Наука и человек в XXI веке

Фото: Константин Ежов

Научно-популярная статья, призванная рассказать о нескольких ментальных моделях, необходимых для понимания устройства этого мира.

Двадцать первый век наступает решительно. Это — только начало великолепной поры, расцвет нашей цивилизации, переход от I к II типу по шкале Кардашёва, разгадка главенствующих загадок Вселенной. Это — время уничтожить предрассудки и стать процветающим видом. Нижеизложенные темы помогут вам в этом.

«Шире открой глаза, живи так жадно, как будто через десять секунд умрёшь. Старайся увидеть мир. Он прекраснее любой мечты, созданной на фабрике и оплаченной деньгами. Не проси гарантий, не ищи покоя — такого зверя нет на свете.» Рей Бредбери

Начнём с общего. Мы все живём в мире, состоящем из невероятно малых неразличимых частиц — атомов. Мы живём на круглой планете Земля, имеющей своё магнитное поле, естественный космический спутник Луну и родительскую звезду Солнце. Наш точно установленный адрес — суперкластер Ланиакея, сверхскопление Девы, галактика Млечный Путь, рукав Ориона. Вы проживаете на поверхности планеты, ежедневно пользуетесь вещами, которые создал человек за свою более чем пятидесятитысячелетнюю историю. Вероятно, вы, читая этот текст, пользуетесь знаковой системой — письменным языком. Также, вероятно, вы каждый день разговариваете с другими людьми. Каждый человек схож с вами, но также и отличается: у каждого из нас имеются свои взгляды, убеждения, цели, знания, задачи.

«Я смотрю в ночное небо и знаю, что мы являемся частью Вселенной, мы находимся в ней. Однако, возможно, важнее этих двух фактов то, что Вселенная находится в нас.» Нил Деграсс Тайсон

Каждое «Я» есть не что иное, как сеть электрических импульсов в органе "мозг". Это называется личностью. Ею человек становится в процессе взросления. Центральная нервная система и входящая в неё личность почти полностью управляют вашим главным инструментом — телом. Человек способен осознавать себя. Поведение центральной нервной системы определяется процессами, изучаемыми психологией. Она затрагивает ваше отношение к жизни, к другим людям, к вещам, к информации. С помощью психологических методов вы можете помогать людям преодолевать трудные ситуации. Вы имеете возможность воздействовать на других людей как своей речью, так и при помощи телодвижений, о которых вы даже не задумываетесь — невербально. Прежде чем сделать вывод о поведении человека по его невербальным признакам, нужно помнить, что делать вывод можно только по группе признаков, символизирующих эмоцию и т.п., а не по отдельности. Многие личности используют харизматичность, главное в которой — демонстрация силы, присутствия и теплоты по отношению к людям.

«Если захочется переделывать людей — начни с себя: это и полезней, и безопасней.» Дейл Карнеги

Иногда поведение человека отклоняется здорового состояния. В таком случае следует назначать лечение по результатам МРТ, а не по внешним признакам. Также было установлено, что те, кто имели отклонения от нормального состояния головного мозга, после курса восстановительной терапии полностью исправляли своё поведение. Психическое здоровье является необходимым критерием полного здоровья человека.

«Каждый нормальный человек на самом деле нормален лишь отчасти.» Зигмунд Фрейд

Общество, играя большую роль в жизни человека, психологически воздействует на него, процветая за счёт чужих жизней. Наша мыслительная сущность, однако, не рождается с какой-либо целью. Ключевой особенностью психики человека являются когнитивные искажения. Они наряду с эмоциями и чувствами отличают нас от машин. Социологи успешно используют механизмы работы психики в своих целях. «Заставить человека можно двумя способами: либо насилием, либо интересом.» Чтобы избежать этого, изучите теорию игр, методы манипуляций, используйте критическое мышление (проверяйте факты, не доверяйте источникам). Вся ваша жизнь зависит от генов, эволюционного развития, окружающей среды, друзей и родных, ваших знаний и эмоций. Но это приводит нас к парадоксу свободы выбора: если всё предопределено, зачем что-то делать? Суть в том, что детерминизм не означает предсказуемость. Потому нужна теория, описывающая влияние информации на действия человека.

«Я заметил, что даже те люди, которые утверждают, что все предрешено и что с этим ничего нельзя поделать, смотрят по сторонам, прежде чем переходить дорогу.» Стивен Хокинг

Атомы являются строительным блоком всех веществ в мире — они попросту не существовали бы без этих крохотных составных частиц. Вещества бывают простыми и сложными; сложные, в свою очередь, подразделяются на неорганические и органические. Последние известны нам всем, так как наше тело состоит из них. Взаимодействие этих веществ внутри клеток и организмов, происхождение живого — органического — изучает биология. Главенствующая теория биологии — синтетическая теория эволюции, естественного процесса развития живой природы. В ходе биологической эволюции произошли все живые организмы, когда-либо существовавшие или существующие на Земле. Её протекание сопровождается изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом. Биологическая эволюция является фактом. Достоверно неизвестно, когда зародилась жизнь, но это случилось в тот момент, когда сложность веществ и их комбинирование в результате химических реакций сконструировало прототип носителя генетической информации. Все живые существа на Земле обладают таким носителем — ДНК, РНК. По факту, мы не живые организмы, а биологические машины, действующие за счёт высвобождения химической энергии. Считается, что эволюционный акт состоялся, когда отбор сохранил генное сочетание, нетипичное для предшествующей истории вида.

«Они присутствуют в вас и во мне; они создали нас, наши души и тела; и единственный смысл нашего существования — их сохранение. Они прошли длинный путь, эти репликаторы. Теперь они существуют под названием генов, а мы служим для них машинами выживания.» Ричард Докинз

В ходе естественного отбора возникли виды, обладающие наибольшей приспособленностью к условиям окружающей среды. Естественный отбор является единственной известной причиной адаптаций, но не единственной причиной эволюции, так как человек подвергал домашних животных и культурные растения селекции — искусственному отбору, выращивая их с интересующими его признаками, тем самым продвигая эволюцию вперёд. Модификация ДНК является лишь лабораторным упрощением селекционного процесса и потому не может быть опасна. Закономерности наследственности и изменчивости изучает генетика. Гены, являясь основной единицей естественного отбора, бывают доминантными и рецессивными и вместе с соответствующими признаками наследуются независимо друг от друга, комбинируясь во всех возможных сочетаниях. Есть три типа наследования: хромосомное, цитоплазматическое и митохондриальное. Вся биосфера состоит из экосистем, которые состоят из популяций, которые состоят из особей, которые состоят из органов, которые состоят из тканей, которые состоят из клеток, которые состоят из органоидов, которые состоят из молекул, которые состоят из атомов, которые состоят из кварков: невероятно осознавать, что большой системой руководят маленькие законы кварков. Каждый организм мутирует: негативные мутации не позволяют дать потомство, положительные мутации движут эволюцию вперёд. Но гораздо важнее в биологии предсказать, что будет с нашими организмами в будущем. Или напротив, провести биологическую революцию.

«Чем враждебнее окружающая среда, тем лучше клетка или живое существо развивают свои неизвестные до того таланты.» Бернар Вербер

Важен момент, когда люди создали знаковые системы, потому что мы, спустя много тысяч лет, начали узнавать об ушедшей жизни. Всё прошлое человеческой цивилизации изучает история. Мы немало знаем о прошлом именно благодаря наличию записей, мифов, легенд, наскальных рисунков, преданий, биографий, летописей, бытовых предметов, орудий, словом, благодаря сохранившейся культуре. Постепенно небольшие группы людей начали формировать большие, в которых начали появляться первобытные правила сосуществования. Это было доисторическое общество, которое промышляло охотой и занималось собирательством. Чем больше становилась группа, тем острее вставал вопрос о тех самых правилах, которые регулировали жизнь внутри этого общества. Можно сказать, что несколько разных причин, о которых спорят и по сей день, стали мощным толчком к образованию государства.

«История умалчивает о многих историях.» Юзеф Булатович

Историю следует рассматривать неразличимо от обществознания, так как последняя изучает общество, а первая — его развитие. Зачастую развитие разделяют на три этапа: доиндустриальный, индустриальный и постиндустриальный. Когда человек не был развит настолько сильно, как сейчас, ему в основном приходилось взаимодействовать с природой, добывая самое главное тогда — сырьё. Он приспособил ветер и воду, домашних животных и даже подобных себе (имеется в виду рабство/феодализм/крепостничество) к удовлетворению лишь низших потребностей. Но ввиду технического прогресса, развития науки вскоре основным ресурсом становится энергия, необходимая для переработки добытого сырья. Происходит индустриальная революция. Жизнь общества меняется, у людей появляются социальные потребности. В управленческой жизни господствуют предприниматели, которым подчиняются инженеры и рабочие. Они осуществляют производство, и потому базовые технологии начинают зависеть от денежных вложений, за которые эти люди готовы работать. Последняя, научно-техническая революция протекает более интересно и наглядно: в конце концов, мы сейчас живём в постиндустриальном обществе, её результате. Главным ресурсом становится информация, её человек преобразовывает и обрабатывает. У него появляются такие потребности, как самореализация, потребность в знаниях; главным звеном в управлении становятся исследователи и специалисты, а рабочими — учёные.

«Бежать впереди истории гораздо интереснее, чем описывать её.» Сальвадор Дали

Однако невероятно важны в истории отдельные личности. Их сотни и тысячи, но они внесли совершенно неоценимый вклад в наше настоящее. Даже нельзя выделить их отдельно, рассказав вам о самых главных — это будет совершенно неправильно. Мы надеемся на вашу заинтересованность: прочитать хотя бы поверхностно об их великолепных изобретениях, подвигах — бесценно. Но зайдём с другой стороны. На государство в вопросах истории полагаться нельзя: слишком уж часто историки искажают факты, чтобы выставить свою страну в выгодном свете. Не верьте нам — возьмите учебник США и СССР, двух противников (один из них — бывший) на международной арене. Количество несоответствий в интерпретациях будет исчисляться тоннами; мы, конечно, знаем, что у медали две стороны, но кощунство — показывать лишь одну! История должна быть всеобщим достоянием и никогда, никогда не подчиняться политике.

«История — описание, чаще всего лживое, действий, чаще всего маловажных, совершенных правителями, чаще всего плутами, и солдатами, чаще всего глупцами.» Амброз Бирс

Но, пожалуй, почему история вообще имеет место быть, так это потому, что атомы в наших телах вдруг решили объединиться. Механизмы взаимодействия всех веществ во Вселенной изучает химия. У атомов, наименьших химических единиц, есть ограниченное место для размещения электронов на энергетических уровнях. Валентная оболочка элемента полна и наиболее устойчива, если содержит 8 электронов (что является причиной низкой химической активности благородных газов). При сближении атомов между их внешними электронами с противоположными спинами происходит сильное обменное взаимодействие, приводящее к появлению общей электронной пары. При этом возрастает электронная плотность в межъядерном пространстве, что способствует притяжению ядер взаимодействующих атомов. В результате энергия системы уменьшается и между атомами возникает химическая связь. В зависимости от того, каким образом взаимодействует общая электронная пара с ядрами соединяемых атомов, различают три вида химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

«Химия – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества, величайшие завоевания разума будут сделаны именно в этой области.» Максим Горький

Если мы говорим, что между двумя атомами существует ковалентная связь, мы имеем в виду, что электронные облака, находящиеся на внешних энергетических уровнях, перекрывают друг друга. Ионная похожа на ковалентную, отличаясь только тем, что общая электронная пара преимущественно переходит к элементу с большей электроотрицательностью, если оба элемента имеют существенную разницу в таковой. Механизм металлической связи ещё более похож на ковалентную и вместе с этим невероятно особый: ионы (атомы, у которых отобрали несколько электронов), находясь в узлах кристаллической решётки, соединяются при помощи электронов, которые шныряют туда-сюда. Получается так, что электроны не дают разлететься ионам из-за отталкивания, а ионы не дают улететь электронам.

«Даже если вы ни черта не понимаете в химии, лёжа в ванне, вы обязательно полностью прочитаете состав шампуня на обратной стороне.» Алексей Калинин

Поражает предсказательная способность периодического закона Менделеева. На основе количества валентных электронов человек способен предсказать такие свойства химических элементов, как агрегатное состояние, цвет, проводимость, степени окисления, атомные и ионные радиусы и т.п. Однако при этом химия высоких атомных номеров утрачивает свою актуальность, поскольку продолжительность жизни таких элементов очень мала; к тому же мы всё чаще и чаще начинаем изучать именно соединения, благо их несоразмерно большее число, а сами они намного полезнее и интереснее. Химическая индустрия огромна и важна, с помощью неё мы теперь получаем и пищу, и одежду, а также иные важные соединения. К примеру, с недавнего времени медицина начала применять вычислительные мощности для обнаружения лекарственных соединений, но до сих пор не существует ни одной обобщающей теории, которая смогла бы предсказать именно способности соединений. Собственно, мы ожидаем! Ведь это будет нашим будущим!

«Если бы кремний был газом, я был бы генерал-майором.» Джеймс Уистлер

Взаимодействия всех тел и их свойства изучает физика. В повседневной жизни мы взаимодействуем с ними постоянно. Неплохо бы знать, что каждое вещество обладает агрегатными состояниями и при определённой температуре, которая есть не большее чем частота соударения молекул, может быть либо твёрдым, либо жидким, либо газообразным, либо же вовсе плазмой. Несмотря на одинаковый химический состав, одно и то же вещество в разных состояниях будет иметь разные свойства. В тот момент, когда вещество находится внешне в твёрдом состоянии, на деле его молекулы или атомы, находясь в кристаллической решётке или в аморфном (неупорядоченном) виде, совершают лишь медленные колебания около положения равновесия. В этом виде на вещество довольно сложно подействовать. В самом деле, пробовали ли вы удариться мизинцем о тумбочку?

«В мире нет ничего особенного. Никакого волшебства. Только физика.» Чак Паланик

Если повысить температуру, то мы дойдём до момента, когда тело начнёт плавиться — менять агрегатное состояние из-за невозможности при таких быстрых колебаниях сохранять предшествующую структуру. Быстрые колебания также являются причиной большего расстояния между молекулами, ведь в твёрдых веществах они упакованы плотно, а в жидкостях — чуть разрежённее, и если взять два вещества с большим межмолекулярным расстоянием, в которое может протиснуться молекула другого вещества, то они взаимно проникнут друг в друга, показав нам, как работает диффузия. Также быстрые колебания влияют на свойства вещества: к примеру, при очень низких температурах ртуть теряет электрическое сопротивление; при плавке металлов их цвет становится преимущественно ярко-жёлтым и т.д. А ведь всё это зависит лишь от более низких законов физики. Поэтому так важна физика на низких уровнях мироздания: она позволяет нам понять, что невозможное на деле — обыкновенное явление. Но интересно, что температура имеет пределы: снизу — минимум, абсолютный нуль или ноль по Кельвину, при котором вещество прекращает тепловое движение, но благодаря принципам квантовой механики его частицы не полностью покоятся (жаль только, что такая температура всё равно не достижима на практике), и сверху — почти полторы сотни нониллионов кельвинов! — максимум, планковская температура, при которой длина волны излучения тела становится минимально возможной в принципе, то есть также планковской (все именные характеристики Планка — фундаментально ограничивающие; в данном случае, мы не знаем, что будет происходить при ещё большем повышении температуры). Но вообще-то нет ограничений в том, сколько энергии можно передать системе, и если вы передали намного больше, что ж... зовите этот объект кугельблицем.

«Вам знакомо выражение «Выше головы не прыгнешь»? Это заблуждение. Человек может все.» Никола Тесла

Велика заслуга в науке и Ньютона; его три закона гласят, что человек волен выбрать систему отсчёта, в которой любой объект будет либо двигаться, либо находиться неподвижно в одном месте, что сила зависит лишь от изменения скорости тела во времени и его массы и что действие создаёт равное противодействие. Но для нас немного важнее иное его открытие — закон всемирного тяготения. Он гласит, что сила, сближающая два объекта, находящихся на определённом расстоянии друг от друга, равна произведению гравитационной постоянной и двух масс, делённому на квадрат этого расстояния. Галилей был прав: если отпустить два шара одновременно, тогда и упадут они одновременно. Но всё же шар, имеющий бо́льшую массу, упадёт на Землю за меньшее время, так как на саму Землю подействует бо́льшая сила. Благодаря гравитации действует сила Архимеда, а планеты и звёзды имеют сферическую форму.

«Ты никогда не решишь проблему, если будешь думать так же, как те, кто её создал.» Альберт Эйнштейн

Но что интереснее этого — это теория относительности Эйнштейна. Однако мы вернёмся к ней после того, как рассмотрим другие взаимодействия. Кстати, всего их четыре: вышеупомянутое гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Люди пытаются связать эти фундаментальные силы на низких уровнях энергий, потому что на высоких они объединяются в одну; так, например, определённое время после Большого взрыва все четыре взаимодействия были едины. В нашей жизни мы чаще всего, помимо гравитации, сталкиваемся с электромагнитным взаимодействием. Их раньше разделяли на два независимых; теперь мы знаем, что причина возникновения и тех, и тех явлений одна — заряд. Взаимодействие происходит в электромагнитном поле за счёт фотонов. Кстати, его часто объединяют со слабым, которое контролирует бета-распад: к примеру, когда у нейтрона заканчивается жизненный цикл, равный почти 15 минутам, он теряет "нижний" кварк и приобретает "верхний", выделяя при этом переносчик взаимодействия — бозон W+, который распадается на антинейтрино и электрон. Кстати, уже вполне удаётся объединить с ними и сильное взаимодействие: ядро атома, как и кварки внутри адронов, не распадается, несмотря на близость зарядов с одним знаком, потому что они обмениваются восемью глюонами, при этом меняют свой "цвет". Недавно открыли ещё и взаимодействие Хиггса, передающееся за счёт одноимённых бозонов и отвечающее за массу элементарных частиц. Но последнее и гравитация — не одно и то же; по крайней мере, масса системы, к примеру, стального бруска, не равна сумме масс всех его атомов, ровно как и масса атома не равна сумме масс адронов, которые не равны сумме масс кварков.

«Если вы учёный, квантовый физик, и не можете в двух словах объяснить пятилетнему ребёнку, чем вы занимаетесь, — вы шарлатан.» Ричард Фейнман

Дорогой Альберт, твой выход. Это я говорю миллиарду своих атомов, которые были в теле Эйнштейна. Наш дорогой друг ввёл понятие искривления пространственно-временного континуума. То есть, по его задумке, получается, что энергия диктует пространству, как искривляться, а пространство диктует энергии, как двигаться. Все планеты двигаются по прямой, но Солнце настолько искривляет близлежащее пространство, что прямые превращаются в эллипсы. Добро пожаловать в мир, где параллельные прямые всё-таки пересекаются. А ещё время замедляется. Это учёные узнали при помощи света, пришедшего от массивных звёзд: линии спектра этого света были сдвинуты в красную часть, то есть частота волны уменьшалась около звезды, а если скорость света, как доказал Максвелл, постоянна, то выходит, что замедлялось время. Вот вам и чёрная дыра (она, кстати, и является кугельблицем): помимо того, что она играет роль гравитационной линзы, так ещё и замедляет время. Кстати, тот же эффект обнаружили ещё и у очень быстрых объектов: если ты летишь с 99,99999% скорости света, то для тебя вечность будет секундой. Для фотона, к примеру, с момента зарождения Вселенной времени вообще может не пройти. А так происходит потому, что некоторые быстрые частицы, которые должны были распасться из-за слабого взаимодействия очень быстро, на деле долетали аж от далёких звёзд до Земли.

«Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной.» Нильс Бор

Что происходит в квантовом мире, не знает никто. Существует много интерпретаций квантовой механики, и мы понадеемся на вашу заинтересованность. В попытке объяснить физику элементарных частиц ещё чем-то более фундаментальным мы начали конструировать теорию струн. Современная М-теория гласит, что все частицы состоят из вытянутых "резинок" — струн, длины которых на уровне планковских, и если струна будет по-разному колебаться, то и выйдут разные частицы. Она же говорит, что в мире аж 10 пространственных измерений и одно временное, но мы не видим других потому, что они компактифицированы (сжаты) в очень маленькие точки. Она прекрасно объясняет эффекты, появившиеся в результате Большого взрыва (а Большой взрыв указывает, что Вселенная родилась из одной точки, потому что учёные обнаружили её расширение). И всё было бы хорошо (так как М-теория объясняет весь мир, от мала до велика), но она предсказывает то, что невозможно опровергнуть — по крайней мере, сейчас. Впрочем, посмотрим, как можно разрешить эту проблему.

«Физик стремится сделать сложные вещи простыми, а поэт – простые вещи – сложными.» Лев Ландау

Научный метод, используемый в исследованиях, является нашим самым незаменимым инструментом. Но с ним важно уметь обращаться так, как вы никогда не обращались с иными вещами или даже людьми. Будьте последовательны: для начала исследуйте проблему и попытайтесь найти уже известное объяснение. Если проблема новая, попробуйте сформулировать объяснение, а затем сделайте выводы из него, найдите возможность проведения эксперимента, который бы опроверг ваше утверждение, и проделайте опыт. Если вы доказали истинность, то до тех пор, пока ваше утверждение не опровергнут, оно может считаться истинным. Хотя известны теории, которые невозможно доказать таким образом, однако на них указывает гигантское число фактов.

«Исследовать — значит видеть то, что видели все, и думать так, как не думал никто.» Альберт Сент-Дьерди

Для всея науки важен математический аппарат. С усложнением доступных нам знаний мы изобретаем и новые методы, преобразования, теории. Пожалуй, зная вы математику на интуитивном уровне, то к чёрту бы выкинули все свои эмпирические знания: в этом — её единственная проблема, но неограниченное число преимуществ (число, ха-ха). Нам очень важна теория групп: на её основе мы предсказали существование кварков, когда их никто не находил на БАКе. Интересна теория хаоса, говорящая нам о важности каких-то малых величин: в реальности, если бы константа притяжения кварков друг к другу была иной, то никто бы сейчас эту статью не читал, и мы даже не знаем, существовали бы звёзды. Интересна теория вероятностей, с помощью которой мы определяем вероятность расположения элементарной частицы в каком-либо месте — никто не знает, где находится этот электрон, мы можем лишь предполагать. Важны лангранжианы, описывающие, что будет происходить в системе с фундаментальными взаимодействиями. Математика главенствует везде: от бытовых сделок до нейронных сетей, от квантовых компьютеров до моделей столкновения Млечного Пути и Андромеды, это — язык природы. Все формулы физики, записанные в математическом виде, если бы вы их знали, давали бы вам неограниченное преимущество перед другими.

«Самая большая трагедия для мыслящего человека — остывание страсти к познанию.» Евгений Богат

Говорят, что математика абстрактна. Но куда более абстрактны наши чувства: ведь на самом деле не жжётся горячая вода, не вкусны пончики, не светит солнце, не встаёт оно из-за горизонта по утрам, не любим мы, не видим, не думаем — лишь квантовые процессы протекают в нас, и из-за этого мы существуем. Любите и уважайте науку. Используйте её в своих целях.

«И, как всегда, спасибо за просмотр.» Майкл Стивенс