Страниц: « Предыдущая 1 [2] 3 4 Следующая »
  Печать  
Автор Тема: Мартин Гарднер. Этот правый левый мир  (Прочитано 50703 раз)
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #15 : 29 Июня 2011, 00:17:07 »

КРИСТАЛЛЫ

Наши исследования начались с крупнейшего объекта - вселенной. Постепенно мы переходили вниз по шкале ко всё меньшим структурам - занимались растениями и животными. Теперь мы рассмотрим кирпичи, из которых построены живые и неживые объекты.
Что это за кирпичи?
Наименьшие структурные единицы - протон, нейтрон и электрон. Из них состоят все атомы.
Мельчайшие частицы химического элемента - атомы. В центре атома находится ядро, которое состоит из протонов и нейтронов. Вокруг ядра расположены электроны, образуя оболочку. Простейший атом - водород, он состоит из протона и электрона. Самый сложный атом, обнаруженный в природе - уран, в нем 92 электрона.
Протоны заряжены положительно, электроны отрицательно, а нейтроны заряда не имеют. Если число протонов равно числу электронов, атом получается нейтральным. Если атом теряет электроны, то становится положительным ионом, а если приобретает лишние - отрицательным.
Мельчайшие структурные частицы вещества - молекулы. Если вещество состоит из одинаковых атомов, оно называется простым. У инертных газов (гелий, аргон) молекулы состоят из 1 атома, а у кислорода и водорода - из 2.
Если в молекулу объединяются разные атомы, вещество называется сложным. Самое распространенное из сложных веществ - вода (2 атома водорода и 1 атом кислорода). Число атомов в молекуле может доходить до нескольких тысяч - из стольких атомов состоят молекулы белков.
Если молекулы вещества располагаются в определенном порядке, это называется кристалл. Порядок повторяется равномерно, подобно узору на обоях и линолеуме. Кристаллическую структуру имеют только твердые вещества. Молекулы жидкостей и газов остоят друг от друга далеко и движутся беспорядочно. А у твердых тел молекулы тоже колеблются, но только около неподвижных точек - поэтому можно считать, что атомы неподвижны.
Например, молекулы пара или воды движутся хаотически, но снежные кристаллы, напоминающие узоры в калейдоскопе, обязаны своей формой структуре молекул льда, из которых они состоят. И лед из холодильника, и айсберг имеют одинаковую структуру, в основе которой лежит упорядоченное расположение молекул.
Все твердые тела кристаллические. Одним из немногих исключений является стекло. Его молекулы при охлаждении не успевают выстроиться в определенном порядке. Как бы ни называли стекло - твердым телом или нет - но это не кристалл. Граненая ваза - кристалл для продавца, но не для физика. Прорицатели будущего, которые раньше смотрели в кварцевый шар, теперь смотрят в стеклянный - он дешевле. Видят ли они будущее через хаотичную структуру стекла, как через упорядоченный кристалл? (Вполне возможно, что теперь этот шар делают из пластмассы или даже поликарбоната - вспомните песню Джона Леннона Glass Onion)



Некристаллические тела иначе называются аморфными - это уголь, смола, пластмасса. Такие вещества могут потечь и изменить свою форму, если дать им полежать несколько сотен лет.
Упорядоченная основа кристалла называется решеткой. Она образуется атомами или молекулами. Углекислота встречается в природе в газообразном виде. Если снизить температуру этого газа, он превратится в сухой лед.
(вставка из Перельмана)
Сухой лед получается при быстром испарении углекислоты под давлением. Куски сухого льда напоминают прессованный снег и отличаются от твердой воды. Углекислый снег тяжелее обыкновенного. Название "сухой лед" подчеркивает физическую особенность этого льда - он никогда мокрым не бывает, а переходит сразу в газ - возгоняется, так как существовать в жидком виде углекислота при атмосферном давлении не может.
Молекулы сухого льда образуют вот такую кубическую гранецентрированную решетку, похожую на стальные каркасы небоскребов:

    *-+-*
   / / /|
  +-*-+ +
 / / /|/|
*-+-* * *
| | |/|/
+-*-+ +
| | |/
*-+-*


Другая разновидность кубической решетки называется объемноцентрированной. Вот такая решетка образуется из атомов металла:

    *---*
   /   /|
  /   / |
 /   /  |
*---*   *
|  *|  /
|   | /
|   |/
*---*


Соль тоже имеет кубическую решетку, которая состоит из ионов. У натрия 1 свободный электрон, а у хлора 7, так что есть свободная дырка. Электрон натрия заполняет дырку хлора, образуя прочную молекулу. А так как одноименные ионы отталкиваются, а разноименные притягиваются, то в решетке они расположены в шахматном порядке:

    *-x-*
   / / /|
  x-*-x x
 / / /|/|
*-x-* * *
| | |/|/
x-*-x x
| | |/
*-x-*


Эти крупинки имеют форму кубиков. Вы, конечно, увидите не элементарную решетку - для этого нужен микроскоп - а всего лишь маленькие кристаллики.
Немецкий физик Лауэ разработал метод наблюдения кристаллической структуры с помощью лучей. Для наблюдения за более мелкими деталями используют электроны, нейтроны или ионы. Например, фотография атомов в решетке вольфрама получена с помощью ионного микроскопа, который увеличивает в 2 миллиона раз.
Все 3 описанные решетки симметричны, то есть совместимы с отражениями. Кроме того, эти решетки обладают и осевой симметрией - если вращать решетку вокруг оси, то после поворота она примет такой же вид, как и до него. Если ось проходит через грань куба - это ось 4 порядка. У куба 3 таких оси. Если ось проходит через ребро куба - это ось 2 порядка. Таких осей у куба 6. У куба есть и 4 оси 3 порядка - они проходят через вершины куба.
Считается, что кристаллы бывают 2, 3, 4 и 6 порядка. Осей 5 порядка решетка не имеет, так как вы не можете выложить паркет из пятиугольников. (А что же тогда такое додекаэдр и икосаэдр?) Но в живой природе они встречаются. Например, многие цветы и некоторые животные (морская звезда) имеют симметрию 5 порядка.
Минералы находят в виде бесформенных глыб, внешний вид которых не дает указаний об их строении. Исключением является алмаз - sp3-кристаллический углерод (типа предельный). Его находят в виде кристаллов правильной формы. Благодаря тетраэдрической решетке, алмаз имеет несколько разновидностей. Чаще всего встречается октаэдр - все его грани являются равносторонними треугольниками. Это правильный выпуклый многогранник.
Таких многогранников всего 5 - тетраэдр, гексаэдр, октаэдр, додекаэдр, икосаэдр. Они называются телами Платона, который написал о них много интересного.
Ромбический додекаэдр и гексагональный октаэдр - такие формы тоже имеет алмаз. И все эти формы симметричны. Углерод приобретает строение алмаза под давлением. Атомы в его решетке упакованы плотно, поэтому алмаз такой твердый. Углерод может иметь и sp2-кристаллическую решетку (типа циклический или этиленовый), где атомы расположены менее тесно - это графит, древесный уголь и сажа. (А как же тогда называется sp-кристалл, типа диеновый или ацетиленовый?) Вся разница между бриллиантовым кольцом и углем в печи заключается в различном порядке расположения атомов.
Распространенной кристаллической формой является ромбоэдр - куб, сжатый с противоположных углов. Такую форму имеют кристаллы углекислого кальция и азотнокислого натрия.
Решетка некоторых кристаллов симметричная, а других - нет. Распространенный минерал кварц имеет спиральную решетку, которую нельзя совместить с зеркальным отражением. Кварц - это окись кремния, его решетка состоит из атомов кремния и кислорода. А поскольку спираль может закручиваться влево и вправо, кварц встречается в зеркальных разновидностях. Кристаллы принимают разнообразные формы, но встречаются и асимметрические кристаллы - один отражение другого.
Световые колебания происходят в разных плоскостях, проходящих через ось луча. Но есть кристаллы (они называются поляроидами), у которых решетка ограничивает световые колебания в одной плоскости - например, турмалин или исландский шпат, прозрачная разновидность кальцита. Когда поляризованный свет проходит через кварц, асимметрическая решетка поворачивает плоскость поляризации влево и вправо. Отсюда вытекает простой метод обнаружения асимметрической решетки. Сульфид ртути тоже поворачивает поляризованный свет - его кристаллическая решетка состоит из спиральных цепей, закрученных влево и вправо.
« Последнее редактирование: 10 Октября 2011, 01:08:55 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #16 : 29 Июня 2011, 01:15:20 »

МОЛЕКУЛЫ

А являются ли молекулы вне кристаллической решетки симметричными? Если да, то в природе или в лаборатории молекулы данного соединения будут с одинаковыми свойствами. А если молекулы представляют асимметрическую конструкцию атомов, то можно найти или создать 2 разные формы 1 соединения. Одна форма будет содержать левые молекулы, а другая правые - они будут зеркальным отражением друг друга.
Такие молекулы существуют. Они называются изомерами. История их открытия началась во Франции. Известный физик и химик БиО обнаружил, что кристаллы кварца поворачивают поляризованный свет влево и вправо. А если растворить кварц, то молекула уже оказывается оптически неактивной. Это объясняется асимметрической конструкцией кристаллической решетки, а не внутренним строением молекул.
Другое открытие уже было не так легко понять. Растворы органических соединений тоже оптически активные. Но в этих растворах нет решетки, которая поворачивает поляризованный свет. Следовательно, вращение обусловлено асимметрическим строением отдельных молекул.
Работы БиО вдохновили молодого французского химика Пастера. Он знал, что винная кислота из винограда поворачивает поляризованный свет, а рацемическая винная кислота оптически неактивная. По всем остальным химическим свойствам эти вещества аналогичны. Как могут быть вещества подобными, а свет пропускать по-разному?
Исходя из этого, Пастер начал исследование винной и рацемической кислот. Он обнаружил, что кристаллы винной кислоты асимметрические, а кристаллы рацемической кислоты - смесь (одни кристаллы аналогичны винной кислоте, а другие - их отражение).
Нетрудно догадаться, что сделал Пастер. Он с помощью микроскопа разделил левые и правые кристаллы. Приготовив раствор одного типа, он нашел, что этот раствор поворачивает поляризованный свет в том же направлении, что и натуральная винная кислота. Раствор другого типа поворачивал свет в противоположном направлении.
Открытие Пастера подтвердило предположение БиО об асимметрии молекул. Старый ученый послал за Пастером и попросил повторить при нем эксперимент. После выпаривания раствора он наблюдал, как молодой химик разделяет кристаллы. БиО приготовил оба раствора и лично проверил, как они поворачивают поляризованный свет.
Это был первый эксперимент, доказавший, что молекулы могут существовать в зеркальных формах.
Второе открытие Пастера было сделано позже - он обнаружил, что при выращивании плесени раствор рацемической кислоты становился оптически активным. Плесень разрушала только молекулы одного типа, а их зеркальных двойников не трогала. Асимметрия органических веществ действовала на молекулы одного типа.
Живой организм, как писал Пастер, выбирает для питания ту форму, которая отвечает его требованиям и соответствует внутренней асимметрии, а другую форму оставляет без изменения. Так организм демонстрирует свойство, которым не обладает ни одно химическое вещество - избирательное действие по отношению к асимметрическим молекулам.
Зная, что органические вещества оптически активны, а неорганические неактивны, Пастер решил, что только живые организмы могут создавать асимметрические соединения одного типа. Это была единственная граница, которую можно провести между живой и неживой природой.
Пастер не мог установить точную природу асимметрии, но в том, что она существует, он не сомневался. Истинная природа асимметрии была выяснена, когда БиО уже не было в живых. Как часто случается в науке, объяснение было выдвинуто одновременно и независимо французом ле Белем и голландцем ван Гоффом. Оба ученых предположили, что атом углерода имеет 4 свободных электрона и столько же свободных дырок. Если все 4 атома разные, такая структура будет асимметрической.
Пусть пробка в центре изображает углерод. К ней можно прикрепить 4 маслины, чтобы образовался тетраэдр. Если каждую маслину считать за водород, получится модель молекулы болотного газа метана. Это простейшая органическая молекула. Ее изображают с помощью схематического рисунка, который заключен в плоскости:

  H
  |
H-C-H
  |
  H


Когда ле Бель и ван Гофф представили себе, какую структуру эта конфигурация должна иметь в пространстве, им на ум пришел тетраэдр, в котором все водородные атомы располагаются на равных расстояниях от углерода. Такая молекула симметрична - у нее 6 плоскостей симметрии.
Предположим, что мы заменили черную маслину зеленой. У такой модели 3 плоскости симметрии. Подобную конфигурацию имеет древесный спирт метанол:

  H
  |
  O
  |
H-C-H
  |
  H


Заменим еще одну черную маслину вишней. Подобное строение имеет молекула винного спирта этанола. Модель всё еще симметрична:

  H
  |
  O
  |
H-C-H
  |
H-C-H
  |
  H


Но если вы удалите еще одну черную маслину и замените ее белой черешней, у модели нет плоскости симметрии. Совместить ее с отражением не удается. Молекулой такого типа обладает бетаамиловый спирт (в то время как его изомеры - альфаамиловый и гаммаамиловый - симметричны):

    H
    |
  H O H H H
  | | | | |
H-C-C-C-C-C-H
  | | | | |
  H H H H H


Если все группы, с которыми соединяется центральный атом, разные, он называется асимметрическим. Любая молекула, содержащая асимметрические атомы, является асимметрической. Исключение - когда зеркальные асимметрические атомы уравновешивают друг друга, как уши. Примером служит мезовинная кислота.
Левая винная кислота содержит 2 левых атома углерода:

   COOH
   |
 HOCH
   |
  HCOH
   |
HOOC


Правая содержит 2 правых атома:

HOOC
   |
  HCOH
   |
 HOCH
   |
   COOH


Рацемическая внешне компенсирована, так как левые молекулы уравновешиваются тем же количеством правых.
А мезовинная внутренне компенсирована - каждая ее молекула состоит из левого атома, связанного с правым. Она симметричная, как голова, несмотря на то, что уши асимметрические:

HOOC
   |
  HCOH
   |
  HCOH
   |
HOOC


В состав молекулы могут входить асимметрические молекулы, но сама она может быть симметричной. Каждое соединение из асимметрических молекул может быть левым и правым. Такие соединения встречаются в рацемической форме, когда левые и правые молекулы смешаны. Когда смешанные молекулы соединяются, получается мезоформа.
Каждая асимметрическая молекула может принимать одну из зеркальных форм. Соединение одного типа будет поворачивать поляризованный свет в одном направлении, а другого - в противоположном. Поэтому разновидности винной кислоты называют левой и правой. (Кстати, в википедии написано, что по-английски левые и правые молекулы называются соответственно left & dextrous, а левовращающие и правовращающие - соответственно sinistrous & right. Кроме того, обобщением левшей и правшей на уровне молекул является греческое слово хиральность, а на уровне живых организмов - синонимичное латинское слово латеральность)
« Последнее редактирование: 07 Декабря 2013, 22:28:03 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #17 : 29 Июня 2011, 15:10:46 »

УГЛЕРОД

Когда ван Гофф и ле Бель высказали предположение, что асимметрический тетраэдр - причина оптической активности, это вызвало насмешки со стороны ученых. Но теперь мы знаем, что все органические вещества - это соединения углерода с заложенной в них асимметрией.
Биохимики считают, что трудно представить себе существование жизни без тканей, выполняющих различные функции. Всем частям тела нужны особые химические соединения - мышцам, сосудам, нервам. Каждая из этих частей состоит из сложных веществ, необходимых для выполнения определенных функций.
Широкое разнообразие форм жизни было бы невозможно без тканей. Трудно представить, как могла бы эволюция обойтись без углерода - элемента, способного образовывать множество разных соединений. Ткани всех живых существ - от микроба, видимого только в микроскоп, до слона - содержат углерод.
За счет чего углерод входит в состав многих соединений? Поскольку атом углерода имеет 4 свободных электрона и 4 свободных дырки, эти атомы соединяются друг с другом, образуя цепочки разной длины, причем у каждого атома еще останутся 2 точки, к которым могут крепиться другие атомы, как подвески ожерелья. Цепочка с 2 концами похожа на нитку, а если у нее много концов - на вилку или ветку. Эти концы соединяются в кольца и петли. Цепочки и кольца могут входить в состав одной молекулы.
2 молекулы, содержащие одинаковое число атомов каждого сорта, но отличающиеся способом их соединения, называются изомерами. Эти вещества имеют разный удельный вес, разную точку кипения и могут отличаться другими свойствами. Например, вот это соединение называется бутаном:

CH3-CH2-CH2-CH3

А вот это - изобутаном (или, точнее, метилпропаном):

CH3-CH-CH3
    |
    CH3


А если молекулы имеют равное число атомов всех сортов, которые соединены одинаково - могут ли они оказаться разными? Да, одна молекула - зеркальное отражение другой. Такие изомеры называются пространственными. Когда молекула имеет асимметрическое строение, она должна существовать и в зеркальной форме. Если в соединение входит 5 асимметрических атомов, и каждый из них левый или правый, то полное число изомеров будет равно 32:

LLLLL
LLLLR
LLLRL
LLLRR
LLRLL
LLRLR
LLRRL
LLRRR
LRLLL
LRLLR
LRLRL
LRLRR
LRRLL
LRRLR
LRRRL
LRRRR
RLLLL
RLLLR
RLLRL
RLLRR
RLRLL
RLRLR
RLRRL
RLRRR
RRLLL
RRLLR
RRLRL
RRLRR
RRRLL
RRRLR
RRRRL
RRRRR

Углеродные молекулы имеют миллионы изомеров, из которых тысячи являются пространственными. Это значит, что у каждой асимметрической молекулы есть дубликат, который повернут в другую сторону.
Если асимметрическое соединение не является органическим, то оно всегда выступает в рацемической форме, то есть в виде смеси молекул. У гравитации и инерции нет различия между левым и правым, поэтому обе разновидности молекул образуются одинаково часто. Даже в лаборатории, синтезируя это соединение в симметричных условиях, мы получаем его в рацемической форме, которая не поворачивает поляризованный свет.
Пусть перед вами стоит коробка, наполненная вырезанными из бумаги буквами Р. Поскольку каждая из них - материальное тело, а не напечатанная буква, они все симметричные. Высыпем все буквы на стол тонким слоем, а потом раскрасим. Каждая буква теперь станет асимметрическим телом, так как раскрашена только одна из сторон. А поскольку примерно одинаковое число букв упало на стол левой и правой стороной вверх, то и раскрашенными окажутся левая и правая сторона с равной вероятностью. Получится смесь, состоящая из левых и правых букв. То же самое происходит и при образовании неорганических изомеров, когда не отдается предпочтения ни левой, ни правой стороне.
Получить асимметрический изомер определенного типа можно различными путями:
1. Пастер получил левую и правую кислоту, сортируя кристаллы рацемической смеси. Мы можем сделать то же самое. Для этого нужно класть буквы, у которых раскрашена одна сторона, в один ящик, а другая - в другой.
2. Пастер обнаружил также, что можно создать изомер определеннного типа, используя для сортировки молекул асимметрические наклонности микроорганизмов. То же самое можем сделать и мы с буквами, откладывая одни и оставляя нетронутыми другие. (Кстати, когда мы собирали конденсаторы для радиозавода, я выбирала из кучи только пластины с отверстием влево, а когда в куче оставались только с отверстием вправо - перемешивала их, чтобы опять получить нужное направление)
3. Этот метод синтеза изомеров, тоже открытый Пастером, состоит в использовании готовых асимметрических соединений. Заставим рацемическую смесь реагировать с правым соединением. Образующиеся соединения уже не являются зеркальными, так как одно будет в правой форме, а другое в мезоформе. Они могут различаться каким-нибудь свойством, что позволит отделить их друг от друга. Разложив эти молекулы, мы получим соединение одного асимметрического типа.
Модель такого опыта можно создать, опять-таки используя буквы, если в крышке стола вырезать отверстие в форме буквы Р. Все буквы лежат на столе раскрашенной стороной вверх, но половина их имеет форму Р, а половина - Ь. Если передвигать буквы по столу, не переворачивая, то провалятся в отверстие только буквы Р, а среди оставшихся на столе будут преобладать Ь. Здесь асимметрия достигается не за счет перемешивания, а из-за конструкции стола. В данном случае стол играет роль асимметрического соединения, которое может запечатлеть свою асимметрию в продуктах реакции. Примерно таким образом асимметрические соединения перепечатали свою асимметрию всем живым молекулам.
Подведем итог. Любой метод получения изомеров одного типа должен основываться на асимметрии - будь то понятие левого и правого, которым руководствуется химик, или асимметрические вещества и живые организмы, принимающие участие в опыте.
Любое соединение углерода, входящее в состав живой ткани, поворачивает поляризованный свет в определенном направлении. Лучше всего известны такие оптически активные вещества, как сладкие углеводы. Виноградный сахар-глюкоза, входящая в состав обычного сахара, поворачивает поляризованный свет вправо. Вот ее формула:

CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-COH

- то есть пятиатомный амиловый альдегидоспирт. А вот фруктовый сахар-фруктоза, входящая в состав меда, поворачивает поляризованный свет влево. Вот ее формула:

CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CO-CH2OH

- то есть тоже пятиатомный, но уже метилбутиловый кетоноспирт. Из сравнения формул следует, что в состав фруктозы входят те же атомы, что и в состав глюкозы, но соединены они по-другому - поэтому фруктоза более сладкая, чем глюкоза. (Из этого, между прочим, следует, что мед не так вреден для больных диабетом, как сахар - для получения той же степени сладости его можно использовать в меньших количествах)
Но самые сложные и многочисленные углеродные соединения - белки. В организме насчитывается примерно 100000 белков. В состав клетки входят ферменты, которые обеспечивают протекание химических реакций - и каждый фермент является белком. Гормоны, контролирующие деятельность органов, относятся к разряду белков. Кровь, кости, мышцы, сухожилия, волосы и ногти тоже состоят из белков. Биохимики считают, что жизнь не могла бы существовать без этого универсального соединения.
Молекулы белка состоят из атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Это большие и сложные молекулы. Даже самые простые белковые соединения содержат тысячи атомов - а есть и гиганты-миллионеры. Каждая молекула состоит из звеньев, называемых аминокислотами, (то есть кислотами, содержащими аммиак. А так как аммиак - это щелочь, то аминокислоты амфотерны) соединенными в цепь. Макромолекулы, состоящие из отдельных молекул, (структурных звеньев) называются полимерами. Известно около 20 разных аминокислот. Они асимметрические и могут появляться в разных формах. Если аминокислота синтезируется в лаборатории, она получается рацемической, но аминокислоты, входящие в состав белков, условно называются левыми в смысле расположения атомов, окружающих углерод - но некоторые из них поворачивают поляризованный свет вправо благодаря строению цепей атомов, прикрепленных к углероду.
У каждой белковой молекулы есть спиральный хребет, называемый полипептидом. Он представляет из себя цепь аминокислот. У каждой молекулы аминокислоты есть аминогруппа (щелочь) и карбонильная группа (кислота). Когда эти концы стыкуются, происходит реакция нейтрализации, образуя пептидное соединение. И каждая молекула аминокислоты изгибает каркас белковой молекулы, образуя спиральную лестницу. Спираль обнаружили в стольких белках, что биохимики считают ее характерным признаком всех белковых молекул.
Но как правильно называть эту спираль? Биохимики называют ее левой по аналогии с вьющимися растениями. Но шуруп с такой резьбой называется правым, и кристаллы с такой спиральностью поворачивают поляризованный свет вправо. Слова о том, что левая молекула закручивает белок в правую спираль, еще больше сбивают с толку. Но важно то, что все белки имеют спиральный каркас одного типа.
Волокна тканей свиваются в ту же спираль, образуя витые пружины. Например, сухожилия состоят из тройных спиралей. Такие пружины, свиваясь, образуют спираль большего диаметра. Процесс повторяется на еще более высоком уровне, так что крупные волокна можно увидеть в микроскоп. Пружины можно обнаружить в волосах, шерсти, жгутиках микробов, с помощью которых они передвигаются. Спираль является также составной частью нуклеиновых кислот, которые играют не менее важную роль, чем белки.
Если учесть, что каркас белковой молекулы может состоять из 1000 кирпичей-аминокислот, и каждый кирпич можно выбрать 20 способами, то общее число возможных соединений такого типа будет 1000^20. Именно такое разнообразие и делает белок незаменимым материалом, из которого эволюция сконструировала организмы, где ткани приспособлены для выполнения различных функций.
Левая и правая модификации органического соединения обладают одинаковыми химическими свойствами - имеют одинаковый удельный вес, плавятся и кипят при одной температуре. А так как это одни и те же вещества, то силы, действующие на них, не отличают левое от правого. Но асимметрия соединений приводит ко вращению поляризованного света, вызывает образование асимметрических кристаллов, оказывает специфическое воздействие на живые организмы. Поскольку живой организм состоит из асимметрических соединений, то изомеры разных типов и влияют на организм по-разному. Белый Офицер у великого левши Льюиса Кэрролла поет песню, в которой есть вот такие строки (перевод мой):

А теперь, когда случайно
Пальцем в клей я попаду -
Или ногу я сломаю,
Иль на камень упаду,
Иль ботинки я обую
Уж совсем наоборот -

Я от этого тоскую,
И на память мне идет...

Выделенные строки напоминают картину реакции асимметрических соединений. Трудно надевать ботинки не на ту ногу. (Кстати, что касается лаптей - они плелись симметричными и надевались на любую ногу одинаково) По этой причине изомеры отличаются и по вкусу, и по запаху. Рецепторы распознавания вкуса и запаха состоят из асимметрических веществ, которые по-разному реагируют на левые и правые соединения. Иногда один изомер усваивается, а другой выделяется. В других случаях организм усваивает оба изомера, реагируя на них по-разному.
Во всех сортах табака встречается алкалоид никотин. Но есть и отраженный никотин, который получен искусственно - он менее ядовит. Левый хиосциамин расширяет зрачки, а адреналин сжимает сосуды сильнее, чем правый. Отраженные витамины не оказывают на организм никакого влияния. Гормон тироксин снижает количество холестерина в крови (холестерин - это жировое вещество, которое накапливается в сосудах и ведет к склерозу). Естественный тироксин ускоряет реакции в организме, приводя к неврозам и сильной потере веса. Искусственный тироксин (отражение естественного) тоже понижает содержание холестерина, но противопоказаний не имеет. Один аспарагин имеет сладкий вкус, а другой безвкусный.
Асимметрические углеродные соединения чаще всего существуют в одной из модификаций. Некоторые встречаются в 2 формах одновременно, но никогда - как отдельные соединения. Химики синтезировали небольшое число отраженных изомеров. О том, как реагировал бы организм на эти вещества в зеркальной форме, известно мало, поскольку большинство соединений доступно нам только в виде одной формы.
Перед тем, как пройти сквозь зеркало, Алиса пела (перевод мой):

И нужно ль брать еду с собой
И воду для питья?
Там вкус у молока какой -
Совсем не знаю я.

Дело в том, что вода, содержащаяся в молоке, симметричная. Но молоко также содержит асимметрические углеродные соединения - жир, сахар и белки. Никто не знает, как подействует на человека или кошку смесь зеркальных молекул, которые входят в состав молока. Одно известно - что зеркальная кошка считает отраженное молоко вкусным и питательным.
Точно так же и вино содержит симметричный спирт. Но в состав вина входит целый букет сложных асимметрических эфиров, которые имеют определенный аромат. Нетрудно догадаться, что вкус зеркального вина будет отличаться от обычного, если его не будет пить зеркальный человек.
Неорганические соединения обычно симметричные, или левая и правая модификации входят в их состав в равных пропорциях. А вот организм насыщен асимметрическими углеродными соединениями, которые условно называются левыми. Отраженное золото ничем не отличается от обычного, а молоко и вино отличаются. Вещества, содержащиеся в молоке и вине, несовместимы с зеркальными двойниками. То же и с человеком. Отраженные аминокислоты будут правыми, а спирали белков - левыми. Все органические молекулы, кроме воды, могут быть превращены в зеркальные близнецы, которые устроены "не так".
« Последнее редактирование: 08 Декабря 2013, 03:25:43 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #18 : 29 Июня 2011, 20:07:10 »

ЖИВЫЕ МОЛЕКУЛЫ

В математике можно провести четкую грань между классами. Фигуру мы можем или не можем совместить с зеркальным отражением. Асимметрическая фигура бывает левой или правой. Целое число нечетное или четное. Но в реальном мире провести границы труднее. Например, деготь твердый или жидкий? А фисташки зеленые или желтые? Физические свойства меняются непрерывно, без разграничительных линий. Поэтому найдутся объекты, столь близкие к границе, что трудно определить, по какую сторону от этой линии они лежат.
К свойству, названному жизнью, всё сказанное относится в полной мере. Вспомните вирусы (не компьютерные, а живые) - это маленькие биологические объекты, которые едят различные вещества из окружающей среды и воспроизводят себе подобных. Они меньше даже микробов - поэтому и проходят через тонкие фильтры. Миллионы их помещаются на кончике иглы. Вирусы невидимы в микроскоп, но у биохимиков есть методы исследования строения вирусов при облучении их элементарными частицами.
Кристалл тоже растет, но только если поместить его в раствор того же вещества - вещество начнет осаждаться на поверхности, и кристалл становится крупнее. Но живые существа растут более удивительным образом - извлекая из окружающей среды простые вещества, они синтезируют более сложные, а потом создают из них свои копии. Способность вирусов заражать связана с этим свойством. Вирусы населяют клетки организма и снабжают его своими рабочими чертежами. Они заставляют клетки изготовлять не то, что им положено, а то, что нужно вирусам.
В своей способности размножаться вирус ведет себя как живое существо. Но удаленный из живой ткани, он кристаллизуется. Эти кристаллы так же мертвы, как и кварц. Но введите такой кристалл в растение или животное - и он сразу начнет свою деятельность.
Например, вирус, вызывающий мозаичную болезнь, образует стержни, которые можно увидеть в микроскоп. Каждый такой стержень имеет спиральную структуру, образованную 2000 молекул белка, а каждая молекула состоит из 150 аминокислот. Белковые молекулы навиваются на сердечник, идущий от одного конца стержня к другому. В этот белок вделана спиральная молекула нуклеиновой кислоты.
Нуклеиновая кислота не является белком, но тоже относится к полимерам. Звенья этой цепи называются нуклеотидами и состоят из углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. Белки складываются из 20 аминокислот, а в состав нуклеиновой кислоты входят 4 нуклеотида. Тысячи нуклеотидов соединяются, образуя миллиарды молекул нуклеиновых кислот. Каждый нуклеотид условно называется левым, так как молекула нуклеиновой кислоты образует правую спираль.
Существуют 2 вида нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая ДНК (дезоксирибоза - трехатомный бутиловый альдегидоспирт) и рибонуклеиновая РНК (рибоза - четырехатомный бутиловый альдегидоспирт). Вирус состоит из белковой оболочки, содержащей одну или несколько спиралей ДНК или РНК. Белковая оболочка остается снаружи, а нуклеиновая спираль проходит сквозь стенку клетки и начинает изготовлять копии не клетки, а вируса.
Пружины нуклеиновой кислоты часто свиваются в спирали большего размера. Биохимики описали трехступенчатую спираль нуклеиновой кислоты бактериофага (вирус, поражающий бактерии). Головка его имеет форму призмы. К головке прикреплен белковый хвостик. Внутри головки - молекула ДНК. Первичная спираль - каркас молекулы. Он завивается вторично и в третий раз превращается в катушку, которая входит в призматическую головку. Хвостиком вирус прикрепляется к клетке и пробивает в ней дырку. Затем хвостик сжимается и конец молекулы проникает в дырку. Катушка в головке начинает вращаться, и молекула пробирается через отверстие, чтобы начать свое дело.
Нуклеиновая кислота входит в состав каждой живой клетки - от амебы до человека. Невидимые частицы, несущие наследственную информацию, не являются самостоятельными элементами - это участки двойной спирали ДНК. В каждой клетке находятся палочки-хромосомы, каждая из которых содержит пару скрученных спиралей ДНК. Порядок, в котором нуклеотиды располагаются вдоль спирали, сообщает клетке, что ей делать. Эти кирпичи-нуклеотиды называются аденин, тимин, гуанин и цитозин. Каждая аминокислота соответствует тройной комбинации. 64 комбинаций достаточно, чтобы описать точный состав аминокислот и порядок, в котором они должны соединяться, образуя белок:

ААА
ААГ
ААТ
ААЦ
АГА
АГГ
АГТ
АГЦ
АТА
АТГ
АТТ
АТЦ
АЦА
АЦГ
АЦТ
АЦЦ
ГАА
ГАГ
ГАТ
ГАЦ
ГГА
ГГГ
ГГТ
ГГЦ
ГТА
ГТГ
ГТТ
ГТЦ
ГЦА
ГЦГ
ГЦТ
ГЦЦ
ТАА
ТАГ
ТАТ
ТАЦ
ТГА
ТГГ
ТГТ
ТГЦ
ТТА
ТТГ
ТТТ
ТТЦ
ТЦА
ТЦГ
ТЦТ
ТЦЦ
ЦАА
ЦАГ
ЦАТ
ЦАЦ
ЦГА
ЦГГ
ЦГТ
ЦГЦ
ЦТА
ЦТГ
ЦТТ
ЦТЦ
ЦЦА
ЦЦГ
ЦЦТ
ЦЦЦ

Нить ДНК имеет толщину 12 атомных диаметров и длину 180 сантиметров на клетку. А всего в теле человека содержится 160 миллиардов километров ДНК. Можно ли с помощью 4 разных символов, расположенных линейно, передать количество информации для управления развитием человеческого тела? Да, можно записать информацию, которой хватит для обеспечения рабочими инструкциями процесса создания и роста каждого человеческого существа с его индивидуальными особенностями.
Молекула нуклеиновой кислоты, входящая в состав клетки, является ее составной частью, а молекула нуклеиновой кислоты вируса не связана жестко, а способна к воспроизводству в условиях чужой клетки. Можем ли мы сказать, что вирус живой? Можем, поскольку он способен создавать себе подобных и мутировать. Мутация - это копия, отличающаяся от оригинала, причем эта разница сохраняется в потомстве мутанта. Появление мутаций вряд ли может вызвать недоумение - удивительно то, что их появляется мало (примерно 1 ошибка на 4 миллиона копий). Многие биохимики считают, что сама по себе спираль ДНК в вирусе живая - именно молекула ДНК, а не белковая оболочка обладает способностью к самовоспроизводству и мутациям.
На уровне молекул термин жизнь оказывается недостаточно точным, чтобы можно было его использовать. Синий и зеленый - точные слова, но от каждого из них мало пользы, если пытаться описывать голубой цвет. Словами растение и животное нельзя описать простейшие формы жизни. Слова птица и пресмыкающееся разграничивают классы животных, но кто такой птеродактиль - земноводная птица или летающий ящер?
Есть основания полагать, что будет построено электронное устройство, которое сможет создавать свои копии и мутировать. Назвали бы вы эту машину живой?
Известны также живые существа (рабочие пчелы), которые не могут размножаться, хоть они и живые. Так что, если даже взять в качестве критерия жизни размножение и мутацию, всё равно понятие о жизни остается туманным. В наши дни много говорят о том, есть ли жизнь на Марсе. Но ведь существует и другая возможность - на Марсе найдут нечто такое, про что никто не сможет сказать, жизнь это или нет.
Вирусы занимают промежуточное положение между молекулами, кристаллами и клетками. Это голубой предмет, который нельзя назвать ни синим, ни зеленым, и язык недостаточно богат, чтобы точно его классифицировать.
Независимо от того, назовем мы нуклеиновую кислоту живой или нет, биологи выделили основную структуру жизни. Пастер утверждал, что асимметрия - ключ к тайне жизни. В каждой живой клетке заложены спирали нуклеиновой кислоты. Она несет информацию, которая необходима живому организму, чтобы вырасти в сложную машину, создающую себе подобных и эволюционирующую посредством мутации. Если белки - строительный материал, то нуклеиновые кислоты - это рабочие чертежи, на которых записана тайна жизни.
Биохимики считают, что самовоспроизводство и мутации - слишком сложные явления, чтобы их можно было осуществить с помощью неуглеродных соединений. Кремний способен реагировать с другими элементами и образовывать многочисленные соединения, но его цепочки короткие и неустойчивые. (Но все-таки именно кремний чаще всего встречается в минералах, образующих земную кору)
Сезонные изменения цвета пятен на поверхности Марса говорят о возможности существования там растений. Весьма вероятна опасность, что марсианские микробы смогут поражать космонавтов, а марсиане окажутся беззащитными перед нашими микробами. В романе Уэльса (который тоже левша) "Война миров" Земля была спасена от марсианского нашествия из-за того, что марсиане не смогли противостоять действию земных микробов. По этой причине биохимики убеждают ученых посылать на другие планеты стерильные аппараты и соблюдать осторожность при возвращении их на Землю.
Замечательная черта жизни - способность организма извлекать из окружающей среды простые вещества и изготовлять из них сложные асимметрические соединения. Например, растения используют воду и углекислый газ и превращают их в крахмал и сахар. Тела всех живых существ насыщены асимметрическими аминокислотами и нуклеотидами. А поскольку у каждой асимметрической молекулы есть зеркальный изомер, жизнь могла бы продолжаться, если бы все организмы превратились в свои отражения. Один организм вряд ли сумел бы выжить, так как оказался бы не в состоянии усваивать асимметрическую пищу. Но если получить зеркальное отражение всех живых существ, то все процессы будут происходить, как и раньше.
« Последнее редактирование: 22 Ноября 2011, 05:50:01 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #19 : 29 Июня 2011, 21:17:28 »

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Как асимметрия возникла в живых организмах? Отчего органические соединения образуются в этой форме, а не в другой? Никто не может дать ответ на эти вопросы, и никто не знает, как зародилась жизнь на Земле.
Нет на Земле такого уголка, где не торжествовала бы жизнь, разнообразная по размеру, форме, цвету, звуку и запаху. Началась ли эволюция живых существ с одной или нескольких молекул? Продолжается ли образование таких молекул до сих пор? Никто не может ответить на эти вопросы, но сейчас накоплен запас сведений по биологии, физике, химии и геологии для обсуждения вопроса о происхождении жизни.
Современные биохимики уверены, что жизнь началась милиарды лет назад с появления в первобытных морях углеродсодержащих молекул нуклеиновой кислоты в соединении с белком, способных к самовоспроизведению. Появление таких молекул вполне объяснимо с точки зрения математических и физических законов.
Трудно найти хотя бы одного биохимика или геолога, который сомневался бы в эволюционной теории. Когда живой организм изготовляет копию себя, она получается точной. И только излучение в виде ультрафиолета, космических лучей или радиации изредка поражает молекулу и меняет порядок атомов в ней. Получается копия, имеющая отличие от оригинала. Если это изменение вредное, мутант имеет мало вероятности выжить и дать изменению распространиться. А если изменение благоприятное, то у мутанта шансы выжить будут выше.
Таким путем естественный отбор приводит к медленным изменениям. Эволюция - это процесс, с помощью которого случайные мутации создают формы жизни, наиболее приспособленные для борьбы за существование.
Если союз природы и случая может создавать новые виды, то он мог создать и первую живую молекулу. От такого предположения жизнь не станет менее чудесной и загадочной.
Возможно, мировой океан, в который попали споры живых молекул из вселенной, оказался подходящей средой для их развития. Шведский химик Аррениус считал, что жизнь на Земле зародилась из спор, которые были занесены метеоритами.
Биохимики готовы признать, что в метеоритах могут содержаться останки погибших организмов. Но они сомневаются в способности живого организма выдержать радиацию при путешествии через космическое пространство.
Фантасты предполагают, что жизнь на Земле могла начаться с микробов, оставшихся после посещения Земли звездными пришельцами.
Но все-таки большинство биохимиков отвергают гипотезу о внеземном происхождении жизни, так как живые организмы могли спонтанно возникнуть и на самой Земле.
Спонтанное образование живого из неживого отстаивали многие биологи - от Аристотеля до Пастера. До признания эволюционной теории было распространено мнение, что даже мыши рождаются из отбросов и грязи. Химики были уверены, что микробы самопроизвольно образуются в стоячей воде. Но Пастер экспериментально доказал, что биологи просто недостаточно защищали свои пробирки от микробов. Сейчас ни один биохимик не думает, что микроорганизмы возникают из неживой материи. Самое большее, что может произойти - это появление полуживых молекул на поверхности моря, где их поглотят микробы.
Тем не менее, спонтанное зарождение могло иметь место миллиарды лет назад, когда условия на Земле отличались от нынешних. В воде океанов содержались аммиак и углекислый газ. В атмосфере не было кислорода, который защищал бы Землю от ультрафиолета. Поэтому простые углеводородные молекулы превратились в сложные высокомолекулярные соединения. Источником энергии также могли быть разряды молний, радиация и космические лучи. За миллиарды лет в океанах могли сформироваться миллионы сложных молекул.
Сперва могли появиться молекулы, способные к воспроизводству приближенных копий, а эти грубые копии, в свою очередь, тоже размножались. Сложность нарастала постепенно и непрерывно, пока не появились молекулы нуклеиновой кислоты.
Многие ученые под влиянием суеверий высмеивали мысль, что случайная комбинация органических молекул может создать сложную структуру. Они считали, что только живой организм или асимметрические продукты его жизнедеятельности могли добиться такого результата. Никакое сцепление атомов, будь у них хоть целая вечность для того, чтобы сталкиваться, образуя всевозможные комбинации, не осуществит подвига создания оптически активного соединения. Только асимметрия рождает асимметрию. Скорее уж обезьяна случайно напечатает пьесу Шекспира:

"Играя на фаготе беспрестанно", -
Говорила умная обезьяна, -
"Сомненья никакого нет,
Я сочиню, хоть через миллионы лет,
Красивую мелодию".

Вероятность того, что обезьяна сыграет связную мелодию, зависит от того, что понимать под словом мелодия. Никто не ожидает, что шимпанзе, размазав краски, создаст репродукцию "Джоконды", но если в понятие живописи включить произведения абстракционистов, то обезьяне трудно будет не создать произведение живописи. (А у Манилова написано, что научить рисовать можно даже лошадь. Рембрандтом она не станет, но копну сена нарисует) Такая же трудность возникает и при попытке оценить вероятность возникновения сложной молекулы.
Американский химик Миллер действительно получил сложные аминокислоты с помощью простой методики. Он смешал в пробирке воду, аммиак, метан и водород, которые воспроизводили первичную атмосферу и гидросферу. Пропуская через эту смесь электрический ток в течение недели, Миллер обнаружил в ней аминокислоты, которых до опыта там не было.
От этого эксперимента еще далеко до нуклеиновой кислоты или белка, но аминокислоты - это кирпичи, из которых строятся белки. Этот эксперимент был повторен многими учеными, которые использовали различные смеси веществ и источники энергии. После таких экспериментов никто не может отрицать возможность создания сложных соединений в результате воздействия энергии на химическую смесь.
Дело в том, что не только случай создавал спиральные химические соединения - там действовали законы физики и химии. Вряд ли горошины на столе образуют правильный симметричный узор. Но молекулы замерзшей воды образуют снежинки, так как электрические силы притягивают и отталкивают молекулы между собой.
Предположим, мы взяли атомы водорода и кислорода и комбинируем их, составляя случайные трехатомные молекулы - H3, H2O, HO2 и так далее. Каковы шансы на то, что в этой смеси все молекулы будут иметь формулу H2O? Получается 1 шанс из 60000. Но мы знаем, что атомы не соединились бы случайно, а все молекулы оказались бы водой, поскольку это единственная трехатомная комбинация кислорода и водорода. Атомы - не липкие шарики, которые могут соединяться как попало. Они образуют только такие комбинации, которые допускают физические законы.
Наши знания об электрических силах, действовавших на атомы в бульоне из углеродных соединений, которые были на Земле, недостаточны для того, чтобы дать оценку вероятности образования той или иной комбинации. Эти молекулы строил не слепой, а зрячий случай, сочетающийся с законами физики и химии. Мы знаем, что условия в те доисторические времена были такие, что молекулам трудно было не соединяться в сложные цепи.
Всего неделя понадобилась Миллеру, чтобы создать аминокислоты в пробирке. Вряд ли кто-либо будет утверждать, что размножающиеся молекулы не могли возникнуть случайно, когда химические смеси в течение миллиардов лет находились под воздействием более мощных источников энергии, чем теперь. Возможно, первые аминокислоты создали миллиарды белковых молекул, затем что-то похожее на нуклеиновую кислоту замкнулось в белковую оболочку, и получилось нечто способное к воспроизведению своего подобия, когда под рукой находились белки. И через миллионы лет первобытный бульон уже мог кишеть примитивными полуживыми организмами. Тогда и началась эпоха эволюции.
« Последнее редактирование: 18 Августа 2011, 23:11:40 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #20 : 29 Июня 2011, 23:01:50 »

ПРОИСХОЖДЕНИЕ АСИММЕТРИИ

Пастер был бы доволен, если бы узнал об эксперименте Миллера. Он был убежден, что жизнь на Земле возникла в результате взаимодействия химических веществ и сил природы. Он признавал также, что органические соединения обладают асимметрией, то есть способны поворачивать поляризованный свет. На него произвело впечатление то, что неорганические соединения встречаются только в симметричной или рацемической форме в виде смеси левых и правых молекул. И только в живых тканях встречаются молекулы одной ориентации.
Пастер верил, что, если бы удалось открыть способ, которым природа ввела асимметрию в органические соединения, он был бы близок к раскрытию тайны жизни. Казалось возможным, что вся среда характеризовалась асимметрией. В результате этого асимметрические силы должны были нарушить симметрию.
Пастер был убежден, что примером асимметрии в природе является магнетизм. Если вы поместите компас над проволокой, по которой от вас течет ток, то стрелка северным концом повернется влево. В действительности это явление только кажется асимметрическим, но во времена Пастера в магнетизме разбирались плохо и думали, что он обладает асимметрией, в отличие от тяготения и инерции. Пастер выращивал кристаллы между полюсами магнита в надежде, что при этом кристаллы образуются в определенной асимметрической форме, и был обескуражен своей неудачей вызвать асимметрию в кристаллах с помощью магнитных сил.
Другой возможностью, с точки зрения Пастера, было то, что солнце движется с востока на запад, вызывая асимметрию в разных веществах. Он полагал, что у Земли имеются северный и южный полюса, комбинация магнетизма с движением солнца может образовать асимметрию. Используя зеркало, он выращивал растения при условиях, когда солнечный свет двигался в обратном направлении - и снова результаты были отрицательными.
Никто не знает, каким образом первые полуживые молекулы получились асимметрическими. Все органические аминокислоты левые. Этого достаточно, чтобы определить направление закручивания белковых спиралей. То же самое относится и к нуклеотидам, которые передают свою закрученность нуклеиновым кислотам. Если первая молекула случайно оказалась левой, а не правой, то левыми стали и все ее копии. Обладай первая молекула обратной асимметрией - вся жизнь получилась бы "не так".
Возможно, что в бульоне первобытных океанов возникали простейшие полуживые молекулы, способные к воспроизведению, и какие-то асимметрические черты окружающей среды сделали их левыми. Высказывалось предположение, что жизнь зародилась в одном полушарии, где асимметрию создала сила Кориолиса. Если бы жизнь зародилась в другом полушарии, то аминокислоты были бы правыми.
Вернадский высказал предположение, что луна была когда-то частью Земли. В момент отделения луны произошел асимметрический толчок, который закрутил влево земные органические молекулы.
А вот еще одна гипотеза. В первобытном бульоне существовали молекулы 2 типов. Каждая из них могла питаться молекулами своей асимметрии. Потом мутация левой молекулы позволила ей питаться правыми соединениями. Ее потомки получили преимущество перед соперниками. Эти наиболее приспособленные мутанты и передали асимметрию потомству.
Но даже без такой мутации молекулы способны вытеснить своих зеркальных двойников. Если подбросить монету 100 раз, то вряд ли 50 раз выпадет орел, а 50 решка. Так же маловероятно, что число левых и правых молекул окажется равным. А более распространенная разновидность уже будет иметь больше шансов на выживание.
Все эти теории гипотетичны. Никто не может сказать, как земная жизнь приобрела этот тип асимметрии. Что произошло миллиарды лет назад, теперь больше не происходит. Во-первых, полуживые молекулы будут поглощены микроорганизмами. А во-вторых, растения наполнили атмосферу кислородом, что позволяет задерживать ультрафиолет, который мог быть источником энергии при образовании органических молекул.
Пастер считал, что асимметрия молекул получилась под воздействием внешних факторов. Противоречие между асимметрией жизни и симметрией живой природы будоражило его воображение. Но Пастер ошибался, думая, что магнетизм является отражением асимметрии.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #21 : 30 Июня 2011, 07:55:41 »

ЧЕТВЕРТОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

Рассмотрим теперь с философской точки зрения асимметрию и четвертое измерение - это должно помочь нам понять физику макро- и микро-мира.
Немецкий философ Кант первым обратил внимание на зеркальные отражения. То, что асимметрический объект может существовать в любой из 2 зеркальных форм, казалось Канту загадочным и таинственным.
Представьте, что перед вами на столе находится трехмерная модель вот таких 2 многогранников. Все свойства этих моделей одинаковы. Каждому ребру одной фигуры соответствует ребро такой же длины у другой фигуры. Их углы дублируют друг друга. Измерениями не удается обнаружить различия в характеристиках моделей. Это идентичные фигуры. И всё же совершенно ясно, что они не одинаковые:


       *      *
      / \    / \
     *   *  *   *
     |\ /|  |\ /|
    /| * |  | * |\
   / | | |  | | | \
  /  | | |  | | |  \
 /   * | |  | | *   \
*   /| | |  | | |\   *
|\ / * | *  * | * \ /|
* * / \|/    \|/ \ * *
 \|/   *      *   \|/
  *                *


Вот как выразил эту мысль Кант в своем труде "Пролегомены ко всякой будущей метафизике": "Что может быть больше похоже на руку или ухо, чем вторая рука и второе ухо? И всё же одну руку нельзя поставить на место другой".
2 предмета обладают совпадающими свойствами и в то же время отличаются друг от друга - в этом заключается одна из причин притягательной силы, с которой зеркальный мир действует на детей. Главная причина - это само появление за стеклом мира, который выглядит реально, но является иллюзией. Если вы хотите позабавить ребенка, поставьте его перед зеркалом. Свет проникает в комнату за стеклом и освещает находящиеся в ней предметы. Иллюзия усиливается, когда человек замечает, что всё в этой комнате "не так". Это та же самая комната, да не та.
В изложении Канта эта история стала запутанной и противоречивой. Поэтому у читателя может сложиться впечатление, что Кант был неотесанный метафизик, имеющий смутное представление о математической науке.
На самом деле Кант хорошо знал математику, был преподавателем физики, и большинство его работ было написано на естественнонаучные темы. Он перешел от математики и физики к философии только в зрелые годы. И нельзя отрицать важности его вклада в философию современной науки.
В первой работе Канта "Мысли об истинной оценке живых сил" можно найти истоки многомерной геометрии. Наше пространство трехмерно - это связано с тем, что силы тяготения распространяются подобно расширяющимся сферам. Их напряженность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. В двумерном пространстве силы должны изменяться обратно пропорционально 1 степени расстояния, в четырехмерном - кубу и так далее. Кант в этой работе придерживался взглядов на пространство, высказанных немецким математиком Лейбницем.
Пространство не имеет реальности вне материальных объектов, оно является приемом для описания связей между объектами. Хотя мысль о 4 измерениях и приходила математикам в голову, они быстро оставляли ее, как не имеющую ценности. Никто не догадывался, что асимметрический предмет может быть вывернут в пространстве высшей размерности. На это указал только немецкий астроном Мёбиус. Поэтому вызывают удивление строки, написанные Кантом: "Наука о пространствах с числом измерений больше 3 будет высшим усилием, которое наш ограниченный разум может предпринять в области геометрии. Может быть, существуют протяженности с другими измерениями. Но такие высшие пространства не принадлежат к нашему миру, а образуют другие миры".
В статье "О первой причине различия между областями в пространстве" Кант отошел от идей Лейбница и принял взгляды Ньютона.  Пространство - это неподвижный эфир, оно имеет свою реальность, не зависящую от материальных объектов. Чтобы установить существование пространства, Кант обращает внимание на неодинаковые двойники - асимметрические фигуры противоположной направленности, такие, как раковины улиток, вьющиеся растения, руки. Существование таких предметов обозначает, что пространство ньютоново. Представим, что в космосе нет ничего, кроме одной руки. Левая она или правая? Поскольку различий между зеркальными отражениями не существует, у нас нет оснований называть ее левой или правой, так же, как бессмысленными являются для этой руки слова маленькая, большая, верх или низ.
Представим теперь, что рядом с рукой материализуется тело без рук. Очевидно, что рука будет левой. Если мы доказали, что это левая рука, то она была левой и до появления тела. Должна же быть какая-то причина для того, чтобы назвать ее левой, даже если она единственное тело во вселенной. Кант считал, что пространство обладает структурой вроде трехмерной решетки, которая дает возможность определить направленность асимметрического объекта.
Современный читатель, знакомый со многомерной геометрией, должен разбираться в словесных трудностях кантовского эксперимента. Вот 1 пример. Пещерный человек изобрел барабан. Он ударяет по чурбану палкой, которую держит в одной руке, и говорит: "Это левая дробь". Потом он ударяет палкой, которую держит в другой руке, и говорит: "А это правая дробь". "Откуда ты знаешь, которая из них какая?" - спрашивает его зритель. Барабанщик говорит: "У меня на одной руке родинка".
Посмотрим, какое отношение имеет это к ошибке Канта. Представим плоскую руку. Она асимметрическая, но бессмысленно говорить, левая она или правая, поскольку мы можем посмотреть на эту руку с обеих сторон и увидеть ее в зеркальных формах. Положение изменится, если мы введем безрукого двумерца. Это не значит, что рука была левой или правой до его появления, так как появиться он может в 1 из 2 модификаций. Если положить его на плоскость одним способом - рука будет левой. Положите его по-другому - рука станет правой.
Значит ли это, что рука меняет асимметрию, или сердце двумерца перескакивает? Ни рука, ни двумерец не меняются, а их расположение в пространстве изменилось. Дело тут только в словах. Отдельную руку можно назвать как угодно. То же самое относится и к сторонам тела двумерца. Только когда в одном и том же пространстве присутствуют 2 объекта, и на одном ярлыки уже повешены - на другом нельзя вешать их произвольно. (Вот таким же образом, прослушивая Love Songs фирмы Balkanton на новом проигрывателе, стереодорожки которого зеркальны старому, я и определила, что песни с этого двойного альбома - тоже зеркальное отражение песен с альбомов-источников, так как только у этих песен, прослушанных на этом проигрывателе, стереодорожки расположены нормально, а на любых других пластинках переставлены)
Важно, что начальный выбор слова произволен. Пещерный житель, который назвал левой ту руку, на которой родинка, сделал разумный первый шаг. Никакого парадокса в этой ситуации нет, поэтому нет необходимости вводить ньютоново пространство.
На самом деле даже неподвижный эфир не поможет определить, левая рука или правая, если в самой структуре пространства не содержится асимметрии. Если рука находится в сферическом, коническом, цилиндрическом или кубическом мире, положение наше будет не лучше, чем раньше. А если весь мир имеет форму руки - тогда другое дело. Мы можем назвать космическую руку левой, тогда изолированную руку, которая имеет противоположную асимметрию, можно будет назвать правой.
Кант понял, что его эксперимент ничего не доказывает. Тогда он на основе зрелых размышлений объединил взгляды Ньютона и Лейбница, создав свою систему трансцедентного идеализма: "Ньютон был прав, что пространство не зависит от материальных тел, а Лейбниц был прав, отказывая пространству в реальности". Это идеальный субъективный способ восприятия реальности, лежащей за пределами нашего понимания.
По Канту, пространство и время подобны стеклам очков. Реальный мир сознание непосредственно не возпринимает - мы видим его через пространственно-временнЫе очки. Реальный объект, названный Кантом вещью в себе, существует трансцедентно и не познаваем. Наш опыт опирается на чувственные восприятия - зрение, слух, осязание, обоняние и вкус. Эти восприятия окрашены субъективными представлениями о пространстве и времени, как цвет предмета зависит от освещения, а форма тени меняется в зависимости от того, на какую поверхность она упала.
"В чем же тогда решение?" - спрашивает Кант. - "Отраженные в зеркале предметы являются чувственными интуициями, то есть явлениями, возможность которых покоится на связи между неведомыми вещами в себе и нашими ощущениями".
Теперь с помощью современной терминологии и в свете современных знаний Кант выразил бы свою точку зрения примерно так:
Математики 18 века еще не осознали, что евклидову геометрию можно обобщить на любое число измерений. Отрезок - одномерная фигура, квадрат - двумерная, куб - трехмерная. Эту картину можно продолжить. Каждая сторона четырехмерного гиперкуба образует прямые углы с остальными. Нет причин, по которым не мог бы существовать и пятимерный, шестимерный, семимерный мир - иерархия бесконечна. И на каждом ее уровне евклидова геометрия такая же точная и согласованная, как на плоскости и в пространстве.
Математические методы раскрывают свойства фигур в высших пространствах, но наше мышление находится в плену трехмерного пространства и одномерного времени. Мы не можем представить себе вещь вне пространственных измерений и временнОй протяженности. В будущем, после соответствующей тренировки, когда человеческий ум превратится в более мощный инструмент, мы сможем научиться мыслить в 4 пространственных измерениях, а сейчас мы этого не умеем. Мы смотрим на мир через пространственно-временнЫе очки и представляем себе только трехмерные построения, имеющие длительность времени.
Предположим, что за пределами нашего воображения существует трансцедентный мир, четырехмерное пространство. Как будут выглядеть в этом гиперпространстве асимметрические многогранники, которые являются отражением друг друга? Математика дает ответ: эти многогранники будут наложимы один на другой.
Чтобы понять это, посмотрим на двумерное пространство:

+-+     +-+
| |     | |
| +-+ +-+ |
|   | |   |
+---+ +---+


Двумерцы на плоскости были бы озадачены вот такими асимметрическими фигурами, как Канта озадачивали уши. Как могут быть эти предметы похожи и в то же время не наложимы? Мы, жители трехмерного пространства, можем это понять. Фигуры одинаковые, но несчастные двумерцы глядят на всё через очки двумерного пространства и не могут представить, что эти фигуры наложимы. Мы можем это доказать, перевернув одну из них и наложив на другую. Поскольку двумерцы не могут себе представить трехмерное пространство, они подумают, что произошло чудо - асимметрический объект перешел в зеркальное отражение. И в то же время мы с этим предметом ничего не сделали - только изменили его ориентацию в двумерном пространстве.
Асимметрические многогранники тоже могут быть наложены друг на друга. Но мы не можем смотреть на них через трансцедентные очки четырехмерного пространства - вот они и кажутся нам разными. Если бы мы могли вращать их в 4 измерениях, то получили бы одинаковые многогранники.
Кант таких взглядов не выражал, но вполне мог бы рассуждать таким образом, будь к его услугам современные математические знания. Лейбниц тоже интуитивно понимал еще не открытые тогда высшие пространства. Он рассматривал вопрос о том, что произошло бы, если бы мир перевернулся.
« Последнее редактирование: 22 Июля 2013, 00:37:23 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #22 : 30 Июня 2011, 19:26:12 »

ГДЕ ЛЕВО, ГДЕ ПРАВО?

Стоял ученик на развилке дорог,
Где лево, где право, узнать он не мог.
Тогда ученик в голове почесал
Той самой рукою, которой писал,
И ложку держал, и страницы листал,
И мячик гонял, и полы подметал.
"Победа!" - раздался ликующий крик:
Где лево, где право, узнал ученик.

Валентин Берестов

ЛЕВО     ПРАВО
           
   
           
   
           
   
           
   
           
   

Раньше считали, что планеты встречаются редко. Возможно, что жизнь в космосе ограничена только солнечной системой. Но теперь астрономы подозревают, что планеты во вселенной - обычное дело. Их миллиарды в одной только Галактике, и на миллионах из них может быть жизнь. А если так, то жители некоторых планет, обладающие научными знаниями, могут связаться с другими планетами.
На основе такого предположения антенну радиотелескопа направляли на различные звезды в надежде услышать передачу из другого мира. Этот радиотелескоп терпеливо слушает, надеясь поймать зашифрованный сигнал или последовательность чисел, которая может прийти из разумного источника, понимающего законы математики. Трудно представить переворот, который этот прием произведет в нашем антропоцентрическом, связанном с Землей образе мышления.
Что должны мы делать, если услышим такой сигнал? Китайский физик Янг Чженьнин предложил не отвечать. Эта реакция нетипична. Математики и логики занимаются разработкой процедур, с помощью которых планеты могут выработать общий язык для разговора друг с другом. Этот язык называется линкос - лингвистика космоса.
Для регулярной связи должен быть использован импульсный код. После того, как контакт установлен, передача зрительных образов будет несложным делом. Необходимо разбить прямоугольник на квадратные ячейки, а затем, просматривая его сверху вниз и слева направо, передать двоичный код из нулей и единиц. Эти картинки можно передавать с помощью телевизионного луча. ВременнЫе интервалы (4 световых года до ближайшей звезды) вносят осложнения, но планеты будут в конце концов общаться так же просто, как земные народы, говорящие на разных языках - это лишь вопрос времени.
Обратите внимание на выражение слева направо. Если обитатели планеты Икс просматривают свой прямоугольник справа налево - у них получится зеркальное отражение картинки. Как сообщить им, где лево, а где право?
Предположим, что мы установили постоянную связь с планетой Икс с помощью линкоса и картинок. Вверх - направление от центра планеты, вниз - к центру. Вперед-назад тоже не проблема. Но как объяснить им смысл третьей координаты? Можем ли мы быть уверены, передавая им изображение правой спирали, что они получат именно правую спираль? Если они придают словам слева направо такой же смысл, что и мы - картинки совпадут. Но если их направление считывания противоположно нашему - правая спираль воспроизведется в форме левой. Короче говоря, каким образом мы сможем передать на планету Икс, где лево, а где право?
Вот точная формулировка этой старой проблемы: существует ли способ передать, где лево, а где право, языком импульсных сигналов? Мы можем говорить нашим слушателям что угодно и просить их выполнить любые эксперименты, но с одним условием - не должно быть никакого асимметрического объекта или структуры, на которую они и мы могли бы посмотреть вместе.
Без этого условия нет никакой проблемы. Пусть мы послали на планету Икс ракету с пометками вверх, вниз, влево и вправо. Или мы можем послать им поляризованный радиолуч. Жители планеты Икс построят антенны, позволяющие отличить левую поляризацию от правой. Наконец, мы можем попросить их направить телескоп на асимметрическое созвездие. Но - все эти методы нарушают запрет на совместное наблюдение асимметрических предметов и структур.
Может ли инструкция по вычерчиванию узора или графика, переданная на планету Икс, разъяснить ее обитателям, где лево, а где право? Конечно, нет. Пока мы и планета Икс не понимаем левое и правое одинаково, нет способа объяснить им, какую картинку мы имеем в виду.
Может быть, химия дает способ отличить, где лево, а где право? Можем ли мы объяснить планете Икс, как различить кристаллы окиси кремния или сульфида ртути, которые поворачивают поляризованный свет? Да, но не по образцам кристаллов, найденных на планете. Без согласованного понятия о левом и правом мы не можем узнать, какой тип кристалла они вырастили в лаборатории.
Подобная двусмысленность возникает при использовании любых оптически активных изомеров. Каждое асимметрическое соединение может существовать в левой и правой формах. Мы можем достичь взаимопонимания с планетой Икс о том, что такое винная кислота, но как мы узнаем, левую или правую форму они получили?
А как с асимметрией органических соединений? Все аминокислоты и нуклеотиды на Земле левые, а спирали белков и нуклеиновых кислот правые. Можем ли мы дать определение левого и правого через структуру асимметрических соединений? Конечно, нет. Мы же не можем знать, какие у них аминокислоты - левые или правые.
Можно ли, взяв за основу направление вращения планеты, определить, где лево, а где право? Вращение Земли можно установить с помощью маятника Фуко. Инерция качающегося маятника сохраняет плоскость колебаний, а планета под маятником вращается. Поэтому в северном полушарии маятник Фуко перемещается в одну сторону, а в южном - в другую. Мы не можем сказать: "Встаньте лицом в сторону вращения планеты, тогда слева будет север". То же самое относится и к силе Кориолиса: "Пустите ракету на северный полюс, и она будет отклоняться вправо". Подобные утверждения будут неопределенными, пока мы не договоримся, какой полюс северный.
Возможно, у планеты Икс есть магнитное поле, связанное с вращением. Но мы не можем сказать, что северный полюс всегда слева, если стать лицом по направлению вращения - он может находиться и справа. Луна вращается медленно и магнитного поля не имеет.
Остается одна возможность - асимметрические явления, связанные с электромагнитными силами. Возьмем известный пример: если вы охватите проволоку левой рукой, чтобы большой палец указывал направление движения электронов (от отрицательного полюса к положительному), остальные пальцы покажут направление магнитного поля (правило левой руки).
Перед нами пример асимметрии. Мы можем объяснить жителям планеты Икс, как соорудить батарею. Не сможем ли мы сказать, как только договоримся о направлении тока: "Поместите над проволокой магнитную стрелку, встаньте лицом по току - тогда северный конец стрелки покажет влево"?
Этот эксперимент выполнит свою роль, если у нас будет однозначный способ сообщить жителям планеты Икс, какой конец магнитной стрелки северный.
« Последнее редактирование: 01 Октября 2011, 22:02:11 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #23 : 30 Июня 2011, 21:13:45 »

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Представьте проволоку, натянутую с севера на юг. Компас показывает на север. Пропустим ток на север - стрелка повернется на запад. Если изменить направление тока - стрелка повернется на восток.
Физики считали, что этот эксперимент нельзя наложить на зеркальное отражение, так как северный конец стрелки показывал бы неправильное направление.
Интуиция заставляет нас ожидать, что электромагнитное поле не отдает предпочтения левому и правому. Но винтовая асимметрия является существенной чертой эксперимента с проводом и компасом.
Не может ли такой буравчик послужить основой для определения, где лево, а где право? Нам стоит попросить наших друзей с планеты Икс поставить эксперимент, а потом мы назовем левую сторону, в которую показывает стрелка, когда ток течет от нас.
Но мы не способны сообщить на планету Икс, какой полюс магнита северный. Если у всех магнитов раскрасить северные полюса синим, а южные красным, мы могли бы сказать планете Икс, что синий полюс северный. Но между полюсами магнита никакой разницы нет - их сила одинаковая, плавающая стрелка не обнаруживает стремления дрейфовать к северу или к югу. Если магнит окунуть в порошок железа, частицы образуют на поверхности узор, одинаковый на обоих концах - он не позволяет отличить один полюс от другого.
А откуда знает тот, кто делает компас, какой конец стрелки северный, а какой южный? Он узнаёт это при помощи магнитного поля Земли - северный полюс стрелки притягивается южным магнитным (то есть северным географическим - одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются) полюсом Земли. Но мы не можем рассказать обитателям планеты Икс, какой конец земной оси вращения называется северным.
Если намотать проволоку в виде катушки и пропустить по ней ток, получится электромагнит. Намотку можно производить по-разному, так что северным концом может быть любой. Нельзя ли послать на планету Икс инструкции по изготовлению электромагнита, который можно использовать для определения северного полюса других магнитов?
Проволока может образовывать и левую, и правую спираль. Если электроны движутся по правой спирали, ток будет направляться к южному полюсу. Какой полюс где помещается, можно определить с помощью правила левой руки. Так что мы не сумеем объяснить, какой конец электромагнита северный, если не сможем растолковать, где лево, а где право.
Физики предпочитают формулировать это таким образом: различие между северным и южным полюсами - вопрос договоренности. Так как одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются, необходимы разные названия полюсов. Северный полюс магнита притягивается северным географическим полюсом Земли, а южный - южным. Это просто удобные названия. Магнитное поле симметрично относительно середины магнитной оси. Если бы у всех магнитов северные полюса стали южными и наоборот, перемену невозможно было бы заметить - как если бы вселенная перевернулась вверх дном.
Но ситуация продолжает оставаться загадочной. Магнитная стрелка ведет себя асимметрическим образом, когда мы помещаем ее над проволокой с током. Хотя мы не можем установить, каким полюсам соответствуют концы магнитной стрелки, ясно, что один северный, а другой южный. Если мы раскрасим северный полюс в красный цвет, то красный конец будет указывать влево, если мы расположим стрелку над током, текущим от нас. И как можно объяснить эту асимметрию, но в то же время утверждать, что электромагнитные поля симметричные?
Физики обнаружили, что магнит обладает подобными свойствами вследствие круговых движений заряженных частиц. Чтобы объяснить это, рассмотрим модель атома, построенную датским физиком Нильсом Бором.
Вокруг ядра по орбитам движутся электроны, сгруппированные в оболочки. Электрон - это отрицательный квант, а протон - положительный. Если атом находится в незаряженном состоянии, число электронов равняется числу протонов в ядре. Кроме того, в ядре могут находиться и незаряженные нейтроны.
Ядро простейшего атома - водорода состоит из 1 протона, вокруг которого вращается электрон. Если в ядре находится еще и нейтрон, получается тяжелый изотоп, который называется дейтерием.
Ядро следующего атома - гелия содержит 2 протона и 2 нейтрона, а вокруг него вращаются 2 электрона.
Электрон, вращающийся вокруг ядра, приводит к появлению магнитного поля, перпендикулярного плоскости орбиты - это называется орбитальный магнитный момент. С северного конца его оси видно, что электрон вращается по часовой стрелке:

  N
 -->
|   |
 <--
  S


Кроме орбитального движения, у электрона есть еще одно вращение - вокруг своей оси. Оно называется спИн (в переводе - волчок или веретено). Это вращение тоже создает магнитное поле - спИновый магнитный момент. И опять с северного конца оси видно, что электрон вращается по часовой стрелке:

  N
<----
  S


Такие же поля создаются спИнами протонов и даже нейтронов. Частицы со спИном действительно ведут себя как волчки, которые не поддаются попыткам повернуть их ось.
Если в атоме оси магнитных моментов ориентированы в одну сторону, магнитные поля складываются - и получается сильное поле. А если оси ориентированы в разные стороны, поля друг друга компенсируют - и результирующее поле ослабевает. Например, в атомах инертных газов, у которых внешние оболочки целиком заполнены электронами (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон), электроны вращаются по орбитам в разных направлениях, и спИны тоже скомпенсированы. Поэтому у них нет результирующего магнитного момента. А другие атомы обладают результирующим магнитным полем, поскольку магнитные моменты у них не скомпенсированы. Такой атом создает магнитное поле с северным и южным полюсами - он ведет себя, как сферический магнит.
Атом железа обладает мощным магнитным полем из-за разбаланса электронных спИнов. Каждый атом ведет себя, как шарообразный магнит. Он занимает фиксированное положение в кристаллической решетке железа, но может вращаться в разных направлениях. Намагничивание - это поворот атомов таким образом, чтобы их магнитные оси стали параллельными. Они усиливают друг друга, и появляется магнитное поле.
Сила этого поля имеет свои пределы. Расположение атомов железа можно сравнить со множеством людей, смотрящих в разные стороны. Чем больше лиц обращено к оратору, тем сильнее его магнитное поле. Оно достигает насыщения, когда все смотрят в одну сторону - более мощного поля уже не создать.
(вставка из Перельмана)
Чтобы ответить на вопрос, как намагничивается железо, надо разъяснить, чем отличается магнит от немагнитного железа. Каждый атом железа мы можем представить как маленький магнит. В ненамагниченном железе атомы расположены беспорядочно, так что действие каждого уничтожается действием противоположно расположенного атома. А в магните все атомы расположены упорядоченно - одноименными полюсами в одном направлении.
Что происходит в железе, когда его натирают магнитом? Силой своего притяжения магнит поворачивает атомы железа одноименными полюсами в одну сторону. Отсюда легко понять, как надо действовать при намагничивании железа - надо приставить к концу полюс магнита и, плотно прижимая, вести магнит вдоль. Этот простой и древний прием годится только для получения слабых магнитов небольшого размера. Сильные магниты можно получить с помощью электрического тока.
Представьте полк солдат, построенный шеренгами. Каждый солдат может поворачиваться в любом направлении. 18 солдат в одном прямоугольнике смотрят на север, а 18 в другом - на юг. Каждая группа изображает область атомов железа. По команде кругом вторая группа начинает выполнять поворот, но не одновременно, а по очереди - пока все солдаты не повернутся на север. И по мере того, как они выполняют поворот, граница между группами постепенно смещается к югу. Это дает картину поведения атомов железа в процессе намагничивания.
Физиков всегда озадачивало то, что невозможно создать однополюсный магнит. Их смущало, что, разрезая магнит пополам, они всегда получали магниты меньшего размера, но у каждого был полный комплект полюсов - северный на одном конце, южный на другом.
Современная теория магнетизма полностью раскрывает эту загадку. Представьте магнит в виде цилиндра со стрелкой, указывающей направление вращения атомов:

+---+
|   |
|-->|
|   |
+---+


Именно это вращение внутри цилиндра делает его магнитом. С северного конца цилиндр вращается по часовой стрелке, а с южного - против. Полюса - просто этикетки на зеркальных концах вращающегося цилиндра:

-->
|N|
<--

<--
|S|
-->


Нетрудно догадаться, что однополюсных магнитов нет - любой кусок магнита будет иметь северный и южный полюса. Однополюсный магнит - это цилиндр с единственным торцом. Даже у магнитного диска одна сторона северная, другая южная. Магнитный диск с 2 северными сторонами - это колесо, вращающееся по часовой стрелке с обеих сторон. Так же невозможно разрезать магнит пополам, не получив 2 его уменьшенные копии, как разрезать пополам цилиндр и не получить 2 цилиндров.
Теперь можно понять, что попытка изменить магнитное поле не приводит к асимметрии. Представьте все магнитные поля в виде цилиндров со стрелками. Поднесите цилиндр к зеркалу - его можно наложить на отражение, и стрелки совпадут. Если бы вместо цилиндров были конусы, тогда они были бы асимметрическими. Но у цилиндров торцы одинаковые.
Цилиндры симметричны, но когда 2 вращающихся цилиндра сближаются, могут возникнуть различные ситуации. Если сближаются разноименные полюса, направления вращения совпадают, и возникает притяжение. А если полюса одноименные, направления вращения противоположны, и цилиндры отталкиваются. Для удобства можно повесить на торцы разные ярлыки. Если мы решили, что написать на одном конце цилиндра, вопрос решается и для остальных магнитных полей во вселенной. Северный полюс магнита притягивается северным географическим полюсом Земли. А раз такое решение принято - наименование полюсов каждого магнитного поля производится в соответствии с этим выбором.
Теперь ясно, что мы не можем воспользоваться опытом с магнитной стрелкой и током для передачи на планету Икс сообщения, где лево, а где право. Поскольку оба конца цилиндра одинаковые, как зеркальные отражения друг друга, мы не можем сказать обитателям планеты Икс, какой конец северный, а какой южный.
Данный эксперимент можно смоделировать. По движущейся ленте бежит морская свинка. Верхняя часть ленты движется на север. В сторону бежать некуда, а повернуть назад трудно - поэтому зверек бежит на юг. Если повернуть свинку на запад, она должна повернуться налево, чтобы восстановить первоначальное положение. Направо морская свинка не повернет, чтобы не бежать назад. Казалось бы, можно воспользоваться этим методом для определения, где лево, а где право. Но в действительности этого сделать нельзя, так как морская свинка симметричная. И чтобы разъяснить планете Икс, какая сторона слева, если смотреть навстречу движению ленты, мы должны сперва сказать, где у морской свинки лево, а где право.
« Последнее редактирование: 22 Ноября 2011, 12:43:26 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #24 : 30 Июня 2011, 22:52:31 »

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЧЕТНОСТИ

Если бы вы попросили у физика найти решение этой проблемы, то получили бы ответ - решения не существует. Нет способа передать, где лево, а где право, жителям планеты Икс без привлечения конкретной асимметрической конфигурации - расположения звезд, поляризованного света и так далее. Невозможно предложить эксперимент, по результатам которого можно было бы определить, где лево, а где право.
Когда в природе что-нибудь остается неизменным, физики выражают это постоянство в форме закона сохранения. Например, закон сохранения массы и энергии утверждает, что количество массы и энергии в природе постоянно. Масса может переходить в энергию и наоборот, в соответствии с формулой Эйнштейна E=M*C^2, где E - энергия, M - масса, а C - скорость света, но при этом не происходит увеличения или потери ни массы, ни энергии. А закон сохранения четности предполагает неизменность симметрии вселенной, когда не отдается предпочтения ни левой, ни правой стороне.
Четность введена математиками для разграничения чисел - если оба числа четные или нечетные, то их четности одинаковые, а если одно четное, другое нет, то разные. Это понятие может быть применено и к любой другой ситуации, когда предметы разделяются на взаимоисключающие классы. Возьмем 3 монеты орлом вверх. Будем переворачивать монеты по одной в любом порядке. Если общее количество переворачиваний четное - мы получим 3 орла или 1 орел и 2 решки. А если нечетное - получится 3 решки или 1 решка и 2 орла. Первый набор комбинаций имеет положительную четность, а второй - отрицательную. Четность сохраняется при четном числе переворачиваний и изменяется при нечетном.
Понятие четности может быть применено и к вращающимся телам. Рассмотрим верхний вращающийся цилиндр:

+-A-B-+
|     |
|---->|
|     |
+-----+
-------
+-----+
|     |
|---->|
|     |
+-A-B-+


Положение цилиндра может быть определено относительно координатной системы 3 перпендикулярных осей, называемых абсциссой, ординатой и аппликатой. Местонахождение любой точки определяется 3 числами. Каждое из них дает измеренное соответственно вдоль оси абсцисс, ординат и аппликат расстояние от данной точки до плоскости, проходящей через начало координат перпендикулярно этой оси.
Нижний цилиндр образуется, если во всех тройках координатных чисел заменить аппликату на противоположную. При вращении обоих цилиндров по стрелке точка A движется в точку B - это значит, что они вращаются в одном направлении. Нижний цилиндр перевернут относительно верхнего, но поскольку его торцы идентичны, то и сами цилиндры одинаковые.
Рассмотрим теперь верхний вращающийся конус:

*-A-B-*
 \-->/
  \ /
   *
-------
   *
  / \
 /-->\
*-A-B-*


Внизу изображен конус, образующийся при замене всех аппликат на противоположные. Одинаковые ли эти 2 тела? Нет, они зеркальные. Если поставить верхний конус основанием вниз, то направления вращения не совпадут, а если сохранить направления одинаковыми, то придется оставить конусы вершинами навстречу.
Симметричная система при обращении любой координаты не меняется, поэтому она имеет положительную четность. Асимметрические системы при таком преобразовании переходят в зеркальные отражения, поэтому они обладают отрицательной четностью. Нечетное число перемен знаков координат переводит систему в ее отражение - например, если изменить знаки у всех координат. А четное число изменений оставляет систему неизменной - если зеркальное отражение отразить в зеркале, мы получим то, с чего начинали. Поэтому 2 зеркала, которые меняют направление 2 осей, дают неперевернутое изображение. Но если система симметричная, то и четное, и нечетное число изменений знака не приводит к ее изменению.
Эти математические понятия могут быть применены и в физике - а именно связаны с волновыми функциями. Каждая функция зависит от пространственных координат. Если изменение знака 1 или 3 координат оставляет функцию неизменной, она положительная или четная. О функции, которая меняет знак, говорят, что она отрицательная или нечетная.
Эксперименты и теоретические соображения показывают, что в изолированной системе четность сохраняется. Пусть положительная частица распадается на 2. Эти новые частицы будут или обе положительные, или обе отрицательные (минус на минус всегда дает плюс, как сказал Чехов). В обоих случаях четность сохраняется. А в случае распада положительной частицы на положительную и отрицательную четность не сохранялась бы.
Венгерский физик Вигнер доказал, что сохранение четности основано на том факте, что силы взаимодействия элементарных частиц симметричны. Иными словами, нарушение четности эквивалентно нарушению симметрии. Физики давно знают, что симметрия существует в макро-мире планет и бильярдных шаров. Эта же симметрия распространяется до атомного и субатомного уровней. Природа не отдает предпочтения левой или правой стороне.
Это не значит, что в мире нет асимметрии, а говорит о том, что всё в природе может происходить и влево, и вправо. Например, Земля вращается относительно звезд в определенную сторону. Но эта астрономическая асимметрия - случайность в развитии Галактики. Возможно, что существуют планеты, вращающиеся по орбитам в противоположную сторону. (Например, есть сведения, что Венера вращается вокруг своей оси не только медленнее, чем вокруг солнца, но и в обратную сторону)
Сердце человека смещено влево. Это не предполагает асимметрии основных законов - левое положение сердца случайно. Можно представить себе организм, имеющий сердце справа. Здесь мы имеем пример асимметрической структуры, которая может быть левой и правой, но правая встречается редко. Закон сохранения четности не утверждает, что оба типа асимметрических структур и систем должны встречаться одинаково часто. Он указывает, что в законах природы не содержится ничего, что препятствовало бы существованию левых и правых форм.
Физики объясняют симметрию вселенной следующим образом. Явление природы сфотографировано таким образом, что мы видим не истинную картину, а зеркальное отражение. Можно ли установить, что мы имеем дело с отражением, а не с оригиналом? Конечно, нет. Мы бы ответили на вопрос, если бы увидели созданные людьми асимметрические фигуры - буквы, цифры, часы и так далее. Однако мы имеем дело с процессами природы, в которых отсутствует искусственная асимметрия, внесенная живыми существами. Например, мы сфотографировали химическую реакцию или каплю масла на поверхности воды. Мы не имеем возможности установить, отражена ли эта картина.
Зеркальное отражение левого кристалла напоминает картину правого кристалла. Мы не сможем отличить наш случай от того, когда наблюдается неперевернутый правый кристалл. Раскрасим в синий цвет конец магнитной стрелки и сфотографируем эксперимент со стрелкой и проволокой. В зеркале синий конец будет показывать ложное направление. Но если бы мы увидели эту картину, не зная, как она получена, то решили бы, что в синий цвет раскрашен южный конец стрелки - и это бы всё объяснило. Если полюса магнита не обозначены буквами, зеркальное отражение магнита не содержит никаких деталей, позволяющих убедиться в том, что это отражение.
Это просто иная формулировка проблемы. Если бы нарушалась четность и демонстрировалось предпочтение левого или правого, это дало бы нам решение проблемы. Нам бы осталось сообщить ученым планеты Икс, как поставить такой эксперимент. По асимметрии они бы сразу поняли, где лево, а где право.
Вот сюжет одной научно-фантастической повести, где использован закон сохранения четности. Земля подверглась нападению инопланетян. Лаборатория по производству спиралей-геликонов разрушена. Ближайший пункт, где их можно найти - это планета на окраине Галактики, колонизованная землянами. За ними посылается экспедиция. На обратном пути груженный геликонами корабль сталкивается с метеоритом и попадает в четырехмерное пространство. Оказавшись снова в трехмерном пространстве, он вынужден остановиться на неизвестной планете. Капитану ясно, что, если корабль совершил нечетное число оборотов, он должен зеркально преобразоваться вместе с тем, что находится на борту. А это значит, что геликоны испортились. Перед капитаном встает вопрос - как до возвращения на Землю установить, произошло это или нет? Рассматривать асимметрические надписи бесполезно, так как преобразовалось всё - в том числе и сами космонавты.
Планета не населена, но она состоит из тех же элементов, что и Земля, на ней действуют те же физические законы. На корабле имеется лаборатория. Можно ли поставить эксперимент, который бы установил, что корабль подвергся зеркальному преобразованию? Такого эксперимента не существует. Законы природы симметричны, четность сохраняется. Даже если на планете есть организмы, содержащие асимметрические аминокислоты - это не принесет никакой пользы, поскольку аминокислоты могут быть и правыми.
« Последнее редактирование: 01 Июля 2011, 00:15:08 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #25 : 30 Июня 2011, 23:16:23 »

А вот что я предлагаю (это лирическое отступление - отдых перед более сложными главами).

Первый способ:

не должно быть никакого асимметрического объекта или структуры, на которую они и мы могли бы посмотреть вместе

Ловлю на слове: нельзя на одно и то же смотреть - это еще не значит, что нельзя одно и то же слушать. Лучше всего для этого подходят песни Высоцкого в оркестровке Гараняна (слева пианино, справа труба) или Шан Дю Монд (слева соло-гитара, справа ритм-гитара).
Но... этот способ дает осечку. Мало того, что стереоколонки можно расставить как угодно - еще и не всякая песня подойдет. Например, такие песни, как "Она была в Париже" (оркестровка Гараняна) и "Певец у микрофона" (Шан Дю Монд), в интернете чаще всего встречаются с обратным расположением стереодорожек. Да и не только они. У Крымовой инвертированы и "Кони привередливые", и "женские арии" в оркестровке Гараняна. А на двойной пластинке "Сыновья уходят в бой" Шан Дю Монд инвертированы "Черные бушлаты".
Кстати, вполне возможно, что Кашпировский именно поэтому и взял в качестве своих позывных "Певца у микрофона" Шан Дю Монд, что эта песня ВСЕГДА инвертирована.

Второй способ:

передать двоичный код из нулей и единиц

Вперед-назад тоже не проблема

Изучая старую карту Днепропетровска, я подметила одну закономерность: если идти по улице (но не по набережной) так, чтобы вперед номера шли по возрастанию, а назад по убыванию - слева будут преобладать номера домов с единицами, а справа с нулями (имеется в виду остаток от деления номера дома на 2). Эта закономерность сохраняется в нумерации как левобережных, так и правобережных улиц.
Но... оказывается, что и этот способ дает осечку. На новой, более подробной карте Днепропетровска мной замечена одна маленькая улица в новом районе (не удивительно, что на старой карте ее нет). Район называется Приднепровск, а улица - Электрическая. Не связана ли ее зеркальная нумерация с тем, что это не просто левый берег, а левый берег левого берега (именно там Самара впадает в Днепр), в то время как основная левобережная часть - правый берег левого берега? Но ведь остальные улицы в этом районе нумеруются, как и везде. Откуда же взялась такая необычная улица?
Кстати, в википедии написано, что есть даже целые города, где зеркальная нумерация преобладает - это Ленинград и Томск.
« Последнее редактирование: 01 Июля 2011, 09:58:01 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #26 : 01 Июля 2011, 09:25:55 »

АНТИВЕЩЕСТВО

Прошло несколько лет, и закон сохранения четности был нарушен - в эксперименте симметричная система переходила в асимметрическую. Выявилась некоторая асимметрия структуры элементарных частиц определенного типа. И если бы капитан космического корабля мог поставить подобный эксперимент, по результату опыта он мог бы установить, испытал ли корабль отражение.
Этот эксперимент не имеет зеркального двойника - то есть зеркальный эксперимент не может быть выполнен. Это как раз тот опыт, который разрешает проблему.
Однако сначала мы рассмотрим античастицы и странную гипотетическую антиматерию. Существование античастиц связано с нарушением закона сохранения четности.
Теоретические представления о строении материи, подобно маятнику, колеблются от простых к сложным и обратно. Древние греки представляли все вещества как комбинацию земли, воздуха, воды и огня. Потребовалось около 2000 лет, чтобы развитие химии привело к необходимости различать более 80 элементов, состоящих из атомов определенного сорта. Эти атомы и были элементарными частицами, пока представления о строении материи снова не качнулись к простоте. Различие между атомами объясняется в рамках модели, включающей 3, а не 4 вида элементарных частиц - протоны, нейтроны и электроны.
Затем маятник снова качнулся - в настоящее время физики обнаружили от 30 до 100 различных частиц. Неясно, какие частицы элементарные, а какие - разные состояния одной частицы. Эта сложность заставляет физиков упростить ее, как на основании модели Бора удалось объяснить периодическую таблицу Менделеева.
Известное трио - протон, нейтрон и электрон - не было твердо установлено, пока Чедвик в Кембридже не уловил нейтрон (электрон открыт Томсоном, тоже в Кембридже, а существование протона было установлено Резерфордом (написание вульгарное, но лучшего так и не придумали) в Манчестере). Однако спокойствию физиков был нанесен удар. Некий Карл Андерсон, просматривая траектории космических частиц в камере Вильсона, обнаружил след частицы, похожей на электрон, которая искривила свою траекторию наоборот. Андерсон назвал эту частицу положительным электроном, или позитроном.
В настоящее время каждая частица имеет античастицу. Эти частицы подобны друг другу, но знак некоторой положительной или отрицательной величины у них отличается. Если частица заряжена, античастица имеет противоположный заряд. Есла она обладает магнитным моментом, античастица имеет противоположный знак. К-мезон и К-антимезон не имеют ни заряда, ни магнитного момента, но отличаются так называемой странностью. При соединении частицы и античастицы эти обратные величины уничтожаются, превращаясь в фотоны и мезоны. Для фотона и П-мезона античастица совпадает с частицей.
Большинство физиков не верили в существование античастиц. Только физик-теоретик Дирак предложил дырочную теорию частиц, напоминающую игру "15":

1 2 3 4
5 6 7 8
9 10 11 12
13 14 15

Расположения чисел в этой игре распадаются на 2 класса противоположной четности - в одном случае можно сложить числа по порядку, а в другом нет. Когда квадратики с цифрами переходят из одного положения в другое, одновременно перемещается и дырка. В теории этой игры дырка трактуется как нечто, перемещающееся среди квадратиков.
Точно так же и теория Дирака предполагает, что вакуум на самом деле не пустой, а представляет море частиц отрицательной массы, движущихся не по направлению действия силы, а против него. Частица может быть вырвана из обычного положения и поднята над уровнем моря. При этом происходит рождение пары электронов с положительной массой. Обычный электрон с отрицательным зарядом, а дырка остается ниже уровня моря. Эта дырка ведет себя, как электрон с положительным зарядом.
Антиэлектрон недолго существует в нашем мире. Он движется, поскольку кругом движутся другие частицы моря, затем в дырку попадает электрон - и происходит аннигиляция пары. Обе частицы уничтожают друг друга. Аналогичным образом и протоны могут выбиваться из моря, оставляя незаполненные дырки, несущие отрицательный заряд, подобно антипротонам.
Андерсон не был знаком с теорией Дирака. Более того, не имея никакого теоретического объяснения, глядя лишь на снимок, он осмелился заключить, что это след положительного электрона.
Другие физики принялись проверять открытие Андерсона. В лабораториях при бомбардировке атомных ядер гамма-квантами были получены электронно-позитронные пары. Позитрон действительно оказался короткоживущим - при столкновении с электроном происходит аннигиляция пары. Обе частицы исчезают, оставляя 2 или 3 гамма-кванта в зависимости от того, вращались ли частицы в одну сторону или в противоположные.
Антипротон был обнаружен несколько позже. Для этого группа физиков из Беркли использовала мощный ускоритель. Обнаруженная пара вела себя так, как и предсказывал Дирак.
Примерно тогда же они зарегистрировали и антинейтрон. Нейтрон обладает спИном и магнитным моментом - именно по направлению этого магнитного поля нейтрон отличается от антинейтрона.
Как только физики установили, что каждая частица, кроме фотона и П-мезона, имеет своего близнеца-античастицу, они сказали: "А нельзя ли существовать антивеществу?" Атом антиводорода состоит из антипротона и антиэлектрона. Ядро антидейтерия содержит еще и антинейтрон. Каждый антиатом состоит не из обычных, а из античастиц. Нет причин, препятствующих соединению антиатомов в антимолекулы. Антивода состоит из 2 атомов антиводорода и 1 атома антикислорода.
При соприкосновении антиматерии с материей произошел бы взрыв. Этот взрыв был бы сильнее взрыва бомбы, поскольку при взрыве бомбы только часть массы преобразуется в энергию, а при соединении материи с антиматерией вся масса переходит в энергию. Будет происходить рождение П-мезонов и других частиц, которые потом превратятся в нейтрино и фотоны и разлетятся. Чтобы избежать взрыва, антивещество нужно хранить в вакууме, изолировав от контакта с материей.
Очевидно, Галактика состоит из обычной материи, но имеются и другие галактики, отделенные от нашей большими расстояниями. Может быть, они состоят из антиматерии? На этот вопрос нельзя ответить, изучая их свет, так как фотон неотличим от своей античастицы. Любые античастицы, вылетевшие из антигалактики, будут перехвачены и аннигилируют раньше, чем приблизятся к Земле - исключение составляют только антинейтрино.
Выдвигалось предположение, что на Землю могут падать метеориты из антивещества. Но это предположение маловероятно, так как метеориты приходят из Галактики и должны состоять из обычной материи.
Возможность использовать антивещество в качестве горючего рассматривается учеными, но никто не знает, как приступить к этому практически. Например, антижелезо можно хранить в вакууме с помощью магнитного поля, а затем небольшими порциями вводить в соприкосновение с железом.
Физик Теллер в своей речи коснулся проблемы антивещества, которое взрывается при контакте с обычным веществом. Эта речь была спародирована таким образом:

"В далеком уголке вселенной был мир, темный и звездный. Там на клочке антивещества жил доктор анти-Теллер. Вдали от источников опасностей, какими для него были соприкосновения с обычным веществом, он жил, ни о чем не заботясь, со своим антисемейством и антидрузьями. Однажды утром, гуляя по берегу моря, он заметил огромный контейнер. На нем было написано: комиссия по атомной энергии. Оттуда шагнул пришелец с Земли. Крик радости раздался над песками. Двое, не подозревавшие, что они смертельно опасны друг другу, бросились приветствовать друг друга. Их руки встретились - всё остальное было гамма-лучами".

А вот что на это ответил сам Теллер:

"Судя по описанию, встреча была интересной. Я не верю, что анти-Теллер живет в Галактике, поскольку маловероятно, чтобы в системе Млечного пути существовали антизвезды и антипланеты. Однако возможно существование антигалактик. Главными вопросами являются - как добраться туда и чего ожидать по прибытии. Расстояние является препятствием. До ближайшей туманности миллионы световых лет. Эйнштейн установил, что миллион лет покажется несколькими годами, если скорость велика. Поэтому путешественники могут попасть к цели при своей жизни, но не при жизни своих земных товарищей. Приближаясь к антигалактике, корабль начнет притягиваться антигравитационными силами - гравитация и антигравитация одно и то же. Когда корабль войдет в антигалактику, он начнет испытывать бомбардировку античастицами. Поэтому он не должен приближаться к скорости света - иначе корабль расплавится. Радиация убьет команду корабля еще до того, как удастся проникнуть в глубь антигалактики. Но анти-Теллер может жить возле края галактики. Пришельцы будут убиты аннигиляционным излучением, образующимся при углублении корабля в антиатмосферу. Межпланетный корабль развалится, и ничто не спасет путешественников.
Но давайте организуем встречу Теллера и анти-Теллера на нейтральной почве - в вакууме. Если они одеты в костюм и антикостюм, избегая утечки молекул и антимолекул, они могли бы спокойно созерцать друг друга, поскольку свет и антисвет - одно и то же. Но при контакте произойдет взрыв. Теллер и анти-Теллер образуют нестабильные мезоны, гипероны и антигипероны и устойчивые электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино и гамма-лучи. Этот газ и антигаз разлетятся прочь быстрее, чем распространяются мысли и антимысли - если это не то же самое.
Несмотря на печальный конец, я благодарен за упоминание моей персоны. Правда, упоминается лишь анти-Теллер, но я уверен, что и в антигалактике уделили несколько строк вашему покорному слуге Теллеру".

Само по себе открытие античастиц не нарушает закона сохранения четности. Точно так же и различие северного и южного полюсов магнита не способствует решению проблемы, отдает ли природа предпочтение левому или правому. Никакой асимметрии не следует из различия положительных и отрицательных зарядов - это просто 2 состояния электричества. Магнитные силы вызываются движением электрических зарядов, и только направление вращения этих зарядов объясняет различия между полюсами магнита.
Различие зарядов устанавливается с помощью того обстоятельства, что разноименные притягиваются, а одноименные отталкиваются. (Хотя общеизвестно, что в любви чаще всего бывает наоборот) Элементарные частицы имеют положительный или отрицательный заряд, или же вообще не имеют заряда. Здесь нет никаких нарушений симметрии.
Если изобразить электрические заряды и магнитные оси одновременно, то частица и античастица будут зеркальным отражением друг друга. Например, вот это электрон и позитрон:

    N     N
- <---- ----> +
    S     S


А вот это протон и антипротон:

    N     N
+ ----> <---- -
    S     S


Глядя на эти диаграммы, невольно думаешь - а не являются ли античастицы действительно зеркальными отражениями частиц? Единственная разница между частицами на каждом рисунке, кроме заряда, состоит в зеркальной сопряженности их структур. Не связано ли и различие между зарядами с какой-нибудь асимметрической структурой самой частицы? Ведь установили же исследования химиков, что оптические изомеры Пастера зеркальны друг другу.
Пастер и ван Гофф обладали интуицией и вдумчивостью, которая сродни проницательности Канта. Как могут быть 2 предмета одинаковыми и вместе с тем различаться? Рассматривая диаграммы, можно дать такой ответ - они действительно одинаковые, но что-то "не так".
Даже после открытия античастиц физики не принимали гипотезу, что античастицы могут быть отражением асимметрической структуры. Причина в том, что, если бы в строении частиц существовала пространственная асимметрия, то четность нарушалась бы. Иначе говоря, можно было бы осуществить эксперимент, в котором асимметрия частиц приводила бы к асимметрическому распределению, то есть существовало бы различие левого и правого. Но таких экспериментов не существует, и четность всегда сохраняется.
« Последнее редактирование: 22 Ноября 2011, 12:48:02 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Incognito
Гость
« Ответ #27 : 01 Июля 2011, 15:19:04 »

А скока всего страниц в ентой книженции?
Записан
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #28 : 01 Июля 2011, 15:25:17 »

Скоро уже конец.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3317


Paul Is Live!!!


« Ответ #29 : 01 Июля 2011, 15:28:02 »

НАРУШЕНИЕ ЧЕТНОСТИ

Создалась любопытная ситуация с 2 частицами - Ф-мезоном и Т-мезоном. Именно эта загадка "тэта-тау" и привела к нарушению четности.
Известно, что в основе всех процессов во вселенной лежат 4 типа сил - ядерные, электромагнитные, "слабые" и гравитационные. Они расположены в порядке убывания величины.
Мощные ядерные силы удерживают протоны и нейтроны, обеспечивая энергию связи ядра.
Электромагнетизм удерживает электроны возле ядра, связывает атомы в молекулы, образует жидкие и твердые тела.
Тяготение - это сила, которая притягивает любые массы друг к другу. Они обеспечивают существование таких больших масс, как планеты. Гравитационные силы слабые, поэтому их трудно измерить, пока взаимодействующие массы не станут большими - а на уровне элементарных частиц этими силами вполне можно пренебречь.
"Слабые" взаимодействия известны меньше. Они проявляются в процессах с участием элементарных частиц - например, в бета-распаде, при котором радиоактивное ядро выстреливает электрон или позитрон. Реакция протекает медленнее, чем если бы ею управляли ядерные или электромагнитные силы. Для объяснения малой скорости процесса пришлось предположить существование сил слабее электромагнитных, но превосходящих гравитационные.
Проблема "тэта-тау" и возникла в связи со "слабыми" взаимодействиями, в которых участвовала странная частица К-мезон. Странные частицы получили свое название из-за того, что они не укладываются в систему остальных частиц. Похоже, что существуют 2 типа К-мезонов - Ф-мезон распадается на 2 П-мезона, а Т-мезон на 3. Вместе с тем различия между типами К-мезонов установить не удалось - они имеют одинаковую массу и заряд. Физики хотели сказать, что имеется 1 тип К-мезонов - иногда он распадается на 2 П-мезона, а иногда на 3. Но это значило бы, что четность иногда нарушается. Ф-мезон положительный, а П-мезон отрицательный. 2 П-мезона положительные, и при распаде Ф-мезона четность сохраняется. Но 3 П-мезона отрицательные.
Перед физиками возникла дилемма - или предположить, что 2 типа К-мезонов действительно разные частицы (Ф-мезон положительный, Т-мезон отрицательный), или заключить, что в одном превращении четность нарушается. Вторая гипотеза казалась невероятной - это означало бы, что симметрия в природе нарушается. Кроме того, четность сохраняется в сильных взаимодействиях - ядерных и электромагнитных. Проблема "тэта-тау" являлась темой дискуссий во время конференции по ядерной физике. Некий Ричард Фейнман выдвинул гипотезу о том, что античастицы - это обычные частицы, движущиеся по времени назад, то есть в антигалактиках время может изменяться в противоположном направлении. И в самом деле - если просматривать вращение волчка в обратную сторону, результат напоминает отражение в зеркале. Тем не менее, имеются возражения против того, что обращение времени объясняет нарушение четности "слабых" взаимодействий. Эта теория не только допускает обратное направление времени, но и нарушает единый топологический порядок в причинных цепях событий. (В сказке "Серебряные колесики времени" король уничтожает часы, чтобы время остановилось - он не хочет стареть. Кроме того, он заставляет часовщика сделать часы, которые шли бы в обратную сторону, чтобы пустить время назад. Но часовщик прекрасно знает, что часы не управляют временем - они его только отсчитывают - и поет вот такую песню:

Можно время перегнать,
Можно в ногу с ним шагать -
Но его не обмануть
И назад не повернуть)

На конференции присутствовали китайские физики Ли Цзундао и Янг Чженьнин. Им пришло в голову, что необходимо изучить все эксперименты по "слабым" взаимодействиям. Они обнаружили, что в сильных взаимодействиях четность сохраняется, но для "слабых" таких доказательств нет. Поэтому они предложили несколько проверочных экспериментов, впоследствии изложенных в классической работе "Вопрос о сохранении четности в "слабых" взаимодействиях".
Эта статья не привлекла внимания физиков - нарушение четности казалось настолько невероятным, что большинство ученых думало про себя: "Пусть этими проверками занимается кто-нибудь другой".
Тем не менее, нашлись экспериментаторы, которые взялись за реализацию предложений Ли и Янга. В числе принявших вызов была китаянка Ву Цзяньсун, известная своими работами по "слабым" взаимодействиям и тщательностью и изяществом постановки экспериментов.
Эксперимент Ву был посвящен изучению распада радиоактивного кобальта, ядро которого испускает электроны. Ядро кобальта - это крохотное тело, которое, подобно волчку, вращается вокруг оси, проходящей через магнитные полюса. Обычно ядра не ориентированы, так что электроны излучаются во всех направлениях. Но когда кобальт охлажден, можно выстроить ядра одноименными полюсами в одну сторону. Это достигается наложением магнитного поля. Выстроенные ядра продолжают испускать электроны, однако направления уже не произвольны, а концентрируются на север и на юг. Если четность не нарушается, то число электронов, испускаемых в обоих направлениях, будет примерно одинаковым.
Если бы в результате эксперимента оказалось, что в обоих направлениях вылетает одинаковое количество электронов, то проблема "тэта-тау" осталась бы проблемой. Но если бы в бета-распаде выявилось неравноправие северного и южного направлений - это означало бы нарушение четности.
Оказывается, электроны в эксперименте Ву испускались несимметрично - большинство их вылетало оттуда, куда указывали южные полюса ядер кобальта:

* * *
| | |
  N
---->
  S
|||||
*****


Теперь мы действительно разобрались в том, что эксперимент Ву является революционным. Изображение ядра кобальта, вращающегося вокруг оси север-юг, действительно имеет асимметрический вид, но обозначения севера и юга условные - ничто не мешает нам их переименовать. До эксперимента Ву считалось, что переключение полюсов не приведет к изменению результатов. А если между полюсами имеется различие - красный и зеленый или сильный и слабый - тогда север и юг перестают быть просто обозначениями. Ядра кобальта должны обладать асимметрией. До эксперимента Ву физики различали полюса по их взаимодействию между собой - то есть полюса обозначают только противоположные направления.
Эксперимент Ву установил различие между концами магнитной оси - из южного полюса ядра чаще вылетают электроны.
Теперь ядро не может больше рассматриваться по аналогии с шаром - его нужно уподобить конусу. Никто не имеет представления, отчего один конец оси отличается от другого, но они отличаются. Мы больше не пытаемся завинчивать шурупы в грубых рукавицах: нам вручили их на подносе, осветив каждый в отдельности, чтобы мы не завинчивали шурупы головкой вперед.
Теперь мы нашли решение проблемы - экспериментальный способ однозначного определения, где лево, а где право. Охладите атомы радиоактивного кобальта. С помощью магнитного поля выстройте оси их ядер. Посчитайте количество электронов, вылетающих из обоих концов осей. Полюс, из которого вылетает больше электронов, назовите южным, а меньше - северным. Это позволит вам определить северный и южный конец магнитной стрелки. Если вы поместите эту стрелку под проводом, по которому ток течет от вас, то северный конец отклонится влево, а южный вправо.
Вот так, точно и недвусмысленно, мы и передали на планету Икс, где лево, а где право. При этом мы не имели перед собой асимметрической структуры - "слабым" взаимодействиям присуща асимметрия, которую можно проверить экспериментально. Вполне можно понять, что физики не ожидали, что эксперимент Ву нарушит четность - это обозначало бы, что природа несимметричная.
Космонавтам, героям фантастической новеллы, эксперимент с кобальтом дал бы возможность установить, подверглись ли они зеркальному преобразованию. Им нужно было найти на планете кобальт и превратить его в радиоактивный, бомбардируя нейтронами. При наличии необходимого оборудования и материалов проблема могла быть решена.
Эксперимент Ву опровергает утверждение о невозможности отличить естественное явление от зеркального варианта - если большинство электронов испускается из южной оконечности кобальтовых ядер, то наблюдаемая картина не перевернута, а если они испускаются преимущественно из северного конца, то снимки перевернуты.
Эксперимент, проводившийся с М-мезонами, дал еще больший эффект - неодинаковость испускания М-мезонов была вдвое больше, чем в случае электронов. Была проведена и третья проверка четности - с П-мезонами. Результат был тем же - четность нарушается во всех "слабых" взаимодействиях. Проблема "тэта-тау" разрешилась - существует только один К-мезон, и четность не сохраняется.
Опыт Майкельсона и Морли установил, что скорость света постоянна. Этот эксперимент проложил дорогу теории относительности Эйнштейна. Эксперимент Ву может считаться в развитии физики не менее важным. Оба эти опыта произвели потрясение. Все ожидали, что Майкельсон и Морли зарегистрируют движение Земли по отношению к неподвижному эфиру. Отрицательный результат был поразительным. Все ожидали, что госпожа Ву установит симметрию бета-распада. Природа подготовила новый сюрприз - уже то, что частицы не симметричны, было удивительно, но еще более удивительно, что асимметрия проявляется только в "слабых" взаимодействиях. Образно выражаясь, в литературе упоминались одноглазые существа, которые имели глаз посреди лба. А потрясшее нас открытие состоит в том, что "слабые" взаимодействия подобны существам, у которых единственный глаз расположен слева.
Впоследствии стали известны исторические подробности нарушения четности. Оказывается, физики обнаружили нарушение четности при распаде радия намного раньше. Но в то время не было теоретической схемы этих результатов, и они были забыты. Понадобились интенсивные исследования во всех областях физики, и должна была появиться работа Ли и Янга, чтобы физики осознали смысл результатов, полученных в ранних экспериментах. Ли и Янг за свои работы получили Нобелевскую премию.
Следует отметить, что нарушение четности произошло в результате появления абстрактной математической теории. Ни один эксперимент по проверке четности не был бы поставлен, если бы Ли и Янг не указали экспериментаторам, что нужно делать. Ли не работал в экспериментальной лаборатории. Янг работал в лаборатории под руководством итальянского физика Ферми, но больших успехов так и не достиг.
На востоке существует известная эмблема - асимметрически разделенный круг Инь-Янь, похожий на раскрашенный в контрастные цвета теннисный мяч:



Это символ единства противоположностей - добро и зло, красота и безобразие, правда и ложь, женщина и мужчина, ночь и день, луна и солнце, земля и небо, наслаждение и страдание, нечетное и четное, лево и право, положительное и отрицательное. Список можно продолжить.
Кружки противоположного цвета символизируют мысль, что нет худа без добра, а добра без худа, доброе дело содержит крупицу зла, а в злодействе есть что-то добропорядочное, уродливое явление привлекательно, а красивое существо может отталкивать - ничто не совершенно, во всем есть трещины и изъяны. (Да и Козьма Прутков писали, что далекий город может находиться близко, а близкий - далеко)
История науки - это непрерывный процесс обнаружения новых изъянов в наших представлениях. Галилей, который поместил солнце в центре вселенной, считал, что планеты движутся по круговым орбитам. С течением времени выяснилось, что Кеплер был прав - орбиты планет оказались эллиптическими. Теория тяготения Ньютона дала объяснение этой эллиптичности. А уже отклонения от этих орбит объясняются поправками Эйнштейна к уравнениям Ньютона.
Сложность нашего мира состоит не в том, что он неразумен или слишком разумен, а в том, что он понятен не до конца. Он кажется более упорядоченным, чем на самом деле. В качестве примера можно привести строение человеческого тела - 2 руки, 2 ноги, 2 глаза, 2 уха, 2 ноздри, 2 полушария мозга. Но сердце только слева - справа сердца нет. Это и есть элемент Инь-Янь. Отклонение от точности является сверхъестественным элементом. Оно выглядит предательством со стороны природы. Элемент чего-то неуловимого присутствует во всех явлениях.
Отметим еще, что эмблема Инь-Янь обладает вращательной, но не зеркальной симметрией - она не совпадает со своим отражением. В то время как другие эмблемы - крест, полумесяц и звезда - зеркально симметричны:







Возникает мысль, что асимметрия восточной символики помогла Ли и Янгу пойти против ортодоксальной науки и предложить экспериментальную проверку, которую их симметрично мыслящие западные коллеги считали бесплодной.
« Последнее редактирование: 07 Декабря 2013, 22:59:22 от Сапфо » Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Форум для левшей и про левшей
   

 Записан
Страниц: « Предыдущая 1 [2] 3 4 Следующая »
  Печать  
 
Перейти в:  

2: include(../counters.php): failed to open stream: No such file or directory
Файл: /home/l/levsha/levshei.net/public_html/forumsmf/Themes/default/languages/Aeva.russian-utf8.php (main_below sub template - eval?)
Строка: 498