3D-модель эндоплазматической сети эукариотической клетки с рампами Терасаки, которые соединяют плоские листы мембраны
В 2013 году группа молекулярных биологов из США исследовали очень интересную форму эндоплазматической сети — органоида внутри эукариотической клетки. Мембрана этого органоида состоит из плоских листов, соединённых спиральными «пандусами», словно рассчитанными в программе 3D-моделирования. Это так называемые рампы Терасаки. Спустя три года работу биологов заметили астрофизики. Они были поражены: ведь точно такие структуры присутствуют внутри нейтронных звёзд. Так называемая «ядерная паста» состоит из параллельных листов, соединённых спиральными формами.
Удивительное структурное сходство живых клеток и нейтронных звёзд — откуда оно взялось? Очевидно же, что между живыми клетками и нейтронными звёздами нет прямой связи. Просто совпадение?
Модель спиральных соединений между плоскими листами мембраны в эукариотической клетке
Есть предположение, что законы природы действуют на все объекты микро- и макромира таким образом, что некоторые наиболее оптимальные формы и конфигурации проявляются как будто сами собой. Другими словами, объекты физического мира подчиняются скрытым математическим законам, лежащем в основе всего мироздания.
Посмотрим ещё на несколько примеров, которые подтверждают эту теорию. Это примеры, когда разные по сути материальные объекты проявляют схожие свойства.
Например, впервые наблюдаемые в 2011 году акустические чёрные дыры проявляют такие же свойства, какими в теории должны обладать настоящие чёрные дыры. В первой экспериментальной акустической чёрной дыре бозе-эйнштейновский конденсат из 100 тыс. атомов рубидия раскрутили до сверхзвуковой скорости таким образом, что отдельные части конденсата преодолели звуковой барьер, а соседние — нет. Граница этих частей конденсата моделировала горизонт событий чёрной дыры, где скорость потока в точности равна скорости звука. При температурах около абсолютного нуля звук начинает вести себя как квантовые частицы — фононы (вымышленная квазичастица олицетворяет собой квант колебательного движения атомов кристалла). Оказалось, что «звуковая» чёрная дыра поглощает частицы точно так же, как настоящая чёрная дыра поглощает фотоны. Таким образом, поток жидкости действует на звук так же, как настоящая чёрная дыра действует на свет. В принципе, звуковую чёрную дыру с фононами можно рассматривать как своеобразную модель настоящего искривления в пространстве-времени.
Если посмотреть шире на структурные сходства в различных физических явлениях, то можно увидеть в природном хаосе удивительный порядок. Все разнообразные природные феномены, по сути, описываются простыми базовыми правилами. Математическими правилами.
Взять фракталы. Это самоподобные геометрические формы, которые можно поделить на части так, что каждая часть хотя бы приблизительно является уменьшенной копией целого. Один из примеров — знаменитый папоротник Барнсли.
Папоротник Барнсли строится при помощи четырёх аффинных преобразований вида:
Данный конкретный лист сгенерирован со следующими коэффициентами:
В окружающей нас природе такие математические формулы встречаются повсеместно — в тучах, деревьях, горных грядах, кристалликах льда, мерцающем пламени, в морском побережье. Это примеры фракталов, структура которых описывается относительно простыми математическими вычислениями.
Галилео Галилей ещё в 1623 году говорил: «Вся наука записана в этой великой книге — я имею в виду Вселенную, — которая всегда открыта для нас, но которую нельзя понять, не научившись понимать язык, на котором она написана. А написана она на языке математики, и её буквами являются треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без которых человеку невозможно разобрать ни одного её слова; без них он подобен блуждающему во тьме».
На самом деле математические правила проявляют себя не только в геометрии и визуальных очертаниях природных объектов, но и в других законах. Например, в нелинейной динамике численности популяции, скорость прироста которой динамически снижается при приближению к естественному пределу экологической ниши. Или в квантовой физике.
Что касается самых известных математических констант — например, числа пи, — то вполне естественно, что оно широко встречается в природе, потому что соответствующие геометрические формы являются наиболее рациональными и подходящими для многих природных объектов. В частности, фундаментальной физической константой стало число 2?. Оно показывает, чему равен угол поворота в радианах, содержащийся в одном полном обороте при вращении тела. Соответствено, данная константа повсеместно встречается в описании вращательной формы движения и угла поворота, а также при математической интерпретации колебаний и волн.
Например, период малых собственных колебаний математического маятника длины L неподвижно подвешенного в однородном поле тяжести с ускорением свободного падения g равен
В условиях вращения Земли плоскость колебаний маятника будет медленно поворачиваться в сторону, противоположную направлению вращения Земли. Скорость вращения плоскости колебаний маятника зависит от его географической широты.
Число пи является составной частью постоянной Дирака — редуцированной постоянной Планка, основной константы квантовой физики, которая связывает две системы единиц — квантовую и традиционную. Она связывает величину кванта энергии любой линейной колебательной физической системы с её частотой.
Соответственно, число пи входит в фундаментальный постулат квантовой механики — принцип неопределённости Гейзенберга.
Число пи используется в формуле постоянной тонкой структуры — ещё одной фундаментальной физической постоянной, характеризующей силу электромагнитного взаимодействия, а также в формулах гидромеханики и т.д.
В природном мире можно встретить и другие математические константы. Например, число e, основание натурального логарифма. Эта константа входит в формулу нормального распределения вероятностей, которое задаётся функцией плотности вероятности:
Нормальному распределению подчиняется множество природных явлений, в том числе многие характеристики живых организмов в популяции. Например, распределение размеров организмов в популяции: длина, рост, площадь поверхности, вес, артериальное давление у людей и многое другое.
Пристальное наблюдение за окружающим миром показывает, что математика — вовсе не сухая абстрактная наука, как может показаться на первый взгляд. Совсем наоборот. Математика — это основа всего живого и неживого мира вокруг. Как верно заметил Галилео Галилей, математика — это язык, на котором с нами говорит природа.
Комментарии (32)
maslyaev
07.11.2016 08:23-8Самое страшное в этой истории — это то, что люди на полном серьёзе исследуют структуры внутри нейтронных звёзд.
Изучение свойств чайников Рассела стало популярным способом «научного» заработка…
Ezhyg
07.11.2016 09:56А вот я например, пауков боюсь, но я же не «запрещаю» никому их изучать.
maslyaev
07.11.2016 10:36-7Вы не поняли. Все эти нейтронные звёзды, чёрные дыры, большие взрывы и прочие прекрасные штуки меня никоим образом не пугают. Вполне себе милые и забавные объекты. Дело совсем в другом. Сильно расстраивает направление, по которому пошла «высокая наука». А именно наметившийся отрыв науки сначала от практики (вы когда-нибудь что-нибудь слышали о том, какую практическую пользу предполагается извлечь из Стандартной Модели?), а потом и вообще от перспектив экспериментальной проверки.
То есть физика, наша любимая физика, изначально самая честная и чистая из наук о природе, становится не наукой о вещах, которые нас окружают, а системой рассуждений о демонах на кончике иглы.
Удобно и практично, наверно, делать себе научную карьеру на вещах, которые заведомо никто при нашей жизни не сможет пощупать и проверить. Но объясните мне, дураку, почему я не должен это считать мошенничеством?Ezhyg
07.11.2016 10:50+3Я прекрасно понял, что вас пугает процесс изучения, а не объект. В то же время, вы сравниваете это с конкретной «полушуткой», придуманной для конкретной цели.
Меня пауки тоже пугают не сами по себе, а просто «арахнафобия».
«Высокая наука» — фундаментальная, всегда занималась (даже до появления термина, когда была ещё философией), скажем так, малоприменимыми напрямую, на практике, вещами. Потому и есть разные науки.
Мошенничество — обман. Кто и как обманывает вас, предположением (гипотезой, теорией), что вот такие-то свойства чёрной дыры влияют на вращение звёзд вокруг них?maslyaev
07.11.2016 14:21Говорить о том, что наука когда-то была философией, а потом философией быть перестала, и стала нормальной наукой — не верно. Это как были, так и остались два взаимно дополняющих вида деятельности. Но это я так, к слову.
Есть два представления о целях и задачах того, что называется наукой. Первый состоит в том, что наука — это поиск истинных законов, составляющих основу мироздания. Второй — поиск способов решения практических задач. Фундаментальная наука и прикладная. Если мы попытаемся как-то их отранжировать по принципу «лучше/хуже, выше/ниже», то получится ерунда. Без прикладной составляющей фундаментальная теряет смысл, без фундаментальной прикладная теряет свою силу.
Обман начинается тогда, когда заявляется, что знание Истины (обязательно с большой буквы) важно само по себе. Но это не может быть так. Это логически невозможно. Само понятие «важность» уже предполагает какое-то целеполагание. Сразу после слова «важно» должно следовать «для того, чтобы...». Если важно только для того, чтобы записать в Вечную и Прекрасную Книгу Неизменных Истин — это фигня. Эти самые Истины — это просто буквы, которые ни съесть, ни выпить, ни на себя надеть. Смысл фундаментальной науки появляется только тогда, когда найденное становится инструментом в прикладной науке. И далее в технологии, технике и прочей житейской повседневности.
Что касается философии, то даже её мне нравится рассматривать не в чисто высоко-теоретическом, а в сугубо инструментальном плане. Например, в «фундаментальной» философии есть много интересных вопросов типа «что есть бытие?», «что первично, сознание или материя?», «познаваем ли мир?» и так далее. Теперь включаем инструментальный подход и смотрим, во что превращаются эти вопросы. Внимательно следите за руками. «Как нужно говорить о бытие, чтобы это говорение имело смысл?» Сразу куда-то уходит муть, и начинается разбор конкретных ситуаций, из которых делаются небесполезные выводы. «Как нужно говорить о первичности материи и сознания, чтобы это не было праздным времяпровождением?» После некоторого размышления приходим к выводу, что никак. Отбрасываем этот вопрос как заведомо не способный иметь полезных следствий. Оставляем его на потеху высоким теоретикам. «Как нужно говорить о познаваемости мира, чтобы это говорение не было пустым сотрясанием воздуха?» А вот это уже — совсем другое дело. Из этих рассуждений выводится обоснование всей естественнонаучной методологии. Очевидный профит.
Так что, господа, изучайте что хотите. Хотите — геологию нейтронных звёзд, хотите — внутреннюю структуру чёрных дыр, хотите — скорость света в первые микросекунды существования Вселенной, хотите — богоугодность почитания святых праведников. Нет проблем. Только если претендуете на хоть капельку моего внимания (или денег), будьте готовы внятно объяснить, зачем ваша теория может быть мне полезна в практическом плане.Ezhyg
07.11.2016 14:42+1> (даже до появления термина, когда была ещё философией)
не «наука, когда-то была философией» а «науки (в современном понимании) тогда не было, была философия».
И, мне кажется, вы спорите сам с собой, потому что никаких подобных мыслей, которые, как мне показалось, я увидел в вашем монологе и приписываемые мне, я и не думал.
realbtr
07.11.2016 16:15+1Даже самый правильный подход может быть легко испорчен невнимательностью и небрежностью. Дон Кихот воевал с ветрянными мельницами оттого, что видел в них злых великанов.
Вы воюете с фундаментальной наукой и философией, оттого, что не видите в них полезности. Но это не значит, что ее там нет в беспрецедентных для обывателя объемах.maslyaev
07.11.2016 17:55Во-первых, я ни словом, ни полсловом не воюю ни с наукой, ни с философией. Не надо на меня вешать чужие эпизоды.
Вообще, вы совершенно правы. Вчитываться в подзаборную обывательщину — это фу. Пока клиент не предъявил регалии, из сказанного нужно вычленять только общую эмоциональную составляющую, по ней проводить классификацию на «свой-чужой», а дальше уже по результатам. Главное ведь — конформность. Конформным восприятием воспринимаем, конформным мышлением осмысливаем, стандартной реакцией реагируем. Будь как все, и будет всё ОК. За повторение азбучных истин не заминусуют.
Если у вас пока что получается только через авторитетное мнение, то нет проблем, давайте так. Есть такой автор Ли Смолин. Физик-теоретик. В списке выдающихся мыслителей современности 26-я, если мне не изменяет память, строчка. У него есть книжка «Неприятности с физикой». Полюбопытствуйте, почитайте, пошевелите волосами. Он, конечно, писал не про Стандартную модель и не про БАК. Здесь меня за язык, пожалуйста, не ловите. Он писал в основном про теорию струн. Именно там описанная мной выше проблема стала просто вопиюще скандальным обстоятельством. Но первый шаг был сделан именно физикой субатомных частиц. Первый шаг — отказ от необходимости практической применимости. После этого второй шаг (отказ от проверяемости экспериментом) дался уже значительно легче.
Со своей обывательской колокольни я могу поделиться жизненными наблюдениями. Хотя бы это нам, обывателям, разрешается? Так вот. С одной стороны наблюдается расцвет техники и технологий. Потрясающий. Убедительный. Очевидный. С другой стороны, говорят, фантастически прогрессирует наука. Количество публикаций растёт. Хигса нашли. Даже вон, недавно гравитационные волны поймали. Чёрные дыры поражают, Большой Взрыв ошеломляет, что ни репортаж, то благоговейное замирание сердца от величия происходящих открытий. Но с третьей стороны — какой-то чудовищный разгул мракобесия. И это не только у нас и в арабских странах. Это глобальное явление. Как-то так получается, что ни айфоны, ни Гугл, ни чёрные дыры никак не противоречат мистификации сознания. Как такое может быть? Если интересно, могу рассказать.
rerf2010rerf
07.11.2016 16:20Обман начинается тогда, когда заявляется, что знание Истины (обязательно с большой буквы) важно само по себе. Но это не может быть так. Это логически невозможно.
У вас проблемы с логикой. Раз уж вы так любите логику, то должны бы знать, что чтобы это стало логически возможно, достаточно принять это за аксиому (да да, при некоторых дополнительных условиях, но не об этом сейчас речь). И для кого-то это может быть именно что аксиомой, самоцелью — узнать, как устроен мир.maslyaev
07.11.2016 18:27Мир — понятие очень растяжимое. И вширь, и вглубь, и как хотите. Можно посмотреть на мир с одной стороны, и узнать, как он устроен. Во всей его полноте, но только с одной стороны, без ответов на те вопросы, которые легко видны с другой стороны. Можно наоборот, но тогда отвалятся аспекты другой стороны. А если туда-сюда повертеть, то получается абсурд. Противоречивая картина. Разные аспекты реальности между собой не вяжутся. Если смотрим под микроскопом структуру бумаги и изучаем химсостав краски, то ускользает сюжет книги. Если изучаем сюжет, то с ужасом понимаем, что эта же книга может быть реализована сотнями совсем разных способов. Не содержится в краске сюжет книги, а в сюжете книге — необходимость быть материализованным одним единственным способом.
Знать, как устроен мир — обязательно. Но нужно понимать, что ответ на этот вопрос — далеко не один. Мир многоаспектен, изменчив и бесконечно сложен. «Серебряной пули» в деле отвечания на вопрос о том, как устроен мир, попросту не существует (можно я не буду давать ссылку на Витгенштейна?). Попытка объявить физику микромира основой всего сущего — глупость, проистекающая в первую очередь из непонимания того, что практически всё, что мы имеем в нашем реальном мире, является системными эффектами. Мы не знаем ни одного предмета, который был бы простой суммой своих составных частей.
И для кого-то это может быть именно что аксиомой, самоцелью — узнать, как устроен мир.
А для кого-то — узнать, как устроить мир.
На слух разница небольшая, но из задачи «как устроить» вытекают совсем другие требования к знанию того, «как устроен».rerf2010rerf
07.11.2016 18:37А для кого-то — узнать, как устроить мир.
Так что вы хотите сказать то? Что все люди разные? Ну да, кому то хочется изучать сюжеты книги, а кому то химсостав краски. Кто то хочет понять как устроен мир, а кто-то — как его устроить. Какой-то еще глубокий смысл в ваших комментариях содержится? О чём спор то?maslyaev
07.11.2016 20:15Просто понимаете, идея познания абсолютных Истин — очень жадная идея. Как только мы подхватываем этот психовирус — пиши пропало. В общем, принципиальной разницы нет, как конкретно эти Истины называются — законы природы или божественное откровение. Идея одна и та же, и заключается она в том, что допускается принципиальная возможность взять карандашик и записать на листочке непреложно истинные факты о нашем мире. По этому вопросу разница между религиями и чисто фундаментальными науками лишь в том, что у религий УЖЕ есть их священные книги, а для чисто фундаментальных (я не зря ещё раз повторяю эту оговорку) наук обретение этих Истин — сверхзадача, над которой они работают.
Абсолютная истинность — очень сладкий трофей. Охотничий инстинкт, секреция дофамина, буря эмоций, всё такое. Когда есть перспектива добыть мамонта, копание корешков уже радости не приносит. Если сознание поражено вирусом служения абсолютной истине (к сожалению, этому подвержено не только индивидуальное, но и коллективное сознание), то никакие другие стимуляторы его больше не штырят.
А как же математика, спросите вы. 2+2 равно 4 хоть лопни, хоть тресни. С математикой всё в порядке. Те, кто в теме, знают, что истинность математики достигается весьма высокой ценой. А именно тем, что она оказывается абстрактной. То есть она про всё сразу, но применимость в каждом конкретном случае или гипотетична, или предмет дополнительного соглашения. 2+2 может и не равняться четырём, если двойками выражены не аддитивные величины ;)
А спор здесь о том, что как-то совсем внезапно к нашей горячо любимой физике стала быть применима старая хохмочка про чайник. Не знаю кому как, но мне от этого грустно.rerf2010rerf
08.11.2016 11:01Просто понимаете, идея познания абсолютных Истин — очень жадная идея.
Каких ещё «абсолютных Истин»? Я никаких «абсолютных Истин» не знаю и искать не собираюсь. За «абсолютными Истинами» это вам не к науке.maslyaev
08.11.2016 13:27Ну и славненько.
По этой теме вообще нужно или писать много плохих злых букв, или не писать совсем. В данном случае предпочту второе.
Главное — не парьтесь. Всё хорошо.
kAIST
07.11.2016 12:22+5Когда то никто не понимал, какую пользу можно извлечь из квантовой физики. Это были всего лишь какие то теории на кончике пера.
Знания собираются по крупицам, и никогда не знаешь, когда этих крупиц станет достаточно много для прорыва.
Сейчас прикладной науки не достаточно, нужны как раз таки все эти непонятные ученые теоретики. Да и разные науки сейчас очень тесно переплетены. Взять хотя бы физику и математику.maslyaev
07.11.2016 16:05-1Вы правы, всегда есть некоторая надежда на то, что когда-нибудь потом на новом витке развития теория сможет оказаться чрезвычайно полезной. Поэтому некоторую фору обязательно нужно давать. Но давайте будем честными. Физикой субатомных частиц уже съедена фора лет этак в 50. За это время не было придумано ни одного практического применения найденному великолепию.
Очень показателен кейс с БАКом. Интересно было знать, существует ли бозон Хиггса? Очень! А для чего это нам было интересно знать? Ну… это… подтвердить или опровергнуть самое заковыристое следствие Стандартной модели. Ну ОК. А для чего нам её нужно подтверждать или опровергать? Допустим, у гипотезы о бозоне Хиггса были бы какие-нибудь полезные следствия. Ну, не знаю… Например, можно было бы через это дело ловко конвертить массу в энергию. Или сделать особо мощный резак на кварк-глюонной плазме. Или ещё какую заразу. Разве стали бы для этого городить БАК? Да ни боже упаси. Можно было бы сделать опытный образец резака и посмотреть, работает или нет. И дешевле в миллион раз, и сразу полезный прототип. Но полезных применений не предвидится, поэтому БАК :(kAIST
07.11.2016 16:26+1В начале прошлого века, появилась теория относительности. Тогда никто не мог подумать, как ее будут применять на практике.
Кто знает, как и когда знания об устройстве вселенной смогут изменить прикладную науку и технику.
Приземленный пример из области программирования:
Захотелось нам научить программу отличать кошечку от собачки. Всегда, кстати, вспоминаю какую то советский учебник по программированию, где в главе о том что могут а не могут делать компьютеры, приводится как раз этот пример.
«В лоб» эту задачу решить очень и очень сложно. И тут нам на помощь приходит математика и нейронные сети, которые когда то были тоже только теорией.maslyaev
07.11.2016 18:56Аналогия с теорией относительности некорректна. Обе теории относительности в себе несли мировоззренческие перевороты. Стандартная модель в себе никаких мировоззренческих переворотов не несёт. В идее «всё состоит из частиц» ещё со времён Демокрита ничего принципиально нового нет.
Что до нейронных сетей, то это, извините, в большей степени технология и прикладная наука, чем наука фундаментальная. Со стройными теоретическими обоснованиями там, к сожалению, серьёзные проблемы.
rerf2010rerf
07.11.2016 16:40+1М.И. Радовский — «Фарадей»:
«Опытные исследования по электричеству» история науки признает величайшим вкладом в учение об электричестве. Все, занимавшиеся историей физики, считают, что труды Фарадея заложили основы современных представлений об электричестве, одной из основных отраслей естествознания, изучавшейся им около полувека.
Однако практическое значение его открытий выявилось лишь через много лет после его смерти; так, например, первые электромагнитные генераторы промышленного типа — машины Грамма и Гефнер-Альтенека — появились в 70-х годах прошлого столетия. При жизни же Фарадея его труды рассматривались главным образом с точки зрения научной, вне всякого практического их приложения, хотя ранние изобретатели электромагнитных машин прекрасно понимали, что создаваемая ими новая отрасль техники — электротехника — вырастает на основе великих открытий Фарадея.
Фарадей жил в эпоху «предистории» электротехники. Ни ему, ни его современникам не суждено было стать свидетелями проникновения электрического тока, генерируемого электромагнитным генератором, во все отрасли народного хозяйства.
А теперь не могли бы вы вашу теорию «зачем БАК — сразу резак» переложить, для простоты, на эту уже историю науки, и рассказать, как упомянутые ранние изобретатели электромагнитных машин могли бы их изобрести, не будь у них фундамента, полученного их предшественниками в те времена, когда никаких практических приложений не было видно?
1eqinfinity
09.11.2016 12:29То есть физика, наша любимая физика, изначально самая честная и чистая из наук о природе
Не надо с таким надрывом о физике. Она прекрасна, но, как и любая наука, основанная на эмпирике и приправленная человеческим фактором, не честнее и не чище весов на овощном рынке.napa3um
09.11.2016 14:36+1А главное, что её предметная область таки ограничена, хотя «надрывные» наивные физикалисты-редукционисты считают её заменой всех других наук (т.е., верят в Абсолютную Истину вопреки современному пониманию научного метода и позитивизму).
kanoobee
07.11.2016 09:59+2Число пи берется как соотношение радиуса окружности и длины. А все осталтное его применение — проблема системы СИ. Почитайте Сивухина, главу про СГСЭ. Примеры притянуты за уши. Что делать с матрицами в абзаце с фракталами вообще не понятно
sergeyns
07.11.2016 11:40+3О чем статья-то? О том что сопромат одинаков (ну с учетом «особенностей» ) что для клетки, что для звезды (отсюда и сходство)? Это из серии «выявлен удивительный факт — длина окружности муравейников примерно в 3 раза превышает их диаметр, что свидетельствует о… (например, о телепатической связи между муравьями в разных муравейниках)»
rerf2010rerf
07.11.2016 13:26-1> > > объекты физического мира подчиняются скрытым математическим законам, лежащем в основе всего мироздания.
Вы уж меня извините, но это какой-то лженаукой попахивает.
Robotex
07.11.2016 19:24Эти структуры в клетках и в звездах выглядят скорее всего именно так, потому что они стабильны при такой структуре. А вот математика уже объясняет почему именно они стабильны и приводит красивую формулу. Так что это не Вселенная говорит с нами на языке математики, а мы придумали математику, чтобы красиво описать Вселенную.
eltardowut
08.11.2016 09:47То, что находится внизу, подобно тому, что находится вверху. И то, что вверху, подобно тому, что находится внизу, чтобы осуществить чудеса единой вещи. Всё так.
GeMir
Кому-то пандусы парковки видятся, кому-то комплексный логарифм…
andorro
Если стоит задача объяснять и популяризовать науку, то пример с пандусами гораздо лучше.