Онтогенез повторяет филогенез

сер. XX ^ ТРИЕДИНЫЙ МОЗГ

В середине ХХ века в умах бытовало довольно своеобразное представление об устройстве мозга. Считалось, что человеческий мозг развивался путем нарастания слоев — подобно кольцам на древесном срезе. Расположенные в самом основании мозга мозжечок и ствол должны были отвечать за основные функции, такие как равновесие и регуляция деятельности внутренних органов. Полагали, что это — «рептильная» часть мозга, наследство наших далеких предков. Находящийся выше средний мозг — средоточие чувства голода, полового возбуждения и т. п. Считалось, что это «слой млекопитающих». А над ним расположена кора головного мозга — область мыслей и высших психических функций, которые и отличают людей от прочих живых существ. Эта схема, известная под названием «триединый мозг», приобрела популярность благодаря Карлу Сагану (Carl Sagan, 1934-96) и его книге «Драконы Эдема» (1977).

В пользу теории триединого мозга говорит многое. Она проста, привлекательна и логична. К сожалению, это представление абсолютно неверно.

Во-первых, мозг человека хоть и отличается от мозга других животных, но не так, как считал Саган. Рыбий мозг отличается от человеческого по форме, но все части у них практически и те же. Мозг рыбы и мозг человека разнятся примерно как два автомобиля — существуют явные различия, но у обоих автомобилей есть колеса, двигатель, тормоза и т. п. Тот факт, что человек обладает большей интеллектуальной мощью, объясняется большими размерами коры у человека, но не тем, что у рыбы ее вовсе нет.

Во-вторых, работа мозга — это очень сложный процесс, который невозможно втиснуть в рамки такой простой модели. Сегодня мы знаем, что мозг состоит из многочисленных узкоспециализированных скоплений клеток и что его функционирование зависит от взаимосвязей этих центров друг с другом. Это понятие нередко передается выражением «общность ума».

На примере зрения рассмотрим, как группы нейронов взаимодействуют друг с другом. Первичная обработка входящего света происходит в сетчатке глаза. Сигналы от светочувствительных клеток направляются к специализированным нейронам (см. распространение нервных импульсов). Одни нейроны приходят в возбуждение, когда к ним поступает сигнал о светлом пятне на темном фоне; другие — когда воспринимают темное пятно на светлом фоне. Сигнал, идущий к мозгу, — это последовательность импульсов, которые представляют зрительный образ в виде последовательности темных и светлых пятен. (На самом деле в сетчатке происходит два вида обработки — одни клетки чувствительны к цвету, другие — к малым различиям в интенсивности света.)

Некоторые нейроны сетчатки связаны (говоря техническим языком, спроецированы на) с определенным участком теменной области мозга, функция которой—быстрое формирование смутной картины поля зрения и осуществление непроизвольной реакции,

 

если в поле зрения что-то происходит. Именно поэтому люди, находящиеся в комнате, автоматически поворачивают головы к двери, когда она открывается. Большинство сигналов от нейронов передаются к зрительной коре в затылочной области мозга. Там сигналы от разных частей сетчатки вновь собираются вместе (посредством процесса, который мы еще до конца не понимаем) в зрительный образ. Каждый нейрон в зрительной коре связан со многими нейронами в сетчатке. Эти корковые нейроны имеют узкую специализацию. Некоторые из них возбуждаются, только если в поле зрения появится горизонтальная линия, другие — только при появлении вертикальной линии и т.д. У этих нейронов есть проекция на другие отделы мозга, поскольку процесс воссоздания образа выходит на все более высокие уровни. Мы знаем, что в мозгу существуют специализированные нейроны, которые, например, будут возбуждаться только при виде звездочки; другие будут возбуждаться только при виде окружности с полоской внутри и т. п. Представление о том, как с помощью этих специализированных нейронов строится зрительный образ, ученые называют проблемой связывания. То есть нам важно понять, каким образом сигналы от нейронов связываются вместе для получения единого образа.

Этот вид специализации нейронов можно объяснить с точки зрения теории эволюции. Например, способность некоторых нервных импульсов от сетчатки напрямую запускать рефлекс, заставляющий нас подробнее оценить движение внешних объектов, давала очевидное преимущество организмам, живущим в недружелюбной окружающей среде. Быстрый взгляд помогал остаться в живых, если это движение исходило от приближающегося хищника.

Наличие такой специализации—еще и причина того, что многие ученые (включая автора) непоколебимо уверены, что мозг — не компьютер. Просто вычислительные машины работают совсем не так, как мозг, и каждая из них подходит для решения определенных задач (см. тест тьюринга). К примеру, даже небольшой компьютер превзойдет любого человека по способности считать и запоминать, но ни один ныне существующий компьютер не способен говорить, как пятилетний ребенок. Компьютер являет собой орудие труда (такое же, как молоток), помогающее людям в достижении их целей, и ничего более.

 

Ударные волны

•

Если объект движется быстрее, чем волны, которые он порождает в среде, он возбуждает расходящийся позади него шлейф ударных волн

УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

Любой объект, двигаясь в материальной среде, возбуждает в ней расходящиеся волны. Самолет, например, воздействует на молекулы воздуха в атмосфере. Из каждой точки пространства, где только что пролетел самолет, начинает во все стороны с равной скоростью расходиться акустическая волна в строгом соответствии с законами распространения волн в воздушной среде. Таким образом, каждая точка траектории движения объекта в среде (в данном случае самолета) становится отдельным источником волны со сферическим фронтом.

При движении самолета на дозвуковых скоростях эти акустические волны распространяются как обычные концентрические круги по воде, и мы слышим привычный гул пролетающего самолета. Если же самолет летит на сверхзвуковой скорости, источник каждой следующей волны оказывается удален по траектории движения самолета на расстояние, превышающее то, которое к этому моменту успел покрыть фронт предыдущей акустической волны. Таким образом, волны уже не расходятся концентрическими кругами, их фронты пересекаются и взаимно усиливаются в результате резонанса, имеющего место на линии, направленной под острым углом назад по отношению к траектории движения. И так происходит непрерывно в процессе всего полета на сверхзвуковой скорости, в результате чего самолет оставляет за собой расходящийся шлейф резонансных волн вдоль конической поверхности, в вершине которой находится самолет. Сила звука в этом коническом фронте значительно превышает обычный шум, издаваемый самолетом в воздухе, а сам этот фронт называется ударной волной. Ударные волны, распространяясь в среде, оказывают резкое, а иногда и разрушительное воздействие на материальные объекты, встречающиеся на их пути. При пролете неподалеку сверхзвукового самолета, когда конический фронт ударной волны дойдет до вас, вы услышите и почувствуете резкий, мощный хлопок, похожий на взрыв, — звуковой удар. Не бойтесь, это не взрыв, а результат резонансного наложения акустических волн: за долю мгновения вы слышите весь суммарный шум, изданный самолетом за достаточно длительный промежуток времени.

Конус фронта ударной волны называется конусом Маха. Угол ф между образующими конуса Маха и его осью (см. рисунок) определяется формулой:

sin ф = u/v,

где u — скорость звука в среде, v — скорость объекта. Отношение скорости движущегося объекта к скорости звука в среде называется числом Маха: M = v/u. (Соответственно, sin ф = 1/M.) Нетрудно видеть, что у самолета, летящего со скоростью звука, М = 1, а при сверхзвуковых скоростях число Маха больше 1.

Ударные волны возникают не только в акустике. Например, если элементарная частица движется в среде со скоростью, превы-

 

шающей скорость распространения света в этой среде, возникает ударная световая волна (см. излучение черенкова). По этому излучению физики сегодня выявляют элементарные частицы и определяют скорость их движения.

 

ЭРНСТ МАХ (Ernst Mach, 1838-1916) — австрийский физик. Родился в Моравии, в Турасе (ныне Туржани, Чехия), образование получил от отца, уделявшего повышенное внимание развитию у сына как теоретических знаний, так и практических навыков. Докторскую степень получил в Венском университете в 1860 году, где начиная с 1895 года и до конца жизни был профессором истории науки. Основное признание

Мах заслужил именно за свои труды в области философии и истории науки, однако немаловажен и его вклад в психологию и физику. Помимо исследования ударных волн ученый сформулировал один из важнейших постулатов теоретической механики, получивший название «принцип Маха» и гласящий, что инерция объекта происходит от его гравитационного взаимодействия с совокупной массой остальной Вселенной.

Универсальные теории

Все силы в природе — это различныепроявления единой объединенной

силы

 

1948 • большой взрыв

1961 • стандартная модель

1968 • теория струн

xxi (?) • УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ТЕОРИИ

В природе действуют четыре фундаментальные силы, и все физические явления происходят в результате взаимодействий между физическими объектами, которые обусловлены одной или несколькими из этих сил. Четыре вида взаимодействий в порядке убывания их силы это:

— сильное взаимодействие, удерживающее кварки в составе адронов и нуклоны в составе атомного ядра;

— электромагнитное взаимодействие между электрическими зарядами и магнитами;

— слабое взаимодействие, которым обусловлены некоторые типы реакций радиоактивного распада;

— гравитационное взаимодействие.

В классической механике Ньютона любая сила — это всего лишь сила притяжения или отталкивания, вызывающая изменение характера движения физического тела. В современных квантовых теориях, однако, понятие силы (трактуемое теперь как взаимодействие между элементарными частицами) интерпретируется несколько иначе. Силовое взаимодействие теперь считается результатом обмена частицей-носителем взаимодействия между двумя взаимодействующими частицами. При таком подходе электромагнитное взаимодействие между, например, двумя электронами обусловлено обменом фотоном между ними, и аналогичным образом обмен другими частицами-посредниками приводит к возникновению трех прочих видов взаимодействий. (Подробнее см.

стандартная модель.)

Более того, характер взаимодействия обусловлен физическими свойствами частиц-носителей. В частности, закон всемирного тяготения ньютона и закон кулона имеют одинаковую математическую формулировку именно потому, что в обоих случаях переносчиками взаимодействия являются частицы, лишенные массы покоя. Слабые взаимодействия проявляются лишь на исключительно малых расстояниях (по сути, лишь внутри атомного ядра), поскольку их носители — калибровочные бозоны — являются очень тяжелыми частицами. Сильные взаимодействия также проявляются лишь на микроскопических расстояниях, но по иной причине: здесь все дело в «пленении кварков» внутри адронов и

фермионов (см. стандартная модель).

Оптимистичные ярлыки «универсальная теория», «теория всего сущего», «теория великого объединения», «окончательная теория» сегодня используются в отношении любой теории, пытающейся объединить все четыре взаимодействия, рассматривая их в качестве различных проявлений некоей единой и великой силы. Если бы это удалось, картина устройства мира упростилась бы до предела. Вся материя состояла бы лишь из кварков и лептонов (см. стандартная модель), и между всеми этими частицами действовали бы силы единой природы. Уравнения, описывающие базовые взаимодействия между ними, были бы столь короткими и

 

ясными, что уместились бы на почтовой открытке, описывая при этом, по сути, основу всех без исключения процессов, наблюдаемых во Вселенной. По словам нобелевского лауреата, американского физика-теоретика Стивена Вайнберга (Steven Weinberg, 19331996) «это была бы глубинная теория, от которой во все стороны стрелами расходилась интерференционная картина устройства мироздания, и более глубоких теоретических основ в дальнейшем не потребовалось бы». Как видно из сплошных сослагательных наклонений в цитате, такой теории до сих пор не существует. Нам остается лишь очертить примерные контуры процесса, который может привести к разработке столь всеобъемлющей теории.

Путь от четырех взаимодействий к одному весьма справедливо называют объединением. Чтобы понять, как оно происходит, представьте себе две пары фигуристов на открытом катке при температуре воздуха несколько ниже 0°С (точка замерзания воды). Одна пара обменивается ведром этилового спирта, который при такой температуре не замерзает и находится в жидком состоянии, а вторая — ведром превратившейся в лед воды. Может показаться, что между ними действуют две силы разной природы — одна передается путем обмена жидкостью, другая — путем обмена твердым телом. Но стоит температуре подняться выше нуля, как вода во втором ведре растает и мы увидим, что на самом деле между фигуристами действовала одна и та же сила, ставшая следствием обмена жидкостью. Нам только казалось, что это были две разные силы.

Аналогичным образом все теории объединения исходят из того, что при достаточно высоких энергиях взаимодействия между частицами (когда они имеют скорость, близкую к предельной скорости света) «лед тает», грань между различными видами взаимодействий стирается, и все силы начинают действовать одинаково. При этом теории предсказывают, что происходит это не одновременно для всех четырех сил, а поэтапно, по мере увеличения энергий взаимодействия.

Самый нижний энергетический порог, при котором может произойти первое слияние сил разных типов, крайне высок, однако находится уже в пределах досягаемости самых современных ускорителей. Энергии частиц на ранней стадии большого взрыва были крайне высоки (см. также ранняя вселенная). В первые 10^-10 с они обеспечивали объединение слабых ядерных и электромагнитных сил в электрослабое взаимодействие. Лишь начиная с этого момента окончательно разделились все четыре известные нам силы. До этого момента существовали всего три фундаментальные силы: сильного, электрослабого и гравитационного взаимодействий.

Следующее объединение происходит при энергиях далеко за пределами достижимых в условиях земных лабораторий — они существовали во Вселенной в первые 10^-35 c ее существования. Начиная с этих энергий, электрослабое взаимодействие объеди

 

няется с сильным. Теории, описывающие процесс такого объединения, называются теориями большого объединения (ТБО). Проверить их на экспериментальных установках невозможно, но они хорошо прогнозируют течение целого ряда процессов, протекающих при более низких энергиях, и это служит косвенным подтверждением их истинности. Однако на уровне ТБО наши возможности в плане проверки универсальных теорий исчерпываются. Далее начинается область теорий суперобъединения (ТСО) или всеобщих теорий — и при одном упоминании о них в глазах у физиков-теоретиков загорается блеск. Непротиворечивая ТСО позволила бы объединить гравитацию с единым сильно-электрослабым взаимодействием, и строение Вселенной получило бы простейшее из возможных объяснений.

 

Униформизм

Земля

сформировалась в ходе процессов, которые

продолжаются и по сей день

 

1666 • ЗАКОН ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НАПЛАСТОВАНИЯ

ГОРНЫХ ПОРОД

1788 • УНИФОРМИЗМ

кон. XVIII • ЦИКЛ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

ок. 1930, • МАССОВЫЕ 1980 ВЫМИРАНИЯ

Одним из главных достижений конца XIX — начала XX в. стало открытие того, что писатель Джон Макфи назвал глубиной веков, — факта огромной древности нашей планеты. Пионером в этих исследованиях стал шотландский ученый Джеймс Геттон. Он показал, что в формировании Земли участвовали многие процессы — эрозия (разрушение пород и почвы под воздействием ветра и воды), осад-конакопление (отложение осадочных пород) и поднятие (процесс образования гор). Геттон утверждал, что нынешний облик Земли можно объяснить воздействием этих процессов в течение длительного периода. Во времена, когда почти все поголовно считали, что прошлое планеты объясняется ее божественным созданием и такими событиями, как Всемирный потоп, эта идея была революционной. Вокруг нее быстро собрались сторонники, а Геттон и его последователи находили все новые и новые доказательства для ее подтверждения. Таким образом, Геттон первым сформулировал известный нам принцип униформизма.

Идеи Геттона влились в строгую и исчерпывающую теорию Чарлза Лайеля. Под девизом «Настоящее — ключ к познанию прошлого» он провозгласил основную идею униформизма: Земля сформировалась под влиянием постоянных геологических факторов, действующих и в современную эпоху. Для примера Лайель измерил на Сицилии толщину излившейся лавы, дабы показать, что гора Этна могла сформироваться в результате накопления этой застывшей лавы. Он также измерил эрозию, вызванную Ниагарским водопадом, и объявил, что настоящее местонахождение водопада можно объяснить постепенным разрушением горных пород под воздействием реки Ниагары.

Учение Лайеля легло в основу всех наук о Земле, опровергая господствующую в то время теорию катастроф, согласно которой Земля образовалась в результате единичных катастрофических событий наподобие Всемирного потопа. Униформизм со временем расширился до границ учения под названием градуализм, в котором считается, что процессы прошлого не только продолжаются в настоящем, но и протекают с той же скоростью. Это пристрастие к градуализму среди европейских ученых было так велико, что когда появились свидетельства существования в прошлом единичных катастрофических событий, это было воспринято с совершенно неоправданным скептицизмом и враждебностью. Например, гипотеза Альвареса, согласно которой массовое вымирание динозавров было вызвано столкновением Земли с астероидом, с трудом находила признание из-за этого предубеждения. (В действительности же такое единичное событие, как столкновение с астероидом, не противоречит униформизму в широком смысле слова — это просто еще одно природное явление.)

Как ни странно звучит, но теперь оказалось, что древнее пугало геологов — Всемирный потоп — на самом деле могло иметь историческую основу: разлив океанических бассейнов после последнего ледникового периода. Кажется, сейчас предубеждение

 

ученых против теории катастроф в значительной мере исчезло, и мы стремимся интерпретировать данные и рассматривать прошлое нашей планеты с точки зрения разрозненных единичных событий вопреки основам градуализма.

 

ДЖЕЙМС ГЕТТОН (Хаттон) (James Hutton, 1726-1797) — шотландский геолог. Родился в семье торговца в Эдинбурге. В те времена Эдинбург представлял собой одну из интеллектуальных столиц Европы, и Геттон встречался в обществе с такими людьми, как Адам Смит (основатель политической экономии) и Джеймс Уатт (изобретатель парового двигателя). Геттон получил степень доктора медицины в Эдинбургском университете, а также обучался в Париже и Лейдене, но никогда не занимался медицинской практикой. Позже он изучил право и успешно управлял промышленным предприятием. В 1754 году Геттон вступил во владение небольшой фермой и начал изучать сельское хозяйство и химию, что и привело его в конце концов к минералогии и геологии. Проведя многие горы в путешествиях и исследованиях, он опубликовал в 1788 году труд «Теория Земли», благодаря которому геология выросла в современную научную дисциплину.

ЧАРЛЗ ЛАЙЕЛЬ (Лайелл) (Charles Lyell, 1797-1875) — шотландский геолог. Родился в городе Киннорди в известной шотландской семье, отец его был ботаником. Лайель изучал право в Оксфордском университете; услышанные там лекции по геологии пробудили его интерес к этой науке. Некоторое время работал адвокатом, так как из-за напряженного чтения его беспокоили глаза, но затем отказался от адвокатской практики и полностью посвятил себя геологии. Лайель много путешествовал, наблюдая геологические формации, и его труд «Основы геологии», опубликованный в 1830 году, стал одной из самых значительных научных книг. Например, Чарлз Дарвин взял экземпляр этой книги с собой в путешествие на корабле «Бигль» и использовал ее при написании своего труда «Происхождение видов». Однако Лайель не торопился принять дарвиновскую теорию эволюции и сомневался, что она применима к человеку.

Уравнение Бернулли

•

Чем выше скорость потока идеальной жидкости, тем ниже ее давление

Законы механики ньютона

УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ