Законы часть 24

ЗАКОНЫ ЧАСТЬ 24

1960-е

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ

сер. 1960-х

ИММУННАЯ СИСТЕМА

1995

КЛОНИРОВАНИЕ

клонирование
•
1663, 1839
Можно получить потомство млекопитающих, генетически идентичное живым взрослым особям
•
1865

КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ
1953
ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ
1958

ДНК

ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА
МОЛЕКУЛЯРНОЙ
1960-е
БИОЛОГИИ
1995

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ

КЛОНИРОВАНИЕ

В 1996 году весь мир был взбудоражен новостью об овечке Долли. В результате экспериментов, выполненных под руководством Яна Уилмута, родилась овца, генетически идентичная взрослой овце. В норме (см. ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ) особь вырастает из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив половину генетического материала от одного родителя и вторую половину — от второго. При клонировании же генетический материал берут из клетки одной живущей особи. Делается это так: из одной оплодотворенной клетки (зиготы) удаляют ядро (в котором находится ДНК). Затем извлекают ядро из клетки взрослой особи этого же вида и имплантируют его в лишенную ядра зиготу. Это яйцо имплантируют в матку самки данного вида и дают ему возможность расти, пока не придет время родов.
Сенсационность клонирования, принесшая Яну Уилмуту и Долли мировую известность, заключается в характере изменений клеточной ДНК по мере развития эмбриона. В начале в зиготе «включены» все гены, другими словами, все они могут работать. Однако в определенные сроки клетки становятся специализированными — в них отключаются разные гены, и их эффект больше не проявляется (на языке генетиков это называется «они не могут экс-прессироваться»). Например, в каждой клетке вашего организма есть гены, отвечающие за синтез инсулина, но при этом инсулин вырабатывается только определенными участками поджелудочной железы. Во всех остальных клетках вашего тела (например, в клетках кожи, нервных клетках головного мозга) ген инсулина отключен.
Очевидно, что в ДНК, имплантированной в оплодотворенную яйцеклетку, какие-то гены уже отключены; какие именно и в какой последовательности — определяется тем, из какого органа взрослой особи была получена клетка. Оказывается, оплодотворенное яйцо — мы до конца не понимаем, как это происходит, — способно вновь установить часы клетки на 0, т.е. вновь включить все гены, благодаря чему становится возможным нормальное развитие эмбриона. В этом суть великого открытия Уилмута.
Не все попытки клонирования оказываются успешными. Одновременно с Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках, и лишь в одном случае выросло живое взрослое животное. После Долли были клонированы многие виды млекопитающих, назовем лишь некоторых — корова, мышь и свинья. Из яйцеклетки мыши получено несколько поколений клонированных животных — клоны, клоны из клонов, клоны из клонов и т.д.
Серьезнейшие разногласия вызвала возможность применения данной технологии к человеку. С одной стороны, новая технология несет ужасающую угрозу нравственности, поэтому клонирование человека надо запретить. С другой стороны, благодаря этой технологии много бесплодных супружеских пар получают шанс иметь

биологически родственных им детей, и, значит, по мнению многих, это вполне этично.
Пока споры продолжаются, обратим внимание на один важный аспект. С технической точки зрения клон, каким является Долли, всего лишь особь, ДНК которой идентична ДНК другой особи. Нам нередко приходится сталкиваться с особями, имеющими идентичную ДНК — мы называем их близнецами. Клон — это просто-напросто близнец, родившийся на несколько лет или десятилетий позже — «асинхронный близнец». Так же как нам никогда не пришло бы в голову ожидать, что один близнец может отдать другому свое сердце для пересадки, перспектива выращивания клонов для заготовки пересаживаемых органов — лишь страшный сон, который никогда не станет явью. Я на собственном опыте убедился, что стоит заменить слово «клон» на «близнец», как дебаты по клонированию человека утрачивают пафос.
Не могу поручиться, но думаю, что ближе к 2010 году клонирование будет считаться не более предосудительным, чем оплодотворение в пробирке или другие современные методы лечения бесплодия. Поскольку клонирование — довольно простая процедура, предусматривающая использование стандартных приемов, я ожидаю в скором времени появления клонированных людей (если только это уже не произошло к тому моменту, когда вы читаете эти строки).

ЯН УИЛМУТ (Ian Wilmut, р. 1944) — шотландский эмбриолог, родился в английском городке Хэмптон-Люси. В 1971 году окончил Ноттин-гемский университет, а в 1974 году получил докторскую степень за разработку методов замораживания свиной спермы. В том же году перешел в Институт Рослина рядом с Эдинбургом, где продолжает заниматься генетической инженерией
домашнего скота. Уилмут установил причины внутриутробной смерти овец и свиней, связанные с нарушением развития и физиологией, затем начал исследовать методы улучшения поголовья домашнего скота. В связи с полемикой по поводу клонированных животных Уилмут заметил: «Я не провожу бессонных ночей. Я верю в высокую нравственность нашего вида».



Космический треугольник
Распределение совокупной массы и энергии Вселенной по трем независимым пространственным измерениям неизбежно приводит к тому, что большая часть материи Вселенной остается невидимой для нас в силу особенностей ее структурного строения

1917 ^ КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ

1933 ^ ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

1948 ^ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

1990-е ^ КОСМИЧЕСКИЙ ТРЕУГОЛЬНИК

Со времени доказательства существования ТЕМНОЙ МАТЕРИИ мы знаем, что большая часть вещества Вселенной для нас невидима, и о самом существовании скрытой материи мы можем судить лишь по неизбежным гравитационным проявлениям ее присутствия. Один из таких эффектов — расширение Вселенной (см. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ, ЗАКОН ХАББЛА): скорость расширения зависит от плотности вещества в ней. До недавних пор у астрофизиков было единственное средство для оценки плотности материи (как видимой, так и скрытой) во Вселенной — посредством прямого измерения скорости разбегания галактик с последующими весьма приблизительными расчетами нынешней плотности вещества во Вселенной по ее предполагаемой исходной массе, поделенной на пространственный объем, который успело занять разбегающееся вещество с момента Большого взрыва. Традиционно речь шла о выборе между двумя моделями замкнутой Вселенной, в которой достаточно материи, чтобы со временем расширение сменилось сжатием, или открытой Вселенной, которая так и будет расширяться до бесконечности.
В конце 1990-х годов астрофизикам удалось связать воедино три метода наблюдения за веществом Вселенной — три микроскопа, если хотите, позволяющих пристально рассматривать процессы в космических глубинах. Одни из этих методов были совершенно новыми, другие — усовершенствованными старыми. Главное, что каждый из трех методов позволяет дать достаточно полную картину строения Вселенной и определить собственные пределы допустимого. и вот что поразительно: все три метода дали картину совершенно неожиданную: никто и представить не мог, что Вселенная ведет себя именно таким образом.
Первый «микроскоп» измеряет рентгеновские излучения межгалактического газа в скоплениях галактик. идея такова, что, чем массивнее скопление, тем больше межгалактического газа оно «засасывает» и тем горячее будет этот газ. Поскольку основная масса вещества Вселенной (как видимого, так и скрытого) сосредоточена именно в галактических скоплениях, такая техника позволяет оценить общую плотность материи во Вселенной. Результаты таких оценок показали: совокупная масса вселенской материи составляет порядка 20-30% от массы, необходимой для перехода Вселенной от расширения к сжатию. То есть, по этим оценкам, мы живем в открытой Вселенной.
Вторым «микроскопом» стали тщательные измерения реликтового микроволнового фона (см. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ). Полная однородность и изотропность этого фона указывают, что Вселенная является совершенно «плоской» в геометрическом понимании, хотя данные исследования рентгеновских лучей, казалось бы, показывают, что массы вселенской материи недостаточно, чтобы «расплющить» пространство до совершенно плоского состояния. иными словами, два первых «микроскопа» показывают прямо противоположные результаты (если не предположить, что кроме

видимой и скрытой материи во Вселенной не существуют и еще какие-то формы материи), а из этого следует одно из двух: либо нам открывается неполная картина явлений во вселенском масштабе, либо в корне неверны наши основополагающие гипотезы и теории.
И наконец, самый новый «микроскоп» — метод прямого измерения скорости расширения Вселенной. Идея такова: изучая излучение галактики, удаленной от нас на расстояние в 10 миллиардов световых лет, мы видим Вселенную такой, какой она была за 10 миллиардов лет до нас. В частности, мы видим, с какой скоростью она в то время расширялась. Сравнив эту скорость с текущей скоростью расширения Вселенной, мы можем определить, насколько снизилась скорость расширения за прошедшие 10 миллиардов лет и по этому показателю рассчитать совокупную массу материи во Вселенной.
Астрономы долго боролись с т. н. параметром замедления, не зная которого, невозможно определить истинное расстояние до удаленного космического объекта, каковым является соседняя галактика. И тут подоспел на помощь новый инструмент измерения. Имеется несколько типов сверхновых звезд (сверхмощных вспышек при смерти массивной звезды; см. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД). Один из типов вспышки сверхновой называется сверхновая типа Ы — такая вспышка происходит в двойных звездных системах, где одна из звезд представляет собой белый карлик и «перетягивает» на себя вещество второй, горячей звезды. После накопления на поверхности белого карлика критической массы «ворованного» вещества запускается цепная реакция термоядерного синтеза, и весь этот наносной слой взрывается наподобие гигантской водо-

Упрощенная схема космического треугольника, на которой отражены три области допустимых состояний Вселенной

родной бомбы. Поскольку критическая масса и мощность такого ядерного взрыва поверхности любой сверхновой типа 1а не отличаются друг от друга, яркость любой сверхновой типа 1а практически неизменна, это и есть ключ к работе третьего «микроскопа». Отыскав в далекой галактике сверхновую типа 1а и сравнив наблю-

даемую яркость вспышки с расчетной, астрофизики могут определить реальное расстояние до галактики.
ркисть вспышек т-. и
Вселенная состоит лишь из видимой
И тут результаты получились просто ошеломляющие: расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется! Это явление вообще невозможно объяснить, оставаясь в рамках предположения, что
и скрытой материи, поскольку в этом случае ее гравитационное притяжение неизбежно должно приводить к замедлению темпов разбегания галактик. Единственно возможное объяснение — во Вселенной существует нечто, какая

то субстанция бытия, до сих пор выходившая за пределы понимания бледной в своей традиционности научной мысли. Это своего рода антигравитация — сила взаимного отталкивания материи, действующая на космических расстояниях (и действие ее усиливается с ростом расстояния, чем это поле принципиально отличается от всех других силовых полей, начиная с обычного гравитационного, которые убывают с расстоянием). Астрофизики условились обозначать природу этой непостижимой пока силы термином темная энергия. Лично мне это название нравится, поскольку мы пока что ничего не знаем о происхождении этого явления.
итак, три описанных микроскопа дают нам такую картину устройства Вселенной, из которой следует, что обычного вещества во Вселенной недостаточно, чтобы до конца «распрямить» ее в пространстве, однако этот дефицит с запасом покрывается темной энергией непонятной нам природы, под воздействием которой Вселенная расширяется ускоряющимися темпами, и будет расширяться до бесконечности, невзирая на то, что геометрия Вселенной уже в целом выпрямилась. Если взглянуть на вещи именно так, кажущаяся противоречивость картины, которую мы наблюдаем посредством трех вышеописанных «микроскопов», устраняется, и мы видим перед собой то, что принято называть космическим треугольником, схематическое представление которого представлено на рисунке. Внутри треугольника разной штриховкой заполнены «теоретически» допустимые области согласно результатам наблюдений через каждый из трех «микроскопов», а реальная Вселенная находится в точке взаимного пересечения всех трех областей. из диаграммы видно, что около одной трети энергии Вселенной пребывает в материальном состоянии (в форме наблюдаемой и скрытой материи), а около двух третей — в форме темной энергии. И опять же мы видим, насколько мизерен по своим масштабам наш обыденный мир на фоне устройства Вселенной в целом.
Возможное (и самое распространенное среди астрофизиков) объяснение происхождения темной энергии состоит в том, что она — суть физическое проявление КОСМОЛОГИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ, предложенной Альбертом Эйнштейном в начале XX века. Однако у гипотезы объяснения темной энергии физическим проявлением космологической константы сегодня имеются и противники. Ими выдвигается гипотеза о существовании квинтэссенции — неизвестной нам новой силы, свойства которой пока совершенно не изучены. Само ее название в переводе с греческого означает «пятый элемент» — в дополнение к четырем элементам или стихиям, из которых, по представлениям древнегреческих философов, состоял мир: земля, огонь, воздух и вода. Какая из двух гипотез в будущем подтвердится фактами, станет ясно лишь после того, как ученые разработают новые эксперименты и методы измерения.

Космологическая постоянная
Космологическая
постоянная,
если таковая
действительно
существует, могла
бы послужить
объяснением
наблюдаемому
расширению
Вселенной с
нарастающей
скоростью
расширения

1905, • ТЕОРИЯ
•
1917
1916 ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
1929

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ
1948

ЗАКОН ХАББЛА

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

1948 • ТЕОРИЯ
СТАЦИОНАРНОЙ ВСЕЛЕННОЙ

Постулируя общую ТЕОРИЮ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ Альберт Эйнштейн был уверен в стационарности Вселенной, то есть в том, что положение галактик относительно друг друга практически не меняется. Однако он не мог не заметить, что в силу действия ЗАКОНА ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ НЬЮТОНА Вселенная должна сжиматься, что противоречит здравому смыслу. Поэтому, чтобы уравновесить силы гравитации, ведущие Вселенную к неизбежному и скоропостижному коллапсу, Эйнштейну пришлось ввести в уравнения общей теории относительности дополнительное слагаемое — космологический член, своего рода антигравитационную поправку на необъяснимую силу отталкивания, буквально растаскивающую галактики и противодействующую силе их взаимного гравитационного притяжения. Эта сила, согласно Эйнштейну, возрастает с расстоянием с коэффициентом пропорциональности, равным так называемой космологической постоянной, которую ученый обозначил греческой прописной буквой Л (лямбда).
Противореча, на первый взгляд, КРИТЕРИЮ КРАСОТЫ теории, эта добавка оказалась неизбежной с точки зрения сохранения ее непротиворечивости. Однако после открытия явления расширения Вселенной (см. ЗАКОН ХАББЛА), Эйнштейн понял, что нужда в космологической постоянной отпала. Эйнштейн тут же исключил космологический член из своих уравнений и впоследствии неоднократно называл его первоначальное появление в них грубейшей из допущенных им за всю свою жизнь ошибок.
После этого почти до конца ХХ столетия космологическая постоянная впала в немилость в теоретической физике. Редкие смельчаки из числа физиков-теоретиков, пытавшихся хотя бы заикнуться об ее возвращении в модель устройства Вселенной для объяснения той или иной неразрешимой головоломки, немедленно подвергались жестокому высмеиванию со стороны коллег. А затем в конце 1990-х годов история физики приняла неожиданный поворот, и Л гордо вернулась на сцену и оказалась в центре всеобщего внимания.
Теория БОЛЬШОГО ВЗРЫВА неизбежно подразумевает вопрос: и чем все это представление завершится? Либо разбегающиеся галактики в какой-то момент повернут вспять под воздействием сил гравитационного притяжения, и Вселенная сожмется обратно в точку в момент того, что иногда называют большой крах по аналогии с большим взрывом; либо Вселенная так и будет расширяться до бесконечности во тьму пространства, пока не обратится в рассеянный холодный прах в результате тепловой смерти. Казалось бы, третьего не дано. Как правоверные христиане не видят для себя после смерти иной альтернативы, кроме попадания в рай или ад, все космологи строили догадки исключительно на предмет того, какая из двух судеб предначертана Вселенной.
одним из методов получения ответа на этот вопрос явилось измерение скорости удаления галактик, отстоящих от Земли на самые большие расстояния — в миллиарды световых лет. Пос-

кольку свет от них шел до Земли миллиарды лет, по доплеровскому смещению в их спектрах мы можем вычислить, с какой скоростью они удалялись миллиарды лет назад. Сравнив эту скорость с современной скоростью разбегания ближайших галактик, мы узнаем, насколько силы гравитационного притяжения успели замедлить расширение Вселенной, а там, можно надеяться, и вычислим ее
судьбу.
Измерение скорости удаления галактик на сегодняшний день задача решаемая (см. ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА) — достаточно измерить красное смещение в спектре излучения их звезд. Гораздо труднее

АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН (Albert
Einstein, 1879-1955) — один из величайших физиков-теоретиков XX века. Родился в Ульме, Германия; жил и работал в Германии, Швейцарии и США. Сын владельца маленького электрохимического заводика в Мюнхене; в этом городе и началось его формальное образование. После того как семейный бизнес пришел в полный упадок, семья Эйнштейнов перебралась в Италию, а юный Альберт отправился в Цюрих (Швейцария), где и продолжил формальное образование. (Тут самое время развенчать устойчивый миф о том, что в юности Эйнштейн был нерадивым студентом и даже получал двойки по математике. С учебой у Эйнштейна проблем не возникало, зато он имел массу дисциплинарных взысканий, однако проблемы с администрацией закостенелой в те годы германской системы образования возникали у многих студентов, отличавшихся свободомыслием.) В 1901 году Эйнштейн устроился на работу в Швейцарское патентное бюро в Берне и в том же году получил швейцарское гражданство по причине острого недовольства жестким и милитаризированным режимом, воцарившимся в Германии. За семь лет, проведенных на этой должности, он и внес свой основной вклад в науку, включая теоретическое объяснение фотоэлектрического эффекта и броуновского движения и специальную теорию относительности. В 1909 году, получив признание в академических кругах, стал профессором Цюрихского, затем Пражского университетов и, наконец, возглавил Институт физики им. Кайзера Вильгельма в Берлине. Ранний брак с однокурсницей Милевой Марич (Mileva Marie) сложился неудачно; в 1919 году Эйнштейн развелся со своей первой
женой и вскоре женился на своей кузине Эльзе.
В том же году к Эйнштейну пришла всемирная слава — замеры отклонения световых лучей при их прохождении в непосредственной близости от Солнца стали экспериментально подтверждать предсказания общей теории относительности. Однако, будучи пацифистом и сионистом по убеждениям, Эйнштейн находил политическую обстановку, складывающуюся в Германии, все более невыносимой. В 1933 году, с окончательным утверждением у власти Адольфа Гитлера, ученый покинул историческую родину и отправился в Принстон (США) для продолжения работы в Институте фундаментальных исследований (Princeton Institute for Advanced Study), а в 1940 году принял американское подданство. В годы Второй мировой войны направил президенту США Франклину Рузвельту письмо, в котором предупредил об опасности разработки атомного оружия, хотя и не ясно, не стало ли именно это письмо своеобразным катализатором, побудившим администрацию США к реализации программы скорейшего создания атомной бомбы. Как бы то ни было, после войны Эйнштейн выступал последовательным поборником мира во всем мире и уделял миротворческой деятельности немало времени.
Будучи непримиримым противником квантовой механики как таковой, Эйнштейн своим скептическим отношением к этой теории немало способствовал развитию и оттачиванию ее сторонниками, в частности его старым другом Нильсом Бором, своих идей. На склоне лет Эйнштейн безуспешно пытался связать воедино теорию гравитации с теориями других природных сил (см. УНИВЕР-САЛЬНЫЕ ТЕОРИИ).

измерить расстояние до этих галактик. Для этого астрономам нужна так называемая стандартная свеча — объект с заведомо известной исходной светимостью. Сравнив энергию доходящего до нас излучения с исходной энергией, испускаемой таким объектом в пространство по всем направлениям и рассеивающейся в нем, мы можем оценить расстояние до него.
В 1990-е годы астрофизикам удалось наконец найти подходящую стандартную свечу — на эту роль идеально подошли сверхновые типа 1а (см. КОСМИЧЕСКИЙ ТРЕУГОЛЬНИК). Использование этого метода дало, мягко выражаясь, озадачивающие результаты. Расширение Вселенной не просто не замедляется со временем — оно ускоряется! Судя по всему, имеется какая-то неизвестная нам сила, которая буквально растаскивает Вселенную на куски, — какая-то, по сути, антигравитация, причем настолько сильная, что она побеждает силу тяжести и под ее воздействием галактики разлетаются с неуклонно возрастающей скоростью. И стоило астрофизикам осознать этот факт, как им пришлось срочно реабилитировать опальную космологическую постоянную Л. Вся космологическая теория была еще раз поставлена с ног на голову, и теперь физики-теоретики бьются над тем, как вернуть «грубейшую ошибку» Эйнштейна на законное место в своих теориях. Другой вопрос, навсегда ли космологическая постоянная возвращается в теоретическую физику.

Коэволюция
Эволюция одного организма может зависеть от эволюции другого

1859 ^ ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ

1934 ^ ПРИНЦИП
1964
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
1916 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 СОСТОЯНИЯ 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.