Картина мира, которую начали создавать Галилей и Ньютон, а завершали Фарадей, Максвелл и Эйнштейн, отражала философские воззрения, которые брали начало ещё от древних: природа не делает скачков. Эти представления основывались на непрерывности процессов. Это мнение изменила квантовая теория, согласно которой вещество при излучении испускает энергию конечными порциями — квантами.
Энергия кванта равна 𝜀 = ℎ𝜈, где 𝜈 — частота света (излучения), ℎ — постоянная Планка. Эта величина играет огромную роль в современной физике. Луи де Бройль писал: «День, когда была введена постоянная Планка, остаётся одной из замечательных дат в истории человеческой мысли». С постоянной Планка вошло в науку представление о дискретности энергии в микромире; постоянная Планка оказалась связанной с понятием о строении атома.Каково строение атома? Вам известно, что на основе экспериментальных данных Резерфордом была создана планетарная модель атома. Это была последняя наглядная его модель. В мае 1911 г. физики узнали о том, как выглядит атом, но на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе они об этом промолчали. Предложенная Резерфордом модель была катастрофой для классической физики. Согласно представлениям электродинамики Максвелла, движущийся вокруг ядра электрон должен излучать энергию и поэтому очень быстро упасть на ядро. Получалось, что с признанием модели атома Резерфорда следует пересмотреть классическую электродинамику, которая уже стала основой электромагнитной картины мира. Хотя на Сольвеевском конгрессе не было сказано, что планетарная модель атома не имеет права на существование, Резерфорд понимал, что «его» атом обречён. Тем более радостно было узнать о его спасении.
В марте 1913 г. из Копенгагена Резерфорду пришёл пакет от молодого датского физика Нильса Бора с наброском его первой работы по квантовой теории строения атома. В этой статье Бор писал: «…существование мира постоянно доказывает, что атом — устойчивая система. Значит, электроны, вращаясь вокруг ядра, вопреки Максвеллу — Лоренцу не излучают непрерывно. Так, если это не происходит и они, обессиленные, не падают на ядро, не проще ли предположить, что в атоме есть пути, на которых электроны не растрачивают энергию: стационарные орбиты! Только покидая такую орбиту, электрон начинает излучать…» По существу в этих словах выражено содержание знаменитых постулатов Бора, от которых и началась квантовая механика — новая физика.
Бор считал, что электрон, как и микрочастица в классической физике, движется по определённому пути — о вероятностном характере движения электрона стало известно гораздо позже. Эти пути — стационарные орбиты — Бор определял при помощи главных квантовых чисел. Атом может излучать энергию только тогда, когда электрон перескакивает с одной орбиты на другую, причём эта энергия излучается атомом в виде кванта. Между излучаемой энергией и энергией электрона существует соотношение ℎ𝜈 = 𝐸𝑖 − 𝐸𝑘, где 𝐸𝑖 — энергия электрона на i-й орбите, 𝐸𝑖 — энергия электрона на 𝑘-й орбите, ℎ𝜈 — энергия кванта (ℎ — постоянная Планка, 𝜈 — частота света).
Теория строения атома, созданная Резерфордом и Бором, позволила объяснить многие факты. Например, были объяснены спектральные закономерности, периодичность изменения свойств атомов химических элементов. Но сколько возникло новых вопросов, на которые, как тогда казалось физикам, невозможно было ответить. Эйнштейн писал: «Это было так, точно из-под ног ушла земля и нигде не было видно твёрдой почвы, на которой можно было бы строить…» Действительно, что это за «пути», по которым электроны могут двигаться, не растрачивая энергию. Как электрон «узнаёт», какой квант энергии ему следует излучить при переходе с одного энергетического уровня на другой? Например, электрон переходит с четвёртого энергетического уровня на второй, излучая определённый квант энергии. Но он может перейти и на третий, и на первый энергетический уровень. И тогда он должен излучить энергию, соответствующую этим переходам… Бор не сумел ответить на эти вопросы. Ответ нашли другие физики, правда, для этого пришлось отказаться от прежних представлений о микропроцессах.
Как вы помните, в механической и электромагнитной картинах мира микрочастицы представлялись неизменными, их скорость, координату, энергию можно было определить абсолютно точно в любой заданный момент времени. В современной картине мира совершенно другой взгляд и на сами микрочастицы, и на их поведение.
Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. предложил рассматривать дискретные состояния электрона в атоме как волновые явления. Это давало возможность объяснить, почему электрон при своём движении вокруг ядра не излучает энергию (стоячая волна не излучает и не поглощает энергию). Вскоре была открыта дифракция электронов, что подтвердило наличие у них волновых свойств. Математическое обоснование волновой модели атома дал австрийский физик Эрвин Шрёдингер. Решение составленного им для описания движения микрочастиц уравнения даёт значения величины, известной в физике под названием Ψ-функции или волновой функции. Оказалось, что «пси»-волны — это волны бесплотные, но они могут рассказать о движении электрона. Это движение не подчиняется законам механики Ньютона: если бы мы создали двум электронам абсолютно одинаковые начальные условия, то дальнейшее их движение могло бы быть совершенно различным, чего законы механики не допускают. Поведение элементарных частиц вероятностное, мы не можем по начальным условиям с абсолютной точностью определять их последующее поведение, что было возможно для атомов в механической картине мира или для точечных зарядов в электромагнитной картине мира. Обусловлено это тем, что элементарным частицам присущи свойства корпускулы и волны. Для них невозможно с абсолютной точностью одновременно определить координату и импульс, изменение энергии и интервал времени, на протяжении которого происходит это изменение. И не потому, что мы не обладаем достаточно точными для этой цели приборами, а по той же причине, по которой нельзя построить вечный двигатель: сама природа не позволяет этого сделать. Микрообъект не может иметь одновременно и определённую координату, и определённую соответствующую ей проекцию импульса и определённым образом изменить свою энергию в точно определяемый интервал времени. Например, чем точнее мы определим координату электрона, тем бóльшая неопределённость будет допущена в определении его импульса. При переходе электрона с одного энергетического уровня на другой существует неопределённость в значении его энергии, поэтому нечего задумываться над тем, как электрон «выбирает», какой квант ему следует излучить, чтобы попасть на тот, а не на иной энергетический уровень. У него есть «шанс» оказаться на каждом из возможных энергетических уровней, поведение его не предопределено, оно вероятностное. Соотношения, которые дают возможность увидеть, как связаны между собой неопределённости при определении координаты и импульса микрообъекта, энергии и времени его жизни в рассматриваемом состоянии, введены в 1927 г. В. Гейзенбергом:
Δ𝑝𝑥Δ𝑥 ≳ ℎ; Δ𝐸Δ𝑡 ≳ ℎ
Их называют соотношениями неопределённостей. Как видите, они также связаны с постоянной Планка, фундаментальной постоянной квантовой механики.
С утверждением в науке квантовой механики механическая картина мира получила сокрушительный удар — механистический детерминизм ограничивается снизу (вы помните, что статистические закономерности ограничили его сверху в период начала распада механической картины мира). Теперь оказалось, что не только макроскопические законы, определяющие массовый результат поведения микрочастиц, носят статистический характер, но и законы, определяющие поведение частиц в каждый момент времени и в каждой точке, являются статистическими. Как уже говорилось, такое поведение микрообъектов обусловлено тем, что они обладают корпускулярными и волновыми свойствами. Борьба идей дискретности и непрерывности материи, которая велась на протяжении всего развития науки, завершилась слиянием обеих идей в представлении о свойствах элементарных частиц.
В механической и электромагнитной картинах мира элементарным понятием было движение себе тождественной частицы. В механической картине мира такой частицей был атом, в электромагнитной на роль «абсолютных атомов» (неделимых и неизменных частиц, из которых состоит всё сущее) претендовали электрон и протон. Но открытие нейтрона в 1932 г. привело к выводу, что в ядре атома нет электронов и, значит, они образуются в результате распада нейтрона. Позитроны, открытые в космических лучах, дали возможность наблюдать такие удивительные процессы, как превращение электрон-позитронной пары в фотоны или, наоборот, превращение фотона большой энергии в электрон-позитронную пару.
Эксперименты в области физики высоких энергий изменили представление о мире… Начиная от Демокрита, атомисты объясняли бесконечное разнообразие вещей соединением и разъединением их частей, в этих процессах конечными и неделимыми частицами представлялись атомы. В их вечности и сохранении их числа усматривались доказательства вечности мира. А в чём же мы видим опору для понимания несотворимости и неуничтожимости мира? Можем ли мы элементарные частицы считать «конечными частицами» материи аналогично тому, как атомисты представляли вечные и неделимые атомы? Чтобы ответить на этот вопрос, подумаем, чем отличается понятие делимости в классической и современной физике.
Представим себе мысленный эксперимент, в котором моделью «конечной частицы» материи служит тарелка. Возьмём две тарелки из синтетического материала и ударим одну о другую. С точки зрения классической физики возможны два случая:
тарелки останутся целыми, тогда они «неделимы»;
тарелки разлетятся на кусочки, сложим их — форма тарелок восстановится; масса кусочков равна массе исходной тарелки. Тарелка «делима».
Если бы набор посуды имел свойства элементарных частиц, мы наблюдали бы нечто совершенно иное. Представим себе, что мы ударяем одну тарелку о другую. И ничего не происходит. Ударяем их с большей силой, и вот результат: у нас в руках оказываются две тарелки и одна чашка! Можно ли их считать осколками двух тарелок? Конечно, нет… Эти образовавшиеся «элементарные частицы» имеют также статус элементарных частиц, как и исходные. Интересно, что масса образовавшихся частиц не обязательно равна массе исходных: она может быть как больше их массы, так и меньше, в зависимости от условий, в которых происходило взаимодействие.
Неделимость частиц мы понимаем теперь диалектически и на основе этого понимания проводим границу между «элементарным» и «сложным». Например, атом мы считаем сложной системой, потому что электроны и ядро можно считать осколками атома, масса их не намного отличается от массы атома. Элементарные же частицы — это более или менее стабильные образования материи, которые не делятся на осколки. Основное свойство элементарных частиц — взаимопревращаемость. Мы не называем их «конечными частицами» материи и не пытаемся найти «конечные частицы». Чем глубже мы продвигаемся в направлении увеличения концентрации энергии, тем дальше от нас отодвигается мираж конечных сущностей, «исходных кирпичиков мироздания».
«Элементарные» частицы… Термин «частица» в предыдущих научных картинах мира ассоциировался с представлением о материальной точке, маленьком шарике, «песчинке». Чтобы понять, что означает этот термин в современной научной картине мира, надо вначале выяснить, что такое поле и что такое квант поля. В современной картине мира элементарная частица — это простейший элемент данного поля, или просто «квант данного поля». Объяснить, что такое поле, тоже не просто. Но смысл этого понятия станет яснее, если мы прибегнем к такому сравнению: поля современной физики можно сравнить со стихиями в картине мира древних мыслителей. Если они считали фундаментальными сущностями четыре стихии (землю, воду, воздух, огонь), то современная физика пытается раскрыть всё содержание реального мира через проявление четырёх видов взаимодействий (рис. 30).
Сильное взаимодействие (рис. 30, а) обеспечивает связь нуклонов в атомных ядрах. Ядерные силы действуют только на малых расстояниях (10-15 м).
Электромагнитное взаимодействие (рис. 30, б) связывает электроны в атомах и атомы в молекулах. Интенсивность его примерно в 100 раз меньше, чем сильного, но оно действует на любых расстояниях.
Слабому взаимодействию (рис. 30, в) подвержены все элементарные частицы, кроме фотона. Оно ответственно за распады некоторых частиц и за процессы с участием нейтрино. Его интенсивность составляет лишь 10-14 от интенсивности сильного взаимодействия.
Гравитационное взаимодействие (рис. 30, г) наиболее слабое. Его интенсивность составляет 10-43 от интенсивности электромагнитного взаимодействия. Оно действует между всеми материальными объектами.
Таковы в общих чертах современные представления о взаимодействиях в природе. Свести все разнообразные силы к единой основе, к чему стремилось человеческое знание на протяжении всего развития науки, современной физике пока не удалось.
Однако начало созданию единой теории всех сил природы положено. Электромагнитные и слабые взаимодействия уже включены в рамки единой теории.
К началу 30-х гг. XX в. у физиков благодаря успехам квантовой механики появилось ощущение такого могущества, что они обратились к самой жизни. В генетике оказалось много созвучного с квантовой механикой. Биологи обнаружили дискретную неделимую частицу — ген, которая может переходить из одного состояния в другое. Изменения в конфигурации генов, связанные с изменениями хромосом, что и обусловливает мутации, оказалось возможным объяснить на основе квантовых представлений. Одним из основоположников молекулярной биологии, получившим Нобелевскую премию за исследования в области мутационного процесса у бактерий и бактериофагов, был немецкий физик-теоретик М. Дельбрюк.
В 1944 г. вышла небольшая по объёму книга Э. Шрёдингера «Что такое жизнь?». В ней давалось ясное и сжатое изложение основ генетики, раскрывалась связь генетики с квантовой механикой. Книга известного физика послужила важным толчком к штурму гена физиками. Благодаря работам американских физиков Уотсона, Крика, Уилкинса мы узнали, как «устроена» самая основная «живая» молекула — ДНК. Увидеть её позволил рентгеноструктурный анализ.
Мы говорили о роли квантовых представлений в утверждении в научном объяснении мира понятия о всеобщей взаимосвязи и взаимообусловленности явлений на микро-уровне. А как же обстоит дело на макроуровне? Такая связь тоже установлена. Синтезом знаний об окружающем мире мы обязаны выдающемуся советскому учёному Владимиру Ивановичу Вернадскому.
В. И. Вернадский по праву считается во всём мире лидером естествознания XX в. Им создано учение о биосфере — одно из крупнейших философских обобщений в области естественных наук. Творчество В. И. Вернадского знаменует собой поворот в истории естествознания от процесса дифференциации наук к их синтезу, интеграции. Учение о биосфере впитало в себя новейшие достижения научной мысли и стало фундаментом для новых исследований и открытий. В этом учении нашли отражение идеи Дарвина об эволюции видов, идеи Эйнштейна о единстве пространства, времени и материи, связь периодического закона с закономерностями биологической миграции атомов, идеи квантовой механики об отличии в характере движения макрообъектов и микрообъектов. Биологи называют Вернадского биологом и ставят его в один ряд с Дарвином и Павловым, географы называют его создателем современной географии, геологи — создателем геологии… Практические работы в области агрохимии, биохимии, физиологии в настоящее время могут быть правильно истолкованы только в свете идей Вернадского. Казалось, для Вернадского не существовало деления науки на отдельные отрасли. Он полагал, что дробление её на отдельные дисциплины — процесс относительный, хотя и необходимый в развитии науки: он разлагает сложную задачу на более простые, их решением занимаются отдельные отрасли. Высшая же задача науки — создание и развитие научного мировоззрения, построение единой картины мира. Единство научного знания абсолютно и непреходяще. Каждый человек должен быть знаком с общими выводами науки, должен уметь связывать их и применять общие выводы в практической жизни, для развития отрасли науки, им излюбленной.
Выше мы говорили о достижениях научной мысли в XX столетии. Они огромны по сравнению с развитием науки в предыдущих веках. Вернадский считает, что этот взрыв научной мысли подготовлен всем прошлым биосферы и имеет глубокие корни в её строении. Знание законов природы и убеждение в их безграничном действии обусловливают оптимистический взгляд учёного на развитие человечества. Послушайте, как современно звучат его слова, сказанные перед второй мировой войной: «Цивилизация культурного человечества — поскольку она является формой организации новой геологической силы, создавшейся в биосфере, — не может прерваться и уничтожиться, так как это есть большое природное явление, отвечающее исторически, вернее геологически, сложившейся организованности биосферы. Образуя ноосферу, она всеми корнями связывается с этой земной оболочкой, чего раньше в истории человечества в сколько-нибудь сравнимой мере не было… Реальная обстановка в наше бурное и кровавое время не может дать развиться и победить силам варваризации, которые сейчас как будто выступают на видное место. Все страхи и рассуждения обывателей… о возможности гибели цивилизации связаны с недооценкой силы и глубины геологического процесса, каким является происходящий ныне, нами переживаемый, переход биосферы в ноосферу» (Мочалов И. И. Владимир Иванович Вернадский. — М.: Наука, 1982, с. 295) (ноосфера — от греч. «ноос» — разум — характеризует новый этап развития биосферы).
Пусть сколько угодно беснуются сторонники нагнетания напряжённости, размахивают ядерным оружием — они вне законов природы. В соответствии с законами природы люди будут развивать науку, увеличивать устойчивость биосферы, множить её красоту.
Каким же был этот выдающийся учёный, человек разносторонних знаний, обладающий большой властью над умами? О ком ещё из учёных можно прочитать такие слова, которые записаны в дневнике Пришвина: «Я всегда чувствовал смутно вне себя эту ритмику мирового дыхания, и потому научная книжка Вернадского «Биосфера»… читалась мною теперь, как в детстве авантюрный роман». А Мариэтта Шагинян рассказывала, что, прочитав при помощи лупы за два дня статью Вернадского «Правизна и левизна», она подумала: «Слепота помогает ценить настоящее и оберегает от ненужного и лишнего».
Нам интересно знать, как сформировался «феномен» Вернадского, может ли он быть повторён.
В детстве Володя очень любил чудесное, фантастическое; он рано начал читать. «Читал много, с жадностью, всё, что попадалось под руку» — так пишет сам о себе Вернадский в «Страницах автобиографии». Выберем несколько строк из этой книги: «Я хорошо писал сочинения, был для своего возраста очень начитан, много самостоятельно думал, интересовался науками историческими, естественноисторическими и философскими… Я любил всегда небо, звёзды… В моей фантазии бродили кометы через бесконечное мировое пространство; падающие звёзды оживлялись; я не мирился с безжизненностью Луны и населял её целым роем существ, созданных моим воображением».
А теперь возьмём книгу Вернадского «Биосфера» и посмотрим хотя бы первую страницу. Первое, что нам бросается в глаза, — эпиграф:
Невозмутимый строй во всём.
Созвучье полное в природе…
Наверное, эти тютчевские строки долго звучали в сознании Вернадского, прежде чем его мысли оформились в учение о биосфере.
Биосфера — это мир, который нас окружает, — леса, луга, озёра, реки, воздух; это природа, в которой мы живём вместе с братьями нашими меньшими, которых около 2 млн. видов. Что же нам дали наши школьные знания по физике, химии, биологии, географии, астрономии, чтобы мы видели, понимали «черты единого связанного механизма в кажущейся хаотической картине природы»?
Мы можем сказать, что биосфера — геологическая оболочка, населённая живыми организмами, открытая саморегулирующаяся система, функционирование которой обусловливается притоком космической (главным образом солнечной) энергии, наличием воды в трёх агрегатных состояниях, широким развитием низкотемпературных реакций, протекающих в водной среде и во многом регулируемых ферментами. Биосфера во внешней части создаёт газовую оболочку, соприкасающуюся с Вселенной, а внутри планеты — оболочки осадочных пород. Да, жидкое и твёрдое топливо, которое мы добываем из недр Земли, кремнистые, железистые, марганцевые и другие породы образовались благодаря дыханию, питанию, жизни и смерти живших когда-то организмов. Они «законсервировали» солнечные лучи, «запасли» для нас полезные ископаемые. Вследствие жизнедеятельности организмов происходит непрерывный круговорот в биосфере, только лишь некоторые вещества выпадают из него в осадочные породы, образуя так называемые «былые биосферы».
Каковы функции различных видов организмов в этом гигантском круговороте веществ?
Растения при помощи солнечной энергии создают органические вещества — «строительный материал» — для всех живых веществ. Их биосферная функция конструктивная. Грибы разлагают отмершие организмы и подготавливают вещества для использования их снова живыми организмами.
А какова функция животных? Зачем птицы, рыбы, звери и мы с вами? Зачем их так много — 1,3 млн. видов? А кто же будет расселять растения, регулировать их численность, перемещать живое вещество против направления стока, завоёвывать всё новые и новые области для жизни? В небесах, океанах, в пустынях, на полярных полюсах…
Без животных жизнь не отошла бы от водоёмов. Многоклеточные животные — это транспорт биосферы, её «регулирующее и оздоровительное устройство». Среди них нет никого лишнего или незначительного: биосфера — тонко сбалансированная система.
Сравним процессы в неживой природе, которые мы рассматривали в предыдущих главах книги, с процессами, связанными с жизнедеятельностью живого вещества в биосфере.
В неживой природе каждая замкнутая система сама по себе приходит в равновесное состояние: реки текут к морю, камни скатываются с гор, выравниваются вследствие диффузии концентрации веществ и т. д. Равновесное состояние макросистемы — это прекращение в ней макропроцессов.
Живые организмы «выводят из равновесия» не-живую природу. Они способны выполнять работу против силы тяжести, переносить вещество против направления стока; между средой и каждым организмом происходит непрерывный обмен веществ, и поэтому в каждый данный момент времени различные точки среды вследствие присутствия в ней организма отличаются друг от друга по физико-химическому составу, диффузия не может устранить это отличие, пока в среде существует живой организм.
Только живые организмы способны улавливать рассеянную в окружающем пространстве энергию электромагнитного поля, «консервировать» её в виде внутренней энергии веществ. Если в неживой природе непрерывно происходит процесс диффузии — выравнивания концентраций веществ, то живое вещество способно концентрировать элементы из весьма разбавленных растворов. Например, концентрация урана в гуано, накопленном на океанском побережье Перу, в 10 тыс. раз выше, чем в морской воде.
Живое вещество постоянно нарушает равновесие, которое без него установилось бы в природе. Насколько замедлилось бы движение материи, если бы наша планета стала безжизненной! Если мы теперь вспомним выражение из учебника обществоведения о том, что движение — способ существования материи, то поймём мысль Вернадского о закономерном возникновении жизни, о том, что это космический процесс. Мы вспомним и о том, что в живом веществе реакции идут в тысячи, а иногда и в миллионы раз быстрее, чем в неживой природе… Движение — способ существования материи…
Мы поймём, почему живое вещество везде, где только существуют физико-химические условия для жизни, упорно завоёвывает всё новые и новые области для своего бытия. Главные из таких условий — наличие влаги, обеспечивающей нормальный ход ферментативных процессов; благоприятный температурный режим (при слишком высоких температурах будет свёртываться белок, а при низких прекратится работа ферментов); достаточное количество кислорода и углекислого газа.
Первопроходцами при завоевании жизненных пространств являются прокариоты — самые примитивные организмы — у них даже нет ядра. Они могут существовать без кислорода в атмосфере и без азота в почве, а также при отрицательных температурах. Прокариоты подготавливают почву для более развитых организмов. Почему же, если они так жизнеспособны, в процессе эволюции возникли более сложные и более «нежные» организмы? Наверное, потому что последние в большей мере, чем простейшие, способствуют миграции атомов в биосфере, увеличению скорости обмена веществ в ней.
Так, появление скелетных форм водных беспозвоночных усилило миграцию атомов кальция, а скелета позвоночных — миграцию атомов фосфора и т. д. Ферменты резко усилили скорость химических реакций в живом веществе, но чем интенсивнее происходят ре-акции в живом веществе, тем интенсивнее миграция (передвижение) атомов в биосфере и тем быстрее и в большем количестве усваивается энергия, поступающая из космоса. Эволюция биосферы происходила в направлении увеличения её «КПД» — степени усвоения космической энергии и превращения её в другие виды. Особенно он увеличился благодаря появлению человека. А как возросла при этом миграция атомов! Если в глубокой древности человек добывал 19 элементов, то в настоящее время он получает в свободном состоянии все химические элементы. Он разлагает устойчивые соединения, добывает уголь, создаёт металлы и неведомые природе соединения… Он преобразует лик планеты…
Как он прекрасен, лик нашей колыбели! Эта красота создаётся разнообразием живой природы. Деревья, травы, птицы и звери, рыбы и насекомые… Французский энтомолог Жан Фабр прожил долгую жизнь — 92 года, но и этой жизни ему не хватило, чтобы увидеть всех насекомых…
Зачем биосфере такое многообразие? Саморегулирующейся системе оно необходимо. Чем больше её внутреннее разнообразие, тем больше её устойчивость для блокирования внешних и внутренних возмущений.
Почему же возникло это удивительное разнообразие живых существ в биосфере? Оно во многом обусловлено разнообразием природных и климатических условий в различных областях географической оболочки Земли. Климат в переводе с греческого означает наклон. Уже древним грекам было известно, что система устойчивых физических закономерностей в земной атмосфере, обусловливающих характерные для данной местности и повторяющиеся из года в год определённые типы погоды, зависит от угла падения (наклона) солнечных лучей на земную поверхность. Разнообразие природных условий нашей планеты во многом обусловливается её шарообразной формой и наклоном оси вращения Земли к плоскости земной орбиты, потому что от этих факторов зависит угол падения солнечных лучей на земную поверхность при положениях Земли в различных точках её орбиты. На природные условия влияет также и геологический фактор.
Рельеф Земли не остаётся постоянным. Горообразование, наступление моря на сушу и его обратное движение, извержение вулканов — этими событиями полна история Земли. Интересно, что интенсивность тектонических процессов, изменение климата Земли связаны с движением Земли в Галактике. С ним же связаны и этапы в развитии органического мира, поскольку эволюция в живой природе зависит от изменения структуры рельефа планеты и её климата.
Орбита Солнечной системы в Галактике имеет форму эллипса. Согласно второму закону Кеплера небесные тела по эллиптическим орбитам движутся неравномерно. Скорость движения Солнечной системы в наиболее удалённых друг от друга точках орбиты вокруг центра Галактики изменяется приблизительно на ± 90 км/с. Из закона взаимосвязи массы и энергии Эйнштейна нам известно, что изменение скорости тела приводит к изменению его массы. Вследствие изменения массы Земли изменяется сила тяжести и перераспределяется внутри Земли в течение космического года — времени обращения Солнца вокруг центра Галактики. Перераспределение силы тяжести внутри тела планеты от максимального значения через минимальное и снова к максимальному вызывает перемещение вещества, которое обусловливает горообразование, излияние лавы — тектоническую деятельность планеты. Это объяснение, конечно только в общих чертах может дать представление о том, почему изменение рельефа Земли, эволюция видов в биосфере зависят от движения Земли в пространстве и времени.
Многообразие живых существ обусловлено не только разнообразием внешней среды, но и многообразием структуры живого вещества на молекулярном уровне. Если мы обратимся к поэлементному анализу живого вещества, то придём к выводу, что самым важным элементом на Земле в этом смысле является углерод. Не потому, что его много в земной коре — его всего лишь 0,055%, — а потому, что он необходим для жизни. Все биологически функциональные вещества, за исключением воды и некоторых солей, содержат углерод: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, гормоны, витамины, порфирины. Бесконечное число соединений углерода обусловлено тем, что его атомы благодаря их строению способны соединяться друг с другом ординарными, двойными, тройными связями, образуя какие угодно сложные фигуры. Эти соединения не могут существовать при температурах более высоких по сравнению с земными, а при более низких они не смогли бы образовываться. Кроме углерода, молекулы живого вещества содержат водород, кислород и азот. Самые главные «живые» молекулы — белки — построены в основном из этих четырёх элементов. В состав многих белков входят также атомы серы, есть белки, в состав которых входят атомы железа. Каждый организм содержит огромное число различных белков; причём каждому виду присущи свои особенные, свойственные только ему белки.
Мы назвали только несколько «главных» элементов, которые входят в состав молекул живого вещества. Известно, что из 109 элементов таблицы Менделеева в клетках обнаружено их около 60. Каждый из них необходим для нормальной жизнедеятельности организма. Где и как образовались известные в настоящее время элементы? На первую часть вопроса мы можем ответить более или менее точно: они образовались во Вселенной. А вот как? Чтобы ответить на этот вопрос, надо знать, как возникла Солнечная система. А на этот счёт пока имеются только гипотезы.
Атомы элементов, по-видимому, стали образовываться во время звёздной стадии развития материи. В зарождающейся звезде вследствие её сжатия температура повысилась до 107 К, при этих условиях происходит взаимодействие ядер водорода, в результате чего из четырёх протонов образуется ядро гелия. Этот процесс приводит к дальнейшему повышению температуры звезды. Возросшее давление расширяющегося газа останавливает сжатие звезды. Благодаря высокой температуре в недрах звёзд создаются условия для образования из трёх ядер гелия ядра углерода. Углерод, соединяясь с ядрами гелия, водорода или нейтронами, возникающими при реакциях ядерного взаимодействия, образует ещё более тяжёлые ядра. Наиболее устойчивыми являются ядра, близкие по массе к ядру железа. Ядра наиболее тяжёлых элементов появились незадолго до образования планет.
Ученые допускают, что ядерная эволюция вещества Солнца и вещества планет шла одним путём до определённого этапа развития, который наступил примерно 4,6 млрд. лет назад. В этот период массивная звезда, прародительница Солнечной системы, разделилась на первичное Солнце и околосолнечное вещество. Вокруг Солнца, в пространстве, близком к плоскости экватора, возникла дискообразная газовая туманность. Её охлаждение сопровождалось процессами, приведшими к образованию различных соединений.
Формирование планет происходило как бы в два этапа. На первом этапе произошло охлаждение газового облака и конденсация его вещества в капли и частицы — возникла газопылевая туманность. Так как её участки, удалённые от Солнца на разные расстояния, остывали по-разному, то она приобрела химическую неоднородность, отразившуюся на со-ставе планет. Вблизи Солнца протопланетное вещество остывало медленно, дальше от него быстрее. Поэтому вблизи Солнца первыми конденсировались наиболее тугоплавкие вещества. В интервале температур 1300 — 1200 К происходила конденсация железа и никеля, при дальнейшем остывании облака начинали конденсироваться силикаты марганца и соединения серы, затем олово, серебро, позже — соли свинца и оксиды железа. Когда температура облака стала почти такой, какую имеет Земля в настоящее время, стали конденсироваться более крупные молекулы, вода. Лёгкие газы были отброшены солнечным светом в краевые части туманности, где образовались внешние планеты, имеющие мощные атмосферы, состоящие в основном из водорода и гелия.
То, что космическое вещество находилось в дисперсном состоянии, имело большое значение для протекания различных химических реакций, для образования разнородных химических соединений. На поверхности космических пылинок протекали химические, фотохимические, радиационно-химические процессы; пылинки становились носителями элементов и их соединений, последние вошли в состав молодых планет.
Протопланетное облако, медленно вращаясь, делалось всё более плоским, плотность его вещества увеличивалась, и вследствие механической неустойчивости облако разделилось на группы тел размером около 10 км, называемых микропланетами. Микропланеты в результате повторяющихся столкновений друг с другом сливались, разрастаясь до планет. Так начался второй этап образования планет.
Внутренние планеты создавались преимущественно из вещества, обогащённого железом, они имеют массивные металлические ядра. Можно предположить, что объединение железоникелевых частиц, давших начало ядрам внутренних планет, началось раньше, чем частиц, состоящих из других веществ, так как в сильном магнитном поле первичного Солнца они должны были сильно намагничиваться и притягиваться друг к другу.
Итак, учёные допускают, что вначале образовалось металлическое ядро нашей планеты, затем на него осаждались силикаты и другие химические соединения, далее — гидратированные силикаты и более летучие вещества.
При значительном увеличении массы начинают проявляться химические свойства планетного вещества. Образование воды в недрах планеты и контакт её с другими соединениями первичного вещества приводит к процессам гидролиза, которые ведут к образованию новых веществ минерального происхождения: аммиака, метана, оксида углерода (IV) и др. Недра остывающей новорождённой планеты начинают разогреваться вследствие выделения энергии при распаде радиоактивных элементов, что приводит к избирательному плавлению вещества планеты, которое утрачивает свою однородность.
В планете образуются зоны и сферы: металлы образуют ядро, оксиды металлов — мантию и кору, вода — гидросферу, метан, аммиак, оксид углерода (IV) — атмосферу.
Земля предстаёт перед нами, на 70,8% покрытая морями и океанами, 29,2% её поверхности занимает суша. Возникшее распределение материков и океанов сохранилось в разные геологические эпохи, при этом материки не погружались, а перемещались. Почему площадь поверхности воды на нашей планете больше, чем суши? Наверное, при таком соотношении эти структуры уравновешивают друг друга. Материки и океаны расположены так не случайно, в условиях вращения такое расположение диктовалось законом всемирного тяготения. «Лик» же планеты во многом определяется жизнью. Страшно даже представить нашу планету безжизненной. Жизнь на протяжении миллионов лет создавала всю ту красоту, которую мы привыкли считать естественной. Так, для нас естественно дышать чистым воздухом, мы задыхаемся в загазованной среде и только тогда вспоминаем, что вокруг нас воздух. А ведь атмосфера стала приемлемой для жизни в процессе жизнедеятельности организмов и сейчас ими же регулируется её состав. Они же создали озоновый экран, поглощающий губительные для жизни ультрафиолетовые лучи. Жизнь «регулирует» солевой состав воды в морях и океанах. Так, реки в Мировой океан ежегодно приносят 1,5 млн. т карбоната кальция, но живые организмы используют эти карбонаты для построения скелетов, которые после их смерти осаждаются на дно.
Для того чтобы так продолжалось всегда, почва, океан должны быть живыми. Мы же всё чаще слышим слово «загрязнение», оно как синоним смерти. Кто загрязняет? Против кого поднимают голос миллиарды жителей Земли? Ведь человек в своей деятельности всегда должен стремиться к лучшему. Но, к сожалению, часто не зная законов природы или не соблюдая их, он обращает свою деятельность во зло. Одно из таких зол — загрязнение морей и океанов. Начинается оно с отравления рек, сброса в них промышленных сточных вод. Потребление воды растёт бурными темпами. Когда люди носили воду из колодцев, на человека расходовалось 12 — 30 л воды в сутки, сейчас же расходуется 150 — 200 л ежедневно. Промышленность же вообще ненасытна. Так, для промывки 1 т синтетических волокон необходимо 2500 — 3500 т воды. Использованная вода возвращается в реки и озёра загрязнённой, мёртвые реки вливаются в океан и убивают всё живое в нём. Кроме того, в моря и океаны сбрасываются отходы грузовых судов, выливается нефть при авариях танкеров. А ведь согласно законам природы человек должен усиливать устойчивость биосферы своей деятельностью.
Чтобы жить в согласии с природой (а только такая жизнь и может быть счастливой, потому что она проходит без внутреннего разлада человека с самим собой), человек должен подчиняться единым и неизбежным для всей природы законам. Согласно им наши органы чувств, наше сознание от каждого объекта окружающего мира, от каждого живого существа получают какие-то сигналы; существует и обратная связь. Прибегнув к образному языку, можно сказать, что от всех окружающих нас живых существ доходит весть о том, что в этом мире все друг с другом связаны, что нельзя, причинив вред кому-то, не причинить вреда всему живому, в том числе и себе. Наверное, это и есть наша совесть. Это она заставляет нас приютить бездомного котёнка или щенка, это она в удивлении останавливает нас перед травой, пробивающейся сквозь асфальт… Она тянет нас к родным местам…. Она же руководит туземцем из племени кенийских кикуйю, когда благословение сына он заканчивает словами: «Будь любим живущим». Она помогла Паскалю прийти к выводу, что «все тела, небесная твердь, звёзды, земля и её царства не стоят самого ничтожного из умов, ибо он знает всё это и самого себя, а тела не знают ничего. Но все тела, вместе взятые, и все умы, вместе взятые, и всё, что они сотворили, не стоят единого порыва милосердия — это явление несравненно более высокого порядка». О ней Пушкин сказал прекрасные слова: «Жалок тот, в ком совесть не чиста».
Но почему же всё-таки есть бессовестные люди? Человеческим обществом управляют статистические законы, формирование отдельной личности зависит от многих случайных событий; закон, по которому живёт общество, в каждый момент времени не управляет судьбой отдельного индивидуума. Но наше социалистическое общество стремится поднять до уровня нравственного идеала каждого своего члена. Вы иногда видите, как воспитывают учителя «трудных» детей. Учитель обращается к такому ученику, как к глухому или слепому. Вам даже может показаться, что учитель уж слишком с ним возится, но он так не считает. Если вдуматься — этот ученик отделён от окружающего нас мира более плотной стеной, чем люди, лишённые слуха и зрения, — к нему не доходит весть из окружающего мира. Такой человек способен причинить зло. И поэтому учитель, спасая его от него же самого, действуя словом, «просверливает в стене», отделяющей его от мира, «ходы» и верит, что можно пробудить у него совесть. А если это произойдёт не сразу, что же — ведь жизнь кончается не завтра. Учитель терпелив, это необходимо в его профессии. Многими своими качествами, чувствами, чертами характера, которые и делают тебя личностью, ты обязан учителю.
Одним из таких чувств, определяющих сущность отношения человека к миру, является чувство Родины. Учитель тебе рассказал, как прекрасна и могущественна та страна, в которой ты живёшь. Ты узнал, что самые замечательные песни, музыка, стихи родились благодаря чувству Родины и они о Родине. Поэт отличается от всех остальных людей тем, что он в большей мере, чем они, связан с окружающим миром. Он так глубоко чувствует, ощущает окружающий мир, что в одной фразе отражает то, что для своего доказательства требует многословных научных доводов. Так, если бы мы научно попытались объяснить ущербность поведения человека, которому незнакомо чувство Родины, мы бы вспомнили учение Вернадского о биосфере, о том, что человек плотью и мыслью своей связан с той землёй, которая родила его, и если эти связи у него отсутствуют, то он не может быть счастливым. Поэт об этом говорит кратко: «Забудешь край родной — иссушится твой корень» (Павло Тычина). Без Родины ты как сухое дерево, не живущее само и не дающее потомства…
Если уж мы вспомнили о счастье, то поговорим о нём с точки зрения наших знаний о законах природы. «Биосфера» Вернадского была очень близка Пришвину. Может быть, потому то определение счастья, которое он даёт, кажется очень ёмким, если рассматривать человека как часть биосферы: «Счастье — это когда хомут приходится по шее». Не может быть настоящего счастья без любимого дела. Без труда, без работы нет смысла жизни. Действительно, простейшие существа «трудятся» день и ночь, завоёвывая для жизни всё новые пространства; бактерии, грибы, лишайники ведут с горными породами настоящую химическую войну, воздействуя на них растворами кислот, буквально размельчают их, чтобы создать почву для более высокоорганизованных организмов; каждый листик, каждая былинка начинает свою работу с первым лучом Солнца и с последним заканчивает, создавая условия для дыхания и питания организмов на Земле. Неужели же ты, человек, венец эволюции биосферы, можешь жить без труда или даже помыслить об этом? Труд — твоя естественная обязанность и твоё право. Конечно, всегда можно указать на таких «людей», которые умудряются жить за чужой счёт, без всякого труда. Но ведь они только по виду люди. Вспомните жабу и её сынка из сказки Андерсена «Дюймовочка»: «Вот поели, теперь можно и поспать… Вот поспали, теперь можно и поесть…» Неужели нормальный человек выберет себе такую «судьбу»? Вспомните, как мучились превращённые в зверей персонажи сказок — так народ учил, что только человеческой судьбой человек может быть счастлив. А мы прибавим: когда он выполняет свою функцию в согласии с природой — творчески трудится, развивает научную мысль, превращает биосферу в ноосферу. К своему счастью надо тщательно готовиться в детстве — учиться и учиться. Изучать не только любимые предметы — всё, чем ты занимаешься в школе, пригодится тебе. В нашей стране каждый имеет право на образование. Это одно из величайших достижений социалистического общества, оно позволяет каждому его члену строить свою жизнь в согласии с природой. С эволюцией биосферы стремление человека к науке станет такой же физиологической потребностью, как сон, утоление голода или жажды, лишить человека возможности учиться — значит лишить его важнейшей жизненной потребности. Но некоторые нерадивые ученики сами себя лишают её и даже находят этому какое-то оправдание, вроде того, что «грамм здоровья дороже, чем тонна знаний».
Знания никак не могут противоречить здоровью. Человек, увлечённый творческой умственной деятельностью, любимым трудом, обладает большей жизнестойкостью, чем равнодушный ко всему, — ведь первый с точки зрения биосферной функции человека необходим природе и природа должна его как бы сохранять. В связи с этим мне вспоминается один незначительный случай. Как-то мне пришлось ранним утром на окраине Киева ожидать автобус. На остановке мы были вдвоём со стариком, по виду колхозником. Мимо нас то и дело пробегали «бегуны». Провожая очередную группу бегущих «за здоровьем», старик покивал головой: «Главное — иметь цель для души. А она найдёт, как оздоровить тело…» Смысл слов старого человека до меня дошёл по-настоящему, когда я познакомилась с жизнью и идеями В. И. Вернадского.
История науки знает множество примеров, когда цель всей жизни не препятствовала, а, по-видимому, даже способствовала её продолжительности. Так, Вернадский во время гражданской войны заболел туберкулёзом и даже не узнал об этом — туберкулёз залечился сам, врачи только впоследствии обнаружили его следы. Макс Планк жил до 90 лет, хотя ему многое пришлось пережить — первая мировая война унесла его сына и двух дочерей, в 1945 г. за участие в антифашистском заговоре был казнён старший сын.
Где-то я прочитала, что «теория» означает высшее празднество. Может быть, это не точное значение этого слова, мне не удалось найти подтверждения этого перевода, но всё равно кто-то хорошо сказал — «высшее празднество». Тот, кто создал хоть раз какую-то теорию — неважно, чего она касается: решения уравнений, выращивания огурцов или вождения автомобиля, — тот почувствовал себя на празднике, с которым не сравнится никакое застолье. И человек потом всегда будет стремиться к нему.
Наверное, вы слышали выражение «звёздный час». Например, у С. Цвейга есть исторические миниатюры под названием «Звёздные часы человечества». В них речь идёт о моментах наивысшего напряжения творческих или духовных сил лучших представителей человечества. Когда человек в таком состоянии, он чувствует себя сродни звёздам, неотъемлемым звеном единого космического процесса…
Наверное, нам уже пора отдохнуть. Куда бы нам совершить прогулку?
Скажи мне, все дороги исходивший,
Куда теперь ты, странник, держишь путь?
Не замедляя шаг, он поднял посох
И молча мне на небо указал.
Чон Чхоль
Да, под звёздное небо, которое так любил Вернадский… В звёздном свете яркие краски окружающего мира стали однотонными, они не отвлекают нас и мы можем подытожить и вспомнить то, что мы знаем об окружающем нас мире. Представьте, что вас об этом спросил первоклассник. Как бы вы ему ответили? Наверное, воспользовались бы той же картинкой, которую нарисовал своим ученикам Зенон, когда они его спросили, почему он долго думает, прежде чем ответить на вопрос, а им ответ на этот вопрос сразу кажется простым и ясным без долгого обдумывания. Зенон нарисовал на песке две концентрические окружности и сказал: «Окружность меньшего радиуса изображает знания, которые вы имеете, большего — которые я имею. А весь этот песок до самого горизонта можно сравнить со знаниями, которые ещё не известны никому. У вас знаний меньше, но и граница знания и незнания также меньше, поэтому вы меньше сомневаетесь, прежде чем ответить на вопрос…» Вы тоже изобразите первокласснику кругом меньшего диаметра знания, которые есть у вас, кругом большего диаметра — знания, которые имеют учителя и учёные, а вся остальная площадь вокруг будет символом знаний будущих поколений. Пусть первоклассник поймёт, как много надо учиться, чтобы узнать хоть немного о мире…
А всё же, как же развивались знания о мире? Для античных философов мир был подобен целостному организму, за многообразием его проявлений они видели некое упорядоченное начало. Слово «космос», вошедшее в науку того времени, означало «упорядоченность».
В механической картине мира совершенно другие взгляды на Вселенную — она представляется как механическое соединение частей. Законы механики формулируются для изолированных тел или систем (вспомните законы сохранения импульса, энергии, третий закон Ньютона). Наука предполагает существование объекта самого по себе, не испытывающего влияния со стороны остального мира.
Для нашего времени характерно проникновение в науку идеи всеобщей связи явлений. Мир, как и в древние времена, — это единое органическое целое. Только теперь такое представление базируется не на интуиции или наглядных умозаключениях, а на научных теориях. В естествознание чувство единства мира принесли идеи Вернадского, квантовая механика, теория относительности Эйнштейна. Во время утверждения в науке этих идей и теорий А. Л. Чижевский писал: «Теперь мы можем сказать, что в науках о природе идея о единстве и связанности всех явлений в мире и чувство мира как неделимого целого никогда не достигали той ясности и глубины, какой они мало-помалу достигают в наши дни».
