядка 10 –13 или 10 –14 секунды. Этот множитель имеет физический смысл. Его величина соответствует порядку периода колебаний, все время происходящих в системе. Вы могли бы, вообще говоря, сказать: этот множитель обозначает, что вероятность накопления требуемой величины W, хотя и очень мала, повторяется снова и снова «при каждой вибрации», т.е. около 10 13 или 10 14 раз в течение каждой секунды.

Степенная функция не случайная особенность. Она снова и снова повторяется в статистической теории тепла, образуя как бы ее спинной хребет. Это - мера невероятности того, что количество энергии, равное W, может случайно собраться в некоторой определенной части системы, и именно эта невероятность возрастает так сильно, когда требуется многократное превышение средней энергии kТ для того, чтобы преодолеть порог W.

Предлагая эти соображения как теорию устойчивости молекул, мы молчаливо приняли, что квантовый скачок, называемый нами «подъемом», ведет если не к полной дезинтеграции, то, по крайней мере, к существенно иной конфигурации тех же самых атомов - к изомерной молекуле, как сказал бы химик, то есть к молекуле, состоящей из тех же самых атомов, но в другом расположении (в приложении к биологии это может представлять новую «аллель» того же самого «локуса», а квантовый скачок будет соответствовать мутации).

Химику известно, что одна и та же группа атомов при образовании молекул может объединиться более чем одним способом. Такие молекулы называются изомерными, т.е., состоящими из тех же частей (рис. 6).

Замечателен тот факт, что обе молекулы весьма устойчивы, - обе ведут себя так, как если бы они были «нижним уровнем». Самопроизвольных переходов от одного состояния к другому не бывает. В применении к биологии нас будут интересовать переходы только такого «изомерного» типа, когда энергия, необходимая для перехода (величина, обозначаемая W), в действительности является не разностью уровней, а ступенькой от исходного уровня до порога (см. стрелки на рис. 7). Переходы без порога между исходным и конечным состояниями совершенно не представляют интереса, и не только применительно к биологии. Они действительно ничего не меняют в химической устойчивости молекул. Почему? Они не дают продолжительного эффекта и остаются незамеченными. Ибо когда они происходят, то за ними почти немедленно следует возвращение в исходное состояние, поскольку ничто не препятствует такому возвращению.

Рис. 7. Энергетический порог 3 между изомерными уровнями 1 и 2. Стрелки указывают минимум энергии, требующейся для перехода.

Глава V. Обсуждение и проверка модели Дельбрюка

Мы примем, что по своей структуре ген является гигантской молекулой, которая способна только к прерывистым изменениям, сводящимся к перестановке атомов с образованием изомерной молекулы (для удобства я продолжаю называть это изомерным переходом, хотя было бы нелепостью исключать возможность какого-либо обмена с окружающей средой). Энергетические пороги, отделяющие данную конфигурацию от любых возможных изомерных, должны быть достаточно высоки (сравнительно со средней тепловой энергией атома), чтобы сделать переходы редкими событиями. Эти редкие события мы будем отождествлять со спонтанными мутациями.

Часто спрашивали, как такая крошечная частичка вещества - ядро оплодотворенного яйца - может вместить сложный шифровальный код, включающий в себя все будущее развитие организма? Хорошо упорядоченное объединение атомов, наделенное достаточной устойчивостью для длительного сохранения своей упорядоченности, представляется единственно мыслимой материальной структурой, в которой разнообразие возможных («изомерных») комбинаций достаточно велико, чтобы заключать в себе сложную систему «детерминаций» в пределах минимального пространства.

Глава VI. Упорядоченность, неупорядоченность и энтропия

Из общей картины наследственного вещества, нарисованной в модели Дельбрюка, следует, что живая материя, хотя и не избегает действия «законов физики», установленных к настоящему времени, по-видимому, заключает в себе до сих пор неизвестные «другие законы физики». Попробуем разобраться с этим. В первой главе было объяснено, что законы физики, как мы их знаем, это статистические законы. Они связаны с естественной тенденцией вещей переходить к неупорядоченности.

Но для того, чтобы примирить высокую устойчивость носителей наследственности с их малыми размерами и обойти тенденцию к неупорядоченности, нам пришлось «изобрести молекулу», необычно большую молекулу, которая должна быть шедевром высоко дифференцированной упорядоченности, охраняемой волшебной палочкой квантовой теории. Законы случайности не обесцениваются этим «изобретением», но изменяется их проявление. Жизнь представляет собой упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время.

Что является характерной чертой жизни? Когда мы говорим про кусок материи, что он живой? Когда он продолжает «делать что-либо», двигаться, обмениваться веществами с окружающей средой и т.д., - и все это в течение более долгого времени, чем по нашим ожиданиям мог бы делать неодушевленный кусок материи при подобных же условиях. Если неживую систему изолировать или поместить в однородные условия, всякое движение, обычно, очень скоро прекращается в результате различного рода трений; разности электрических или химических потенциалов выравниваются, вещества, которые имеют тенденцию образовывать химические соединения, образуют их, температура становится однообразной благодаря теплопроводности. После этого система в целом угасает, превращается в мертвую инертную массу материи. Достигнуто неизменное состояние, в котором не возникает никаких заметных событий. Физик называет это состоянием термодинамического равновесия или «максимальной энтропии».

Именно в силу того, что организм избегает бы строго перехода в инертное состояние «равновесия», он и кажется столь загадочным: настолько загадочным, что с древнейших времен человеческая мысль допускала, будто в организме действует какая-то специальная, не физическая, сверхъестественная сила.

Как же живой организм избегает перехода к равновесию? Ответ прост: благодаря еде, питью, дыханию и (в случае растений) ассимиляции. Это выражается специальным термином-метаболизм (от греческого – перемена или обмен). Обмен чего? Первоначально, без сомнения, подразумевался обмен веществ. Но представляется нелепостью, чтобы существенным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т.д. так же хорош, как любой другой того же рода. Что могло бы быть достигнуто их обменом? Что же тогда составляет то драгоценное нечто, содержащееся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти?

Каждый процесс, явление, событие, все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части мира, где это происходит. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию - или, говоря иначе, производит положительную энтропию и таким образом приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, которое представляет собою смерть. Он может избегнуть этого состояния, то есть оставаться живым, только путем постоянного извлечения из окружающей его среды отрицательной энтропии. Отрицательная энтропия - вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив.

Что такое энтропия? Это не туманное представление или идея, а измеримая физическая величина. При абсолютном нуле температуры (около –273°С) энтропия любого вещества равна нулю. Если вы переводите вещество в любое другое состояние, то энтропия возрастает на величину, вычисляемую путем деления каждой малой порции тепла, затрачиваемой во время этой процедуры, на абсолютную температуру, при которой это тепло затрачено. Например, когда вы расплавляете твердое тело, то энтропия возрастает на величину теплоты плавления, деленной на температуру при точке плавления. Вы видите из этого, что единица, которой измеряется энтропия, есть кал/°С. Гораздо более важна для нас связь энтропии со статистической концепцией упорядоченности и неупорядоченности, связь, открытая исследованиями Больцмана и Гиббса по статистической физике. Она также является точной количественной связью и выражается

энтропия = k log D

где k - постоянна Больцмана и D - количественная мера атомной неупорядоченности в рассматриваемом теле.

Если D есть мера неупорядоченности, то обратная величина 1/D может рассматриваться как мера упорядоченности. Поскольку логарифм 1/D есть то же, что отрицательный логарифм D, мы можем написать уравнение Больцмана таким образом:

– (энтропия) = k log (1/D)

Теперь неуклюжее выражение «отрицательная энтропия» может быть заменено лучшим: энтропия, взятая с отрицательным знаком, есть сама по себе мера упорядоченности. Cредство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (= достаточно низкому уровню энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды (для растений собственным мощным источником «отрицательной энтропии» служит, конечно, солнечный свет).

Глава VIII. Основана ли жизнь на законах физики?

Все известное нам о структуре живого вещества заставляет ожидать, что деятельность живого вещества нельзя свести к обычным законам физики. И не потому, что имеется какая-нибудь «новая сила» или что-либо еще, управляющее поведением отдельных атомов внутри живого организма, но потому, что его структура отличается от всего изученного нами до сих пор.

Физикой управляют статистические законы. В биологии мы встречаемся с совершенно иным положением. Единичная группа атомов, существующая только в одном экземпляре, производит закономерные явления, чудесно настроенные одно в отношении другого и в отношении внешней среды, согласно чрезвычайно тонким законам.

Мы здесь встречаемся с явлениями, регулярное и закономерное развертывание которых определяется «механизмом», полностью отличающимся от «механизма вероятности» физики. В каждой клетке руководящее начало заключено в единичной атомной ассоциации, существующей только в одной копии, и оно направляет события, служащие образцом упорядоченности. Подобное не наблюдается нигде за исключением живого вещества. Физик и химик, исследуя неодушевленную материю, никогда не встречали феноменов, которые им приходилось бы интерпретировать подобным образом. Такой случай еще не возникал, и поэтому теория не покрывает его – наша прекрасная статистическая теория.

Упорядоченность, наблюдаемая в развертывании жизненного процесса, возникает из иного источника. Оказывается, есть два различных «механизма», которые могут производить упорядоченные явления: «статистический механизм», создающий «порядок из беспорядка», и новый механизм, производящий «порядок из порядка».

Для объяснения этого мы должны пойти несколько дальше и ввести уточнение, чтобы не сказать улучшение, в наше прежнее утверждение, что все физические законы основаны на статистике. Это утверждение, повторявшееся снова и снова, не могло не привести к противоречию. Ибо действительно имеются явления, отличительные черты которых явно основаны на принципе «порядок из порядка» и ничего, кажется, не имеют общего со статистикой или молекулярной неупорядоченностью.

Когда же физическая система обнаруживает «динамический закон» или «черты часового механизма»? Квантовая теория дает на этот вопрос краткий ответ, а именно - при абсолютном нуле температуры. При приближении к температуре нуль молекулярная неупорядоченность перестает влиять на физические явления. Это - знаменитая «тепловая теорема» Вальтера Нернста , которой иногда, и не без основания, присваивают громкое название «Третьего Закона Термодинамики» (первый - это принцип сохранения энергии, второй - принцип энтропии). Не следует думать, что это должна быть всегда очень низкая температура. Даже при комнатной температуре энтропия играет удивительно незначительную роль во многих химических реакциях.

Для маятниковых часов комнатная температура практически эквивалентна нулю. Это - причина того, что они работают «динамически». Часы способны функционировать «динамически», так как они построены из твердых тел, чтобы избежать нарушающего действия теплового движения при обычной температуре.

Теперь, я думаю, надо немного слов, чтобы сформулировать сходство между часовым механизмом и организмом. Оно просто и исключительно сводится к тому, что последний также построен вокруг твердого тела - апериодического кристалла, образующего наследственное вещество, не подверженное в основном воздействию беспорядочного теплового движения.

Эпилог. О детерминизме и свободе воли

Из того, что было изложено выше, ясно, что протекающие в теле живого существа пространственно-временные процессы, которые соответствуют его мышлению, самосознанию или любой другой деятельности, если не вполне строго детерминированы, то во всяком случае статистически детерминированы. Это неприятное чувство возникает потому, что принято думать, будто такое представление находится в противоречии со свободой воли, существование которой подтверждается прямым самонаблюдением. Поэтому посмотрим, не сможем ли мы получить правильное и непротиворечивое заключение, исходя из следующих двух предпосылок:

1. Мое тело функционирует как чистый механизм, подчиняясь всеобщим законам природы.
2. Однако из неопровержимого, непосредственного опыта я знаю, что я управляю действиями своего тела и предвижу результаты этих действий. Эти результаты могут иметь огромное значение в определении моей судьбы, и в таком случае я чувствую и сознательно беру на себя полную ответственность за свои действия.

Автор здесь выражается неточно, говоря о расположении в хромосоме «свойств» или «признаков». Как он сам далее указывает, в хромосоме расположены не сами свойства, а лишь определенные материальные структуры (гены), различия в которых приводят к видоизменениям определенных свойств всего организма в целом. Это надо постоянно иметь в виду, ибо Шредингер все время пользуется кратким выражением «свойства». - Прим. пер.

Я не вполне понял этот пассаж Шредингера. Замечу, что в послесловии, написанном переводчиком в 1947 г., философия Шредингера подвергается критике с позиций марксизма-ленинизма… 🙂 Прим. Багузина

Звук, с точки зрения физики - это энергия. В зависимости от частоты звуковых колебаний, уровня громкости, ритма и гармонии, звук может воздействовать на человека положительно или отрицательно. Правильно подобранные звуковые колебания способны активизировать резервы человека. С помощью звука такие физиологические функции, как пульс, сердечный ритм, дыхание, пищеварение, могут быть скоординированы.

Как всем известно, звуки и звуки музыки в частности, являются продольными волнами. И как любые волны, изменяются в замкнутом (или открытом) пространстве на некоторую величину. Параллельно звуковые волны, в силу своих параметров, оказывают влияние на пространство. Даже незначительные изменения уровня мерности пространства (например, человек, вошедший в помещение, наполненное звучащей музыкой; или, напротив, в помещении с людьми включается музыка) вызывают перераспределение музыкальных волн, пронизывающих данный объём пространства.

В результате этого, будучи пронизываемо музыкальными звуковыми волнами, изменяется и пространство; в данном пространстве изменяется распределение первичных волн. Как следствие, изменяется и состояние человека, находящегося в зоне воздействия звуковых волн. Происходит вторичное насыщение человеческого организма волновыми материями.

Колокольный звон

Еще в глубокой древности было известно, что звуковые колебания способны оказывать эффективное лечебное или болезнетворное воздействие на человеческий организм и психику. Одной из самых страшных в Средневековье считалась казнь «под колоколом», когда приговоренного помещали под большой колокол, а затем в этот колокол били. Пагубной, в данном случае, была, в первую очередь сила звуковых волн (громкость), а также интенсивность волновых колебаний.

Попутно можно отметить, что в настоящее время колокольный звон широко используется уже в положительных целях (что доказано исследованиями - звуковые волны, вызванные биением колокола, совпадают между собою и их резонанс благотворно действует на организм человека, но при этом уничтожает бактерии).

Колокольная звонница - это мини-оркестр , который по православной традиции условно делится на 3 группы колоколов: малые (зазвонные), средние (подзвонные) и большие (благовестники). Звон колоколов той или иной группы преимущественно создаёт соответствующие эмоциональные настроения; известно, что более низкие тона действуют успокаивающе, в то время как высокие - возбуждают . Эти знания отчасти и применяют церковные звонари в зависимости от характера праздника и богослужения.

Еще больше влиять на эмоциональное восприятие прихожан можно, используя ладовую основу и динамику звонов. Так, если вы имеете в звоннице мажорный лад, то при увеличении темпа звона он вызывает радостное настроение, а при снижении темпа - спокойствие; при минорном ладе ускорение звона вызывает беспокойство (или гнев), а при замедлении - печаль. Правда, такая закономерность в колокольном звоне не всегда однозначна.

Таким образом, звук - это волна, которая в зависимости от её параметров, воздействует на организм человека как положительно, так и отрицательно.

Попытаемся разобраться, что при этом происходит на клеточном уровне.

Звук, как доктор или палач

Звуковая волна, как и любая другая продольная волна, приходит единым фронтом, и её действие продолжается некоторый промежуток времени, в течение которого сохраняется изменённое состояние клеток. С рассеиванием звуковой волны клетки тела возвращаются к качественному состоянию, в котором они находились до прихода волны. При этом человек переживает соответствующие эмоции.

Таким образом, звуки музыки вызывают у слушателей вынужденные эмоции. Вопрос заключается в том, какие вынужденные эмоции создаёт та или иная музыка?

Распространение звуков в пространстве происходит очень быстро. Распространяющиеся сгустки воздуха (волны), чередуются друг с другом с различной частотой. Поэтому и звуки, которые мы слышим, имеют различную высоту.

Воздушные волны, которые имеют наименьшую частоту колебаний, воспринимаются как низкие, басовые (ударные) звуки. И наоборот, волны, чередующиеся с высокой частотой колебаний, воспринимаются слухом как высокие. Учитывая тот факт, что колебания звуковой волны (биения) обозначаются в Герцах (сокращенно Гц), следует обратиться к научной трактовке этой единицы измерения.

Что такое Герц (Hz)?

Герц - единица для обозначения частоты периодических процессов (в нашем случае - частота звуковых колебаний) в Международной системе единиц; международное обозначение: Hz .

1 Гц означает одно исполнение (реализацию) процесса биения за одну секунду, другими словами - одно колебание в секунду. Приблизительно с такой же частотой в спокойном состоянии бьётся человеческое сердце (примечательно, что Herz в переводе с немецкого означает «сердце»).

Например, 10 Гц - десять исполнений такого процесса, или десять колебаний за одну секунду. Если частота воздушной волны в 200 Гц, это значит, колебания плотности воздуха - 200 раз в одну секунду. Таким образом, частота звука измеряется в герцах, то есть в количестве колебаний за одну секунду. Более интенсивные колебания (тысячи колебаний в секунду) измеряются в килогерцах.

Человеческое ухо воспринимает частоту колебания воздуха как высоту тона (звука): чем интенсивнее колебания воздуха, тем выше звук. Ухо человека способно воспринимать не все звуковые частоты. Доказано, что среднестатистический человек не может слышать звуки частотой ниже 20 Гц и выше 20 кГц. При старении человек всё хуже слышит высокие частоты. Музыканты воспринимают звук в чуть большем диапазоне: 16 герц - 22 килогерца. Частотный диапазон, улавливаемый человеческим ухом, условно делят на три части: нижний звуковой диапазон, средний и верхний.

• 0 - 16 Гц - Инфразвук (сверхнизкий тон)

• 16 - 70 Гц - Басы

• 100 - 120 Гц - Мидбас (средние басы)

• 500 Гц - 1 кГц - Нижнесредние частоты

• 4,5 - 5 кГц - Средние частоты

• 5 - 10 кГц - Средневысокие частоты

• 10 - 20 кГц - Высокие частоты («верха»)

• 16 - 22 кГц - Ультразвук (сверхвысокий тон)

Звуки, которые превышают значения в 20 кГц, называются ультразвуком (высокие частоты). Хотя ультразвук и не слышен ухом человека, он широко применяется в медицине и других сферах.

Воздействие частот на организм человека

В настоящее время, в результате скрупулезных опытов доказано, что каждый орган человеческого организма резонирует с определенной частотой колебаний. Приведем резонансы некоторых органов:

• 20-30 Гц (т.е. 20-30 колебаний в секунду) - резонанс головы

• 40-100 Гц - резонанс глаз

• 0.5-13 Гц - резонанс вестибулярного аппарата

• 4-6 Гц - резонанс сердца

• 2-3 Гц - резонанс желудка

• 2-4 Гц - резонанс кишечника

• 6-8 Гц - резонанс почек

• 2-5 Гц - резонанс рук

В исследованиях часто выделяется звуковые колебания с конкретными числовыми значениями частот, которые резонируют с определенным участком мозга.

Например, низкий Бета-ритм частотой 15 Гц представляет нормальное состояние бодрствующего сознания. Альфа-ритм частотой 10,5 Гц вызывает состояние глубокой релаксации. Все аспекты имеют прямое отношение к воздействию музыки на организм человека.

Хотелось бы обратить особое внимание на периодичность повторения (ритм) низких звуков. Каждая новая низкочастотная звуковая волна приносит с собой изменение клеток в зоне попадания звуковой волны. И всё повторяется вновь. Интервал между моментом завершения действия одной низкочастотной звуковой волны и приходом следующей имеет огромное значение. После «отката» звуковой волны телом клетки производится выброс накопленного избытка концентрации этой материи, и состояние клетки возвращается к исходному.

А если новая звуковая волна приходит до того момента, как клетка ещё не успела вернуться к исходному состоянию? В таком случае звуковая энергия новой волны не позволяет клетке вернуться к исходному состоянию и вынужденно удерживает клетку на этом качественном уровне. Другими словами, периодически повторяющиеся низкочастотные звуки не только провоцируют у человека определённую эмоциональную реакцию, но и в состоянии навязать ему это эмоциональное состояние. Эмоциональные состояния навязываются человеку против его воли, часто даже без понимания с его стороны того, что ему что-то навязывают.

Периодически повторяющиеся низкочастотные звуки в состоянии не только вынужденно удерживать клетку на определённом качественном уровне, но могут вызывать и частичное разрушение её качественных структур. Естественно, это приводит к дестабилизации клетки в целом и частичному разрушению тела клетки, в первую очередь, структур клетки, которые у молодёжи находятся в стадии развития и поэтому легко могут быть разрушены подобным процессом.

Звуковые волны с частотой 6-8 Герц (6-8 биений звуковой волны в секунду), вообще являются оружием. Фронт звуковой волны с данной частотой вызывает такое перераспределение первичных материй при своём прохождении, что вызывает необратимые процессы у высокоорганизованных клеток, которыми являются нейроны мозга. В результате этого возникает перегрузка мозга и нейроны разрушаются, что в итоге приводит к их смерти…

Как учёные объясняют влияние музыки на здоровье?

Вибрация звуков создает энергетические поля, заставляющие резонировать каждую клеточку человеческого организма. Тело «поглощает» энергию, образованную музыкальными звуками (волнами), которая нормализует ритм дыхания, пульс, артериальное давление, температуру, снимает мышечное напряжение. Негармоничная музыка может с помощью электромагнитных волн изменять кровяное давление, частоту сердечных сокращений, ритм и глубину дыхания вплоть до полной его остановки на короткий промежуток времени.

Интересно то, что музыку наш мозг воспринимает одновременно обоими полушариями: левое полушарие отвечает за ритм, а правое - тембр и мелодию. Самое сильное воздействие на организм человека оказывает ритм. Ритмы музыкальных произведений лежат в диапазоне от 2,2 до 4 колебаний в секунду, что очень близко к частоте дыхания и сердцебиения. Организм человека, слушающего музыку, как бы подстраивается под неё. В результате поднимается настроение, работоспособность, снижается болевая чувствительность, нормализуется сон, восстанавливается стабильная частота сердцебиения и дыхания.

Немногим известен случай, произошедший в США во время сверхсекретных испытаний самолетов-невидимок «Стэлс». Когда домохозяйки небольшого городка, расположенного недалеко от секретной авиабазы, стирали в эмалированных тазиках (которые по форме и по некоторым качествам походили на параболическую антенну) белье, то начинали слышать у себя в голове переговоры летчиков с авиабазой. Все дело в том, что несущая частота радиостанций была выбрана нестандартной и оказалась равной одной из резонансных частот организма.

Музыкальные пристрастия

Для многих не секрет, что разным возрастным группам нравится разная музыка. Но мало кто задумывался над вопросом - почему? Дело в том, что одна и та же музыка по-разному влияет на людей, имеющих различный интеллектуальный и нравственный уровень. Музыка предлагает сущности человека определённое качественно состояние, которое может быть в гармонии с его собственным, или является полностью несовместимым.

В первом случае человек чувствует внутренний подъём, радость. При этом реакция происходит на подсознательном уровне и практически не контролируется сознанием человека. При дисгармонии между музыкой и качественной структурой сущности (состоянием человека), у человека может появиться раздражение или другие эмоциональные проявления, побуждающие человека прекратить слушать данную музыку. Подобное реагирование на музыку является защитной реакцией человека.

Давайте попытаемся понять, почему при слушании музыки может появиться защитная реакция? Как музыка воздействует на человека?

Классическая и эстрадная музыка

С одной стороны, не будем исключать так называемый «человеческий фактор». Ведь все люди разные и интерес к музыкальным направлениям также сугубо индивидуален. Однако, такая занимательная наука, как физика позволяет нам взглянуть на этот вопрос совсем в другом ракурсе.

В классической музыке преобладают высокие частоты, которые наиболее полезны для здоровья и интеллекта, хотя и труднее воспринимаются неискушенным слушателем. Важная роль в классике принадлежит средним частотам (в фольклоре европейских народов средние частоты являются основополагающими).

Вы никогда не задумывались, почему так мало людей любят классическую музыку? Теперь вы знаете. Высокочастотные звуки, используемые в музыке стиля Барокко, обладают большей длиной волны, чем наш мозг способен улавливать. Поэтому некоторые люди испытывают дискомфорт при длительном прослушивании «классики», особенно Барокко. А между тем давно известно, что академическая музыка положительно влияет на организм человека.

Музыка времён Баха приводит к тому, что мозг начинает кроме синхронизации работы полушарий генерировать так называемые Тета - волны , что приводит к улучшению памяти, повышению концентрации, внимание гораздо дольше удерживается на предмете изучения. О том, что музыка периода классицизма оказывает положительное влияние на работоспособность мозга, уже известно.

Но в современной эстрадной музыке всё больше преобладают низкие частоты, которые ранее как в классике, так и в народной музыке применялись лишь эпизодически.

Человеческий мозг не очень любит высокочастотные звуки. Этим можно объяснить такую популярность поп-музыки. Звуки её низкочастотны (порядка 40-66 Гц - этот отрезок охватывает нижние и средние басы, не доходя даже до нижнесредних частот). Отсюда и пристрастия людей к «клубной» музыке.

Послушав, например, музыку в стиле 80-х, можно понять, что низкие частоты звука в тот период ещё не применялись, в настоящее же время им уделяется всё большее внимание. Сегодня молодежь убеждена, что низкие частоты звука «украшают» современную музыку, дополняют её той изюминкой, которой не хватало раньше.

На самом деле, сами того не подозревая, они «порабощены» не так самой музыкой, как именно низкими частотами, которые, действуя на организм, как следствие создают определенное эмоциональное состояние. Низкие частоты, которые используются в этой музыке, не напрягают, а даже в какой-то степени зомбируют людей. Здесь не следует путать «человеческий фактор» (т.е. личные пристрастия, не имеющие отношения к физическим и акустическим законам) и научные факты.

Музыка как физическое явление (частота волнового биения) вызывает сходное действие у любого человеческого организма и не только. Аналогичное воздействие испытывают любые живые организмы, как, например, животные и растения. Естественно, не являются исключением и люди.

Влияние звука на воду

Широко известен опыт, показывающий, как музыка влияет на воду. Исследователи ставили между динамиками музыкального центра колбу с водой, включали различную музыку и внезапно охлаждали воду в процессе звучания музыки. После «прослушивания» водой классических симфоний, получались красивые, правильной конфигурации кристаллы с отчетливыми «лучиками». А вот тяжёлый рок превращал воду в замерзшие страшные рваные осколки. Этому на первый взгляд удивительному явлению есть научное объяснение. С точки зрения физики всё очень просто - несовпадение звуковых волн, их хаотичное «биение» по объекту вызывает аналогичный эффект водной массы с хаотичным беспорядочным движением; а замораживание лишь фиксирует состояние воды на данный момент.

У каждого звука своя частота. Слишком высокие или слишком низкие звуки мы не слышим, но, как уже известно, материальны и они. Американские ученые лаборатории Jet Propulsion в Пасадене открыли феномен «звукосвечения». Направляя мощные ультразвуки в стеклянный сосуд с водой, они увидели, как образуются крошечные пузырьки, излучающие голубоватый свет. Этот феномен доказывает реальность физического воздействия звуков на материю, причем, не только слышимых, но и тех, которые человеческое ухо не способно воспринимать.

В качестве примера были произведены элементарные с точки зрения физики опыты по воздействию звука на любые вещества, как органические, так и неорганические, например, воду.

Влияние звука на сахар

Первый опыт демонстрирует воздействие низких звуков (басов) на воду. В результате хаотичных биений звуковых волн, колебания которых не совпадают, образуя антирезонанс, на воде образуется беспорядочная рябь.

Второй опыт демонстрирует воздействие высоких звуков на сахар. Большая часть данного примера сопровождается звуком, который воспринимается слухом. Таким образом, - это ещё не ультразвук (который воспринимается человеком только на уровне подсознания), а используется обычный высокочастотный звук; лишь в конце эксперимента он переходит в сверхвысокое звучание. Соответственно - здесь изначальная частота звука не превышает 20000 Гц (= 20 кГц), примерный диапазон частот - от 100 Гц до 30 кГц.

С ультразвуком (при частоте колебания выше 20 кГц) происходило бы нечто подобное, с той лишь разницей, что длина волны была бы намного меньше, а узоры мельче (что-то похожее на рябь на воде).

Ультразвук с точки зрения физики - это колебание частиц упругой среды. Ученым хорошо известно, что ультразвук способен изменить мембрану клеток (вплоть до летального исхода), разрушить здание и т.п.; в области биофизики и медицины этой теме посвящено немало мыслей. Именно для подтверждения таких выводов представлен данный пример, процесс которого рассматривается ниже:

На вибрационный стенд крепится пластина, затем генератором частот задаётся частота колебаний. Происходящее далее описать несложно - частицы сахара собираются в областях с наименьшей амплитудой. Этот интерферентный узор, названный фигурами Хладни (в честь учёного - Эрнста Хладни), образуется при «встрече» звуковых волн, исходящих из разных точек. Волны при этом могут исходить непосредственно от источника (в данном случае - генератора) или являться отражением первичных волн.

Таким образом, подобный эффект является результатом наложения друг на друга сжатых или разреженных воздушных участков. Как уже известно, в момент образования звучания распространяющиеся сгустки воздуха (волны) чередуются друг с другом с различной частотой.

Хорошо заметно следующая взаимосвязь: чем выше звук, тем мельче узоры рисунка. Меняется частота звука, меняется и форма фигур. В данном случае наглядность опыта зависела не только от источника звука (расположение источника относительно поверхности с сахаром), или от того, как сам ультразвук направлен на пластину, но и от поверхности на которой рассыпан сахар.

Здесь тип поверхности - тонкая пластина - позволяет ультразвуку максимально эффективно действовать на эту поверхность. В результате стол с пластиной интенсивно подвергается волновому колебанию, и, соответственно, подвергает аналогичным процессам частицы сахара. Думается, что если поставить колонку на пол и рядом рассыпать сахар - эффект будет не таким ярким.

Но в любом случае, - звук, как волновое колебание, однозначно и эффективно действует на любой живой организм, в т.ч. и на человеческий. В свете вышерассмотренного следует осторожнее относиться к выбору музыки для прослушивания. Очень важно всегда сознательно и целенаправленно определять параметры её звучания, такие как громкость, продолжительность, насыщенность низкими частотами и т.п.

Собственно говоря, своим существованием человек нагло и демонстративно нарушает второй закон термодинамики. Согласно этому закону, все физические процессы в конечном итоге направлены в сторону энтропии (термодинамического равновесия), а ведь органическая жизнь возникла явно вопреки энтропийной направленности мира. Попробуем вскипятить чайник и выключить газовую горелку. Через энное количество времени температура воды в чайнике сравняется с температурой воздуха *.

Это и есть грубая модель действия энтропии. Если нет энергетической подпитки извне, любое физическое тело (материя) стремится прийти в равновесие с окружающей средой, приблизиться к максимально хаотическому состоянию. В этом смысле цель бытия материи - энергии - максимально равномерное (и в тепловом, и в динамическом смысле) рассредоточение в пространстве. И вот в этой стройной логической схеме, "как незаконная комета в кругу расчисленных светил", обнаруживается органическая жизнь, стремящаяся противостоять энтропии, создающая антиэнтропийную модель бытия.

Внутри человеческого организма (как и у всех других видов органической материи) есть своего рода "газовая горелка", рассчитанная на определенный срок работы. Живой организм - упорядоченная структура, с помощью метаболизма (обмена веществ) противостоящая переходу в равновесие с окружающей средой. Впрочем, еще в 1955 году Эрвин Шредингер возражал против примитивного трактования метаболизма как основы жизни.

"...Представляется нелепостью,- писал он,- чтобы главным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т. п. так же хорош, как любой другой атом того же элемента. Что же достигается их обменом? Одно время наше любопытство удовлетворялось утверждением, что мы питаемся энергией. В ресторанах некоторых стран вы могли бы найти карточки-меню, указывающие цену каждого блюда и содержание в нем энергии (калорий). Нечего и говорить, что это нелепость, ибо во взрослом организме содержание энергии так же постоянно, как и содержание материи. Каждая калория, конечно, имеет ту же ценность, что и любая другая, поэтому нельзя понять, чему может помочь простой обмен калорий".

Что же тогда составляет драгоценное нечто, содержащееся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти? На это легко ответить, считает Шредингер. "Каждый процесс, явление, событие (назовите его, как хотите), короче говоря, все, что происходит в Природе, означает увеличение энтропии в той части Вселенной, где это имеет место. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию, которая представляет собой нечто весьма положительное, как мы сейчас увидим. Отрицательная энтропия - это то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив".

Разъясняя механизм задержки перехода живого организма к термодинамическому равновесию (т. е. к смерти), неуклюжее выражение "отрицательная энтропия" Шредингер заменяет выражением "энтропия, взятая с отрицательным знаком, которая "есть сама по себе мера упорядоченности". Человеческий организм может противостоять смерти, лишь поддерживая себя на достаточно высоком уровне упорядоченности. Для этого ему нужно извлекать упорядоченность ив окружающей среды, дабы компенсировать энтропийные процессы, идущие в клетках. Вот почему живой организм не может питаться химическими веществами в первозданном виде, то есть - находящимися на низкой стадии упорядоченности. Нам для питания необходимо крайне хорошо упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органических соединениях.

Следующий вопрос, который мы задаем себе, исходя из теории "отрицательной энтропии", таков: почему же мы все-таки умираем, несмотря на то, что можем отлично питаться "органической упорядоченностью"? Умирают даже миллионеры, которые могут поглощать "отрицательную энтропию" любого качества и количества. Дело в том, что противостоянием энтропии в нашем организме заведует специальная программа, заложенная в наших генах. Программа эта рассчитана на определенный срок работ, после которого приводные ремни управления организмом рвутся, и тело начинает разрушаться по частям. (К вопросу о том, кто заложил в нас эту программу, мы еще вернемся.) Раньше ученые считали, что клетки человека могут делиться бесчисленное количество раз. Но Леонард Хайфлик обнаружил печальное для нас качество клеток - предел их деления. Таким образом, подтвердилась блестящая догадка Шредингера о сходстве между часовым механизмом и организмом. Это сходство, по словам физика, просто и исключительно сводится к тому, что в основе последнего лежит твердое тело - апериодический кристалл, образующий наследственное вещество, не подверженное воздействию беспорядочного теплового движения.

"Но, пожалуйста, не ставьте мне в вину,- кокетливо оправдывается Шредингер,- что я будто бы называю хромосомные нити "зубцами органической машины", но крайней мере, не делайте этого без ссылки на те глубокие физические теории, на которых основано сходство. Потому что действительно не нужно большого красноречия, чтобы напомнить основное различие между ними и оправдать для биологического случая эпитеты - новый и беспрецедентный.