Десять великих идей науки 1

28.12.18

Книга, которая захватила меня (читаю уже третью неделю подряд. Урывками, потому и медленно):

Десять великих идей науки. Как устроен наш мир // Питер Эткинз
Peter Atkins. Galileo's Finger: The Ten Great Ideas of Science

Прекрасная возможность догнать всю школьную программу, если все позабыли или в юности лодырничали и не доучились. Я вот сейчас вникаю с особым удовольствием. Все, что нужно знать современному образованному человеку излагается живым языком. Я за популяризацию науки! Я за книжки-резюме, краткая история всего в одном томе, Хокинг, Харари, Эткинз... Ну, может, я просто неофит.
Немножко накидаю цитат, которые меня удивили, улыбнули или просто заставили остановиться и подумать. Нет, не немножко, а серьезными абзацами, целыми кусками. Вряд ли кто-то это будет читать. А буду ли я сама это когда-нибудь перечитывать?

Я бы хотела, чтобы мои дети прочитали хотя бы это. Ведь я хочу, чтобы они были образованными людьми. Чтобы знали вот весь этот минимум. И не по моим обрывочкам, а по более емким источникам. Наука - это захватывающий мир!

(Так думала я пока читала вторую и третью главы. Подобравшись к шестой я поняла, что объем знаний зашкаливает, ничто не дается просто. Мой конспект уже не похож на любопытные выдержки. Это что-то с чем-то! Все равно опубликую)

*****

Пролог.
Пояснение к картинке.
Средний палец правой руки Галилея. Палец был отделен от тела Галилея 12 марта 1737 г., когда его останки были перенесены в главное здание церкви Санта Кроне, Флоренция. В настоящее время находится во флорентийском Музее истории науки. Сосуд, содержащий палец, имеет цилиндрическое алебастровое основание, на котором нанесена следующая надпись:

Leipsana пе spernas digiti, quo dextera coeli Mensa vias, nunquam visos mortalibus orbes Monstravit, parvo fragilis molimine vitri Ausa prior facinus, cui поп Titania quondam Sufficit pubes congestis monlibus altis, Nequidquam superas conata ascendere in arces.

«Не смотри свысока на останки перста того, чья правая рука измерила путь в небеса и указала смертным небесные тела, доселе невиданные. Приготовив малый кусок хрупкого стекла, он первым дерзнул на подвиг, который в древние времена не осилили молодые Титаны, громоздившие гору на гору в тщетной попытке взять неприступную цитадель.»

Эта книга воспевает мощь символического перста Галилея в деле извлечения истины. Тот факт, что физически от Галилея остался лишь палец, а наследие его методов процветает, является также символом бренности человеческого существования по сравнению с бессмертием знания. 

******

Аристотель утверждал, что в идеальном государстве ни один гражданин (в отличие от рабов) не должен заниматься никаким ремеслом. Беотийцы (одно из греческих племен) запрещали тем, кто запятнал себя участием в торговых сделках, в течение десяти лет занимать общественные должности. 

*******
Первая глава. Эволюция. Возникновение сложности 
Великая идея: эволюция идет путем естественного отбора

Оболочник, морской сифон (Ciona intestinalis), реализует другое решение, становясь в конце концов подобием картофельного клубня. Эта маленькая пасть является в своей личиночной фазе подвижным охотником и поэтому нуждается в мозге. Однако, когда он находит подходящую нишу, в которой может себя закрепить, чтобы стать сидячим, ему больше нет нужды думать, поэтому он поедает свой собственный энергетически обременительный мозг. Мозги являются великими потребителями энергии, и это неплохая идея — избавиться от своего мозга, когда вы обнаруживаете, что он вам больше ни к чему.

******

Неполовым путем размножаются и некоторые рептилии, наиболее заметны ящерицы Нового Света рода Cnemidophorus (семейство Teiidae), ящерицы Старого Света рода Lacerta (семейство Lacertidae) и слепозмейка (Raphotyphlops braminus; семейство Typhlopidae). Никакие млекопитающие неполовым путем не размножаются, если не считать противоположных утверждений из Библии.

******
Как же так получилось, что мы эволюционировали в двуполых существ?

Легче идентифицировать механизмы, которые поддерживают пол, чем механизмы, давшие начало этому сложному устройству. Во-первых, популяции с половым размножением более гибко приспосабливаются к окружающей среде, чем партеногенетические популяции. Так, благоприятные мутации могут произойти в обоих родителях по отдельности и даровать преимущество их потомкам, в партеногенезе одна мутация следует за другой. То есть в половых популяциях мутации могут происходить параллельно, а в неполовых только последовательно. Во-вторых, в половой популяции менее вероятно распространение вредных мутаций, потому что дефектные родители еще могут произвести нормального ребенка (это становится очевидным с точки зрения менделевской наследственности, глава 2), в то время как организмы, размножающиеся неполовым путем, могут избежать скверной мутации, только если тот же самый ген мутирует обратно, что невероятно. Половой диморфизм (различия во внешности самцов и самок одного и того же вида), в частности, экстравагантную внешность, которой часто отмечены самцы, тоже относительно легко объяснить или, по крайней мере, состряпать ему правдоподобное объяснение. Например, в королларии к своей теории эволюции пола Гамильтон считает, что чрезмерно пышный внешний вид самца является знаком того, что он здоров и свободен от паразитов. Исследование самца, приводимое самкой — то, что мы, люди, можем назвать «влюбленностью», — становится тогда похожим на медицинскую проверку.

******
Глава вторая. ДНК. Рационализация биологии.
Великая идея: наследственность закодирована в ДНК

******
У всех эта аббревиатура на слуху. Но лично я забыла уже как она расшифровывается. Дезокси...
Спросила мужа. Он назвал "дезоксирибонуклеиновая кислота". Приятно, что мой муж такой эрудированный.

Прочитав вторую главу, я узнала, что рибо - это рибоза, вид углевода, наряду с глюкозой, лактозой и пр. И что есть так же РНК, тоже спираль, но одинарная.

*****

Одной из причин долговечности ДНК является то, что каждая клетка имеет изощренные полицейскую и ремонтную службы, которые идентифицируют мутации и исправляют их. Другая причина в том, что ДНК содержит много мусора, участков, называемых интронами, которые просто вышли погулять и ничего не кодируют (не «символизируют»). Части ДНК, имеющие серьезные намерения, участки с активными кодами, называются эксонами. Если мутация происходит в интроне, это не имеет последствий для организма, так как данный генетический материал не символизирует белка. Огромная доля нашей ДНК является интронным мусором, поскольку Природа в своей, как говорят, элегантной и экономичной, а на самом деле неряшливой манере не обременяет себя подметанием ставшего ненужным мусора, а просто тащит его через поколения. Это довольно странно, поскольку означает, что огромная часть точнейшего ресурса и энергии уходит на распространение бесполезных вещей. Возможно, мусор имеет функцию, о которой мы пока не знаем. Возможно, это совершенный способ обеспечения передачи через поколения информации, никогда себя не проявляющей, чтобы не подвергать риску сопутствующую явную активность. Мусор в ДНК может быть чистой, вечной, невыразимой информацией, не имеющей другой цели, кроме бесцельного существования. Эта бесцельная часть ДНК ведет роскошную жизнь, поскольку 98 процентов ДНК, которую мы таскаем в себе, является мусором, и лишь 2 процента приносят пользу, кодируя белки.

******
Глава третья. Энергия. Универсализация бухгалтерии.
Великая идея: энергия сохраняется

Долгое время многие считали, что тепло является жидкостью, которой даже дали название теплород (или калорик, от латинского color, тепло), одной из тех «неощутимых», невесомых жидкостей, которые так любили ранние исследователи. Теплород был не только неощутимым (и, следовательно, очень удобно недоступным для обнаружения путем взвешивания), он также был «тонким», в том смысле, что везде мог проникать, даже между телами, плотно сомкнутыми вместе. Мы можем посмеиваться над этими ложными представлениями, но и сегодня не каждый может объяснить, что такое «тепло», и более того, лексика, связанная с теплородом, все еще пропитывает повседневный язык: мы говорим о тепле, текущем, как жидкость, от горячего тела к холодному.

Очевидная универсальная справедливость закона сохранения энергии исключает возможность построить когда-нибудь вечный двигатель. Вечный двигатель является прибором, который производит работу, не поглощая горючее. То есть он создает энергию. Энергия жуликов, однако, судя по всему, вечна, и все виды фантастических машин по-прежнему демонстрируются и неизменно, после анализа или просто разбирания на части, оказываются надувательством. Мы так уверены, что энергия сохраняется, что ученые (и патентные бюро) больше не рассматривают серьезно заявления об опровержении этого факта, и поиск вечного движения сегодня считается занятием чудаков.

******
Глава четвертая. Энтропия. Источник изменений.

Великая идея: изменения являются следствием бесцельного падения энергии и вещества в беспорядок

Англия, с ее паровозами, пыхтящими по всей стране, с ее шахтами, которые разрабатывались, чтобы сообщить паровозам жизнеспособность и эффективность, с ее стучащими ткацкими станками, а значит, и с набирающей мощь экономикой, с ее торговлей, быстро становящейся на колеса с кузовами, что увеличивало и облегчало подвижность, с ее обороноспособностью, этим благозвучным синонимом агрессивности, эта Англия была населена динамичным народом. Паровой двигатель пронизывал и преобразовывал социальную и экономическую структуры нации, как столетием позже это сделал компьютер. Тревожные и завидующие глаза Франции наблюдали из-за Ла-Манша, кляня невезение, вызванное, как им казалось, отсутствием доступных угольных залежей. Настоятельной задачей инженерного дела было увеличение эффективности парового двигателя, чтобы получать большую работу при меньших затратах угля. Была ли вода наилучшим посредником, или можно использовать воздух? Было ли высокое давление лучше, чем низкое? А как насчет температуры? Могли аналитический французский ум обставить прагматический ум английский на его собственном поле?

Один яркий луч света пробился сквозь клубы тумана, окутавшие ответы на вопросы, подобные этим. В 1796 г. наконец родился Сади Карно. Я говорю «наконец», поскольку его родители уже два раза пытались родить других Сади, но оба ребенка — последовательно называемые Сади — умерли в юности. Их третий и, наконец, удачный Сади прожил немного дольше, пока в тридцать шесть лет его не сразила холера. И хотя его жизнь оказалась краткой, ему хватило четырех неполных десятилетий, чтобы обеспечить себе бессмертие, которое может дать значительный вклад в науку.

Карно фундаментально неправильно воспринимал паровой двигатель, но мощь установленной им сущности парового двигателя была такова, что ее свет прорвался даже сквозь это фундаментальное заблуждение. Карно следовал (по крайней мере в первоначальной формулировке своих идей, хотя много позднее он переменил мнение) преобладавшей в то время точке зрения, упомянутой нами в главе 3, что тепло является жидкостью, теплородом, которая перетекает из нагретого резервуара в холодный сток и в процессе этого может вращать двигатель, подобно тому, как поток воды вращает колесо водяной мельницы. Он полагал также, снова в духе преобладающих идей своего времени, что тепло, будучи жидкостью, не порождается и не исчезает при вытекании из резервуара в сток. На основе этой ложной модели он сумел доказать удивительный результат, что коэффициент полезного действия или эффективность идеального парового двигателя, в котором пренебрегают эффектами трения, утечек и т.д., определяется только температурами нагретого резервуара и холодного стока и не зависит ни от давления, ни от вида рабочего вещества.[15]Таким образом, чтобы достигнуть наибольшей эффективности, горячий резервуар должен быть как можно более горячим, а холодный сток должен быть как можно более холодным. Все остальные переменные по существу не имеют значения.

*******
Глава пятая. Атомы. Редукция вещества.
Великая идея: вещество состоит из атомов

Эксперименты показывают, что диаметр ядра составляет примерно одну десятитысячную диаметра атома. Поэтому, если мы подумаем об атоме, как о шаре примерно с метровым диаметром, его ядро будет пятнышком с диаметром лишь в одну десятую миллиметра. Поэтому для таких увесистых творений, как мы, ядро действительно очень мало; даже для воспринимающего существа размером с атом оно казалось бы довольно маленьким, хотя и различимым. Но для физиков-ядерщиков, которым необходимо понимать устройство ядер, оно довольно большое.

В начале двадцатого века стало ясно, что электрон был не первой субатомной частицей, которая была открыта. Самая первая была известна, но не опознавалась в этом качестве, уже более века. Ядро атома водорода, простейшего из всех атомов, состоит из единственной субатомной частицы, протона. Эта частица является сущностью, ответственной за свойства кислот, и когда вы ощущаете кислый вкус лимонного сока, на самом деле ваш язык щекочут протоны. К сожалению, мы не можем здесь исследовать это явление или выяснять, почему язык является хорошим детектором по крайней мере для элементарной частицы одного типа. Протон представляет собой тяжелую частицу с положительным зарядом, равным и противоположным заряду электрона, и с массой примерно в тысячу раз большей массы электрона.

*******
...Химию никогда не любила. Она мне не особо давалась в школе. Она у меня ассоциируется с тем кабинетом и с той учительницей по имени Фрида Иосифовна (кстати, может Иосиповна), что не зажгла во мне искру любви к этой дисциплине. А ведь многое можно было уяснить еще тогда, в школьные годы...

Из этой главы я узнала что у атомов бывают орбитали, на которых вращаются электроны, и эти орбитали бывают четырех видов:

s-орбиталь имеет сферическую форму, электрон имеет самый слабый момент импульса
p-орбиталь имеет две доли, момент импульса электрона возрастает
d-орбиталь имеет четыре доли
f-орбиталь имеет шесть долей, самый сильный момент импульса электрона

У электронов есть спин (spin - вращение), два электрона на одной орбитали имеют противополождые спины, поэтому являются комплиментарными.

********

Глава шестая. Симметрия. Вычисление количества красоты

Вот оно! это видео, после которого я стала сильнее интересоваться наукой. Мне просто показалось, что я что-то не догоняю, не хотелось ничего упустить и открыла Питера Эткинза. Такая вот история. И это видео в данном случае прекрасно иллюстрирует шестую главу.

Симметрия ставит пределы, ведет и управляет.

Сфера - самая симметричная фигура. Куб гораздо менее симметричен, чем сфера. Способы определения степени симметричности (преобразования симметрии): вращение вокруг одной центральной точки и отражение от плоскостей, проходящих через центр фигуры.

Существует только 5 вариантов орнамента фриза (ленточный орнамент, в моем понимании).

А так же 5 видов сетчатого орнамента. И 17 видов периодичности орнамента обоев.

14 вариантов трехмерного расположения объектов для максимального заполнения пространства.

*******
...теперь пойдет речь про мельчайшие частицы. OMG! Я, как художник, думала, что симметрия это легкотня, что-то вроде того, что помогает вазу правильно нарисовать (провести ось, отмерить справа столько же, сколько и слева. Делов-то!) Но тема оказалась глубже и, недавно полюбилось словечко "крышесноснее" :)

*****

Когда мы думаем о частицах, мы думаем о составляющих их частях и о силах, удерживающих эти части вместе, об их клее. Ученые обнаружили одну силу, ответственную за все такие взаимодействия. Хотя это преувеличение. Выражаясь более точно, они верят, что существует только одна сила, действующая во Вселенной, очень экономная, но проявляющая себя пятью различными способами. Три проявления — электрическая, магнитная и гравитационная силы — знакомы нам по повседневной жизни. Два других проявления — слабое и сильное взаимодействия — совершенно не знакомы.

Вообще говоря, электрическая сила действует между всеми заряженными частицами, а магнитная сила действует между заряженными частицами в движении, такими, как поток электронов в соседних витках проволоки. 

Фотон является частицей-переносчиком взаимодействия для электромагнитного поля, передавая силу от частицы к частице и путешествуя со скоростью света. Фотон не имеет массы и, как и электрон, обладает спином, который не может быть уничтожен.

Вселенная состоит из равного числа положительно и отрицательно заряженных частиц, так что притяжение и отталкивание аннулируются в космическом масштабе. А вот гравитация имеет только один знак: существует лишь гравитационное притяжение, нет никакого отталкивания, поэтому нет и аннулирования.

Существует идея, что у гравитации тоже есть частица-переносчик взаимодействия. По крайней мере, она имеет название — гравитон, — но пока не обнаружена, поскольку очень слабо взаимодействует с веществом. Гравитон — это безмассовый бозон, как и фотон, но вращается в два раза быстрее. То, что гравитация распространяется на почти бесконечное расстояние, является признаком того, что гравитон не имеет массы. 

Сильное взаимодействие

Электромагнитная сила отталкивает протоны друг от друга (поскольку они имеют одинаковый заряд, а одинаковые заряды отталкиваются), поэтому у ядра имеется сильная тенденция к распаду. (Некоторые из ядер радиоактивных элементов, таких как радий, именно так и поступают, и именно по этой причине.) Что удерживает протоны в ядре? Более того, почему незаряженные нейтроны просто не выпадают?
Коротко говоря, раз большинство ядер не распадается, и раз большинство из них удерживает свои нейтроны, должна существовать сила, превосходящая электромагнитную силу, которая действует между протонами, между нейтронами и между протонами и нейтронами. Кроме того, поскольку все вещество во Вселенной не свернулось в одно огромное ядро, это притягивающее сильное взаимодействие должно иметь очень короткий радиус действия, не превосходящий примерно диаметра ядра.

Нейтроны и протоны являются составными частицами, сложенными из кварков.

Слабое взаимодействие или слабые силы были предложены, чтобы объяснить определенные виды радиоактивного распада. Хотя об этом лучше всего думать на языке кварков, конечное действие этой силы можно вообразить как влияние, которое медленно дергает нейтрон и, вырывая из него электрон, превращает в протон. Электрон выскакивает из ядра и порождает форму радиоактивности, известную как β-распад (бета-распад). Слабая сила имеет очень короткий радиус действия, меньший, чем диаметр ядра. Она передается частицами, которые называются W и Z векторными бозонами с массами около восемнадцати и девятнадцати масс протона соответственно.

Калибровочные частицы

Зоопарк частиц делится на два больших парка. В одном парке бродят «адроны», в другом «лептоны». 

Восьмеричный путь - классификация через соотнесение параметров  изоспин и гиперзаряд.
Античастицы имеют все свойства соответствующих частиц, но противоположный знак заряда.

Адроны: c-кварк s-кварк u-кварк d-кварк b-кварк t-кварк

Лептоны: электрон, электронное нейтрино,  мюон, мюонное нейтрино, тау и тау-нейтрино.

******
Теория струн
Теорию струн называют также теорией суперструн, поскольку она включает аспекты упоминавшейся нами суперсимметрии, связывающей фермионы и бозоны.

У меня глубокие сомнения в том, что я осилю последующие главы...