 |
Джеймс Трефил – 200 законов мироздания
|
|
|
|
Москва
JAMES TREFIL
THE NATURE QF SCIENCE
Houghton Mifflin Company 2003
ДЖЕЙМС ТРЕФИЛ
200 ЗАКОНОВ МИРОЗДАНИЯ
Гелеос 2007
УДК УБК
Трефил, джеймс
200 законов мироздания / Джеймс Трефил — М.: Гелеос, 2007. — 528 с. ISBN 5-8189-0807-0 (в пер.)
Джеймс Трефил, профессор физики университета Джорджа Мэйсона (США) и один из наиболее известных на Западе популяризаторов науки. Автор более 30 научно-популярных книг.
"200 законов мироздания" - самая современная научная энциклопедия в мире.
© James Trefil, 2002
© Houghton Mifflin Company, 2003
© ЗАО «ЛГ Информэйшн Груп», 2006
© ЗАО «Издательский дом «Гелеос», 2006
Содержание
Природа науки 9
Об этой книге 29
Законы і
Агрегатные состояния вещества 32
Анализ Фурье 34
Античастицы 35
Антропный принцип 37
Атом Бора 40
Атомная теория строения вещества 43
Белки 46
Биологические молекулы 48
Большой взрыв 51
Бритва Оккама 53
Броуновское движение 54
Великая теорема Ферма 56
Вечный двигатель 58
Витализм 59
Генетический код 60
Гипотеза газопылевого облака 62
Гипотеза Геи 66
Гипотеза гигантского столкновения 67
Гликолиз и дыхание 69
Демон Максвелла 72
Детерминизм 74
Детерминистический хаос 76
Диаграмма Герцшпрунга—Рассела 79
Дисперсия: атомная теория 82
Дифракция 85
Дифференциальное использование ресурсов 87
ДНК 88
Дрейф генов 91
Зависимость количества видов от площади экосистемы 92
Зависимость период—светимость 93
Закон Авогадро 95
Закон Ампера 97
Закон Архимеда 99
Закон Био—Савара 101
Закон Бойля—Мариотта 103
Закон Брэгга 105
Закон Брюстера 107
Закон всемирного тяготения Ньютона 108
Закон Генри 111
Закон Грэма 11 3
Закон Гука 11 4
Закон Дальтона 116
Закон Копа 11 7
Закон Кулона 118
Закон Кюри 120
Закон Мёрфи 121
Закон Мура 123
|
|
|
Закон Ома 124
Закон отражения света 126
Закон последовательности напластования горных пород 127
Закон Снеллиуса 129
Закон сохранения линейного импульса 132
Закон сохранения момента импульса 134
Закон сохранения электрического заряда 136
Закон Стефана—Больцмана 138
Закон Хаббла 140
Закон Харди—Вайнберга 144
Закон Шарля 145
Законы Кеплера 147
Законы Кирхгофа 151
Законы Менделя 153
Законы механики Ньютона 155
Законы электролиза Фарадея 160
Законы электромагнитной индукции Фарадея 161
Зеленая революция 163
Излучение Черенкова 165
Излучение черного тела 167
Иммунная система 169
Интерференция 171
Инфляционная стадия
расширения Вселенной 174
Катализаторы и ферменты 177
Квантовая механика 178
Квантовая хромодинамика 181
Квантовый туннельный эффект 183
Кварки и восьмеричный путь 186
Кислотный дождь 189
Кислоты и основания 191
Клеточная теория 194
Клонирование 195
Космический треугольник 197
Космологическая постоянная 200
Коэволюция 203
Критерий красоты 204
Критерий Лоусона 205
Критерий Рэлея 208
Круговорот азота в природе 210
Круговорот воды в природе 213
Круговорот углерода в природе 214
Ламаркизм 216
Магнетизм 217
Магнитные монополи 220
Максимальная устойчивая добыча 222
Массовые вымирания 223
Механическая теория теплоты 225
Микробная теория инфекционных заболеваний 226
Мимикрия 228
Молекулярно-кинетическая теория 230
Молекулярные часы 232
Нулевая гипотеза 234
Объяснение Бора 235
Озоновая дыра 237
Онтогенез повторяет филогенез 238
Опыт Дэвиссона—Джермера 239
Опыт Майкельсона—Морли 241
Опыт Милликена 244
Опыт Резерфорда 246
Опыт Штерна—Герлаха 249
Открытие аргона 251
Открытие гелия 252
Открытие
Кирхгофа—Бунзена 254
Открытие пенициллина 256
Открытие электрона 25 7
Открытие Эрстеда 259
Отношения хищник—жертва 260
Парадокс Зенона 261
Парадокс Ольберса 263
Парадокс Ферми 264
Парниковый эффект 266
Периодическая система
|
|
|
Менделеева 268
Поверхностное натяжение 270
Подобное растворяется в подобном 272
Полосная теория твердотельной проводимости 273
Постоянная Больцмана 275
Постоянная Планка 276
Постоянная Ридберга 278
Правило Аллена 280
Правило Ленца 281
Правило октета 282
Правило Тициуса—Боде 283
Предел Чандрасекара 286
Предельная скорость падения 288
Принцип Aufbau 290
Принцип Гюйгенса 292
Принцип дополнительности 293
Принцип запрета Паули 295
Принцип конкурентного
исключения 297
Принцип Коперника 298
Принцип Ле Шателье 300
Принцип мутуализма 301
Принцип неопределенности Гейзенберга 302
Принцип соответствия 308
Принцип Ферма 310
Принцип эквивалентности 311
Проба на окрашивание пламени 31 3
Проблема Гольдбаха 314
Проект «Геном человека» 315
Равновесие 31 7
Равновесие в природе 320
Радиоактивный распад 321
Радиометрическое датирование 325
Ранняя Вселенная 328
Распределенное движение 331
Распространение нервных импульсов 334
Репродуктивные стратегии 336
Родственный отбор 337
Самозарождение жизни 338
Симбиоз 339
Синтез мочевины 341
Система классификации
Линнея 342
Скрытый принцип
необратимости времени 344
Сложные адаптивные
системы 345
Соотношение де Бройля 346
Социальный дарвинизм 348
Спектр электромагнитного излучения 349
Спектроскопия 354
Стандартная модель 356
Стволовые клетки 360
Суточные ритмы 362
Тектоника плит 363
Темная материя 367
Теорема Белла 370
Теорема Гаусса 373
Теорема Гёделя о неполноте 375
Теорема о маргинальных значениях 377
Теория молекулярных орбиталей 380
Теория оптимального фуражирования 381
Теория относительности 382
Теория равновесия
Макартура—Уилсона 386
Теория сверхпроводимости 388
Теория стационарной Вселенной 391
Теория струн 392
Теория сцепления-натяжения 394
Теория эволюции 395
Тепловое расширение 403
Теплообмен 405
Термодинамика, второе начало 409
Термодинамика, первое начало 41 2
Термодинамика, третье начало 415
Территориальность у животных 41 7
Тест Тьюринга 418
Точка Кюри 419
Три закона робототехники 422
Триединый мозг 423
Ударные волны 425
Универсальные теории 427
Униформизм 430
Уравнение Бернулли 432
Уравнение Клапейрона—Клаузиуса 435
Уравнение состояния идеального газа 437
Уравнение Шрёдингера 439
Уравнения Максвелла 442
|
|
|
Уравнения равноускоренного движения 445
Устойчивость микробов к антибиотикам 45 0
Фазовые переходы 452
Флогистон 455
Формула Дрейка 456
Фотосинтез 459
Фотоэлектрический эффект 462
Химические связи 464
Центральная догма молекулярной биологии 467
Центробежная сила 469
Цикл и теорема Карно 471
Цикл преобразования горной породы 473
Циклы Миланковича 475
Черные дыры 478
Числа Фибоначчи 481
Число Рейнольдса 482
Эволюция звезд 485
Экологическая сукцессия 488
Эксперимент Ван Гельмонта 490
Эксперимент
Миллера—Юри 491
Эксперимент Херши—Чейз 493
Экспоненциальный рост 495
Электрические свойства вещества 497
Электронная теория проводимости 500
Элементарные частицы 502
Эффект Джозефсона 504
Эффект Доплера 506
Эффект Зеемана 509
Эффект Комптона 511
Эффект Кориолиса 51 2
Эффект Тиндаля 514
Эффект Холла 516
Ядерный распад и синтез 517
Хронология 520
Глоссарий 524
Введение
Законы природы — скелет Вселенной. Они служат ей опорой, придают форму, связывают воедино. Все вместе они воплощают в себе умопомрачительную и величественную картину нашего мира.
Однако важнее всего, наверное, то, что законы природы делают нашу Вселенную познаваемой, подвластной силе человеческого разума. В эпоху, когда мы перестаем верить в свою способность управлять окружающими нас вещами, они напоминают, что даже самые сложные системы повинуются простым законам, понятным обычному человеку. Но прежде чем приступить к обзору законов природы, подумаем, откуда они берутся и какую роль играют в предприятии, именуемом наукой.
О науке
Большинство из нас почти всю свою жизнь прожило в XX веке. Задумайтесь над простым вопросом: что так сильно отличает этот век, только что оставленный нами позади, от всего, что было до него? Конечно, он был веком разрушения старых политических укладов и прихода новых, но то же можно сказать почти про любое столетие со времен появления первых письменных источников. Он был веком великих писателей и художников, но и в этом нет ничего нового. Он дал миру новые виды искусства (на ум приходят джаз и кино). Может быть, со временем они займут свое место рядом с классической оперой и симфонической музыкой. Я в этом сомневаюсь, но, как бы то ни было, это не первый и не последний случай рождения новых видов искусства.
|
|
|
Мне кажется, именно развитие науки и технологии наложило печать уникальности на XX век. Если составить список важных достижений столетия, в него могли бы войти:
антибиотики, высадка астронавтов на Луне, компьютеры, Интернет, операции на открытом сердце, реактивные самолеты, мороженые продукты, небоскребы.
Невероятный рост населения и мировой экономики за последние сто лет — прямое следствие невероятного роста объема накопленных нами знаний о Вселенной.
В определенном смысле, в этом нет ничего особенно нового. Все по-настоящему глубокие изменения в жизни человечества происходили благодаря новым знаниям. Например, около 10 000 лет назад кому-то — вероятно, женщине, жившей на Ближнем Востоке — пришло в голову, что вместо того, чтобы питаться собранными дикими растениями, их можно выращивать и культивировать. Так появилось сельское хозяйство — новшество (независимо воспроизведенное во многих частях света), без которого невозможна современная цивилизация. Несколько веков назад шотландский инженер по имени Джеймс Уатт создал пригодный к использованию паровой двигатель, ставший неотъемлемым элементом промышленной революции. Возможно, когда-нибудь ученые поставят в один ряд с ним изобретенный в 1947 году транзистор и недавно завершенный проект «Геном человека» как важнейшие вехи истории человечества.
Конечно, при таком взгляде на науку нас интересует прежде всего приносимая ей практическая польза, улучшение здоровья людей и рост жизненного комфорта. Но есть у науки и другое измерение. Улучшая качество нашей жизни, она в то же время открывает для нашего интеллекта великолепное окно во Вселенную. Она показывает нам, что весь окружающий нас мир существует по общим правилам и принципам, и эти правила и принципы можно обнаружить с помощью научных методов. Правила, испытанные и проверенные самым тщательным образом, возведены в ранг «законов природы», хотя, как мы увидим, ученые и философы далеки от согласия относительно использования этого термина. Из законов природы складывается интеллектуальная структура, в которой есть место для любого явления во Вселенной.
Люди всегда испытывали любопытство по отношению к окружающему их миру — не в последнюю очередь потому, что выживание человека часто зависело от его способности прогнозировать развитие той или иной ситуации. Фермеры давным-давно выработали систему знаний о погоде и климате, позволявшую им получать хорошие урожаи, охотники изучили повадки своей добычи, а моряки научились находить в море и на небе признаки надвигающихся штормов. Но особые приемы и методики, совокупность которых мы называем наукой, появились лишь несколько сотен лет назад. Почему это произошло именно тогда и именно в Европе, а не где-то еще — на эти вопросы пусть отвечают историки. Нам же важно понять, что такое наука и каким образом она подводит нас к тому, что мы называем законами природы.
|
|
|
Прежде чем мы начнем, хочу вас предупредить об одной вещи. Вам часто придется сталкиваться, особенно в учебниках, с последовательностью действий, называемой «научным методом». Обычно объясняют, что «сначала ученый выполняет шаг X, затем У, а потом Ъ и так далее. Можно подумать, будто заниматься наукой — все равно что выпекать печенье по рецепту. Проблема с этим подходом не в том, что он совершенно неверен — ученые действительно часто выполняют шаги X, У и Ъ. Беда в том, что в нем не предусмотрено место для творчества, изобретательности и простого человеческого упрямства — извечных и неотъемлемых составляющих научного труда. Определять научный процесс как «метод» — то же, что, описывая картину Рембрандта или Ван Гога, говорить лишь о том, где какие краски нанесены на холст. Наука — не книжка для раскрашивания, где каждому цвету соответствует номер.
Поэтому, когда речь заходит о том, как устроена наука и как ученые открывают законы природы, я предпочитаю использовать аналогию с юридической практикой. Я имею в виду, что описанные ниже элементы надо рассматривать не как часть жестко заданной последовательности шагов, а как ступени процесса, осуществляемого учеными. Другими словами, думая о науке, надо иметь в виду все эти составляющие, при этом каждый раз решая, насколько важна каждая составляющая в данном контексте (и вообще все ли они присутствуют). Иначе говоря, нет фиксированной, жесткой последовательности действий, позволяющей прийти к выводу, является ли нечто наукой или нет.
В целом, большинство ученых используют более или менее одну и ту же последовательность шагов (мы ее описываем ниже), и в учебниках, как правило, фигурирует именно она. Но иногда случаются интуитивные прозрения и прорывы, которые в вашем представлении, может быть, не ассоциируются с образом рассудительных ученых в белых халатах. Это хорошо, потому что больше всего мне хочется, чтобы вы вынесли из этой книги представление о том, что наука, как и искусство, — один из главных путей реализации тяги человека к творчеству, и что ученые разделяют со всеми нами человеческие наклонности и слабости. Помня про эту оговорку, рассмотрим теперь составляющие научного процесса.
|
|
|
