Конкурентного исключения

коэволюция

Согласно теории эволюции, с течением времени живые существа видоизменяются под воздействием внешней среды. Обычно под факторами естественного отбора понимают, например, климат, обеспеченность пищей или доступность воды. Однако понятие «внешняя среда» может включать в себя и другие живые существа. Изменения в одном организме могут приводить к изменениям в другом; эти изменения, в свою очередь, вызывают изменения в первом организме и так далее. Такой «вальс организмов» во времени называется коэволюцией.

Например, у растения может образоваться жесткий покров на листьях, чтобы его не смогли съесть насекомые. В ответ у одного из насекомых, питающихся этим растением, могут так развиться части ротового аппарата, чтобы преодолеть это защитное приспособление растения. Растение может затем создать еще более мощную защиту (колючки, например), чтобы не подпускать насекомое, а насекомое опять может выработать средства противодействия этой новой оборонной стратегии. Здесь растение и насекомое реагируют не на изменения среды обитания, а на мутации агрессора и источника пищи.

Коэволюция иногда может приводить к поразительным результатам — результатам, которые часто ставили в тупик биологов-эволюционистов. Например, у некоторых видов насекомых ротовой аппарат настолько узко приспособлен, что они могут добывать нектар только из цветков одного-единственного вида растений. В свою очередь, цветки этого растения могут опылять (то есть переносить пыльцу с одного цветка на другой) только насекомые данного вида. Можно сказать, что эти два вида коэво-люционировали во что-то третье, что пока еще не является единым организмом, но уже и не может считаться двумя независимыми организмами.

Подобные системы иногда ошибочно приводят в пример как свидетельство против теории эволюции — якобы их существование доказывает, что какие-то виды создавались с заранее определенной узкой направленностью. Однако, как мы видим, появление таких «сверхъестественных» союзов нетрудно объяснить законами естественного отбора.

Критерий красоты

Существуют не только прагматические, но и эстетические критерии оценки научных теорий...

...иными словами, к научной теории можно подходить не только как к инструменту для объяснения явлений природы, но и как к произведению искусства. Эта мысль вряд ли удивит кого-нибудь из ученых — каждый из них за время своей работы не раз сталкивался с подобными рассуждениями, а иногда и сам принимал в них участие. Зато широкую публику тот факт, что ученые не безнадежные практики и рационалисты, какими их принято изображать, а такие же, как и все, ценители красоты и изящества, может даже шокировать.

Существует множество примеров того, как этот критерий работает в науке. Так, общая теория относительности благодаря своему изяществу была почти сразу принята учеными, хотя потребовались десятилетия, чтобы экспериментально подтвердить ее предсказания. Этот пример показывает — я хочу это специально подчеркнуть, — что, хотя красота и изящество и могут склонить ученых в пользу той или иной теории, они все же не могут изменить экспериментальные данные на противоположные. Если бы теория относительности не нашла экспериментального подтверждения, ее бы изменили или отвергли, несмотря на всю ее красоту. Таким образом, критерий красоты может повышать или понижать вес той или иной теории, но не является сам по себе решающим фактором в принятии этой теории.

Однако критерий красоты — вещь довольно расплывчатая и субъективная. Он определен не так четко, как другие понятия, которые мы используем в этой книге. Например, нет ясного толкования слова «красота» в контексте научных теорий. Тем не менее существуют некоторые общепринятые положения. Например, чем универсальнее теория, тем больше шансов, что она будет признана красивой. Чем менее случайные и наскоро сколоченные данные использовались при построении теории, тем меньше шансов, что ее сочтут просто подогнанной под конкретный набор фактов, и тем более изящной покажется эта теория. И конечно же, не последнюю роль в признании теории изящной играет ее простота (см. бритва оккама). Надо думать, что хотя бы в отношении этих трех положений среди ученых существует определенное единодушие.

Естественно, возникает вопрос: можно ли сформулировать критерий научной красоты — более объективный, чем тот, который мы применяем, скажем, в живописи или в музыке? Когда я читаю чужие рассуждения о научной красоте, я часто ловлю себя на том, что не согласен с автором в его оценке той или иной научной идеи. Например, некоторые находят идею плоской Вселенной — где пространство-время выглядят координатной сеткой на поверхности стола — красивой. Мне же эта идея не кажется ни красивой, ни безобразной. Другие считают, что Вселенная, в которой ускорение вызывает космологическая постоянная, прекрасна, однако мой друг Роки Колб, известный астрофизик, находит такую Вселенную «невыразимо уродливой». В науке, как и в искусстве, у каждого свое представление о красоте.

Критерий Лоусона

Чтобы

термоядерный синтез стал источником энергии, произведение плотности частиц и времени их удержания на предельно близком расстоянии друг от друга должно превышать определенную величину

1905, • ТЕОРИЯ

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1917, • ЯДЕРНЫЙ РАСПАД 1934 И СИНТЕЗ

ок. 1930 • АНТИЧАСТИЦЫ

1957 • Критерий лоусОНА

В принципе, термоядерный синтез — реакция, при которой из ядер легких химических элементов образуются более тяжелые (см.

ядерный распад и синтез), может послужить для человечества источником энергии. При некоторых реакциях масса получающихся ядер (плюс масса образующихся в качестве побочного продукта элементарных частиц) меньше массы исходных ядер, участвующих в реакции, а избыток массы преобразуется в энергию в точном соответствии с хорошо известной формулой Эйнштейна Е = тс².

Основным источником энергии звезд служит термоядерный синтез гелия из ядер водорода—протонов (см. эволюция звезд). Эта реакция происходит в три этапа; на первом из обычного водорода образуется дейтерий (тяжелый изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона) — происходит это в результате столкновения двух протонов. Попытки воспроизвести управляемый синтез водорода — простейшую из термоядерных реакций — находятся в центре пристального внимания физиков-ядерщиков начиная с середины ХХ века. Мотивация тут проста: запасы дейтерия в мировом океане практически неограниченны, и он может стать буквально неисчерпаемым источником энергии для человечества на многие века но лишь при условии, что удастся заставить ядра дейтерия вступить между собой в реакцию синтеза.

Попытки поставить ядерный синтез на службу человечеству в качестве источника энергии идут в обход первичного этапа термоядерного синтеза, который происходит в недрах звезд; ученые стремятся искусственно воспроизвести реакцию синтеза дейтерия (дейтерий обозначается символом ²Н) и трития (изотоп водорода с одним протоном и двумя нейтронами в ядре, обозначается ³Н). В результате должен получиться атом гелия, испуститься один нейтрон (п) и выделиться искомая энергия. Формула этой реакции такова:

³Н + ²Н — ⁴Не + п.

Для поддержания запасов трития его, в свою очередь, нужно «воспроизводить» путем улавливания тяжелым изотопом лития (1л) нейтронов, излучаемых в процессе реакции:

⁶1л + п — ³Н + ⁴Не.

Основная проблема с получением управляемого термоядерного синтеза трития и дейтерия заключается в том, как разогнать два положительно заряженных ядра до нужной скорости и заставить их сблизиться на необходимое для начала реакции синтеза минимальное расстояние, преодолев силу электростатического отталкивания. На практике это означает, что смесь трития с дейтерием нужно разогреть до температуры в миллионы градусов, а такой температуры не выдержит никакая материальная оболочка (фактически, речь идет об удержании плазмы; см. агрегатные состо-

яния вещества). Но, даже добившись столь высокой температуры (а современные технологии это позволяют), мы не будем иметь гарантию, что в результате реакции термоядерного синтеза будет получено больше энергии, чем затрачено нами на разогрев смеси и запуск реакции.

Критерий Лоусона как раз и определяет минимальную частоту реакций синтеза в секунду, необходимую для устойчивого поддержания реакции в материальной среде. Искусственного синтеза можно добиться либо за счет создания крайне высокой плотности взаимодействующих частиц (и, как следствие, повышения до нужного уровня вероятности их соударения) или за счет более длительного удержания частиц на предельно малом расстоянии друг от друга (давая тем самым частицам больше времени для вступления в реакцию). Получается, что для того, чтобы термоядерный синтез начал производить энергию, должно быть соблюдено условие:

Nt > около 10²⁰,

где N — концентрация частиц (число частиц в кубометре объема), а t — время (в секундах). Это и есть критерий Лоусона, определяющий условия начала управляемой реакции термоядерного синтеза. Его смысл в том, что по достижении температуры запуска реакции необходим компромисс между концентрацией (или плотностью) частиц и временем их удержания в объеме, обеспечивающем эту плотность. Можно «разжечь» термоядерный синтез при меньшей концентрации частиц за счет более длительного удержания плазмы, а можно — при меньшем времени удержания плазмы за счет повышения плотности частиц в ней.

Соответственно, инженеры-ядерщики пытались добиться управляемого термоядерного синтеза двумя путями, используя два различных подхода к решению проблемы сжатия водорода, его разогрева до состояния плазмы и удержания в процессе реакции термоядерного синтеза. Эти подходы получили название, соответственно, «магнитная ловушка» и «инерциальная ловушка».

При использовании магнитной ловушки плазма удерживается сверхмощным магнитным полем. По мере повышения температуры силовые линии магнитного поля уплотняются, и горячая плазма стягивается от стен контейнера к его центру. Как только плотность и время удержания частиц достигнут порога, определяемого критерием Лоусона, запустится реакция термоядерного синтеза. В принципе, магнитные ловушки уже реализованы технически; в частности, условия, необходимые для запуска реакции управляемого термоядерного синтеза, достигнуты на установке «Торус» общеевропейского проекта JET (Joint European Torus) в Калхэме (Великобритания), однако по причине несовершенства и неэффективности оборудования затраты энергии на запуск реакции термоядерного синтеза по-прежнему превышают энергетическую отдачу от полученной реакции. (В отечественной прикладной науке описываемое

устройство принято называть токамак: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками. — Прим. переводчика.)

Смысл инерциальной ловушки заключается в том, что капля глубоко охлажденной смеси трития и дейтерия помещается в стеклянную капсулу, а затем со всех сторон обстреливается мощными лазерными лучами. Внешний слой капли моментально испаряется, в результате чего на внутренние слои капли воздействуют сходящиеся ударные волны. Эти ударные волны сжимают и разогревают водород до температуры запуска реакции термоядерного синтеза. В настоящее время лазерная установка для возбуждения инерциальной реакции термоядерного синтеза строится на базе Ливерморской лаборатории (Livermore Laboratory) в Калифорнии. Ее запуск планируется на 2006 год, и каплю водорода там будут облучать 192 лазера с разовым энергетическим импульсом 1,8 мегаджоулей.

ДЖОН ДЭВИД ЛОУСОН (John David Lawson, р. 1923) — английский физик. Родился в Ковентри. В 1943 году окончил Кембриджский университет. До окончания войны занимался прикладными исследованиями в области разработки микроволновых антенн. В 1947 году влился в число сотрудников Британского научно-исследовательского института атомных исследований, занимался экспериментами

На ускорителе элементарных частиц первого поколения, а в 1957 году опубликовал статью, где впервые сформулировал критерий, который теперь носит его имя. В дальнейшем Лоусон занимался исследованиями прикладных проблем электромагнетизма, связанных с работой микроволновых ламп и ускорителей элементарных частиц, а также лучевыми исследованиями.

Критерий Рэлея

Два точечных источника света различимы в окуляре, если дифракционный максимум одного из них накладывается на дифракционный минимум другого

•

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ДИФРАКЦИЯ КРИТЕРИЙ РЗЯЕЯ

Лорд Рэлей — один из ярких представителей поколения британских «ученых-джентльменов» Викторианской эпохи. Будучи всесторонне эрудированным естествоиспытателем, он отметился во многих отраслях науки, прославившись, прежде всего, открытием аргона. В то же время нельзя не отметить и его вклад в развитие различных разделов физики, в частности оптики. Изучая феномен рассеяния света, Рэлей сформулировал весьма важный критерий различимости источников света в оптических приборах, который теперь носит его имя.

Предположим, вы едете ночью по прямому неосвещенному шоссе. Навстречу вам едет другая машина с включенным дальним светом фар. Сначала вы видите вдали размытое световое пятно. Однако по мере ее приближения вы начинаете различать два отдельных источника света. Тут самое время вспомнить, что свет фар встречной машины вы наблюдаете через тонкий оптический прибор, коим является человеческий глаз: свет фар вы воспринимаете благодаря поступлению оптических лучей через линзу хрусталика на сетчатку глазного дна. Вопрос: как близко должна находиться встречная машина, чтобы мы начали воспринимать две фары по отдельности?

Согласно классической теории дифракции, луч света от удаленного источника, попадая в круглый окуляр, формирует изображение, состоящее из ряда светлых и темных концентрических полос вокруг яркой центральной точки, — так называемую дифракционную картину. Законы оптики говорят нам, что реальный источник света в нашем восприятии будет размыт, и такое размытие наблюдается в любом оптическом приборе. Если мы наблюдаем два близких источника света, их размытые образы накладываются один на другой. Рэлей как раз и показал, что если центральное световое пятно дифракционной картины одного источника света удалено от центрального светового пятна другого источника света на расстояние не менее радиуса первой темной дифракционной полосы, то мы начинаем воспринимать два источника света раздельно: это расстояние называется линейным разрешением оптического прибора. Если два источника света удалены друг от друга на расстояние й, расстояние от них до нас равно Б, длина световой волны равна X, а диаметр окуляра равен А, то, согласно критерию Рэлея, условием оптического разрешения двух источников в окуляре будет:

й/Б > 1,22Ш.

Иными словами, если точечные источники света разнесены на расстояние не меньше й, наблюдатель, находясь на удалении Б, сможет различить их в окуляре диаметром А как раздельные, в противном случае они сольются. Отношение й/Б представляет собой

угловую меру в радианах (для перевода в градусы нужно умножить ее на 57,3) между направлениями на два источника света. Критерий Рэлея, таким образом, устанавливает границы углового разрешения для любого оптического инструмента, будь то телескоп, фотоаппарат или человеческий глаз. (Коэффициент 1,22 определен математически и требует, чтобы размер окуляра и длина световой волны были измерены в одних и тех же единицах.)

звука» (Theory of Sound) до сих пор остается настольной книгой инженеров-акустиков. В 1904 году Рэлей получил Нобелевскую премию за открытие аргона. До этого много лет посвятил проработке теории взаимодействия света с веществом. В частности, Рэлей открыл закономерность, согласно которой степень рассеяния света зависит от длины волны: чем короче длина волны, тем сильнее рассеяние, то есть синий свет рассеивается сильнее красного (этим, в частности, объясняется, почему небо синее; СМ. ДИСПЕРСИЯ: АТОМНАЯ ТЕОРИЯ).

Согласно критерию Рэлея, оптическое разрешение человеческого глаза равняется 25 угловым секундам, а это меньше одной сотой градуса! Но это в идеале. На практике же даже самые зоркие люди способны различать источники света с разрешением от 3 до 5 угловых минут, то есть на порядок хуже. И виновата в этом сетчатка — ее строение не обеспечивает полного использования возможностей хрусталика. Таким образом, возвращаясь к исходному примеру, в идеале две фары на прямом шоссе можно было бы различить как два отдельных источника света с расстояния около 10 км. На практике же человеческий глаз начинает различать их лишь с расстояния около 1 км. Реальный водитель, скорее всего, будет просто ослеплен и постарается сосредоточиться на дороге, в результате чего воспримет свет двух встречных фар раздельно с еще меньшего расстояния.

ДЖОН УИЛЬЯМ ОТРЕТТ, БАРОН РЭЛЕЙ (РЕЙЛИ) III (John William Strutt, Third Baron Rayleigh, 1842-1919) — английский физик. Родился в Уитеме, графство Эссекс (Witham, Essex). Титул унаследовал в 1873 году после смерти отца. Долгую и разностороннюю научную карьеру начал в семейном поместье, занявшись всевозможными физическими и химическими экспериментами. Со временем стал профессором Кембриджского университета. Добился успеха в самых разных областях естествознания: фундаментальный теоретический труд Рэлея «Теория

Круговорот азота в природе

Азот непрерывно циркулирует в земной биосфере под влиянием различных химических и нехимических процессов, причем в последнее время связанный азот попадает в атмосферу в основном благодаря деятельности человека