Джеймс трефил
| Вид материала | Закон |
- Джеймс А. Дискретная математика и комбинаторика [Текст] / Джеймс А. Андерсон, 42.79kb.
- Джеймс блиш города в полете 1-4 триумф времени вернись домой, землянин жизнь ради звезд, 10495.38kb.
- Джеймс Н. Фрей. Как написать гениальный роман, 2872.12kb.
- Мюриел Джеймс, Дороти Джонгвард, 4810.7kb.
- Кен Арнольд Джеймс Гослинг, 5058.04kb.
- Джеймс Джодж Бойл. Секты-убийцы (Главы из книги) Перевод с английского Н. Усовой, 844.92kb.
- Джеймс Хэрриот, 3697.74kb.
- В. К. Мершавки Доктор Джеймс Холлис известный юнгианский аналитик, директор Центра, 1972.4kb.
- В. К. Мершавки Доктор Джеймс Холлис известный юнгианский аналитик, директор Центра, 5237.48kb.
- Джеймс Боллард, 2244.23kb.
жан-батист пьер-антуан де моне, шевалье де ламарк
(Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck, 1744-1829) — французский естествоиспытатель. Родился в Базантене (Пикардия)и был одиннадцатым ребенком в семье наполовину обедневших дворян. Пошел добровольцем в армию и служил во время Семилетней войны в разных французских военных учреждениях в районе Средиземного моря. Во время поездок заинтересовался растениями, и эти исследования принесли ему первое признание французского научного сообщества. После увольнения из армии некоторое время работал в банке, был трижды женат, но оставался бедным. Интересы Ламарка были очень разнообразны: ботаника (до Французской революции он был смотрителем Королевского ботанического сада), беспозвоночные животные (именно он впервые ввел этот термин), химия, метеорология, геология и палеонтология, что в конце концов и привело его к созданию первой целостной теории эволюции, изложенной в книге Философия зоологии (1809).
Магнетизм
•
1600
Благодаря различию свойств на уровне атомно-молекулярного строения все вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на три класса — ферромагнетики, парамагнетики или диамагнетики
1820
магнетизм
1895
ЗАКОН АМПЕРА
1895
ЗАКОН КЮРИ
1931
ТОЧКА КЮРИ
МАГНИТНЫЕ МОНОПОЛИ
Согласно закону ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, все равно индуцирует. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.
Теперь мы подходим к главному. В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он в целом создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.
Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамаг-нетики. Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.
Ферромагнетики
Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются постоянные магниты. На самом
деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит — тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.
Парамагнетики
В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.
Диамагнетики
В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции фараде я, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего
движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.
В отношении магнитных свойств вещества важно усвоить, что они зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении вы получите лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Итак, магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но никак не от свойства заряженных частиц атомной структуры.
Магнитные монополи
В природе до сих пор не найдено изолированных магнитных зарядов. Поток магнитного поля, проходящий через замкнутую поверхность, равен нулю
1600 • МАГНЕТИЗМ
1813 ТЕОРЕМА ГАУССА
1897 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
1931 магнитные монополи
У любого магнита есть два полюса — северный (отрицательный) и южный (положительный). Однако, если разрезать магнит пополам, вы не получите отдельно южный и отдельно северный полюс: вы получите два магнита половинного размера, и у каждого снова окажется два полюса, ориентированные так же, как и у исходного магнита. И сколько бы вы ни повторяли процесс такого деления магнитов, вы просто будете получать все больше и больше двухполюсных магнитиков или, выражаясь научным языком, магнитных диполей. Как бы вы ни изощрялись, однополярного магнита — положительного или отрицательного магнитного заряда, или монополя, — вы не получите. Иными словами, в природе магнитных монополей не существует.
Этот факт сразу же подчеркивает удивительную асимметрию между магнетизмом и электричеством. Согласно закону био — савара, магнитные поля возбуждаются при движении электрических зарядов, а первый из законов электромагнитной индукции фарадея показывает, что движение магнитов возбуждает электрические токи. однако носители электрических зарядов выделить можно — например, электроны несут отрицательный единичный заряд, а протоны — положительный. С магнитами же, судя по всему, дело обстоит иначе.
Ученые уже давно ведут теоретические дискуссии о том, существуют ли магнитные монополи, и пытаются обнаружить их экспериментально, однако до сих пор тщетно. Во многом эти усилия обусловлены критерием красоты теории. Для физиков-теоретиков Вселенная без магнитного монополя подобна прекрасной картине с зияющей дырой в холсте. В ранней вселенной должно было сформироваться великое множество магнитных монополей, однако при последующем стремительном расширении они оказались размазанными очень тонким слоем по холсту мироздания. Возможно, во всей видимой части Вселенной существуют считанные единицы магнитных монополей, хотя, рискну предположить, что их все-таки несколько больше, и рано или поздно они объявятся.
Если монополи будут открыты, придется пересмотреть формулировки некоторых законов, описывающих явления магнетизма, в частности теорему гаусса для магнитного поля. Представьте себе изолированный в пространстве магнитный монополь, окруженный замкнутой поверхностью произвольной конфигурации. В каждой точке поверхности будет наблюдаться магнитное поле, производимое монополем. Согласно закону Гаусса, суммарный магнитный поток, проходящий через такую замкнутую поверхность, должен равняться нулю, а в случае присутствия внутри нее магнитного монополя он будет, очевидно, отличен от нуля. То есть закон Гаусса не допускает существования магнитных монополей.
Закон Гаусса, собственно, и исходит из того, что магнитные поля производятся диполями, их силовые линии замыкаются и, как
следствие, проходят сквозь окружающую поверхность дважды — в ту и другую сторону. Поэтому суммарное поле и обнуляется. В случае же монополя, каковым, в частности, является электрический заряд, силовые линии не замыкаются сами на себя, и закон Гаусса не выполняется.
То есть, если допустить существование магнитного монополя, суммарный поток магнитного поля через поверхность не будет равен нулю, а будет пропорционален магнитному заряду и будут выполняться два закона Гаусса для электрического поля.
ок. 1900
Максимальная устойчивая добыча
Существует максимальное число особей, которых можно удалить из данной популяции, не ставя ее под угрозу исчезновения
РАВНОВЕСИЕ В ПРИРОДЕ
1798 ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ РОСТ
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СУКЦЕССИЯ
1950-е
1954
максимальная устойчивая
добыча
1967
ТЕОРИЯ РАВНОВЕСИЯ МАКАРТУРА-УИЛСОНА
ЗЕЛЕНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Численность популяции живых существ, например рыб или дичи, не постоянна — она меняется в зависимости от условий внешней среды и плотности этой популяции. Стандартный метод представления этих изменений — так называемая кривая роста популяции — график, показывающий, как меняется чистый прирост популяции (число рождений минус число смертей) с изменением плотности популяции. При низкой плотности происходит небольшое увеличение численности («прирост») популяции, просто потому, что слишком мало особей, приносящих потомство. Однако при высокой плотности возникает острая конкуренция за ресурсы, и чистый прирост вновь снижается, поскольку высока смертность. Между этими двумя крайними значениями скорость роста популяции повышается до некоторого максимального значения, а затем с увеличением плотности падает.
Точка максимума на кривой роста популяции соответствует максимальному числу особей, которые могут добавиться к популяции в результате естественных процессов. Если из популяции удаляется большее число особей, популяция пойдет на убыль, и вид будет обречен на вымирание. Максимальное число особей, которое можно удалить из популяции без ущерба для нее, устанавливается как точка максимума на кривой роста популяции. Это число и называется максимальной устойчивой добычей (или оптимальной добычей). Оно имеет чрезвычайно важное значение в деле охраны и регулирования ресурсов дикой природы — например, это число используется для установки максимальных квот на добычу промысловой рыбы по всему миру, а также квот на отстрел дичи в сезон охоты.
Однако концепцию максимальной устойчивой добычи не всегда легко применить на практике. Во-первых, биологи не всегда имеют достаточно данных, чтобы точно определить кривую роста популяции. Во-вторых, предположение, что кривая роста популяции имеет только один максимум, может оказаться неверным, и это может серьезно запутать дело. Чтобы учесть эти моменты при установлении планов добычи, биологи обычно вводят поправочные коэффициенты запаса.
1890, 1940-е
ок. 1930,
1980
1960-е
Массовые вымирания
Несколько событий в истории нашей планеты вызвали вымирание значительной части живших в то время видов
1666
•
1788
ЗАКОН ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НАПЛАСТОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
УНИФОРМИЗМ
РАДИОМЕТРИЧЕСКОЕ
ДАТИРОВАНИЕ
1940
МАССОВЫЕ ВЫМИРАНИЯ
ГИПОТЕЗА
СВЕРХМОЩНОГО
СТОЛКНОВЕНИЯ
ТЕКТОНИКА ПЛИТ
Долгое время палеонтологи пытались понять, почему же вымерли динозавры. Все-таки динозавры господствовали более 100 миллионов лет. Они были самой процветающим классом животных на нашей планете. А потом за какое-то время — может, за несколько тысяч лет, а может, за пару дней — они исчезли. Так что же случилось?
Предлагалось множество объяснений — от фантастических (динозавров истребили охотившиеся на них маленькие зеленые человечки на летающих тарелках) до весьма правдоподобных (изменение климата разрушило их экологическую нишу). Больше всего мне нравится объяснение, связывающее вымирание динозавров с появлением цветковых растений, произошедшим, как считается, 65 миллионов лет назад — как раз тогда, когда исчезли динозавры. Смысл в том, что до этого динозавры питались главным образом сосновыми иголками и подобной им пищей, насыщенной натуральными маслами, а когда им пришлось переключиться на траву, все они умерли от запора!
На самом деле палеонтологи редко фокусируют внимание на одном лишь вымирании динозавров — ведь 65 миллионов лет назад, когда динозавры были повержены в прах, вместе с ними исчезло 70% всех видов на Земле. Это событие, чем бы оно ни было вызвано, ученые называют массовым вымиранием. Мы знаем о многих таких событиях, и массовое вымирание, которое постигло динозавров, не было ни самым масштабным, ни самым последним из них. В зависимости от того, какое исчезновение видов называть «массовым», за последние 500 миллионов лет было от пяти до двенадцати массовых вымираний. Самое крупное произошло примерно 280 миллионов лет назад, а самое последнее — примерно 13 миллионов лет назад. Хотя некоторые ученые считают, что причина у всех массовых вымираний была одна и та же, объяснения сводятся в основном к изменению земного климата.
В 1980 году команда ученых из Калифорнийского университета в Беркли, состоящая из отца и сына, натолкнулась на факт, который привел к созданию лучшей на данный момент теории вымирания динозавров. Нобелевский лауреат Луис Альварес и его сын Уолтер провели тщательный анализ осадочных отложений, образование которых относится к тому же периоду, что и вымирание динозавров. В отложениях они обнаружили аномально высокую концентрацию химического элемента иридия — тяжелого металла, похожего на платину. Иридий крайне редко встречается на поверхности Земли, поскольку она в своем развитии уже давно прошла фазу расплавленного состояния, когда тяжелые металлы опускались ближе к центру Земли. Однако иридий в гораздо больших количествах содержится в некоторых типах астероидов. Итак, гипотеза, которую иногда называют гипотезой Альвареса, состояла в том, что иридий появился в осадочных отложениях в результате удара о Землю астероида диаметром около 11 км. Главным орудием убийства было облако пыли, которое несколько лет окуты-
вало Землю, не пропуская солнечные лучи и губя таким образом все живое на планете.
Вначале ученые отнеслись к этому заявлению весьма скептически, даже враждебно. Но через несколько лет стали появляться свидетельства в его пользу. Например, геологи при изучении отложений, образовавшихся во время гипотетического удара, обнаружили так называемый ударный кварц — минерал, который мог сформироваться только при высоких температуре и давлении, вызванных ударом астероида. Понемногу мнения специалистов стали склоняться к гипотезе Альвареса. Позже, в 1992 году, была найдено первое доказательство — кратер диаметром более 170 км на полуострове Юкатан в Мексике, большей частью похороненный под донными океанскими отложениями. Кратер Чиксулуб (он был назван по имени близлежащей рыбацкой деревушки) — один из самых крупных земных кратеров, и причиной его образования сегодня принято считать астероидный удар, который и положил конец эпохе динозавров. Недавние открытия, показавшие присутствие изотопов, характерных для астероидов, также и в ряде других отложений, говорят о том, что массовое вымирание, произошедшее 280 миллионов лет назад, могло быть вызвано аналогичными причинами.
Споры об астероидном ударе ученые теперь перенесли на другие массовые вымирания: были ли они также вызваны столкновением с каким-то небесным телом или же у них были иные причины — например, многочисленные извержения вулкана или внезапное изменение уровня моря? Сегодня ученые-эволюционисты пытаются ответить уже на эти вопросы.
ЛУИС УОЛТЕР АЛЬВАРЕС (Luis Walter Alvarez, 1911-88) — американский физик. Родился в Сан-Франциско, получил образование в Чикагском университете. В годы Второй мировой войны принимал участие в разработке радиолокационных систем захода на посадку, работал в Лос-Аламосе над проектом создания атомной бомбы. В Калифорнийском университете в Беркли усовершенствовал пузырьковую камеру — устройство для регистрации взаимодействий частиц высокой энергии, за что получил Нобелевскую премию по физике 1968 года. Гипотеза Альвареса появилась в результате исследований, которые он провел в 1980 году вместе со своим сыном — геологом Уолтером Альваресом (Walter Alvarez, р. 1940).
ок. 420 до н.э.
Механическая теория теплоты
Теплота представляет собой форму энергии, связанную с хаотичным движением атомов или молекул вещества
•
АТОМНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
1662 • ЗАКОН
БОЙЛЯ—МАРИОТТА
•
МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ
1787 • ЗАКОН ШАРЛЯ
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
1798
УРАВНЕНИЕ
СОСТОЯНИЯ
ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА
1827
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ
ТЕОРИЯ
1834
1849
Теплота — вещь мистическая. Можно взять в руку кусок дерева, и от него руке не будет, по большому счету, ни тепло, ни холодно. Однако стоит бросить его в огонь — и оно, загоревшись, будет выделять теплоту в большом количестве. Откуда же берется теплота? Издревле люди считали, что теплота представляет собой особую жидкость под названием флогистон, или теплород, заключенную в дереве и других горючих субстанциях и высвобождающуюся при горении. К концу XVIII века, однако, накопилось достаточно экспериментальных данных, чтобы убедиться в ошибочности такой теории.
Одним из первых современные представления о природе теплоты предложил Бенджамин Томпсон (граф Румфорд). Он всегда отличался техническим складом ума и всю свою жизнь интересовался наукой применительно к баллистике и оружейному делу, которым посвятил свою жизнь. Уже живя в Баварии, он был техническим управляющим пушечного завода. Грубо отлитые стволы обрабатывались изнутри сверлильной фрезой для доведения до нужного калибра и придания им должной гладкости. Румфорд заметил, что при расточке стволы нагреваются, причем тем сильнее, чем тупее фреза. Измерив теплоемкость металлической стружки, ему удалось показать, что тепло никак не могло храниться до расточки в веществе ствола, а следовательно, теплота возникает в результате трения. Рассказывают, что он даже помещал рассверливаемую пушку в воду и сверлил ее, пока вода не закипела спустя несколько часов.
Сегодня мы понимаем теплоту (точнее сказать, тепловую или термальную энергию) как особую форму энергии, связанную с движением атомов или молекул, из которых состоит материал. При притоке энергии извне атомы или молекулы разогреваются — т. е. начинают колебаться или двигаться быстрее, при остывании же движение замедляется. В жидкостях и газах увеличивается скорость хаотичного броуновского движения и частота соударений атомов или молекул друг с другом. В твердых же телах атомы с большей амплитудой колеблются вокруг своих мест в кристаллической решетке. В обоих случаях, однако, то, что мы воспринимаем как теплоту или термальную энергию, на самом деле является кинетической энергией атомов или молекул. Как и все другие формы энергии, подчиняющиеся первому началу термодинамики, тепловая энергия может переходить в другие формы энергии, и это используется, например, в двигателях внутреннего сгорания и электрогенераторах.