ЛЕКЦИИ ДОКТОРА ВСЕХ НАУК ЧИКОРУДИ ДЛЯ ПОДЗАБЫВШИХ КОЕ-ЧТО НЕ СОВСЕМ ОТЛИЧНИКОВ, НО ВПОЛНЕ ТОЛКОВЫХ МАЛЬЧИКОВ И ДЕВОЧЕК СРЕДНЕГО И СТАРШЕГО ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА, А ТАКЖЕ ДЛЯ ИХ РОДИТЕЛЕЙ, УЧИТЕЛЕЙ, СОСЕДЕЙ И, НАКОНЕЦ, ДЛЯ ТЕХ ПОСЕТИТЕЛЕЙ ШКОЛЫ, КТО ЕЩЕ НЕ СТАЛ ВПОЛНЕ ТОЛКОВЫМ, А ОЧЕНЬ ДАЖЕ МОЖЕТ СТАТЬ. И ХОЧЕТ.
Представляем читателям фрагменты книги "Самое главное - понять самое главное", подготовленные автором специально для публикации в журнале. Книга написана в экспериментальном жанре диалогов учителя с учениками. Основа книги - более ста рассказов-лекций о нашем мире, которые доктор наук, профессор Чикоруди (сокращенно ДЧР) во время летних каникул прочитал небольшой группе учеников средней школы приморского поселка Дельфиновка (пригород известного портового Черноморска, то бишь Одессы), к этой группе примкнули приехавшие погостить в теплых пляжных краях ребята из других городов и даже из других стран. Читателю представлены не только сами лекции, но и активное их обсуждение - дети внимательно слушают и свободно задают самые разные вопросы, что им не всегда удается на школьных уроках. Автор книги Рудольф Анатольевич Сворень наверняка знаком многим нашим читателям. Радиоинженер по образованию, педагог по призванию, журналист и редактор по профессии, кандидат педагогических наук, более 40 лет он работал в журнале "Наука и жизнь". Был специальным корреспондентом, редактором отдела, заместителем главного редактора. Опубликовал в журнале десятки статей об успехах наук и технологий. Лауреат многих профессиональных премий, в том числе Премии Союза журналистов СССР ("Золотое перо"). Издано 12 его книг, общий тираж которых превысил 8 миллионов. Среди них - энциклопедия юного радиолюбителя "Электроника шаг за шагом", учебник информатики для средней школы (в соавторстве), рассказы о науке для школьников "В просторы космоса, в глубины атома", книжка для всех об электронике "Ваш радиоприемник". Сейчас Рудольф Анатольевич работает над новыми книгами.
ИЗ ЧЕГО ВСЕ В НАШЕМ МИРЕ СДЕЛАНО (из лекции 3)
ДЧР (доктор Чикоруди) . Вся невообразимо большая Вселенная, все ее звезды и планеты, в том числе наша Земля и все, что на ней, все собрано из невидимо мелких деталей - они в тысячи миллиардов раз меньше пляжной песчинки. Детали эти называют микрочастицами (от греческого микрос - малый), а мыcленно выделенные пространства, где они живут и работают, - это микромир.
Три детали, из которых собрано все на свете. Трудно поверить, но все, что есть в нашем мире, собрано всего из трех разных деталей, из трех микрочастиц - это сравнительно небольшая и очень легкая частица электрон и две сравнительно большие и тяжелые частицы - протон и нейтрон.
Маша. Вы сначала сказали, что все собрано из трех невидимо мелких деталей, а теперь оказывается, что маленький только электрон, а две другие частицы - большие и тяжелые.
ДЧР. Говорить о размерах, о массе или о весе лучше не словами, а цифрами. Размер протона примерно одна триллионная часть миллиметра, то есть 0,000 000 000 001 мм (10-12 мм), масса протона - триллионная часть триллионной части грамма, то есть 0,000 000 000 000 000 000 000 001 г (10-24 г). Почти такие же размеры и масса у нейтрона. Чтобы получился 1 грамм вещества, нужно собрать вместе 1024 протонов или нейтронов, из такого количества песчинок получилась бы гора высотой 200 километров. О размере электрона говорить трудно, настолько он мал, а его масса в 2000 раз меньше, чем у протона, то есть 0,5.10-27г. Думаю, приведенных цифр достаточно, чтобы протон, нейтрон и электрон называть микрочастицами и чтобы считать электрон сравнительно легкой частицей, а протон и нейтрон - сравнительно (в сравнении с электроном) тяжелыми.
Никита. А что будет, если из какого-нибудь вещества случайно выпадет протон, а на его место прилетит более крупный протон, например, из другой галактики? Эта чужая частица может разрушить вещество и привести к серьезной аварии.
ДЧР. Можешь не волноваться - аварии не будет.
Протоны во всей Вселенной одинаковые. Микромир отличается, если можно так сказать, высочайшим уровнем стандартизации - во всей Вселенной протоны совершенно одинаковые. И точно так же одинаковы все электроны, все нейтроны и другие микрочастицы.
Андрей. Выходит, все электроны были изготовлены по одному чертежу? Почему во всей огромной Вселенной электроны одинаковые?
ДЧР. На этот вопрос пока возможен лишь один ответ: так устроен наш мир. Физики, правда, иногда пытаются ответить по-другому, но человеку со стороны трудно понять эти ответы. Один известный теоретик, например, одинаковость всех электронов объяснял так: это на самом деле всего один электрон, который каким-то образом проецируется одновременно во все окружающее нас пространство.
Саша. Понять невозможно, но идея красивая.
Жорик. У меня вопрос попроще: неужели всего из трех деталей получается абсолютно все? В мире, наверно, тысяча разных веществ - металлы, пластмассы, бензин, дерево, бумага, стекло… И все это получается всего из трех разных деталей - из протонов, нейтронов и электронов? Не верю!
ДЧР. Для начала поправлю названную тобой "тысячу" - сегодня химикам известно более 20 миллионов различных веществ, созданных природой или синтетических (от греческого синтезис - соединение ), то есть искусственных. Как все это многообразие получается всего из трех частиц, наверняка может объяснить каждый, кто с интересом относится к школьной химии. Есть добровольцы, готовые помочь товарищу?
Сергей. Давайте я попробую.
Механизмы многообразия - взгляд с высоты. Три частицы, из которых все на свете собрано, то есть протон, нейтрон и электрон, не идут в дело россыпью, поодиночке. Они проходят два "сборочных цеха" и превращаются в два вида строительных блоков - в атомы и молекулы.
Атом. В учебниках его в упрощенном виде рисуют так: в центре - ядро из соединившихся протонов и нейтронов, вокруг ядра по круговым орбитам вращаются электроны, и все это чем-то напоминает нашу Солнечную систему (рис. 1). Важное примечание: на орбитах атома вращается столько электронов, сколько протонов в его ядре. А в атомном ядре может быть разное число протонов, и именно число протонов определяет основные свойства атома. Так, в атоме ртути 80 протонов (и соответственно 80 электронов на орбитах), но если один протон убрать из ядра и оставить в нем 79 протонов, то получится атом золота.
Катя. Это просто идея или её где-то проверили?
ДЧР. Проверили, проверили. И уже довольно давно.
Катя. Так почему же не строят заводы, где из ртути буду делать золото тоннами?
Никита. Потому, что одно дело в научном институте один атом ртути превратить в атом золота, и совсем другое дело завод.
Зурик. Кроме того, твоему проекту нужна арифметическая проверка - очень может быть, что искусственное золото окажется намного дороже настоящего.
Саша. Есть еще одна проблема, возможно, самая главная - золотой запас какой-нибудь страны поддерживает цену её бумажных денег. Если золото станет дешевым, деньги ста нут просто бумагой и могут начаться серьезные финансовые катастрофы.
Голоса. Но почему?… Дешевого золота любая страна сможет иметь огромный запас… И трубы водопроводные можно делать вечные - золото не ржавеет… Люди богаче жить будут… Непонятно почему дешевое золото плохо для финансов…
ДЧР. О непонятностях экономики, финансовых систем, о богатстве и бедности отдельных людей и целых стран мы с вами еще поговорим - всё это есть в наших планах. А сейчас давайте вернемся к непонятностям микромира и попробуем в упрощенном виде понять главное, что должен знать о нём образованный человек.
Сергей. Атомы с разным числом протонов в ядре называются химическими элементами, они в определенном порядке собраны в таблице Менделеева - каждый последующий элемент в таблице имеет на один протон больше, чем предыдущий, и, значит, вокруг ядра вращается больше на один электрон. Сегодня известно больше ста разных химических элементов, и все эти разные атомы - первый шаг от трех строительных деталей к многообразию нашего мира. Второй шаг - создание из атомов более крупных строительных блоков, многоатомных молекул.
Молекула (уменьшительное от латинского молес - масса, то есть маленькая масса, массочка). Эти многоатомные строительные блоки могут быть разными из-за разного числа атомов - от двух до многих миллионов. Но главное то, что в молекулах могут быть разные сочетания химических элементов: два атома водорода и один атом кислорода - это трехатомная молекула воды (короткая запись Н2О), а два атома кислорода и один атом углерода - это трехатомная молекула углекислого газа (СО2). Но и молекулы с одинаковым набором атомов тоже могут быть разными - из-за того, что эти атомы по-разному соединяются друг с другом или по-разному расположены в пространстве. Наконец, разные вещества могут получаться, если в них объединяются разные виды молекул. И вот вам результат: из-за разного числа трех микрочастиц в атоме (протонов, нейтронов и электронов) получается много разных атомов, из-за разного набора разных атомов в молекуле получаются очень-очень много разных молекул, из этих разных молекул или из их разных сочетаний в одном веществе получается очень-очень-очень много разных веществ.
ДЧР. Браво, молодец! Рассказал коротко, понятно и, главное, про самое главное.
Перец. Одно у нас пока остается неясным - каким клеем склеены микрочастицы в атомном ядре и чем склеены атомы в молекулах.
ИНСТРУМЕНТ "М" - НАШ ВЕРНЫЙ И МОГУЧИЙ ПОМОЩНИК В НАУКЕ И В ЖИЗНИ (из лекции 6).
ДЧР. Прежде чем начать эту лекцию, хочу сказать несколько слов о ваших занятиях в школе. Вы посещаете школу 11 лет, проводите на уроках примерно 1000 часов в год и еще полстолько наверняка тратите на домашние задания. За это время (в сумме более 16 тысяч часов) вы получаете огромный объем знаний. Наши с вами лекции, так же как и книга ("Самое главное - понять самое главное"), которая будет подготовлена на их основе, никак не могут конкурировать с возможностями школы и призваны лишь помочь вам в понимании школьных предметов и отдельных тем. Поэтому автор будущей книги, составляя ее подробный план, просмотрел школьные учебники и особо выделил темы, которым, как ему показалось, в школе надо бы уделить больше внимания. Автор книги попросил меня посвятить этим темам специальные лекции, и одна из таких особо важных лекций будет вам сейчас представлена.
Сразу же поясню, что стоит за этим придуманным мною таинственным названием "Инструмент "М"…
Голоса. Я и сам знаю - это молоток…- Зачем науке молоток? Инструмент "М" - это монтажный паяльник для сборки и ремонта электронных схем…- Скучно мыслите, дорогие студенты. Инструмент "М" - это сверхсекретный "Магический кристалл", который лазерным лучом режет и соединяет железо, дерево, пластмассу, стекло, одним словом, любые материалы …
ДЧР. Все намного проще, инструмент "М" - это модели.
Голоса. Инструмент "М" - это модели? Такого не может быть… Это какая-то ошибка... У меня дома маленькие модели автомобилей, целая коллекция - 180 штук. И почему они инструмент?.. Каждый ребенок про модели знает - никакой это не научный помощник… И в жизни модели ничем не помогают. Просто игрушки… А я всегда думала, что модель - это красивая женщина, которая проходит перед публикой и модную одежду показывает…Можно считать, что мои куклы - это модели девочек. Они тоже "могучий помощник науки"?
ДЧР: Слово "модель" (от латинского модулус - мерило, образец) сначала употреблялось в смысле "образец для подражания", а также "упрощенная копия чего-то реально существующего", например, небольшая модель парусника, кареты или дворца.
Значение слов со временем может меняться. Шли годы, люди открывали и меняли окружающий мир. При этом им приходилось не только вводить в свой язык (точнее, в языки - их и в древности было немало, а сейчас насчитывают около 2500) новые слова, но и расширять значение старых. Возьмем, к примеру, слово "электричество" (от греческого электрон - янтарь), которым еще 400 лет назад называли загадочную силу, притягивавшую мелкие клочки шелка.
Светлана. А почему вы считаете, что это было 400 лет назад? Я читала, что про электрические силы еще 2500 лет назад знали древние греки.
ДЧР. Действительно, книги тех времен подтверждают, что в опытах с натертым янтарем появляются неизвестные ранее силы. Но нигде не сказано, что уже греки назвали эти силы электричеством. И точно известно, что более 400 лет назад это слово ввел в свои научные отчеты известный английский врач и исследователь электричества Вильям Гильберт. То было удивительное время - мир возрождался после долгого средневекового сна, мы с вами позже посвятим этой эпохе Возрождения специальную лекцию.
Но вернемся, однако, к слову "электричество" - сейчас оно обозначает совсем не то, что во времена Гильберта. Сегодня электричество - это мощнейшие электростанции, это свет в домах и на улицах, миллионы электромоторов, помогающих нашим мускулам, электропоезда, красочный телеэкран и рентгеновский аппарат, позволяющий врачу заглянуть внутрь нашего тела.
Значение некоторых слов меняется, когда люди начинают глубже понимать то, что с этими словами связано. Возьмите, к примеру, такое слово, как "теплота", оно всегда называло знакомые всем, но необъяснимые свойства нагретых предметов, а сейчас обозначает еще и тщательно изученные процессы в мире атомов и молекул: температура воды в чайнике растет потому, что при нагреве усиливается беспорядочное движение молекул, они чаще и сильней соударяются и больше выделяют энергии.
Сергей. Еще очень изменился смысл слова "знание". Его, конечно, ценили и раньше - в каменном веке наверняка уважали охотника, который лучше других знал, как выследить мамонта. Но еще больше, я думаю, в те времена ценили силу и ловкость. А сейчас все понимают, что самое главное - это знания, от них все богатство человечества.
Жорик. И зарплата за знания намного больше, чем за физическую работу.
Перец. Мы начали этот интересный разговор о словах для того, чтобы как-то пояснить два важных для нас слова - "инструмент" и "модель". Так давайте поговорим именно про них.
ДЧР. Очень своевременное предложение. Начнем, пожалуй, со слова "инструмент".
Инструмент - это не только молоток, пила или отвертка. Представьте себе, что мы с вами сочиняем словарь для младших школьников и нам нужно очень коротко объяснить, что такое инструмент. Какие будут предложения?
Никита. Инструмент - это как бы железное продолжение человеческой руки, инструмент позволяет нам делать то, что руками сделать трудно или невозможно - разрезать доски, отвинчивать гайки, забивать или выдергивать гвозди.
Зурик. Инструмент - это все, что помогает человеку работать. У плотника - это пила, у зубного врача - бормашина, у милиционера - свисток.
Саша. Инструмент - это предметы, процессы и правила, которые увеличивают возможности работающего человека. Люди широко используют такие инструменты, как молоток, микроскоп и телескоп, как таблица умножения, грамматические правила, помогающие нам писать без ошибок, микрокалькулятор, кардиограф, на экране которого врач видит, как работает наше сердце, математические формулы, позволяющие быстро и легко вычислять площадь круга или объем шара, часы - инструмент для определения времени.
ДЧР. Это последнее объяснение получает первую премию. Автор подчеркнул главное - в наше время слово "инструмент" имеет очень широкий смысл. Теперь мы можем смело отметить, что к числу наших помощников-инструментов относятся многочисленные и разнообразные модели.
В выпущенной чуть более ста лет назад Энциклопедии издателей Ф. А. Брокгауза и И. А. Ефрона сказано, что модель - это "подобие какого-либо предмета, сделанное из дерева, пробки, картона, воска, глины, металла или другого вещества, воспроизводящее этот предмет с точностью, но в уменьшенном виде". Лет через 30 первое издание БСЭ (Большая советская энциклопедия) сообщает, что модель - это ценный инструмент авиаконструктора : уменьшенные модели самолетов можно исследовать в воздушном потоке, а затем учитывать результаты этих исследований при конструировании настоящих, больших машин.
Проходит еще лет тридцать-сорок, и очередное издание БСЭ представляет слово "модель" в его нынешнем, широком значении - это, в частности, условный или мысленный образ какого-либо объекта, например рисунок, чертеж, описание, карта, таблица, схема, план и так далее. При определенных условиях этот образ используется в качестве "заменителя" или "представителя" самого объекта. И далее сообщается, что моделирование, то есть создание моделей и работу с ними, широко используют для исследований в биологии, физике, астрономии, геологии, одним словом, практически во всех науках. От себя добавлю, что и мы с вами, даже не замечая этого, пользуемся мысленным моделированием при решении своих житейских задач.
Перец. А можно привести несколько примеров, показывающих, как модели помогают науке?
ДЧР. Конечно и вы эти примеры прекрасно знаете, но только не думали о них как о работе с моделями - были в плену старых представлений об этом слове.
Итак - несколько примеров.
Пример первый: чертежи, незаменимая модель для конструктора, создающего новую машину, и для механика, ремонтирующего старую. Без этой модели, без чертежа, конструктору пришлось бы заказывать детали для новой машины (например, стальные шестеренки) и, получив их, пробовать - подойдут они или не подойдут. Вместо этого безумия конструктор сначала отрабатывает машину на модели - в чертежах, свободно меняя или уточняя форму, размеры и расположение деталей. Разумеется, потом создаются опытные образцы машины и подправляется то, что было неточно отработано в чертежах. Но такие неизбежные, как правило, поправки даже сравнивать нельзя с огромным объемом переделок в машине, сконструированной без чертежа, "на глазок".
Андрей. Я все понял: работа с моделью позволяет без особого труда отработать и проверить на ней все, что нужно отработать и проверить. После этого любое дело можно делать уверенно, быстро и правильно.
ДЧР. Об этом можно сказать еще и так: работа с моделью избавляет от утомительного и дорогого метода проб и ошибок.
Но вернемся, однако, к нашему списку моделей.
Пример второй: анализ крови, список важнейших ее составляющих с указанием их количества. Эта модель (анализ крови) многое говорит врачу о состоянии пациента, о том, какие биохимические процессы протекают в его организме нормально, а какие с отклонениями от нормы. Через некоторое время врач вновь делает анализ крови и по изменениям в этой модели видит, как подействовали на пациента лекарства и как вообще протекает болезнь.
Пример третий: географическая карта, модель местности, в пояснениях и оценках не нуждается.
Пример четвертый: математическое описание теоремы Пифагора: а2 + b2 = с2, где а и b - катеты прямоугольного треугольника, а с - его гипотенуза. С помощью этой модели можно без труда узнать длину какой-либо стороны треугольника, если известна длина двух других сторон. Подобные математические модели создаются для самых разных Предметов и Процессов , и на этих моделях предварительно отрабатывают, а затем безошибочно выполняют очень сложные операции - от компьютерного проектирования микропроцессоров и поисков месторождений нефти до запуска космических аппаратов на Марс.
Пример пятый: электрическая схема телевизора - модель всех его электрических цепей и соединения всех его деталей.
Пример шестой: кузов легкового автомобиля в натуральную величину, изготовленный из цветного пластилина. На такой модели дизайнер отрабатывает внешние формы будущей машины. Продолжать?
Никита. Не нужно - все понятно. Сдаемся…
ДЧР. А вместе с тем огромное число людей имеют о моделях совершенно неверное представление. Недавно в нашей поселковой библиотеке я просматривал переведенную с английского великолепную детскую энциклопедию, в ней написано вот что: "Модель - маленькая копия чего-нибудь большого". Это так, но это лишь одно из многих значений исключительно важного слова "модель".
Паша. У меня есть просьба. Модели, о которых мы узнали, в основном относятся к науке. А название лекции говорит, что модели - это наш помощник еще и в жизни. Можно попросить вас привести хотя бы один пример того, как это делается - как модели помогают нам жить?
ДЧР. Сначала скажу о жизни как о биологическом процессе.
В биологических процессах модели используются на каждом шагу, а одна из моделей сделала возможным само существование жизни. До сих пор мы в основном говорили про модель, которую можно назвать упрощенной копией какой-то реальности. Так, например, географическая карта - упрощенная копия местности, на небольшой карте мы видим огромную территорию, находим место, где встречаются две нужные нам дороги, легко определяем расстояние до этого места. Но модель - это не только упрощенная копия реальности, моделью также называют образец, по которому создается какое-либо изделие. В современном производстве обязательно есть утвержденный образец (эталон) автомобиля, телевизора или вертолета, и все машины, которые сходят с заводского конвейера, - это копии эталонного образца, копии тщательно испытанной и утвержденной модели.
Все вы, конечно, слышали, что в клетках каждого растения, каждого животного, насекомого, каждой одноклеточной бактерии есть большая молекула по имени ДНК. Большая в том смысле, что это цепочка из молекулярных блоков, в которой в сумме может быть несколько миллионов атомов. Молекула ДНК - это особый химический чертеж, в котором определенным расположением атомов записано все устройство организма. Но, кроме того, молекула ДНК - это еще и эталонный образец, с которого копируются новые молекулы ДНК, они по наследству передаются следующим поколениям растений или животных и именно поэтому пра-пра-правнучка вашей кошки устроена так же, как ее пра-пра-прабабушка. Эстафета жизни на нашей планете началась тогда, когда природа научилась копировать молекулярные чертежи с первого удачно сложившегося образца - с первой молекулярной модели.
Теперь о роли моделей и моделирования в повседневной жизни. Начну с забавной, но с серьезным смыслом истории, которую очень советую запомнить.
Много лет назад в книжке с картинками я прочитал о мальчике, у которого была хорошая табуретка, но с маленьким недостатком - она неровно стояла на полу. Мальчик решил поправить дело и немного подпилил одну ножку - табуретку еще больше перекосило. Слегка подпилил вторую ножку - табуретку перекосило в другую сторону. Снова что-то подпилил и опять перекос. Так этот мастер, пробуя и ошибаясь, постепенно спилил у табуретки все ножки, своими руками уничтожил любимую мебель. Ничего этого не случилось бы, если бы мальчик сначала все проделал на модели, в данном случае - на чертеже. Измерил бы длину всех ножек, набросал бы простенький чертеж и на нем отметил бы, какую ножку и на сколько миллиметров нужно укоротить.
А теперь вопрос: мог ли мальчик все сделать хорошо и правильно без чертежа?
Зурик. Никогда в жизни!
Маша. Конечно, мог бы. Надо было померить длину ножек, а затем подумать и в уме сообразить, какую ножку на сколько укоротить. И никакой чертеж для такого пустякового дела не нужен.
Андрей. Если бы он подумал, то одной ножкой все обошлось бы - у меня уже был такой случай. А этот дурачок взялся пилить не думаючи.
ДЧР. То, что я хочу сказать вам в заключение лекции, начинается с этих очень правильных ответов - прежде чем брать в руки пилу, мальчику надо было подумать. Но что это конкретно значит "надо было подумать"? Известно, что мы думаем головой, мозгами, что же конкретно происходит в нашей голове, в мозгах, когда мы о чем-нибудь думаем?
В большинстве случаев мышление - это создание моделей в нейронных сетях головного мозга и работа с этими мысленными моделями. Главные работающие детали мозга - нервные клетки, нейроны, в головном мозге человека их больше 10 миллиардов. Несколькими своими отростками, напоминающими тончайшие волоски проводов, каждый нейрон как-то связан с несколькими другими нейронами (напомню - их более 10 миллиардов!), часто и очень быстро обменивается с ними электрохимическими сигналами (нервными импульсами), и все это вместе образует сложнейшую систему связи и обработки сигналов. Называется эта система "нейронная сеть". Именно в нейронной сети каким-то способом создаются модели того, о чем вы думаете, именно в нейронных сетях идут какие-то процессы, из которых складывается то, что мы называем высоким словом "мышление".
Светлана. Что это значит "каким-то образом создаются модели"? Каким именно способом они создаются? Как, например, выглядит в нейронной сети модель тарелки, которую я хочу помыть?
Федя Ли. И как понять такие ваши слова - "в нейронных сетях идут какие-то процессы, из которых складывается наше мышление"? Что происходит в нейронной сети, если я решил помочь Светлане и подумал: "Наведу-ка я сначала порядок на столе"?
Сергей. Я тоже решил включиться в эту уборку квартиры и для начала пропылесосить ковер. Как выглядит в нейронной сети это мое решение? Как в нужный момент будут посланы нужные команды мускулам рук, которые должны взять пылесос, включить его и перемещать по ковру?
ДЧР. Должен вас огорчить - сегодня вряд ли кто-нибудь возьмется на эти вопросы ответить.
Наука очень многое сделала для понимания великой загадки человеческого мышления и энергично продвигается к этому пониманию по двум главным направлениям. Одно из них традиционное - глубокие исследования физиологов, молекулярных биологов, психологов. На другом направлении в основном работают математики, инженеры, лингвисты, они пытаются создать искусственный интеллект, пытаются научить электронные вычислительные машины делать то, что умеет наш мозг. Но, мне кажется, еще далеко до того момента, когда об исследовании человеческого мышления можно будет сказать: "Дело сделано - теперь все ясно".
ГЛАВНЫЕ РАБОТНИКИ ВСЕЛЕННОЙ (из лекции 4).
ДЧР. Так сложилось, что, размышляя об устройстве нашего мира, мы в основном обращаем внимание на Предметы - мы с вами уже коротко говорили о таких природных шедеврах, как звезды, галактики, атомы, микрочастицы, молекулы. Предметы, однако, не находятся в состоянии абсолютного покоя, с ними всегда что-то происходит: в закипающем чайнике вода превращается в пар, планеты вращаются вокруг Солнца, в солнечном веществе соединяются ядра атомов водорода, выбрасывая порции тепла и света. Короче говоря, наш мир - это не только невообразимое разнообразие Предметов, но еще и невообразимое разнообразие Процессов. Некоторые из них обязательно нужно подкармливать энергией, другие же, наоборот, сами выделяют энергию, расходуя какие-то свои запасы.
Все разнообразие Процессов нашего мира кормится всего лишь пятеркой Главных сил. Сегодня известны пять главных работников Вселенной, пять главных сил, с которыми связаны все Процессы, идущие в нашем мире. Для начала перечислим эти силы, пока без комментариев: 1. Гравитация (от латинского гравис - тяжелый). 2. Электрические силы. 3. Магнитные силы. И, наконец, действующие только в микромире две силы со странными названиями. 4. Сильные (ядерные) силы и 5. Слабые силы. Попробую коротко представить вам эту великолепную пятерку.
Гравитационные силы каким-то образом тянут друг к другу два любых предмета - две молекулы, две звезды, два яблока на тарелке. Человек, видимо, обнаружил гравитацию миллионы лет назад, когда он еще не был Человеком разумным - наши далекие предки начали присматриваться к окружающему миру и поняли, что все почему-то притягивается к земле.
Зурик. Это, я думаю, была самая первая в мире научная мысль.
Андрей. Гениальный был мужик, который первым подумал о земном притяжении.
Светлана. Самый настоящий гений. Все другие с трудом поднимали тяжелые камни, спотыкались и падали носом в песок, собирали упавшие на землю спелые бананы, но никто не подумал, почему все всегда двигается сверху вниз. А этот пещерный Архимед понял, что у земли есть какая-то притягивающая сила, которую мы теперь называем гравитацией или тяготением.
ДЧР. Две с половиной тысячи лет назад древнегреческие мыслители подумали, что гравитационным силам должны быть подвластны все небесные тела, что под действием этих сил Луна камнем упала бы на Землю, если бы ее не удерживала какая-то иная сила. А около 320 лет назад, в 1687 году, великий физик и математик Исаак Ньютон коротко и четко, в виде простой формулы (рис. 9), показал, от чего зависят гравитационные силы, и назвал их Всемирным тяготением (согласно толковому словарю, тяготение - свойство тел притягивать друг друга, стремление к чему-нибудь или к кому-нибудь). Важное примечание: r - это расстояние между центрами тяжести двух тел, и если тело шарообразное, то его центр тяжести совпадает с центром шара (рис. 9).
Арбуз, который у нас на Земле весит 10 килограмм, на Солнце весил бы значительно больше, а на Луне значительно меньше. Вы, конечно, догадались, почему на Солнце вес арбуза увеличивается, а на Луне уменьшается…
Голоса. Догадались… Догадались, догадались… Еще как догадались…
Катя. А я не догадалась. Может, кто-то все это и понимает, а мне совершенно непонятно, почему после путешествия на Луну арбуз похудел, а после путешествия на Солнце - поправился…
Маша. Тебе все непонятно потому, что ты математику ненавидишь и даже слушать не хочешь то, что она тебе так понятно и дружелюбно объясняет.
Саша. Сам арбуз нисколько не изменился, изменилась сила его притяжения к небесному телу: на Солнце эта сила больше, чем на Земле, на Луне - меньше.
Андрей. Посмотри на формулу Всемирного тяготения. Когда дело происходит на Земле, то в спектакле участвуют масса Земли m1 и масса арбуза m2, а буквой F обозначена сила притяжения арбуза к Земле.
Катя. Здесь мне все понятно: сила F - это вес арбуза…
Зурик. Вот видишь - самое главное ты уже понимаешь. А теперь еще раз посмотри на формулу. Обе массы m1 и m2 находятся наверху, в числителе дроби, и поэтому, чем больше m1 или m2, тем больше сила F. У Земли масса (m1) довольно большая, и весит арбуз на Земле немало - 10 килограмм.
Светлана. Давай посмотрим, что будет на Солнце. Теперь m1 - это масса Солнца, она намного больше земной, и поэтому сила F тоже больше, то есть арбуз на Солнце тяжелее.
Сергей. А масса Луны (теперь m1 обозначает именно ее) намного меньше земной и арбуз на Луне весит меньше.
Катя. Неужели все так просто?
ДЧР. Ты сделала очень важный шаг к пониманию, и пока, пожалуй, этого достаточно. Но если ты пойдешь в астрофизики, придется вникать в дело поглубже. В дополнение к тому, что вы поняли, для будущих астрофизиков приведу несколько цифр. Масса Земли 6.1024 килограмма, масса Луны в 81 раз меньше, Солнца - в 330 000 раз больше; земной радиус 6400 километров, лунный - в 3,7 раза меньше, солнечный - в 110 раз больше. Арбуз, который на Земле весит 10 килограмм (или примерно 100 ньютонов), на Луне весил бы 1,7 килограмма (17 ньютонов) и на Солнце 214 килограмм (2140 ньютонов). Всмотритесь в эти цифры, в них скрыто что-то интересное. Попробуйте догадаться что. А я перехожу к следующей главной силе - к электричеству.
Известный сыщик Шерлок Холмс расследует загадку электрических сил в пенопластовых шариках. Электрические силы играют в нашем мире исключительно важную роль. Достаточно сказать, что атомы объединяются в молекулы в основном с помощью электричества - у атомов в молекуле появляются общие электронные орбиты, они как бы стягивают, склеивают атомы, создают из них единую систему. Электрические процессы и сигналы участвуют также в движении живых организмов, в их питании, в обмене веществ, размножении, управлении органами, в мышлении. Несмотря на все это, у живых организмов, за исключением некоторых рыб, нет "электрического чувства", такого, например, как ощущение веса.
Жорик. И правда, берешь, например, чашку с молоком и, не глядя, по весу чувствуешь - полная она или в ней половина. А батарейку сколько ни трогай, никак не почувствуешь, есть еще в ней заряд или весь вышел.
ДЧР. Возможно, именно из-за такой скрытности электричество, работая рядом с нами и в нас самих, так долго оставалось неизвестным. По той же причине знакомство с электрическими силами полезно начинать с опыта, который покажет, что электричество - это не выдумка, что оно реально существует. Опыт простой: потрите тряпкой расческу или пластмассовую палочку, в них проснется дремавшее электричество, и они начнут притягивать мелкие клочки бумаги. Под действием силы тяжести клочки должны падать вниз, а они поднимаются вверх, к натертой палочке. О чем это говорит?
Светлана. О том, что против силы тяжести действует какая-то другая сила. Действует и побеждает.
Зурик. Это и есть электричество. Ура!
ДЧР. Такой же опыт можно проделать и со стеклянной палочкой, в ней при натирании тоже просыпаются электрические силы. А теперь сделаем следующее: подвесим на нитках несколько пенопластовых шариков и будем в разных сочетаниях передавать им электрические силы, прикасаясь к шарикам натертыми палочками. Обнаружится следующая загадочная закономерность: если к двум соседним шарикам прикоснуться разными палочками (пластмассовой и стеклянной) - шарики притягиваются друг к другу, а если к ним прикоснуться одной и той же палочкой - шарики расталкиваются (рис. 11).
Расследуя эту загадку, великий сыщик Шерлок Холмс первым делом спросил бы: "Одинаковые ли у вас шарики?"
Маша. Одинаковые, одинаковые!
ДЧР. Тогда мистер Холмс поинтересуется: "Не меняется ли результат, если провести этот опыт в других помещениях?"
Андрей. Не меняется. Я когда-то делал эти опыты в кухне, на балконе и даже в ванной. Результат одинаковый.
ДЧР. После этого последует уверенный вывод: "В пластмассовой и стеклянной палочках возникают электрические силы двух разных видов". Вывод великого сыщика (это, конечно, шутка, на самом деле две разновидности электричества в 1733 году обнаружил французский физик Шарль Дюфе) теперь можно найти в любом школьном учебнике физики. При этом электрические свойства натертых палочек называют электрическим зарядом, заряд пластмассовой палочки - отрицательным (его обозначают знаком минус (-), а заряд стеклянной палочки - положительным (знак +). Все варианты взаимодействия двух разных сортов электричества описываются одной фразой: "Разноименные электрические заряды (+ и -) взаимно притягиваются, одноименные (+ и + или - и -) взаимно отталкиваются".
Магнитные силы. Проделав несколько похожих опытов с магнитами и стальными гвоздиками, можно убедиться, что в нашем мире есть также два сорта магнитных сил (их назвали северный магнетизм и южный) и что своим взаимодействием они чем-то похожи на электричество.
Еще одна, четвертая по счету, Главная сила природы, без нее наш мир просто не мог бы существовать. Оба вида электричества (+ и -), порознь или совместно прекрасно работают в электрических машинах и электронных аппаратах, но в одном случае скопление одинаковых зарядов становится угрозой существования всей нашей Вселенной.
Жорик. Ух, как страшно - натертая тряпкой стеклянная палочка угрожает человечеству!…
Катя. Чтобы стать остроумным, нужно сначала стать умным. Так что ты, дорогой Георгий, не спеши свои шутки шутить, послушай сначала, что тебе рассказывают и постарайся понять. Если сумеешь.
ДЧР. Начнем с того, что некоторые микрочастицы имеют свой электрический заряд: у электронов, например, как у натертой пластмассовой палочки он отрицательный (-), у протонов, как у натертой стеклянной палочки, - положительный (+). Именно этот электрический "плюс" протонов мог бы стать причиной разрушения нашей Вселенной. Как вы думаете - почему?
Саша. Тут особо и думать нечего - одноименные заряды взаимно отталкиваются. Поэтому если собрать в атомном ядре несколько протонов, то они сразу начнут расталкивать друг друга и разлетятся в разные стороны - ядро развалится, а вместе с ним и атом. А поскольку это произойдет одновременно во всех атомах Вселенной, то она мгновенно рассыплется - превратится в хаос микрочастиц.
Катя. Какой ужас!
Жорик. Почему же этого не происходит?
ДЧР. Действительно - почему этого не происходит? Наша Вселенная, несмотря на расталкивание протонов в атомных ядрах, вот уже 13 миллиардов лет остается целой и невредимой. Почему?
Федя Ли. У нас уже была похожая история в электрических опытах - сила тяжести, то есть гравитация, тянула клочки бумаги вниз, а они двигались вверх. Потому, что против гравитации действовала другая, более сильная сила - электричество.
Андрей. А в атомном ядре против электричества действует еще какая-то сила, более сильная - она сжимает протоны, стягивает их вместе, не дает им разлететься.
ДЧР. Эта "еще какая-то сила" называется ядерной или, иначе, сильной силой, она действует в 100 раз сильней электричества, которое в свою очередь в триллионы триллионов раз сильней гравитации. Именно ядерные силы, поборов электрическое расталкивание протонов, крепко соединяют их в атомном ядре и обеспечивают устойчивость нашего мира.
Паша. А нельзя нам проделать опыты, вроде натирания стеклянной палочки, и своими глазами увидеть, как действуют ядерные силы?
ДЧР. К сожалению, это невозможно - ядерные силы начинают действовать на очень малых, недоступных нашему зрению, расстояниях, когда между протонами остаются миллиардные доли миллиметра. Кстати, есть еще одна действующая только в микромире Главная сила. Она участвует в некоторых редких ядерных процессах и называется слабой силой, поскольку в тысячи триллионов раз слабее сильных сил.
Две ветки одного куста поначалу приняли за два отдельных кустика. Долгое время считали, что электричество и магнетизм - это две отдельные, самостоятельные силы. Но примерно 200 лет назад в довольно простых опытах с электричеством обнаружили, что оно само может создавать магнитные силы, а затем поняли, что с помощью магнитов можно получать электричество. Теоретики объяснили, а эксперименты подтвердили, что электрические и магнитные силы - это лишь разные проявления одной физической реальности, чтобы никого не обижать, ее назвали электромагнетизмом. Но еще лет через сто выяснилось, что этот "союз двух" - самостоятельно работающая часть "союза трех": в микромире открыли электрослабую силу, природное объединение электромагнитных и слабых сил.
Понимание природы и свойств электромагнетизма произвело переворот в технике и технологиях, подарило людям миллиарды неутомимых помощников - электродвигатели и мощные электрогенераторы, каждый из которых может зажечь 10 - 20 миллионов лампочек. В числе подарков оказались и радиоволны, связавшие континенты и доставляющие в наши дома десятки телевизионных программ. Открытие электромагнетизма, особенно после того, как к нему добавились слабые силы и обнаружился "союз трех", дало физикам повод думать о "Великом объединении" - о единой природе всех Главных сил нашего мира. В то же время в реальной жизни электромагнетизм иногда работает своей электрической составляющей (карманный фонарик), иногда магнитной (магнитофон), и это дает повод по старинке считать, что в нашем мире действует великолепная пятерка Главных сил.
На этом надо бы закончить нашу лекцию, но я понимаю, что у вас есть вопросы.
Голоса. Вопросов миллион… Первый мой: почему Луна не падает на Землю, если ее так сильно тянет гравитация?.. А у меня такой вопрос: как электрические силы, магнитные силы и гравитация двигают разные предметы? Может быть, они их тянут невидимыми атомными нитями?.. Почему гравитация и ядерные силы умеют только притягивать, а электричество и магнетизм могут еще и отталкивать?.. Это правда, что физики ищут гравитацию, которая не притягивает, а отталкивает предметы, и уже назвали ее - антигравитация? Вот будет здорово, если эту антигравитацию найдут, - за счет отталкивания от Земли каждый сможет бесплатно летать куда угодно… Как на атомных электростанциях ядерные силы превращаются в электрические?.. Из чего состоят радиоволны?.. Вы сказали, что гравитация в несколько триллионов раз слабее электричества. Почему же она с такой силой притягивает к земле чемодан, с которым бабушка приезжает к нам в гости?..
ДЧР. Давайте на этом бабушкином чемодане пока остановимся - я понял, что вопросов у вас действительно миллион, и все очень интересные. Напишите, пожалуйста, свои вопросы на листках бумаги и завтра передайте их мне - постараюсь в следующих лекциях на них ответить. А сейчас вам пора отдохнуть после непростого учебного дня. Спокойной ночи и до встречи завтра - на том же месте в тот же час.
(Продолжение следуют)
