Наука и удивительное
(Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор - Страница 33

Сам тяжелый электрон живет 10-6 сек, после чего он претерпевает новое превращение. Он превращается в нейтрино с одновременным испусканием пары электрон — нейтрино. Таким образом, я-мезон кончает тем, что превращается в электрон и три нейтрино[48].

Природа этих странных превращений еще не ясна, но они кажутся взаимосвязанными. Краткость времени жизни частиц здесь обманчива. В условиях, существующих в ядрах, миллиардная доля секунды— это очень большой промежуток времени. В конце концов, естественным интервалом времени в ядре можно считать, например, тот промежуток времени, за который нуклон проходит сквозь ядро под действием ядерных сил. Такой промежуток времени гораздо короче одной миллиардной доли секунды, он составляет около 10-22 сек. Следовательно, неустойчивость новых частиц — это слабый эффект, и он указывает на какое-то специфическое слабое взаимодействие. Распад этих новых частиц очень похож на радиоактивный распад нейтрона в протон. В обоих случаях участвуют нейтрино. Объяснение этих явлений и их взаимосвязи — основная проблема современной физики[49].

Наивысшая ступень квантовой лестницы оказывается наиболее загадочной. Если мы поймем связанные с ней, но пока не объясненные явления, то нам удастся ответить на еще более фундаментальные вопросы: почему вещество состоит только из частиц трех видов: протонов, нейтронов и электронов?

Почему существует только одна элементарная единица заряда — заряд электрона, равный по величине и противоположный по знаку заряду протона? Почему любая вновь открытая частица всегда имеет заряд, просто равный или равный, но противоположный по знаку, заряду электрона?

И наконец, следует задать еще один вопрос: если мы изучим и объясним явления на наивысшей ступеньке квантовой лестницы, можно ли будет подняться на следующую ступень? Только дальнейшее исследование природы позволит когда-нибудь ответить на этот вопрос. Надо продолжать поиски, и тогда мы сможем получить ответ.

ГЛАВА VIII

ЖИЗНЬ

Молекулы жизни

В предыдущих главах мы пытались выяснить строение вещества. Мы изучали атомы, ядра и различные комбинации атомов в молекулы. Условия на Земле таковы, что большинство атомов находится в характерных для каждого атома низших квантовых состояниях и соединяется в молекулы. Поэтому мы и находим на Земле так много веществ с точно определенными свойствами: минералы, металлы, вода, воздух и т. д. Но таких условий нет на поверхности Солнца. Там температуры столь высоки, что молекулы не могут существовать. Они будут немедленно разорваны на атомы. Поэтому мы должны ожидать, что на Солнце есть только элементы и нет молекул и что все находится в виде горячих паров. Среда, окружающая нас на Земле, к счастью, значительно более разнообразна, так как мы живем среди самых различных веществ, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Природные материалы и химические вещества инертны и неактивны. Они изменяют свою форму и химический состав только под влиянием внешних причин: воздух движется в результате нагревания Солнцем, вода — под действием ветра или силы тяжести, твердые тела — под влиянием механических или химических воздействий, таких, как ветер и непогода, химические процессы инициируются нагреванием и охлаждением, вызванным Солнцем и атмосферными факторами, а также потоком тепла из земных недр. В качестве примера укажем на ущелье, покрытое валунами, по которому течет река (рис. 51).

Рис. 51. Покрытое валунами ущелье, по которому течет речка.

В ложе ущелья встречаются куски породы самых разных размеров — от малых зерен до больших валунов; форма их зависит от того, что с ними происходило, пока их нес поток с какой-нибудь разрушающейся горы. Каждый валун состоит из маленьких кристалликов, строение и твердость которых определяются свойствами двуокиси кремния — вещества, из которого состоит большинство горных пород. На поверхности кусков породы видны следы химических реакций с кислородом воздуха, с водой потока или с дождевой водой. Однако при всем разнообразии объектов, при всех свидетельствах изменений, смещений вверх и вниз, непрерывных химических воздействий именно покой есть то свойство открывающейся нам картины, которое производит на нас наибольшее впечатление. Ничто не движется, кроме журчащей воды, когда-то поднятой в атмосферу в результате испарения и теперь гонимой вниз в зеленую долину под действием силы тяжести. Порыв ветра может переместить крупинки песка или перекатить с места на место несколько камушков, но это чисто механическое движение, которое не затрагивает внутреннюю структуру материи.

Однако на Земле существует и нечто другое, что вызывает изменение и движение и представляет совсем иную форму проявления материи. Куда мы ни посмотрим, мы везде увидим жизнь. Явления жизни никак не укладываются в те рамки, в которых может существовать обычное вещество, состоящее из атомов и молекул. Живая материя не инертна и не пассивна. Она растет, размножается, движется по земле, в воде и в воздухе, ее активность, по-видимому, предопределяется внутренними, а не внешними причинами. Живые объекты обладают характерными формами, сильно отличающимися от форм всех объектов, состоящих из обычной материи. Формы и размеры живых объектов воспроизводятся и повторяются и очень мало зависят от случайных условий в окружающей их среде. Существует очевидная единица живой материи — отдельный организм. Имеет вполне определенный смысл говорить о 1000 бактерий, о 1000 розовых кустов, о 1000 львов; эти единицы значительно крупнее естественных единиц материи — молекул.

Химический анализ показал, и в этом нет ни тени сомнения, что живые объекты состоят из тех же атомов, что и неживые. В самом деле, живая материя состоит в основном из четырех элементов: углерода, кислорода, водорода и азота; она содержит также и следы других элементов: железа, фосфора и магния, Нет ни малейших указаний на то, что в живой материи присутствует какое-либо специфическое вещество или что в ней иные законы взаимодействия между атомами.

Таким образом, явления жизни должны быть результатом обычных взаимодействий между атомами и молекулами, конечно, весьма специфическими молекулами, которые отличаются своим сложным строением от молекул неживого.

Сейчас мы еще очень далеки от того, чтобы полностью понимать, как взаимодействие этих молекул может порождать жизнь. Однако в последние два десятилетия биологи выполнили столько новых исследований молекулярного строения живых систем, что мы и сейчас уже можем составить представление о том, что происходит в живом веществе. Современные успехи, достигнутые в понимании жизни, следует считать одним из крупнейших достижений науки, сравнимых с работами Ньютона и Максвелла и с тем, что дала квантовая механика. Живые структуры имеют для нас особый интерес не только потому, что наш организм состоит из живой материи, но и потому, что иные формы жизни составляют наиболее существенную часть окружающей нас среды.

Жизнь существует во многих формах. Рассмотрим сначала простую форму жизни — бактерию[50] (фото VI).

Она имеет в длину около 25 стотысячных сантиметра, вытянута наподобие сосиски и состоит из оболочки со студнеобразным содержимым. Такая единица называется «клеткой». Для того чтобы понять существенные черты живого объекта, сравним его с неживым объектом примерно той же формы, например с пластмассовой оболочкой в форме колбаски, наполненной каким-то студнеобразным веществом, вроде желатина или жира. Стенки и содержимое такого макета должны быть однородными; они должны состоять из множества тождественных молекул одного сорта. Молекулы пластмассы образуют оболочку, молекулы желатина или жира — содержимое макета. Однако в клетке ситуация значительно сложнее, а дифференциация несравненно шире. Единицы, из которых построено вещество клетки, представляют собой сложные комбинации целого ряда молекул, так называемые макромолекулы. В одной клетке содержится не один и не два сорта таких макромолекул, а не менее пяти тысяч, причем каждый сорт имеет свою строго определенную специфическую структуру.