ДНК, эволюция, СТО и ОТО, КМ, Шекспир, а также многое другое

ЭмблемаБлога

==================================================

….NOBODY IS SO BLIND AS HE WHO WILL NOT SEE….

==================================================

Вопросы физика потомкам

МерминКазалось бы, совсем недавно мы встречали миллениум, но вот уже прошла шестая часть нового века. Смена веков (и даже тысячелетия) породила множество прогнозов, попыток заглянуть в будущее. Не остались в стороне и учёные.

Американец Н. Дэвид Мермин (р. 1935), известный специалист по физике твёрдого тела, бывший профессор в Корнелле и обозреватель журнала «Physics Today» выбрал такую футурологическую форму: он составил свои десять вопросов, на которые, заснув в 2000 году и проснувшись через сто лет, хотел бы получить ответы. Мермин опубликовал их в журнале со своими комментариями — можно сказать, что он сформулировал десяток самых важных, по его мнению, проблем, стоящих перед этой наукой.

Кстати, Мермин автор нескольких книг, в том числе двух по теории относительности, а также множества научных и популярных статей. В сборнике «Физика за рубежом» (М.: Мир, 1986) была его статья «Теория относительности без постулата о постоянстве скорости света», где он вывел релятивистский закон сложения скоростей на основе некоторых простых предположений.

Ещё Мермин известен как автор фразы: «Shut up and calculate» (Заткнитесь и вычисляйте!) — так он понимает точку зрения копенгагенцев; эти слова стали девизом многих физиков-теоретиков, которые не считают важным искать ясную интерпретацию квантовой механики.

На основе публикации Мермина (его вопросов потомкам) я подготовил материал «Сто лет спустя они проснулись» (парафраз названия неоконченной повести В. Шукшина, по которой был снят фильм). Он был напечатан в ХиЖ (2001, № 12): <Мермин>.

Тайны расшифрованного кода

Как сказал Френсис Крик, генетический код есть «ключ к молекулярной биологии, поскольку он показывает, как два великих языка биополимеров — полинуклеотидов и полипептидов — связаны между собой». Одна из самых главных проблем биологии: понять, как возник этот код (и вся изощрённая молекулярная машинерия для его реализации). Более полувека бьются над ней и биохимики, и физики, и математики, появляются довольно сложные теории, но ясности достичь не удалось.

Распространено мнение (которое я разделяю), что код — не «замороженный случай», что в его основе лежат какие-то стереохимичеГенКодские соответствия между аминокислотами (а/к) или пептидами — с одной стороны, и олигонуклеотидами — с другой. Тут предложено много гипотез, которые обычно подкрепляют либо демонстрацией на объёмных молекулярных моделях из пластмассы, либо компьютерными расчётами и картинками. Обзор этих работ в ранний период «бури и натиска»  (70-е годы), когда казалось, что решение близко, приведён в замечательной книге проф. Симона Эльевича Шноля «Физико-химические факторы биологической эволюции» (М.: Наука, 1979). А недавно встретил в Сети книгу д.б.н. Феликса Петровича Филатова «КЛЕЙМО СОЗДАТЕЛЯ», посвящённую различным аспектам кода. Я стараюсь следить за этой темой, возникают и собственные мысли, одной из которых решил поделиться (она проста, возможно, уже ранее высказывалась).

Как известно, в ходе трансляции а/к присоединяется к стандартному концевому триплету ССА, имеющемуся у всех тРНК, а специфику обеспечивает соответствие фермента аминоацил-тРНК-синтетазы и транспортной РНК. Эта реакция осуществляется в активном центре фермента в два этапа: сначала при взаимодействии АТФ и а/к образуется промежуточное соединение, с которого на втором этапе а/к переносится на тРНК.

Читать далее

«Мистер Твистор» Роджер Пенроуз

Английский учёный Роджер Пенроуз родился в 1931 г. Он получил математическое образование, но его научные интересы очень широки: ОТОПенроуз и космология, квантовая механика и логика, мозг, искусственный интеллект, сознание… Известны найденные им апериодические узоры на плоскости (узоры Пенроуза), а также развиваемая им с 60-х годов теория твисторов.

ПенроузМозаик

Твисторы — это точки четырёхмерного пространства-времени Минковского, интерпретируемые как комплексные прямые в трёхмерном комплексном пространстве. Базируясь на работах Юлиуса Плюккера (1801—1868) и Эли Картана (1869—1951), Пенроуз надеялся построить формальный аппарат, который должен был стать фундаментом теоретической физики. И хотя поставленной цели достичь пока не удалось, его подход, видимо, имеет хорошие перспективы: твисторы как будто позволяют реализовать конформное расширение нынешних (урезанных) преобразований Лоренца. Нужно отметить, что Пенроуз исходит из проективной геометрии, которая у большинства физиков не в чести, и использует комплексное пространство. Всё это вполне логично: проективная геометрия играет роль первоосновы (на ней строятся другие геометрии), и, как сказал (бы) Пифагор, «комплексные числа правят миром».

Сэр Роджер — автор нескольких популярных книг, где в свободной форме обсуждает самые разные вопросы (иногда его «заносит», и он выдвигает легковесные спекулятивные гипотезы). В 1989 г. издал книгу «The Emperor`s New Mind. Concerning Computers, Minds and The Laws of Physics», перевод которой под названием «Новый ум короля. О компьютерах, мышлении и законах физики» вышел у нас в 2003 г. Я написал на неё рецензию «А король-то умный!», опубликованную в ХиЖ (2003, № 4): <Пенроуз>.

Гравитационист А.З. Петров об ОТО

Алексей Зиновьевич Петров (1910—1972) — известный советский математик и физик-теоретик, основатель научной школы по гравитации и ТО, завкафедрой Казанского ГУ, завотделом Петровв Институте теорфизики АН УССР. В 1965 г. вышел сборник статей «Философские проблемы теории тяготения Эйнштейна и релятивистской космологии» (Киев: Наукова думка), где была статья Петрова «Современное состояние развития теории гравитационного поля». Он писал (с. 34):

После опубликования основной работы А.Эйнштейна в 1916 году, сразу завоевавшей множество сторонников, появилась громадная литература, посвящённая ОТО и решению тех или иных проблем на основе этой теории. <…> Однако огромная популярность теории при малых физических приложениях и почти при полном отсутствии экспериментальной разработки и проверки выводов теории сослужила для неё, как это всегда бывает в таких случаях, плохую службу.

Подобно тому, как человек, воспитанный в «оранжерейных» условиях, лишённый забот, трудовых обязанностей, может пройти эволюцию от милого ребёнка до великовозрастного  бездельника и, как естественный предел, превратиться в законченного тунеядца, та и научное направление, слабо опирающееся на эксперимент, не несущее обязанности давать отдачу в смежные области физики, несомненно может захиреть; ему угрожает опасность пойти по пути чисто формального, а иногда и просто спекулятивного развития…

А в 1972 г. издали перевод (под редакцией А.З. Петрова) книги видного франко-американского физика Леона Бриллюэна (1889—1969) «Новый взгляд на теорию относительности» (оригинал 1970 г.). В предисловии Петров отметил, что СТО имеет чрезвычайно убедительные экспериментальные подтверждения. И далее:

Что же касается ОТО, то вопреки довольно широко распространённому мнению могучее сооружение этой теории покоится на столь шатком экспериментальном фундаменте, что её можно было бы назвать колоссом на глиняных ногах.

*  *  *

Да, колосс на глиняных ногах, стоящий на болоте СТО.

«Откровенная наука» И. Харгиттаи

Венгерский химик Иштван Харгиттаи (р. 1941) после двух лет обучения в Будапештском университете былХаргиттаи направлен для продолжения образования в СССР. Окончив химфак МГУ в 1965 г. , вернулся на родину, где занялся определением структуры молекул методом газовой электронографии. Он автор научных монографий по структурной химии, вместе с женой написал книгу «Симметрия глазами химика» (в 1989 г. вышел русский перевод),

В середине 90-х Харгиттаи основал журнал «Chemical Intelligencer», посвящённый личностным аспектам науки. Для этого издания он стал брать интервью у известных химиков, биохимиков, биологов, а первым его собеседником стал Лайнус Полинг. К сожалению, журнал просуществовал только шесть лет, но свои беседы с учёными он не прекратил и начал (опять же при участии его супруги Магдолны) составлять из них книги — так возникла серия «Candid Science». Они вносят существенный вклад в историю науки 20 века, позволяют узнать о ней из первых рук. Две книги из этой серии «Откровенная наука» у нас переведены и изданы: «Беседы со знаменитыми химиками» (М.: УРСС, 2003) и «Беседы с корифеями биохимии и медицинской химии» (М.: УРСС, 2006).

В 2006 г. автор книг приезжал в Москву и выступил с лекциями (я его слушал, если не ошибаюсь, в Институте физической химии). Сотруднице «Химии и жизни» В.В. Благутиной удалось задать ему ряд вопросов и, получив ответы, подготовить материал «Бурильщики и землекопы» (так, по словам Харгиттаи, один его друг образно поделил учёных на две категории), опубликованный а в № 7 за 2006 г.: <ХаргиттаиХиЖ>.

Приведу одно высказывание Харгиттаи (из другого интервью):

«У научных исследований бывает свой стиль, который делает некоторые достижения уникальными. Например, если бы Уотсон и Крик не открыли, что структура ДНК имеет вид двойной спирали, то это совершили бы другие, и, вероятно, скоро. Но открытие Уотсона и Крика было подобно удару, явилось, как гром среди ясного неба, и сразу же оказало огромное влияние. Если бы эту работу делали другие, правильная структура определялась бы по частям, постепенно и эффект, возможно, был бы менее значительным».

Замечу от себя: эффект был бы менее значительным, но зато структура, наверное, не содержала бы серьёзной ошибки.

Нанотехнология In Statu Nascendi

Понятие нанотехнологии уже вошло в научный и даже общий обиход. Есть разные его определения, но суть простая: это манипулирование веществом на атомном и молекулярном уровне. Обычно считают, что начало тут положил в 1959 г. Ричард Фейнман в лекции «There’s Plenty of Room at the Bottom» («Там внизу — много места»). Основной его вывод заключался в том, что фундаментальные физические законы не запрещают работу с отдельными молекулами и даже атомами.

Толчком к практической реализации идеи послужило изобретение в начале 80-х годов сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) двумя исследователями из Цюрихского подразделения IBM — Генрихом Рорером и Гердом Биннигом (Нобелевская премия по физике за 1986 год; вместе с Эрнстом Руской, создавшим в 30-х годах электронный микроскоп). СТМ открыл совершенно новые возможности в изучении рельефа поверхности с атомным разрешением, а кроме того, неожиданно оказалось, что с его помощью можно перемещать отдельные атомы с места на место. Большое впечатление произвело полученное в сентябре 1989 года сотрудником IBM Доном Эйглером изображение трёх букв I-B-M, выложенных 35 атомами ксенона, — он стал первым человеком в истории, который смог контролировать положение отдельных атомов.

Картинки по запросу нанотехнология

Четверть века назад нанотехнология, как научное направление, только формировалась, но уже активно обсуждались перспективы её развития, рассматривались разные проекты (и прожекты). Я в 1992 г. написал небольшую статью «Атомы на поводу» (опубликована в ХиЖ в ноябре), где в какой-то степени отражён этот начальный, романтический этап: <АтомыПовод>. Сейчас, наверное, уже можно подвести промежуточные итоги — оценить, что из высказанного разными специалистами в те годы оказалось верным, а что нет.

Перевод упомянутой статьи Фейнмана (с сокращениями), сделанный А.В. Хачояном, был позднее напечатан в ХиЖ (2002, № 12). Её можно найти в Сети.

СТО: аксиоматика К. Каратеодори

Константин Каратеодори (1873—1950) происходил из семьи греческого дипломата, в которой девизом было: «Никакое Каратдориусилие не бывает слишком большим». Он получил техническое образование, но в 26 лет бросил карьеру инженера и решил учиться на математика. Многие расценили этот шаг как неумный, ибо считается, что в таком возрасте начинать восхождение к «царице наук» уже поздно. Как впоследствии говорил Каратеодори, «он не мог избавиться от навязчивой идеи, что полное посвящение себя математике наполнит его жизнь смыслом».

И он реализовал свою мечту: получил математическое образование в Берлине и Гёттингене, став в 1924 г. профессором Мюнхенского университета. Известен работами по теории функций, вариационному исчислению, теории конформных отображений и др. 

Его привлекала проблема построения строгой аксиоматики физических теорий. В 1909 г. разработал аксиоматический подход к термодинамике, а в 24-м попытался логически обосновать СТО (его работа «К аксиоматике специальной теории относительности» вышла у нас в сборнике «Развитие современной физики» в 1964 г.). Каратеодори полагал, что нужно делать измерения, используя лишь процедуры со световыми сигналами, а не эйнштейновские «твёрдые линейки» и «часы». Он приходит к выводу, что тогда будет реализована 15-параметрическая конформная группа, то есть более общая, чем при обычных преобразованиях Лоренца. А потом приводит соображения, почему конформную группу нужно сузить, исключив из неё нелинейные преобразования, а именно, инверсию.

Наш историк физики проф. Вл.П. Визгин в 1974 г. опубликовал важный обзор: «ИЗ ИСТОРИИ КОНФОРМНОЙ СИММЕТРИИ В ФИЗИКЕ (о некоторых особенностях взаимосвязи физики и математики в ХХ веке)» (Историко-математические исследования, вып. XIX. М.: Наука), где говорил и о подходе Каратеодори. И в том же году ИАЭ им. И.В.Курчатова выпустил препринт Г.А. Котельникова «ПРИМЕНЕНИЕ КОНФОРМНЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ТЕОРИЙ» <Котельников>. В связи с предложенными нами изменениями вида преобразований этот вопрос снова ставится на повестку дня.

Любопытно, что одновременно с появлением каратеодоровской аксиоматики СТО, свою, причём похожую на неё, опубликовал немецкий (позже — американский) философ Ганс Рейхенбах (1891—1953). Но, как признают релятивисты, обе эти попытки нельзя признать успешными.

Девять шагов Эйнштейна к СТО

Известный немецкий психолог, один из основателей гештальтпсихологии Макс Вертгеймер (1880—1943) ВертФоторазвивал собственную концепцию продуктивного творческого мышления. Ключевую роль в этом процессе, по его мнению, играет формирование целостного вИдения проблемы. Он иллюстрировал свой подход, анализируя некоторые крупные научные открытия, например Галилея, Гаусса, Эйнштейна.

В 1987 г. у нас вышла книга Вертгеймера «Продуктивное мышление» (М.: Прогресс), написанная им в 1936—1943 гг., и в ней есть глава «Эйнштейн: путь к теории относительности». Автор пишет: «То были удивительные дни, когда начиная с 1916 г. мне посчастливилось, сидя наедине с Эйнштейном в его кабинете, часами слушать рассказ о тех драматических событиях, которые завершились созданием теории относительности. В ходе этих длительных обсуждений я подробно расспрашивал Эйнштейна о его конкретных мыслительных шагах. Он подробно ПродМышлописывал мне их не в общих словах, а подробно излагая генезис каждого продвижения»

На основе этих личных бесед, а также печатных работ Эйнштейна, где он раскрывал свою «творческую кухню», психолог попытался восстановить создание СТО в виде последовательности девяти основных этапов (десятый относился уже к возможности экспериментальной проверки теории). Как известно, поиски Эйнштейна концентрировались вокруг понятия одновременности, и автор подробно их раскрывает. 

А вот влияния на масштабы эффекта Доплера Эйнштейн не увидел и потому, вслед за Лоренцем и Пуанкаре, пришёл к неверному виду преобразований. Errare humanum est — это относится и к учёным, даже гениальным. Более интересно другое: как получилось, что несколько поколений физиков не обнаружили ошибку? Тут будет над чем поломать головы историкам и психологам.

А. Сент-Дьёрди в фольклоре

Картинки по запросу сент-дьердиВенгеро-американский биохимик Альберт Сент-Дьёрди (1893—1986) был не только знаменитым исследователем, ставшим в 1937 г. нобелиатом (за открытия в области биологического окисления), но и глубоким, оригинальным мыслителем. Он постоянно возвращался к основам своей науки, пытаясь понять: верны ли они, не зашла ли биохимия в тупик, не упустила ли что-то важное.

Чтобы наглядно показать, как установившиеся в той или иной науке традиции, стиль мышления («идолы» — по Ф. Бэкону) могут направить по совершенно ошибочному пути, он приводил шутку: «Попросите химика выяснить, что такое динамо-машина, и первое, что он сделает, — это растворит её в соляной кислоте. Биохимик, вероятно, разобрал бы её на части и описал подробно каждый виток обмотки. Попробуйте сказать ему, что эту машину приводит в движение некий невидимый фактор — электричество, и он тут же обзовёт вас «виталистом».

По убеждению Сент-Дьёрди, нужно спускаться с молекулярного уровня на более фундаментальный — электронный, квантовомеханический; он говорил о субмолекулярной биологии и биоэлектронике. Другая мысль, которую он настойчиво повторял: нельзя забывать об определяющей роли водных структур в клетке — «биология забыла о воде, подобно тому, как может позабыть о ней глубоководная рыба».

После смерти учёного его коллега профессор Ирвинг Клотц выступил с докладом на мемориальном симпозиуме, поделившись своими воспоминаниями о нём. Клотц говорил не столько о научной деятельности Сент-Дьёрди, сколько о его яркой личности, которая не могла не отразиться в научном фольклоре. Доклад Клотца был опубликован в виде статьи в «Chemical Intelligencer», а мой сокращённый её перевод вместе с моим предисловием появились в ХиЖ (2002, № 4): <СентДьерди>.

Ганс Гельман и квантовая химия

Развитие квантовой химии в СССР началось в 1931 году, когда в физико-химическом институте им. Л.Я. Карпова профессор Я.К. Сыркин основал лабораторию строения вещества и спектроскопии. В 1934 году по рекомендации Ю.Б. Румера в Москву пригласили работать молодого немецкого учёного-антифашиста Ганса Гельмана. В 1937 г. увидела свет его монография «Квантовая химия» (её немецкое издание вышло в Вене незадолго до аншлюса), ставшая основным учебником для нескольких поколений советских исследователей в этой области. Известна фундаментальная теорема Гельмана—Фейнмана (Ричард Фейнман сформулировал её независимо).

Портрет Ганса Гельмана, выполненный по фотографии 1933 года

…….Портрет Ганса Гельмана,.. выполненный по фото 1933 года

Однако жизнь этого талантливого человека, ставшего в июне 1936 г. советским гражданином, вскоре оборвалась: в марте 1938 г. он был арестован, обвинён в шпионаже и расстрелян. Ему было 34 года.

Наш старейший квантовый химик и спектроскопист д.ф.-м.наук, проф. Михаил Аркадьевич Ковнер (1910—2006) хорошо знал Гельмана: он был одним из переводчиков его книги; именно Ганс Гельман дал Ковнеру тему для кандидатской диссертации (исследование вопроса о природе связи в молекуле аммиака), став его научным руководителем. Ковнер успешно защитился в конце 1938 года, когда Гельмана уже не было в живых.

Михаил Аркадьевич считал себя учеником Гельмана и прикладывал большие усилия, чтобы сделать его имя Картинки по запросу ковнер михаил аркадьевич Ганс Гельманизвестным новым поколениям физикохимиков. Будучи уже в преклонном возрасте, но продолжая работать в Институте истории естествознания и техники РАН, он написал статью «Ганс Гельман и рождение квантовой химии», опубликованную в ХиЖ (2000, № 5; я был редактором): Гельман_Ковнер> (или <Гельман>).

А вскоре после этого в серии  «Научно-биографическая литература» вышла небольшая книга М.А. Ковнера «Ганс Густавович Гельман» (М.: Наука, 2002), в которой Михаил Аркадьевич подробно рассказал о жизни и трудах своего учителя.