Джеймс Трефил – 200 законов мироздания

Москва

JAMES TREFIL

THE NATURE QF SCIENCE

Houghton Mifflin Company 2003

ДЖЕЙМС ТРЕФИЛ

200 ЗАКОНОВ МИРОЗДАНИЯ

Гелеос 2007

УДК УБК

Трефил, джеймс

200 законов мироздания / Джеймс Трефил — М.: Гелеос, 2007. — 528 с. ISBN 5-8189-0807-0 (в пер.)

Джеймс Трефил, профессор физики университета Джорджа Мэйсона (США) и один из наиболее известных на Западе популяризаторов науки. Автор более 30 научно-популярных книг.

"200 законов мироздания" - самая современная научная энциклопедия в мире.

© James Trefil, 2002

© Houghton Mifflin Company, 2003

© ЗАО «ЛГ Информэйшн Груп», 2006

© ЗАО «Издательский дом «Гелеос», 2006

Содержание

Природа науки 9

Об этой книге 29

Законыі

Агрегатные состояния вещества 32

Анализ Фурье 34

Античастицы 35

Антропный принцип 37

Атом Бора 40

Атомная теория строения вещества 43

Белки 46

Биологические молекулы 48

Большой взрыв 51

Бритва Оккама 53

Броуновское движение 54

Великая теорема Ферма 56

Вечный двигатель 58

Витализм 59

Генетический код 60

Гипотеза газопылевого облака 62

Гипотеза Геи 66

Гипотеза гигантского столкновения 67

Гликолиз и дыхание 69

Демон Максвелла 72

Детерминизм 74

Детерминистический хаос 76

Диаграмма Герцшпрунга—Рассела 79

Дисперсия: атомная теория 82

Дифракция 85

Дифференциальное использование ресурсов 87

ДНК 88

Дрейф генов 91

Зависимость количества видов от площади экосистемы 92

Зависимость период—светимость 93

Закон Авогадро 95

Закон Ампера 97

Закон Архимеда 99

Закон Био—Савара 101

Закон Бойля—Мариотта 103

Закон Брэгга 105

Закон Брюстера 107

Закон всемирного тяготения Ньютона 108

Закон Генри 111

Закон Грэма 11 3

Закон Гука 11 4

Закон Дальтона 116

Закон Копа 11 7

Закон Кулона 118

Закон Кюри 120

Закон Мёрфи 121

Закон Мура 123

Закон Ома 124

Закон отражения света 126

Закон последовательности напластования горных пород 127

Закон Снеллиуса 129

Закон сохранения линейного импульса 132

Закон сохранения момента импульса 134

Закон сохранения электрического заряда 136

Закон Стефана—Больцмана 138

Закон Хаббла 140

Закон Харди—Вайнберга 144

Закон Шарля 145

Законы Кеплера 147

Законы Кирхгофа 151

Законы Менделя 153

Законы механики Ньютона 155

Законы электролиза Фарадея 160

Законы электромагнитной индукции Фарадея 161

Зеленая революция 163

Излучение Черенкова 165

Излучение черного тела 167

Иммунная система 169

Интерференция 171

Инфляционная стадия

расширения Вселенной 174

Катализаторы и ферменты 177

Квантовая механика 178

Квантовая хромодинамика 181

Квантовый туннельный эффект 183

Кварки и восьмеричный путь 186

Кислотный дождь 189

Кислоты и основания 191

Клеточная теория 194

Клонирование 195

Космический треугольник 197

Космологическая постоянная 200

Коэволюция 203

Критерий красоты 204

Критерий Лоусона 205

Критерий Рэлея 208

Круговорот азота в природе 210

Круговорот воды в природе 213

Круговорот углерода в природе 214

Ламаркизм 216

Магнетизм 217

Магнитные монополи 220

Максимальная устойчивая добыча 222

Массовые вымирания 223

Механическая теория теплоты 225

Микробная теория инфекционных заболеваний 226

Мимикрия 228

Молекулярно-кинетическая теория 230

Молекулярные часы 232

Нулевая гипотеза 234

Объяснение Бора 235

Озоновая дыра 237

Онтогенез повторяет филогенез 238

Опыт Дэвиссона—Джермера 239

Опыт Майкельсона—Морли 241

Опыт Милликена 244

Опыт Резерфорда 246

Опыт Штерна—Герлаха 249

Открытие аргона 251

Открытие гелия 252

Открытие

Кирхгофа—Бунзена 254

Открытие пенициллина 256

Открытие электрона 25 7

Открытие Эрстеда 259

Отношения хищник—жертва 260

Парадокс Зенона 261

Парадокс Ольберса 263

Парадокс Ферми 264

Парниковый эффект 266

Периодическая система

Менделеева 268

Поверхностное натяжение 270

Подобное растворяется в подобном 272

Полосная теория твердотельной проводимости 273

Постоянная Больцмана 275

Постоянная Планка 276

Постоянная Ридберга 278

Правило Аллена 280

Правило Ленца 281

Правило октета 282

Правило Тициуса—Боде 283

Предел Чандрасекара 286

Предельная скорость падения 288

Принцип Aufbau 290

Принцип Гюйгенса 292

Принцип дополнительности 293

Принцип запрета Паули 295

Принцип конкурентного

исключения 297

Принцип Коперника 298

Принцип Ле Шателье 300

Принцип мутуализма 301

Принцип неопределенности Гейзенберга 302

Принцип соответствия 308

Принцип Ферма 310

Принцип эквивалентности 311

Проба на окрашивание пламени 31 3

Проблема Гольдбаха 314

Проект «Геном человека» 315

Равновесие 31 7

Равновесие в природе 320

Радиоактивный распад 321

Радиометрическое датирование 325

Ранняя Вселенная 328

Распределенное движение 331

Распространение нервных импульсов 334

Репродуктивные стратегии 336

Родственный отбор 337

Самозарождение жизни 338

Симбиоз 339

Синтез мочевины 341

Система классификации

Линнея 342

Скрытый принцип

необратимости времени 344

Сложные адаптивные

системы 345

Соотношение де Бройля 346

Социальный дарвинизм 348

Спектр электромагнитного излучения 349

Спектроскопия 354

Стандартная модель 356

Стволовые клетки 360

Суточные ритмы 362

Тектоника плит 363

Темная материя 367

Теорема Белла 370

Теорема Гаусса 373

Теорема Гёделя о неполноте 375

Теорема о маргинальных значениях 377

Теория молекулярных орбиталей 380

Теория оптимального фуражирования 381

Теория относительности 382

Теория равновесия

Макартура—Уилсона 386

Теория сверхпроводимости 388

Теория стационарной Вселенной 391

Теория струн 392

Теория сцепления-натяжения 394

Теория эволюции 395

Тепловое расширение 403

Теплообмен 405

Термодинамика, второе начало 409

Термодинамика, первое начало 41 2

Термодинамика, третье начало 415

Территориальность у животных 41 7

Тест Тьюринга 418

Точка Кюри 419

Три закона робототехники 422

Триединый мозг 423

Ударные волны 425

Универсальные теории 427

Униформизм 430

Уравнение Бернулли 432

Уравнение Клапейрона—Клаузиуса 435

Уравнение состояния идеального газа 437

Уравнение Шрёдингера 439

Уравнения Максвелла 442

Уравнения равноускоренного движения 445

Устойчивость микробов к антибиотикам 45 0

Фазовые переходы 452

Флогистон 455

Формула Дрейка 456

Фотосинтез 459

Фотоэлектрический эффект 462

Химические связи 464

Центральная догма молекулярной биологии 467

Центробежная сила 469

Цикл и теорема Карно 471

Цикл преобразования горной породы 473

Циклы Миланковича 475

Черные дыры 478

Числа Фибоначчи 481

Число Рейнольдса 482

Эволюция звезд 485

Экологическая сукцессия 488

Эксперимент Ван Гельмонта 490

Эксперимент

Миллера—Юри 491

Эксперимент Херши—Чейз 493

Экспоненциальный рост 495

Электрические свойства вещества 497

Электронная теория проводимости 500

Элементарные частицы 502

Эффект Джозефсона 504

Эффект Доплера 506

Эффект Зеемана 509

Эффект Комптона 511

Эффект Кориолиса 51 2

Эффект Тиндаля 514

Эффект Холла 516

Ядерный распад и синтез 517

Хронология 520

Глоссарий 524

Введение

Законы природы — скелет Вселенной. Они служат ей опорой, придают форму, связывают воедино. Все вместе они воплощают в себе умопомрачительную и величественную картину нашего мира.

Однако важнее всего, наверное, то, что законы природы делают нашу Вселенную познаваемой, подвластной силе человеческого разума. В эпоху, когда мы перестаем верить в свою способность управлять окружающими нас вещами, они напоминают, что даже самые сложные системы повинуются простым законам, понятным обычному человеку. Но прежде чем приступить к обзору законов природы, подумаем, откуда они берутся и какую роль играют в предприятии, именуемом наукой.

О науке

Большинство из нас почти всю свою жизнь прожило в XX веке. Задумайтесь над простым вопросом: что так сильно отличает этот век, только что оставленный нами позади, от всего, что было до него? Конечно, он был веком разрушения старых политических укладов и прихода новых, но то же можно сказать почти про любое столетие со времен появления первых письменных источников. Он был веком великих писателей и художников, но и в этом нет ничего нового. Он дал миру новые виды искусства (на ум приходят джаз и кино). Может быть, со временем они займут свое место рядом с классической оперой и симфонической музыкой. Я в этом сомневаюсь, но, как бы то ни было, это не первый и не последний случай рождения новых видов искусства.

Мне кажется, именно развитие науки и технологии наложило печать уникальности на XX век. Если составить список важных достижений столетия, в него могли бы войти:

антибиотики, высадка астронавтов на Луне, компьютеры, Интернет, операции на открытом сердце, реактивные самолеты, мороженые продукты, небоскребы.

Невероятный рост населения и мировой экономики за последние сто лет — прямое следствие невероятного роста объема накопленных нами знаний о Вселенной.

В определенном смысле, в этом нет ничего особенно нового. Все по-настоящему глубокие изменения в жизни человечества происходили благодаря новым знаниям. Например, около 10 000 лет назад кому-то — вероятно, женщине, жившей на Ближнем Востоке — пришло в голову, что вместо того, чтобы питаться собранными дикими растениями, их можно выращивать и культивировать. Так появилось сельское хозяйство — новшество (независимо воспроизведенное во многих частях света), без которого невозможна современная цивилизация. Несколько веков назад шотландский инженер по имени Джеймс Уатт создал пригодный к использованию паровой двигатель, ставший неотъемлемым элементом промышленной революции. Возможно, когда-нибудь ученые поставят в один ряд с ним изобретенный в 1947 году транзистор и недавно завершенный проект «Геном человека» как важнейшие вехи истории человечества.

Конечно, при таком взгляде на науку нас интересует прежде всего приносимая ей практическая польза, улучшение здоровья людей и рост жизненного комфорта. Но есть у науки и другое измерение. Улучшая качество нашей жизни, она в то же время открывает для нашего интеллекта великолепное окно во Вселенную. Она показывает нам, что весь окружающий нас мир существует по общим правилам и принципам, и эти правила и принципы можно обнаружить с помощью научных методов. Правила, испытанные и проверенные самым тщательным образом, возведены в ранг «законов природы», хотя, как мы увидим, ученые и философы далеки от согласия относительно использования этого термина. Из законов природы складывается интеллектуальная структура, в которой есть место для любого явления во Вселенной.

Люди всегда испытывали любопытство по отношению к окружающему их миру — не в последнюю очередь потому, что выживание человека часто зависело от его способности прогнозировать развитие той или иной ситуации. Фермеры давным-давно выработали систему знаний о погоде и климате, позволявшую им получать хорошие урожаи, охотники изучили повадки своей добычи, а моряки научились находить в море и на небе признаки надвигающихся штормов. Но особые приемы и методики, совокупность которых мы называем наукой, появились лишь несколько сотен лет назад. Почему это произошло именно тогда и именно в Европе, а не где-то еще — на эти вопросы пусть отвечают историки. Нам же важно понять, что такое наука и каким образом она подводит нас к тому, что мы называем законами природы.

Прежде чем мы начнем, хочу вас предупредить об одной вещи. Вам часто придется сталкиваться, особенно в учебниках, с последовательностью действий, называемой «научным методом». Обычно объясняют, что «сначала ученый выполняет шаг X, затем У, а потом Ъ и так далее. Можно подумать, будто заниматься наукой — все равно что выпекать печенье по рецепту. Проблема с этим подходом не в том, что он совершенно неверен — ученые действительно часто выполняют шаги X, У и Ъ. Беда в том, что в нем не предусмотрено место для творчества, изобретательности и простого человеческого упрямства — извечных и неотъемлемых составляющих научного труда. Определять научный процесс как «метод» — то же, что, описывая картину Рембрандта или Ван Гога, говорить лишь о том, где какие краски нанесены на холст. Наука — не книжка для раскрашивания, где каждому цвету соответствует номер.

Поэтому, когда речь заходит о том, как устроена наука и как ученые открывают законы природы, я предпочитаю использовать аналогию с юридической практикой. Я имею в виду, что описанные ниже элементы надо рассматривать не как часть жестко заданной последовательности шагов, а как ступени процесса, осуществляемого учеными. Другими словами, думая о науке, надо иметь в виду все эти составляющие, при этом каждый раз решая, насколько важна каждая составляющая в данном контексте (и вообще все ли они присутствуют). Иначе говоря, нет фиксированной, жесткой последовательности действий, позволяющей прийти к выводу, является ли нечто наукой или нет.

В целом, большинство ученых используют более или менее одну и ту же последовательность шагов (мы ее описываем ниже), и в учебниках, как правило, фигурирует именно она. Но иногда случаются интуитивные прозрения и прорывы, которые в вашем представлении, может быть, не ассоциируются с образом рассудительных ученых в белых халатах. Это хорошо, потому что больше всего мне хочется, чтобы вы вынесли из этой книги представление о том, что наука, как и искусство, — один из главных путей реализации тяги человека к творчеству, и что ученые разделяют со всеми нами человеческие наклонности и слабости. Помня про эту оговорку, рассмотрим теперь составляющие научного процесса.