Джеймс трефил

Вид материала

Закон

Содержание Теория равновесия макартура— уилсона ЭдвАрд ОсБОрН уилсОН Теория сверхпроводимости Джон бардин Стационарной вселенной

Подобный материал:

• 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.

ТЕОРИЯ РАВНОВЕСИЯ МАКАРТУРА— УИЛСОНА


В природе существует немало изолированных экосистем, дающих уникальную возможность для наблюдения за появлением и исчезновением видов. Большинство таких экосистем — это острова, окруженные водой, но существуют также и другие виды «островов». Например, высокие плоскогорья или плато, окруженные пустыней или тропическими дождевыми лесами, напоминающие острова в небе, во всех отношениях так же изолированны, как и далекий атолл в Тихом океане.

Теория Макартура—Уилсона (иногда еще говорят «закон») названа в честь экологов Роберта Макартура и Эдварда О. Уилсона, сформулировавших ее в своей книге Теория островной биогеографии, вышедшей в свет в 1967 году. Книга посвящена определению количества видов, которые в конечном счете будут населять такую экосистему. Например, эти виды могут быть занесены на остров с ближайшего материка штормом или могут пересечь океан вместе с плавающим мусором. Представим себе, что изначально остров совершенно пуст — на нем вообще нет никакой жизни. Первое время каждый новый организм, попадающий на остров, с большой вероятностью будет пополнять общее количество видов, обитающих на острове. Однако все чаще вновь прибывшие будут обнаруживать на острове других представителей своего вида, а значит, разнообразие островных видов будет увеличиваться все медленнее. Если построить график, показывающий зависимость скорости заселения (т.е. числа новых видов, прибывших за данный период времени) от числа видов, уже заселивших остров, мы увидим, что скорость заселения высока тогда, когда число обитателей острова мало, и низка, когда их число велико.

Как только виды прибывают на остров, они начинают вымирать. (Здесь термин «вымирание» означает, что они просто перестают жить на этом острове, а не то, что они исчезли с лица Земли.) Когда число проживающих на острове видов невелико, число вымирающих видов также должно быть небольшим. Однако по мере увеличения числа видов, живущих на острове, число вымерших видов также будет расти — как вследствие возросшей конкуренции, так и просто потому, что чем больше видов, тем больше вероятность различных сбоев. Построив график зависимости числа вымерших видов от числа видов, обитающих на острове, мы получим кривую, возрастающую при увеличении числа островных видов.

Теперь представьте эти две кривые — одна начинается вверху и затем опускается вниз, другая начинается внизу и далее поднимается. В какой-то точке эти две кривые пересекутся. Это — точка равновесия Макартура—'Уилсона. Если популяция находится в этой точке и какой-то вид вымирает по той или иной причине, всегда найдется новый вид-иммигрант, который займет его место — ниши долго не пустуют. Но если новый вид прибывает на остров после того, как равновесие установилось, то какой-то из видов (вновь прибывший или другой) будет обречен на вымирание из-за усилившейся конкуренции. Таким образом, точка рав-


новесия — это биологическое разнообразие, «естественное» для данной конкретной экосистемы. Согласно теории, с течением времени количество видов в изолированной системе будет оставаться примерно на том же уровне. Исследования островных экосистем (Макартур и Уилсон проводили свои первые наблюдения во Флоридском заливе) подтверждают это предположение.

Важно понимать, что равновесие Макартура—Уилсона — это динамическая, меняющаяся ситуация, совсем не то же самое, что статическое равновесие в природе. И хотя количество видов с течением времени может оставаться постоянным, конкретные виды, представленные в популяции, в каждый момент будут разными, поскольку вымирание и заселение все время меняют состав действующих лиц.

Теория помогает сделать и другие прогнозы. Например, если скорость заселения снижается, количество островных видов, находящихся в равновесии, тоже должно уменьшиться. Так, если мы возьмем группу островов, то те из них, что расположены дальше от материка (то есть те, где предположительно существует больше препятствий для заселения), должны иметь более низкое разнообразие форм жизни, чем те, что находятся ближе к материку. Этот прогноз также подтверждается наблюдениями.


роберт хелмер макартур

(Robert Helmer MacArthur, 1930-72) — американский эколог. Родился в Принстоне, штат Нью-Джерси, в семье профессора генетики. Получил степень доктора в Йельском университете в 1958 году, преподавал в Пенсильванском университете, затем стал профессором биологии в Принстоне в 1968 году. Макартур объединил идеи экологии, генетики и биогеографии и совместно с Эдвардом О. Уилсоном заложил основы математического изучения популяций, разработав прогностические модели для экосистем (см. также теория оптимального фуражирования).

ЭдвАрд ОсБОрН уилсОН (Edward Osborne Wilson, р. 1929) — американский энтомолог и этолог. Родился в Бирмингеме, штат Алабама. В 1949 году окончил Алабамский университет, в 1955 году получил степень доктора в Гарварде, где девятью годами позже стал профессором. Его первая научная работа была посвящена сообществам насекомых и островным популяциям. Его книга «Социо-биология», изданная в 1972 году, принесла ему международную известность, причем довольно скандальную, поскольку в этой книге он утверждал, что и в сообществе животных, и в человеческом обществе действуют одни и те же врожденные рефлексы.


теория сверхпроводимости

Сверхпроводимость как явление возникает в результате образования куперовских пар электронов, ведущих себя подобно единой частице


•

xix

1826

электрические свойства вещества


1900
закон ома


электронная теория


1926
проводимости


полосная теория

твердотельной


1957
проводимости


1962

ТЕОРИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ


эффект джозефсона


Сверхпроводимость — вещь странная и в некоторой мере даже противоречащая здравому смыслу. Когда электрический ток течет по обычному проводу, то в результате наличия у провода электрического сопротивления ток совершает некую работу, направленную на преодоление этого сопротивления со стороны атомов, вследствие чего выделяется тепло. При этом каждое соударение электрона — носителя тока — с атомом тормозит электрон, а сам атом-тормоз при этом разогревается — вот почему спираль электрической плитки становится такой красной и горячей. Все дело в том, что спираль обладает электрическим сопротивлением и вследствие этого при протекании по ней электрического тока, выделяет тепловую энергию (см. закон ома).

В 1911 году нидерландский физик-экспериментатор Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes, 1853-1926) сделал удивительное открытие. Погрузив провод в жидкий гелий, температура которого составляла не более 4° выше абсолютного нуля (который, напомним, составляет -273° по шкале Цельсия или —460° по шкале Фаренгейта), он выяснил, что при сверхнизких температурах электрическое сопротивление падает практически до нуля. Почему такое происходит, он, собственно, не мог даже и догадываться, но факт оказался налицо. При сверхнизких температурах электроны практически не испытывали сопротивления со стороны атомов кристаллической решетки металла и обеспечивали сверхпроводимость.

Но почему все так происходит? Это оставалось тайной вплоть до 1957 года, когда еще три физика-экспериментатора — Джон Бардин (John Bardeen, 1908-1991), Леон Купер (Leon Cooper, р. 1930) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer, р. 1931) придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков.

А суть ее заключается в том, что при сверхнизких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в силу их низкого теплового движения и их можно считать фактически стационарными. Поскольку любой металл только потому и обладает присущими металлу электропроводящими свойствами, что отпускает электроны внешнего слоя в «свободное плавание» (см. химические связи), мы имеем, что имеем: ионизированные, положительно заряженные ядра кристаллической решетки и отрицательно заряженные электроны, свободно «плавающие» между ними. И вот проводник попадает под действие разности электрических потенциалов. Электроны — волей или неволей — движутся, будучи свободными, между положительно заряженными ядрами. Всякий раз, однако, они вяло взаимодействуют с ядрами (и между собой), но тут же «убегают». Однако в то самое время, пока электроны «проскакивают» между двумя положительно заряженными ядрами, они как бы «отвлекают» их на себя. В результате, после того как между двумя ядрами «проскочил» электрон, они на


недолгое время сближаются. Затем два ядра, конечно же, плавно расходятся, но дело сделано — возник положительный потенциал, и к нему притягиваются все новые отрицательно заряженные электроны. Тут самое важное — понять: благодаря тому, что один электрон «проскакивает» между атомами, он тем самым создает благоприятные энергетические условия для продвижения еще одного электрона. В результате электроны перемещаются внутри атомно-кристаллической структуры парами — по-другому они просто не могут, поскольку это им энергетически невыгодно. Чтобы лучше понять этот эффект, можно привлечь аналогию из мира спорта. Велосипедисты на треке нередко используют тактику «драфтинга» (а именно «висят на хвосте» у соперника) и тем самым снижают сопротивление воздуха. То же самое делают и электроны, образуя куперовские пары.

Тут важно понять, что при сверхнизких температурах все электроны образуют куперовские пары. Теперь представьте себе, что каждая такая пара представляет собой связку наподобие вермишели, на каждом конце которой находится заряд-электрон. Теперь представьте себе, что перед вами целая миска подобной «вермишели»: она вся состоит из переплетенных между собой куперовских пар. Иными словами, электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся их энергия. Соответственно, у электронов просто не остается энергии на взаимодействие с ядрами атомов кристаллической решетки. В итоге доходит до того, что электроны замедляются настолько, что им больше нечего терять (энергетически), а окружающие их ядра «остывают» настолько, что они более не способны «тормозить» свободные электроны. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника устремляется к нулю. За открытие и объяснение эффекта сверхпроводимости Бардин, Купер и Шриффер в 1972 году получили Нобелевскую премию.

С тех пор прошло немало лет, и сверхпроводимость из разряда явлений уникальных и лабораторно-курьезных превратилась в общепризнанный факт и источник многомиллиардных доходов предприятий электронной индустрии. А дело все в том, что любой электрический ток возбуждает вокруг себя магнитное поле (см. закон электромагнитной индукции фарадея). Поскольку сверхпроводники долгое время проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах, они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. и, если вы когда-нибудь подвергались медико-диагностической процедуре, которая называется электронной томографией и проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), то вы, сами того, возможно, не подозревая, находились в считанных сантиметрах от сверхпроводящих электромагнитов. именно они создают поле, позволяющее


врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.

современные сверхпроводники сохраняют свои уникальные свойства при нагревании вплоть до температур порядка 20°K (двадцать градусов выше абсолютного нуля). Долгое время это считалось температурным пределом сверхпроводимости. Однако в 1986 году сотрудники швейцарской лаборатории компьютерной фирмы IBM Георг Беднорц (Georg Bednorz, р. 1950) и Александр Мюллер (Alexander Mueller, р. 1927) открыли сплав, сверхпроводящие свойства которого сохраняются и при 30°K. сегодня же науке известны материалы, остающиеся сверхпроводниками даже при 160°К (то есть чуть ниже -100°C). При этом общепринятой теории, которая объясняла бы этот класс высокотемпературной сверхпроводимости, до сих пор не создано, но совершенно ясно, что в рамках теории БКШ ее объяснить невозможно. Практического применения высокотемпературные сверхпроводники на сегодняшний день не находят по причине их крайней дороговизны и хрупкости, однако разработки в этом направлении продолжаются.






ДЖОН БАРДИН (John Bardeen, войны служил в навигационной лабо1908-1991) — американский физик, ратории ВМФ США в Вашингтоне, по один из немногих дважды лауреатов окончании войны работал в радиолаНобелевской премии. Родился в боратории телефонной компании Bell, Мэдисоне, штат Висконсин, в семье где стал соавтором изобретения профессора-патологоанатома. Обра- транзистора, за что в 1956 году был зование получил в Мэдисонском и удостоен своей первой Нобелевской Принстонском университетах. В пере- премии по физике. После этого Бардин рыве между учебой в первом и стал профессором Университета втором несколько лет проработал в штата Иллинойс, где занялся разранефтяной компании Gulf Oil в качестве боткой теории БКШ, за которую вместе сейсмолога-разведчика нефтяных с соавторами в 1972 году получил залежей. В годы Второй мировой Нобелевскую премию во второй раз.


Теория стационарной Вселенной

Вселенная расширяется, однако материя постоянно образуется вновь в межгалактическом пространстве, поэтому у Вселенной нет начала и не будет конца


xvi • принцип коперника

1929 • закон хаббла

1948 • большой взрыв

1948 • ТЕОРИЯ

СТАЦИОНАРНОЙ ВСЕЛЕННОЙ


После открытия закона хаббла большинство астрономов приняли теорию большого взрыва — концепцию, согласно которой Вселенная образовалась в прошлом из некоей точки. Однако в 1940-е годы группа астрофизиков под руководством Фреда Хойла предложила альтернативную теорию.

Главная идея этой теории заключается в следующем: по мере того как галактики удаляются друг от друга при хаббловском расширении, в увеличивающемся пространстве между ними образуется новая материя. Вновь образованная материя со временем самоорганизуется в галактики, которые, в свою очередь, будут удаляться друг от друга, высвобождая пространство для образования новой материи. Таким образом, наблюдаемое расширение было согласовано с понятием «стационарной» Вселенной, сохраняющей свою общую плотность и не имеющей единственной точки образования (наличие которой предполагает теория Большого взрыва). Но при этом требовалось принять без доказательств новую концепцию процесса образования вещества.

Некоторые астрономы поддерживали теорию стационарной Вселенной вплоть до середины 1960-х годов. Основным достоинством этой теории была ее философская сторона. Утверждалось, что теория согласуется с принципом коперника о том, что наш мир не уникален, и не выделяет какой-то момент времени как главный.

Вскоре начали появляться доводы против теории. Во-первых, в точных лабораторных экспериментах не удалось воспроизвести образование вещества. Во-вторых, что важнее, новые открытия в космологии — такие как космический микроволновый фон (см. большой взрыв) — показали, что многие явления во Вселенной можно объяснить исходя из сценария Большого взрыва, но не из теории стационарной Вселенной. Например, когда мощные телескопы смогли заглянуть во Вселенную поглубже и таким образом проникнуть в ее прошлое, стало ясно, что все наиболее удаленные галактики представляют собой молодые, еще не сформировавшиеся системы. Это как раз то, что и ожидалось от Вселенной, возникшей в результате Большого взрыва, но никак не согласовывалось с картиной стационарности. В конце концов большинство защитников теории стационарной Вселенной, сраженные этим контраргументом, просто сдались.

Однако до наших дней дошло одно наследие этой теории — сам термин «Большой взрыв». Изначально его предложил Хойл — чтобы посмеяться над своими оппонентами, и, наверное, он был очень удивлен, когда те с восторгом приняли этот термин.


ФРЕД ХОЙЛ (Fred Hoyle, 19152001) — английский космолог и астрофизик. Родился в Бингли (Йоркшир). Окончил Кембриджский университет в 1936 году, а в 1958 году стал почетным профессором астрономии этого университета. Самым большим достижением Хойла стало объяснение того, как

образуются химические элементы в недрах звезд (см. эволюция звезд). Он не боялся выдвигать гипотезы, которые многие считали фантастичными: например, о том, что появление прежде неизвестных болезней вызвано бактериями, которые попали на Землю с частицами межзвездной пыли.


Теория струн


•

1948
В конечном счете все элементарные частицы можно представить в виде микроскопических многомерных струн, в которых возбуждены вибрации различных гармоник


большой взрыв


1961 • кварки

и восьмеричный путь


1968

1961 • стандартная модель


теория струн


xxi (?) • универсальные

теории


Сколько же всего измерений?

Нам, простым людям, всегда хватало и трех измерений. С незапамятных времен мы привыкли описывать физический мир в столь скромных рамках (саблезубый тигр в 40 метрах спереди, 11 метрах правее и 4 метрах выше меня — булыжник к бою!). Теория относительности приучила большинство из нас к тому, что время есть четвертое измерение (саблезубый тигр не просто здесь — он здесь и сейчас угрожает нам!). И вот начиная с середины ХХ века теоретики повели разговоры, что на самом деле измерений еще


Внимание, пристегните покрепче ремни — и я попробую описать вам одну из самых странных теорий из числа серьезно обсуждаемых сегодня научных кругах, которая способна дать наконец окончательную разгадку устройства Вселенной. Теория эта выглядит настолько дико, что, вполне возможно, она правильна!

Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего. А это своего рода Священный Грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии. Универсальная теория (она же теория всего сущего) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная. Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил). Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами (см. стандартная модель). Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители — цементом.

В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия — калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов. Естественно, в лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже имеют названия — например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона), скварк и т.д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода предсказывается однозначно.

Картину Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить себе наглядно. В масштабах порядка 10^-35 м, то есть на 20 порядков меньше диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка, структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц. На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя больше — не то 10, не то 11, не то вообще 26. Конечно, без объяснений, почему мы, нормальные люди, их не наблюдаем, тут обойтись не могло. И тогда возникла концепция «компактифи-кации» — слипания, или схлопывания, измерений. Представим садовый поливочный шланг. Вблизи он воспринимается как нормальный трехмерный объект. Стоит, однако, отойти от шланга на достаточное расстояние — и он представится нам одномерным линейным объектом: его толщину мы попросту перестанем воспринимать. Именно о таком эффекте и принято говорить как о компак-тификации измерения: в данном случае «компактифицированной» оказалась толщина шланга — слишком мала шкала масштаба измерения. Именно так, по утверждениям теоретиков, исчезают из поля нашего экспериментального восприятия реально существующие дополнительные измерения, необходимые для адекватного объяснения свойств материи на субатомном уровне: они компактифицируются, начиная с шкалы масштабов порядка 10^-35 м, и современные методы наблюдения и измерительные приборы просто не в состоянии обнаружить структур столь малого масштаба. Возможно, все именно так и есть, а возможно, все обстоит совершенно по-другому. Пока нет таких приборов и методов наблюдения, все вышеприведенные доводы и контрдоводы так и останутся на уровне досужих спекуляций.


превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Согласно принципу относительности (см. теория относительности), энергия и масса эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.

Однако, если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн, наглядному представлению поддаются с трудом — дело в том, что колебания суперструн происходят в пространстве, имеющем 11 измерений. Мы привыкли к четырехмерному пространству, которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн все обстоит гораздо сложнее (см. вставку). Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних» пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных энергиях.

совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран — по сути это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.

Вот, пожалуй, и все, что можно вкратце рассказать об одной из теорий, не без основания претендующих на сегодняшний день на звание универсальной теории Великого объединения всех силовых взаимодействий. Увы, и эта теория небезгрешна. Прежде всего она до сих пор не приведена к строгому математическому виду по причине недостаточности математического аппарата для ее приведения в строгое внутреннее соответствие. Прошло уже 20 лет, как эта теория появилась на свет, а непротиворечиво согласовать одни ее аспекты и версии с другими так никому и не удалось. Еще неприятнее то, что никто из теоретиков, предлагающих теорию струн (и тем более суперструн) до сих пор не предложил ни одного опыта, на котором эти теории можно было бы проверить лабораторно. Увы, боюсь, что до тех пор, пока они этого не сделают, вся их работа так и останется причудливой игрой фантазии и упражнениями в постижении эзотерических знаний за пределами основного русла естествознания.

ок. 1895
теория сцепления-натяжения


•

1624
Транспорт воды в растениях зависит главным образом от водородных связей, образующихся между молекулами воды


1779, 1905

эксперимент ван гельмонта


1783

фотосинтез

круговорот углерода в природе