Десять найбільших ідей в історії науки

 

Фото: bigthink.com

Десять найбільших ідей у ​​науці становлять основу сучасної біології, хімії та фізики. З ними повинен бути знайомий кожен.

У «Палеці Галілея» , одній з найкращих науково-популярних книг, коли-небудь написаних, професор хімії з Оксфорду Пітер Аткінс описує десять найбільших ідей в історії науки. Ці ідеї становлять основу сучасної біології, хімії та фізики.  Хоча наукові теорії завжди перевіряються і вивчаються на предмет недоліків, ці десять концепцій настільки міцні, що важко уявити, що їх коли-небудь замінять чимось кращим, пишуть Артефакти.

У своїй книзі  «Структура наукових революцій » Томас Кун стверджував, що наука замість того, щоб поступово прогресувати маленькими кроками, як прийнято вважати, насправді рухається вперед незручними стрибками. Причина цього полягає в тому, що усталені теорії важко спростувати, а суперечливі дані часто відкидають як просто аномальні. Проте в якийсь момент докази проти теорії стають настільки переважаючими, що їх насильно витісняють кращими в процесі, який Кун називає «зміною парадигми». А в науці навіть найпоширеніші ідеї колись можуть вважатися вчорашньою догмою.

• Хірурга-трансплантолога, який випалював свої ініціали на печінці пацієнтів лишили ліцензії

Найбільші ідеї в науці

Проте є деякі концепції, які вважаються настільки міцними, що важко уявити, що їх коли-небудь замінять чимось кращим. Більше того, ці концепції докорінно змінили свої поля, об’єднавши та висвітливши їх так, як не робила жодна попередня теорія.

Отже, що це за ідеї? Складання такого списку було б непростим завданням, здебільшого тому, що є з чого вибрати хороших. На щастя, професор хімії з Оксфорда Пітер Аткінс зробив саме це у своїй книзі 2003 року  «Палець Галілея: десять великих ідей науки» . Широта наукових знань доктора Аткінса справді вражає, а його десять варіантів чудові. Хоча ця книга була написана з думкою про популярну аудиторію, місцями вона може бути досить незрозумілою, навіть для людей із науковим досвідом. Тим не менш, я дуже рекомендую це.

Давайте подивимося на десять чудових ідей (перераховані без певного порядку).

№1. Еволюція відбувається шляхом природного відбору

У 1973 році еволюційний біолог Феодосій Добжанський написав есе під назвою « Ніщо в біології не має сенсу, крім як у світлі еволюції ». На даний момент тисячі студентів по всьому світу чули цю назву, яку цитували їм їхні вчителі біології.

І не дарма теж. Сила еволюції походить від її здатності пояснити як єдність, так і різноманітність життя; іншими словами, теорія описує, як схожість і відмінність між видами виникають внаслідок походження від універсального спільного предка. Примітно, що всі види мають приблизно  одну третину спільних генів , а  65% генів людини  подібні до генів бактерій і одноклітинних еукаріотів (наприклад, водоростей і дріжджів).

Одним з найцікавіших прикладів спільного походження є  еволюція гена, відповідального за останній етап у синтезі вітаміну С.. У людей є цей ген, але він порушений. Ось чому ми повинні пити апельсиновий сік або знайти якесь інше зовнішнє джерело вітаміну С. Секвенуючи цей ген і відстежуючи мутації, можна точно відстежити, коли була втрачена здатність синтезувати вітамін С. Згідно з цим філогенетичним деревом (див. вище), втрата сталася у предка, що породило всю рід антропоїдних приматів. Люди, шимпанзе, орангутанги та горили мають цей зламаний ген, і, отже, усі вони потребують зовнішнього джерела вітаміну С. (В інші моменти еволюційної історії кажани та морські свинки також втратили цей ген вітаміну С.) багатьом ссавцям не потрібен вітамін С у своєму раціоні, оскільки вони мають функціонуючу копію і здатні виробляти її самостійно; ось чому ваша собака чи кіт прекрасно обживаються без апельсинового соку.

Найбільш задовільним поясненням цих спостережень є походження з модифікацією від спільного предка.

№2. ДНК кодує спадкову інформацію

Протилежним уявленням про конфлікт між наукою і релігією, «батьком генетики» був не хто інший, як Грегор Мендель, монах-августинець. Він славно проводив експерименти з використанням рослин гороху і в процесі вивів основні закономірності успадкування. Він називав ці спадкові одиниці «елементами»; сьогодні ми називаємо їх «генами». Дивно,  але Мендель навіть не знав про існування ДНК , а  Чарльз Дарвін не знав ні про ДНК, ні про відкриття Менделя .

Лише в 1952 році вчені визначили, що ДНК є молекулою, відповідальною за передачу спадкової інформації. Експеримент, проведений Альфредом Герші та Мартою Чейз, використовуючи  віруси з радіоактивно міченими сіркою або фосфором для зараження бактерій , досить переконливо продемонстрував, що це так. Потім, у 1953 році, Джеймс Вотсон і Френсіс Крік за значного внеску Розалінд Франклін зруйнували біологічний світ своєю моделлю структури ДНК з подвійною спіраллю.

Звідти було визначено, що «літери» (A, C, G, T) послідовності ДНК кодують інформацію. У групах по три (наприклад, ACG, GAA, CCT тощо), ці нуклеотиди кодують амінокислоти, будівельні блоки білка. У сукупності кожна можлива комбінація з трьох літер відома як «генетичний код». (Дивіться діаграму вище. Зверніть увагу, що кожен T замінено на U в РНК.) Згодом виникла центральна догма молекулярної біології: (1) ДНК є основним планом і відповідає за спадковість; (2) ДНК транскрибується в РНК, яка діє як посередник, передаючи цю життєво важливу інформацію; і (3) РНК транслюється в білки, які забезпечують структурні та ферментативні функції клітини.

Сьогодні відомо, що одних послідовностей ДНК недостатньо, щоб пояснити всю поведінку, що спостерігається на клітинному рівні. Зміни в ДНК, які не впливають на послідовність букв, відомі як  епігенетичні зміни  , перебувають під інтенсивним дослідженням. Наразі незрозуміло, якою мірою епігенетика відповідає за спадкові ознаки.

№3. Енергія зберігається

Вся енергія, яка зараз існує у Всесвіті, - це все, що коли-небудь було і все, що коли-небудь буде. Енергія не створюється і не руйнується (саме тому  ніколи не варто купувати вічний двигун ), хоча її можна перетворити в масу (і навпаки). Це відомо як еквівалентність маси енергії, і кожен школяр знає рівняння, яке його описує: E = mc 2 .

Історія енергії багато в чому починається з Ісаака Ньютона. Його три закони руху, так би мовити, підштовхнули кульку, але вони не стосувалися безпосередньо енергії; натомість вони мали справу з силою. Згодом, за допомогою таких вчених, як лорд Кельвін, фізика почала зосереджуватися на енергії. Дві найважливіші його форми — потенційна енергія (зберігаюча енергія) і кінетична енергія (енергія руху). Більшість інших форм енергії, включаючи хімічну та електричну, є просто різними проявами потенціальної та кінетичної енергії. Крім того, «робота» і «тепло» самі по собі не є формами енергії, а є просто методами її передачі.

№ 4. Ентропія: Всесвіт прагне до безладу

Закон Мерфі  стверджує: «Усе, що може піти не так, піде не так». Ентропія схожа на закон Мерфі, що застосовується до всього Всесвіту.

Простіше кажучи, ентропія є мірою безладу, а другий закон термодинаміки стверджує, що всі закриті системи прагнуть максимізувати ентропію. Щоб звернути цю постійно зростаючу тенденцію до безладу, потрібно витратити енергію. Ось чому ведення домашнього господарства так стомлює. Залишившись сам по собі, ваш будинок запорошиться, павуки заселяться, і зрештою він розвалиться. Однак енергія, вкладена в запобігання розладу в одному місці, одночасно збільшує її в іншому місці. Загалом, ентропія Всесвіту  завжди  зростає.

Ентропія також проявляється по-іншому: ідеальної передачі енергії не існує. Ваше тіло (або клітина) не може ідеально використовувати їжу як джерело енергії, оскільки частина цієї енергії назавжди втрачається у Всесвіті . Отже, як і у фінансах, кожна операція супроводжується податком. (Мікробіолог з Вашингтонського університету Франклін Гарольд любив називати це «Божий енергетичний податок».)

Звичайне прислів’я про те, що «ніщо в житті не є певним, окрім смерті та податків», отже, набуває нового значення.

№ 5. Матерія складається з атомів

Повітря, вода, бактерії, люди, комп’ютери, зірки: усі вони складаються з атомів. Насправді, атоми, з яких складається Земля (і все на ній, включаючи нас), спочатку походять із зірок, тому Карл Саган жартівливо сказав: «Ми створені із зоряного матеріалу».

Але що таке атоми? Насправді переважно порожнє місце. Це означає, що ви також переважно порожній простір. Центр кожного атома, який називається ядром, складається з позитивно заряджених протонів і незаряджених нейтронів. Навколо цього щільного скупчення позитиву є негативно заряджені електрони, які гудуть, досить непередбачувано. Спочатку вважалося, що електрони обертаються навколо ядра таким чином, що нагадує планети навколо Сонця, так звану « модель сонячної системи » атома, заслугу якої приписують Нільсу Бору. Модель надто спрощена і неправильна, але для певних розрахунків справляється досить добре, тому її все ще викладають на базових уроках хімії. Зрештою, модель була замінена більш складною моделлю атомної орбіти .

Усі відомі атоми знаходяться в періодичній системі, центральній частині кожного класу хімії. Таблиця організовує атоми різними способами, два з яких особливо важливі: по-перше, атоми впорядковані за збільшенням атомного номера, який представляє кількість протонів і визначає кожен елемент. По-друге, кожен стовпець таблиці відображає кількість електронів зовнішньої оболонки в кожному атомі. Це важливо, оскільки електрони зовнішньої оболонки значною мірою визначають види хімічних реакцій, у яких братимуть участь атоми.

Мабуть, найцікавішим аспектом періодичної таблиці є те, як вона виникла. Російський хімік Дмитро Менделєєв вперше створив сучасну періодичну таблицю. Але в ньому були відсутні елементи. І, використовуючи свою таблицю, він правильно передбачив існування ще не відкритих елементів.

№6. Симетрія кількісно визначає красу

Симетрія, це дещо розпливчасте поняття, що включає згинання або скручування трикутників, кубів та інших об’єктів різними способами, має застосування далеко за межами класу геометрії в старшій школі. Як виявилося, Всесвіт пронизана симетрією або її відсутністю .

Найкрасивіші  людські обличчя  також є найбільш симетричними. Атоми в кристалі розташовані симетрично, що повторюється. Багато інших явищ  у природі демонструють захоплюючу симетрію, від сот до спіральних галактик.

Фізику елементарних частинок та астрофізику також захоплює поняття симетрії. Однією з найбільших асиметрій є той факт, що наш Всесвіт складається з  більшої кількості матерії, ніж антиматерії . Якби Всесвіт був ідеально симетричним, їх було б однаково. (Але тоді Всесвіт, ймовірно, не існував би, оскільки матерія та антиматерія знищують одне одного.) Однак, як пише Аткінс, Всесвіт є  симетричним ,  «якщо  ми одночасно  міняємо частинки на античастинки…, відбиваємо Всесвіт у дзеркалі… і навпаки». напрямок часу».

Чи пояснює це, чому Міс Всесвіт завжди така гарна?

№ 7. Класична механіка не може описати дрібні частинки

Класична фізика Ісаака Ньютона та Джеймса Клерка Максвелла досить добре працює для більшості повсякденних застосувань. Але класична фізика обмежена в тому сенсі, що вона  не зовсім точно відображає реальність .

Перші припущення про те, що щось серйозно не так, виникли з аналізу випромінювання чорного тіла. Уявіть собі гарячу піч: спочатку вона стає червоною, а потім стає білою, коли стає тепліше. Класична фізика була не в змозі пояснити це. Проте Макс Планк мав ідею: можливо, вивільнена енергія надходила в маленьких пакетах, які називаються «квантами». Замість того, щоб енергія набирала безперервних значень, вона набуває лише дискретних значень. (Подумайте про різницю між пандусом і сходами; людина, що стоїть на пандусі, може підняти будь-яку висоту, тоді як людина, що стоїть на сходах, має лише певну дискретну висоту, з якої можна вибрати.) Як виявилося, ці «кванти» ” світлової енергії сьогодні відомі як фотони. Таким чином, було продемонстровано, що світло, яке до того часу зазвичай вважалося хвилею, також може діяти як дискретні частинки.

Потім прийшов Луї де Бройль, який розширив концепцію: усі частинки можуть діяти як хвилі, а всі хвилі можуть діяти як частинки. Докази цієї ідеї були отримані завдяки знаменитому  експерименту з подвійними щілинами , який остаточно показав, що фотони, електрони і навіть молекули, такі як бакіболи, демонструють подвійність хвиль і частинок. (Лабораторія підтвердила результати цього експерименту ще  раз  у травні 2013 року.)

Ці дві концепції, квантування і подвійність хвиля-частинка, утворюють ядро ​​дисципліни, відомої як квантова механіка. Дві інші основні концепції включають  принцип невизначеності  (тобто неможливість знати різні пари характеристик системи з точністю) і  хвильову функцію  (яка в квадраті дає ймовірність знайти частинку в певному місці). І що все це нам дає? Кіт Шредінгера , який водночас мертвий і живий.

Не дивно, що Стівен Гокінг  завжди тягнеться за пістолетом .

№ 8. Всесвіт розширюється

Близько 13,8 мільярдів років тому Всесвіт пережив період швидкого розширення, відомий як космічна інфляція. Одразу після цього стався Великий вибух. (Так, космічна інфляція сталася  до  Великого вибуху .) Відтоді Всесвіт продовжує розширюватися.

Ми знаємо, що Великий вибух стався через яскраві докази, які він залишив: космічне мікрохвильове фонове випромінювання (CMB). У міру розширення Всесвіту початковий спалах світла від Великого вибуху розтягнувся. (Пам’ятайте, світло може бути і хвилею, і частинкою.) Коли світло розтягується, довжина хвилі збільшується. Сьогодні це світло більше не видно неозброєним оком, оскільки тепер воно живе в мікрохвильовому діапазоні електромагнітного спектру. Однак ви все ще можете «побачити» це на старовинних телевізорах з антенами; статика на  «проміжних» каналах  частково зумовлена ​​CMB.

Але не тільки Всесвіт розширюється, але і  швидкість його розширення прискорюється завдяки темній енергії . І чим далі від Землі об’єкт, тим швидше він віддаляється від нас. Якщо ви думали, що Всесвіт зараз самотнє місце,  просто зачекайте 100 мільярдів років . Завдяки темній енергії ми не зможемо побачити жодних зірок за межами нашої власної галактики (яка на той час буде гігантським злиттям галактик Чумацький Шлях і Андромеди та їх менших галактик-супутників).

№ 9. Простір-час викривлений речовиною

Тканиною нашого Всесвіту є простір-час, який складається з трьох просторових вимірів (довжини, ширини та висоти) у поєднанні з виміром часу. Уявіть собі цю тканину у вигляді еластичного гумового листа. А потім уявіть, що кладете гігантську кулю для боулінгу на цей лист. Лист буде деформуватися навколо кулі для боулінгу, і будь-який предмет, розміщений поблизу кулі для боулінгу, котитиметься до нього. Ця метафора загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна пояснює, як працює гравітація. (Незважаючи на те, що загальна теорія відносності є найбільшим досягненням Ейнштейна, загальна теорія відносності не за те, за що він отримав Нобелівську премію; натомість премія була присуджена за його роботу над  фотоефектом .)

Але це був не єдиний внесок Ейнштейна. Він також придумав спеціальну теорію відносності, яка описує, як сповільнюється час для рухомих об’єктів, особливо якщо вони рухаються ближче до швидкості світла.

Цікаво, що   для належної роботи супутників GPS необхідно враховувати вплив загальної та спеціальної теорії відносності . Якби ці ефекти не були враховані, то годинники на Землі та на супутниках були б несинхронізовані, а отже, відстані, які повідомляє пристрій GPS, були б вкрай неточними. Тому щоразу, коли ви успішно використовуєте свій смартфон, щоб знайти місцевий Starbucks, дякуйте Альберту Ейнштейну.

№ 10. Математика — межа розуму

По суті, математика не має сенсу. Це, напевно, не є несподіванкою для тих із нас, хто стикався з алгеброю чи обчисленням. Хоча це мова науки, правда полягає в тому, що математика побудована на зламаному фундаменті.

Наприклад, розглянемо число. Ви думаєте, що знаєте когось, коли бачите, але це досить в ажко визначити. (У цьому сенсі  цифри схожі на непристойність чи порнографію .) Не те, щоб математики не намагалися визначити числа. Область теорії множин значною мірою присвячена подібним зусиллям, але  це не без суперечок .

Або розглянемо нескінченність. Георг Кантор зробив, і (дехто припускає, що) він зійшов з розуму в процесі. На противагу інтуїції, існує така річ, як одна нескінченність більша за іншу. Раціональні числа (ті, які можна виразити у вигляді дробу) становлять одну нескінченність, але ірраціональні числа (ті, які не можна виразити у вигляді дробу) становлять більшу нескінченність. Особливо в цьому винен особливий тип ірраціонального числа, який називається трансцендентним. Найвідомішим трансцендентним є пі, яке не можна виразити ні у вигляді дробу, ні як розв’язку алгебраїчного рівняння. Цифри, з яких складається пі (3,14159265…), продовжуються нескінченно без певної схеми. Більшість чисел трансцендентні, як і пі. І це дає дуже дивний висновок: натуральні числа (1, 2, 3…) надзвичайно рідкісні.

У своїй основі математика тісно пов’язана з філософією. Питання, що найбільше обговорюються, такі як  існування та якості нескінченності , здаються набагато більш філософськими за своєю природою, ніж науковими. І завдяки Курту Геделю ми знаємо, що нескінченна кількість математичних виразів, ймовірно, є істинними, але недоказаними .

Такі труднощі пояснюють, чому, з гносеологічної точки зору, математика так тривожна: вона ставить обмежені межі людському розуму.