Пошук остаточних законів природи
Цей сайт присвячений великій інтелектуальній пригоді - пошуку остаточних законів природи. Мрія про остаточну теорію багато в чому надихає роботи в області фізики високих енергій. Хоча ми й не знаємо, як можуть виглядати остаточні закони або скільки років пройде, перш ніж вони будуть відкриті, все-таки ми думаємо, що вже в сучасних теоріях уловлюються проблиски контурів остаточної теорії.
Сама ідея остаточної теорії суперечлива і є в наші дні предметом інтенсивних суперечок. Це протиріччя вже досягло комітетських кабінетів конгресу США: фізика високих енергій стає усе більше дорогою наукою й обіг учених за суспільною підтримкою частково обґрунтовується історичною місією відкриття остаточних законів
Із самого початку в наміри входив виклад тих питань, які виникають у зв'язку із самою ідеєю остаточної теорії як частини інтелектуальної історії нашого часу, розраховане на людей без спеціальної підготовки по фізиці й вищій математиці. Мова йде про ключові ідеї, що лежать в основі сучасних фундаментальних досліджень по фізиці. Але це не підручник по фізиці, і Ви не зустрінете окремих глав, повністю присвячених часткам, взаємодіям, симетріям і струнам. Навпроти, тут уплетені поняття сучасної фізики в обговорення того, що таке остаточна теорія і як ми збираємося неї шукатися
Остаточна теорія
заприсягне вам, що єдина причина, чому він зайнятий цією справою - тренуванням коней для виграшу перегонів,
полягає в тім, що коня, яких він тренує, скажено гарні.
Гарний приклад сказаного у фізику - явище м'яких фазових переходів6), наприклад спонтанного зникнення
намагніченості при нагріванні постійного залізного магніту до температури вище 770° С, відомої як крапка Кюрі.
Оскільки перехід м'який, намагніченість шматка заліза звертається в нуль поступово, при наближенні температури до
крапці Кюрі. Дивним у таких фазових переходах є закон, по якому намагніченість прагне до нуля.
Оцінюючи різні енергії в магніті, фізики були схильні припускати, що, коли температура трохи нижче крапки Кюрі,
намагніченість повинна бути просто пропорційна квадратному кореню з різниці між температурою Кюрі й
температурою нагрівання. Замість цього експериментально спостерігається, що
6) Те, що я називаю «м'яким» фазовим переходом, частіше називають «фазовим переходом другого роду». Це
робиться для того, щоб відрізняти такі фазові переходи від «фазових переходів першого роду», начебто
кипіння води при 100° С або танення льоду при 0° С, у яких властивості речовини міняються стрибкоподібно. На
те, щоб перетворити лід при 0° С у воду при тій же температурі або воду при 100° С у водяна пара,
необхідно затратити деяку кількість енергії (так званої схованої теплоти). Однак на те, щоб
винищити в шматку заліза всі його магнітні властивості в крапці Кюрі, ніякої додаткової енергії не
потрібно.
127
намагніченість пропорційна цієї різниці в ступені 0,37. Іншими словами, залежність намагніченості від
температури виявляється десь у проміжку між законом пропорційності квадратному кореню (показник ступеня
0,5) і кубічному кореню (показник ступеня 0,33) з різниці між температурою Кюрі й температурою нагрівання магніту.
Ступеня типу 0,37 називаються критичними показниками, іноді з додаванням слів «некласичні» або
«аномальні», тому що ці показники відрізняються від очікуваних. Було виявлено, що існують і інші величини,
провідні себе аналогічним образом у різного роду фазових переходах, причому в деяких випадках критичні показники
були тими ж самими. Ті явища, де виникають критичні показники, не настільки вражають, як чорні діри або
розширення Всесвіту. Проте ряд видатних фізиків-теоретиків в усьому світі займався проблемою критичних
показників, поки нарешті вона не була вирішена в 1972 р. ученими з Корнеллского університету (США) Кеннетом
Вильсоном і Майклом Фишером. Можна було б думати, що точне обчислення самої крапки Кюрі має значно
більший практичний інтерес. Чому ж корифеї фізики твердого тіла вважали проблему критичних показників
набагато більше важливої?
Я думаю, що ця проблема залучала таку увагу тому, що фізики почували, що вона повинна мати дуже
гарне рішення. Вказівки на це випливали насамперед з факту універсальності явища, з того, що ті самі
критичні показники виникали в зовсім різних завданнях. Крім того, фізики давно звикли до того, що найбільше
істотні властивості фізичних явищ часто виражаються у формі закону, що зв'язує якусь фізичну
величину зі ступенями інших величин (прикладом може служити закон зворотних квадратів для тяжіння). Виявилося, що
теорія критичних показників має таку простоту й неминучістю, що вона стала однієї з найкрасивіших теорій
у всій фізиці. У той же час проблема обчислення точної температури фазових переходів надзвичайно заплутана, і її
рішення вимагає знання складних деталей пристрою заліза або інших речовин, у яких відбувається фазовий перехід.
Люди займаються цим завданням або виходячи із практичних потреб, або через брак кращого.
У ряді випадків первісні надії вчених на побудову гарної теорії не виправдувалися повною мірою.
Гарним прикладом може служити історія відкриття генетичного коду. Фрэнсис Лемент у своїй автобіографії 122
розповідає, як після відкриття їм і Джеймсом Уотсоном структури ДНК у вигляді подвійної спіралі увага всіх
фахівців з молекулярної біології звернулося на розшифровку коду, за допомогою якого клітка зчитує
послідовність хімічних підстав у двох спіралях ДНК як
128
програму для побудови потрібних білкових молекул. Було відомо, що білки будуються з ланцюжків амінокислот, що
існує тільки двадцять амінокислот, істотних для функціонування практично всіх тварин і рослин,
що інформація для вибору кожної наступної амінокислоти в молекулі білка закладена у виборі трьох
послідовних пар хімічних одиниць, називаних підставами, і, нарешті, що є тільки чотири різних типи
таких пар. Таким чином, генетичнийий код містстить запис про тр послідовні комбінації, кожн із який
обрана із чотирьох можливих пар підстав, що визначають вибір кожної наступної амінокислоти із двадцяти
можливих, вхідної до складу білкової молекули. Молекулярні біологи пропонували купу гарних принципів,
керуючих цим кодом, наприклад, що при виборі трьох пар підстав ніяка інформація не буде розтрачена впустую,
і що будь-яка інформація, що не вимагається для визначення амінокислоти, буде використана для пошуку помилок (як в
комп'ютерних мережах, коли від одного комп'ютера до іншого передаються зайві біти інформації, щоб переконатися в
точності передачі повідомлення). Відповідь, знайдена в 1960 р., виявився зовсім іншим. Генетичний код багато в чому випадковий:
деякі амінокислоти шифруються більш ніж одною трійкою пар підстав і, навпаки, деякі трійки пара нічому не
відповідають123. Звичайно, генетичний код не настільки поганий, як повністю випадковий код, звідки треба, що код як-
те мінявся в ході еволюції, але все-таки будь-який фахівець із передачі повідомлень придумав би код получше. Причина,
звичайно, у тім, що генетичний код не був створений, а розвивався за рахунок випадкових впливів із самого початку
виникнення життя на Землі й був успадкований приблизно в тому самому виді всіма організмами. Ясно, що
розуміння генетичного коду настільки важливо, що ми вивчаємо його незалежно від того, наскільки він гарний, але все-таки
трошки шкода, що код виявився не таким гарним, як хотілося б.
Іноді, коли нас підводить почуття краси, це відбувається тому, що ми переоцінюємо фундаментальний характер
того, що збираємося пояснити. Знаменитим прикладом служить робота молодого Иоганнеса Кеплера, присвячена розмірам
орбіт планет.
Кеплер знав про одному з найкрасивіших тверджень, отриманих грецькими математиками, що стосується так
називаних платоновских тел. Це тривимірні тіла із плоскими гранями, причому всі вершини, всієї грані й всі ребра цих
[...]
Початок
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127]
У світі фізики
Наука та техніка