Птицы – прямые потомки динозавров
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.
|
|
|
Необычная респираторная система птиц настолько эффективна, что некоторые пернатые умеют летать не ниже самолетов. Однако эволюция создавала эту систему не для полета. Дело в том, что конструкции скелета, позволявшие управляться с легкими, сделанными по принципу воздушного мешка, впервые возникли у нелетающих динозавровавепод для вполне сухопутных целей (некоторые исследователи, пусть и далеко не все, полагают, что фактором отбора здесь стал низкий уровень содержания кислорода в атмосфере Земли). Так что основы «птичьей» энергетики появились не у кого‑нибудь, а у хищных динозавров. Далеко не сразу эти особенности стали использоваться для настоящего полета. Точно так же и двигатель внутреннего сгорания изначально был разработан не для полетов, однако позже позволил человеку внедрить такие устройства в самолетостроение.
|
|
|
Сложность из простоты
Брюс Худ
Директор Бристольского центра когнитивного развития (Бристольский университет); автор книги The Self Illusion: How the Social Brain Creates Identity («Самообман.
Как социализированный мозг формирует личность »)
Как ученый я имею дело со сложными поведенческими и когнитивными процессами, но мое любимое «глубокое и изящное объяснение» взято не из психологии (которая редко бывает изящной), а из математической физики. Готов поручиться, что теорема Фурье обладает куда большей простотой и при этом куда большей применимостью, чем многие другие широко известные научные объяснения. Выразим ее упрощенно: любой сложный объект или процесс, будь то во времени или в пространстве, можно описать в виде серии перекрывающихся синусоидальных волн различной частоты и амплитуды.
Я впервые столкнулся с теоремой Фурье, когда работал в Кембридже над диссертацией о развитии зрения. Там‑то я и познакомился с Фергусом Кэмпбеллом, который в 1960‑е годы продемонстрировал, что теорема Фурье не только позволяет элегантнейшим образом анализировать сложные визуальные объекты и процессы, но является корректной и с биологической точки зрения. Это открытие позже позволило заложить основу для разработки многообразных математических моделей зрения. Но зачем ограничиваться в нашем анализе лишь зрением?
В сущности, любое сложное физическое явление можно свести к синусоидам с их математической простотой. Неважно, о чем идет речь: о «Звездной ночи» Ван Гога, моцартовском «Реквиеме», духах «Шанель № 5», роденовском «Мыслителе» или салате «Вальдорф». Любой сложный объект или процесс в окружающем нас мире можно перевести в нейронный рисунок, который, в свою очередь, можно разложить на множество синусоид, соответствующих проявлениям нейронной активности.
Может быть, я в чем‑то даже завидую физикам. Процитирую лорда Кельвина: «Теорема Фурье… не только один из красивейших плодов современного анализа, но и незаменимый инструмент в разрешении почти всякого запутанного вопроса сегодняшней физики»[56]. Трудно удостоиться более высокой похвалы.
Расселова теория описаний
Э. К. Грейлинг
Философ, глава Нового гуманитарного колледжа (Лондон), преподаватель колледжа Святой Анны (Оксфорд); автор книги The Good Book: A Humanist Bible («Хорошая книга: библия гуманиста »)
Мой излюбленный пример изящной и вдохновляющей философской теории – теория описаний, предложенная Бертраном Расселом. Как позже выяснилось, она не является истиной в последней инстанции, однако она помогла проложить ряд весьма перспективных путей в исследованиях структуры языка и мышления.
По сути, главное в теории Рассела – идея о том, что под «поверхностными» формами языка кроется логически выверенная структура, которую можно выявить с помощью анализа. А обнаружив эту структуру, мы поймем, что же на самом деле говорим, каким убеждениям и верованиям на самом деле привержены, а кроме того, какие существуют условия истинности или ложности наших высказываний и убеждений.
Рассел часто иллюстрировал эту идею следующим примером. Допустим, фраза «Нынешний король Франции лыс» [ «The present king of France is bald»] произносится в эпоху, когда никакого короля во Франции нет и в помине. Каким является высказанное утверждение – истинным или ложным? Можно ответить: ни тем, ни другим, ведь монарха во Франции нет. Но Расселу хотелось найти объяснение ложности данного утверждения, не отказываясь при этом от двузначной логики – иными словами, уникальную альтернативу истинности и ложности, выраженную как два и только два значения истинности.
Он постулировал, что в основе данного утверждения лежит конъюнкция трех утверждений (более «основополагающих» с логической точки зрения):
а) существует нечто, обладающее свойством «быть французским королем»;
б) в данный момент времени существует лишь один такой объект (вот почему в английском языке перед ним ставится определенный артикль «the»);
в) этот объект обладает еще одним свойством – плешивостью.
Рассел считал, что соответствующий логический предикат первого порядка можно непротиворечивым образом выразить в следующей форме (для упрощения я убрал некоторые скобки):
(Ex )Kx & [(y )Ky → y = x ] & Bx.
Словами это выражается так: «Существует х такое, что оно является К ; при этом (для любого у ) если у является К , то у и х идентичны (так на языке логики объясняется смысл артикля «the», предполагающего уникальность); при этом х является В (где К значит «обладает свойством быть королем Франции», а В значит «обладает свойством быть лысым»). Е здесь означает «существует…» или «существует по крайней мере один…», а (у ) означает «для всех» или «всякий».
Из этого видно, что для нашего утверждения есть две возможности оказаться ложным: либо нет такого х , чтобы х являлось К , либо такой х есть, но он не лыс. Оставаясь в рамках двузначности и обдирая утверждение до его логического костяка, Рассел подарил человечеству то, что Фрэнк Рамсей удачно назвал «философским эталоном».
Для неисправимых скептиков, презирающих философию, все это, конечно, выглядит как буря в стакане воды (или, по ливанской поговорке, попытка «утонуть на мелком месте»). Но на самом деле это великолепный пример философского анализа, весьма плодотворный подход, который в дальнейшем породил работы в самом широком спектре областей, от трудов Витгенштейна и Уилларда Куайна до многочисленных исследований в области философии языка, лингвистики, психологии, когнитивистики, кибернетики, теории искусственного интеллекта.
Фейнмановский спасатель
Тимо Ханней
Исполнительный директор отдела цифровых наук издательства Macmillan Publishers Ltd. , бывший издатель Nature.com , соучредитель SciFoo
Мне хотелось бы предложить не только какое‑то единичное объяснение, но и целое обрамление для него. Речь идет о лекциях Ричарда Фейнмана по квантовой электродинамике, которые он читал в Оклендском университете в 1979 году и которые наверняка можно отнести к числу самых лучших лекций в истории науки.
Начнем с того, что сама эта теория необычайно глубока, поскольку имеет дело с поведением и взаимодействиями наиболее фундаментальных (по‑видимому) частиц – фотонов и электронов. При этом она объясняет гигантский спектр явлений – от отражения, преломления и дифракции света до структуры и поведения электронов в атомах и вытекающих из этого химических свойств вещества. Возможно, Фейнман и преувеличивал, когда утверждал, что квантовая электродинамика объясняет вообще все явления на свете, «за исключением разве что радиоактивности и гравитации», но это лишь небольшое преувеличение.
Приведу маленький пример. Всем известно, что свет распространяется по прямой – кроме тех случаев, когда он этого не делает: скажем, когда он входит в стекло или воду не под прямым углом. Откуда это «кроме»? Как объясняет Фейнман, свет всегда избирает путь, который позволит ему преодолеть расстояние от одной точки до другой за минимальное время. Наш лектор использует аналогию со спасателем, который бежит по пляжу, чтобы спасти тонущего человека. (Спасатель в данном случае – Фейнман, а тонет, разумеется, красивая девушка.) Спасатель может пробежать по прямой к кромке воды и затем по диагонали поплыть вдоль берега в открытое море, но тогда он больше времени проведет плывя, а ведь плывет человек медленнее, чем бежит по пляжу. С другой стороны, он может подбежать к воде в точке, которая ближе всего к купальщице, и плыть уже оттуда. Но тогда общее расстояние, которое ему придется преодолеть, будет слишком большим. Оптимальная стратегия (если его цель – добраться до девушки как можно скорее) лежит где‑то между этими двумя крайностями. Свет также выбирает маршрут, при котором он затрачивает наименьшее время на путь от одной точки до другой, вот почему он преломляется при прохождении через границу сред (двух различных материалов) [если только не падает на эту границу под прямым углом].
Далее Фейнман сообщает, что на самом деле это неполное утверждение. Используя так называемую формулировку квантовой теории через интегралы по траекториям (хотя сам лектор избегает столь неуклюжего термина), он объясняет, что в действительности свет путешествует по всем возможным маршрутам между двумя точками, однако большинство из этих маршрутов «гасят» друг друга, и в результате нам кажется, что луч проходит лишь по одному маршруту – тому, что характеризуется наименьшим временем. Оказывается, точно так же можно объяснить, почему не встречающий препятствий луч света (как и все прочее) распространяется по прямой. Это настолько фундаментальное явление, что наверняка мало кто считает, будто оно вообще нуждается хоть в каком‑то объяснении. Хотя на первый взгляд разработка соответствующей теории кажется нелепой тратой научных сил, такая теория дает полезные результаты, сводя к минимуму произвольность – настоящий бич науки.
Мои дилетантские попытки кратко изложить это объяснение, быть может, создают впечатление, что речь идет о каком‑то потаенном знании. На самом же деле еще одна причина восхититься им – в том, что оно поражает почти невероятной простотой и интуитивной понятностью. Даже я, бывший биолог, не разбирающийся в физике, вынес из этих лекций не смутное ощущение, что некие ученые где‑то открыли что‑то новенькое, а твердую убежденность, новую концепцию реальности, ощущение, что этой концепцией я спокойно могу поделиться с окружающими. В науке такие переживания вообще редки, а уж в абстрактном, заумном мире квантовой физики они практически не встречаются. Главной причиной такой доходчивости стало введение своего рода визуального языка (знаменитых фейнмановских диаграмм) и почти полный отказ от зубодробительного математического аппарата (тот факт, что вращающиеся векторы, играющие центральную роль в этой теории, на самом деле являются представлением комплексных чисел, кажется едва ли не случайностью). Хотя мир, который рисует эта теория, видится нам совершенно незнакомым, он – на свой странный лад – наполнен смыслом.
Границы интуиции
Брайан Ино
Художник, композитор, музыкант, продюсер, участник групп U2, Coldplay, Talking Heads , сотрудничал с Полом Саймоном
Иногда мы склонны полагать, будто идеи и ощущения, рожденные нашей интуицией, по сути своей «выше» тех, к которым мы пришли с помощью разума и логики. Интуицию, «нутряное чутье», превозносят как эдакого «доброго дикаря» нашего сознания, бесстрашно рассекающего педантичную паутину рассудка. Особенно подвержены такому убеждению люди творческие, ибо они основную часть времени работают исходя из интуиции. Но кое‑какие примеры из личного опыта заставляют меня усомниться в этом мнении.
Для начала обратимся к вопросу, который любил задавать своим студентам Витгенштейн. Допустим, у вас есть лента, которой вы хотите обернуть Землю по экватору (будем считать нашу планету идеальным шаром). К сожалению, вы завязали ленту слабовато, и она оказалась на метр длиннее, чем нужно. Вопрос: если вы сумеете равномерно распределить этот лишний метр так, чтобы лента чуть парила над поверхностью Земли, на каком расстоянии от ее поверхности она окажется?
Интуиция большинства людей подскажет им ответ: «Какие‑то ничтожные доли миллиметра». Однако правильный ответ – почти 16 см. По собственному опыту могу заключить, что интуитивно к этой величине оказываются близки лишь представители двух профессий – математики и портные. Мне же верный ответ представляется чем‑то невероятным. Я узнал об этой задаче, учась в художественном вузе, и провел чуть ли не весь вечер за расчетами, проверяя и перепроверяя ответ: моя интуиция оскорбленно вопила, не веря этой цифре.
Несколько лет спустя, в Сан‑Франциско, в интерактивном музее «Эксплораториум» моя интуиция получила еще один удар. Я впервые увидел компьютерную демонстрацию «Жизни» Джона Конвея. Если кто не знает, это простенькая сетка, в которой расположены точки, ведущие себя по простым и строгим правилам. Эти правила определяют, какие точки останутся жить, какие погибнут, а какие породят себе подобных. Никаких фокусов, никаких творческих изысков, лишь элементарные правила. Вся система кажется до того примитивно‑прозрачной, что от нее не ждешь никаких сюрпризов. На самом же деле сюрпризов тут возникает множество. Сложность и «природоподобность» эволюции таких узоров, состоящих из точек, полностью обманывает ожидания и предсказания. В самом начале вы меняете положение всего одной точки – и вся история разворачивается совершенно по‑другому. Внесите крошечное изменение в одно из правил – и произойдет взрывной рост популяции точек или же мгновенный Армагеддон. При этом интуиция не позволяет вам заранее угадать, что случится с популяцией точек – процветание или быстрая гибель.
Эти два примера с большим изяществом демонстрируют мне следующее:
а) «детерминистский»[57] не значит «предсказуемый»;
б) наша интуиция плохо помогает нам разбираться во взаимодействии простых правил и начальных условий (более того, человеческий мозг может изначально быть ограничен в своей способности интуитивно постигать некоторые вещи – скажем, квантовую физику или теорию вероятностей);
в) интуиция – не какой‑то псевдомистический глас извне, вещающий через нас, а лишь своего рода быстрая и неряшливая обработка нашего предшествующего опыта (вот почему портные, давая ответ на вопрос о Земле и ленте, оказались столь сообразительными). Этот прибор обработки информации способен иной раз выдавать впечатляющие результаты с астрономической скоростью. Однако следует помнить: полученные результаты могут оказаться совершенно неверными.
Механизм Хиггса
Лиза Рэндалл
Физик (Гарвардский университет); автор книги Knocking on Heaven’s Door: How Physics and Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World («Стучась в небесную дверь: как физика и научное мышление открывают тайны Вселенной и современного мира »)
По большому счету, красота науки – в отсутствии у нее субъективности. Так что вопрос «Какое у вас любимое глубокое, красивое и элегантное объяснение?» может смутить настоящего ученого: для него объективные слова здесь – лишь «какое», «у», «вас», «или» и (в идеальном научном мире) «объяснение». Красота и изящество, конечно, играют роль в науке, но отнюдь не являются арбитрами истины. Впрочем, я готова признать, что простота (которую часто путают с изяществом) иной раз может служить полезным критерием «объяснительной силы» теорий и гипотез.
Но если все‑таки отвечать на вопрос без уверток, то я выберу объяснение, которое кажется мне совершенно очаровательным и относительно простым и которое даже, пожалуй, можно проверить не более чем за год. Это механизм Хиггса, названный в честь физика Питера Хиггса, который его и описал. По всей видимости, механизм Хиггса отвечает за массы элементарных частиц, подобных электрону. Если бы электрон обладал нулевой массой (как фотон), он бы не соединялся с другими частицами, образуя атомы, и никакие структуры в нашей Вселенной не возникли.
Так или иначе, экспериментальное измерение масс элементарных частиц показало, что эти массы не равны нулю. Проблема лишь в том, что они нарушают фундаментальную структурную симметрию, которая, как нам известно, присутствует в физическом описании частиц: если считать, что элементарные частицы обладают массой с самого начала, теория будет предсказывать абсурдное поведении частиц с околосветовой скоростью и высокой энергией: к примеру, она будет давать вероятности взаимодействия, превышающие единицу.
Так что здесь кроется серьезная загадка. Это и пытается разъяснить механизм Хиггса. Мы еще до конца не знаем, действительно ли он в ответе за возникновение массы у элементарных частиц, но пока никто не нашел другого удовлетворительного объяснения.
Механизм Хиггса можно попробовать понять, рассуждая в категориях так называемого спонтанного нарушения симметрии, которое само по себе, по‑моему, идея весьма красивая. Симметрия в таких случаях нарушается благодаря реальному состоянию природного объекта, а не под действием законов физики. К примеру, вы сидите за обеденным столом и пьете из бокала, который стоит справа от вас, точно так же поступают и все ваши сотрапезники. В этом смысле обеденный стол симметричен: и справа, и слева от вас имеется бокал. Однако каждый выбирает правую емкость, тем самым спонтанно нарушая симметрию «право – лево», которая иначе наблюдалась бы за столом.
Природа ведет себя сходным образом. Физические законы, которые описывают объект, именуемый полем Хиггса, следуют природной симметрии. Однако реальное состояние поля Хиггса эту симметрию нарушает. При низкой энергии частиц оно обретает определенное «значение». Это неисчезающее поле Хиггса чем‑то сродни электрическому заряду, распространяющемуся в вакууме (вакуум – состояние, при котором в данной части Вселенной нет никаких реальных частиц). Частицы приобретают свои массы, взаимодействуя с этими «зарядами». Поскольку это значение поля возникает лишь при низких энергиях частиц, они, в сущности, обладают массами лишь при таких энергиях, так что парадокс масс элементарных частиц, похоже, успешно разрешен.
Имейте в виду, что в физике частиц так называемая стандартная модель работала и работает превосходно, хотя мы пока и не знаем, корректен ли предложенный Хиггсом механизм. Более того, нам не нужно знать о механизме Хиггса, чтобы выяснить, что частицы имеют массы, и делать многие успешные предсказания в рамках стандартной модели. Однако механизм Хиггса играет важнейшую роль для разработки приемлемой теории того, как эти массы возникают. Успех стандартной модели иллюстрирует другую красивую идею, имеющую принципиальное значение для всей физики: речь идет о понятии «эффективной теории». Идея всего лишь в том, что вы можете полностью сосредоточиться на измеряемых количественных величинах, делая прогнозы, и оставить проблемы понимания этих количественных величин на потом, когда вы освоите более точные методы измерений.
К счастью, такое «потом» уже наступило для механизма Хиггса или, по крайней мере, для его простейшего варианта, где задействована частица, получившая название «бозон Хиггса». Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, расположенный близ Женевы, дал ответ, существует ли такая частица. Теперь, когда бозон Хиггса обнаружили, можно провести измерения его количественных характеристик и выяснить, подтверждает ли он базовые ожидания или более сложные гипотезы, существующие в рамках механизма Хиггса. Бозон Хиггса поможет продемонстрировать корректность механизма Хиггса и даст нам представление о том, какая структура отвечает за спонтанное нарушение симметрии и распространение «заряда» в вакууме. Мало того, бозон Хиггса можно будет отнести к новому типу частиц (это будет, по терминологии некоторых физиков, фундаментальный бозон), в каком‑то смысле он будет проявлением нового типа взаимодействий. Все это может показаться очень уж затейливыми и эзотерическими рассуждениями. Однако они кажутся мне (и большинству физиков‑теоретиков) красивыми, глубокими и изящными.
Симметрия – штука грандиозная. Как и ее нарушение. Многие аспекты физики частиц сначала казались уродливыми, а с годами приобрели элегантность. Субъективность в науке возможна не только на уровне академических сообществ, но и на уровне отдельных специалистов. И даже эти отдельные специалисты нередко меняют свое мнение с течением времени. Вот почему так важно проводить эксперименты, пускай и весьма сложные: куда легче интерпретировать их результаты, чем понять природу красоты.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 184; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!