УИГГИНС А УИНН Ч ПЯТЬ НEРEШEННЫХ ПРОБЛEМ НАУКИ М 2006 221 С

<< Пред. стр. 1 (из 7) След. >>

АРТУР УИГГИНС, ЧАРЛЬЗ УИНН
ПЯТЬ
НЕРЕШЕННЫХ
ПРОБЛЕМ
НАУКИ

Рисунки Сидни Харриса

Уиггинс А., Уинн Ч.
THE FIVE BIGGEST UNSOLVED PROBLEMS IN SCIENCE
ARTHUR W. WIGGINS CHARLES M. WYNN
With Cartoon Commentary by Sidney Harris
John Wiley & Sons, Inc.

Книга рассказывает о крупнейших проблемах астрономии, физики, химии, биологии и геологии, над которыми сейчас работают ученые. Авторы рассматривают открытия, приведшие к этим проблемам, знакомят с работой по их решению, обсуждают новые теории, в том числе теории струн, хаоса, генома человека и укладки белков.

Предисловие
Мы, люди, ютимся на обломке скалы под названием "планета", обращающейся вокруг ядерного реактора под названием "звезда", которая входит в огромное собрание звезд под названием "Галактика", а та в свою очередь - часть скоплений галактик, составляющих Вселенную. Наше состояние, именуемое нами жизнью, присуще множеству иных организмов на этой планете, но, похоже, мы одни обладаем орудием ума для постижения Вселенной и всего, чем она располагает. Свои усилия по выяснению природы Вселенной мы подводим под понятие науки. Такое понимание дается нелегко, и путь к нему долог. Однако успехи налицо.
Данная книга поведает читателю о крупнейших нерешенных проблемах науки, над которыми работают сегодня ученые. При всем изобилии экспериментальных данных их оказывается недостаточно, чтобы подтвердить ту или иную гипотезу. Мы рассмотрим события и открытия, приведшие к этим проблемам, а затем ознакомим вас с тем, как сегодня их пытаются решить ученые, находящиеся на переднем крае науки. Сидни Харрис, лучший американский иллюстратор научных изданий, оживит наши рассуждения присущим его рисункам юмором, не только поясняя затрагиваемые идеи, но и высвечивая их совершенно по-новому.
Мы обсуждаем здесь также нерешенные проблемы в основных отраслях естествознания, руководствуясь в своем выборе степенью их значимости, трудности, широты охвата и масштабом последствий. Наряду с ними мы включили в книгу краткий обзор и некоторых других проблем в каждой из затронутых отраслей знания, а также "Список идей", где читатель найдет дополнительные сведения о подоплеке некоторых нерешенных проблем. Наконец, мы привели "Источники для углубленного изучения", где перечислены информационные ресурсы, призванные помочь больше узнать о заинтересовавших вас предметах.
Особой благодарности заслуживают Кейт Бредфорд, старший редактор издательства Wiley, первый подавший мысль о такой книге, и наш литературный агент Луиза Кетц за ее неизменные слова поддержки.

Глава первая
Видение науки
Ведь человеку образованному свойственно добиваться точности для каждого рода [предметов]*
в той степени, в какой это допускает природа предмета. Одинаково [нелепым] кажется и довольствоваться пространными рассуждениями математика, и требовать от ритора строгих доказательств.
Аристотель
Наука ? техника
Разве наука и техника не одно и то же? Нет, они различны.
Хотя техника, определяющая современную культуру, развивается благодаря постижению наукой Вселенной, техника и наука руководствуются разными побуждениями. Рассмотрим основные различия между наукой и техникой. Если занятия наукой вызваны желанием человека познать и понять Вселенную, то технические новшества - стремлением людей изменить условия своего существования, чтобы добыть себе пропитание, помочь другим, а нередко и совершить насилие ради личной выгоды.
Люди зачастую одновременно занимаются "чистой" и прикладной наукой, но в науке можно вести фундаментальные исследования без оглядки на конечный результат. Британский премьер-министр Уильям Гладстон заметил как-то Майклу Фарадею по поводу его основополагающих открытий, связавших воедино электричество и магнетизм: "Все это весьма занятно, но каков в этом прок?" Фарадей ответил: "Сэр, я не знаю, но однажды вы от этого выгадаете". Почти половину нынешнего богатства развитым странам принесла связь электричества с магнетизмом.
Прежде чем научные достижения станут достоянием техники, требуется принять во внимание дополнительные соображения: разработка какого устройства возможна, что допустимо построить (вопрос, по сути, относящийся к области этики). Этика же принадлежит к совершенно иной области умственной деятельности человека: гуманитарным наукам.

Основное различие между естествознанием и гуманитарными науками состоит в объективности. Естествознание стремится изучать поведение Вселенной по возможности объективно, тогда как перед гуманитарными науками такой цели или требования нет. Перефразируя слова ирландской писательницы XIX века Маргарет Волф Хангерфорд, можно сказать: "Красота [и истина, и справедливость, и благородство, и...] видится всеми по-разному".
Наука далеко не монолитна. Естественные науки заняты изучением как окружающей среды, так и самих людей, поскольку они функционально подобны иным формам жизни. А гуманитарные науки исследуют рациональное (эмоциональное) поведение людей и их установки, которые необходимы им для социального, политического и экономического взаимодействия. На рис. 1.1 графически представлены эти взаимосвязи.
Как бы ни способствовало такое стройное изложение пониманию существующих связей, действительность всегда оказывается значительно сложнее. Этика помогает определить, что исследовать, какие исследовательские методы, приемы использовать и какие эксперименты недопустимы ввиду таящейся в них угрозы благополучию людей. Политэкономия и политология также играют огромную роль, поскольку наука может изучать лишь то, что культура склонна поощрять как орудия производства, рабочую силу или что-то, политически приемлемое.

Механизм работы науки
Успех науки в изучении Вселенной складывается из наблюдений и выдвижения идей. Такого рода взаимообмен именуют научным методом (рис. 1.2).

В ходе наблюдения то или иное явление воспринимается органами чувств при помощи приборов или без них. Если в естествознании наблюдения ведутся за множеством подобных предметов (например, атомов углерода), то науки о человеке имеют дело с меньшим числом различных субъектов (например, людей, пусть даже однояйцевых близнецов).
После сбора данных наш ум, стремясь их упорядочить, начинает строить образы или объяснения. В этом и заключается работа человеческой мысли. Данный этап именуют этапом выдвижения гипотезы. Построение общей гипотезы на основе полученных наблюдений ведется посредством индуктивного умозаключения, которое содержит обобщение и поэтому считается самым ненадежным видом умозаключения. И как бы ни пытались искусственно строить выводы, в рамках научного метода подобного рода деятельность ограничена, поскольку на последующих этапах гипотеза сталкивается с действительностью.
Зачастую гипотеза целиком или отчасти формулируется на языке, отличающемся от обиходной речи, языке математики. Для приобретения математических навыков требуется приложить большие усилия, иначе несведущим в математике людям при объяснении научных гипотез понадобится перевод математических понятий на повседневный язык. К сожалению, при этом смысл гипотезы может существенно пострадать.
После построения гипотезу можно использовать для предсказания некоторых событий, которые должны произойти, если гипотеза верна. Такое предсказание выводится из гипотезы посредством дедуктивного умозаключения. Например, второй закон Ньютона гласит, что F = та. Если т равно 3 единицам массы, а а - 5 единицам ускорения, то F должна равняться 15 единицам силы. Выполнение математических расчетов на данном этапе могут взять на себя вычислительные машины, работающие на основе дедуктивного метода.
Следующий этап - проведение опыта, чтобы выяснить, подтверждается ли предсказание, сделанное на предыдущем этапе. Некоторые опыты провести довольно просто, но чаще - крайне затруднительно. Даже изготовив сложное и дорогостоящее научное оборудование для получения весьма ценных данных, нередко бывает нелегко найти деньги, а затем запастись терпением, необходимым для обработки и осмысления огромного массива этих данных. Естествознание обладает преимуществом: здесь можно обособить изучаемый предмет, тогда как наукам о человеке и обществе приходится иметь дело с многочисленными переменными, зависящими от различных взглядов (пристрастий) многих людей.
После завершения опытов их результаты сверяются с предсказанием. Поскольку гипотеза носит общий, а экспериментальные данные - частный характер, то результат, когда опыт согласуется с предсказанием, не доказывает гипотезу, а лишь подтверждает ее. Однако если исход опыта не согласуется с предсказанием, определенная сторона гипотезы оказывается ложной. Эта черта научного метода, именуемая фальсифицируемостью (опровергаемостью), накладывает на гипотезы определенное жесткое требование. Как выразился Альберт Эйнштейн, "никаким количеством экспериментов нельзя доказать теорию; но достаточно одного эксперимента, чтобы ее опровергнуть".
Оказавшуюся ложной гипотезу необходимо каким-то образом пересмотреть, т. е. слегка изменить, основательно переработать или же вовсе отбросить. Крайне трудно бывает решить, какие изменения здесь уместны. Пересмотренным гипотезам предстоит снова проделать тот же путь, и либо они устоят, либо от них откажутся в ходе дальнейших сопоставлений предсказания с опытом.
Другая сторона научного метода, не позволяющая сбиться с пути, - воспроизведение. Любой наблюдатель с соответствующей выучкой и подобающим оснащением должен суметь повторить опыты или предсказания и получить сравнимые результаты. Иначе говоря, науке свойственны постоянные перепроверки. Например, коллектив ученых из Национальной лаборатории им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли† пытался получить новый химический элемент, обстреливая свинцовую мишень мощным лучом ионов криптона и затем изучая полученные вещества. В 1999 году ученые объявили о синтезе элемента с порядковым номером 118.
Синтез нового элемента - это всегда важное событие. В данном случае его синтез мог подтвердить бытовавшие представления о стабильности тяжелых элементов. Однако ученые других лабораторий Общества по изучению тяжелых ионов (Дармштадт, Германия), Большого государственного ускорителя тяжелых ионов Кайенского университета (Франция) и Лаборатория атомной физики Физико-химического института Рикэн (Япония) - не смогли повторить синтез элемента 118. Расширенный коллектив лаборатории в Беркли повторил опыт, но ему также не удалось воспроизвести полученные ранее результаты. В Беркли перепроверили исходные экспериментальные данные посредством программы с видоизмененным кодом и не сумели подтвердить наличия элемента 118. Пришлось отзывать свою заявку. Данный случай свидетельствует, что научный поиск бесконечен.
Порой наряду с опытами перепроверяются и гипотезы. В феврале 2001 года Брукхэйвенская национальная лаборатория в Нью-Йорке сообщила об опыте, в котором магнитный момент мюона (подобно электрону отрицательно заряженной частицы, но значительно более тяжелой) слегка превышает величину, предопределенную стандартной моделью физики элементарных частиц (подробнее об этой модели см. гл. 2). А поскольку предположения стандартной модели о многих иных свойствах частиц очень хорошо согласовывались с опытными данными, такое расхождение по поводу величины магнитного момента мюона разрушало основу стандартной модели.
Предсказание магнитного момента у мюона стало следствием сложных и долгих расчетов, независимо проведенных учеными в Японии и Нью-Йорке в 1995 году. В ноябре 2001 года эти расчеты повторили французские физики, которые обнаружили ошибочный отрицательный знак у одного из членов уравнения и разместили свои результаты в Интернете. В итоге Брукхэйвенская группа перепроверила собственные вычисления, признала ошибку и опубликовала исправленные результаты. В итоге удалось сократить расхождение между предсказанием и опытными данными. Стандартной модели вновь предстоит выдержать испытания, которые ей готовит непрекращающийся научный поиск.
Научный метод в действии
Рассмотрим шаг за шагом классический пример работы научного метода.
Наблюдение. Дж. Дж. Томсон, руководитель Кавендишской лаборатории (1884-1919) в Англии, изучал поведение светового луча в электронно-лучевой трубке (прообразе современной приемной телевизионной ЭЛТ). Поскольку луч: 1) отклонялся в сторону положительно заряженных электрических пластин и 2) при ударе о них вызывал вспышки света, выходило, что он состоял из отрицательно заряженных частиц - электронов, как назвал их ирландский физик XIX века Джордж Фицджеральд в своих замечаниях по поводу опыта Томсона. (Название электрон в качестве единицы электрического заряда предложил другой ирландский физик, Джордж Стони.)
Гипотеза. Поскольку атомы не обладают зарядом (нейтральны), а Томсон открыл внутри них отрицательно заряженные частицы, он заключил, что атом должен иметь и положительный заряд. В 1903 году Томсон создал теорию, согласно которой положительный заряд "размазан" по всему атому, а отрицательно заряженные электроны в виде вкраплений находятся посреди положительно заряженного вещества. Такая картина напоминала традиционное британское блюдо, поэтому получила название "томсоновская модель атома в виде пудинга с изюмом".
Предсказание. Эрнст Резерфорд был специалистом по положительно заряженным частицам, именуемым ?- частицами. В начале XX века он предсказал, что обстрел этими частицами атомов, состоящих из редкого и "размазанного" положительного заряда, согласно томсоновской модели "пудинга с изюмом" будет напоминать броски бильярдными шарами в туман. Большая часть шаров пройдет напрямую, и лишь их толика отклонится на крайне малую величину.
Опыт. В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден стали обстреливать ?-частицами тонкую золотую фольгу. Результаты оказались совершенно отличными от ожидаемых. Некоторые ос-частицы отклонялись на большие величины, а отдельные даже отскакивали обратно. Резерфорд заметил, что это "столь же неправдоподобно, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и убил вас самих".
Повтор. На смену томсоновской модели атома пришла резерфордовская модель по образцу Солнечной системы, где положительный заряд был сосредоточен в сравнительно крошечном ядре посредине атома, а электроны (подобно планетам) обращались по круговым орбитам вокруг ядра (подобного Солнцу). В XX веке, после очередных предсказаний и опытов резерфордовскую модель атома в виде Солнечной системы сменили иные модели. Когда опытные данные не согласовывались с предсказаниями существовавшей гипотезы, приходилось пересматривать гипотезу.
Так толкование открытых Исааком Ньютоном законов механики и классических гипотез Джеймса Клерка Максвелла о природе электричества и магнетизма привело к заманчивому предположению об абсолютном характере пространства и времени. Теория относительности Эйнштейна заменила эти удобные абсолютные величины противоречащими интуиции и философски неблагонадежными относительными величинами. Основная причина, вынудившая признать существование относительности, заключалась в соответствии предсказаний данной теории опытным данным.
Несмотря на распространенность того или иного представления, известность сторонников какой-либо теории, непривлекательность новой теории, политические взгляды авторов идей или трудность их понимания, незыблемым остается одно: верховенство данных опыта.
Сложности
Представленный здесь научный метод - рациональная реконструкция функционирования науки в действительности. Подобная идеализация, естественно, отличается от происходящего на самом деле, например, при большом числе участников, когда этапы разделяются длительными промежутками времени. И все же у нас есть возможность многое увидеть.
Здесь необходимо учитывать ряд сложностей. Прежде всего, наука выдвигает несколько философских предположений, с которыми не согласны некоторые философы. Наука допускает существование объективной реальности, не зависящей от наблюдателя. Иначе без такой объективности одни и те же наблюдения и опыты, повторенные в различных лабораториях, могли бы разниться, и тогда исследователям невозможно было бы прийти к согласию. Далее, наука полагает, что Вселенной управляют некие незыблемые законы, и человек в состоянии постичь эти законы. Если управляющие Вселенной законы лишены определенности или мы не в состоянии постичь их, все усилия науки по выдвижению любых гипотез окажутся тщетными. Но поскольку наше понимание этих законов, похоже, углубляется, а основанные на них предсказания находят подтверждения в опытах, такие предположения выглядят вполне разумными.
Научные гипотезы строятся в связи с событиями, происходящими на протяжении длительного промежутка времени, в том числе с минувшими, которые нельзя проверить опытом. Обычно такую трудность обходят, выдвигая перекрестные гипотезы из различных отраслей знаний в поисках взаимного согласия. Например, оцениваемый в более чем 4 млрд. лет возраст Земли подтверждается астрономическими вычислениями содержания гелия в недрах Солнца, геологическими измерениями тектоники плит и биологическими наблюдениями за ростом коралловых отложений.
При объяснении определенного события - особенно при отсутствии опытных данных для некоторых явлений (например, о далеком прошлом, у которого не было летописцев, или о недоступных уголках Вселенной) - может выдвигаться сразу несколько гипотез. Щекотливое положение, когда много гипотез невозможно экспериментально подтвердить, разрешается на основе принципа научной бережливости [лат. Principium parsimoniae], именуемого бритвой Оккама. Английский философ Уильям из Оккама [местечка в английском графстве Сэррей] (1285-1349) был францисканским монахом и часто в своих философских сочинениях пользовался средневековым правилом: "Сущностей не следует умножать без необходимости"‡.

Военные дали этому правилу более простое и непосредственное выражение - KISS: Keep It Simple, Stupid ("He усложняй, болван"), или Keep It Short and Sweet ("Будь краток и мил"). В любом случае оно служит руководством при отсутствии опытных данных. Если есть несколько гипотез и невозможно провести опыты, которые бы позволили выбрать между ними, останавливаются на самой простой.
Опыт доказывает правильность такого подхода. Например, в 1971 году космический зонд Uhuru по измерению рентгеновского излучения неожиданно выявил мощный поток рентгеновских лучей со стороны созвездия Лебедя, обозначенный Лебедь Х-1. Видимого источника этого излучения, которое исходило как бы из пустоты близ звезды-сверхгиганта HDE 226868, удаленной от Земли на 8 тыс. световых лет, не наблюдалось. (Разъяснение обозначения HDE см.: Список идей, 14. Составление звездных каталогов.) Согласно одной гипотезе, всему виной был невидимый спутник звезды HDE 226868. Этот призрак притягивал массу, которую исторгала из себя HDE 226868. При втягивании этого вещества невидимым спутником его температура повышалась до такой степени, что спутник начинал излучать радиоволны. Другая гипотеза требовала по меньшей мере двух невидимых тел, взаимодействующих с HDE 226868, - невидимую из-за своей блеклости обычную звезду и вращающуюся нейтронную звезду (ядро звезды, которая после завершения отпущенного ей срока сжимается в состоящий из нейтронов шар), именуемую пульсаром. Эти три тела, расположенные определенным образом, и могли быть источниками наблюдавшегося радиоизлучения.
Удаленность Лебедя Х-1 не позволяет проводить непосредственную проверку, тем более что само это излучение происходило 8 тыс. лет назад. Тогда какая же из соперничающих гипотез справедлива? Согласно экспериментальным данным - обе. Но, пользуясь бритвой Оккама, мы видим, что лучше всего здесь подходит более простое объяснение, ограничивающееся одним небесным телом. Таким образом, Лебедь Х-1 стал первым зарегистрированным примером невидимого спутника, известного как черная дыра. Впоследствии при схожих обстоятельствах удалось обнаружить более 30 таких объектов.

Принцип "Бритва Оккама" вступает в действие лишь при отсутствии опытного подтверждения. Его задача - помочь выбрать простейшую гипотезу, согласующуюся с наблюдениями. Однако она не может исключить прочие гипотезы, подтверждаемые даже более сложными данными. Ведь она не способна заменить получаемое в опыте подтверждение. Естественно, бритва Оккама уступает обстоятельным опытным данным, но порой это единственное, что у нас есть.
Нерешенные проблемы
Теперь, уяснив, как наука вписывается в умственную деятельность человека и как она функционирует, можно видеть, что ее открытость позволяет различными путями идти к более полному постижению Вселенной. Возникают новые явления, по поводу которых гипотезы хранят молчание, и, чтобы нарушить его, выдвигаются новые гипотезы, полные свежих идей. На их основе уточняются предсказания. Создается новое экспериментальное оборудование. Вся эта деятельность приводит к появлению гипотез, более точно отражающих поведение Вселенной. И все это ради одной цели - понять Вселенную во всем ее многообразии.
Научные гипотезы можно рассматривать как ответы на вопросы об устройстве Вселенной. Наша же задача состоит в исследовании пяти крупнейших проблем, не решенных до настоящего времени. Под словом "крупнейшие" подразумеваются проблемы, имеющие далеко идущие последствия, самые важные для нашего дальнейшего понимания, или обладающие наиболее весомым прикладным значением. Мы ограничимся одной крупнейшей нерешенной проблемой, взятой из каждой пяти отраслей естествознания, и попытаемся описать, каким образом можно ускорить их решение. Конечно, науки о человеке и обществе, гуманитарные и прикладные, имеют свои нерешенные проблемы (например, природа сознания), но данный вопрос выходит за рамки этой книги.
Вот отобранные нами в каждой из пяти отраслей естествознания крупнейшие нерешенные проблемы и то, чем мы руководствовались в своем выборе.
Физика. Связанные с движением свойства массы тела (скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией) нам хорошо известны. А природа самой массы, присущей многим, но не всем элементарным частицам Вселенной, нам не понятна. Крупнейшая нерешенная задача физики такова: почему одни частицы обладают массой [покоя], а другие - нет?
Химия. Изучение химических реакций живых и неживых тел ведется широко и весьма успешно. Крупнейшая нерешенная задача химии такова: какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?
Биология. Недавно удалось получить геном, или молекулярный чертеж, многих живых организмов. Геномы несут информацию об общих белках, или протеоме, живых организмов. Крупнейшая нерешенная задача биологии такова: каково строение и предназначение протеома?
Геология. Модель тектоники плит удовлетворительно описывает последствия взаимодействия верхних оболочек Земли. Но атмосферные явления, особенно тип погоды, похоже, не поддаются попыткам создать модели, ведущие к получению надежных прогнозов. Крупнейшая нерешенная задача геологии такова: возможен ли точный долговременный прогноз погоды?
Астрономия. Хотя многие стороны общего устройства Вселенной хорошо известны, в ее развитии еще много неясного. Недавнее открытие, что скорость расширения Вселенной возрастает, приводит к мысли, что она будет расширяться бесконечно. Крупнейшая нерешенная задача астрономии такова: почему Вселенная расширяется со все большей скоростью?
Многие иные занимательные вопросы, связанные с этими задачами, будут возникать попутно, и некоторые из них сами могут в будущем стать крупнейшими. Об этом идет речь в заключительном разделе книги: "Список идей".
Уильям Гарвей, английский врач XVII века, определивший природу кровообращения, сказал: "Все, что мы знаем, бесконечно мало по сравнению с тем, что нам пока неведомо" ["Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных", 1628]. И это верно, поскольку вопросы множатся быстрее, чем на них успевают ответить. По мере расширения освещаемого наукой пространства увеличивается и обступающий его мрак.

Глава вторая
Физика
Почему одни частицы обладают массой, а другие нет?
...очертанья грозные событий, Нам предстоящих...
У. Шекспир. Троил и Крессида
Пер. Т. Гнедич
Физика занимается изучением свойств покоящейся и движущейся материи и различных видов энергии. Связанные с движением свойства (скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией) нам хорошо известны. А природа самой массы, присущей большинству форм материи, непонятна. И действительно, происхождение массы - крупнейшая нерешенная задача физики.
Масса
Всем нам знакома масса. Это нечто само собой разумеющееся. Мы все обладаем той или иной массой. Масса - виновница того, что легче вытащить застрявший автомобиль, нежели детскую коляску. Благодаря массе сила тяготения удерживает нас на Земле.
Только неясно происхождение массы. Многим, но не всем элементарным частицам Вселенной присуща масса [покоя]. Почему одни обладают ею, а другие - нет? Что "придает" массу тем или иным частицам? Почему масса частиц различается? Отсутствует ли что-то у безмассовых частиц помимо массы? Ответы на эти вопросы, возможно, находятся в так называемых хиггсовых полях, но прежде чем уяснить смысл неуловимых хиггсовых полей, необходимы кое-какие предварительные сведения.
Начнем с того, что масса тела связана с количеством содержащегося в нем вещества, а всем хорошо известно, что составляет вещество: это набор и сочетание атомов. Но что образует атомы? Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Электроны - элементарные частицы (не составные), чего нельзя сказать о протонах и нейтронах. Они образованы из кварков, и, похоже, именно кварки и электроны и есть истинно элементарные частицы.

Рис. 2.1. Кирпичики, составляющие материю
Прежде чем обратиться к непонятной природе массы, посмотрим, откуда появляются кварки (рис. 2.1). По мере ознакомления с другими элементарными частицами мы увидим, что более элементарными по сравнению с частицами оказываются поля, и изучим самую признанную в физике теорию поля, именуемую стандартной моделью. Затем рассмотрим недочеты стандартной модели: она не определяет источник массы и обходит стороной вопрос тяготения. Наконец, мы исследуем теории, выходящие за рамки стандартной модели, где мог бы быть решен вопрос о происхождении массы.
Более элементарные по сравнению с атоллами
Чтобы разобраться с кварками, следует обратиться к атомам. Изучение Эрнстом Резерфордом ?-частиц привело в начале XX века к открытию ядра (см. гл. 1). Экспериментальные и теоретические изыскания физиков позволили продвинуться вглубь тех кирпичиков, что лежат в основе Вселенной. К 1920 году определились со строением атома, он оказался состоящим из ядра с положительно заряженными протонами и нейтральными нейтронами (хотя в опытах еще не было подтверждено существование нейтронов в то время), вокруг которого обращались электроны.
Целостность этой картины вскоре нарушилась. Для объяснения излучения света нагретыми телами немецкий физик Макс Планк в 1900 году выдвинул предположение, что световая энергия передается в виде порций, названных квантами, а не любым количеством, как думали ранее (вроде звеньев, а не сплошной ленты). По мнению Планка, это было всего лишь математической операцией, позволившей решить возникшие трудности. Однако в 1905 году Альберт Эйнштейн отнесся к идее Планка иначе. Он показал, что если свет действительно имеет квантовую природу, то этим объясняется загадка фотоэлектрического эффекта.
Фотоэлектрический эффект проявляется при падении света на металл, что вызывает выход электронов из металла. Однако испускание электронов прекращается при свете со слишком малой частотой независимо от мощности источника света. Эйнштейн заключил, что свет действует подобно частице, передавая свою энергию электрону и тем самым высвобождая его. Кроме того, отношение Планка, связывавшее энергию с частотой, объясняло отсутствие электронов при низкой частоте падающего света. Световым фотонам просто не хватало энергии для образования свободных электронов. Действия света больше напоминали поведение частицы, нежели волны.
Распространение представления о квантах на атомы в 1920-х годах привело к созданию квантово-механической модели атома. В данной теории электронам как частицам приписывались волновые свойства. Квантово-механические предсказания относительно цвета света, испускаемого возбужденными атомами, согласовывались с данными спектроскопии, так что теория выдержала опытную проверку. Теперь симметрия была полной. Свет мог проявляться в виде волны или частицы, а электрон (протон или нейтрон) - в виде частицы или волны, в зависимости от проводимых опытов.
Одним из следствий квантовой механики стал принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому существует предел произведения неопределенности положения частицы и неопределенности ее импульса и соответствующий предел произведения неопределенности энергии и неопределенности времени.
Принцип этот означает: чем точнее установлено местоположение электрона, тем менее точно можно узнать его импульс, и наоборот. Предел крайне мал, и его действие почти не отражается на измерениях объектов обычных размеров. Однако философские последствия велики: существует предел нашим знаниям. Многие ученые, включая Альберта Эйнштейна, не могли примириться с таким предположением. И все же оно следует из удостоверяемой гипотезы, которую приходится принять.
Далее, квантовую механику потребовалось объединить с другой революционной идеей начала XX века - специальной теорией относительности Эйнштейна. В 1928 году это сделал британский физик Поль Дирак. Его новая теория оказалась не только исчерпывающей, она приводила к любопытному следствию: предсказывала существование новой частицы, подобной электрону, но положительно заряженной, которая получила название антиэлектрона, или позитрона (положительного электрона).
Спасительные космические лучи
Мало предсказать существование новых частиц, нужно подтвердить это в опытах. А поскольку ни у кого не было свидетельств существования позитрона, оно представлялось сомнительным. В начале 1930-х годов американский физик Карл Андерсон привлек для изучения материи новое средство - космические лучи. Они состоят в основном из протонов, ос-частиц (связанные два протона и два нейтрона; одним словом, ядра гелия), или света различной частоты. Эти частицы обладают широким спектром энергии и бомбардируют Землю повсюду, падая на нее с частотой одна частица в секунду. Основной источник космических лучей - Солнце, однако наблюдаемые в космических лучах частицы с наиболее высокой энергией порождены более мощными процессами по сравнению с теми, что происходят на Солнце.
Космические лучи невидимы, и их воздействие на материю слишком мало, чтобы его заметить. Для обнаружения частиц Андерсон использовал два устройства: создающее сильное магнитное поле и конденсационную камеру Вильсона. Магнитное поле искривляло траекторию заряженных частиц внутри конденсационной камеры, содержащей насыщенный водяными парами чистый воздух. Частицы, пролетая через камеру, ионизировали молекулы воздуха, и те становились точками оседания паров, образуя в итоге капли воды. Эти капли позволяли наблюдать траектории частиц, подобно тому как земная атмосфера дает возможность увидеть след от высоко летящего самолета, хотя его самого и не видно.
Андерсон проводил опыты в Колорадо, где большая высота существенно уменьшала затеняющее действие земной атмосферы на падающие космические лучи. Один из его снимков запечатлел траекторию, отклонившуюся в противоположном от траектории электрона направлении. Это было свидетельством существования позитрона. Оказывается, почти всем частицам соответствуют античастицы, отличающиеся электрическим зарядом и иными, более тонкими свойствами (см.: Список идей, 1. Антивещество).
Так как в гипотезе Дирака предсказывалось существование позитрона, его обнаружение подтверждало истинность релятивистской квантовой механики (квантовая механика, видоизмененная с учетом специальной теории относительности). Однако другое открытие Андерсона оказалось более обескураживающим. Он обнаружил траектории двух новых частиц - мюонов, масса которых в 200 с лишним раз превышала массу электрона. Одна имела положительный заряд, а другая - отрицательный. Их существование и свойства приводили в замешательство, поскольку мюонам не находилось места в строении вещества. Недоумение физиков выразилось в ответе Нобелевского лауреата И. А. Раби, который, услышав об открытии мюона, спросил: "Кто их заказывал?"

Четыре силы
Словно мало было хлопот с новыми частицами, в те же 1930-е годы были открыты еще и новые поля. К уже известному тяготению и электромагнетизму добавились силы ядерного взаимодействия, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, и силы слабого взаимодействия, вызывающие некоторые процессы радиоактивного распада. Любопытно, что слабое и сильное взаимодействия достигали своей максимальной силы на очень малом расстоянии, причем их сила падала до нуля, стоило частицам удалиться на расстояние, превышающее размеры ядра. Вот почему мы их не видим: они действуют на расстоянии, недоступном нашим органам чувств.
В 1930-е годы Энрико Ферми выдвинул теорию слабого взаимодействия, предсказавшую существование еще одной новой частицы. Эта электрически нейтральная частица нужна была для учета недостающей энергии в наблюдаемом [бета-]распаде. Ферми назвал ее нейтрино. Нейтрино оказалось чуть ли не частицей-призраком, столь редко взаимодействующей с обыкновенным веществом, что для остановки половины падающих нейтрино понадобилась бы свинцовая пластина толщиной в восемь световых лет (превышающей более чем в 2 раза расстояние от Солнца до ближайшей звезды). И все же нейтрино [точнее, антинейтрино] были обнаружены опытным путем американскими физиками Фредериком Рейнесом и Клайдом Коуэном, но лишь в 1953- 1956 годах. Это и требовалось физике - другая частица.
Осколки частиц, или Трудное разделение
Ученые отчаянно нуждались в аппаратуре для изучения этих новых частиц, но космические лучи оказались слишком уж ненадежными из-за столь широких перепадов их энергии, да и неизвестно было, откуда их ждать. В начале 1930-х годов появились новые устройства для систематических опытов - с использованием пучков частиц с заданной энергией. Устройства, названные ускорителями частиц, стали основным орудием физики высоких энергий, играя ту же роль, что микроскоп в биологии и телескоп в астрономии.
Были созданы два различных вида ускорителей: линейный и круговой, или циклотрон. В линейном ускорителе электроны ускоряются электрическим полем вдоль длинного вакуумного канала (модель Стэнфордского университета имеет протяженность 2 мили) и отклоняются магнитами для столкновения с мишенью. Датчики регистрировали продукты распада и синтеза при столкновении.
В циклотроне заряженные частицы ускоряются в зазоре между двумя половинами циклотрона (именуемыми дуантами - D-образными из-за своего вида), и их траектория искривляется магнитным полем внутри дуант. С увеличением энергии частицы двигаются по все большей дуге, и когда наконец достигают максимальной энергии, выводятся из циклотрона и направляются на мишень, где происходит столкновение, а разлетающиеся осколки регистрируются датчиками. (См.: Список идей, 2. Ускорители.) Изобретатель циклотрона Эрнест Лоренс трудился над созданием все больших циклотронов, которые называл протонными каруселями, но натолкнулся на препятствия, приведшие к остановке его карусели.
Вмешательство политики
1930-е годы принесли другое несчастье: Вторую мировую войну.
Помимо сокращения отпускаемых на исследования средств военные нужды отвлекли огромное множество физиков, вынудив их с 1941 года заниматься Манхэттенским проектом. Изначально целью этого проекта было изучение энергии, высвобождаемой при расщеплении ядер тяжелых металлов вроде урана, чтобы определить, можно ли использовать эту энергию для создания оружия и в случае утвердительного ответа сделать это раньше немецких физиков, которые, как считалось, работали над схожим замыслом. (Пьеса "Копенгаген" Майкла Фрайна повествует о планах немцев и союзников по созданию атомной бомбы на примере взаимоотношений физиков Нильса Бора и Вернера Гейзенберга.)
Задача физики состояла в постижении устройства ядра, техники - в претворении этого знания во взрывное устройство. Об этической стороне дела задумались после победы над немцами, хотя те не занимались созданием атомной бомбы. После капитуляции Германии в мае 1945 года некоторые физики в Соединенных Штатах Америки вышли из Манхэттенского проекта. Оставшиеся создали атомную и водородную бомбы, последствия чего мы ощущаем до сих пор.
Физика возвращается к повседневным заботам
После окончания войны погоня за новыми частицами возобновилась, и ведущая роль здесь отводилась ускорителю. Частицы сталкивали с мишенью, после чего тщательно изучали получавшиеся осколки. При относительно малых энергиях, доступных в ту пору, протоны застревали в больших ядрах, образовывая короткоживущие более крупные ядра. Некоторые из этих ядер были радиоактивными и распадались на ядра поменьше и другие частицы. Получавшиеся более крупные ядра пополняли Периодическую таблицу, к радости химиков, а физики оставались без новых частиц.
Тем временем строились все более крупные циклотроны, получавшие частицы со все большей энергией. Ввиду эквивалентности массы и энергии (согласно знаменитой формуле Эйнштейна Е = тс2) столкновения при больших энергиях позволяли получать более тяжелые частицы. И вскоре физиков, работавших на ускорителе, ждал успех.

Снимки из камеры Вильсона указали на следы, или треки, невиданных прежде частиц: заряженных пионов (?+, ?-), или пи-мезонов, и каонов (К+, К-), или К-мезонов, нейтральных пиона и каонов, лямбда-частицы, сигма-частицы и пр. И хотя частицы были нестабильны, распадались вскоре на более привычные частицы, все это свидетельствовало о том, что материя таит в себе еще много неожиданного.
Гонка за частицами ширилась. Число циклотронов росло, а их устройство совершенствовалось. В приборе, именуемом синхротроном, ускоряющее поле синхронизировалось для обеспечения постоянного радиуса траектории у пучка частиц. На смену камере Вильсона пришла пузырьковая камера, где образование пузырьков в перегретом жидком водороде позволяло видеть следы частиц. Все это походило на исследование разметанного взрывом стога сена в поисках короткоживущих иголок. Так, одному аспиранту для диссертации пришлось изучить 240 тыс. снимков из пузырьковой камеры.

Итогом всех этих усилий стал настоящий бум частиц: их было найдено свыше ста. Нобелевский лауреат Энрико Ферми заметил своему студенту Леону Ледерману (впоследствии тоже Нобелевскому лауреату): "Молодой человек, если бы я мог упомнить названия всех элементарных частиц, я бы стал ботаником".
Появление кварков
Разросшееся скопище частиц создало в физике положение, сходное с тем, что переживала химия до появления Периодической таблицы Менделеева в 1869 году. В их основе должно лежать нечто общее, только вот что? Физики, исходя из теоретических соображений, пытались по-разному группировать частицы в поисках некоего порядка. Тяжелые и средние по массе частицы были названы адронами, а в дальнейшем их разбили на барионы и мезоны. Все адроны участвовали в сильном взаимодействии. Менее тяжелые частицы, названные лептонами, участвовали в электромагнитном и слабом взаимодействии. Но подобно тому как электроны, протоны и нейтроны нужны были для объяснения природы объявившегося скопища частиц, чтобы объяснить природу всех этих частиц, требовалось нечто более основательное.
В 1964 году американские физики Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили новый подход. Все адроны, оказывается, состоят из трех более мелких частиц и соответствующих им античастиц. Гелл-Ман назвал эти новые элементарные частицы кварками, заимствовав название из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану", где герою в снах часто слышались слова о таинственных трех кварках. Эти (первые) три кварка, получившие названия верхний (и - от англ. up), нижний (d - down) и странный (s - strange), обладают дробным электрическим зарядом +2/3, -1/3 и -1/3 соответственно, а у их антикварков эти заряды противоположны.
Согласно данной модели протоны и нейтроны составлены из трех кварков: uud и udd соответственно, тогда как обширная группа вновь открытых мезонов состоит из пары кварк-антикварк. Например, отрицательный пион представляет собой сочетание нижнего кварка и верхнего антикварка. Кварки предлагались в качестве рабочей гипотезы, и, хотя они позволяли решить вопрос с упорядочиванием обширного собрания частиц с математической точки зрения, их существование не внушало доверия из-за отсутствия опытных данных.
В опытах протоны с нейтронами представляли собой размытые кусочки вещества, подобные атому согласно томсоновой модели "пудинга с изюмом". Однако эти частицы были значительно меньше атома, так что их нельзя было прощупать, обстреливая альфа-частицами, как проделал Резерфорд с атомами. Альфа-частицы были слишком крупными, и выведать что-либо с их помощью оказывалось невозможным.
Коллектив ученых Стэнфордского отделения Массачусетского технологического института на линейном ускорителе занимался изучением ядра, обстреливая электронами водород и дейтерий (тяжелый изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один нейтрон). Они измеряли угол и энергию рассеяния электронов после столкновения. При малых энергиях электронов рассеянные протоны с нейтронами вели себя как "однородные" частицы, слегка отклоняя электроны. Но в случае с электронными пучками большой энергии отдельные электроны теряли значительную часть своей начальной энергии, рассеиваясь на большие углы. Американские физики Ричард Фейнман и Джеймс Бьёркен, как и Резерфорд в работе по выявлению строения ядра с помощью альфа-частиц, истолковали данные по рассеянию электронов как свидетельство составного устройства протонов и нейтронов, а именно: в виде предсказанных ранее кварков. Теперь приходилось считаться с гипотезой существования кварков.
Теория наносит ответный удар: объединение
Физики всегда стремились упрощать возникающие вопросы сочетанием различных теорий. На исходе XIX века Джеймс Клерк Максвелл осознал, что электричество и магнетизм выражают собой две стороны одного и того же явления, и это позволило объединить их, а само явление получило название электромагнетизма. В 1950-е годы американские физики Ричард Фейнман, Джулиус Швингер и японский физик Томонага Синъитиро соединили теорию электромагнетизма с квантовой механикой, создав квантовую электродинамику (КЭД). Согласно этой теории электроны взаимодействуют посредством обмена световыми фотонами. Сами фотоны наблюдать невозможно, поскольку электроны испускают и поглощают их в пределах, подпадающих под действие принципа неопределенности Гейзенберга. Из-за своей ненаблюдаемости они получили название виртуальных фотонов.
Когда в конце 1960-х опытным путем удалось выявить кварки, была выдвинута другая модель объединения, включающая два из четырех взаимодействий. Стив Вайнберг и Шелдон Глэшоу в Америке и пакистанский физик Абдус Салам в Триесте (Италия) независимо друг от друга выдвинули теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия в одно, электрослабое взаимодействие. Помимо объяснения уже наблюдавшихся явлений в более общей связи эта новая теория добавляла к списку имеющихся частиц предсказываемые новые: нейтральную, слабо взаимодействующую (ныне именуемую Z0), W+, W- и тяжелую частицу, названную хиггсовой (подробнее см. далее).
В 1973 году была предложена еще одна теория: квантовая теория сильного взаимодействия, которую выдвинули Марри Гелл-Ман и немецкий физик Харальд Фритцш. Получившая название квантовой хромодинамики, эта теория походила на КЭД: и в той и в другой теории основные частицы, кварки, взаимодействовали в процессе обмена виртуальными (в пределах действия принципа неопределенности) частицами, именуемыми глюонами. А поскольку никто не видел глюона, требовалось подтверждение существования еще одной частицы.
Стандартная модель
К середине 1970-х все теоретические и опытные наработки СЛИЛИСЬ в единую теорию, названную стандартной моделью. В ее основе лежат математические выкладки, не являющиеся предметом настоящей книги, так что не следует забывать, что модель опирается на мощный математический аппарат.
Основой стандартной модели стало представление, что кирпичиками Вселенной выступают поля, а не частицы. Первоначально поля понадобились для решения проблемы дальнодействия. Каким образом одно тело способно воздействовать на другое, если оба они находятся на некотором расстоянии друг от друга и между ними нет ничего материального? Ньютон ответил, что они воздействуют друг на друга посредством некой силы.
Для уяснения понятия поля нам следует пойти еще дальше в своих отвлеченных рассуждениях. Удалим одно тело. Теперь представим оставшееся, способное воздействовать на любое проходящее рядом тело. Это воздействие и составляет поле, проявляемое данным телом. При таком подходе поле есть возможность проявления силы. Например, поле тяготения часто изображается в виде стрелок, обращенных в сторону массы, как на рис. 2.2. Это вовсе не физические линии или стрелки в пространстве, а лишь указание на то, что любое, помещенное в любую точку тело будет ощущать действие некой силы в направлении, указанном стрелками.
Сходным образом линии электрического поля окружают заряд, а линии магнитного поля - магниты. Поскольку железные опилки обладают ярко выраженными магнитными свойствами, на помещаемых в учебниках картинках видно, как эти опилки распределяются вокруг полюсов магнита и делают как бы зримым само магнитное поле.
Вначале полю отводилось место сугубо понятийного средства, но ныне оно играет ключевую роль в физике. Согласно стандартной модели:
- исходными кирпичиками Вселенной являются поля,
- крошечные сгустки энергии (кварки или лептоны) проявляются при перенесении квантовых законов на поля,
- частицы взаимодействуют между собой посредством обмена другими сгустками энергии (бозонами), которые невозможно наблюдать ввиду ограничений, накладываемых принципом неопределенности.

Рис 2.2. Изображение силы тяготения
Итак, классическая картина дальнодействующих сил между частицами сменилась взаимодействием, обменом виртуальными сгустками энергии (прежде волнами) между квантованными жгутами энергии поля (прежде частицами). Здесь наблюдается полный разрыв с прежними представлениями.
Стандартная модель включает два вида взаимодействия: сильное и электрослабое.
1. Сильное взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются кварками. Сегодня известно шесть кварков, (и связанных с ними антикварков), входящих в три семейства [или поколения], как показано на рис. 2.3. Вот их названия:
семейство 1: верхний и нижний;
семейство 2: очарованный и странный;
семейство 3: верхний и нижний.
Кварки взаимодействуют друг с другом через сильное взаимодействие, обмениваясь виртуальными частицами, именуемыми глюонами.
2. Электрослабое взаимодействие: частицы, появляющиеся в соответствии с законами квантования ряда полей, называются лептонами. Существует шесть лептонов (и связанных с ними антилептонов), входящих в три семейства, как показано на рис. 2.4.

Вот их названия:
семейство 1: электрон и электронное нейтрино;
семейство 2: мюон и мюонное нейтрино;
семейство 3: тау и тау-нейтрино.
Лептоны взаимодействуют, обмениваясь виртуальными частицами: фотоном, двумя W-бозонами и одним Z-бозоном.
На обобщенном рис. 2.5 представлены основные элементарные частицы и переносчики их взаимодействий.
В табл. 1 перечислены частицы с их спином, зарядом и массой. Поражает огромный разброс масс - но об этом речь пойдет далее.
Согласно стандартной модели здесь прослеживается механизм функционирования атома. Протоны и нейтроны удерживает в ядре обмен виртуальными глюонами между составляющими эти частицы кварками.

Рис. 2.5. Основные частицы
Связь электронов с протонами в ядре обеспечивается обменом виртуальными фотонами. Заметим, что три семейства кварков в точности соотносятся с тремя семействами лептонов. Вот только неизвестно, почему их ровно три. Первое семейство кварков и лептонов стабильно и составляет всю материю вокруг нас. Другие два семейства нестабильны, распадаясь через короткое время на более устойчивых собратьев. Если же говорить о возможности существования большего числа семейств кварков и лептонов, имеется два экспериментальных подтверждения, что таких семейств три. Одно подтверждение получено в 1998 году на усилителе при распаде нейтрального лямбда-гиперона [лямбда-ноль-гиперона] с образованием нейтрино, а другое - из астрономических наблюдений (подробнее см. след. параграф).
Все перечисленные частицы, за исключением глюона и фотона, обладают массой. Нулевая масса фотона обусловливает большую дальность электромагнитного взаимодействия, поскольку его переносчик может перемещаться со скоростью света. Слабое взаимодействие имеет значительно более короткий радиус действия ввиду большой массы его переносчиков, что не позволяет им двигаться столь же быстро, как фотоны. Все кварки и лептоны подчиняются ряду статистических правил, установленных Ферми и Дираком, и обобщенно именуются фермионами. Переносчики взаимодействия подчиняются другому ряду правил, выдвинутых индийским физиком Шатьендранатом Бозе и Эйнштейном, и называются бозонами. (См.: Список идей, 3. Фермионы и бозоны.)
Таблица 1 Основные частицы и их массы

Частицы Приблизительная масса, ГэВ* Фермионы Верхний кварк 5 х10-3 Нижний кварк 9 x10-3 Электрон 0,51 х10-3 Электронное нейтрино < 7,2 x 10-9 Очарованный кварк 1,35 Странный кварк 0,175 Мюон 0,106 Мюонное нейтрино < 2,7 х 10-4 Истинный кварк 174 Красивый кварк 4,5 Тау 1,78 Тау-нейтрино < 3 x 10-2 Бозоны Фотон 0 W+w W- 80,2 Z 91,2 Глюон 0 Хиггса частица (нет пока опытного подтверждения) 63-800 * Масса дается в единицах энергии, ГВт, равных миллиардам электрон-вольт согласно эйнштейновской формуле эквивалентности массы и энергии, Е = тс2.
Проверка стандартной модели
Стандартная модель впервые предложена в 1974 году. В ту пору еще не было открыто семь предсказанных ею частиц. В последующие 20 лет благодаря проведению опытов на более мощных ускорителях все они были открыты, за исключением бозона Хиггса.
Помимо наблюдений самих частиц опытным путем проверялись многие свойства частиц, предсказанные стандартной моделью. В результате выяснилось, что предсказанные и экспериментально полученные данные прекрасно согласовывались друг с другом. Примером может служить лэмбовский сдвиг. В 1947 году американский физик Уиллис Лэмб измерил частотный сдвиг в излучении, поглощаемом или испускаемом при переходе атома водорода из одного энергетического состояния в другое с вырожденными энергетическими уровнями. Значительно позже стандартная модель дала для частоты излучаемого при этом переходе света величину 1057,860+/-0,009 МГц, тогда как измеренное Лэмбом значение равнялось 1057,65 +/--0,009 МГц. Обе величины различаются всего на '/100 000. С учетом погрешности оказалось, что предсказанное и полученное значения фактически совпали. Такое удивительное соответствие теории эксперимента наблюдалось во многих случаях, что служило еще большим подтверждением верности данной модели.
Поиск более тяжелых частиц требовал и более мощных ускорителей, а по экономическим соображениям физика нуждалась не в столь затратном средстве изысканий. Подобно Карлу Андерсону, воспользовавшемуся природными космическими лучами в качестве источника частиц высокой энергии, физики принялись за поиски природных явлений с участием частиц, предсказанных стандартной моделью. Единственный период, когда могли существовать такие частицы, приходился на первые мгновения "большого взрыва", когда вещество и энергия заполняли Вселенную. В первые моменты вспышки после "большого взрыва" ощущались невиданный жар и плотность. Наличествовали все семейства элементарных частиц, так что первые мгновения "большого взрыва" были как бы огромной лабораторией для проверки стандартной модели. И несмотря на недоступность того события, можно делать предсказания о существующих ныне условиях и сравнивать их с опытными данными.
Астрофизик Дэвид Шрамм часто повторял слова советского физика Якова Зельдовича: "Вселенная - ускоритель для бедных. Эксперименты не нуждаются в финансировании, от нас требуется лишь сбор опытных данных и верное их толкование". Например, если существует четыре семейства элементарных частиц, количество гелия, образованного в первые минуты после "большого взрыва", должно составлять свыше 26% [вещества] нынешней Вселенной. Три же семейства элементарных частиц привели бы к созданию лишь 25% гелия. А поскольку выявлено именно такое количество гелия, ограничение стандартной модели тремя семействами кварков и лептонов находит тем самым убедительное опытное подтверждение.
Совместная работа физиков высоких энергий и астрофизиков в изучении первых мгновений после "большого взрыва" приводит к многим полезным результатам. Например, сочетая по-разному три фундаментальных физических постоянных (постоянную Планка, скорость света и постоянную тяготения), мы получаем минимальные значения таких основополагающих величин, как время, масса и энергия. Они называются планковскими масштабами (или размерностями):
время: 10-43 с, длина: 10-35 м, энергия: 10 9Дж.
Если энергию Планка сосредоточить в объеме куба со стороной, равной длине Планка, то эквивалентная масса (Е = тc2) в этом крохотном пространстве была бы столь плотной, что свет не мог бы его покинуть, оказавшись отрезанным от остальной Вселенной, - черная дыра. Таким образом, расстояния меньше планковской длины теряют смысл, так что ниже этого уровня пространство и время предстают "квантовой пеной", где уже не действуют никакие физические законы.
Исходя из планковских масштабов, можно представить возможную картину начала Вселенной. Субмикроскопическая квантовая флуктуация проходит стадию раздувания с очень быстрым расширением, когда по мере падения температуры происходит "вымораживание" четырех основных взаимодействий, подобно тому, как жидкая вода превращается в лед. Если взаимодействие с полями Хиггса определяет массу частиц, эта величина может принимать совершенно случайное значение, в зависимости от того, как идет остывание. При таком повороте событий возможно возникновение различных вселенных со слегка различающимися значениями масс элементарных частиц.
Теневая сторона стандартной модели
По поводу стандартной модели существует ряд возражений. Первое - математическое. При решении уравнений стандартной модели, касающихся свойств частиц, часто используется математический прием, основанный на теории возмущений. Значение некой величины определяется исходя из требуемой точности включением все большего числа членов рядов разложения по степеням некой величины, именуемой параметром. При малом параметре последовательные члены ряда уменьшаются по величине, так что для получения нужной точности можно ограничиться небольшим их числом. Но поскольку не все параметры оказываются малыми, некоторые вычисления требуют многих членов ряда. К тому же при расчетах в рамках стандартной модели зачастую появляются бесконечные величины. Для борьбы с этими расходимостями привлекают математический прием, именуемый перенормировкой. Перенормировка включает вычитание одного бесконечного ряда разложения из другого, чтобы оставить те члены, которые согласуются с известным значением.
Многие ученые критикуют стандартную модель за подобные математические изъяны, называя ее неизящной. Возможно, недовольство физиков связано с философским допущением, согласно которому Вселенная познаваема, и наше знание о ней должно быть математически простым, изящным и завершенным. Разумеется, эта критика не влияет на удивительно полную согласованость предсказания и опытных данных, как и не мешает стандартной модели объяснять многие явления во Вселенной. Однако чувство неудовлетворенности заставляет ученых создавать более совершенную теорию.
На более высоком научном уровне у стандартной модели в самой ее основе проявляется изъян, связанный с нарушением симметрии электрослабого взаимодействия. Фотон, безмассовый бозон, служит переносчиком электромагнитной части электрослабого взаимодействия. Для сохранения симметрии переносчиком слабого взаимодействия здесь должен выступать также безмассовый бозон, чего на самом деле нет. Переносчиками слабого взаимодействия выступают два W-и один Z-бозон, обладающие значительной массой, превышающей массу большинства кварков. Симметрия оказывается нарушенной, и стандартная модель не в состоянии это объяснить.
Самая серьезная критика стандартной модели касается тяготения и происхождения массы. Стандартная модель не учитывает тяготения и требует, чтобы масса, заряд и некоторые другие свойства частиц измерялись опытным путем для последующей постановки в уравнения. Любой теории, готовящейся сменить стандартную модель, придется считаться с этой критикой, к тому же ни в чем не уступить стандартной модели там, где ее предсказания столь прекрасно согласуются с действительностью.
Проблема происхождения массы, известная как проблема полей Хиггса
В 1964 году шотландский физик Питер Хиггс и другие, исходя из чисто математических соображений, допустили существование вездесущего поля, позже названного полем Хиггса. Все взаимодействующие с полем Хиггса частицы приобретают вследствие этого массу. Иначе говоря, всякая масса порождена взаимодействием.
Механизм обретения массы схож с прохождением строя солдат через разлитую на земле патоку. Они становятся тяжелее вследствие прилипания патоки при ходьбе. Другим примером может служить вечеринка, где гости разбрелись по комнате. При появлении важного лица ближайшие соседи обступают его, увеличивая тем самым его эффективную [т. е. большую, чем реальная] массу. Чем значительнее лицо, тем больше народу обступает его, а значит, растет и его масса.
Согласно данной теории частицы по-разному сцепляются с полем Хиггса, что приводит к большим массам у W- и Z-бозонов и к отсутствию массы у фотона и глюона. Если механизм Хиггса действительно ответственен за массу у элементарных частиц, он хотя бы отчасти дает ответ на вопрос, откуда появляется масса.
Но как определить, действительно ли существует поле Хиггса или это просто математический прием? Надо поступить следующим образом. Достаточно крепкий удар вроде удара частиц с очень высокой энергией по космической патоке, именуемой полем Хиггса, вызовет дрожание этой патоки. Колебания же самого поля можно зарегистрировать, поскольку должна появиться частица Хиггса, переносчик хиггсова поля, подобно тому как фотон служит переносчиком электромагнитного поля.
В самой простой теории лишь одна частица Хиггса является носителем хиггсова взаимодействия. Более сложные теории содержат многочисленные частицы Хиггса, в числе которых самая легкая. И, возможно, эта частица доступна современным ускорителям.
В течение нескольких лет Европейская организация по ядерным исследованиям в Женеве - ЦЕРН (Швейцария) занималась поисками хиггсовой частицы на ускорителе со встречными электрон-позитронными пучками (LEP). При 115 ГэВ (см. табл. 2 для масс частиц) было зарегистрировано интересующее явление [т. е. хиггсова частица], но для подтверждения необходимы также дополнительные данные, чтобы исключить влияние фона. В 2001 году ЦЕРН закрыл ускоритель для создания более мощного устройства с тем же тоннелем [27-километровым накопительным кольцом]. Новый ускоритель - Большой ускоритель со встречными протон-протонными пучками (LHC) по плану вступит в строй в 2005 году и благодаря своей мощи (8000 ГэВ в пучке) станет более эффективным средством исследования. С марта 2001 года Национальная лаборатория высокоэнергетических исследований имени Энрико Ферми (FNAL) в Батавии (штат Иллинойс) ведет поиски частицы Хиггса на своем ускорителе Tevatron (1000 ГэВ в пучке), но события, связанные с существованием такой частицы, были столь нечасты, что, похоже, уйдет много времени для сбора статистически значимых данных. [Сеанс набора данных продлится пять лет.] Сверхпроводящий сверхускоритель на встречных пучках (SSC), проект которого одобрен президентом Бушем в 1987 году, своей главной целью ставил поиск частицы Хиггса, и обладал бы достаточной мощью (20 000 ГэВ в пучке) для решения подобной задачи, но его строительство было прекращено по решению сената США в 1993 году [несмотря на уже израсходованные 2 млн долларов].
В случае если найдется частица Хиггса и ее масса окажется в пределах досягаемости нынешних ускорителей, можно расширить стандартную модель, чтобы она включила вытекающие из этого следствия. Данный шаг, конечно же, не решит вопроса о происхождении массы или всех трудностей стандартной модели, но послужит все же неким началом.

Если частица Хиггса отыщется и ее масса выйдет за предсказанные пределы, стандартная модель рухнет, поскольку ее прогнозы прежде были безупречными. В таком случае потребуется существенный пересмотр или даже замена стандартной модели.
Если будет найдено множество частиц Хиггса, помимо стандартной модели потребуются новые теории.
Если не отыщется ни одной частицы Хиггса, это тоже повлечет за собой необходимость замены стандартной модели. Подобные теории обсуждаются в следующем разделе.
Итак, обнаружение частицы Хиггса или хотя бы установление нижней границы ее массы оказывается ключевым для понимания причины разнобоя в определении массы частиц. Однако некоторые ученые полагают, что поля Хиггса - лишь временная мера, не решающая вопроса о происхождении массы. Частица Хиггса для них - своего рода долгий ящик неведения, куда откладываются основополагающие трудности стандартной модели.
Стандартная модель недоучитывает тяготения - и это другая сторона нерешенного вопроса с массой. Прямым ответом здесь послужило бы создание квантовой теории тяготения (гравитации). Лучшей теорией тяготения считается общая теория относительности Эйнштейна, и почему бы в таком случае просто не приложить квантовые законы к общей теории относительности? Потому что сделать это нелегко. Обобщенная теория относительности является классической в отношении связи геометрии Вселенной как гладкого на больших масштабах четырехмерного многообразия с массой. Она хорошо работает при больших расстояниях, но на расстояниях между частицами меньше 1 мм никаких опытов не проводилось. Это означает, что сила тяготения попросту экстраполируется в микромир. Вместе с тем стандартная модель проводит квантование полей в виде дискретных частиц и имеет дело с крайне малыми масштабами. Поэтому, когда ученые пытаются провести квантование для общей теории относительности, теория дает бесконечные значения для явно конечных величин.
Другая трудность вызвана крайней слабостью тяготения по сравнению с другими силами. Чтобы быть на равных с сильным и электрослабым взаимодействием, тяготение должно иметь сравнимую силу. Это так называемая проблема иерархии взаимодействий. Огромный энергетический разрыв существует между энергиями, для которых применима стандартная модель, и энергией, при которой наиболее слабо выраженное тяготение становится сравнимым по величине с сильным и электрослабым взаимодействиями. Неизвестно, чем вызван такой огромный разрыв.

Нужна новая физика
Как видим, опытное подтверждение существует лишь для стандартной модели. Однако своей проверки ждут многие теории. Вот некоторые из них.
Теории великого объединения (ТВО) и теории всего сушего (ТВС). Названия лишь вводят в заблуждение, поскольку предлагают больше, чем могут дать. В действительности они лишь указывают на объединение известных взаимодействий в рамках одной, всеобъемлющей теории. ТВО объединяют электрослабое и сильное взаимодействие. Более амбициозные ТВО "замахиваются" не только на сильное и электрослабое взаимодействия, но и на гравитационное. Даже если такая теория будет создана, это вряд ли ознаменует конец науки, которая полна иных, требующих ответа вопросов.
М-теория. Физик из Принстона Эдуард Виттен говорит, что "М означает "магический" или "мембрана", как кому нравится". Некоторые прежние теории оказываются частным случаем этой общей теории - так называемые теории струн, суперструн и бран. Вместо того чтобы рассматривать кварки и лептоны в виде точечных (одномерных) частиц, данная теория предлагает считать их двухмерными (струнами) или даже многомерными (мембранами, сокращенно бранами). Эти родственные теории объединяют все силы, включая тяготение, и не содержат никаких бесконечностей, требующих перенормировки, как в случае со стандартной моделью. Но раз они требуют числа размерностей больше четырех (сейчас в ходу 10, 11 и 26 размерностей), дополнительные размерности могут представать полностью свернутыми или по своей малости недоступными современным измерительным приборам либо огромными, чуть ли не бесконечными. Согласно одной из таких теорий все размерности Вселенной вначале были одинаковой величины, но затем разделились и изменяли свою величину по мере расширения и охлаждения Вселенной. Трудность в выборе какой-либо теории данного рода обусловлена тем, что наш опыт или интуиция неприменимы к размерностям, выходящим за рамки четырехмерного мира, в котором мы живем.
Суперсимметрия (СУСИ). В случае замены фермионов на бозоны и наоборот описывающие основные взаимодействия уравнения должны оставаться истинными. Данная теория предсказывает существование гораздо более тяжелых суперпартнеров для всех частиц. Если такие суперпартнеры существуют, у одного или нескольких из них масса может оказаться довольно малой для обнаружения при поисках бозона Хиггса. Суперсимметричные партнеры могли бы также объяснить существование темной материи (см. гл. 6). (Суперпартнеров обозначают прибавлением приставки "с" к названиям фермионов, т. е. суперпартнер электрона именовался бы сэлектроном, протона - спротоном и т. д. Суффикс "ино" присоединяется к названиям суперпартнеров у бозонов, т. е. суперпартнер фотона именовался бы фотино, W- - бозона - вино и т. д.)
Техницвет. Данная теория [сильного взаимодействия] рассматривает кварки и лептоны состоящими из более мелких частиц. Поскольку она предсказывает существование новых частиц, допускается опытная проверка.
Твисторов теория. Посредством [трехмерного] комплексного представления [вещественного] четырехмерного пространства - времени [Минковского] переформулируются положения стандартной модели и общей теории относительности. (Комплексное число задается выражением
а + ib, где i- квадратный корень из - 1, а а и b - действительные числа. [Твисторы же - прямые во вспомогательном комплексном трехмерном проективном пространстве, соответствующие точкам четырехмерного вещественного пространства-времени Минковского. Понятие твистора введено Роджером Пенроузом в конце 1960-х годов.]) Значение комплексных чисел в реальном мире неясно: их нельзя использовать для счета или измерения любых реальных величин.
Чтобы не оказаться на свалке отвергнутых теорий, любая научная гипотеза должна делать предсказания, подкрепляемые опытными данными. Одни новые теории слишком умозрительны для получения предсказаний, доступных проверке; другие очень сложны для расчетов; третьи включают величины, слишком далекие от нашей повседневной действительности, чтобы можно было накладывать на них ограничения на основе наших опыта и интуиции. Для получения экспериментального подтверждения существования некоторых предсказанных очень тяжелых частиц требуется ускоритель величиной с Солнечную систему.
Принцип соответствия Нильса Бора, выдвинутый в 1920-е годы, гласит, что квантовая механика должна согласовываться с классической физикой в случаях, когда классическая теория доказала свою истинность. Если следовать этому правилу в данном случае, всякая новая теория должна сводиться к стандартной модели в условиях, когда опытные данные подтвердили ее верность. Нужно время, чтобы появилась такая теория.
Необходим новый язык?
Умозрительность положений стандартной модели и возможных ее преемниц не должна вводить в заблуждение. Язык, на котором описывается стандартная модель, является математическим, а такой язык сам может оказаться неполным. Не исключено, что потребуются новые математические понятия. Для объяснения движения Ньютон создал дифференциальное исчисление, имеющее дело с плавно изменяющимися функциями и малыми числами. Нам известно, что Вселенной присущи разрывные функции и большие числа, однако многие уравнения по-прежнему выражаются понятиями дифференциального исчисления. (В гл. 5, о прогнозе погоды, мы столкнемся с теми же трудностями.) Многие теории, ставящие целью смену стандартной модели, включают математические понятия на более глубоком по сравнению с дифференциальным исчислением уровне, привлекая такие понятия, как группы, кольца, идеалы и топологические структуры. Составление описывающих поведение Вселенной уравнений - не то же, что решение этих уравнений в физически точных и осмысленных выражениях.
Решение головоломки: как, кто, где и когда?
Как. По сути, мы до сих пор не знаем, как исходные кирпичики Вселенной обрели свою массу, и у нас даже нет уверенности, что мы установили все эти кирпичики. И все же мы располагаем теоретическими и опытными возможностями для углубления своего понимания.
Кто. На теоретическом фронте плодотворно трудятся многие ученые, совершая постоянные прорывы. Можно назвать лишь некоторых: Эдуард Виттен, Фрэнк Вилчек, Митио Каку, Майкл Джеймс Дафф, Роджер Пенроуз, Гордон Кейн и Ли Смолин.
Где и когда. Экспериментальный поиск частицы Хиггса идет в Лаборатории им. Ферми и продолжится в ЦЕРНе в 2005 году. Возможно, затем появятся новые сооружения.
Чтобы быть в курсе происходящего, отправляйтесь к ссылкам раздела "Источники для углубленного изучения". Будущие открытия обещают быть интересными, познавательными и, вполне возможно, неожиданными.

Глава третья
Химия
Какого рода химические реакции
подтолкнули атомы к образованию
первых живых существ?
Сущий вздор - рассуждать сейчас о происхождении жизни; с тем же успехом можно было бы рассуждать о происхождении материи.
Из письма Ч. Дарвина Дж. Д. Хукеру
29 марта 1863 г.
Химия занята изучением строения веществ и происходящих с ними превращений. Химия живых и неживых существ изучалась довольно широко, а вот химический переход от безжизненных веществ к той сложной системе взаимодействующих молекул, где отражаются все отправления, именуемые нами жизнью, остается крупнейшей нерешенной проблемой химии.
Первичный бульон
Требуемый состав. В требуемом количестве. Перемешанный при требуемой температуре. За требуемое время. В зависимости от состава, количества, температуры и времени можно получить рецепт приготовления овсянки или праздничного пирога. Либо описание первичного бульона, заправленного теми или иными органическими молекулами. Сочетаясь, эти первичные молекулы образуют более крупные самовоспроизводящиеся (реплицирующие) молекулы из белков и нуклеиновых кислот. Появление этих более крупных самовоспроизводящихся молекул в итоге приводит к образованию генетического кода, что равносильно созданию самой жизни.

В данной главе рассказывается о стыке химической, или добиологической, эволюции с биологической; о составе, количестве, температуре, времени и последовательности реакций, происходивших в переходный период - между 4,5 и 3,8 млрд. лет, и затрагивается вопрос, как безжизненная планета породила первую форму жизни.
Становление химических систем
Как бы то ни было, кварки и лептоны обрели массу, и "большой взрыв" свершился. По мере расширения и охлаждения Вселенной кварки, объединяясь, породили протоны и нейтроны, а ядерный синтез - ядра гелия, составившие 25% вещества Вселенной. Остальное вещество находилось в виде протонов. С течением времени под действием силы тяготения стали скапливаться огромные газовые облака, образуя галактики и звезды. В сердцевине этих звезд образовывались атомные ядра тяжелее ядер гелия. По завершении отпущенного им срока эти звезды взрывались, извергая множество ядер в межзвездное вещество, где большая их часть притягивала к себе электроны, образуя ту форму материи, которая известна нам ныне - атомы. Прошло еще время, и некоторые атомы оказались в составе огромных облаков, именуемых туманностями, которые срастались под действием тяготения, образуя как звезды, так и менее крупные тела, включая нашу планету.
У атомов появились общие электроны, что привело к образованию молекул. Вопросы, касающиеся объединения атомов, их количества, скорости объединения (реакции), величины поглощаемой или выделяемой при этом энергии, находятся в ведении отрасли знания, именуемой химией. Химические изменения изображаются в виде уравнений.

Хотя химии и удалось разрешить много тайн вокруг атомных и молекулярных соединений, главная головоломка ей так и не поддалась: какого рода химические реакции подтолкнули атомы на раннем этапе развития Земли к образованию сложной системы взаимодействующих молекул, где отражаются все отправления, именуемые нами жизнью?
Один атом, углерод, дает возможность понять сложность живых существ. От распределения электронов в углероде зависит образование четырех ковалентных связей в виде общих пар электронов [с другими атомами]. Это могут быть одиночные, двойные или даже тройные связи. К тому же атомы углерода легко соединяются между собой. Такая гибкость в выборе связей позволяет молекулам принимать различные формы - от самых простых до крайне сложных.
Занимающаяся изучением углеродных соединений отрасль получила название органической химии из-за господствовавшего прежде мнения, что лишь живые (органические) системы способны порождать подобные молекулы. Но теперь мы знаем, что такие соединения могут создаваться и искусственно. Молекулы на основе углерода изначально могли быть относительно простыми, но способность углерода к связыванию позволяла им становиться все более сложными, что в итоге привело к сложной системе, именуемой нами жизнью. Данный процесс можно изобразить в виде химического уравнения, где стрелки показывают последовательность химических реакций:

Предположения о происхождении жизни
Мы определили вопрос происхождения жизни как химическую головоломку, но вполне возможно, это не единственный подход. Выдвигалось много иных идей, отвечавших на вопрос, как появилась жизнь на Земле. Многие из них не были связаны с химией. Мы начнем с изучения некоторых представлений о возникновении жизни на Земле. Затем посмотрим, насколько химикам удалось продвинуться в этом вопросе. И напоследок уясним, почему же химия все еще считает вопрос о происхождении жизни нерешенным.
Гипотеза 1. Сверхъестественное происхождение жизни. До того как начались планомерные химические изыскания или выработался требующий экспериментальных подтверждений научный метод, на Западе это было широко распространенное мнение. Жизнь принесли на Землю сверхъестественные, или божественные, силы. Данное представление известно как креационизм.

Перед представлениями, объясняющими возникновение жизни действием сверхъестественных, или божественных, сил, стоит неодолимое препятствие: смешивание религии с наукой. Религиозные представления основаны на вере, то есть субъективны, тогда как наука зиждется на объективных свидетельствах. Формально эти два подхода столь различны, что их идеи не поддаются сравнению. Но ведь мы все - люди и обязаны сравнивать.
Вопрос о возникновении жизни особенно труден. Именно из-за давности ее появления, что исключает изучение каких-либо прямых свидетельств. Эта ситуация подобна игре в гольф. Игрок выполняет удар, не видя лунки, а когда подходит, оказывается, что мяч лежит в ямке. Попадание мячом в лунку одним ударом? Возможно. Игрок не в силах обратить время вспять и выяснить, угодил ли мяч туда сам- или же ему посодействовал некий шутник.
Если придерживаться научного подхода, вспомним пример из гл. 1 относительно источника сильного радиоизлучения, обнаруженного спутником Uhuru в 1971 году близ звезды HDE 226868. Ввиду удаленности HDE 226868 от нас на 8 тыс. световых лет невозможны прямые измерения. Но тогда откуда нам известно, что рентгеновские лучи указывают на присутствие черной дыры, а не сигналов от внеземной цивилизации? Если эти два объяснения рассматривать как соперничающие гипотезы, в отсутствие опытных данных следует прибегнуть к бритве Оккама. Гипотеза о черной дыре проще, она привлекает лишь известные физические законы и поэтому более предпочтительна. Дальнейшее обнаружение иных сходных источников радиоизлучения подкрепляет сделанный выбор.
Итак, наука принципиально исключает вмешательство Бога в возникновение жизни не только из-за отсутствия свидетельств, но и потому, что Бог Своей внеприродной сущностью нарушает принцип бритвы Оккама. Многие ученые веруют в Бога, но, вступая в чертоги науки, они должны жить по ее законам. Впрочем, если удастся обнаружить жизнь еще где-то во Вселенной, это, несомненно, самым причудливым образом отразится и на религиозных верованиях, и на науке. (См.: Список идей, 4: Внеземная жизнь.)
Гипотеза 2. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение сложных форм жизни. Издавна люди наблюдали лягушат среди гниющих бревен, крыс в сточных водах и отбросах, личинок на залежалом мясе. В 1620 году Ян Баптист ван Гельмонт, нидерландский естествоиспытатель (и алхимик), предложил такой рецепт изготовления мышей:
Положи в горшок зерна, заткни его грязной рубашкой и жди. Что случится? Через двадцать один день появятся мыши: они зародятся из испарений слежавшегося зерна и грязной рубашки. Поразительно, что появляются мыши обоего пола, кои совершенно схожи с рожденными естественным путем особями... Еще более поразительно, что получаются не детеныши, а взрослые мыши ["Imago fermenti impragnat massam semine" ("Образ закваски оплодотворяет глыбу семенем"): 20-й трактат в изданном посмертно в 1648 г. сыном Франциском Меркурием ван Гельмонтом собрании сочинений под названием Onus medicines, id est initia Physicce inaudita, progressus medicince novus, in morborum ultionem ad vitam longam].
Гипотезу о возникновении сложных многоклеточных живых существ непосредственно из неживого вещества часто именуют гипотезой самозарождения, хотя некоторые остряки величают ее "лягушки из чушки". Но повременим с осмеянием представлений четырехсотлетней давности, представив, сколь наивными окажутся наши взгляды спустя четыре века.
После научной революции, когда опыт стал окончательной проверкой истинности гипотез, соотечественник Галилея и его преемник при дворе Медичи во Флоренции решил испытать теорию самозарождения. В 1668 году Франческо Реди провел опыт, помещая мясо в различные сосуды. Одни сосуды были открыты, сообщаясь с воздухом, другие - полностью запечатаны, а третьи покрыты кисеей со столь мелкой сеткой, что внутрь проходил один воздух. Мухи, жужжа, кружились над каждым сосудом, но поскольку личинки появились лишь в открытых сосудах (куда могли залетать и откладывать яйца мухи), это доказывало, что личинки появляются от мух, а не из воздуха. К тому же яйца были найдены на самой кисее. Можно было бы ожидать, что опыты Реди полностью изобличили теорию самозарождения. Но тем не менее многие продолжали верить в нее. От старых представлений отказываются с превеликим трудом. Даже Реди продолжал верить, что самозарождение может происходить при иных обстоятельствах.
Вскоре после опытов Реди был изобретено новое мощное исследовательское орудие, микроскоп, вызывавший смешанные чувства. Он не только оказался крайне полезным для биологических наблюдений, но и укрепил веру в самозарождение, поскольку явленные им взору "животинки", казалось, возникали сами по себе.
В начале 1860-х годов Луи Пастер принял участие в споре по поводу самопроизвольного зарождения. Мнения высказывались диаметрально противоположные. Член Французской академии наук Ф. А. Пуше опубликовал материалы с результатами опытов, где заявлял, что может продемонстрировать самозарождение. Пастер указал на некоторые изъяны в избранных Пуше способах, и тогда тот обратился к Французской академии с предложением назначить премию тому, кто сможет доказать или опровергнуть самозарождение. Друзья Пастера отговаривали его от участия в конкурсе, полагая, что он устраивался с целью посрамления ученого. Но благодаря своим прежним опытам с брожением Пастер чувствовал себя вполне подготовленным.
Он провел ряд опытов, завершившихся помещением обеспложенного мясного навара в колбы, у которых горлышко было вытянуто в длинную трубочку, изогнутую на манер шеи лебедя. Благодаря такому изгибу воздух проходил в колбу, а микроорганизмы застревали в горлышке. Навар оставался стерильным, что указывало на отсутствие самозарождения микроорганизмов. Пастер сказал:
"Господа, я мог бы указать на эту жидкость [в колбе со стерильной питательной средой на столе перед ним] и сказать вам, что взял сию каплю воды из необозримого мироздания, и взял ее, полную плодоносного студня. И вот я жду, наблюдаю и прошу, умоляю ее приступить к началу творения! Но она глуха, глуха уже несколько лет с начала опытов. А все потому, что я удалил от нее то единственное, что не в состоянии сотворить человек, я удалил от нее зародыши, кои витают в воздухе, я удалил от нее жизнь, ибо жизнь и есть зародыш, а зародыш - жизнь. Никогда прежде учение о самозарождении не получало смертельного удара, подобного тому, что нанес ей сей простой опыт.
Итак, нет более никаких известных обстоятельств, кои могли бы подтвердить, что микроскопические существа появляются на свет без зародышей, без подобных оным родителей. Те, кто утверждает это, введены в заблуждение ложными представлениями, неверно поставленными опытами, ошибками, коих они либо не замечали, либо не могли избежать" [Des generations spontanees. Conference faite aux "soirees scientifiques de la Sorbonne", le 7 avril 1864: Revue des cours scientifiques de la France et de Vetranger, I, 23 avril 1864, p. 257-265 (О самопроизвольном зарождении: Доклад, прочитанный на "научных вечерах" Сорбонны, 7 апр. 1864.)].
Пастер завоевал премию, но его блестящий опыт так и не похоронил теории самозарождения, которая то и дело давала о себе знать. Подобно нынешним городским мифам она обрела собственную жизнь. С научной точки зрения в опытах Пастера смущало только одно. Ведь если каждый живой организм происходит от предшествующих живых организмов, то каким образом появился первый живой организм?
Гипотеза 3. Возникновение жизни извне. Анаксагор, живший в 500-428 годах до н. э. греческий мыслитель, рассуждал о "семенах вещей", которые наличествуют во всех организмах. Его философия истолковывается как исток представления о панспермии, в соответствии с которой жизнь на планеты пришла извне. В 1871 году шотландский физик Вильям Томсон, впоследствии лорд Кельвин, обнаруживший углерод в метеоритах [выступая в Эдинбурге перед Британским обществом содействия науке], сказал:
- При столкновении двух огромных масс в пространстве значительная их часть расплавится. Однако вполне верно и то, что во многих случаях большая часть обломков разлетится во все стороны, множество из них испытают разрушительное воздействие не больше того, что придется вынести отдельным частям скалы при оползне или пороховом взрыве. Если время столкновения нашей Земли с другим, соизмеримым с ней телом придется на пору, когда она подобно нынешней будет покрыта растительностью, то множество больших и малых осколков с семенами и живыми растениями и животными рассеется во Вселенной. Посему и согласно нашему убеждению, что с незапамятных времен существует множество обитаемых миров помимо нашего, нам следует считать крайне вероятным наличие бесчисленного множества движущихся во Вселенной метеоритных камней с семенами. Если бы в данный миг наша Земля была безжизненной, один такой камень мог бы по названным нами по недомыслию естественным причинам дать начало обильной растительности.
Немецкий физик Герман фон Гельмгольц согласился с подобными соображениями, заявив [в лекциях, прочитанных весной того же года в Гейдельберге и Кельне]:
"Мне кажется, что если все наши попытки создать организмы из безжизненного вещества терпят неудачу, то является вполне научным способом рассуждения задать себе вопрос: да возникла ли вообще когда-нибудь жизнь, не так ли она стара, как и материя, и не переносятся ли все зародыши с одного небесного тела на другое, развиваясь всюду, где они находят для себя благоприятную почву" [Предисловие к книге "Handbuch der theoretischen Physik von W. Thomson und P. G. Tait"§ (Руководство по теоретической физике В. Томсона и П. Г. Тэта / Авториз. пер. с нем. Брауншвейг, 1874. Т. 1. Ч. 2. С. XI)].
Сколь бы любопытными ни были эти соображения и какими бы маститыми учеными они ни выдвигались, это не гипотезы, которые позволяли бы делать предсказания и допускали бы опытную проверку, поэтому они и остались невостребованными по меньшей мере в смысле научного подхода.
В 1907 году шведский химик Сванте Аррениус, удостоенный Нобелевской премии за теорию электрической диссоциации, написал популярную книгу Varldarnas utveckling [Образование миров. Одесса: Mathesis, 1908]. Аррениус полагал, что жизнь где-то зарождается, пробивается сквозь атмосферу других планет и странствует по Вселенной в виде спор, подталкиваемая давлением света от находящейся в центре этой планетарной системы звезды. Как гипотеза данная идея предсказывает, что споры при движении к Земле в состоянии перенести ультрафиолетовое излучение Солнца. В ряде опытов споры помещали в условия, близкие к космическим, которые они не смогли вынести. Тем самым теория Аррениуса умерла [для науки], но [продолжала] служить источником научно-фантастических рассказов.
Одно из главных возражений против панспермии таково: она не отвечает на вопрос, как впервые возникла жизнь, просто отодвигая его в иное, менее доступное место. Современные вариации на тему панспермии будут рассмотрены в данной главе.
Гипотеза 4. Самопроизвольное зарождение жизни на самой Земле. В 1920-е годы в атмосфере Юпитера и других газообразных планет-гигантов обнаружили метан (СН4). Русский биохимик Александр Опарин предположил, что на ранней стадии развития Земли наряду с аммиаком (NH3), водородом (Н2) и водой (Н2О) присутствовал метан. Вероятно, это было сырье, необходимое для начала жизни, поскольку там содержались основополагающие элементы живых организмов: углерод, кислород, водород и азот. В 1924 году Опарин выпускает брошюру о происхождении жизни, где говорится:
"Поначалу наблюдались простые растворы органических веществ, чье поведение определялось свойствами входящих в их состав атомов и расположением самих атомов внутри молекул. Но постепенно вследствие роста и усложнения молекул появились новые свойства, и среди более простых органических химических связей утвердился новый коллоидно-химический порядок. Эти обновленные свойства определялись пространственным расположением и взаимными связями между молекулами. Но даже такое состояние органической материи еще не могло породить первых живых существ. Для этого коллоидальные системы в ходе своего развития должны были приобрести свойства более высокого порядка, который позволил бы перейти к следующей, более сложной ступени в устройстве материи. Здесь уже заявляет о себе биологическая упорядоченность. Опережение в росте, борьба за выживание и, наконец, естественный отбор установили такой вид устроения материи, который присущ всему живому теперь".
Опарин обнаружил, что белки, находящиеся в растворенном состоянии, могут слипаться, образуя сгустки. Такие сгустки он назвал коацерватами и заявил, что они способны на метаболизм. Из-за революции в России работы Опарина были неизвестны на Западе до конца 1930-х годов.
В статье 1929 года "Происхождение жизни" ["The Origin of Life", Rationalist Annual. Vol. P. 148; Происхождение жизни // Планета Земля. М., 1961. С. 315-334] Дж. Б. С. Холдейн, британский биохимик, строит догадки о происхождении жизни на Земле. Приводя недавние опыты о влиянии ультрафиолетового излучения на химические реакции, Холдейн предположил, что ультрафиолетовое излучение своим воздействием на первичную атмосферу Земли в виде двуокиси углерода (СО2), паров воды (Н2О) и аммиака (NH3) могло вызвать к жизни органические соединения, которые собирались в океане, достигнув в итоге "состояния горячего разбавленного бульона". Последующий химический синтез породил первичные организмы, питавшиеся окружающими их органическими веществами. Холдейн особо сосредоточил внимание на воспроизведении, полагая, что первичные организмы походили на простые вирусы, или вироиды. Круг интересов Холдейна был весьма широк, а его рационалистические взгляды - хорошо известны. В конце жизни кто-то спросил Холдейна, что он в своем длительном изучении природы подразумевал под ее творцом.

Холдейн задумался: возможно, около 350 тыс. видов жуков, составляющих более половины всех насекомых, а затем ответил: "Создатель, если он есть, питает необыкновенную слабость к жукам" [приводится в сообщении о прочитанном Холдейном 7 апреля 1951 года Докладе: Journal of 'the British Interplanetary Society. 1951. Vol. 10].
Так как Опарин и Ходдейн независимо друг от друга пришли к сходным выводам, их гипотезы часто представляют вместе в виде теории Опарина-Холдейна. При всем сходстве выводов Опарин прежде всего подчеркивает метаболизм, тогда как Ходдейн - воспроизведение. Это расхождение разбивает сторонников теории происхождения жизни на два лагеря.
После выдвижения гипотезы остается ждать появления доступного проверке предсказания и проведения соответствующих опытов. В 1952 году Стэнли Миллер (аспирант Нобелевского лауреата Гарольда Клейтона Ури в Чикагском университете) проделал новаторский опыт по проверке теории Опарина-Холдейна. Предполагаемые составляющие первичной атмосферы Земли - вода, водород, аммиак и метан - после обеспложивания вводились в соответствующий прибор, где подвергались электрическим разрядам, имитирующим молнии (рис. 3.1).
Через несколько дней после эксперимента Миллер обнаружил в воде простые органические молекулы (табл. 2), среди которых были аминокислоты, кирпичики живых организмов (см.: Список идей, 5. Аминокислоты). Из всего многообразия аминокислот в природе встречается лишь около 100 таких кислот, 20 из которых обнаружены в живых организмах. Четыре кислоты получены в миллеровском приборе. Большое количество этих простых, но примечательных органических молекул возникло всего за несколько дней.
Данные результаты подтвердили теорию Опарина-Холдейна. Конечно, полностью сформировавшиеся живые организмы получены не были. Хотя произведенные прибором Миллера молекулы представляли собой лишь простые составные части необходимых для обеспечения жизни молекул, само их образование в течение нескольких дней существенно укрепляло позиции данной теории.
Опытное подтверждение теории Опарина-Холдейна о происхождении жизни носило все же отрывочный характер, поскольку подробности биохимии жизни еще не были раскрыты.

Рис. 3.1. Прибор, использованный Миллером для воспроизведения условий, существовавших на первобытной Земле (из кн.: Raven P. H., Johnson G. В. Biology. 6th edition. N.Y., 2002 [Кемп П., Арме К. Введение в биологию / Пер. с англ. Л. Александрова и др. / Под ред. Ю. Полянского. М.: Мир, 1988. С. 339]
В последующий год все круто изменилось: в Кембридже Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик установили исходное строение молекулы, отвечающей за наследственность, дезоксирибонуклеиновой кислоты - ДНК. После того как молекулярные биологи приступили к упорядочиванию запутанных отношений между ДНК, РНК (рибонуклеиновой кислотой), белками и прочими молекулами, обеспечивающими деятельность живых организмов, стали известны дополнительные сведения о молекулярных взаимодействиях. Как говорится, бес прячется в подробностях.
Таблица 2 Молекулы, образованные в ходе опыта Миллера

Молекула Формула Молекула Формула молекулы молекулы Цианид водорода CHN Альфа-аминомасляная C4H9NO2 Циан C2N2 кислота Цианацетилен C3HN Альфа-аминоизомас- C4H,NO2 Формальдегин СН2О ляная кислота Уксусный альдегид С2Н4О Муравьиная кислота сн2о2 Пропиональдегид С3Н6О Уксусная кислота С2Н4О2 Глицин C2H5NO2 Пропионовая кислота С3Н6О2 Саркозин C3H7NO2 Мочевина CH4N2O Гликолевая кислота С2Н4О3 Аспарагиновая кислота C4H7NO4 Алании C3H7NO2 Иминоуксуснопро- C5H9NO4 п-метилаланин C4H9NO2 пионовая кислота Молочная кислота С3Н5О3 Янтарная кислота с4н6о4 Глутаминовая кислота C4H9NO4 Теория Опарина-Холдейна о происхождении жизни не содержала подробного списка химических реакций по зарождению жизни, поскольку на ту пору эти молекулы не были известны. Далее дается описание нынешнего понимания молекулярной основы жизнедеятельности организмов. Постараемся выяснить, что же могло послужить первой, простейшей формой жизни. Затем рассмотрим условия на Земле во время ее формирования и проследим, как химические реакции могли превратить простые молекулы в виде смеси в тот молекулярный механизм, что управляет ходом жизни. Потом мы рассмотрим некоторые иные трудности, делающие вопрос происхождения жизни одной из основных нерешенных проблем. Наконец, мы исследуем немногие пути, способные привести к ее разгадке.

Нынешняя жизнь: клеточные структуры

Ныне жизнь предстает крайне сложным явлением. Учитывая миллионы видов (где 350 тыс. приходится лишь на жуков) трудно рассчитывать на сохранение простейшей формы жизни, которую можно было бы исследовать. Ее нет. После 4 млрд. лет мутаций, воспроизведения, борьбы за пищу и изменений окружающей среды вряд ли стоит удивляться, что первой предполагаемой формы жизни давно не существует.
В сущности, что же такое жизнь? В 1947 году неугомонный британский генетик Дж. Б. С. Ходдейн сказал: "Я не собираюсь отвечать на этот вопрос". После борьбы с промежуточными формами вроде вирусов, вироидов и вирионов биология двинулась дальше в поисках четкого определения жизни.
Живые организмы порой описывались в соответствии с присущими им отправлениями (функциями):
Метаболизм: поглощение энергии, ее усвоение и вывод отходов.
Рост и восстановление: достижение нужных размеров и устранение неполадок.

<< Пред. стр. 1 (из 7) След. >>

Список литературы по разделу