Эксперимент с плазмой в космосе. Эволюция спиралей. Неоднородность пространства.

Ещё одно экспериментальное подтверждение неоднородности пространства, о котором впервые, более двадцати лет назад, поведал в своих книгах русский учёный, Николай Викторович Левашов. 

О чём более подробно можно прочесть в его фундаментальном труде "Неоднородная вселенная": http://www.levashov.info/books.html

Причудливый исторический факт, согласно которому в стенах Акустических лабораторий Ривербэнк молодой генетик-математик Уильям Фридмен неожиданно превратился в одного из наиболее выдающихся криптографов США, можно, конечно, считать игрой случайных обстоятельств и совпадений. Но если принять во внимание еще целый ряд известных событий в истории науки XIX-XXI веков, то вместе с ними на базе сюжета о Фридмене можно было бы выстроить логически связную и драматически довольно эффектную цепочку больших открытий. Приводящих, так сказать, естественным путем к решению загадок об устройстве времени и памяти материи. Однако реальная жизнь, увы, распорядилась тут иначе. Так что ныне эти научные открытия существуют отдельно друг от друга, а ушедшая в военно-шпионские дела биография Фридмена не связана с ними вообще никак.

Для начала имеет смысл отметить пока еще неочевидную, однако постепенно все более проявляющуюся связь между генетикой и музыкой. А точнее сказать, между структурой молекул ДНК и музыкальной акустикой – как физикой благозвучных тонов, аккордов и их сочетаний-мелодий. В теории музыки для наглядного отображения степени близости и взаимосвязей между звуками-тонами используют разного рода пространственные модели. В зависимости от сложности принимаемых в рассмотрение взаимосвязей, такие модели могут быть как совсем элементарными, вроде линейной шкалы чисел, так и весьма замысловатыми, принимая формы многомерных геометрических фигур.

Самая простая модель пространства музыкальных тонов – ось действительных чисел, где каждый тон по определенному правилу отмечается точкой в соответствии с его частотой колебаний. Такая шкала во многом аналогична последовательному расположению клавиш на клавишных инструментах и вполне дает представление о похожести звуков, расположенных близко друг к другу по частоте. Однако более тонкие взаимосвязи на особых частотных интервалах, свойственных музыке – октавах, квинтах, терциях и т. д. – линейные шкалы отразить не могут. Чуть более сложные – двумерные – модели музыкального пространства могут иметь форму графов, решеток или кругов. Размещение тонов на круге особо полезно тем, что наглядно отражает циклическое возвращение звуков к одной и той же ноте, но на разных по высоте частотах.

Германский математик и философ Мориц Вильгельм Дробиш (1802-1896) в середине XIX века стал первым, кто в качестве наиболее адекватной модели музыкального пространства предложил использовать 3-мерную винтовую спираль. В этой модели линейное пространство тонов намотано вокруг цилиндра таким образом, чтобы все связанные октавой звуки лежали на одной прямой линии. Сто с лишним лет спустя, в 1982 г., видный американский психолог Роджер Шепард (р. 1929), плодотворно работающий на стыках физики, математики и искусства, существенно усовершенствовал спираль Дробиша. Шепард обобщил ее до еще более адекватной модели, двойной спирали с независимыми циклами для октав и квинт, и показал, что такая структура обеспечивает оптимальное компактное представление аккордов и гармонических соотношений.[1]

*

Примечательно, что чем глубже ученые изучают ныне природу двойных винтовых спиралей, будь то молекулы ДНК или аналогичные по строению структуры, тем больше неожиданных сюрпризов они преподносят. Причем происходит это в самых разных областях от биохимии до физики плазмы и астрономии. Так, к примеру, в январе 2008 г. большая группа исследователей из России, Великобритании и США (Алексей Корнышев, Сергей Лейкин, Geoff S. Baldwin, John M. Seddon и др.) опубликовала работу о необычном феномене в поведении двухнитевых молекул ДНК, похожем на нечто вроде «телепатии». А именно, о дальнодействующем распознавании молекул ДНК идентичной структуры и их взаимном притяжении без каких-либо посредников вроде белков.[2]

Хотя способность для одинарных взаимно-комплементарных нитей ДНК притягиваться друг к другу является, вероятно, наиболее известным и наиболее фундаментальным свойством ДНК, до последнего времени считалось, что физика целых двухнитевых ДНК работает в корне иначе и не позволяет делать то же самое. Однако упомянутая команда ученых имела основания считать иначе. Для доказательства своей гипотезы они искусственно синтезировали два разных варианта двухнитевых ДНК, смешав их в воде. Для идентификации и различения один тип молекул сделали зеленого цвета, а другой красного.

Подождав две недели, исследователи продемонстрировали, что красные и зеленые молекулы сами расползлись по группам и объединились с себе подобными. Для объяснения такого избирательного притяжения придуман довольно сложный электростатический механизм, ибо все полные молекулы ДНК имеют снаружи цепочек отрицательные электрические заряды и по идее должны взаимно отталкиваться. Насколько теория соответствует истине, покажут дальнейшие эксперименты, однако сам факт «телепатии» доказан наверняка.

Для примера из совсем другой области, в мартовском выпуске журнала Nature за 2006 год группа астрономов из американских университетов UCLA и Корнелл (Mark Morris, Keven Uchida, Tuan Do) сообщила об открытии невиданной прежде туманности в форме двойной спирали ДНК. Структура столь необычного для космоса вида была обнаружена с помощью особо чувствительного орбитального телескопа Spitzer и расположена вблизи центра нашей галактики Млечный путь. Та часть туманности, которую можно рассмотреть на инфракрасном снимке, растянулась в пространстве примерно на 80 световых лет. Подавляющее большинство туманностей, наблюдаемых астрономами, это либо состоящие из звезд галактики известной формы, либо бесформенные скопления космической пыли и газа. Открытая же ныне туманность демонстрирует в высшей степени регулярную форму, но при этом не похожую на все остальные.[3]

**

Гигантская двойная спираль расположена на расстоянии порядка 300 световых лет от ядра Млечного пути и растянулась по оси, перпендикулярной плоскости галактики и проходящей через ее центр. Столь четкая привязка к геометрии галактики дает ученым все основания полагать, что в зарождении столь необычной структуры явно участвовали какие-то мощные процессы в галактическом ядре. Однако что именно явилось причиной феномена – вращение магнитного поля, эффекты гигантской черной дыры, все эти факторы в совокупности или что-то еще – пока остается предметом гипотез и дискуссий.

Туманность в форме ДНК

Нельзя также исключать, что туманности в форме двойной спирали ДНК на самом деле вовсе не являются для космоса исключительной редкостью. Просто технологии для выявления образований с такой природой и такими размерами появились у астрономов лишь совсем недавно, а разрешающей способности телескопов пока хватает только на местную Галактику. Иначе говоря, может оказаться так, что и в большинстве других галактик тоже имеется нечто очень похожее, но только недоступное для наблюдений.

То, что подобные предположения строятся далеко не на пустом месте, может косвенно свидетельствовать другое важное открытие, сделанное недавно в смежной области – физике пылевой плазмы. Где также удалось обнаружить структуры в форме двойных спиралей ДНК, причем демонстрирующие не только самоорганизацию, но еще и способности к размножению и эволюции.

Под обычной плазмой, можно напомнить, принято понимать особое, четвертое – помимо твердого, жидкого и газообразного – состояние вещества в виде сильно ионизированного газа. Из-за того, что вместо атомов материи в целом электрически нейтральную плазму образуют более подвижные ионы и электроны, она имеет ряд свойств необычно активного флюида – являясь электрически проводящей средой и взаимодействуя с внешними магнитными полями. Для условий Земли плазма может представляться довольно редким и экзотическим состоянием материи, появляющимся разве что в лабораториях ученых да при атмосферных разрядах молний. Однако именно на плазму приходится основная часть вещества галактик, звезд и межзвездного газа, составляя, по грубым оценкам, примерно 99% массы видимой вселенной.

***

С начала 1990-х годов повышенный интерес у физиков стала вызывать так называемая пылевая плазма, отличающаяся от плазмы обычной присутствием в ней относительно крупных (в сравнении с размерами ионов) микрочастиц-пылинок диаметром от 10 до 100 нанометров. Интерес ученых возник поневоле, поскольку пыль в плазме существенно портила тонкие технологические процессы плазменного травления, применяемые в производстве микрочипов. Углубленное же изучение проблемы показало, что одноименно заряженные микрочастицы, находящиеся в потоке плазмы, вопреки интуиции и законам физики не разлетаются в стороны, а притягиваются друг к другу, образуя крупные комки и загрязняя чистоту обработки.

Более тщательное изучение проблемы – эксперименты на земле и в условиях микрогравитации на борту Международной космической станции, компьютерное моделирование – привело исследователей к выводу о том, что пылевая плазма в плазменных потоках представляет собой совершенно особое состояние вещества. Одна из важнейших особенностей данного состояния – это постоянно идущие в нем сильные процессы диссипации, т.е. энергетических обменов с внешней средой, обеспечивающие образование самоорганизующихся структур. При этом плазменные потоки и электрические поля создают для пыли весьма специфические условия, обеспечивающие притяжение одноименно заряженных пылевых частиц на больших расстояниях. При подходящих условиях естественным следствием этих процессов может становиться образование в плазме устойчивых «пылевых кристаллов».

Эксперименты такого рода в условиях гравитации обычно приводят к формированию плоских кристаллов в виде решетки вихревых конвективных ячеек регулярной структуры. Однако в опытах с компьютерными симуляциями, моделирующими отсутствие силы тяжести, плоский вихрь приобретает цилиндрическую форму, а образующие его пылинки могут самоорганизовываться в структуры одинарной или двойной винтовой спирали. Не заметить сходство с ДНК тут, ясное дело, довольно сложно. И летом 2007 г. в «Новом журнале физики», быстро набравшем популярность и авторитет онлайновом международном издании, была опубликована весьма дискуссионная работа о текущих итогах в изучении плазменно-пылевых кристаллов. Статью подготовили один из патриархов физики плазмы, академик Вадим Н. Цытович, и группа его коллег из институтов России, Германии и Австралии, а итоги ее свелись к выводу об открытии структур, весьма похожих на неорганическую жизнь.[4]

Обмен информацией между спиральными структурами пылевой плазмы

В частности, исследователями установлено, что определенные условия среды, повсеместно обнаруживаемые в космосе, могут приводить к самообразованию спиралевидных структур из частиц пылевой плазмы. При этом в некоторых из таких структур отмечены так называемые бифуркации радиуса, т.е. резко изменяющиеся переходы от одного радиуса винта к другому и обратно, что предоставляет механизм для хранения информации в терминах длины и радиуса секций спирали. Более того, в некоторых компьютерных симуляциях спираль разделялась на две, эффективно воспроизводя саму себя. В других экспериментах две спирали вызывали структурные изменения друг в друге, а некоторые спирали даже демонстрировали эволюцию, с течением времени преобразуясь в более устойчивые структуры… Жизнь это или еще не жизнь, можно, конечно, спорить. Однако вряд ли подлежит сомнению, что эксперименты с эволюцией жидких плазменных кристаллов могут дать много подсказок к разгадке тайн о зарождении жизни «настоящей», биологической. Или, формулируя чуть иначе, о секретах передачи и накопления информации во вселенной.

Источник