Законы часть 42

ЗАКОНЫ ЧАСТЬ 42



Уравнения Максвелла
Все
электромагнитные явления описываются системой из четырех уравнений

1785 ^ ЗАКОН КУЛОНА

1820 ^ ЗАКОН БИО—САВАРА

1831 ^ ЗАКОНЫ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ

1864 ^ УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА

1931 • МАГНИТНЫЕ МОНОПОЛИ

К середине XIX века ученые открыли целый ряд законов, описывающих электрические и магнитные явления и связи между ними. В частности, были известны:
— ЗАКОН КУЛОНА, описывающий силу взаимодействия между электрическими зарядами,
— ТЕОРЕМА ГАУССА, исключающая возможность существования в природе изолированных магнитных зарядов (магнитных монополей),
— ЗАКОН БИО —САВАРА, описывающий магнитные поля, возбуждаемые движущимися электрическими зарядами (см. также ЗАКОН АМПЕРА и ОТКРЫТИЕ ЭРСТЕДА), и
— ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ, согласно которым изменение магнитного потока порождает электрическое поле и индуцирует ток в проводниках (см. также ПРАВИЛО ЛЕНЦА).
Эти четыре группы законов и были обобщены Джеймсом Клерком Максвеллом, которому удалось объединить их в стройную систему (получившую его имя), состоящую из четырех уравнений и исчерпывающим образом описывающую все измеримые характеристики электромагнитных полей и электрических токов, которая названа его именем. Прежде всего Максвеллу мы обязаны строгим математическим описанием всех известных законов электромагнетизма (Фарадей, например, вообще формулировал все открытые им законы исключительно в словесной форме). Во-вторых, в сформулированную им систему Максвелл внес немало принципиально новых идей, отсутствовавших в исходных законах. В-третьих, он придал всем электромагнитным явлениям строгое теоретическое обоснование. И, наконец, в-четвертых, на основе составленной им системы уравнений Максвелл сделал ряд важных предсказаний и открытий, включая предсказание существования СПЕКТРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
Давайте начнем со второго пункта. Согласно закону Био— савара, электрический ток, проходящий по проводнику, возбуждает вокруг него магнитное поле. А что, если электрический ток протекает не по проводнику, а через плоский конденсатор? Фактически электроны не перескакивают с одной пластины на другую, однако ток все равно проходит через конденсатор, поскольку электроны одной пластины взаимодействуют с электронами другой пластины, находясь в непосредственной близости друг от друга и, в силу взаимного отталкивания, передают друг другу колебания (так называемые осцилляции) переменного тока, обеспечивая тем самым протекание тока через, казалось бы, очевидный разрыв в электрической цепи.
Максвелл понял, что закон Ампера в этой ситуации не объясняет прохождение тока. Он также понял, что, хотя заряды с пластины на пластину не переходят, электрическое поле (сила, которая возникла бы, если бы мы поместили между пластинами

воображаемый электрический заряд) увеличивается. Исходя из этого он постулировал, что в мире электромагнитных явлений изменяющееся электрическое поле может играть ту же роль в порождении магнитного поля, что и электрический ток. Максвелл ввел принципиально новое понятие тока смещения, добавив его в качестве отдельного слагаемого в обобщенный закон Ампера — первое уравнение Максвелла. И с тех пор наличие токов смещения раз за разом безоговорочно подтверждается экспериментальными данными.
Внеся столь важное дополнение в первое из четырех уравнений, Максвелл на основании составленной им системы уравнений чисто математически вывел фантастическое по тем временам предсказание: в природе должны существовать электромагнитные волны, формирующиеся в результате колебательного взаимодействия электрических и магнитных полей, и скорость их распространения должна быть пропорциональна силе между

ДЖЕИМС КЛЕРК МАКСВЕЛЛ (James Clerk Maxwell, 1831-79) — шотландский физик, один из самых выдающихся теоретиков XIX столетия. Родился в Эдинбурге, происходит из старинного дворянского рода. Учился в Эдинбургском и Кембриджском университетах. Первую научную статью (о методе начертания идеального овала) опубликовал в возрасте 14 лет. Максвелл занимал должность профессора кафедры экспериментальной физики Кембриджского университета, когда в 48 лет безвременно скончался от рака.
Первым большим теоретическим исследованием Клерка Максвелла, как его часто именуют, стала работа по теории цвета и цветного зрения. Он первым показал, что вся гамма видимых цветов может быть получена путем смешения трех основных цветов — красного, желтого и синего; объяснил природу дальтонизма (дефекта зрения, приводящего к нарушению восприятия цветовой гаммы) врожденным или приобретенным дефектом рецепторов сетчатки глаза. Он первым изобрел реально работающий цветной фотоаппарат (с использованием тартановой ленты в качестве светочувствительного материала) и продемонстрировал его работу на собрании Лондонского королевского общества в 1861 году. Как бы между делом тщательно рассчитал возможную структуру колец Сатурна и доказал, что они не могут быть жидкими, как ранее считалось, а должны состоять из твердых частиц.
Максвелл внес важный вклад в развитие многих отраслей естествознания. Но, пожалуй, наиважнейшее его достижение состоит в развитии теории электромагнетизма и постановке ее на прочную математическую основу. Заниматься этим вопросом Максвелл начал в середине 1850-х годов. По иронии судьбы Максвелл твердо верил в существование светоносного эфира и все свои уравнения выводил исходя из того, что эфир существует и в нем возбуждаются электромагнитные волны, имеющие как следствие конечную скорость распространения. До результатов ОПЫТА МАЙКЕЛЬСОНА — МОРЛИ , опровергающих теорию существования эфира, Максвелл не дожил. (Как не дожил он и до безоговорочного признания своей теории. Окончательно волновая природа света и правильность уравнений Максвелла были подтверждены опытами Герца лишь в 1888 году, а до того времени большинство физиков, включая самого Герца, с недоверием относились к столь смелой теории. — Примечание переводчика.) К счастью для него и для нас, теорию Максвелла этот опыт не отменил, поскольку уравнения Максвелла выполняются независимо от наличия или отсутствия эфира.
Наконец, Максвелл внес огромный вклад в становление статистической механики, найдя распределение молекул газа по скоростям, ставшее краеугольным камнем МОЛЕКУЛ ЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ. Наконец, сам же Максвелл и подметил несовершенство этой теории, сформулировав парадокс, позже получивший название ДЕ М ОН А М АКСВ Е Л ЛА.

зарядами или между магнитами. Решив составленное им дифференциальное волновое уравнение, Максвелл с удивлением обнаружил, что скорость распространения электромагнитных колебаний совпадает со скоростью света, к тому времени уже определенной экспериментально. Это означало, что столь знакомое всем явление, как свет, представляет собой электромагнитные волны! Более того, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн во всем известном спектре — от радиоволн до гамма-лучей. Таким образом, доскональное теоретическое исследование природы электричества и магнетизма привело к открытию, принесшему человечеству неисчислимые блага — от микроволновых печей до рентгеновских установок в стоматологических клиниках.

Уравнения равноускоренного движения
При постоянном ускорении скорость физического тела равномерно возрастает, начиная с нуля
1537
Расстояние, пройденное равноускоренным телом начиная с нулевой скорости, пропорционально квадрату времени
1604,
1609

РАСПРЕДЕЛЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ

УРАВНЕНИЯ
1687
РАВНОУСКОРЕННОГО ДВИЖЕНИЯ

ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ
1687
НЬЮТОНА
1905,
1916

ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ НЬЮТОНА

ТЕОРИЯ
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Галилео Галилей относится к числу людей, прославившихся совсем не тем, за что им следовало бы пользоваться заслуженной славой. Все помнят, как этого итальянского естествоиспытателя в конце жизни подвергли суду инквизиции по подозрению в ереси и заставили отречься от убеждения, что Земля вращается вокруг Солнца. На самом же деле этот судебный процесс на развитие науки практически не повлиял — в отличие от ранее проделанных Галилеем опытов и сделанных им на основании этих опытов выводов, которые фактически предопределили дальнейшее развитие механики как раздела физической науки.
Движение физических тел изучалось с незапамятных времен, и основы кинематики были заложены задолго до рождения Галилея. Элементарные задачи описания движения сегодня изучают уже в начальной школе. Например, все знают, что если автомобиль равномерно движется со скоростью 20 км/ч, то за 1 час он проедет 20 км, за 2 часа — 40 км, за 3 часа — 60 км и т.д. И до тех пор, пока машина движется с постоянной скоростью (стрелка спидометра не отклоняется от заданного деления на его шкале), рассчитать пройденное расстояние труда не составляет — достаточно умножить скорость машины на время, которое она находится в пути. Этот факт известен настолько давно, что имя его первооткрывателя наглухо затерялось в тумане античных времен.
сложности возникают, как только объект начинает двигаться с переменной скоростью. Трогаетесь вы, к примеру, от светофора — и стрелка спидометра ползет от нуля вверх, пока вы не отпустите педаль газа и не нажмете педаль тормоза. На самом деле стрелка спидометра на месте практически не стоит — она все время движется вверх или вниз. В начале каждой отдельно взятой секунды реальная скорость машины одна, а в конце секунды — уже другая, и пройденный ею за секунду путь точно рассчитать не так-то просто. Эта проблема — описание движения с ускорением — волновала естествоиспытателей задолго до Галилея.
Сам же Галилео Галилей подошел к ней новаторски и фактически задал направление всего дальнейшего развития современной методологии естествознания. Вместо того чтобы сидеть и умозрительно решать вопрос о движении ускоряющихся тел, он придумал гениальные по своей простоте опыты, позволяющие экспериментально проследить, что в действительности происходит с ускоряющимися телами. Нам может показаться, что ничего особенно новаторского в таком подходе нет, однако до Галилея основным методом решения проблем «натурфилософии» — о чем говорит само название тогдашней естественной науки — было умозрительное осмысление происходящего, а не его экспериментальная проверка. Сама идея проведения физических экспериментов была в то время по-настоящему радикальной. Чтобы понять идею опытов Галилея, представьте себе тело, падающее под воздействием силы земного притяжения. Выпустите какой-нибудь предмет из рук — и он упадет на пол; при этом в первое мгновение скорость его дви-

жения будет равна нулю, но он тут же начнет ускоряться — и будет продолжать ускоряться, пока не упадет на землю. Если мы сможем описать падение предмета на землю, мы затем сможем распространить это описание и на общий случай равноускоренного движения.
Сегодня измерить динамику падения предмета не сложно — можно с большой точностью зафиксировать время от начала падения до любой промежуточной точки. Однако во времена Галилея точных секундомеров не было, да и любые механические часы по современным стандартам были весьма примитивны и неточны. Поэтому ученый первым делом разработал экспериментальный аппарат, позволяющий обойти эту проблему. Во-первых, он «разбавил» силу тяжести, замедлив время падения до разумных с точки зрения имеющихся инструментов измерения пределов, а именно — заставил тела скатываться по наклонной плоскости, а не просто падать отвесно. Затем он придумал, как обойти неточность современных ему механических часов, натянув на пути скатывающегося по наклонной поверхности шара ряд струн, чтобы он задевал их по дороге и можно было хронометрировать его движение по извлекаемым звукам. Раз за разом спуская шар по наклонной под рядом струн, Галилей перемещал струны, пока не добился, чтобы шар на всем своем пути, задевая натянутые струны, извлекал звуки через равные промежутки времени.
В конце концов Галилею удалось накопить достаточный объем экспериментальной информации о равноускоренном движении. Тело, стартующее из состояния покоя, далее движется так, как это описано в самом начале данной статьи. В переводе на язык математических символов равноускоренное движение описывается следующими уравнениями:
V = а и й = % аР,
где а — ускорение, V — скорость, й — расстояние, пройденное телом за время ; Чтобы прочувствовать смысл этих уравнений, достаточно пристально пронаблюдать за падением предметов. Скорость падения зримо возрастает со временем, прошедшим с начала падения. Это следует из первого уравнения. Очевидно и то, что в процессе падения на прохождение первой части пути у тела уходит больше времени, чем на оставшуюся часть пути. Именно это и описывает вторая формула, поскольку из нее следует, что чем дольше тело ускоряется, тем больший отрезок пути оно преодолевает за одно и то же время.
Галилей сделал и еще одно важное наблюдение о теле, находящемся в состоянии свободного падения под воздействием силы гравитационного притяжения, хотя и не смог подтвердить его непосредственными измерениями. Экстраполировав результаты, полученные им при наблюдении скатывающихся по наклонной плоскости предметов, он сумел определить ускорение свободного

Суд над Галилеем
Суд римско-католической инквизиции над Галилеем — такой же стойкий околонаучный миф, как и яблоко, якобы упавшее на голову Ньютону. И, как обычно и бывает в мифологии, к действительности эта история имеет мало отношения. Если верить этому мифу, Галилей привел суду неопровержимые доказательства правильности взглядов Николая Коперника на устройство Солнечной системы, согласно которым Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, а затем был сломлен церковью, желавшей подавить эту теорию, и принужден публично отречься от своих взглядов. На самом же деле Коперник, будучи весьма изощренным церковным политиком, представил свою гелиоцентрическую теорию в таком виде, что она вполне удовлетворяла богословские авторитеты того времени (в частности, называя ее не иначе, чем гипотезой). Теория Коперника широко обсуждалась до Галилея и учеными, и даже самими ватиканскими богословами.
В 1616 году Галилей опубликовал книгу «Звездный вестник», в которой обобщил телескопические наблюдения и привел сильные доводы в пользу системы Коперника. Причем написана книга была на итальянском, а не на латыни, что сделало ее доступной не только ученым, но и широкому кругу образованных читателей. В ответ на упреки, что книга якобы противоречит церковным канонам, Коллегия кардиналов вызвала Галилея на свое заседание. Далее начинаются неясности, вызванные противоречивостью дошедших до нас свидетельств участников этого заседания. Согласно официальной версии, Галилею было указано на недопустимость дальнейших публичных обсуждений идей Коперника в иной форме, кроме как с указанием на то, что это всего лишь гипотеза, пока не будут представлены неопровержимые доказательства ее правильности. Галилей же стоит на том, что подобного предупреждения не получал.
Как бы то ни было, в 1632 году Галилей опубликовал работу «Диалог о двух главнейших системах мира»,
где привел развернутые аргументы в пользу гелиоцентрической системы Коперника, вложив при этом официальные возражения Папы в уста персонажа по имени Симпличо (по-итальянски «простак». — Прим. переводчика). Вот тогда-то против Галилея и было впервые выдвинуто обвинение в «подозрении на ересь»; при этом нужно понимать, что в устах инквизиции это обвинение соотно сится с обвинением в собственно «ереси» примерно так же, как в современном гражданском судопроизводстве обвинение в непреднамеренном убийстве соотносится с обвинением в предумышленном убийстве при отягчающих обстоятельствах. От подозрения в ереси Галилей себя очистил, публично заявив, что сам не верит в то, что написал, после чего остаток жизни провел всего лишь под домашним арестом у себя во Флоренции (в 1992 году Римско-католическая церковь официально пересмотрела приговор суда на том основании, что судьи не сумели отделить вопросов веры от научных фактов).
Так что мы выносим из всей этой истории? По моему личному разумению, она описывает не более чем умышленное раскручивание маховика неповоротливой бюрок-ратиче ской машины человеком, намеренно стремящимся к конфронтации с ней. (Мне, например, представляется, что у Совета кардиналов имелись в то время дела и поважней, чем разбирательство с ученым по поводу абстрактной космологической теории.) Правда тут еще и в том, что доводы Галилея в пользу системы Коперника на поверку вовсе не являются такими уж убедительными. Более того, с точки зрения современной науки можно сказать, что Галилей пришел к верному заключению путем ошибочных рассуждений. Суда над ученым это, е сте ственно, не оправдывает, однако все действо в этой связи предстает в ином, куда менее мифологическом, свете.



Художник запечатлел эксперимент, которого, возможно, и не было: Галилей бросает два шара разных размеров с «падающей» Пизанской башни

падения тела на поверхность Земли. Ускорение свободного падения принято обозначать g, и оно равняется (приблизительно):
g = 9,8 м/с2 (метра в секунду за секунду).
То есть, если уронить предмет из состояния покоя, за каждую секунду падения его скорость будет возрастать на 9,8 метра в секунду. На исходе первой секунды падения тело будет двигаться со скоростью 9,8 м/с, на исходе второй — со скоростью 2 х 9,8 = 18,6 м/с и так далее. Величина g определяет коэффициент ускорения падения тела, находящегося в непосредственной близости от земной поверхности, в связи с чем g принято называть ускорением свободного падения, или гравитационным ускорением.
Здесь следует сделать два важных замечания относительно полученных Галилеем результатов. Во-первых, ученый получил чисто экспериментальное значение величины g, ни на каких теоретических прогнозах не основывающееся. Значительно позже Исаак Ньютон в своих знаменитых работах показал, что величину g можно рассчитать теоретически, исходя из сочетания сформулированных им ЗАКОНОВ
МЕХАНИКИ НЬЮТОНА и ЗАКОНА ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ НЬЮТОНА. Именно первопроходческий труд Галилея и проложил дорогу последующим триумфальным открытиям Ньютона и формированию классической механики в ее общеизвестном виде.
Второй важнейший момент состоит в том, что ускорение свободного падения не зависит от массы падающего тела. По сути, сила притяжения пропорциональна массе тела, но это полностью компенсируется большей инерцией, присущей более массивному телу (его нежеланию двигаться, если хотите), а посему (если не учитывать сопротивление воздуха) все тела падают с одинаковым ускорением. Это практическое заключение вступало в полное противоречие с умозрительными предсказаниями древних и средневековых натурфилософов, которые были уверены, что всякой вещи свойственно стремиться к центру мироздания (коим им, естественно, представлялся центр Земли) и что чем массивнее предмет, тем с большей скоростью он к этому центру устремляется.
Свое видение Галилей, конечно же, подкрепил экспериментальными данными, но вот опыта, который ему традиционно гфиписьгвают, он, скорее всего, вовсе не проводил. Согласно околонаучному фольклору, он сбрасывал предметы различной массы с «падающей» Пизан-ской башни, чтобы продемонстрировать, что они достигают поверхности Земли одновременно. В этом случае, однако, Галилея ждало бы разочарование, поскольку более тяжелые предметы неизбежно падали бы на землю раньше легких из-за разницы в удельном сопротивлении воздуха. Если бы сбрасываемые с башни предметы были одного размера, сила сопротивления воздуха, тормозящая их падение, была бы одинаковой для всех предметов. При этом из законов Ньютона следует, что более легкие предметы затормаживались бы воздухом интенсивнее тяжелых и падали на землю позднее тяжелых предметов. А это, естественно, противоречило бы предсказанию Галилея.

ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕИ (Galileo Galilei, 1564-1642) — итальянский ученый. Родился в Пизе. Галилея можно по праву назвать отцом современной экспериментальной науки. Его отец Винченцо Галилей был известным музыкантом и со временем переехал вместе с семьей во Флоренцию. Образование Галилео начал получать в Пизанском университете, где он числился на медицинском факультете, хотя большую часть времени уделял изучению математики. Его увлечение вылилось в то, что Галилей стал заведующим кафедрой математики этого университета.
После смерти отца Галилей переехал в Падую и занял должность профессора математики в местном университете (причина переезда, судя по всему, была прозаичной: в университете Падуи платили лучше, чем в Пизанском). В Падуе и определились три главные темы исследований, которые всю жизнь потом занимали ученого. Во-первых, Галилей начал исследование тел в состоянии свободного падения — работу, которая со временем приведет к настоящему перевороту в механике. Во-вторых, он заинтересовался новыми астрономическими идеями Николая Коперника (см. ПРИНЦИП КОПЕРНИКА). Наконец, он изобрел инструмент под названием «пропорциональный компас», продажами которого в основном и обеспечивал себя материально (как и большинство изобретений Галилея, пропорциональный компас широко используется и в наши дни).
Зимой 1609-1610 года, используя телескоп собственной конструкции, построенный на новых идеях, зародившихся в умах голландских оптиков того времени, Галилей увлекся наблюдением за небесными телами. Не он первый, должно быть, занялся изучением траекторий планет, но именно он впервые широко опубликовал результаты своих наблюдений и выводы, которые из них следуют. Он наблюдал спутники Юпитера, горы на Луне, кольца Сатурна (хотя и составил неверное представление об их природе), фазы Венеры... Любого из этих открытий хватило бы, чтобы усомниться в древней теории Аристотеля, согласно которой Земля покоится в центре Вселенной, и поддержать новый взгляд на мир, предложенный Коперником. Его книга «Диалог о двух главнейших системах мира» — красноречивая защита Вселенной по Копернику. Именно взгляды Галилея на устройство мира, изложенные в этой книге, послужили основанием для его привлечения к суду по подозрению в ереси.
Уже после суда Галилей написал еще один фундаментальный труд «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки», где обобщаются его открытия в областях, которые сегодня принято называть материаловедением и кинематикой. Как и во всех других трудах ученого, в этой работе Галилей подчеркивает важность эксперимента как средства проверки теории.

Устойчивость микробов к антибиотикам
С течением времени популяция (но не отдельная особь) может приобрести устойчивость к воздействию химических веществ, таких как антибиотики и пестициды

1877 • МИКРОБНАЯ ТЕОРИЯ ИНФЕКЦИОННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ

1928 • ОТКРЫТИЕ
ПЕНИЦИЛЛИНА

1947 • УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРОБОВ К АНТИБИОТИКАМ

сер. • ИММУННАЯ 1960-х СИСТЕМА

Все мы слышали пугающие истории о микробах, нечувствительных к антибиотикам. И действительно, многим в процессе лечения приходилось заменять один антибиотик на другой из-за того, что первый оказался неэффективным. Такое появление лекарственной устойчивости у популяции микроорганизмов — не странная месть матери-природы человечеству, а закономерное следствие ТЕОРИИ
ЭВОЛЮЦИИ.
Существование различий между членами популяции составляет один из основополагающих принципов эволюции. Сегодня известно, что эти различия заложены в генах. Более того, жизнь любого организма (будь то бактерия или человек) по существу представляет собой серию химических превращений молекул. Действие антибиотика состоит в том, что он служит ингибитором, то есть тормозит или подавляет какую-либо химическую реакцию, жизненно важную для микроба. Например, ПЕНИЦИЛЛИН блокирует молекулы, участвующие в строительстве новых клеточных оболочек бактерий. Действие пенициллина можно упрощенно сравнить с жевательной резинкой, наклеенной на ключ, которая будет препятствовать открыванию замка. (Пенициллин не оказывает влияния на человека или животных, потому что наружные оболочки наших клеток коренным образом отличаются от клеток бактерий.)
У определенной популяции бактерий возможны различия в форме молекул, на которые направлено действие антибиотиков. Одни молекулы оказываются более чувствительными к «наклеиванию» лекарства, другие — менее. Чисто случайно у небольшого количества бактерий молекулы окажутся такой формы, которая менее чувствительна к отрицательному влиянию какого-то антибиотика (например, пенициллина). При воздействии лекарства на данную популяцию это небольшое количество устойчивых бактерий уцелеет. Через много поколений натуральный отбор приведет к преобладанию бактерий, в геноме которых закодированы менее чувствительные к лекарству молекулы. В конце концов появится популяция микробов, полностью невосприимчивых к данному антибиотику.
Необходимо еще раз отметить, что этот эффект проявляется через много поколений. Ни одна отдельно взятая бактерия не может приобрести иммунитет — форма молекулы определяется генами и обычно не меняется в течение жизни организма.
В 1952 году американские генетики Джошуа и Эстер Ледерберг провели классический эксперимент по изучению устойчивости микробов к антибиотикам. В чашках Петри на обычных питательных средах были выращены колонии бактерий, затем часть каждой колонии перенесли на другие чашки, где в питательную среду был добавлен пенициллин. Большинство колоний после этого пересева погибли, но одна из них выжила. Тогда ученые вновь вернулись к первичной колонии (от которой отсевали уцелевшую) и снова перенесли ее на питательную среду с пеницил-

лином. Колония вновь выжила, доказав, что она обладает устойчивостью к пенициллину, хотя никогда не подвергалась его воздействию. Этот эксперимент подтвердил представление о случайном характере устойчивости в популяции и о том, что устойчивость обусловлена естественным отбором.
Подобные эффекты наблюдаются и у высших организмов: например, у насекомых в процессе эволюции выработалась устойчивость к пестицидам, а у растений — к гербицидам. Механизм приспособления здесь такой же, как и у бактерий, которые приобрели устойчивость к антибиотикам. Случайным образом у некоторых особей в популяции появляются какие-то химические изменения в их природе, что позволяет им противодействовать влиянию пестицидов или гербицидов. Например, это могут быть особые молекулы, которые захватывают молекулы пестицида или гербицида и не позволяют им действовать. Или у этих особей могут вырабатываться химические вещества, удаляющие пестициды или гербициды из клеток организма прежде, чем эти яды успеют сильно повредить клетки. В результате естественного отбора организмы с такими особенностями выживают в первую очередь, и в конце концов вся популяция приобретет эту полезную особенность.
Зная о работах в области естественного отбора, ученые должны были бы ожидать такого поведения исследуемых организмов. Тот факт, что они этого не сделали, говорит нам скорее о несовершенстве человеческой природы, нежели о недостаточном эффекте антибиотиков и других химикатов. Однако эта приобретенная лекарственная устойчивость микробов вовсе не зачеркивает всего положительного, что принесли нам антибиотики и другие химические вещества. Это просто значит, что войну с болезнью нельзя выиграть в одной битве. Здесь можно провести аналогию с гонкой вооружений, в которой одна сторона добивается временного преимущества, а другая учится наносить ответный удар. Затем первая сторона разрабатывает контрудар на этот ответный удар, а другая сторона — противостоит контр-контрудару... Гонка вооружений никогда не кончается — так же, я подозреваю, никогда не закончится и наша битва с эволюционным потенциалом микробов. Главное — быть далеко впереди, чтобы держать болезни под контролем. И этого будет достаточно для победы.

Фазовые переходы
1761
Чтобы вещество перешло из твердого состояния в жидкое (плавление или таяние), из жидкого в газообразное (кипение или испарение) или из твердого в газообразное (возгонка или сублимация), требуется поступление энергии извне. При обратных процессах (таких, как конденсация или кристаллизация) вещество, напротив, отдает энергию
•
1798
ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

МЕХАНИЧЕСКАЯ
ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ

В обычных условиях любое вещество пребывает в одном из трех состояний — твердом, жидком или газообразном (см. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА). Каждому из этих условий соответствует своя структура связей между молекулами и/или атомами, характеризующаяся определенной энергией связи между ними. Для изменения этой структуры нужен либо приток тепловой энергии извне (например, при плавлении твердого вещества), либо отток энергии вовне (например, при кристаллизации).
Взяв для начала твердое вещество, мы понимаем умозрительно, что в нем молекулы/атомы связаны в некую жесткую кристаллическую или аморфную структуру, — при незначительном нагреве они лишь начинают «трястись» вокруг своей фиксированной позиции (чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний). При дальнейшем нагревании вещества молекулы расшатываются все сильнее, пока наконец не срываются с «насиженного» места и не отправляются в «свободное плавание». Это и есть плавление, или таяние, твердого вещества в жидкость. Поступление же энергии, необходимой для таяния вещества, называют теплотой плавления.
График изменения температуры твердого вещества при переходе им точки плавления сам по себе весьма интересен. До точки плавления по мере нагревания атомы/молекулы раскачиваются вокруг своего фиксированного положения все сильнее, и поступление каждой дополнительной порции тепловой энергии приводит к повышению температуры твердого тела. Однако по достижении твердым веществом температуры плавления оно на какое-то время так и остается при этой температуре, несмотря на продолжающийся приток тепла, пока в нем не накопится достаточное количество тепловой энергии для разрыва жестких межмолекулярных связей. То есть в процессе фазового перехода вещества из твердого состояния в жидкое энергия поглощается им без повышения температуры, поскольку вся она уходит на разрыв межмолекулярных связей. Вот почему кубик льда в коктейле даже в самую жару остается ледяным по температуре, пока не растает весь. При этом, тая, кубик льда отбирает тепло у окружающего его коктейля (и тем самым охлаждает его до приятной температуры), а сам набирается энергии, которая требуется ему для разрыва межмолекулярных связей и окончательного саморазрушения.
Количество теплоты, необходимое для плавления или испарения единицы объема твердого вещества или жидкости, называется, соответственно, скрытой теплотой плавления, или скрытой теплотой испарения. И величины здесь фигурируют порой немалые. Например, для нагревания 1 кг воды от 0°С до 100°С требуется «всего» 420 000 джоулей (Дж) тепловой энергии, а для того, чтобы обратить этот килограмм воды в 1 кг пара с температурой, равной тем же 100°С, — целых 2 260 000 Дж энергии.

После того как твердая масса полностью превратилась в жидкость, дальнейшее поступление тепла повлечет вновь за собой повышение температуры вещества. В жидком состоянии молекулы вещества по-прежнему находятся в близком контакте, но жесткие межмолекулярные связи между ними разорваны и силы взаимодействия, удерживающие молекулы вместе, на несколько порядков слабее, чем в твердом теле, поэтому молекулы начинают достаточно свободно перемещаться друг относительно друга. Дальнейшее поступление тепловой энергии доводит жидкость до фазы кипения, и начинается активное испарение или парообразование.
И опять же, как было описано в случае таяния, или плавления, на какое-то время вся дополнительно поступающая энергия уходит на разрыв жидкостных связей между молекулами и высвобождение их в газообразное состояние (при неизменной температуре кипения). Энергия, затрачиваемая на разрыв этих, казалось бы, некрепких связей — т.н. скрытая теплота парообразования, — также требуется немалая (см. пример выше).
Все те же процессы при оттоке энергии (остужении) вещества происходят в обратном порядке. Сначала газ остывает с понижением температуры, и так происходит, пока он не достигнет точки конденсации — температуры, при которой начинается сжижение, — и она в точности равна температуре испарения (кипения) соответствующей жидкости. При конденсации, по мере того как силы взаимного притяжения между молекулами начинают брать верх над энергией теплового движения, газ начинает превращаться в жидкость — конденсироваться. При этом выделяется так называемая удельная теплота конденсации — она в точности равна скрытой удельной теплоте испарения, о которой уже говорилось. То есть сколько энергии вы потратили на испарение определенной массы жидкости, ровно столько энергии пар и отдаст в виде тепла при конденсации обратно в жидкость.
То, что количество теплоты, выделяемое при конденсации, весьма высоко, — факт легко проверяемый: достаточно поднести ладонь к носику кипящего чайника. Помимо жара от пара как такового ваша кожа пострадает еще и от теплоты, выделившейся в результате его конденсации в жидкую воду.
При дальнейшем остывании жидкости до точки замерзания (температура которой равна точке таяния) еще раз начнется процесс отдачи тепловой энергии вовне без понижения температуры самого вещества. Этот процесс называется кристаллизацией, и при нем выделяется ровно столько же тепловой энергии, сколько отбирается из окружающей среды при плавлении (переходе вещества из твердой фазы в жидкую).
Есть и еще один тип фазового перехода — из твердого состояния вещества непосредственно в газообразное (минуя жидкость). Такое фазовое превращение называется возгонкой, или сублима

цией. Самый бытовой пример — вывешенное сушиться на мороз сырое белье. Вода в нем сначала кристаллизуется в лед, а затем — под воздействием прямых солнечных лучей — микроскопические кристаллики льда попросту испаряются, минуя жидкую фазу. Другой пример: на рок-концертах «сухой лед» (замороженная двуокись углерода С02) используется для устройства дымовой завесы — она испаряется прямо в воздух, окутывая выступающих музыкантов и также минуя жидкую фазу. Соответственно, на преобразование твердого вещества непосредственно в газ затрачивается энергия сублимации.

Флогистон
В состав любого горючего вещества входит особая субстанция — флогистон

1683 • ФЛОГИСТОН

Эта старая химическая теория была основана на идее о том, что есть нечто, входящее в состав любого горючего вещества и представляющее собой его горючую часть. Это нечто получило название «флогистон», что по-гречески значит «воспламеняемый». Суть идеи была такова: когда вещество горит, флогистон выделяется из него и улетучивается. Считалось, что дерево, например, это смесь золы и флогистона, и при сжигании дерева выделяется флогистон, а остается зола. Аналогичным образом полагали, что металлы — это смесь флогистона и веществ, называемых окалинами.
Однако в этой теории была одна существенная неувязка: если образовавшаяся после горения зола обычно легче, чем изначальный кусок дерева, то окалины (или, как бы мы сказали сегодня, оксиды металлов) обычно тяжелее первоначального куска металла. Теперь мы знаем, что из-за наличия в древесине диоксида углерода и воды основные продукты сгорания дерева — газы — уходят в атмосферу, тогда как при соединении металлов с кислородом (например, когда железо ржавеет) образуется оксид — твердое вещество, — который никуда не исчезает.
Последний гвоздь в гроб теории флогистона был вбит Анту-аном Лавуазье. Он показал, что химическое соединение веществ с незадолго до того открытым элементом кислородом объясняет как увеличение, так и потерю их массы при химических реакциях горения.

АНТУАН ЛОРАН ЛАВУАЗЬЕ (Antoine-Laurent Lavoisier, 1743-94) — французский химик. Родился в Париже; получил всестороннее научное образование в Коллеже Мазарини (Coll;ge Mazarin). Вложив средства в компанию по сбору налогов, он смог материально обеспечить создание лаборатории, в которой он заложил фундамент законов современной химии. Ввел в научную практику строгие методы проведения экспериментов, такие как тщательное взвешивание реагентов и продуктов реакции. Лавуазье не только опроверг теорию флогистона (хотя свет и тепло — «калории» — он продолжал считать химическими элементами), но также открыл состав
воды и установил, что органические вещества содержат углерод, водород и (во многих случаях) кислород. (См. также кислоты и ОСНОВАНИЯ.) Во время Французской революции Жан-Поль Марат (Jean-Paul Marat, 1743-93), человек крайних взглядов, обвинил его в том, что он создал препятствие для естественной циркуляции воздуха в Париже (Лавуазье руководил возведением городской стены). Как сборщик налогов Лавуазье был объявлен противником революции и закончил свой жизненный путь на гильотине. Его вдова вышла замуж за графа Рамфорда (Rumford), известного своим участием в обосновании МЕХА -
НИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОТЫ.

Формула Дрейка
Число внеземных цивилизаций, желающих вступить в контакт с нашей, предсказуемо
1961

XVI • ПРИНЦИП КОПЕРНИКА 1950 • ПАРАДОКС ФЕРМИ 1961 • ФОРМУЛА ДРЕЙКА

АНТРОПНЫЙ
ПРИНЦИП

Вообще-то говоря, не многие крупные научные открытия датированы строго — не только годом, но и месяцем, и числом. Однако как минимум одно из них можно датировать с точностью буквально до минут. В ночь с 1 на 2 ноября 1961 года несколько ученых — участников конференции, проходившей в Грин-Бэнке (Green Bank), штат Виржиния, США, засиделись в баре допоздна за обсуждением статьи, написанной физиками Филипом Моррисоном (Philip Morrison, р. 1915) и Джузеппе Коккони (Giuseppe Cocconi, р. 1914). Они спорили, могут ли земные ученые, едва начавшие строить серьезные по размерам радиотелескопы, реально обнаружить радиосигналы, посылаемые внеземными цивилизациями из далекого космоса. Если где-то в глубинах Вселенной действительно есть хоть одна внеземная цивилизация, стремящаяся к контакту с нами, она, вероятно, посылает нам радиосигналы, и нам лишь нужно их поймать, рассуждали они. Заодно была сформулирована задача на следующий день конференции: оценить вероятное число внеземных цивилизаций, готовых вступить в контакт с нами.
Вопрос был поставлен, и ответ на него уже на следующий день предложил американский радиоастроном Фрэнк Дрейк. Согласно его формуле, число внеземных цивилизаций N составляет:
N = RPN LCT,
где R — число ежегодно образующихся звезд во Вселенной; Р — вероятность наличия у звезды планетной системы; N — вероятность того, что среди планет имеется планета земного типа, на которой возможно зарождение жизни; L — вероятность реального зарождения жизни на планете; С — вероятность того, что разумная жизнь пошла по техногенному пути развития, разработала средства связи и желает вступить в контакт, и, наконец, T — усредненное время, на протяжении которого желающая вступить в контакт цивилизация посылает радиосигналы в космос, чтобы связаться с нами. Смысл формулы Дрейка состоит, если хотите, не в том, чтобы все окончательно запутать, а в том, чтобы наглядно показать всю степень человеческого неведения относительно реального положения дел во Вселенной и хотя бы приблизительно раздробить одну чисто гадательную оценку общего числа цивилизаций в ней на несколько вероятностных оценок. По крайней мере, в таком виде все начинает выглядеть менее загадочно.
На момент конференции в Грин-Бэнке единственным более или менее известным числом в правой части формулы было число ежегодно образующихся звезд R. Что касается других чисел, то к планетам земного типа (N ) даже в нашей Солнечной системе можно было отнести от одного (только Земля) до пяти (Венера, Земля, Марс и по одному из крупных спутников Юпитера и Сатурна) космических объектов планетарного типа. При оптимистичных прогнозах подобного рода получалось, что Галактика буквально кишит миллионами технологически развитых цивилизаций (N), а мы, по сути, юниоры в этой «галактической лиге». Эти сведения

незамедлительно заполонили средства массовой информации, а через них — и массовое сознание, и люди попросту перестали сомневаться, что существование внеземного разума есть непреложная истина.
Однако с 1961 года прошло уже не одно десятилетие, и чем дальше, тем больше мы убеждаемся в том, что нужно умерить оптимизм, изначально порожденной формулой Дрейка в массовом сознании землян, истосковавшихся по братьям по разуму. Сегодня мы знаем, например, в отличие от излишне оптимистичных участников грин-бэнкской группы, что существование жизни в пределах нашей Солнечной системы вне Земли крайне маловероятно (разве что она существует под толстым ледяным щитом в океане четвертого по величине спутника Сатурна, который по странной иронии называется Европа). И, хотя после 1961 года нами было открыто немало планетных систем вокруг ранее известных звезд, все они выглядят мало похожими на нашу Солнечную систему, поскольку планеты там по большей части обращаются по вытянутым эллиптическим орбитам с весьма значительным эксцентриситетом, а значит, годовой перепад температур на них выглядит неприемлемым с точки зрения развития белковой жизни. Фактически выяснилось, что условия, способствующие удержанию воды на поверхности планетарного тела в течение миллиардов лет без ее испарения и/или вымораживания, настолько жестки, что, кроме Земли, таких планет до сих пор не найдено — и это неудивительно, поскольку даже несколько процентов изменения радиуса земной орбиты приведут к тому, что наша планета станет непригодной для жизни.
Так случилось, что в 1981 году я и мой коллега-астроном Роберт Руд (Robert Rood, р. 1942) наткнулись на формулу Дрейка и решили ее критически переосмыслить в свете современных научных знаний. Подставив все имеющиеся у нас на руках оценки величин в правой части формулы, мы получили значение N, приблизительно равное 0,003. То есть три из тысячи (или примерно одна из трехсот) звездных систем имеют в своем составе технологически развитую, желающую общаться с нами цивилизацию. Или, если хотите, это означает, что межзвездные сигналы со стороны внеземного разума появились в нашей Галактике лишь в последнюю 1/300 часть срока ее существования. В любом случае ставки на предмет их обнаружения у нас крайне плохи: 1:300. Естественно, за прошедшие двадцать с лишним лет ничего не изменилось и никаких признаков жизни внеземные цивилизации не подали. Их поиск продолжается уже не первое десятилетие, финансируется и за государственный счет, и частными фондами. Увы... Мы и поныне не нашли себе пресловутых внеземных братьев по разуму, не говоря уже о том, чтобы попытаться вступить с ними в контакт. Да и ладно. Зато у нас накопилась масса абсолютно достоверных данных относительно того, чего там нет.

ФРЭНК ДОНАЛЬД ДРЕЙК (Frank Donald Drake, р. 1930) — американский астроном. Родился в Чикаго, учился на факультете электроники Корнельского университета. Прослушав курс лекций прославленного астронома Отто Струве (1897-1963) о формировании планетных систем, на всю жизнь загорелся интересом к вопросам внеземной жизни и цивилизации. Отслужив в американских ВМС, последовательно работал в
Национальной радиоастрономической обсерватории (ИКАО), Корнельском университете и Калифорнийском университете (г. Санта-Крус). При поддержке Струве Дрейк организовал строительство 28-метрового радиотелескопа на базе ИКАО (проект «Озма») — первого в мире измерительно-регистрирующего прибора, специально созданного для попытки выявить внеземную жизнь (см. ПАРА -ДОКС ФЕРМИ).

Фотосинтез
•
1624
Растения превращают солнечный свет в запасенную химическую энергию в два этапа: сначала они улавливают энергию солнечного света, а затем используют ее для связывания углерода с образованием органических молекул
1779, 1905
ЭКСПЕРИМЕНТ ВАН ГЕЛЬМОНТА
1783

ФОТОСИНТЕЗ
КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ
1937

ТЕОРИЯ СЦЕПЛЕНИЯ-НАТЯЖЕНИЯ

ГЛИКОЛИЗ И ДЫХАНИЕ

Зеленые растения — биологи называют их автотрофами — основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах (см. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ), из которых важнее всего шести-углеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. Другие живые организмы получают доступ к этой энергии, поедая растения. Так создается пищевая цепь, поддерживающая планетарную экосистему.
Кроме того, воздух, которым мы дышим, благодаря фотосинтезу насыщается кислородом. Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так:
вода + углекислый газ + свет — углеводы + кислород.
Растения поглощают углекислый газ, образовавшийся при дыхании, и выделяют кислород — продукт жизнедеятельности растений (см. ГЛИКОЛИЗ И ДЫХАНИЕ). К тому же фотосинтез играет важнейшую роль в КРУГОВОРОТЕ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ.
Кажется удивительным, что при всей важности фотосинтеза ученые так долго не приступали к его изучению. После ЭКСПЕРИМЕНТА ВАН ГЕЛЬМОНТА, поставленного в XVII веке, наступило затишье, и лишь в 1905 году английский физиолог растений Фредерик Блэкман (Frederick Blackman, 1866-1947) провел исследования и установил основные процессы фотосинтеза. Он показал, что фотосинтез начинается при слабом освещении, что скорость фотосинтеза возрастает с увеличением светового потока, но начиная с определенного уровня дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза. Блэкман показал, что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и освещения скорость фотосинтеза возрастает значительно больше, чем при одном лишь усилении освещения.
На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: один из них в значительной степени зависит от уровня освещения, но не от температуры, тогда как второй сильно определяется температурой независимо от уровня света. Это озарение легло в основу современных представлений о фотосинтезе. Два процесса иногда называют «световой» и «темновой» реакцией, что не вполне корректно, поскольку оказалось, что, хотя реакции «темновой» фазы идут и в отсутствии света, для них необходимы продукты «световой» фазы.
Фотосинтез начинается с того, что излучаемые солнцем фотоны попадают в особые пигментные молекулы, находящиеся в листе, — молекулы хлорофилла. Хлорофилл содержится в клетках листа, в мембранах клеточных органелл хлоропластов (именно они придают листу зеленую окраску). Процесс улавливания энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул — эти кластеры принято называть Фотосисте-
Гипотеза Ван Ниля
Процесс фотосинтеза описывается следующей химической реакцией:
СО2 + Н2О +
свет — углевод + О2
В начале XX века считалось, что кислород, выделяющийся в процессе фотосинтеза, образуется в результате расщепления углекислого газа. Эту точку зрения опроверг в 1930-е годы Корнелис Бернардус Ван Ниль (Van Niel, 1897-1986), в то время аспирант Стэн-фордского университета в штате Калифорния. Он занимался изучением пурпурной серобактерии (на фото), которая нуждается для осуществления фотосинтеза в сероводороде (H2S) и выделяет в качестве побочного продукта жизнедеятельности атомарную серу. Для таких бактерий уравнение фотосинтеза выглядит следующим образом:
СО2 + H2S +
свет — углевод + 2S
Исходя из сходства этих двух процессов, Ван Ниль предположил, что при обычном фотосинтезе источником кислорода является не углекислый газ, а вода, поскольку у серобактерий, в метаболизме которых вместо кислорода участвует сера, фотосинтез возвращает эту серу, являющуюся побочным продуктом реакций фотосинтеза. Современное подробное объяснение фотосинтеза подтверждает эту догадку: первой стадией процесса фотосинтеза (осуществляемой в Фотосистеме II) является расщепление молекулы воды.

мой I и Фотосистемой II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, и это одна из забавных научных странностей, поскольку в листе сначала происходят реакции в Фотосистеме II, и лишь затем — в Фотосистеме I.
Когда фотон сталкивается с 250^400 молекулами Фотосистемы II, энергия скачкообразно возрастает и передается на молекулу хлорофилла. В этот момент происходят две химические реакции: молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула, называемая акцептором электронов) и расщепляется молекула воды. Электроны двух атомов водорода, входивших в молекулу воды, возмещают два потерянных хлорофиллом электрона.
После этого высокоэнергетический («быстрый») электрон перекидывают друг другу, как горячую картофелину, собранные в цепочку молекулярные переносчики. При этом часть энергии идет на образование молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), одного из основных переносчиков энергии в клетке (см. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ). Тем временем немного другая молекула хлорофилла Фотосистемы I поглощает энергию фотона и отдает электрон другой молекуле-акцептору. Этот электрон замещается в хлорофилле электроном, прибывшим по цепи переносчиков из Фотосистемы II. Энергия электрона из Фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся ранее при расщеплении молекулы воды, идут на образование НАДФ-Н, другой молекулы-переносчика.
В результате процесса улавливания света энергия двух фотонов запасается в молекулах, используемых клеткой для осуществления реакций, и дополнительно образуется одна молекула кислорода. (Отмечу, что в результате еще одного, значительно менее эффективного процесса с участием одной лишь Фотосистемы I, также образуются молекулы АТФ.) После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает очередь образования углеводов. Основной механизм синтеза углеводов в растениях был открыт Мелвином Калвином, проделавшим в 1940-е годы серию экспериментов, ставших уже классическими. Калвин и его сотрудники выращивали водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Им удалось установить химические реакции темновой фазы, прерывая фотосинтез на разных стадиях.
Цикл превращения солнечной энергии в углеводы — так называемый цикл Калвина — сходен с циклом Кребса (см. ГЛИКОЛИЗ И ДЫХАНИЕ): он тоже состоит из серии химических реакций, которые начинаются с соединения входящей молекулы с моле-кулой-«помощником» с последующей инициацией других химических реакций. Эти реакции приводят к образованию конечного продукта и одновременно воспроизводят молекулу-«помощника», и цикл начинается вновь. В цикле Калвина роль такой молекулы-«помощника» выполняет пятиуглеродный сахар рибулозодифосфат (РДФ). Цикл Калвина начинается с того, что молекулы углекислого

газа соединяются с РДФ. За счет энергии солнечного света, запасенной в форме АТФ и НАДФ-Н, сначала происходят химические реакции связывания углерода с образованием углеводов, а затем — реакции воссоздания рибулозодифосфата. На шести витках цикла шесть атомов углерода включаются в молекулы предшественников глюкозы и других углеводов. Этот цикл химических реакций будет продолжаться до тех пор, пока поступает энергия. Благодаря этому циклу энергия солнечного света становится доступной живым организмам.
В большинстве растений осуществляется описанный выше цикл Калвина, в котором углекислый газ, непосредственно участвуя в реакциях, связывается с рибулозодифосфатом. Эти растения называются С3-растениями, поскольку комплекс «углекислый газ—рибулозодифосфат» расщепляется на две молекулы меньшего размера, каждая из которых состоит из трех атомов углерода. У некоторых растений (например, у кукурузы и сахарного тростника, а также у многих тропических трав, включая ползучий сорняк) цикл осуществляется по-другому. Дело в том, что углекислый газ в норме проникает через отверстия в поверхности листа, называемые устьицами. При высоких температурах устьица закрываются, защищая растение от чрезмерной потери влаги. В С3-растения при закрытых устьицах прекращается и поступление углекислого газа, что приводит к замедлению фотосинтеза и изменению фотосинтетических реакций. В случае же кукурузы углекислый газ присоединяется к трехуглеродной молекуле на поверхности листа, затем переносится во внутренние участки листа, где углекислый газ высвобождается и начинается цикл Калвина. Благодаря этому довольно сложному процессу фотосинтез у кукурузы осуществляется даже в очень жаркую, сухую погоду. Растения, в которых происходит такой процесс, мы называем С4-рас-тениями, поскольку углекислый газ в начале цикла транспортируется в составе четырехуглеродной молекулы. С3-растения — это в основном растения умеренного климата, а С4-растения в основном произрастают в тропиках.

МЕЛБИН КАЛВИН (Melvin Calvin, 1911-97) — американский биолог. Родился в г. Сент-Пол, штат Миннесота, в семье выходцев из России. В 1931 году получил степень бакалавра в области химии в Мичиганском колледже горного дела и технологии, а в 1935 году — степень доктора химии в университете штата Миннесота. Двумя годами позже Калвин начал работать в Калифорнийском университете в Беркли и в
1948 году стал профессором; за год до этого был назначен директором отдела биоорганики в Радиационной лаборатории Лоренса в Беркли, где использовал технологические достижения военных исследований времен Второй мировой войны, например новые методы хроматографии, для изучения темновой фазы фотосинтеза. В 1961 году Калвин был удостоен Нобелевской премии в области химии.

Фотоэлектрический эффект
Под воздействием фотонов металл может испускать электроны строго определенных энергий
•
•
1899

АТОМНАЯ ТЕОРИЯ ОТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА
1900
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
1913

ПОСТОЯННАЯ ПЛАНКА
1925
АТОМ БОРА
1926

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

ПОЛОСНАЯ ТЕОРИЯ
ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ
ПРОВОДИМОСТИ

Выбивание светом электронов с поверхности токопроводящих материалов — явление, широко используемое сегодня в повседневной жизни. Например, некоторые системы сигнализации работают за счет передачи видимых или инфракрасных световых лучей на фотоэлектрический элемент, из которого выбиваются электроны, обеспечивающие электропроводность цепи, в которую он включен. Если на пути светового луча появляется препятствие, свет на датчик поступать перестает, поток электронов прекращается, цепь разрывается — и срабатывает электронная сигнализация.
Это явление, получившее название фотоэлектрического эффекта, или кратко фотоэффекта, было открыто в конце XIX столетия и сразу поставило целый ряд фундаментальных вопросов, поскольку ничего из того, что было известно ученым о строении металлов или природе света, фотоэффекта не объясняло. Нельзя сказать, что классическая теория запрещала бы свету выбивать электроны из металла. Электромагнитные волны по идее могли «вымывать» электроны из металла подобно тому, как морские волны выносят на поверхность и постепенно прибивают к берегу легкие пробковые крошки. Однако проблема состояла в том, что столь простым объяснением в случае фотоэффекта ограничиться было невозможно. Во-первых, электроны появлялись практически мгновенно после начала облучения. Во-вторых, фотоэффект, как оказалось, возникал даже под воздействием самых слабых световых лучей, причем по мере повышения интенсивности облучения энергия высвобождаемых электронов не изменялась. И то и другое вступало в явное противоречие с классической картиной взаимодействия света с электронами.
Проблему в конце концов удалось решить в начале ХХ века Альберту Эйнштейну, причем сделанные им выводы дали мощный толчок развитию КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ. Незадолго до этого Макс Планк показал, что ИЗЛУЧЕНИЕ ЧЕРНОГО ТЕЛА можно адекватно описать, приняв за допущение, что атомы излучают и поглощают свет фиксированными энергетическими порциями — квантами. Он полагал, что этот феномен каким-то образом обусловлен внутренним строением атомов, но отнюдь не природой света. Однако Эйнштейн воспринял идею Планка гораздо серьезнее и постулировал, что сам свет распространяется дискретными пучками энергии, которые он назвал фотонами. иногда фотоны ведут себя подобно частицам, иногда — подобно волнам (см. ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ). В частности, при взаимодействии с электроном фотон может вести себя как частица и буквально выбивать электрон из атома (это соударение фотона с атомом можно уподобить столкновению двух бильярдных шаров). Причем для выбивания электрона при таком соударении достаточно единственного фотона. Далее, повышение интенсивности света приводит к увеличению числа фотонов (и, следовательно,

числа выбитых электронов), но не энергии отдельно взятого фотона. Следовательно, и энергия, и скорость отдельно взятого выбитого фотоэлектрона не зависят от интенсивности света — но только от его частоты.
Рассуждая таким образом, Эйнштейн вывел следующее простое уравнение для описание энергии фотоэлектронов:
Е = ИУ - ф,
где У — частота падающего света, И — ПОСТОЯННАЯ ПЛАНКА, а ф — так называемая «работа выхода», то есть минимальная энергия, необходимая для того, чтобы выбить электрон из атома металла.

Химические связи
Атомы могут присоединяться друг к другу, либо отдавая и принимая электроны, либо делясь парами электронов с соседними атомами, либо делясь электронами со многими другими атомами, либо благодаря эффекту поляризации

1854 • КАТАЛИЗАТОРЫ И ФЕРМЕНТЫ

1887 • КИСЛОТЫ
•
1919
И ОСНОВАНИЯ

ПРАВИЛО ОКТЕТА
1930-е

кон. • ТЕОРИЯ 1920-х МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ

ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ

Электроны в атоме занимают ряд вложенных слоев (см. АТОМ БОРА), при этом воздействию другого атома могут подвергаться, как правило, только электроны, находящиеся во внешнем слое (он называется валентным слоем). Когда электроны в двух атомах выстраиваются так, что возникает сила, удерживающая вместе эти два атома, мы говорим, что образуется химическая связь. Различают несколько видов химической связи.

Ионная связь
Когда внешние электронные слои полностью заполнены, общая энергия атомов понижается. Например, атом натрия, имеющий на внешнем слое один электрон, охотно отдает этот электрон. И наоборот, атом хлора, которому не хватает одного электрона для заполнения внешнего слоя, стремится присоединить электрон для завершения уровня. Когда атомы натрия и хлора оказываются рядом, натрий отдает электрон, а хлор его принимает. При этом атом натрия, потеряв отрицательный заряд, становится положительно заряженным ионом натрия, а атом хлора, получив дополнительный электрон, становится отрицательно заряженным ионом хлора. По ЗАКОНУ КУЛОНА между двумя ионами возникает электростатическое притяжение, приводящее к образованию химической связи, которая и удерживает атомы вместе (см. также ПРАВИЛО ОКТЕТА).
С этой реакцией связано одно из чудес химии: бурно реагирующее вещество натрий и сильно ядовитый газ хлор, соединяясь, образуют обычную поваренную соль, широко применяемую в питании.

Ковалентная связь
Некоторые атомы, в основном это касается углерода, образуют связи по-другому. Когда два таких атома достаточно приближаются друг к другу, между ними возникает взаимодействие, которое можно рассматривать как длительный взаимный обмен электронами. Как будто атом бросает один из своих внешних электронов другому атому, затем ловит электрон другого атома и снова бросает его обратно в бесконечной игре в мяч. В соответствии с законами КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ такой обмен электронами вызывает силу притяжения, которая и удерживает атомы вместе.
Дело в том, что такой атом, как углерод, имеющий четыре электрона во внешнем слое, может дополнить этот валентный слой до восьми электронов, образуя ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Поэтому атомы углерода способны образовывать молекулы с длинными цепями, какие мы наблюдаем в биологических системах. Некоторые ученые (и я в том числе) даже утверждают, что вследствие этого свойства атома углерода вся жизнь во Вселенной, как и жизнь на Земле, должна быть углеродной.

Металлическая связь
В металлах образуется химическая связь еще одного вида. Каждый атом в металле отдает один или два подвижных электрона, как бы делясь этими электронами со всеми соседними атомами металла. Эти квазисвободные электроны образуют что-то вроде желе, в котором располагаются тяжелые положительные ионы металла. Все это напоминает трехмерную пространственную решетку из стеклянных шариков в вязкой патоке — если толкнуть один из таких шариков, он слегка сдвинется, но сохранит свое положение относительно других. Точно так же атомы металла, потревоженные внешним механическим воздействием, останутся связанными друг с другом благодаря «электронному желе» (или «электронному газу»). Вот почему, если ударить по металлу молотком, останется вмятина, но сам кусок металла, скорее всего, не разломится. Именно «электронное желе» делает металлы хорошими проводниками электричества (см. ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ

Химическая связь определяется расположением электронов в атомах по отношению к другим электронам и ядру, а также электростатическим притяжением между положительными и отрицательными зарядами

ПРОВОДИМОСТИ).

Водородная связь
Строго говоря, это не химическая связь в том смысле, в каком мы рассматривали предыдущие три типа связи. Это, скорее, притяжение между отдельными молекулами. Многие молекулы хотя и являются в целом нейтральными (то есть имеют одинаковое коли-



связь

связь

чество отрицательных электронов и положительных протонов в своем ядре), оказываются поляризованными. Это значит, что некоторые части таких молекул имеют суммарный отрицательный заряд, в то время как другие части — положительный. Конечно, суммарный заряд молекулы нейтрален, но положительный и отрицательный заряды распределены неравномерно.
Представим, что полярная молекула, как ее называют, приближается своей отрицательной областью к молекуле-мишени. Электростатическая сила со стороны этой отрицательной области больше, чем со стороны положительной, т.к. положительная область расположена дальше. Эта электростатическая сила вызывает в молекуле-мишени передвижение электронов прочь от точки контакта, тем самым создавая в этом месте молекулы-мишени незначительный положительный заряд. В результате между двумя молекулами возникает сила притяжения и, следовательно, образуется связь.
Самая известная полярная молекула — это молекула воды. Отрицательный заряд собирается вокруг атома кислорода, приводя к образованию слабого положительного заряда около атомов водорода. Благодаря такой поляризации вода является хорошим растворителем. Ее молекулы способны создавать связи более прочные, чем те, которые удерживают молекулы-мишени вместе. Связи, создаваемые посредством положительно заряженных атомов водорода, называются водородными связями. Поскольку молекул водорода очень много в БИОЛОГИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛАХ, водородные связи в них образуются достаточно часто. В частности, именно водородные связи удерживают вместе две спирали молекулы ДНК.