Страница:
Обязательно должен был наблюдатель, чтобы было хоть что-то определённое, потому что вне наблюдателя определённого ничего нет. И в этом смысле, конечно, проблема наблюдателя в квантовой космологии сегодня не только не решена, но ещё по-настоящему не поставлена. Хотя ясно, конечно, что если мы будем применять обычную копенгагенскую интерпретацию, то для того, чтобы даже Вселенная родилась, обязательно нужно, чтобы кто-то тогда уже её наблюдал. То есть мы опять приходим к ещё одному комментарию книги Бытия, где сказано: вначале Земля была безвидна и пуста, и дух Божий носился над водою. Водой обычно называют, согласно библейской терминологии, материю. То есть должен быть какой-то наблюдатель, какое-то сознание. Если нет, то вы не имеете превращение квантового мира в классический.
И, наконец, интерпретация, где предлагается построить много параллельных вселенных, а наблюдателей нет. К сожалению, там очень много трудностей. Почему? Я, например, лично эту интерпретацию не разделяю. Потому что здесь трудности чисто математические. Там есть две нерешённых проблемы. Одна называется, так сказать, сугубо на нашем языке – проблема предпочтительного базиса, которая там не решена, а вторая – это то, что в квантовой физике нельзя ввести для квантовых свойств так называемую логическую функцию истинности. То есть эти объекты квантовые существуют как потенциальные возможности, как говорил мой учитель Фок, а не как наше видение Вселенной. Поэтому параллельная Вселенная – это не то же самое, что наша.
А.Гордон. Пять минут нам добавили, продолжайте, пожалуйста.
А.Г. Параллельные Вселенные, о которых сейчас говорят и в масс-медиа, нельзя представлять себе так же, как нашу Вселенную. Они отличаются от нашей, если следовать квантовой механике. Потому что они не в том же смысле «есть», как наша Вселенная «есть». Слово «есть» к ним нельзя употреблять. И в этом отношении проблема наблюдателя в квантовой космологии является достаточно открытой.
А.Гордон. Поправьте меня, если я ошибаюсь, но там, по-моему, ещё была теория фрактального…
А.Г. Об этом можно сказать. Фрактальная теория обычно связана с теорией многих миров, но не обязательно…
М.Ф. Дайте, я скажу. Осталось мало времени, но я всё-таки хотел бы немного затронуть этот вопрос. Где-то в районе 86-го года Линде предложил модель, в которой инфляция (когда у вас какие-то вселенные раздуваются) на самом деле происходит не только в нашем мире. Мир – это мегагалактика, т.е. наблюдаемая часть Вселенной. А большой мир состоит из многих вселенных. И наша – только одна из них.
А.Гордон. Частный случай.
М.Ф. Частный случай, да. И при этом очень много строили таких моделей, что эти пузыри раздуваются, они как-то пересекаются или не пересекаются. Из одного пузыря можно попасть в другой. В частности, была такая гипотеза, как гипотеза Ли Смолина: скажем, есть какие-то чёрные дыры, возникающие в результате гравитационного коллапса. Поскольку внутри них образуется опять тот же самый вакуум, он опять расширяется в какую-то уже другую вселенную, и в этой вселенной образуются опять чёрные дыры, они опять коллапсируют, и этот бесконечный процесс представляет собой некую фрактальную структуру. Это, конечно, некая полуфантастика, но вот интересно…
А.Гордон. Это решает вопрос с наблюдателем.
М.Ф. Но это нас возвращает к кошмару бесконечности. То есть опять бесконечный мир. Мы от этого ушли, но у нас может быть постановка задачи и другая. А существуют ли какие-то способы попасть из одного мира в другой? И в 87-м году Гут и Фархи (Гут – это тот, кто предложил по сути дела инфляционную модель) предложили такую, в общем-то, сумасшедшую идею о создании вселенной в лаборатории. То есть, требуется всего-навсего только 10 килограмм вещества, которое нужно сжать достаточно сильно, чтобы образовался этот самый вакуум…
А.Гордон. До каких размеров надо сжать?
М.Ф. Сжать нужно до очень маленьких размеров – десять в минус 24-й сантиметра. При этом оказывается, что та энергия, которую нужно при этом затратить, она никакая не космическая, она сейчас имеется на Земле. То есть энергии вполне достаточно. Другое дело, как сжать. Но энергии даже в современной технологии достаточно, чтобы сжать. Другое дело, что мы не знаем, как сжать. Но энергия уже такая есть. То есть, если какая-то сверхцивилизация найдёт такой способ, то она может, в принципе, создать новую вселенную. Тогда оказывается, что рождается новая Вселенная, причём это всё происходит под гравитационным радиусом, поэтому наш наблюдатель как располагал 10 килограммами вещества, так он и будет их видеть. А расширение произойдёт в новую вселенную – возникнет новая вселенная. Причём эти десять килограмм соответствуют почти копии нашей Вселенной, то есть с такими же галактиками, и прочее. То есть, в таком вот небольшом объёме. Правда, неизвестно, может, в нашей лаборатории что-то измениться с нашим вакуумом. Были такие гипотезы, что это может как-то плохо отразиться на нашем мире.
А.Гордон. А кроме того, как мы узнаем, что эта вселенная родилась?…
М.Ф. Как мы узнаем? Мы никак не узнаем. Но здесь есть другой вопрос, секундочку. Ещё есть другой подход – это как послать какое-то сообщение в другую вселенную?…
А.Гордон. Простите, я забуду вопрос. А мы в этом случае можем являться наблюдателем по отношению к той вселенной, которая создалась? Или всё-таки нет?
М.Ф. Нет, но если кто-то к нам пошлёт сообщение, то мы сможем его принять. Поэтому мы можем послать сообщение и можем принять.
А.Гордон. Было бы кому.
М.Ф. Да, да. Так вот, ситуация следующая – есть такая фантастическая модель, что цивилизации существуют какое-то конечное время, и они должны как-то передать свою информацию каким-то другим цивилизациям в нашей Вселенной и в других вселенных. Мы не знаем, сколько цивилизаций существует. Но мы знаем, что есть наша, по крайней мере. И как они могут передать информацию из одной вселенной в другую? Они могут передать либо через чёрные дыры, которые…
А.Гордон. Каков объём информации?
М.Ф. Да, объём информации. Объём информации очень интересный. Оказалось, что вероятность передачи очень маленькая, а информации, которую мы можем передать, приблизительно столько же, сколько содержится в геноме человека. То есть, мы можем передать через этот туннель…
А.Гордон. Вы и с этим тоже не согласны?
М.Ф. Подождите, я сейчас закончу.
А.Г. Геном передан сюда из другой цивилизации?…
М.Ф. То есть понимаете, оказывается так, что чем больше информации, тем меньше вероятность её передать. Если передать легко что-то, то информации очень мало. Для того чтобы передать, скажем, геном человека, нужно е в степени минус 10 в десятой степени.
А.Гордон. А чтобы передать Книгу Бытия, сколько нужно?
М.Ф. А для того, чтобы передать просто какую-то маленькую книгу, нужна вероятность е в степени минус 10 где-то в восьмой степени. То есть в принципе кто-то может эти сообщения к нам прислать. И возможно даже, что и сама жизнь явилась результатом того, что кто-то передал этот геном…
А.Гордон. Чем это лучше, чем Господь Бог?
М.Ф. А это неизвестно.
А.Г. Может быть, я закончу. Здесь, мне кажется, мы имеем возврат к некоторому эллинскому богословию. Потому что чем эллинское богословие отличалось от христианского? У них боги находились где-то на Олимпе. Здесь предлагается где-то другое место, другая вселенная, откуда Боги посылают эту информацию. Но так как теория весьма спекулятивна, потому что её проверить нельзя, то я лично…
А.Гордон. К тому же, она всё равно не даёт ответа на вопросы, которые мы ставим…
А.Г. К сожалению, да. Но я лично предпочитаю христианское богословие, как более развитое, чем эллинское, которое здесь сейчас предлагается.
М.Ф. Нет, это только гипотеза…
А.Гордон. С вашей точки зрения наблюдатель был и…
А.Г. Если брать просто стандартную копенгагенскую интерпретацию, то мы должны как-то анализировать этот вопрос о наблюдателе. Либо это сегодняшние наблюдатели, которые судят о прошлом, либо мы должны говорить о сознании в каком-то более широком смысле.
А.Гордон. То есть вполне возможно, что наш взгляд туда за горизонт этого события, вернее, на горизонт событий, с помощью тех самых гравитационных волн – это и будет тот самый взгляд наблюдателя, который, возможно, создал нашу Вселенную.
А.Г. Да, это уилеровская точка зрения – участвующая Вселенная, – то, что вы сейчас излагаете.
А.Гордон. Потрясающе. Но время уже кончилось…
Динамическая нестабильность воды
Участники:
Владимир Леонидович Воейков – кандидат биологических наук
Дмитрий Андреевич Селивановский – кандидат физико-математических наук (Нижний Новгород)
Александр Гордон: Я попросил бы вас прежде, чем вы начнёте, дать определение замечательному термину – «полимер».
Владимир Воейков: Я могу говорить о биополимерах, естественно, потому, что я всё-таки являюсь биологом. Определение очень простое. Это молекула, состоящая из большого числа однородных кирпичиков. Они могут быть одинаковыми, они могут быть сходными, относящимися к одному классу соединений, но вся проблема заключается в том, что количество их должно превышать определённое число, тогда это называется полимером. Вот если говорить о полимерах, состоящих из аминокислот, то уже 4-5 аминокислот – это полимер, называется пептид. А в нашей науке, в биоорганической химии принято считать, что белок начинается примерно с 50 аминокислот, соединённых в цепочку. Значит, молекула полимера – это много звеньев, которые сходны, так или иначе, друг с другом.
А.Г. Теперь остаётся выяснить, и я надеюсь, что вы это сделаете, каким образом всем известная формула молекулы воды Н2О, может представлять из себя полимер.
Дмитрий Селивановский: Дело в том, что вода-то находится всегда в конденсированном состоянии, в жидкой фазе, мы об этой воде и будем говорить. Давно уже выяснено, что вообще-то между молекулами воды всегда есть некие, её структурирующие связи.
В.В. У нас даже есть картинка.
Д.С. Да, и вот это свойство (структурированность воды) в каком-то смысле не учитывалось в физических процессах и в химических тоже. Мой учитель Георгий Алексеевич Домрачев выдвинул идею о полимероподобности воды, и я считаю, что он, конечно же, сделал очень большой шаг, когда сопоставил свойства воды и свойства полимера. Полимеры – очень сложные системы. Когда мы делаем эти полимеры здесь на Земле, то они оказываются даже избыточно сложными для устойчивого существования в условиях Земли, т.е. в условиях 300 Кельвинов. Они, как правило, после изготовления сразу начинают деструироваться, то есть в них необратимо ломаются крепкие связи: углерод – углерод, углерод – водород. Мы и сами это видим, когда, например, полимерная плёнка служит всего один сезон, после этого она мутнеет, становится неэластичной. Очень многие изоляторы из полимеров под действием стрикционных электромагнитных сил тоже постепенно разрушаются. Или, например, хотя бы полимерные подошвы – они довольно часто рассыпаются буквально в прах.
При этом никаких нет таких уж сильных воздействий на эти полимеры. Уровни протекающих энергий невелики, они несопоставимо меньше, чем нужно для разрушения химических связей в полимерах. И, тем не менее, происходит химическая деструкция полимеров. Ну, например, любая сварка какого-либо полимера или переплавление полимера приводит к тому, что часть его вещества деструируется. Или, если полимер расплавить и продавить через тонкие отверстия, чтобы создать полимерные нити, то эти полимерные нити будут иметь уже гораздо более низкое качество, чем только что синтезированный полимер. Всегда при этом довольно большое количество вещества полимера уходит в «огрызки», которые уже не имеют тех свойств, которые имели исходные полимеры.
Но мы немного отвлеклись. Хотелось бы поговорить о том, как мы вообще к этой проблеме (полимероподобности воды) подошли. Каждый из нас это сделал по-своему…
А.Г. Да, да, пожалуйста. Я хотел сказать, что это же телевизионная программа, у неё есть свои законы. Надо дать затравку, чтобы смотрели.
В.В. Тогда я к тому определению «полимера», которое просто из учебника, хотел бы чуть-чуть добавить, с тем чтобы связать эти две вещи: биополимеры, полимеры, полученные химическим синтезом, о которых говорил Дмитрий, и вода, которая полимерна, что поразительно, и об этом, собственно, дальше пойдёт речь. Потому что, когда мы говорили, что даже полимеры рассыпаются от механических воздействий, это в каком-то смысле странно. По крайней мере, мои коллеги-биологи не очень-то над этим задумываются.
Почему странно? Потому что полимеры, по определению, это молекулы, в которых атомы связаны прочными, так называемыми, ковалентными связями. И чтобы порвать эту связь, необходимо приложить то, что иногда называют энергией высокой плотности. Например, для того чтобы эта связь возбудилась и разорвалась, она должна поглотить квант ультрафиолета.
И вот, когда такой полимер начинает рваться под действием просто механических воздействий, охлаждения, нагревания, это выглядит непривычным. Между прочим, биологи очень часто встречаются с тем, что полимеры рвутся. Возьмём, например, наши любимые молекулы ДНК. Это гигантская молекула. И когда выделяют молекулы ДНК, то стараются с ними работать чрезвычайно нежно. Нельзя даже палочкой интенсивно болтать суспензию этих самых ДНК, потому что она будет рваться на фрагменты. Но редко кто задумывается над тем, что разрыв происходит по так называемой валентной связи. Если взять не длинную молекулу, а её маленький фрагмент, состоящий…
Д.С. Но там же других и нет связей.
В.В. Да, там других просто нет, вот такой полимер. Если взять маленький её фрагмент, состоящий из двух, трех, четырех кирпичиков, то никакой палочкой его уже не порвёшь.
Д.С. Надо ещё учесть и то, что все эти молекулы ДНК обязательно находятся в воде, это тоже очень важно.
В.В. Когда мы говорим о воде, то вот как раз картинка, которая говорит о стандартном представлении, учебниковом представлении о том, как устроена молекула воды. Синий шар – это атом кислорода, два жёлтеньких шарика – это атомы водорода. И чем эта жидкость отличается от других самых разнообразных жидкостей, и Дмитрий об этом более подробно будет говорить, это тем, что эта молекула на самом деле не уравновешена полностью. Вот там видны знаки «минус» и знаки «плюс». На атоме кислорода есть немножко отрицательного заряда. На атоме водорода есть немножко положительного заряда. Этих молекул много, и отрицательный заряд атома кислорода притягивает положительный заряд атома водорода. Образуется связь. Эта связь очень слабенькая, так называемая водородная связь. Её энергия в десятки раз меньше, чем связь между атомом кислорода и атомом водорода в одной молекуле воды. И поэтому, основываясь на представлениях из учебника, думать, что воду можно рассматривать как содержащую полимеры, до их работ казалось совершенно диким. Связи такие слабенькие, что там, казалось бы, нечего говорить о полимеризации. А вот дальше уже начинается история исследования воды как полимера.
Д.С. Это, конечно же, была очень светлая мысль. Покажите вторую картинку. Смотрите: многие свойства воды претерпевают, во всяком случае, основные свойства, претерпевают экстремумы температурных характеристик, то есть они проходят через минимум или максимум. Известная нам плотность воды, например, при плюс четырех градусах будет наибольшей. Это, видимо, следствие того, что когда кристалл льда при таянии разрушается и уплотняется, то это уплотнение ещё может долго продолжаться при увеличении температуры. Но одновременно начинает работать ещё механизм, растаскивающий такие фрагменты, тепловой механизм. И в конце концов, плотность воды, пройдя через максимум, начинается спадать.
А.Г. У меня вопрос на понимание. А если мы охлаждаем воду, не проходя отметку замерзания, скажем, от 6 градусов до 4. Плотность такой воды будет меньше, чем плотность воды, которая получилась в результате таяния льда?
Д.С. Нет, эта характеристика и в ту и в другую сторону проходит через этот максимум, и в ней нет гистерезиса… Где-то здесь при 4 градусах уже начинают складываться мощные структуры из водяных молекул. Это гелеподобные структуры, имеющие даже сдвиговую упругость, некие такие студнеподобные образования.
Вот ещё одна характеристика интересная, посмотрите, – это теплоёмкость, которая отмечена красной линией. Минимум теплоёмкости воды как раз там, где мы все – теплокровные – располагаемся. И падающая ветвь от нуля до 38 градусов, она, вообще-то, свойственна только твёрдым телам. То есть вода ещё некоторое время по этому параметру сохраняет свойства твёрдых тел, и только после 38-40 градусов начинает быть так называемой обычной жидкостью.
Здесь я ещё привёл скорость звука – это зелёная кривая, она характеризует упругие свойства воды. Ну и электрические свойства воды – характеристика электронной поляризуемости. Все эти характеристики имеют экстремумы температурных свойств…Так вот, всё это формально страшно похоже на то, как ведут себя температурные характеристики полимеров. Они тоже имеют экстремумы многих свойств. Вот эта-то аналогия, видимо, и навела (так, по крайней мере, он сам мне и рассказывал – Георгий Алексеевич Домрачев) на мысль о том, что вода полимероподобна. К ней надо относиться как к полимеру. А про полимеры-то известно было уже в своё время, что они неустойчивы при механических воздействиях. Вообще, это некогда была проблема: что же такое мы наделали – такие прочные вещества, что их и кислоты не берут. Так вот: замечательные физхимики Каргин, Слонимский – они ввели такое понятие – механохимия полимеров. Они доказали, что полимеры – сложные структуры, при механическом воздействии закономерно кроме некой перестройки конформации, своих сложных молекул – например, при их растяжении молекулярные клубки растягиваются в спирали, в полимерах происходит хладотечение, т.е. молекулярные фрагменты полимеров рывками могут сдвигаться относительно друг друга, что кроме этого изменения формы таких макромолекул, в них обязательно и закономерно рвутся и химические связи. Довольно-таки прочные химические связи.
Мы предположили, что, по сути дела, в воде происходит нечто подобное. Но если в полимерах происходит деструкция, т.е. необратимое разрушение молекул, то в воде – это диссоциация. Молекулы воды рвутся… Теперь покажите первую картинку, если можно. Они рвутся вот по какой схеме. Они рвутся так, что образуются радикалы. Радикалы в данном случае – это нейтральные частицы, электрически нейтральные, но страшно химически активные: гидроксил – радикалы и атомы водорода…
В.В. Дмитрий, я на секунду прерву, потому что мне всё-таки приходится много в разных местах рассказывать, чем отличаются радикалы от молекул. А поскольку не все в нашей аудитории кончали химфаки…
Д.С. Мне, в общем, тоже приходится рассказывать.
В.В. Пожалуйста, чем тогда радикалы отличаются от молекулы надо сказать.
Д.С. Ну, это может потом, а сейчас…. Здесь нарисована, конечно же, схема. На самом деле всё происходит, конечно же, гораздо сложнее. Эта сложность отражена пометочкой «аква» – это значит, что всё это происходит в воде, что они там запечатаны в каких-то структурах, что и молекулы воды и получающиеся радикалы живут как бы в некоторых клетках, образованных из молекул воды же…Мы вообще-то довольно мало знаем о свойствах этих структурных водных образований. Знаем только, что эти образования, видимо, достаточно большие и рыхлые при сравнительно низких температурах – около нуля. И что где-то к градусам 60-70 они уже становятся гораздо меньше по размерам и несколько более плотными, чем те, которые получаются сразу после таяния льда.
Что же здесь является в некотором смысле парадоксальным? Дело в том, что отдельная молекула воды, не взаимодействующая с другими молекулами воды, например, в мономолекулярном паре, весьма прочна. Для того чтобы её порвать, нужно приложить к ней довольно-таки приличную энергию – 5,2 электрон/вольт. Это соответствует ультрафиолету, как Володя говорил, это 50 тысяч градусов по другой шкале, в другом формате. Вот так… И кажется странным, чтобы такой процесс диссоциации воды всё-таки шёл при заведомо меньших плотностях энергии.
Тем не менее, оказалось, и мы показали это в своих опытах, что такой процесс диссоциации воды всё-таки идёт.
А.Г. То есть вода диссоциирует.
Д.С. Да…Модели этого явления – такой модели, которую, как это считается, нужно бы иметь, и по которой можно было бы всё рассчитать – у нас, конечно же, нет. Но подход к воде как к полимероподобной среде для нас сразу же внёс ясность в некоторые процессы. Мы смогли сказать заранее, как, например, будет зависеть диссоциация воды от температуры, как она будет зависеть от концентрации растворённых в воде веществ. Как она будет зависеть от усилий, прилагаемых к этой воде, допустим, при её перемешивании или, например, при пропускании звука. Мы многие типы воздействия на воду перепробовали.
После того как вода продиссоциирует, сразу же начинают протекать реакции рекомбинации. Ну, и естественно, основная часть радикалов рекомбинирует, сваливаясь вновь в воду. Видите, там стрелки туда и обратно. Т.е. при диссоциации некоторых молекул воды появляются радикалы, и в чистой воде, где нет для них акцепторов, они в основном образуют вновь воду. Так это, в основном, и происходит, в 90% случаев – именно снова воду. Но случаются и другие события: находят друг друга атомы Н, и в воде возникает растворённый молекулярный водород. Это, по сути, инертный газ в наших условиях. При этом излучается квант света уже в фиолетовой области. Между собой рекомбинирует и гидроксил-радикал, и получается пероксид водорода. Он тут помечен красным вот почему. Этот процесс, вообще, исследовать довольно сложно, потому что уж очень малы концентрации этих радикалов, т.е. мала эффективность этого процесса диссоциации воды. Поэтому нужны довольно-таки высокие чувствительности измерений. Можно, конечно же, измерять и выход молекулярного водорода. И в некоторых опытах так и делают, когда достаточно интенсивно на воду чем-нибудь воздействуют. Либо сильным звуком, либо её интенсивно перемешивают в специальных растворах. И есть такие результаты, где измеряют выход водорода после воздействия на воду. Но это уже косвенное свидетельство диссоциации воды: появились из воды радикалы, и потом уже появился водород. Пока, все же, методики определения водорода не очень чувствительны.
А вот появление перекиси водорода в воде, как оказалось, можно измерять с очень высокой чувствительностью. В общем, мы разогнали некую методику, поработали с ней, и единообразным образом, измеряя появление перекиси водорода, все свои опыты и проводили. Мы воздействовали на воду так или иначе, а измеряли всегда, насколько в ней увеличивается содержание пероксида водорода – перекиси водорода.
А дело-то в том, что в природе перекись водорода всегда в воде есть, во всех водах, и в океане, и вместе с водами дождей она поступает, и когда тает лёд, – в талой воде много перекиси водорода. И конечно же, до нас появление перекиси водорода в этих случаях объясняли. Как правило, процессами, в которых макропотоков энергии хватало для диссоциации молекул воды. Например, фотолизом, электрическими разрядами, локальным повышением температуры.
Например, очень есть интересное явление – так называемый сонолиз и сопровождающая его сонолюминесценция. То есть в воду посылают звук, и через некоторое время в этой воде образуется перекись водорода. При этом плотность энергии звука на 5, 6 или даже 7 порядков ниже, чем нужно для того, чтобы порвать связь Н-ОН. Тем не менее, эффект есть, и перекись водорода возникает. Объясняли и объясняют и до сих пор диссоциацию воды при действии звука кавитацией, схлопыванием пузырьков, высокими температурами. Мы показали, что это не так, что диссоциация происходит в жидкой воде.
Опыты наши были достаточно тщательные, потому что перекись – это же неустойчивое соединение. Тем более что и образовывалось её очень мало. Когда мы вышли на уровни содержания перекиси менее 10-9 моля на литр, то есть менее чем миллиардные доли моля на литр, то выяснилось, что все, вообще-то, очень грязное. И вода очень грязная, и она сама содержит достаточно катализаторов разложения перекиси. И все сосуды выделяют из стенок вещества, разлагающие получающуюся перекись водорода…Эффект диссоциации воды поэтому был нами зафиксирован не сразу. В общем – была некая проблема, но мы её преодолели и измерили очень тщательно во многих случаях выход перекиси водорода при разных воздействиях на воду.
Вот, например… Покажите ещё один слайд, следующий.
Здесь результаты наших опытов по переконденсации воды. Каждый кружочек – это опыт, довольно длительный, когда воду испаряли при какой-то температуре и конденсировали при 2 градусах Цельсия. В конденсате измеряли концентрацию перекиси водорода. Этот результат хорошо укладывается в нашу гипотезу. То есть эффективность процесса диссоциации воды при испарении-конденсации уменьшается при повышении температуры испарения воды. Кстати, этот результат можно приложить к глобальным оценкам того, что происходит на Земле.
И, наконец, интерпретация, где предлагается построить много параллельных вселенных, а наблюдателей нет. К сожалению, там очень много трудностей. Почему? Я, например, лично эту интерпретацию не разделяю. Потому что здесь трудности чисто математические. Там есть две нерешённых проблемы. Одна называется, так сказать, сугубо на нашем языке – проблема предпочтительного базиса, которая там не решена, а вторая – это то, что в квантовой физике нельзя ввести для квантовых свойств так называемую логическую функцию истинности. То есть эти объекты квантовые существуют как потенциальные возможности, как говорил мой учитель Фок, а не как наше видение Вселенной. Поэтому параллельная Вселенная – это не то же самое, что наша.
А.Гордон. Пять минут нам добавили, продолжайте, пожалуйста.
А.Г. Параллельные Вселенные, о которых сейчас говорят и в масс-медиа, нельзя представлять себе так же, как нашу Вселенную. Они отличаются от нашей, если следовать квантовой механике. Потому что они не в том же смысле «есть», как наша Вселенная «есть». Слово «есть» к ним нельзя употреблять. И в этом отношении проблема наблюдателя в квантовой космологии является достаточно открытой.
А.Гордон. Поправьте меня, если я ошибаюсь, но там, по-моему, ещё была теория фрактального…
А.Г. Об этом можно сказать. Фрактальная теория обычно связана с теорией многих миров, но не обязательно…
М.Ф. Дайте, я скажу. Осталось мало времени, но я всё-таки хотел бы немного затронуть этот вопрос. Где-то в районе 86-го года Линде предложил модель, в которой инфляция (когда у вас какие-то вселенные раздуваются) на самом деле происходит не только в нашем мире. Мир – это мегагалактика, т.е. наблюдаемая часть Вселенной. А большой мир состоит из многих вселенных. И наша – только одна из них.
А.Гордон. Частный случай.
М.Ф. Частный случай, да. И при этом очень много строили таких моделей, что эти пузыри раздуваются, они как-то пересекаются или не пересекаются. Из одного пузыря можно попасть в другой. В частности, была такая гипотеза, как гипотеза Ли Смолина: скажем, есть какие-то чёрные дыры, возникающие в результате гравитационного коллапса. Поскольку внутри них образуется опять тот же самый вакуум, он опять расширяется в какую-то уже другую вселенную, и в этой вселенной образуются опять чёрные дыры, они опять коллапсируют, и этот бесконечный процесс представляет собой некую фрактальную структуру. Это, конечно, некая полуфантастика, но вот интересно…
А.Гордон. Это решает вопрос с наблюдателем.
М.Ф. Но это нас возвращает к кошмару бесконечности. То есть опять бесконечный мир. Мы от этого ушли, но у нас может быть постановка задачи и другая. А существуют ли какие-то способы попасть из одного мира в другой? И в 87-м году Гут и Фархи (Гут – это тот, кто предложил по сути дела инфляционную модель) предложили такую, в общем-то, сумасшедшую идею о создании вселенной в лаборатории. То есть, требуется всего-навсего только 10 килограмм вещества, которое нужно сжать достаточно сильно, чтобы образовался этот самый вакуум…
А.Гордон. До каких размеров надо сжать?
М.Ф. Сжать нужно до очень маленьких размеров – десять в минус 24-й сантиметра. При этом оказывается, что та энергия, которую нужно при этом затратить, она никакая не космическая, она сейчас имеется на Земле. То есть энергии вполне достаточно. Другое дело, как сжать. Но энергии даже в современной технологии достаточно, чтобы сжать. Другое дело, что мы не знаем, как сжать. Но энергия уже такая есть. То есть, если какая-то сверхцивилизация найдёт такой способ, то она может, в принципе, создать новую вселенную. Тогда оказывается, что рождается новая Вселенная, причём это всё происходит под гравитационным радиусом, поэтому наш наблюдатель как располагал 10 килограммами вещества, так он и будет их видеть. А расширение произойдёт в новую вселенную – возникнет новая вселенная. Причём эти десять килограмм соответствуют почти копии нашей Вселенной, то есть с такими же галактиками, и прочее. То есть, в таком вот небольшом объёме. Правда, неизвестно, может, в нашей лаборатории что-то измениться с нашим вакуумом. Были такие гипотезы, что это может как-то плохо отразиться на нашем мире.
А.Гордон. А кроме того, как мы узнаем, что эта вселенная родилась?…
М.Ф. Как мы узнаем? Мы никак не узнаем. Но здесь есть другой вопрос, секундочку. Ещё есть другой подход – это как послать какое-то сообщение в другую вселенную?…
А.Гордон. Простите, я забуду вопрос. А мы в этом случае можем являться наблюдателем по отношению к той вселенной, которая создалась? Или всё-таки нет?
М.Ф. Нет, но если кто-то к нам пошлёт сообщение, то мы сможем его принять. Поэтому мы можем послать сообщение и можем принять.
А.Гордон. Было бы кому.
М.Ф. Да, да. Так вот, ситуация следующая – есть такая фантастическая модель, что цивилизации существуют какое-то конечное время, и они должны как-то передать свою информацию каким-то другим цивилизациям в нашей Вселенной и в других вселенных. Мы не знаем, сколько цивилизаций существует. Но мы знаем, что есть наша, по крайней мере. И как они могут передать информацию из одной вселенной в другую? Они могут передать либо через чёрные дыры, которые…
А.Гордон. Каков объём информации?
М.Ф. Да, объём информации. Объём информации очень интересный. Оказалось, что вероятность передачи очень маленькая, а информации, которую мы можем передать, приблизительно столько же, сколько содержится в геноме человека. То есть, мы можем передать через этот туннель…
А.Гордон. Вы и с этим тоже не согласны?
М.Ф. Подождите, я сейчас закончу.
А.Г. Геном передан сюда из другой цивилизации?…
М.Ф. То есть понимаете, оказывается так, что чем больше информации, тем меньше вероятность её передать. Если передать легко что-то, то информации очень мало. Для того чтобы передать, скажем, геном человека, нужно е в степени минус 10 в десятой степени.
А.Гордон. А чтобы передать Книгу Бытия, сколько нужно?
М.Ф. А для того, чтобы передать просто какую-то маленькую книгу, нужна вероятность е в степени минус 10 где-то в восьмой степени. То есть в принципе кто-то может эти сообщения к нам прислать. И возможно даже, что и сама жизнь явилась результатом того, что кто-то передал этот геном…
А.Гордон. Чем это лучше, чем Господь Бог?
М.Ф. А это неизвестно.
А.Г. Может быть, я закончу. Здесь, мне кажется, мы имеем возврат к некоторому эллинскому богословию. Потому что чем эллинское богословие отличалось от христианского? У них боги находились где-то на Олимпе. Здесь предлагается где-то другое место, другая вселенная, откуда Боги посылают эту информацию. Но так как теория весьма спекулятивна, потому что её проверить нельзя, то я лично…
А.Гордон. К тому же, она всё равно не даёт ответа на вопросы, которые мы ставим…
А.Г. К сожалению, да. Но я лично предпочитаю христианское богословие, как более развитое, чем эллинское, которое здесь сейчас предлагается.
М.Ф. Нет, это только гипотеза…
А.Гордон. С вашей точки зрения наблюдатель был и…
А.Г. Если брать просто стандартную копенгагенскую интерпретацию, то мы должны как-то анализировать этот вопрос о наблюдателе. Либо это сегодняшние наблюдатели, которые судят о прошлом, либо мы должны говорить о сознании в каком-то более широком смысле.
А.Гордон. То есть вполне возможно, что наш взгляд туда за горизонт этого события, вернее, на горизонт событий, с помощью тех самых гравитационных волн – это и будет тот самый взгляд наблюдателя, который, возможно, создал нашу Вселенную.
А.Г. Да, это уилеровская точка зрения – участвующая Вселенная, – то, что вы сейчас излагаете.
А.Гордон. Потрясающе. Но время уже кончилось…
Динамическая нестабильность воды
06.08.03
(хр.00:49:00)
Участники:
Владимир Леонидович Воейков – кандидат биологических наук
Дмитрий Андреевич Селивановский – кандидат физико-математических наук (Нижний Новгород)
Александр Гордон: Я попросил бы вас прежде, чем вы начнёте, дать определение замечательному термину – «полимер».
Владимир Воейков: Я могу говорить о биополимерах, естественно, потому, что я всё-таки являюсь биологом. Определение очень простое. Это молекула, состоящая из большого числа однородных кирпичиков. Они могут быть одинаковыми, они могут быть сходными, относящимися к одному классу соединений, но вся проблема заключается в том, что количество их должно превышать определённое число, тогда это называется полимером. Вот если говорить о полимерах, состоящих из аминокислот, то уже 4-5 аминокислот – это полимер, называется пептид. А в нашей науке, в биоорганической химии принято считать, что белок начинается примерно с 50 аминокислот, соединённых в цепочку. Значит, молекула полимера – это много звеньев, которые сходны, так или иначе, друг с другом.
А.Г. Теперь остаётся выяснить, и я надеюсь, что вы это сделаете, каким образом всем известная формула молекулы воды Н2О, может представлять из себя полимер.
Дмитрий Селивановский: Дело в том, что вода-то находится всегда в конденсированном состоянии, в жидкой фазе, мы об этой воде и будем говорить. Давно уже выяснено, что вообще-то между молекулами воды всегда есть некие, её структурирующие связи.
В.В. У нас даже есть картинка.
Д.С. Да, и вот это свойство (структурированность воды) в каком-то смысле не учитывалось в физических процессах и в химических тоже. Мой учитель Георгий Алексеевич Домрачев выдвинул идею о полимероподобности воды, и я считаю, что он, конечно же, сделал очень большой шаг, когда сопоставил свойства воды и свойства полимера. Полимеры – очень сложные системы. Когда мы делаем эти полимеры здесь на Земле, то они оказываются даже избыточно сложными для устойчивого существования в условиях Земли, т.е. в условиях 300 Кельвинов. Они, как правило, после изготовления сразу начинают деструироваться, то есть в них необратимо ломаются крепкие связи: углерод – углерод, углерод – водород. Мы и сами это видим, когда, например, полимерная плёнка служит всего один сезон, после этого она мутнеет, становится неэластичной. Очень многие изоляторы из полимеров под действием стрикционных электромагнитных сил тоже постепенно разрушаются. Или, например, хотя бы полимерные подошвы – они довольно часто рассыпаются буквально в прах.
При этом никаких нет таких уж сильных воздействий на эти полимеры. Уровни протекающих энергий невелики, они несопоставимо меньше, чем нужно для разрушения химических связей в полимерах. И, тем не менее, происходит химическая деструкция полимеров. Ну, например, любая сварка какого-либо полимера или переплавление полимера приводит к тому, что часть его вещества деструируется. Или, если полимер расплавить и продавить через тонкие отверстия, чтобы создать полимерные нити, то эти полимерные нити будут иметь уже гораздо более низкое качество, чем только что синтезированный полимер. Всегда при этом довольно большое количество вещества полимера уходит в «огрызки», которые уже не имеют тех свойств, которые имели исходные полимеры.
Но мы немного отвлеклись. Хотелось бы поговорить о том, как мы вообще к этой проблеме (полимероподобности воды) подошли. Каждый из нас это сделал по-своему…
А.Г. Да, да, пожалуйста. Я хотел сказать, что это же телевизионная программа, у неё есть свои законы. Надо дать затравку, чтобы смотрели.
В.В. Тогда я к тому определению «полимера», которое просто из учебника, хотел бы чуть-чуть добавить, с тем чтобы связать эти две вещи: биополимеры, полимеры, полученные химическим синтезом, о которых говорил Дмитрий, и вода, которая полимерна, что поразительно, и об этом, собственно, дальше пойдёт речь. Потому что, когда мы говорили, что даже полимеры рассыпаются от механических воздействий, это в каком-то смысле странно. По крайней мере, мои коллеги-биологи не очень-то над этим задумываются.
Почему странно? Потому что полимеры, по определению, это молекулы, в которых атомы связаны прочными, так называемыми, ковалентными связями. И чтобы порвать эту связь, необходимо приложить то, что иногда называют энергией высокой плотности. Например, для того чтобы эта связь возбудилась и разорвалась, она должна поглотить квант ультрафиолета.
И вот, когда такой полимер начинает рваться под действием просто механических воздействий, охлаждения, нагревания, это выглядит непривычным. Между прочим, биологи очень часто встречаются с тем, что полимеры рвутся. Возьмём, например, наши любимые молекулы ДНК. Это гигантская молекула. И когда выделяют молекулы ДНК, то стараются с ними работать чрезвычайно нежно. Нельзя даже палочкой интенсивно болтать суспензию этих самых ДНК, потому что она будет рваться на фрагменты. Но редко кто задумывается над тем, что разрыв происходит по так называемой валентной связи. Если взять не длинную молекулу, а её маленький фрагмент, состоящий…
Д.С. Но там же других и нет связей.
В.В. Да, там других просто нет, вот такой полимер. Если взять маленький её фрагмент, состоящий из двух, трех, четырех кирпичиков, то никакой палочкой его уже не порвёшь.
Д.С. Надо ещё учесть и то, что все эти молекулы ДНК обязательно находятся в воде, это тоже очень важно.
В.В. Когда мы говорим о воде, то вот как раз картинка, которая говорит о стандартном представлении, учебниковом представлении о том, как устроена молекула воды. Синий шар – это атом кислорода, два жёлтеньких шарика – это атомы водорода. И чем эта жидкость отличается от других самых разнообразных жидкостей, и Дмитрий об этом более подробно будет говорить, это тем, что эта молекула на самом деле не уравновешена полностью. Вот там видны знаки «минус» и знаки «плюс». На атоме кислорода есть немножко отрицательного заряда. На атоме водорода есть немножко положительного заряда. Этих молекул много, и отрицательный заряд атома кислорода притягивает положительный заряд атома водорода. Образуется связь. Эта связь очень слабенькая, так называемая водородная связь. Её энергия в десятки раз меньше, чем связь между атомом кислорода и атомом водорода в одной молекуле воды. И поэтому, основываясь на представлениях из учебника, думать, что воду можно рассматривать как содержащую полимеры, до их работ казалось совершенно диким. Связи такие слабенькие, что там, казалось бы, нечего говорить о полимеризации. А вот дальше уже начинается история исследования воды как полимера.
Д.С. Это, конечно же, была очень светлая мысль. Покажите вторую картинку. Смотрите: многие свойства воды претерпевают, во всяком случае, основные свойства, претерпевают экстремумы температурных характеристик, то есть они проходят через минимум или максимум. Известная нам плотность воды, например, при плюс четырех градусах будет наибольшей. Это, видимо, следствие того, что когда кристалл льда при таянии разрушается и уплотняется, то это уплотнение ещё может долго продолжаться при увеличении температуры. Но одновременно начинает работать ещё механизм, растаскивающий такие фрагменты, тепловой механизм. И в конце концов, плотность воды, пройдя через максимум, начинается спадать.
А.Г. У меня вопрос на понимание. А если мы охлаждаем воду, не проходя отметку замерзания, скажем, от 6 градусов до 4. Плотность такой воды будет меньше, чем плотность воды, которая получилась в результате таяния льда?
Д.С. Нет, эта характеристика и в ту и в другую сторону проходит через этот максимум, и в ней нет гистерезиса… Где-то здесь при 4 градусах уже начинают складываться мощные структуры из водяных молекул. Это гелеподобные структуры, имеющие даже сдвиговую упругость, некие такие студнеподобные образования.
Вот ещё одна характеристика интересная, посмотрите, – это теплоёмкость, которая отмечена красной линией. Минимум теплоёмкости воды как раз там, где мы все – теплокровные – располагаемся. И падающая ветвь от нуля до 38 градусов, она, вообще-то, свойственна только твёрдым телам. То есть вода ещё некоторое время по этому параметру сохраняет свойства твёрдых тел, и только после 38-40 градусов начинает быть так называемой обычной жидкостью.
Здесь я ещё привёл скорость звука – это зелёная кривая, она характеризует упругие свойства воды. Ну и электрические свойства воды – характеристика электронной поляризуемости. Все эти характеристики имеют экстремумы температурных свойств…Так вот, всё это формально страшно похоже на то, как ведут себя температурные характеристики полимеров. Они тоже имеют экстремумы многих свойств. Вот эта-то аналогия, видимо, и навела (так, по крайней мере, он сам мне и рассказывал – Георгий Алексеевич Домрачев) на мысль о том, что вода полимероподобна. К ней надо относиться как к полимеру. А про полимеры-то известно было уже в своё время, что они неустойчивы при механических воздействиях. Вообще, это некогда была проблема: что же такое мы наделали – такие прочные вещества, что их и кислоты не берут. Так вот: замечательные физхимики Каргин, Слонимский – они ввели такое понятие – механохимия полимеров. Они доказали, что полимеры – сложные структуры, при механическом воздействии закономерно кроме некой перестройки конформации, своих сложных молекул – например, при их растяжении молекулярные клубки растягиваются в спирали, в полимерах происходит хладотечение, т.е. молекулярные фрагменты полимеров рывками могут сдвигаться относительно друг друга, что кроме этого изменения формы таких макромолекул, в них обязательно и закономерно рвутся и химические связи. Довольно-таки прочные химические связи.
Мы предположили, что, по сути дела, в воде происходит нечто подобное. Но если в полимерах происходит деструкция, т.е. необратимое разрушение молекул, то в воде – это диссоциация. Молекулы воды рвутся… Теперь покажите первую картинку, если можно. Они рвутся вот по какой схеме. Они рвутся так, что образуются радикалы. Радикалы в данном случае – это нейтральные частицы, электрически нейтральные, но страшно химически активные: гидроксил – радикалы и атомы водорода…
В.В. Дмитрий, я на секунду прерву, потому что мне всё-таки приходится много в разных местах рассказывать, чем отличаются радикалы от молекул. А поскольку не все в нашей аудитории кончали химфаки…
Д.С. Мне, в общем, тоже приходится рассказывать.
В.В. Пожалуйста, чем тогда радикалы отличаются от молекулы надо сказать.
Д.С. Ну, это может потом, а сейчас…. Здесь нарисована, конечно же, схема. На самом деле всё происходит, конечно же, гораздо сложнее. Эта сложность отражена пометочкой «аква» – это значит, что всё это происходит в воде, что они там запечатаны в каких-то структурах, что и молекулы воды и получающиеся радикалы живут как бы в некоторых клетках, образованных из молекул воды же…Мы вообще-то довольно мало знаем о свойствах этих структурных водных образований. Знаем только, что эти образования, видимо, достаточно большие и рыхлые при сравнительно низких температурах – около нуля. И что где-то к градусам 60-70 они уже становятся гораздо меньше по размерам и несколько более плотными, чем те, которые получаются сразу после таяния льда.
Что же здесь является в некотором смысле парадоксальным? Дело в том, что отдельная молекула воды, не взаимодействующая с другими молекулами воды, например, в мономолекулярном паре, весьма прочна. Для того чтобы её порвать, нужно приложить к ней довольно-таки приличную энергию – 5,2 электрон/вольт. Это соответствует ультрафиолету, как Володя говорил, это 50 тысяч градусов по другой шкале, в другом формате. Вот так… И кажется странным, чтобы такой процесс диссоциации воды всё-таки шёл при заведомо меньших плотностях энергии.
Тем не менее, оказалось, и мы показали это в своих опытах, что такой процесс диссоциации воды всё-таки идёт.
А.Г. То есть вода диссоциирует.
Д.С. Да…Модели этого явления – такой модели, которую, как это считается, нужно бы иметь, и по которой можно было бы всё рассчитать – у нас, конечно же, нет. Но подход к воде как к полимероподобной среде для нас сразу же внёс ясность в некоторые процессы. Мы смогли сказать заранее, как, например, будет зависеть диссоциация воды от температуры, как она будет зависеть от концентрации растворённых в воде веществ. Как она будет зависеть от усилий, прилагаемых к этой воде, допустим, при её перемешивании или, например, при пропускании звука. Мы многие типы воздействия на воду перепробовали.
После того как вода продиссоциирует, сразу же начинают протекать реакции рекомбинации. Ну, и естественно, основная часть радикалов рекомбинирует, сваливаясь вновь в воду. Видите, там стрелки туда и обратно. Т.е. при диссоциации некоторых молекул воды появляются радикалы, и в чистой воде, где нет для них акцепторов, они в основном образуют вновь воду. Так это, в основном, и происходит, в 90% случаев – именно снова воду. Но случаются и другие события: находят друг друга атомы Н, и в воде возникает растворённый молекулярный водород. Это, по сути, инертный газ в наших условиях. При этом излучается квант света уже в фиолетовой области. Между собой рекомбинирует и гидроксил-радикал, и получается пероксид водорода. Он тут помечен красным вот почему. Этот процесс, вообще, исследовать довольно сложно, потому что уж очень малы концентрации этих радикалов, т.е. мала эффективность этого процесса диссоциации воды. Поэтому нужны довольно-таки высокие чувствительности измерений. Можно, конечно же, измерять и выход молекулярного водорода. И в некоторых опытах так и делают, когда достаточно интенсивно на воду чем-нибудь воздействуют. Либо сильным звуком, либо её интенсивно перемешивают в специальных растворах. И есть такие результаты, где измеряют выход водорода после воздействия на воду. Но это уже косвенное свидетельство диссоциации воды: появились из воды радикалы, и потом уже появился водород. Пока, все же, методики определения водорода не очень чувствительны.
А вот появление перекиси водорода в воде, как оказалось, можно измерять с очень высокой чувствительностью. В общем, мы разогнали некую методику, поработали с ней, и единообразным образом, измеряя появление перекиси водорода, все свои опыты и проводили. Мы воздействовали на воду так или иначе, а измеряли всегда, насколько в ней увеличивается содержание пероксида водорода – перекиси водорода.
А дело-то в том, что в природе перекись водорода всегда в воде есть, во всех водах, и в океане, и вместе с водами дождей она поступает, и когда тает лёд, – в талой воде много перекиси водорода. И конечно же, до нас появление перекиси водорода в этих случаях объясняли. Как правило, процессами, в которых макропотоков энергии хватало для диссоциации молекул воды. Например, фотолизом, электрическими разрядами, локальным повышением температуры.
Например, очень есть интересное явление – так называемый сонолиз и сопровождающая его сонолюминесценция. То есть в воду посылают звук, и через некоторое время в этой воде образуется перекись водорода. При этом плотность энергии звука на 5, 6 или даже 7 порядков ниже, чем нужно для того, чтобы порвать связь Н-ОН. Тем не менее, эффект есть, и перекись водорода возникает. Объясняли и объясняют и до сих пор диссоциацию воды при действии звука кавитацией, схлопыванием пузырьков, высокими температурами. Мы показали, что это не так, что диссоциация происходит в жидкой воде.
Опыты наши были достаточно тщательные, потому что перекись – это же неустойчивое соединение. Тем более что и образовывалось её очень мало. Когда мы вышли на уровни содержания перекиси менее 10-9 моля на литр, то есть менее чем миллиардные доли моля на литр, то выяснилось, что все, вообще-то, очень грязное. И вода очень грязная, и она сама содержит достаточно катализаторов разложения перекиси. И все сосуды выделяют из стенок вещества, разлагающие получающуюся перекись водорода…Эффект диссоциации воды поэтому был нами зафиксирован не сразу. В общем – была некая проблема, но мы её преодолели и измерили очень тщательно во многих случаях выход перекиси водорода при разных воздействиях на воду.
Вот, например… Покажите ещё один слайд, следующий.
Здесь результаты наших опытов по переконденсации воды. Каждый кружочек – это опыт, довольно длительный, когда воду испаряли при какой-то температуре и конденсировали при 2 градусах Цельсия. В конденсате измеряли концентрацию перекиси водорода. Этот результат хорошо укладывается в нашу гипотезу. То есть эффективность процесса диссоциации воды при испарении-конденсации уменьшается при повышении температуры испарения воды. Кстати, этот результат можно приложить к глобальным оценкам того, что происходит на Земле.