Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.
Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.
Пытаясь «объединить точку зрения волновой теории с точкой зрения корпускулярной», французский физик Луи де Бройль предположил, что электрон - это волна определенной длины. Дифракция подтверждает волновую гипотезу, отсутствие увеличения энергии выбиваемых светом частиц - квантовую. Это получило название корпускулярно-волнового дуализма. Также Луи де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи обладают и корпускулярными и волновыми свойствами. Корпускулярными параметрами частицы являются ее энергия Е и импульс р, волновыми - частота v и длина волны . Вскоре после первых публикаций его гипотеза получила экспериментальное подтверждение. Позднее дифракционные явления были обнаружены и для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков, что окончательно доказало наличие волновых свойств у микрочастиц.
Некоторые эффекты объясняются волновой теорией, другие - квантовой, поэтому следует использовать формулы и из волновой, и из квантовой теории - таков смысл принципа дополнительности Н. Бора. «Усилия Бора были направлены на то, чтобы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярным и волновым, одинаковое право на существование, причем он пытался показать, что хотя эти представления, возможно, исключают друг друга, однако они лишь вместе делают возможным полное описание процессов в атоме» (В. Гейзенберг).
С принципом дополнительности связано и так называемое «соотношение неопределенностей», сформулированное в 1927 г. Вернером Гейзенбергом, в соответствии с которым в квантовой механике не существует состояний, в которых и местоположение, и количество движения (произведение массы на скорость - импульс) имели бы вполне определенное значение. Частица со строго определенным импульсом совершенно не локализована. Чем более определенным становится импульс, тем менее определенно ее положение.
Соотношение неопределенностей гласит, что для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц.
Не меньший вклад в развитие квантовой механики внес австрийский физик Эрвин Шредингер. В 1926 г. он сформулировал математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Оно имеет вид:
І = dW/dV,
где І - квадрат модуля волновой функции. Волновая функция с координатами (x,y,z) была введена для описания вероятностного состояния микрообъекта. Это уравнение играет в квантовой механике ту же роль, что и уравнение Ньютона в классической механике и уравнение Максвелла в электродинамике. Как и уравнения Ньютона и Максвелла, уравнение Шредингера не выводится, а постулируется. Правильность этого уравнения подтверждается согласием с опытами, что придает ему характер закона природы.
3. Волновая генетика
Если век 19-й по праву вошел в историю мировой цивилизации как Век Физики, то недавно завершившемуся веку 20-му, в котором нам посчастливилось жить, по всей вероятности, уготовано место Века Биологии, а может быть, и Века Генетики.
За последнее время генетика обогатилась методами физики и химии. На ее базе возникла молекулярная биология. Биохимия и молекулярная генетика внесли огромный вклад в теорию гена.
Изучение наследственности уже давно было связано с преставлением о ее корпускулярной природе. В 1866 г. Мендель высказал предположение, что признаки организмов определяются наследуемыми единицами, которые он назвал “элементами”. Позднее их стали называть “факторами” и, наконец, генами; было показано, что гены находятся в хромосомах, с которыми они и передаются от одного поколения к другому.
Несмотря на то, что уже многое известно о хромосомах и структуре ДНК, дать определение гена очень трудно, пока удалось сформулировать только три возможных определения гена:
а) ген как единица рекомбинации.
На основании своих работ по построению хромосомных карт дрозофилы Морган постулировал, что ген - это наименьший участок хромосомы, который может быть отделен от примыкающих к нему участков в результате кроссинговера. Согласно этому определению, ген представляет собой крупную единицу, специфическую область хромосомы, определяющую тот или иной признак организма;
б) ген как единица мутирования.
В результате изучения природы мутаций было установлено, что изменения признаков возникают вследствие случайных спонтанных изменений в структуре хромосомы, в последовательности оснований или даже в одном основании. В этом смысле можно было сказать, что ген - это одна пара комплиментарных оснований в нуклеотидной последовательности ДНК, т.е. наименьший участок хромосомы, способный претерпеть мутацию.
в) ген как единица функции.
Поскольку было известно, что от генов зависят структурные, физиологические и биохимические признаки организмов, было предложено определять ген как наименьший участок хромосомы, обусловливающий синтез определенного продукта.
Генотип человека содержит около 100 тысяч генов, функционирующих как взаимосвязанная единая система, в которой любой ген находится в сложном взаимодействии со всеми другими. Характер этих взаимодействий связан с физико-химическими свойствами отдельных атомов и групп атомов, входящих в структуру ДНК (электроотрицательность, потенциал ионизации, электронодонорная или протонодонорная способность, структура электронных облаков, возможность передавать электронные эффекты вдоль всей цепочки углеводного остова и т.д.). К сожалению, сегодня не построена даже принципиальная модель этих процессов, и теоретическая генетика вынуждена во многом использовать эмпирические данные. Идентифицирована всего лишь небольшая часть всех имеющихся в генотипе генов.
Науке известны гены-модификаторы, отвечающие за морфологию и видовые признаки, гены-регуляторы биохимических процессов, гены дифференцировки, которые дают команды, когда у зародыша развиваться тем или иным органам. Наука уже создала своего рода «таблицу Менделеева» из идентифицированных генов.
Заключение
Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали:
v Каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами
v Вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т.е. квант света)
v Можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью
v Прибор, исследующий поведение частицы, влияет на нее
v Точное измерение возможно только при изучении потока частиц, но не одной частицы.
В наше время медико-биологические науки и технологии достигли такого уровня, что на их основе можно не только описывать в терминах молекулярных структур и процессов тонкое строение отдельных частей тела и их согласованную работу, но и создавать принципиально новые методы диагностики, лечения и профилактики многих заболеваний.
Такое проникновение в ультратонкую организацию и жизнедеятельность организма стало возможным благодаря установлению химического строения и функций нуклеиновых кислот, содержащих передаваемые от поколения к поколению генетические тексты, согласно которым реализуется программа развития организма.
Но существуют острые проблемы, над которыми в данный момент усиленно трудятся генетики всей планеты, состоящие в наследственных болезнях, поражающих 4-5% новорожденных и 15% немного повзрослевших детей, таких как сахарный диабет, бронхиальная астма, гипертонические болезни, псориаз, большая группа неврологических расстройств и др.
Список литературы
1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие - М.: Высшее образование, 2005.
2. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов - М.: ЮНИТИ, 2000.
3. Соломатин В.А. История и концепции современного естествознания: Учебник для студентов высших учебных заведений. Ярославль: ДИА-пресс, 2000.
4. Лавриненко В.Н., В.П. Ратников Концепции современного естествознания: Учебник для вузов - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997.
5. Кибернштерн Ф. Гены и генетика - М.: Параграф, 2001.