CatScience

Представьте разлетевшиеся в стороны прозрачные осколки, красные подтеки на полу и вашу досаду...

... Досаду от своего таланта утилизировать дорогие вина самым дурацким способом, разбивая бокалы об пол.

Все мы порой рукожопы, и было бы круто, если бы можно было вернуть всё обратно, да? Представьте, например, как кусочки разбитого стекла сползаются обратно в изящный бокал, вино бордовыми щупальцами заползает в него, а досада превращается в радость предвкушения. Заснимите это на камеру и вам, разумеется, никто не поверит. Скажут, мол: кого ты пытаешься обмануть, ты же просто прокрутил видео в другую сторону.

Но почему это выглядит так неестественно? Почему мы не наблюдаем, как семена одуванчика прикрепляются обратно к сердцевине цветка ветром и никто никогда не видел, как в чашке молоко отделяется от кофе? Почему мы вообще называем один процесс обратным, как бы подразумевая, что есть некий истинный, прямой путь, а этот - противоположный. И первым объяснением, которое приходит в голову, будет физика. Наверняка это невозможно, потому что какие-то физические законы запрещают некоторым процессам протекать в обратную сторону. Это было бы и правда очень удобным объяснением, осталось лишь понять, какие это законы. И вот, где начинаются проблемы.

Давайте попробуем рассмотреть процесс вблизи, и на примере зёрнышка одуванчика, парящего в воздухе, понять, в какой момент его движение нарушит закон физики. Оно совсем недавно оторвалось от цветка и сейчас дрейфует в потоках воздуха: у него нет цели, только путь – и в общем-то, этот путь может быть... любым. Вправо-влево, вверх-вниз, по спирали, да не важно. Пока мы наблюдаем за перемещениями лишь одного отдельного семечка, мы не поймем, какова тенденция его движений и куда оно стремится. И вот парадокс: даже если оно в этот момент плывет обратно по направлению к цветку, чтобы прирасти обратно, мы не увидим ничего противоестественного в его перемещениях. Просто подхваченное ветром семечко, просто летит фиг пойми куда.

Выходит, нет такого закона, который запрещал бы зернам одуванчика вернуться к цветку под порывами ветра, а частицам стекла под влиянием каких-то спонтанных волнений воздуха перегруппироваться обратно в ёмкость. Для каждого семечка, кусочка, каждой молекулы работают одни и те же правила, и физика ничего нам не говорит про невозможность подобных перемещений. А мы, к сожалению, не можем просто отмахнуться и сказать, что физические законы запрещают обратные процессы. Это не причина, по которой мы их не наблюдаем.

Тем не менее, каким-то образом, при масштабировании, мы начинаем чувствовать подвох. Взглянем на ситуацию с чуть более дальнего ракурса, и вот, группа семян, покорно летящая в одном направлении, уже начинает вызывать подозрения. И если мы не имеем права говорить, что такой процесс невозможен, то у нас есть другой потрясающий ход: просто назовем процесс маловероятным. Причем настолько маловероятным, что практически невозможным, лол))

Что нам нужно сделать, чтобы восстановить бокал вина в изначальное состояние? Каждый кусочек, каждую каплю и молекулу нам придется развернуть и направить в конкретную точку пространства, относительно других молекул. Просто представьте, как много различных конфигураций разбитого стекла после падения существует, какими миллионными способами могут разлететься в воздухе семена одуванчика, а вот их изначальное состояние - лишь одно единственное. Именно его особенность и исключительность делает обратные процессы столь маловероятными.

И именно этот смысл несет в себе идея энтропии.

Вообще слово "энтропия" из-за своего абстрактного понятия и заумного звучания сейчас используют как попало и где попало. Недавно я вот увидел его в рекламном объявлении бизнес-курсов в варианте "энтропия коммерческой организации" (чес слово, я не знаю, что они имели в виду). В физике же очень часто ее определяют как "меру беспорядка, неупорядоченности", "меру хаоса" - если изволите. Многие, кстати, на это определение презрительно цыкают, но вообще-то оно очень неплохое для начала.

Энтропия позволяет нам количественно описать разницу между целым и разбитым бокалом. Первое - высокоупорядоченная структура, составляющая нечто уникальное и конкретное, второе - один из тысяч вариантов беспорядочной конфигурации осколков и капель. Тогда у первого, еще целого бокала, энтропия гораздо ниже, чем у разбитого, а у семян одуванчика на стебле - ниже, чем у кучки летающих семян в воздухе. Уловили, да? Чем упорядоченнее система, тем ниже ее энтропия.

Таким образом, состояния с более высокой энтропией имеют более высокий шанс на существование: если вам угодно, можно сказать, что в окружающем мире более предпочтительны процессы с повышением энтропии, а сама энтропия так и стремится постоянно возрастать. Звучит знакомо? Разумеется, ведь это второе начало термодинамики - "в изолированной системе энтропия либо остаётся неизменной, либо возрастает".

Считать беспорядок нас научил великий Больцман (на его могиле высечена формула энтропии), физик с печальной судьбой, идеи которого не приняло научное общество его времени. Он показал, что второе начало термодинамики о рассеивании энергии - имеет статистический характер. Это есть ничто иное, как естественная тенденция систем переходить от упорядоченного состояние в беспорядочное, от низкой энтропии к высокой. И причина - умилительно проста: в природе существует гораздо больше вариантов хаотичных систем, чем систем упорядоченных, и вероятность хаоса выше чем порядка.

И это не закон физики, это логика чисел и теории вероятности, которые делают энтропию - фундаментальным определением в физике. Альберт Эйнштейн называл энтропию и второй закон термодинамики единственными открытиями в устройстве мира, которые никогда не будут опровергнуты. Он считал, что и его теория относительности и законы Ньютона - лишь модели, приблизительно описывающие мир, которые впоследствии будут дополнять и уточнять. А второе начало термодинамики даже нельзя назвать моделью, ибо оно опирается на законы чистейшей математики, потому оно нерушимо и потому, если вы накосячили и разбили бокал, не ждите пока он склеится обратно - идите за новым.

Второй закон термодинамики гласит, что при движении «вперед» во времени энтропия изолированной системы может увеличиваться, но не уменьшаться. Таким вот удивительным образом, измерение энтропии — это в общем-то, способ отличить прошлое от будущего, который называется термодинамической стрелой времени. И это же утверждение рождает одну из самых популярных нерешенных загадок физики: почему?... *театральная паузка*

Почему время имеет направление? И чем оно так отличается от пространства, где мы можем без особых усилий двигаться вперед-назад?

Есть и еще один вопрос. Двигаясь назад во времени, по второму закону термодинамики, мы будем постепенно уменьшать и уменьшать энтропию, пока не придем к некой начальной крайне высокоупорядоченной точке с самой низкой энтропией - началу нашей Вселенной. Ну и там Большой Взрыв и все такое, по классике. Проблема лишь в том, почему у ранней Вселенной была такая низкая энтропия? Можно сравнить разбивание бокала с Большим взрывом: будь мы в нем маленькой капелькой вина, мы бы сейчас с вами зависли где-то среди медленно разлетающихся осколков на пути к полному беспорядку. Но мы-то знаем, как сделали бокал, как его загнали в такое низкоэнтропийное состояние. А вот как в низкоэнтропийное состояние загнали Вселенную - это еще одна нерешенная проблема.

Накинем еще парочку вопросов вдогонку. Описанная выше тенденция систем стремиться от порядка к беспорядку, в принципе, уже может стать ответом на наш вопрос о том, почему видео с бокалом вина, собирающимся по кусочкам с пола, воспринималось бы нами как прокрученное в обратную сторону. Да, это событие возможно, просто его вероятность столь мала, что с точки зрения нашего жизненного опыта, оно выглядит неестественным, и мозг скорее расценит это как трюк. Но почему?

Связь физического времени с нашим его восприятием - наверное, самый философский вопрос из перечисленных. Я специально несколько раз акцентировал внимание на том, что наш мозг так привычен к понятиям прошлого и будущего, что некоторые процессы автоматически расценивает как прямые, а некоторые как обратные. Мы замечаем ход времени, просто глядя на разбивающийся окал. Кроме того, из-за того, что время имеет направление, существуют такие более глубокие понятия, как опыт, память (мы же не можем вспомнить будущее, верно?) и воля (мы можем повлиять на будущее, но не на прошлое).

Различается ли физически настоящее время от прошлого и будущего, или это просто состояние сознания? И если наше ощущение времени - лишь эволюционная адаптация мозга к увеличению энтропии в мире, то можем ли мы выйти за рамки этого восприятия и отстраниться от него?

Пожалуй, на сегодняшний день это один из самых общих нерешенных вопросов в физике - энтропия, как стрела времени.

Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Автор статьи - Александр Грибоедов

Мы все когда-то изучали простые числа, вам сейчас любой пятиклассник (конечно, достаточно добросовестный, чтобы учить уроки) объяснит, что это такое, приведет парочку примеров и на коленке разложит какое-нибудь небольшое число на простые множители. А вот многие люди постарше наверняка уже не помнят такие фокусы, да и зачем? «Ерунда, опять какие-то школьные флешбеки и знания, совершенно не нужные в жизни. Я этими вашими простыми числами нигде, кроме школы, не пользовался», - спешу заверить, пользовались и не раз. Скажу больше, они не только составляют важную часть нашей повседневной жизни, но и связаны с одними из величайших вопросов науки, до сих пор не имеющих ответов.

Простые числа вполне оправдывают свое название – это всего лишь натуральные числа, которые делятся без остатка на себя и единицу. Все остальные числа называют составными, так как они строятся из простых, словно из «кирпичиков». Легко вспомнить несколько первых простых чисел: 2, 3, 5, 7, 11, 13 и так далее (единица к ним не относится). Проще некуда, да? Но вот эти незамысловатые «математические атомы» уже на протяжении долгого времени будоражат умы ученых.

Люди имеют представление о простых числах еще с древности, а первые попытки их анализа берут истоки в Древней Греции (да, опять эти греки всех переиграли). В знаменитом труде Евклида «Начала» впервые задокументирована одна из интерпретаций фундаментальной теоремы о простых числах, настолько важной, что ее величают «основной теоремой арифметики». Она гласит, что любое натуральное число больше единицы можно разложить на простые множители причем одним единственным способом. Вот вам задачка средней школы – найти простые множители числа 42. Ну, очевидно, что сначала мы делим на два, получим 21. А 21 это три умножить на семь. 2, 3 и 7 как мы знаем – простые числа, значит, ответ: 42=2х3х7.

Это легко только на первый взгляд, ведь число может быть больше, и совсем не обязательно оно имеет очевидные делители (навскидку попробуйте разложить число 221). Охота за простыми числами стала довольно популярна в эпоху Возрождения, причем, не имея практической ценности, она была своеобразной забавой для математиков *вот так развлекались во времена без телефонов* – только теперь они стали искать числа не в лоб, а применяя формулы, впрочем, не всегда эффективные.

Важным событием стала публикация французского монаха XVII века Марена Мерсенна формулы M=2^n – 1 (где n – простое число), после которой люди бросились применять ее на практике. Эта короткая запись позволяет находить большие простые числа гораздо чаще метода прямого перебора. Например, пятое число Мерсенна (n=13) равно 2^13 – 1 = 8191. Без формулы до такого результата еще долго бы добирались, но тем не менее она работает не всегда: число 11 – тоже простое, по формуле 2^11 – 1 = 2047, а оно раскладывается на 23 и 89.

Разумеется, сейчас охота за числами Мерсенна ведется исключительно с помощью компьютеров, для этого в 1996 году даже организовали целый проект «Great Internet Mersenne Prime Search» - наиболее масштабный в своем роде, где добровольцы со всех уголков мира ищут самые большие простые числа. На сегодняшний день рекордным остается результат вычислений 2018 года Патрика Ляроша: 2^82 589 933 – 1. Это пятьдесят первое найденное число Мерсенна состоит из 82 589 933 умножений двоек, уменьшенных на единицу, а всего в его записи 24 862 048 цифр.

Тут нужно небольшое сравнение, например, по космическому летоисчислению с момента Большого Взрыва прошло не больше 10^18 секунд, у этого числа 19 знаков в записи. У M(51) их около 25к, и чтобы посмотреть, как же оно выглядит, вам придется сначала скачать десятистраничный файл с официального сайта. Доказательство того, что оно простое, заняло двенадцать дней непрерывных вычислений на машине с процессором Intel i5-4590T: надеюсь, это вам уже не кажется примитивной школьной задачкой? По традиции авторы открытия отметили свой успех, откупорив бутылку шампанского. Забавно, что некоторые до сих пор так проводят свой досуг.

Как вы уже заметили, фишка простых чисел заключается в том, что мы можем взять из них определенный набор, перемножить и получить огромное составное число, а вот обратный процесс поиска простых делителей (особенно если эти делители большие) или доказательства простоты невероятно трудоемок. На этом свойстве основан наш самый распространенный алгоритм защиты электронных данных – RSA (по фамилиям его изобретателей Rivest, Shamir и Adleman). Каждый раз, вводя пинкод своей карты в банкомате, вы запускаете процесс идентификации, основанный на теории простых чисел: взломать карту не невозможно, но прямая расшифровка без специального «ключа» (которым владеет только банк) – займет колоссальное количество времени, так что даже пытаться, по сути, бессмысленно. Криптографический алгоритм RSA используется как основа для других более сложных систем шифрования, для создания уникальной цифровой подписи, и, если вдруг будет найден быстрый способ его дешифровки, нас ждет полный цифровой коллапс.

Простые числа порой находят применение и в природе. Самый популярный пример – периодичные цикады Северной Америки, у части видов которых цикл жизни составляет 13, а у других 17 лет. Разумеется, такое странное совпадение вызвало интерес ученых, и на сегодняшний день есть две гипотезы, обе основанные на свойствах простых чисел. Первая гласит, что подобный цикл защищает их от хищников. Допустим, появляется некий хищник, питающийся цикадами, которые вылупляются раз в 13 лет (а потом за неделю самовыпиливаются). Жизненный цикл самого хищника меньше, например, 5 лет. Тогда, следующее одновременное рождение хищников и вылупление личинок, грозящее маленьким цикадам смертью, будет лишь через 65 лет. Это ключевое утверждение, ведь если n — простое число (13 лет), а p (5 лет) < n , то их наименьшее общее кратное равно их произведению - np (13х5=65).

Второй момент: такой жизненный цикл позволяет «разминуться» не только с хищниками, но и со своими сородичами, имеющими другую продолжительность жизненного цикла. Первое совпадение вылуплений у двух видов цикад случится только через 13х17 лет, то есть через 221 год (ответ на вопрос из 4го абзаца). Возможно, если бы разные виды цикад появлялись одновременно, это привело бы к близковидовому скрещиванию и появлению потомства с нерегулярным циклом.

Простые числа изучают уже очень давно, но вы удивитесь, узнав, что мы до сих пор не имеем никакой волшебной формулы, чтобы предсказать, где они находятся на числовом ряду. Давайте-ка еще раз. Если нам даны числа от единицы до бесконечности, мы не знаем, как точно вычислить среди них простые. Чего только ученые не напридумывали, чтобы хоть как-то формализировать их местоположение: складывается ощущение, что они появляются совершенно спонтанно, не имея никакой закономерности. С другой стороны, это-то и позволяет нам спокойно использовать RSA-шифрование, так что проблема невелика, но ведь у нас имеются и другие недоказанные гипотезы в этой области, например, гипотеза Гольдьбаха. Она утверждает, что что любое чётное число, начиная с 4, можно представить в виде суммы двух простых. Например, 8=3+5; 24=13+11 и так далее. Выглядит не страшно, но вот доказательства гипотезы до сих пор нет: уже проверены сотни четных чисел, и все они удовлетворяют условию, но для математиков это пустые слова. Достаточно одного исключения из правила, чтобы гипотеза стала ошибочной.

Однако, наверное, самой волнующей, самой известной и сложной задачей, является гипотеза Римана о распределении простых чисел (которую я здесь расписать точно не смогу, но не сказать о ней нельзя, так что просто проникнитесь ее важностью) – одна из семи проблем тысячелетия, семи математических задач, определённых Математическим институтом Клэя в 2000 году, за решение каждой из которых обещано вознаграждение в 1 млн долларов США. Ей посвящают диссертации, книги, над ней бьются целых 160 лет(!), но она все еще остается в статусе «нерешенной». Говорят, что Давид Гильберт (лидер математического сообщества начала ХХ века) однажды сказал, что, если он уснет на тысячу лет, первое, о чем он спросит, проснувшись – доказана ли уже гипотеза Римана.

В общем, нас с детства обманывали: простые числа, оказывается, нифига не простые, причем настолько, что защищают наши банковские данные от мошенников, маленьких цикад от покушений хищников, и параллельно сводят с ума бедных математиков.

Эта «заметка на коленке» была сделана специально для конкурса, но, если вдруг дело выгорит, можно будет потом добавить еще пару слов, ведь по закону сохранения энергии: затраченная автором работа должна равняться количеству теплоты реакции подпищеков.

P.S. Меня забавляет тот факт, что Риман, никогда не писавший работ на эту тему (он немного другим занимался), просто пришел, посмотрел на этот сыр-бор, а потом вбросил свою злосчастную гипотезу на каких-то восьми страницах и… смылся. Байт на комменты от серьезных дядь, лол. Любите математику :3

Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Автор статьи - Александр Грибоедов

Если и показывать на конкретном примере, как развиваются научные теории, возникают новые и отвергаются старые, то лучше всего это продемонстрируют исследования Джона Сноу.

Нет, не тот Джон Сноу. Был такой британский врач, который исследовал закономерности заболеваемости холерой в славном городе Лондоне. Его гений состоял не только в том, что он выдвинул новаторскую и верную теорию распространения холеры, но также разобрал альтернативные объяснения, экспериментально показав, почему его теория более совершенна. Всё это подробно описано в его труде «О способе передачи холеры» 1854 года. Итак, начнём сначала.

Холера — это смертельно опасное бактериальное заболевание с крайне неприятной симптоматикой: мускульные судороги, рвота и страшный понос. Настолько страшный, что смерть от обезвоживания наступает в течение нескольких часов в результате (сейчас будет по-умному) гиповолемического шока. Ныне это заболевание встречается только в беднейших регионах планеты, но ранее терроризировало городские кварталы в развитых странах мира. Так, по Англии эпидемии холеры за двадцать лет ударили трижды: в 1831-32, 1848-49 и 1853-1854.

В те годы практически во всём мире уже многие века господствовала теория «миазмов». Подмечая особенности распространения заболеваний при контакте с больными или в случае вдыхания ядовитых испарений болот, люди пришли к выводу, что в воздухе содержатся «заразительные начала», которые исходят из источника заражения и распространяются по воздуху. Считалось также, что миазмы имеют зловонный запах (хотя и необязательно), и его вдыхание приводит к заражению. Эта теория господствовала до 1880-х годов, после чего её заменили теорией микробного происхождения болезней.

Важно отметить, что у неё были свои основания, а также следовали практически верные выводы. Действительно, вдыхание болотных испарений, прогулка по канализации, полной больных крыс и их экскрементов, а также тесный контакт (на грани вдоха) с больным человеком могут заразить здорового. Миазматическая теория привела к тому, что люди наконец-то стали следить за состоянием своего жилища: развивались городские канализационные системы, в городах старались сортировать мусор, избегать контактов с трупами и многое другое. Снижение заболеваемости в результате этих мер подтверждало «правильность» теории, что и привело её к столь длительному господству до второй половины XIX века, даже невзирая на открытие микробов. Это учит нас, что даже неправильная теория лучше отсутствия любой теории вовсе.

Вернёмся к нашим баранам. Изучая вспышку очередной эпидемии холеры, Джон Сноу выдвинул против теории миазмов ряд веских возражений: во-первых, хотя все контактирующие с больным человеком вдыхают миазмы зараженного, не каждому передаётся заболевание. Во-вторых, иногда холера вспыхивает в удалённых от других источников заражения местах, куда не могли добраться миазмы. В-третьих, холера начинается с симптомов желудочного заболевания, но не общего поражения организма, характерное для вдыхания яда. Обратим внимание на следующее утверждение Сноу: «Для того чтобы болезнетворная материя холеры обладала способностью размножаться, она должна обладать какой-то структурой, аналогичной структуре клетки». Кажется, он начинал что-то подозревать…

Сноу выдвинул гипотезу, что болезнь передаётся через холерные выделения больного без цвета и запаха. Врачи, которые осматривают пациента, ненарочно соприкасаются с постельным бельём зараженного. Однако после осмотра они всегда моют руки и обычно не имеют привычки перекусывать в процессе осмотра, из-за чего избегают заражения. В то же время обряжающие тело мёртвого больного обычно прерываются на еду и питьё в процессе, а потому и сами заболевают холерой, заражая и тех, кто принимал из их рук питьё и пищу на похоронах. В то же время, зажиточные слои населения болеют не так часто, ибо у них есть возможность мыть руки каждый день, а помещение для приготовления и приёма пищи отделено от комнаты больного.

Вторая гипотеза Сноу касалась распространения заболевания. Он предположил, что холера смешивается с водой и распространяется по каналам водоснабжения. Река Темза образца 1850-х была загажена до такой степени, что забор воды с неё мог свалить любого, даже самого здорового человека. Дабы подтвердить свою гипотезу, в ходе эксперимента 1849 года Сноу предложил снять ручку с колонки, откуда жителями эпидемического района пили воду. Однако к тому моменту эпидемия уже шла на убыль, а потому снятие ручки не оказало серьёзного влияния на снижение заболеваемости, эксперимент был признан неудачным.

Любопытно, что обитатели работного дома и работники пивоварни, что жили в том же районе, но почти не болели холерой, имели свои источники водоснабжения. Работяги же и вовсе потягивали пивчанский на родном заводе, даже не притрагиваясь к колонке. Эти факты также косвенно подтверждали теорию Сноу.

Наконец, в ходе второго эксперимента в 1854 году Сноу решил подтвердить свою теорию путём метода разделения людей на исследуемую и контрольную группы. Дело в том, что в один и тот же район города поставляло воду сразу две компании, но одна из них перенесла водозабор выше по течению реки, которая была более чистой, ибо не соприкасалась с городской канализацией. С помощью опросов населения и химических проверок (вода с повышенными содержанием хлоридов у одной из компаний при добавлении в неё нитрата серебра образует белое облачко нерастворимого хлорида серебра) качества воды, Сноу сумел определить, в какой дом какая компания поставляла воду. В итоге его гипотеза оправдалась — в домах, куда поставлялась вода прямиком из речки в черте города, смертность от холеры была в 9 раз выше.

Своей гипотезой Сноу также объяснил различие заболеваемости холерой в Англии и Шотландии. Например, в Англии масштабные вспышки происходят только летом, так как в жаркую погоду люди потребляют больше воды, в то время как в другие времена года, англичане чаще пьют кофе, чай или иные искусственные напитки. В то же время, в Шотландии вспышки происходят в любое время года, поскольку свои напитки они чаще разбавляют водой, либо только её и пьют.

Британский врач пошёл в своих изысканиях ещё дальше, применяя свою теорию и к другим болезням. Миазматическую теорию он уже твёрдо отвергал: канализационное зловоние было характерно для многих районов города, но вспышки всегда происходили в конкретных локациях. Пусть его труды и не получили немедленного признания (его теория считалась лишь вспомогательной), а теория миазмов в той или иной форме просуществовала ещё 20-30 лет, его рекомендации к качеству забора воды были приняты и Лондон избавился от дальнейших эпидемий холеры.

Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Автор статьи - Федор Яковле

Источник: Мартин и Инге Голдстейн, «Как мы познаём», 1978 г.

Хотел бы я сегодня начать как обычно с «Nanomachines, son!», но в этот раз предлагаю окунуться чуть поглубже. Сегодня уже неоднократно вспоминали старания А. Лавуазье, который все описывал движением мельчайших частиц – атомов. И тут надо отметить, что не он один, корпускулярное описание мирозданья тогда было явно на коне. Вот только что это за атомы такие, и главное, как именно они работают – надо было еще узнать.

Любая историческая справка скажет Вам, что история атомизма начинается с Демокрита, а это почти 2,5 тысячи лет назад. Для него атом являлся неделимой частицей вещества, обладающей истинным бытием, не разрушающейся и не возникающей. И этот подход замечательно работал: цветок источает свои атомы, и мы чувствуем запах; у камня атомы неровные, поэтому держатся друг за друга, а у воды гладкие – поэтому она течет; у огня они острые – поэтому они колют атомы человека и обжигают его. Да, человеческая душа тоже состоит из атомов, поэтому от нее можно отделить кусочек. В общем, очень удобная теория, поэтому и атомы тепла, перетекающие из одного тела в другое, тоже хорошо подходили для описания теплопереноса.

Больше двух тысяч лет этот подход хоть и получал периодические удары, но в целом оставался верен себе. Пока не наступил 1897 год, когда Джозеф Томсон доказал существование электронов, при этом пояснив, что они одинаковые и входят в каждое вещество. А еще предположил, что они меньше атома, т.е. атом можно разделить. И вот тут возникла проблема, поскольку по Демокриту атом – не разрушающаяся частица бытия, а у нас запчасть от него. Значит, все-таки атом разрушается. На этом моменте Демокритовский атом и тот атом, который мы знаем из курса школьной физики или химии окончательно разошлись, при этом сохранив свои одинаковые названия.

Раз атом состоит из частей – нужна новая модель, первый общеизвестный вариант предложил в 1904 г. как раз Дж. Томсон. В литературе за ней закрепилось название «Пудинговая», поскольку она описывала атом как некоторую размазанную по пространству положительно заряженную массу с вкраплениями «изюминок»-электронов.

В том же 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил свою планетарную модель, по аналогии со строением Сатурна – сверхмассивное ядро и кольца электронов. Однако с размерами ядра и колец были проблемы, поэтому уже в 1908 Нагаока сам отказался от этой теории. Мировое научное сообщество обратило внимание на его работы только после торжества более продвинутой планетарной модели, которую предложил ученик Дж. Томсона – Эрнест Резерфорд.

В 1911 году на основе экспериментальных данных 1909 года других ученых Э. Резерфорд описал атом как крохотное положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны. При этом ядро имеет в сто раз меньший радиус, чем атом, но содержит в себе практически всю массу. Именно эту схему мы знаем как «Планетарную модель атома» или «Модель атома Резерфорда».

У нее был очень важный недостаток – движущиеся электроны создают электромагнитные волны, а значит, теряют энергию. Тогда они должны со временем упасть на ядро. При этом расчетное время всего 0,01 наносекунды. В 1913 году эту проблему попытался решить Нильс Бор, который зафиксировал орбиты движения электронов. Именно эта модель обычно преподается в старшей школе и иногда даже называется моделью атома Резерфорда, хотя ее названия «Боровская модель атома» или «Модель атома Бора-Резерфорда».

Однако она тоже не была лишена недостатков. Во-первых, это достаточно странный симбиоз классической (для движения электрона) и квантовой (для фиксации орбит) теорий, во вторых – если у нас на внешней оболочке больше одного атома, она не работает, что куда критичнее. Это было одним из многих противоречий, с которыми столкнулись ученые того времени, и которое было разрешено только с развитием квантовой механики.

Современная модель атома является квантово-механической, она развивает идеи Бора, но более подробно описывает движение электрона. Хотя на самом деле как раз менее подробно… Есть такая замечательная штука, как Принцип неопределенностей Гейзенберга, который гласит, что невозможно одновременно с точностью определить координаты и скорость квантовой частицы. А электрон в атоме это как раз квантовая частица, причем точность для него – как раз около размера этого самого атома. Поэтому мы не можем описать движения электрона как движение Земли вокруг Солнца или чего-то подобного, мы можем только говорить о том, что есть электронное облако – некоторая зона, в которой точно находится электрон.

Квантово-механическая модель атома тоже не является конечной точкой, но на данный момент – это все, что может наука сказать про строение атома. Остается надеяться, что она не будет такой же долгоиграющей, как Демокритов атом.

Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Автор статьи - Сергей Васильев

Автор статьи - Евгений Бурый

Довелось мне работать в аптеке рядом со студенческой общагой. За время работы примерно каждую неделю к нам заходили девочки-подростки и тоненьким голосом глубоко голодных людей просили препарат Фуросемид. Когда ты ласковым басом интересовался у них, а зачем им, собственно, препарат нужен, девочек словно ветром сдувало. Как впоследствии оказалось, с помощью этого препарата девочки худеют, что показалось мне даже не глупостью, а неким извращенным способом самоубийства, и сейчас я поясню, почему.

Собственно, фуросемид - это диуретик, в простонародье – мочегонное. Чтобы понять, как он работает, надо вспомнить, каким образом в теле человека образуется урина.

Начинает свой путь она в почках, которые состоят из коркового и мозгового вещества. Первое нас сейчас не интересует, а вот второе – очень даже. Оно состоит из мельчайших структурных единиц – нефронов, которые, собственно, и образуют мочу.

Типичный нефрон по сути представляет из себя фильтр крови и трубку для слива отходов. Сама фильтрация происходит в капсуле Шумлянского – Боумена, особой структуре, к каждой из которых подходит своя особая артериола (крохотная артерия). В самой капсуле она разделяется на кучу капилляров, которые сверху покрыты особым слоем клеток - подоцитов. По сути, они представляют из себя сито, их задача – избирательно пропускать вещества не больше определенного размера. Это не даёт выйти из сосудистого русла крупным молекулам белка и клеткам крови.

Вода, которая с помощью электромагнитного взаимодействия притягивается к содержащимся в крови веществам, оказывается разделенной на 2 части. Первая так и остаётся в капиллярах, а дальше выходит из капсулы по артериолам и отправляется дальше по сосудистому руслу. Вторая вместе с отфильтрованными молекулами начинает увлекательное путешествие по структурам нефрона. К слову, эта жижа называется первичной мочой, и за сутки ее образуется больше ста литров. Двигаясь на выход, эта жидкость проходит через структуры, называемые извитым канальцем и петлёй Генле. В них основная масса воды вместе с различными веществами всасывается обратно и до выхода из нефрона добирается самое барахло, организму не нужное, например, мочевина, ну и немного H2O.

Так вот, возвращаемся к фуросемиду. Данный диуретик блокирует обратное всасывание (она же реадсорбция) ионов натрия(Na+) в вышеупомянутой петле Генле, а за ними подтягиваются на выход ионы кальция(Ca+), калия(K+) и магния(Mg+). И если недостаток натрия восполняется обычной поваренной солью, то с остальными ионами всё не так просто, и люди сидящие на «петлевых» диуретиках употребляют препараты восполняющие электролитный баланс (к примеру, аспаркам), а их состояние регулярно мониторит доктор. Происходит это потому, что данные ионы нужны для нормальной работы мышц (в том числе и сердца), внутренних органов, нервных клеток, в общем – практически всех тканей в организме. Применяются эти мочегонные чаще всего в комбинации с другими препаратами для снижения давления (эдакий сопутствующий эффект: меньше жидкости в сосудах – меньше давление).

А теперь возвращаемся к началу заметки. Девочка-анорексичка читает в интернете про фуросемид. Начинает его пить и приходит в восторг, теряя за пару дней несколько килограмм жидкости. Вот только вся эта жидкость восполняется сразу после прекращения приёма препарата, и девочка начинает применять его всё чаще и чаще. Если там подключаются еще и условные диеты на регулярной основе, то недостаток электролитов, получаемых с пищей, может стать критическим, а шанс получить свой первый инфаркт в восемнадцать лет у девочки становится сильно выше нулевого, особенно при предрасположенности.

А если вы думаете, что это подростковая блажь, то могу вас разуверить – подобными вещами занимаются и взрослые дядьки. Которым надо срочно убрать отёки перед совещанием после суточной пьянки. Как это влияет на обезвоженный организм УЖЕ с недостатком электролитов (эффект от приёма алкоголя) и прикидкой на возраст старше сорока лет – можете представить сами.

Подытоживая. Лекарственные препараты – это не конфетки. Даже при отсутствии тяжелого побочного действия вроде аллергии препарат может обладать кучей сопутствующих эффектов, о которых без профильного образования среднестатистический человек никогда даже не узнает, а значит, и не сможет их купировать. И по итогу даже не поймёт, что его убило.

Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!