Коллектив авторов - Теории всего на свете

Межатомные взаимодействия по Бошковичу

Чарлз Симоний

Создатель текстового редактора WYSIWYG, соучредитель компании International Software, бывший директор управления развития приложений компании Microsoft и ее бывший главный программный архитектор

Объяснение, которое дал межатомным взаимодействиям еще в XVIII столетии разносторонний ученый-иезуит Руджер Бошкович, – пример того, как самые простые рассуждения порой приводят к удивительному прозрению.

Среди наиболее значимых философских противостояний того времени можно с уверенностью назвать борьбу между приверженцами Декарта, которые вслед за Аристотелем считали, что физические силы могут являться лишь результатом непосредственного соприкосновения тел, и последователями Ньютона, которые приняли его идею о силах, действующих на расстоянии. В этом Ньютон совершил подлинную научную революцию, однако его оппоненты не без оснований возражали, что подобное «действие на расстоянии» возвращает в физику полузабытые мистические объяснения, отнюдь не выводимые ясным логическим путем, которого требовал Декарт. Между тем Бошкович, страстный защитник ньютоновской точки зрения, вывернул вопрос наизнанку, призывая: давайте четко уясним себе, что происходит к ходе взаимодействия, которое мы именуем «непосредственным соприкосновением».

Его доводы легко понять, и они чрезвычайно убедительны. Представим себе два тела, одно из которых движется со скоростью 6 единиц, а второе – со скоростью 12 единиц, причем более быстрое тело настигает более медленное и они движутся по одному и тому же прямолинейному пути. Когда два тела столкнутся, то благодаря закону сохранения импульса оба должны будут после столкновения продолжать движение по тому же пути, со скоростью 9 единиц каждое (в случае неупругого соударения, в случае же соударения упругого такое движение будет происходить лишь в течение краткого периода сразу после столкновения).

Но каким образом скорость более быстрого тела снизилась с 12 до 9 единиц, а скорость более медленного тела возросла с 6 до 9 единиц? Понятно, что временной интервал изменения скоростей не может быть нулевым, поскольку тогда, замечает Бошкович, такое мгновенное изменение скорости нарушило бы принцип непрерывности[55]. Более того, нам пришлось бы заключить, что в момент соударения скорость одного тела одновременно составляет 12 и 9 единиц: явный абсурд. А значит, изменение скорости должно происходить в течение небольшого, но конечного промежутка времени. Однако такое предположение приводит нас к другому противоречию. Представим, к примеру, что по прошествии небольшого количества времени скорость более быстрого тела составляет 11 единиц, а более медленного – 7 единиц. Но это значит, что они не движутся с одной и той же скоростью, а следовательно, передняя поверхность быстрого тела должна проникнуть сквозь заднюю поверхность медленного тела, что невозможно, поскольку в условиях нашего опыта оба тела непроницаемы. Отсюда легко видеть, что взаимодействие должно происходить непосредственно перед соударением двух тел и что оно может являться лишь отталкиванием, поскольку выражается в том, что одно тело замедляется, а другое ускоряется.

То же рассуждение верно и для тел, движущихся с произвольной скоростью, так что уже не приходится говорить о четких пространственных измерениях частиц (а именно атомов), которые до этого считались непроницаемыми. Атом следует рассматривать скорее как точечный источник силы, и сила, «исходящая» от него, воздействует на другие тела неким сложным образом и зависит от расстояния.

По Бошковичу, когда тела удалены друг от друга, они взаимодействуют посредством силы, соотносимой с гравитационной силой и обратно пропорциональной квадрату расстояния между телами. Но с сокращением расстояния в этот закон следует вносить поправки, так как, согласно уже высказанным соображениям, сила при этом меняет знак и становится силой отталкивания. Бошкович даже начертил причудливые графики, показывающие, как сила должна меняться с расстоянием, несколько раз при этом меняя знак. Тем самым он словно бы намекал на существование минимального потенциала взаимодействия и стабильных связей между частицами – атомами.

Выдвинув эту идею, Бошкович не только предложил новую картину взаимодействий взамен теории Аристотеля и Декарта, рассматривавшей лишь непосредственный контакт тел, но и предвосхитил современные теории о структуре материи, особенно в твердых объектах.

Грегори С. Пол

Независимый исследователь; автор книги The Princeton Field Guide to Dinosaurs («Динозавры: принстонский путеводитель»)

Наиболее изящный пример элегантной идеи в одной из сфер моих научных интересов – идея о том, что динозавры были тахиэнергетическими существами: иными словами, они были эндотермами (теплокровными животными) с высоким уровнем производства внутренней энергии и высоким уровнем потребления кислорода при физических нагрузках, что характерно для птиц и млекопитающих, способных к долгим периодам физической деятельности. Такая идея о «высокоэнергетичном» динозавре вполне согласуется с гипотезой о том, что птицы являются прямыми потомками динозавров – в сущности, летающими динозаврами (подобно тому, как летучие мыши – летающие млекопитающие).

Из тахиэнергетической идеи следуют важнейшие выводы. Она совершила настоящий переворот в нашем понимании значительной части эволюции и 230 миллионов лет истории Земли, коренным образом изменив представления, державшиеся в науке с середины XIX века до 1960‑х годов. Раньше большинство ученых предполагали, что динозавры – тупиковая ветвь холоднокровных рептилий, способных лишь на краткие всплески бурной физической активности. Даже ходьба со скоростью 8 км/ч требует высокой респираторной емкости, которой нет у пресмыкающихся: передвигаясь на большие расстояния, они вынуждены тащиться со скоростью всего лишь 1,5 км/ч. Птицы же рассматривались как особая группа животных – пернатые существа, в процессе эволюции научившиеся управлять «неэффективным» (с точки зрения рептилий) расходом энергии, чтобы эта энергия позволяла им летать. Хотя новая гипотеза не заключала в себе логических противоречий, она все же отличалась от общепринятых гипотез об эволюции летучих мышей: их шерстистые предки, как и они сами, обладали высокой респираторной емкостью.

Я впервые узнал о «теплокровных» динозаврах, еще будучи старшеклассником, в свой последний школьный год: Smithsonian Magazine давал хвалебную рецензию на статью Роберта Бэккера, вышедшую в Nature летом 1972 года. Как только я прочел этот текст, у меня в сознании все встало на свои места. Раньше я воображал себе динозавров похожими на рептилий, но что-то здесь не складывалось, поскольку динозавры явно сложены как птицы и млекопитающие, а не как крокодилы и ящерицы. Примерно в то же время Джон Остром, также приложивший руку к открытию эндотермии динозавров, представил доказательства того, что птицы – летающая разновидность динозавровавепод: идея настолько очевидная, что она должна была бы стать доминирующей в науке еще в XIX столетии.

На протяжении четверти века эти гипотезы считались весьма противоречивыми (особенно та, что описывала метаболизм динозавров), и некоторые из первых их обоснований грешили недостатками. Но доказательства продолжали накапливаться. Кольца роста в костях динозавров демонстрируют, что эти существа росли сравнительно быстро: рептилии не могли бы увеличиваться в размерах с такой скоростью. Следы динозавров показывают, что эти животные на протяжении длительных промежутков времени ходили с высокой скоростью, недостижимой для холоднокровных существ. У многих небольших динозавров имелись перья. А полярные динозавры, птицы и млекопитающие переживали снежные мезозойские зимы, что было бы невозможно для существ холоднокровных (эктотермов).

Благодаря этой «динозавриной революции» наше понимание эволюции животных, некогда царствовавших на земных континентах, теперь гораздо ближе к истине, чем раньше. Энергоэффективные амфибии и рептилии доминировали на суше лишь в течение 70 миллионов лет – на протяжении самой поздней части палеозойской эры, которая началась с трилобитов и с полного отсутствия сухопутной живности. На протяжении последних 270 миллионов лет высокоэнергетические, хотя и менее энергоэффективные, тахиэнергетики царили на суше. Все началось с протомлекопитающих – терапсид, появившихся ближе к концу палеозоя. Терапсиды вымерли в начале мезозоя (в этой группе животных выжили только млекопитающие, в ту пору сравнительно мелкие), и в течение следующих 150 миллионов лет на смену им пришли не низкоэнергетические динозавры, а такие динозавры, которые смогли быстро увеличить свой и без того немалый уровень освоения кислорода.