Издательство «Манн, Иванов и Фербер» представляет книгу Тома Джексона «Главное в истории науки. Ключевые открытия, эксперименты, теории, методы» (перевод Юлии Агаповой).
Книга охватывает 60 ключевых экспериментов, от исследований Архимедом плавучести до открытия темной энергии, связывая их с историей зарождения научных дисциплин, а также с основными теориями и методами исследований. Автор доходчиво объясняет основные научные открытия, лежащие в основе нашего нынешнего понимания жизни и Вселенной.
Особый формат книги — с перекрестными ссылками и пояснениями — позволяет разобраться в сложных научных понятиях, подчеркнуть значимость каждого из научных открытий, а также рассмотреть их в контексте всей истории науки. Информация, лаконично и доступно изложенная в этой книге, популяризирует науку широкой публике и погружает в увлекательную историю научного познания. Структура книги позволяет читателю легко перемещаться по основным теориям, экспериментам, методам и средствам исследований и знакомиться с историей развития науки. В книге четыре раздела: «История», «Эксперименты», «Теории» и «Методы и средства». Читать ее можно последовательно или отдельными секциями в любом порядке.
Предлагаем прочитать фрагмент книги.
Тектоника плит
Основные имена: Альфред Вегенер, Мари Тарп
Мари Тарп за своим чертежным столом в Ламонт-холл в Обсерватории Земли Ламонт-Доэрти, Колумбийский университет, США (ок. 1961)
Когда в конце XVI века появились первые точные карты мира, географы принялись высказывать предположения относительно того, что континенты похожи на кусочки большого пазла, которые соединились бы, не разделяй их океанические воды. Быть может, когда-то они представляли собой единое целое, прежде чем их раскололи силы Земли? Эта догадка подтвердилась в работе Альфреда Вегенера (1880–1930) в начале 1900-х.
Он показал, что горные породы на противоположных сторонах Атлантического океана имеют один возраст и структуру. Значит, они сформировались в одно время и в одном месте. Потребовалось еще сорок лет, чтобы развить эту идею дрейфа континентов в теорию тектоники плит, согласно которой земная кора расколота на десятки фрагментов, или плит. Плиты плывут на поверхности текучего внутреннего вещества планеты — мантии. В некоторых зазорах между плитами жидкая порода (магма) вырывается наружу, расталкивая плиты. Магма заполняет пустоты и формирует новые участки коры. В других местах раскола одна плита тонет под другой и вплавляется в мантию.
Большим вкладом в тектонику плит — «тектоника» означает «нечто, относящееся к строительству», — стало открытие в 1953-м Срединно-Атлантического хребта. Геолог Мари Тарп (1920–2006) с помощью инструментов эхолокации нарисовала карту дна Атлантического океана и обнаружила громадную горную цепь, идущую с севера на юг посередине океана. Позже этот хребет признали значимой конструктивной границей на месте расхождения двух плит.
Четыре фундаментальные силы
Основные имена: Исаак Ньютон • Альберт Эйнштейн • Мария Склодовская-Кюри • Мюррей (Марри) Гелл-Манн
Физики сводят все происходящее во Вселенной к четырем фундаментальным взаимодействиям, или силам. Известнейшая из них — гравитация.
Она наиболее слабая, но работает на самых больших расстояниях — в частности, в масштабах бескрайней Вселенной. Гравитация — это притяжение между любыми массами, и сила ее прямо пропорциональна массе. Гравитация крупных объектов вроде черных дыр создает значительное притяжение. Следующая сила — электромагнитное взаимодействие — в десять миллиардов триллионов раз мощнее гравитации, хотя редко выступает в таких масштабах. Ее характеризует фраза «Противоположное притягивается, схожее отталкивается». Именно она лежит в основе магнетизма и электрического тока. По сути, электромагнетизм — сила, которая заставляет отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны держаться вместе в атоме и поддерживает химические связи.
Два оставшихся явления — сильное и слабое взаимодействие — работают исключительно в микроскопических пределах атомного ядра. Сильное взаимодействие (наиболее мощное из всех) обеспечивает его целостность, удерживая протоны и нейтроны внутри ядра (а также кварки — частицы с дробным зарядом), а слабое взаимодействие приводит к распаду частиц, как при радиоактивности, когда ядро по природе своей нестабильно. В 2021 году физики, работающие близ Чикаго, обнаружили, что поведение мюонов (субатомных частиц вроде тяжелых электронов) невозможно объяснить ни одной из четырех фундаментальных сил. Предполагается, что может существовать пятая сила, но, чтобы это доказать, потребуется провести больше исследований.
Электромагнетизм, а также сильное и слабое взаимодействие объясняются теориями великого объединения (ТВО), которые гласят, что в самом начале Вселенной три эти силы были единым целым. В условиях чрезвычайно высокой температуры они действовали как электроядерная сила в течение первых 10−36 (0,000000000000000000000000000000000001) долей секунды. Затем силы разделились, но ТВО утверждают, что электромагнетизм и слабое взаимодействие все еще представляют собой единую сущность, хотя и действуют по отдельности при низких энергиях — их объединяют в электрослабое взаимодействие. Продолжающиеся исследования призваны выяснить, как включить в ТВО еще и гравитацию.
Принцип неопределенности
Основные имена: Вернер Гейзенберг • Луи де Бройль • Макс Борн
Принцип неопределенности связывают по большей части с именем Вернера Гейзенберга (здесь его фотопортрет конца 1960-х) и часто называют принципом неопределенности Гейзенберга. Гейзенберг был ключевой фигурой в развитии квантовой механики, которая исследует и объясняет субатомный мир посредством математических инструментов
Словно мысль о том, что свет может вести себя и как волна, и как поток частиц, оказалась недостаточно обескураживающей, французский физик-теоретик Луи де Бройль (1892–1987) в 1924 году предположил, что подобное присуще не только фотонам — частицам света, но и всем субатомным частицам. Уже было известно, что энергия, которую несет свет, определяется его частотой (длиной волны), однако де Бройль предлагал все без исключения частицы воспринимать как формы волны со своими энергией, позицией и другими физическими свойствами.
В 1927 году Джордж Томсон (сын Джозефа Джона Томсона) доказал, что электроны действительно проявляют себя как волны. В то же время два немецких физика Вернер Гейзенберг (1901–1976) и Макс Борн (1882–1970) обнаружили, что о волнах может идти речь только тогда, когда в рассмотрение берутся вероятности (математическая величина возможности события). Это означало следующее: если позиция частицы известна, тогда ее импульс (произведение массы на скорость) можно оценить лишь приблизительно и наоборот. Чем более точно определена позиция, тем более неопределен импульс. Эта идея, которая соотносится с другими квантовыми свойствами, получила название «принцип неопределенности».
Именно принцип неопределенности дает квантовым частицам необыкновенную способность находиться в нескольких физических состояниях одновременно. Это свойство известно как суперпозиция. Частица буквально может находиться в нескольких местах в одно и то же время, но стоит измерить волновую функцию частицы (термин Эрвина Шрёдингера), как происходит коллапс («схлопывание») и она обретает конкретную позицию в пространстве. Неопределенность в квантовой механике разрывает связь между причиной и следствием, поскольку одна причина может иметь множество вариантов последствий, и только случайность диктует, который из них воплотится в реальность.
Квантовая физика
Основные имена: Макс Планк • Альберт Эйнштейн • Нильс Бор
Квантовая физика началась с изучения электронов и протонов. В начале 1900-х Макс Планк (1858–1947) выяснил, что единственный способ объяснить, как тела испускают энергию (в форме света, тепла и других видов излучения), — предположить, что энергия выходит мельчайшими порциями, или квантами. Кванты могут быть разными по величине, однако изменить размер кванта, уменьшив энергию или добавив ее, нельзя. В 1905 году Эйнштейн заявил, что квантами являются частицы (фотоны) и что свет проявляет себя и как волна, и как поток частиц. (Энергия каждого фотона определяется длиной волны, или цветом, света.)
Эту мысль развил Нильс Бор (1885–1962), который обнаружил, что атомы способны принимать и испускать порции энергии только определенных значений. Это объясняет, почему атомы отдельных элементов всегда испускают определенный набор, то есть спектр, длин волн (а также невидимое излучение, например инфракрасное).
Модель Бора, объясняющая работу атомов, представила идею электронных орбиталей. Это окружающие атомное ядро энергетические уровни, на которых находится заданное число электронов с заданным количеством энергии. Каждому типу атомов (элементов) соответствуют определенные уровни энергии. Когда фотон с подходящим количеством энергии сталкивается с атомом, атом поглощает его, что заставляет электрон выполнить квантовый скачок — перейти на более высокий энергетический уровень. Когда электрон возвращается на начальную позицию, он испускает энергию в виде очередного фотона.
Нильс Бор (фотоснимок 1923 года) был сторонником копенгагенской интерпретации квантовой механики, согласно которой всякое конкретное физическое свойство из ряда альтернативных вариантов проявляется случайно
Теория валентных связей
Основные имена: Лайнус Полинг
В естественном состоянии почти все атомы связаны с одним или более атомов и формируют молекулы. Иногда элементы существуют в чистом виде, но чаще несколько элементов образуют соединения, такие как вода (из водорода и кислорода). В атомах большинства элементов внешняя орбиталь неполная — на ней есть свободные места для дополнительных электронов. Атомы формируют связи, чтобы заполнить эту внешнюю орбиталь и достичь более стабильного состояния, чем в свободном виде. (Внешние орбитали заполнены только у атомов инертных газов, поэтому они химически неактивны и не формируют новых связей.) Из десятка миллионов ныне известных соединений более 90 % используют ковалентные связи, в которых соседние атомы делятся электронами и таким образом заполняют свои внешние орбитали. Эта концепция развилась в начале XX века, в основном — но не исключительно — благодаря знаковой научной статье 1931 года «Природа химической связи» американского исследователя Лайнуса Полинга (1901–1994).
Атомы также соединены металлическими и ионными связями. У металлов всего несколько внешних электронов, а потому они легко их теряют. В ионной связи металл, лишенный внешних электронов, превращается в положительный ион. Электроны переходят к неметаллу, который становится отрицательным ионом, и эти противоположно заряженные ионы взаимно притягиваются. В чистых и легированных (примесных) металлах металлические связи образуются, когда внешние электроны высвобождаются из отдельных атомов и формируют облако электронов, которые удерживают атомы вместе.
Лайнус Полинг с молекулярной моделью, формулирование которой принесло ему первую из двух его Нобелевских премий (в 1954 году)
Большой взрыв
Основные имена: Жорж Леметр
Анализ теории относительности Эйнштейна показал, что Вселенная не может быть статичной. Идеальный часовой механизм, каким представляли Вселенную Ньютон и многие его предшественники, оказался мифом. На деле же она должна либо расширяться, либо сжиматься. В 1927 году Жорж Леметр (1894–1966), бельгийский преподаватель физики и католический священник, отдал свой голос в пользу первой версии (гипотеза о расширении Вселенной подтвердилась в 1929-м). Если Вселенная увеличивается, значит, ранее она должна была быть меньше, а в какой-то момент отдаленного прошлого и вовсе занимать бесконечно малый объем пространства.
Леметр назвал это явление космическим яйцом, а в конце 1940-х появилась работа, где объяснялось, как сверхгорячая Вселенная размером с грейпфрут расширялась и остывала, таким образом шаг за шагом образуя атомную материю. Один из критиков теории назвал ее уничижительно «чем-то вроде Большого взрыва», однако название прижилось, как и сама теория.
Концепция Большого взрыва — это не отдельная неизменная теория, а обобщенное понятие, охватывающее целый ряд идей, которые объясняют, как Вселенная пришла к нынешнему виду. Если теория нуклеосинтеза Большого взрыва — она описывает события ранней Вселенной, приведшие к образованию атомов, звезд и галактик, — имела успех, то что было до этих событий, остается загадкой. Теория не объясняет, как появились время, пространство и энергия.
Месье Жорж Леметр стал первым из ученых, кто сформировал теорию из понятия расширяющейся Вселенной
Звездный нуклеосинтез
Основные имена: Ральф Альфер • Георгий Гамов • Артург Эддингтон • Фред Хойл
Фотомонтаж снимков из трех обсерваторий НАСА; на них запечатлена Кассиопея А — сверхновая, находящаяся в 10 000 световых лет от Земли
«Мы — звездная пыль» — это не только расхожий афоризм; фраза также отражает общую истину, которая проникла в общественное сознание примерно в 1960-е. Эта истина изложена в теории звездного нуклеосинтеза, посвященной тому, как во Вселенной появилось такое разнообразие элементов, какое мы наблюдаем сегодня.
Существует около 90 элементов, естественным образом встречающихся на Земле, еще несколько появляются в результате космический событий, связанных с большими выбросами энергии. Атомы водорода составляют до 75 % материи Вселенной. Они образовались вскоре после Большого взрыва. На атомы гелия приходится еще 23 %.
Распространенные элементы — такие как углерод, кислород и железо — сформировались из-за слияния более легких атомов внутри звезд. Звезды — это большие шары из горячей водородной плазмы, и давление в их центре настолько сильное, что атомы водорода сливаются в гелий. Из-за этого высвобождается еще больше энергии, которая в конце концов выходит на поверхность звезды в виде тепла и света. В старых звездах, когда водород заканчивается, атомы гелия сливаются в более тяжелые элементы, в итоге образующие облака газа и пыли. Из этих облаков однажды родятся новые звезды со своими планетами, лунами и, быть может, жизнью.
Большинство звезд, включая наше Солнце, — карлики. Им не хватает ни массы, ни энергии, чтобы образовывать элементы тяжелее железа. Когда гелий заканчивается, красный гигант попросту рассеивается и превращается в туманное облако (оставляя после себя горячее ядро — белый карлик). Однако сверхгиганты — сверхновые — исчезают со взрывом настолько мощным, что в нем могут синтезироваться гораздо более тяжелые и редкие элементы вроде золота, урана и ксенона.
Теория ключа и замка
Основные имена: Эмиль Фишер
Теория замка и ключа описывает механизм действия ферментов — биологических катализаторов, ускоряющих те реакции, что без них не произошли бы или протекали чрезвычайно медленно. Всё живое задействует ферменты. Они есть во всех клетках и секретах, таких как слюна и желудочный сок. Теорию в 1894 году сформулировал немецкий химик Эмиль Фишер (1852–1919); он представил, как ферменты и их химические мишени соединяются, создавая временное образование. Все ферменты состоят из белков — полимеров, свернутых в уникальную структуру. Одна из частей этой формы — активный центр (замок). Вещества, обработанные ферментами, — субстраты — идеально подходят к замку и формируют ключ. После удержания в активном центре субстрат способен участвовать в реакции: он заставляет либо одну молекулу распасться, либо две — объединиться. Первым ферментом была диастаза, которую обнаружили в 1833 году; в роли активного вещества она участвовала в расщеплении крахмала на более простые сахара. Сегодня выделяют более 5000 ферментов.
От формы белка зависит его функция. Белки — это полимеры, то есть вещества, образованные из цепей более мелких молекул, мономеров. К мономерам относятся аминокислоты, из которых 20 разновидностей участвуют в процессах жизнедеятельности. Точный порядок аминокислот — первичная структура белков — определяет, как молекула будет сворачиваться, чтобы достичь идеальной формы для исполнения роли фермента.
Схематическое представление механизма «ключ — замок» в работе ферментов: 1 — субстрат движется к активному центру фермента; 2 — субстрат вступает в реакцию; 3 — реакция завершена, сформировано два продукта; 4 — продукты покидают активный центр
Центральная догма биологии
Основные имена: Фрэнсис Крик • Джеймс Уотсон
Эта концепция с громким названием призвана объяснить механизм, посредством которого генетическая последовательность реализуется внутри биологических организмов. В конце 1950-х Фрэнсис Крик впервые обрисовал суть концепции: информация может передаваться от одной нуклеиновой кислоты к другой, а затем превращаться в белок, но после превращения не способна более менять ни форму, ни позицию.
Центральная догма выросла из открытия двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В ней возможные способы передачи информации разделены на три группы. Один из важнейших включает копирование ДНК — это распространенная форма передачи биоданных. ДНК также может быть скопирована в информационную рибонуклеиновую кислоту (иРНК), а потом заново перемещена в ДНК. Между тем форма белка никогда не передается в виде РНК обратно к ядру.
Рибонуклеиновая кислота (РНК) играет важнейшую роль в доставке генов к белкам. Генетический код переходит от хромосом иРНК к рибосомам, которые состоят из сложных единиц рибосомной РНК (рРНК); иРНК проскальзывает сквозь рибосому, и каждая трехзначная единица (кодон) сочетается с соответствующим участком транспортной РНК (тРНК). Именно тРНК предстоит поставить нужную аминокислоту в ряд, прежде чем иРНК продвинется вперед и следующий кодон просигнализирует, какая кислота потребуется дальше.
Эндосимбиоз
Основные имена: Линн Маргулис
Своей работой в качестве исследователя и преподавателя американский биолог Линн Маргулис настолько заинтересовала общественность изучаемой темой, что ее вклад в развитие теории эндосимбиоза сравнивают с вкладом Чарлза Дарвина в теорию эволюции
Всё живое на Земле (не считая вирусы) можно разделить на две группы: прокариоты и эукариоты. К первым относятся бактерии и микроскопические живые организмы из смежного домена — археи. У них маленькие клетки без очевидной внутренней структуры. К эукариотам относятся все остальные: от водорослей и амеб до дубов и людей. Эукариотические клетки в десять раз крупнее прокариотических, они содержат ядро и комплекс сложных внутренних элементов — органелл. Анализ окаменелостей показывает, что прокариоты — наиболее примитивная форма жизни, появившаяся в палеонтологической летописи 3,5 миллиарда лет назад — за целых 2 миллиарда лет до эукариотов. Теория эндосимбиоза — детище американского биолога Линн Маргулис (1938–2011). В 1967 году она предположила, что эукариоты произошли от группы прокариотов, не родственных друг другу, но живущих в симбиозе, и что археи развили двойную клеточную мембрану за счет разросшейся площади поверхности. Затем бактерии случайно проникли в хозяйскую клетку, сформировав первый эукариот. Случалось ли подобное более одного раза, неизвестно. Возможно, нет, ведь все известные сегодня эукариотические организмы происходят от одной клетки.
Идеи, положившие начало теории эндосимбиоза, возникли, когда микроскопы позволили рассматривать органеллы более детально. Уже в 1910-е люди заметили, что хлоропласты (органеллы фотосинтеза в растительных клетках) и митохондрии (органеллы, преобразующие глюкозу в энергию для питания клеток) напоминают бактерии. У митохондрий есть отличия даже в самом генетическом коде, а анализ их ДНК показывает, что эти органеллы изначально свободно жили в виде пурпурных бактерий, до сих пор широко распространенных. Хлоропласты же развились из цианобактерий (сине-зеленых водорослей).
Стандартная модель
Основные имена: Джозеф Джон Томпсон • Мюррей (Марри) Гелл-Манна • Питер Хиггс
Стандартная модель — название ряда субатомных частиц, составляющих Вселенную и управляющих всеми процессами в ней. На сегодня модель включает 18 частиц, разными способами разделяемых на группы. Принципиально различают фермионы и бозоны. Фермионы участвуют в формировании обыкновенной материи (например, атомов). Они, в свою очередь, подразделяются на кварки и лептоны. Кварки сочетаются с другими кварками или антикварками для создания адронов (массивных частиц типа протона). Лептоны отрицательно заряжены; к ним относятся электроны. Частицы, которые переносят энергию между фермионами, известны как бозоны (например, фотон — это безмассовый бозон, переносчик электромагнитного взаимодействия).
Стандартная модель четко объясняет взаимодействие между кварками и лептонами, но неспособна предсказывать массы этих частиц или силу их взаимодействия. Тем не менее ученые настаивают на ее использовании, несмотря на все ограничения, в надежде постепенно развить ее в полную унифицированную теорию, которая охватывала бы все субатомные частицы: сильные, слабые и электромагнитные.
Долгие годы все известные бозоны оказывались переносчиками взаимодействия. Однако в 2012-м открыли новый бозон — бозон Хиггса, — который не был переносчиком взаимодействия, а обусловливал массу фермионов. Кроме того, для каждой частицы в стандартной модели существует своя античастица такого же размера, но противоположного заряда (например, электрон и позитрон). Когда частица встречается со своей античастицей, они взаимно уничтожаются.