Брайан Клегг

Вселенная внутри вас

© 2012 by Brian Clegg

© Перевод. ООО «Попурри», 2014

* * *

Слова благодарности

Большое спасибо Джиллиан, Челси и Ребекке.

Я очень признателен Саймону Флинну, Дункану Хиту, Эндрю Фэрлоу, Гарри Скобблу и всем сотрудникам издательства «Icon» за помощь и поддержку.

Мне также хотелось бы поблагодарить ученых, которые не ленились отвечать на мои идиотские вопросы: доктора Генри Джи, профессора Стивена Карри, профессора Дана Саймонса, профессора Арнта Маасе, доктора Майка Данлейви, профессора Гюнтера Нимца, профессора Фридриха Вильгельма Хеля и доктора Дженнифер Рон.

Введение

Мы привыкли считать, что наука – это что-то далекое от нас, что ею занимаются ученые в лабораториях, заставленных приборами странного вида, и что для нее необходимы огромные и невероятно сложные устройства типа Большого адронного коллайдера. Но у каждого из нас есть своя научная лаборатория – собственное тело, представляющее собой сверхсложную структуру, в функциях которой находят отражение самые различные явления науки и природы.

В этой книге вы будете использовать свое тело как научный инструмент, позволяющий раскрыть тайны Вселенной. Некоторые опыты можно проводить прямо у себя дома, а для некоторых вам придется покинуть свое тело и отправиться в путешествие к звездам и даже дальше. Это необходимо для того, чтобы проиллюстрировать фундаментальные аспекты науки, лежащие в основе реальности, но в конечном итоге мы все равно вернемся к самому загадочному и сложному произведению природы – человеческому телу.

Брайан Клегг, 2012 год

1. Стоя перед зеркалом

Встаньте перед зеркалом, желательно таким, в котором отражаетесь в полный рост, и хорошенько рассмотрите себя. Не мимоходом, как обычно, а пристально. Возможно, при этом у вас могут появиться не вполне приятные мысли, так как мы склонны обращать внимание на всяческие несовершенства типа лишних сантиметров на талии. Но речь совсем не об этом. Я хочу, чтобы вы рассмотрели себя как человеческое существо.

Читая эту книгу, вы будете пользоваться своим телом как инструментом для изучения самых разных научных аспектов. Все они присутствуют в вашем теле, начиная от химических реакций, происходящих в процессе пищеварения, до теории Большого взрыва и других непостижимых загадок Вселенной. Тело станет вашей лабораторией и обсерваторией.

Вы можете посмотреть на него в целом как на единый объект, как на живое существо. Но можно также углубиться в детали, обращая внимание на то, как тело взаимодействует с окружающей средой и использует содержащуюся в пище энергию. Мы сможем рассмотреть в нем от 10 до 100 триллионов клеток. Каждая клетка представляет собой сложнейшую единицу жизни, но если взять каждую из них по отдельности, то это будете уже не вы. Если пойти еще дальше, то в большинстве клеток тела можно обнаружить сложное химическое соединение, представляющее собой крупнейшую из известных молекул. Это ДНК, содержащаяся в хромосомах.

Продолжая всматриваться в детали, вы в конце концов дойдете до атомов, из которых состоит вся материя. Здесь уже становится трудно оперировать привычными цифрами, так как организм взрослого человека состоит примерно из 7 000 000 000 000 000 000 000 000 000 атомов. Обычно в этом случае пользуются выражением 7 × 1027, которое означает, что за семеркой следует 27 нолей. Это число в миллиард раз больше, чем количество секунд, прошедших с момента возникновения Вселенной.

Стоя перед зеркалом, вы можете увидеть еще множество самых невероятных вещей.

Что мы видим в отражении

Через несколько минут мы углубимся с вами в исследование миниатюрной вселенной, заключенной в вашем теле, но пока давайте еще немного побудем снаружи и посмотрим на свое отражение. У вас есть шанс исследовать одну загадку, которая не дает покоя людям на протяжении многих столетий.

Стоя перед зеркалом, поднимите правую руку. Какую руку поднимает ваше отражение?

Из собственного опыта вам хорошо известно, что левую.

Вот вам и загадка. Зеркало всегда делает правую сторону левой, и наоборот. Мы настолько к этому привыкли, что даже не задумываемся, почему так получается. Левая рука в отражении становится правой. Если вы закроете правый глаз, отражение закроет левый. Если волосы у вас зачесаны на левую сторону, у отражения они будут зачесаны на правую. Однако голова у отражения будет, как и у вас, находиться сверху, а ноги – снизу (если зеркало позволяет вам разглядеть себя в полный рост). Почему же зеркало меняет правую и левую стороны, но не меняет верх и низ? Почему оно так по-разному подходит к этим двум измерениям?

У вас есть возможность подойти к этой проблеме с научных позиций. На возникновение отражения в зеркале влияют три вещи: путь, который световые лучи проходят между вашим телом и зеркалом, способ восприятия этих лучей (с помощью глаз) и, наконец, способ интерпретации полученных сигналов мозгом. Все эти аспекты мы подробно рассмотрим ниже, но один момент привлекает внимание сразу же. Ваши глаза расположены горизонтально. У вас есть правый и левый глаза, но нет верхнего и нижнего. Может быть, смена сторон объясняется как раз этим?

К сожалению, нет. Это хорошая гипотеза, но в данном случае она неверна. И в этом нет ничего страшного. Многие открытия в науке совершаются, когда ученый понимает, что его идея не соответствует действительности. Давайте проведем небольшой эксперимент, который позволит понять, что же происходит на самом деле.

Эксперимент с зеркалом

Возьмите закрытую книгу (или журнал) и держите ее перед собой лицевой стороной обложки к себе. Посмотрите на ее отражение в зеркале. Что вы видите? Постарайтесь описать увиденное как можно точнее. Перечислите все моменты, которые заметили в отражении. Вероятно, это поможет вам понять загадку зеркала.

Сначала проведите этот опыт самостоятельно, а потом послушайте, что в нем заметил я:

• Все надписи на книге перевернуты слева направо, и буквы имеют зеркальное написание.

• Отражение находится на таком же расстоянии от поверхности зеркала, что и сама книга.

• Все цвета отражения в точности соответствуют цветам оригинала.

• Если в книге, которую я держу перед собой, мне видна лицевая сторона обложки, то в отражении – оборотная.

Обратите особое внимание на последний пункт. Книга остается той же самой, но лицевая сторона обложки в отражении вдруг заменяется оборотной. Вот здесь-то и кроется разгадка. Зеркало меняет местами не левую и правую стороны, а переднюю и заднюю.

Фактически оно выворачивает изображение наизнанку. Тыльная сторона моей книги в отражении становится лицевой. Отложите книгу в сторону и снова обратите внимание на себя. Представьте, что ваша кожа сделана из резины и может растягиваться как угодно. Снимите с себя эту воображаемую кожу, пронесите ее сквозь зеркало и, не поворачивая, выверните наизнанку. Кончик вашего носа, который до этого указывал вперед, в сторону зеркала, теперь смотрит в обратном направлении. Те части тела, которые располагались ближе к зеркалу, так же располагаются по отношению к нему и в отражении. Просто все ваше изображение вывернуто наизнанку.

Так что на самом деле левая и правая половины не меняются местами и вам не надо ломать голову над тем, почему зеркало не меняет местами верх и низ. Причина того, что у вас возникла иллюзия смены сторон, кроется в вашем мозге. Когда вы смотрите на свое отражение в зеркале, мозг пытается отождествить его с вами. Это ему легче всего сделать, мысленно развернув отражение на 180 градусов. При этом левая и правая стороны меняются местами. Однако вы должны понимать, что смену сторон осуществляет не зеркало, а ваш мозг, который пытается по-своему интерпретировать полученные сигналы.

Решив загадку зеркала, давайте теперь займемся исследованием Вселенной, взяв за основу пусть и не самую примечательную, но крайне необычную часть своего тела – человеческий волос.

2. Один волосок

Крепко возьмитесь за один из волос на голове и вырвите его. Никто не обещал, что познание научных истин будет проходить безболезненно. Если вы не настроены терпеть боль, можете снять волосок с расчески. Если вы уже облысели, возьмите чужой волос – предварительно спросив разрешения, разумеется! А теперь взгляните, что у вас в руке. Это длинный, чрезвычайно тонкий и гибкий, но на удивление прочный цилиндр.

Рассмотрите его во всех подробностях, насколько позволяет зрение. Если у вас под рукой есть микроскоп, можете воспользоваться им, но в принципе будет достаточно и увеличительного стекла.

С этого волоса начинается наш путь к открытиям в любой области науки – от философии до физики. Вы сомневаетесь, что в обычном волосе можно найти что-то философское? Подумайте сами: вы живы, а этот волос является вашей неотъемлемой составной частью (во всяком случае, был таковым, пока вы его не вырвали). Тем не менее волосы, покрывающие ваше тело, мертвы. Они не состоят из живых клеток. То же самое можно сказать о ногтях на руках и ногах. Итак, вы живы, а некоторые части вашего тела мертвы.

Вспомните об этом, когда телевизионная реклама будет в очередной раз соблазнять вас продуктами, которые вдохнут в ваши волосы «жизнь и здоровье». Волосы не могут быть ни живыми, ни здоровыми. Они мертвы. Абсолютно мертвы. Вас это беспокоит? Не стоит тревожиться. Такими они и должны быть. После этого остается только удивляться тому, что в продаже имеется множество средств, которые якобы питают волосы.

Мы ведем разговор об одном-единственном волосе, но у вас их очень много (надеюсь), причем по всему телу. На голове человека растет в среднем 100 тысяч волос, хотя у блондинов эта величина обычно отклоняется в б ольшую сторону, а у рыжих – в меньшую. Когда мы смотрим на отдельный волос, его цвет не так заметен, как в составе шевелюры, тем не менее он есть.

Натуральный цвет

Цвет волос зависит от двух вариантов пигмента под названием «меланин». Один из них – феомеланин – придает волосам рыжий цвет. Прочие оттенки цветов, от самого светлого до самого темного, зависят от количества другой разновидности этого пигмента – эумеланина, представляющего собой исходную форму пигмента волос. Рыжие волосы появились в результате мутации на каком-то этапе человеческого развития.

По мере старения количество пигмента в волосах уменьшается вплоть до полного исчезновения. В седых волосах пигменты на основе меланина полностью отсутствуют. На самом деле седые волосы бесцветны, но их форма и внутренняя структура при прохождении сквозь них света создают эффект белого или сероватого цвета.

Разглядеть внутреннюю структуру волоса невооруженным глазом не удастся, но под микроскопом становится очевидно, что это не просто некое однородное волокно. На самом деле в волосе имеется три слоя: внутренний (почти пустой); средний (кортекс), имеющий сложное строение, содержащий пигменты и способный впитывать воду и набухать; и внешний (кутикула), покрытый крошечными чешуйками и обладающий водоотталкивающими свойствами.

Человеческий волос в разрезе

На одном конце волоса (на том, который вы выдернули из кожи) можно разглядеть остатки фолликула, который обычно скрывается под кожей. Фолликул отвечает за формирование и рост волоса и является его единственной живой частью.

Искусственное окрашивание волос

Когда мы говорим, что цвет волос зависит от количества содержащегося в них меланина, то имеется в виду натуральная окраска. Однако многие люди время от времени меняют цвет волос, используя для этого обесцвечивающие составы и красители. Обесцвечивание представляет собой на удивление сложный механизм. Это не просто нанесение краски на волосы. Процесс стойкого обесцвечивания волос был бы более уместным для химической лаборатории, чем для салона красоты.

Вначале вещество типа аммиака раскрывает стержень волоса, обеспечивая доступ к кортексу, а затем обесцвечивающий состав окисляет и разлагает натуральные пигменты.

После этого при необходимости может быть добавлен другой краситель, который также проникает в кортекс. Для менее стойкого окрашивания применяются красители, которые покрывают только кутикулу и достаточно легко смываются.

Опасения по поводу потери волос

Волосы есть практически у каждого человека, но по сравнению с большинством других млекопитающих они не столь густы и обильны. Дело, в общем-то, даже не в количестве. У нас приблизительно такое же количество волос, как и у сопоставимого по размеру шимпанзе, но большинство наших волос настолько малы, что почти не видны.

В следующий раз, когда вы замерзнете или испытаете внезапный испуг, взгляните на кожу своих рук. Вероятнее всего, вы увидите мурашки, или гусиную кожу. Этот феномен имеет прямое отношение к волосам (волосы буквально встают дыбом) и говорит о том, что наши предки, как и большинство млекопитающих, были покрыты густыми волосами.

Появление мурашек связано с тем, что крохотные мышцы, расположенные у корней волос, напрягаются и поднимают волосы перпендикулярно поверхности кожи. Если бы у вас была густая шерсть, она от этого стала бы более объемной и приобрела бы лучшие теплозащитные свойства за счет увеличения в ней количества воздуха. В холодное время года это могло бы сослужить вам неплохую службу, но мы растеряли почти все волосы на теле, и теперь этот эффект нас ничуть не согревает, а только придает коже странный вид.

Точно так же волосы встают дыбом, когда мы чем-то напуганы. Это тоже проявление древней защитной реакции, которая в настоящее время утратила всякий смысл. Многие млекопитающие, чувствуя угрозу, расправляют таким образом шерсть, чтобы выглядеть больше и сильнее. (Попробуйте поднести кошку к собаке. Кошка не только «ощетинится», но и выгнет спину, чтобы казаться больше.) Очевидно, в древние времена мы вели себя так же, но в настоящее время этот эффект не срабатывает, так как шерсти на теле у нас не осталось. Волосы, как и прежде, встают, но размеров нам не прибавляют.

Отсутствие естественного шерстяного покрова сильно огорчило меня, когда недавно я вышел выгуливать свою собаку. Было холодно, а я оделся явно не по погоде. На мне была только майка с короткими рукавами. Моросил мелкий дождь, мои кроссовки промокли в траве и хлюпали при каждом шаге. К тому же, проходя мимо какого-то забора, я умудрился влезть голой рукой в густые заросли крапивы.

А вот собаке, покрытой густой шерстью, было наплевать и на погоду, и на крапиву. Природа снабдила ее намного лучшими средствами выживания, чем меня.

Меня всегда удивляло, почему люди так плохо приспособлены к непогоде и различным опасностям. Мы знаем, что у наших далеких предков была густая длинная шерсть, как и у современных человекообразных обезьян. (Кстати, шимпанзе и гориллы не являются нашими предками, хотя многие по ошибке до сих пор считают их таковыми.) Кажется совершенно нелогичным, что человеческая раса уже на раннем этапе своего развития лишилась защитной шерсти.

Разумеется, было бы наивным считать, что эволюция действует в наших интересах. Она не преследует вообще ничьих интересов. Обычно эволюция лишь отбирает мелкие варианты развития, которые способствуют выживанию и размножению какой-то конкретной особи. Она не анализирует и не рассуждает: «Вот это хорошо. Это мы сохраним». Но даже в таком случае представляется маловероятным, что потеря теплого и обладающего другими защитными свойствами естественного меха дала человеку какие-то эволюционные преимущества.

Эволюция тасует колоду, но это вовсе не значит, что все генетические карты, оказавшиеся у нас на руках после раздачи, обязательно будут выигрышными. Если у нас в ходе эволюции выработалась какая-то определенная черта, это не значит, что она даст нам преимущество. С таким же успехом эта черта может оказаться побочным эффектом какого-то другого эволюционного процесса. Например, у многих птиц крылья легко ломаются, потому что состоят из тонких полых костей. В слабых костях как таковых нет ничего хорошего. Они отнюдь не способствуют выживанию, но зато помогают уменьшить вес тела, что необходимо для полета.

Потеря человеком волос на теле может объясняться разными причинами. Возможно, когда наши предки переселились из лесов в саванны, им приходилось больше потеть, а при отсутствии шерсти потоотделение облегчается. Возможно также, что менее густая шерсть позволяла им лучше справляться с паразитами (хотя с этой проблемой до сих пор сталкиваются все крупные человекообразные обезьяны). Существуют и более экзотические объяснения. Например, кое-кто предполагает, что древние люди вели полуводный образ жизни и отсутствие волос на теле позволяло им лучше плавать (хотя многие млекопитающие, ведущие полуводное существование, обладают густой шерстью). Лично мне кажется, что потеря волос была случайным побочным эффектом, как и чрезвычайно хрупкие кости птиц.

Чтобы приобрести союзников, избавляйтесь от волос

Примерно 100 тысяч лет назад наши далекие предки окончательно приобрели вид современного человека. На этом пока завершилась наша эволюция. С биологической точки зрения мы ничем не отличаемся от них. После этого происходило еще множество мелких изменений на генетическом уровне, но как биологический вид мы остаемся все теми же. У нас такой же потенциал физической силы, долголетия, привлечения особей противоположного пола, мышления и т. д.

Много тысяч лет назад наш далекий предок (который был у нас общим с шимпанзе и другими крупными человекообразными обезьянами) претерпел значительные эволюционные изменения. Он потерял большую часть волосяного покрова, и у него осталась лишь тонкая чувствительная кожа. Наш предок перешел от передвижения на четвереньках к прямохождению. Размер его мозга сильно увеличился, и голова стала непропорционально большой по сравнению с телом (в то время это, вероятно, воспринималось как не самая привлекательная черта внешности). Рот уменьшился, в результате чего зубы стало труднее использовать в качестве оружия. Исчезло противопоставление больших пальцев на ногах, дававшее ранее возможность обхватывать стопами ветки деревьев.

В целом все эти изменения сделали древнего человека более уязвимым перед хищниками. Голая кожа плохо защищала от когтей и клыков. Ходьба на двух ногах была неустойчивой и неуклюжей. Любой кролик мог обогнать это существо, с трудом удерживавшее равновесие. Похоже, что единственным разумным объяснением всем этим изменениям могло быть то, что они являлись побочными эффектами. Если рассматривать их в сочетании с изменениями поведения, то оказывается, что это приемлемая цена, которую пришлось заплатить за прогресс.

Физические модификации в теле древнего человека являлись, скорее всего, косвенным результатом кардинальных изменений окружающей среды. Резкая смена глобального климата вынудила древнего человека выйти из леса, обеспечивавшего ему хорошую защиту, на открытое пространство саванны. Столкнувшись там с сильными хищниками, он вынужден был в целях выживания изменить свое поведение. В те времена древние люди еще не умели взаимодействовать в составе больших групп. Это мы до сих пор наблюдаем у наших ближайших родственников. Шимпанзе, к примеру, не способны формировать крупные группы и сотрудничать. Если вы сведете вместе несколько самцов, результатом станет кровавое побоище, так как каждый будет стремиться к доминированию.

Древние люди, бродившие по просторам саванн пять миллионов лет назад, видимо, мало чем отличались от самцов шимпанзе. Однако свирепые хищники тех времен, начиная от саблезубых динофелисов и махайродов, достигавших размеров льва, и заканчивая более знакомыми нам гиенами, вынудили их поменять свое поведение. Выжить могли лишь те, кто обладал природными способностями к сотрудничеству. Наши предки начали жить большими группами, что обеспечивало им преимущество перед хищниками. Такие изменения в поведении, возможно, и привели к появлению побочных физических эффектов, которые мы наблюдаем у современного человека.

Примеры подавления агрессии и демонстрацию способности к сотрудничеству мы можем наблюдать у человекообразных обезьян в детском возрасте. По достижении зрелости эта способность к взаимодействию в составе больших групп у наших родственников пропадает. Можно предположить, что среди наших предков б ольшие шансы на выживание в саванне имели те особи, которые не вызывали агрессии своих сородичей, так как выглядели незрелыми и физически недоразвитыми: имели безволосое тело, большую голову, маленький рот и часто стояли на двух ногах. Именно так выглядят детеныши приматов на определенном этапе развития, хотя с возрастом эти черты внешности и поведения исчезают.

Кстати сказать, подобный механизм отбора особей, обладавших чертами детенышей, использовался людьми для одомашнивания животных. Собака, например, имеет гораздо больше схожих черт с детенышем волка, чем со взрослым волком, от которого она произошла. И это не просто теория. В ходе замечательного долгосрочного эксперимента, проведенного в период с 1950‑х по 1990‑е годы, русский генетик Дмитрий Беляев вывел домашнюю породу серебристо-черных лис и тем самым показал, каким образом древние люди сумели превратить волка в собаку.

Спустя 40 лет (что очень долго для эксперимента, но является лишь мигом с точки зрения эволюции) потомки диких лис начали напоминать домашних собак. У них закруглились очертания морды, повисли заостренные прежде уши, увеличилась подвижность хвоста. Окраска шкуры перестала быть однородной, на ней появились цветовые вариации и узоры. Домашние лисы больше времени проводили в играх и охотно признавали лидерство взрослых особей. Чем большую склонность к сотрудничеству они демонстрировали, тем больше становились похожи по внешнему виду и повадкам не на взрослых особей, а на лисят-переростков.

Но вернемся к людям. В процессе налаживания сотрудничества в группе они приобретали все больше инфантильных черт, что выразилось в потере большей части волос на теле, как у современного человека. Исключением стала лишь голова. Волосы на голове растут очень обильно и, в отличие от волос на других частях тела (и от других млекопитающих), продолжают расти в течение всей жизни.

Как и в случае с общей потерей волос, это явление может иметь несколько объяснений. Вполне возможно, что первоначально волосы на голове имели фиксированную длину, но со временем в результате естественного отбора начали расти постоянно. Вероятно, эти мутации закрепились вследствие того, что длинные волосы лучше защищают мозг или рост волос стал побочным эффектом ношения одежды, так как голова оказалась единственной частью тела, не прикрытой одеждой. Возможно, длинные волосы лучше защищали от прямого воздействия солнечных лучей в полдень (а оно может быть весьма сильным, что подтвердит вам любой обладатель лысины). Могут быть и другие, самые разнообразные объяснения.

Вообще-то установление точных «причин» эволюционных изменений – крайне трудная задача, поскольку мы не можем непосредственно наблюдать, что происходило в тот период времени, или провести эксперимент, доказывающий ту или иную теорию. Это немного напоминает ситуацию, когда финансовые аналитики заявляют в новостях, что фондовый рынок рухнул «из-за недостаточного доверия населения к правительству» или по каким-то другим причинам. Никто в точности не знает, почему рынок демонстрирует такую тенденцию развития. Точно так же никто не в состоянии объяснить, почему человечество развивалось в том или ином направлении. Все это лишь предположения.

Затерянные в космосе

Раз уж мы остались без волосяного покрова, важным фактором выживания стало наличие одежды. И под водой, и на Северном полюсе одежда является непременным атрибутом снаряжения. Пожалуй, самым очевидным примером ее защитных свойств может служить космический скафандр. Тело человека никогда не было приспособлено для выживания в космосе. Там царит невообразимый холод – до ‑270 °С. Там нет атмосферы. Условия в космосе не имеют абсолютно никакого сходства с земными. И все же астронавты в специальных скафандрах регулярно выходят в открытый космос.

Однако выжить в космосе в течение короткого времени можно и без специальной защиты. Голливуд любит показывать в своих фильмах, что может произойти с человеком в таких условиях. Все это красиво, но совершенно не соответствует действительности. Самым курьезным образцом может служить основанный на романе Филиппа Дика фильм 1990 года «Вспомнить все» с Арнольдом Шварценеггером в главной роли. В этом фильме люди, оказавшиеся на поверхности Марса без защитного снаряжения, неимоверно раздуваются, а затем лопаются, и их внутренности разлетаются во все стороны.

На самом деле у Марса есть атмосфера (хотя ее давление составляет всего одну сотую от земного). Но даже если бы речь шла о безвоздушном пространстве, человек не раздулся бы и не лопнул. Он, конечно, испытал бы ряд неприятных моментов, когда газы выдавливаются из внутренних полостей тела, но его голова не может лопнуть как воздушный шарик.

Есть еще такая опасность, как закипание жидкости в теле. Чем ниже давление, тем ниже точка закипания любых жидкостей, и в космосе, где давление вообще отсутствует, у вас возникнут неприятные ощущения от пересыхания глаз, с поверхности которых будет улетучиваться вода. В некоторых фантастических романах утверждается, что в этих условиях в сосудах закипает кровь. Это звучит ужасно, но, по данным НАСА, кожа и стенки кровеносных сосудов достаточно упруги, чтобы не допустить этого.

Кто-то может решить, что в условиях космического холода человек мгновенно замерзнет. Однако вспомните о термосе, который сохраняет содержимое горячим в течение длительного времени. В вакууме тепло может передаваться только в виде излучения. Именно таким образом мы получаем тепло от Солнца, лучи которого преодолевают по пути к Земле безвоздушное пространство. Наше тело тоже излучает тепло в виде инфракрасных (невидимых) лучей, однако подавляющая доля его потерь приходится на теплопередачу, при которой поверхность кожи передает тепловые колебания составляющих ее атомов атмосферному воздуху. В процессе теплопередачи движение атомов кожи немного замедляется, а атомов воздуха, наоборот, ускоряется. В вакууме такого произойти не может.

Вы, конечно, потеряете часть тепла, но далеко не так быстро. На самом деле умереть в открытом космосе вы можете от отсутствия воздуха. Но для этого тоже понадобится несколько секунд. В 1965 году в НАСА произошел инцидент, демонстрирующий, что может произойти в таком случае. В ходе тренировок в вакуумной камере у одного из испытателей лопнул скафандр. Испытатель (выживший в результате этого происшествия) оставался в сознании на протяжении 14 секунд. По данным НАСА, предельный срок выживания в условиях вакуума не установлен, но предполагается, что он может составлять от одной до двух минут.

В некоторой степени одежда помогает нам выжить. Однако многие животные, защищенные лишь небольшим количеством меха и утолщенной кожей на подушечках лап, прекрасно чувствуют себя в окружающей среде, а нудисты наглядно демонстрируют, что ношение одежды зачастую обусловлено лишь социальными факторами, а не необходимостью защиты. Эти социальные факторы сформировались очень давно. Тканая одежда появилась не позднее 27 тысяч лет назад. Мы знаем об этом потому, что на раскопках древнего поселения вблизи Павлова (Чехия) были обнаружены образцы глины с отпечатками ткани.

И это отнюдь не самое древнее свидетельство того, что люди пользовались одеждой. В районе деревни Костенки (Россия) были найдены костяные иглы, возраст которых составляет около 40 тысяч лет. Предполагается, что они использовались для сшивания звериных шкур. Однако самые надежные данные, говорящие о том, как давно человек носит одежду, дают нам обычные вши.

Вошь как измерительный инструмент

Когда Роберт Гук впервые опубликовал свой научный труд «Микрография» («Micrographia»), наибольшее восхищение и отвращение вызвало, пожалуй, увеличенное изображение вши. В увеличенном виде вошь представляет собой поистине зловещее существо. Этот мелкий паразит обитает на человеческой коже и питается кровью. Многим еще со школьных времен известно, что головная вошь живет исключительно вблизи корней волос на голове. На других частях тела ее не найти. Однако у нее есть родственник, который относится к месту обитания не столь избирательно.

Платяная (или нательная) вошь произошла от головной вши 50–100 тысяч лет назад. Это удалось установить по изменениям ДНК обоих видов. Чем больше различий в ДНК, тем дальше от настоящего времени отстоит срок разделения популяций головной и платяной вшей.

Этот факт представляет для нас интерес с точки зрения истории одежды, так как считается, что появление платяной вши стало возможным лишь после того, как человек стал носить одежду. До этого она просто не могла выжить на открытом теле. Время появления платяной вши совпадает с временем, когда люди начали переселяться из Африки в места с более холодным климатом, что привело их к необходимости носить одежду.

Погружение в кожу

Тело человека защищено кожей. Как и в случае с волосами, цвет кожи зависит от наличия в ней меланиновых пигментов. Как и волосы, самый верхний слой кожи мертв. Крошечные отмершие чешуйки отслаиваются и опадают, внося немалый вклад в появление пыли в доме. Непосредственно под этим омертвевшим слоем, который носит название рогового, расположены еще два слоя – эпидермис, выполняющий защитные функции, и собственно кожа, или дерма. Клетки дермы постепенно поднимаются к поверхности и отмирают, образуя внешний слой. В дерме размещаются также меланоциты – клетки, производящие пигменты.

Строение человеческой кожи

Чем больше меланина вырабатывают меланоциты, тем темнее цвет кожи. Он свидетельствует о том, какое количество ультрафиолетовых лучей попадало на кожу в местах обитания наших предков. Ультрафиолетовые лучи занимают в спектре место между видимым светом и рентгеновскими лучами. Они обладают достаточной энергией, чтобы, проникнув сквозь кожу, повредить ДНК клеток. У людей, веками живших в краях, где ультрафиолетовое излучение было слабым, например, в северном полушарии, содержание меланина в коже меньше, чем у наших общих африканских предков.

Казалось бы, уменьшение защиты не имеет никакого смысла, а только повышает степень риска для здоровья, если впоследствии вы переедете туда, где солнечное излучение сильнее (например, в Австралию). Но на самом деле это имеет свои преимущества. Дело в том, что организму все равно требуется определенное количество ультрафиолета, который используется в производстве жизненно необходимого витамина D. Этот витамин почти не встречается в продуктах питания, но нужен организму для защиты от таких заболеваний, как, например, рахит. В северных широтах, где солнца мало, первопоселенцам требовалось больше ультрафиолета, проникающего сквозь кожу.

Это привело к тому, что кожа жителей северных регионов стала более бледной, а остатки меланина часто соединяются вместе, образуя родимые пятна и веснушки. Но даже в местностях, где солнца обычно бывает мало, уровень ультрафиолетового излучения может меняться, поэтому кожа сформировала такой защитный механизм, как загар. При сильном воздействии солнечного света меланоциты активизируются, производят больше меланина, и кожа темнеет. Это позволяет ей получать больше ультрафиолета и в то же время защищать более глубокие слои от повреждений.

Из чего все сделано?

Кератин – основной структурный материал внешних слоев кожи и волос – представляет собой белковое соединение. Молекула белка, в свою очередь, состоит из атомов. Если вернуться к волосу, который вы вырвали из головы, и начать рассматривать его под все более сильными микроскопами, то постепенно можно дойти до фундаментальных «кирпичиков», из которых состоит Вселенная. Чтобы понять, как устроено тело, необходимо задать себе вопрос, из чего состоит любое вещество (включая и ваш волос).

У древних греков на этот счет было две теории. Доминирующей была идея, что все на свете состоит из четырех элементов – земли, воздуха, огня и воды. Однако небольшая часть ученых полагала, что если взять любое вещество и начать делить его на все более мелкие части, то в конце концов можно дойти до некоторого предела. Эту конечную частицу они называли atomos (греч. неделимый). Данная теория оставалась невостребованной почти две тысячи лет – до тех пор, пока в начале 1800‑х годов английский ученый Джон Дальтон не сформулировал современную атомную теорию, предположив, что все элементы состоят из различных типов крошечных частиц (атомов), причем каждый тип соответствует конкретному элементу.

Под элементами в данном случае понимались не четыре компонента мира, о которых говорили древние греки, а химические вещества, которые не могли быть получены одно из другого. Это могли быть газы (например, водород или кислород), металлы (например, железо или свинец) и другие вещества (например, углерод или сера). Однако даже в начале XX века большинство ученых считали, что атомы – это скорее удобная концепция, объясняющая химические преобразования, чем реально существующие частицы. Лишь в результате исследований, начатых Альбертом Эйнштейном в 1905 году, было окончательно доказано, что атомы существуют.

Беспокойные молекулы

Атомы похожи на маленьких детей: они не могут находиться в покое. Вода в стоящем на столе стакане кажется неподвижной, но на самом деле молекулы воды находятся в постоянном и хаотичном движении. Эйнштейн догадался, что эффект, впервые обнаруженный шотландским ботаником Робертом Броуном в 1827 году, может быть объяснен именно движением молекул.

Наблюдая в микроскоп за пыльцой примулы в капле воды, Броун заметил, что частицы пыльцы непрерывно движутся. Поначалу он приписал это некой жизненной силе, содержащейся в пыльце, но затем выяснилось, что точно так же ведут себя частицы минеральной пыли и сажи. Дело было не в жизненной силе, а в активности самой воды. Этот эффект назвали броуновским движением. Эйнштейн понял, что оно создается за счет того, что хаотично двигавшиеся молекулы воды натыкаются на частицы пыльцы, и математически обосновал эту теорию. Немного позже, в 1912 году, французский физик Жан Перрен провел серию экспериментов и впервые доказал, что атомы и молекулы действительно существуют.

Сегодня мы можем не только разглядеть отдельные атомы, но и манипулировать ими. В 1989 году группа ученых из компании IBM впервые продемонстрировала, что электронный микроскоп может использоваться не только для наблюдения за объектами, но и для управления ими. В частности, с его помощью они научились перемещать отдельные атомы. Спустя два месяца ученые смогли составить из 35 атомов ксенона заглавные буквы IBM.

Буквы IBM, составленные из атомов ксенона. Публикуется с разрешения «Press Association Images»

Чуть раньше, в 1980 году, Ганс Демельт, работавший в Вашингтонском университете, изолировал ион бария (ион – это атом, в котором либо не хватает электронов, либо присутствуют лишние электроны, за счет чего он имеет электрический заряд). При подсветке лучом лазера ион бария был ясно виден невооруженным глазом в виде светящейся точки, перемещающейся в пространстве. Вы, конечно, можете возразить, что ион увидеть невозможно и что мы видим только отражающийся от него свет. Но ведь именно так мы видим и любой другой объект.

Пустые атомы и парение над стулом

Атомы нашего тела не только очень малы, но и состоят главным образом из пустоты. Если бы вам удалось сжать материю своего тела, сблизив до предела все частицы, из которых состоят атомы, то образовался бы кубик со стороной менее 1/500 сантиметра.

Одним из чудес космоса являются нейтронные звезды, в которых атомы сжаты до такого предела, что пустое пространство в них отсутствует. В одном кубическом сантиметре вещества, из которого состоит нейтронная звезда (это чуть больше кусочка сахара), содержится около 100 миллионов тонн материи. Целая звезда тяжелее Солнца была бы размером примерно с остров Манхэттен.

Но не опасайтесь, с вашим телом такого не произойдет. Без мощного гравитационного воздействия атомы останутся стабильными. Они образуют молекулы, в частности молекулы кератина, из которых состоит волос, и удерживаются вместе благодаря электромагнитной силе – одной из четырех фундаментальных сил, о которых мы более детально поговорим в 6‑й главе. Молекула может состоять из атомов одного элемента. Так, например, молекула кислорода, которым мы дышим, содержит два одинаковых атома. Но молекула может также состоять из атомов различных элементов. К числу сложных молекул относятся, например, хлористый натрий (обыкновенная поваренная соль) и тот же кератин.

Атомы, из которых состоит вся материя, никогда не соприкасаются друг с другом. Чем ближе они находятся друг к другу, тем больше отталкивающая сила, возникающая в результате взаимодействия их электрически заряженных составных частей. Аналогичное явление мы можем наблюдать, если попытаемся сблизить одноименные полюса двух мощных магнитов. Даже когда кажется, что два тела соприкасаются, на самом деле это не так. Допустим, когда вы сидите на стуле, вы фактически не прикасаетесь к нему. Ваше тело парит над сиденьем на бесконечно малом расстоянии, поддерживаемое отталкивающими силами между атомами.

Возьмите пару магнитов и вспомните, какое удивление вызывало у вас в детстве их взаимодействие. Пожалуй, отталкивание одноименных полюсов представляется даже более таинственным явлением, чем притяжение. Но оно происходит всегда, когда сближаются два предмета. Взаимодействие, удерживающее атомы ваших ягодиц от соприкосновения с атомами сиденья, имеет скорее электрическую, чем магнитную природу, но в принципе оно схоже с отталкиванием одноименных магнитных полюсов.

Проникновение во внутренности атома

Уже вскоре после того, как в 1912 году было доказано существование атомов, выяснилось, что само название «атом» не вполне корректно. Атом не является неделимым. В нем имеются составные части. Ученым уже было известно, что атом содержит отрицательно заряженные частицы – электроны, которые могут его покидать. Поначалу предполагалось, что они находятся внутри положительно заряженной массы подобно сливам внутри сливового пудинга (такое описание предложил английский физик Дж. Томсон). Однако один новозеландец с пышными усами, работавший в Кембриджском университете, доказал, что это совсем не так.

Эрнест Резерфорд выдвинул идею бомбардировки атома другими частицами, чтобы понаблюдать за их реакцией. Это то же самое, что бросать мяч в невидимый предмет и по отскоку судить о свойствах предмета. В роли мяча выступали открытые незадолго до этого альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами (позднее было установлено, что альфа-частица – это ядро атома гелия). При попадании на экран, покрытый флюоресцентным составом, эти частицы производили слабые вспышки. Помощники Резерфорда в темной комнате могли наблюдать за вспышками, вызванными отклонением альфа-частиц от золотой фольги.

Сила воображения, без которой немыслима никакая наука, позволила Резерфорду и его команде предположить, что какая-то из альфа-частиц может отразиться от атома золота в прямо противоположном направлении. Так оно в конце концов и случилось. Результат поразил исследователей. По словам Резерфорда, это было то же самое, как если бы артиллерийский снаряд отразился от папиросной бумаги и полетел обратно. Он догадался, что в атоме должно быть маленькое, но очень плотное, положительно заряженное ядро, которое способно оттолкнуть альфа-частицу. Резерфорд впервые предложил знакомую нам картину атома, похожего на Солнечную систему, в центре которой располагалось положительно заряженное ядро (этот термин он позаимствовал у биологии), а вокруг него – отрицательно заряженные электроны, напоминавшие планеты.

Сливовый пудинг Томсона ушел в небытие. Ядро было настолько меньше самого атома, что его сравнивали с блохой посреди кафедрального собора. По размерам оно составляло 1/100 000 от всего атома и состояло из положительно заряженных частиц, названных протонами. Однако в ядре содержалось до 99,9 процента всей массы. На каждый протон приходился один вращавшийся вокруг него электрон, который уравновешивал электрический заряд. В результате атом оставался нейтральным.

Однако даже эта усовершенствованная картина была еще далека от идеала. В 1932 году в ядре была обнаружена еще одна частица – нейтрон. Он обладал такой же массой, как протон, и с его помощью удалось найти объяснение одной загадке. Дело в том, что существует несколько разновидностей одного и того же элемента, которые называются изотопами. Они не отличаются друг от друга в химическом отношении, но их атомы имеют разный вес. Нейтрон помог разъяснить ситуацию. Количество заряженных частиц определяло, что это за элемент и в какие химические реакции он может вступать, а различия в весе атома зависели от количества нейтронов.

Атом не похож на миниатюрную Солнечную систему

Именно так мы до сих пор и представляем себе атомы, из которых состоит наше тело. Однако после 1932 года наука шагнула далеко вперед. Сегодня ученым известно, что электроны не летают вокруг ядра подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Планетарная модель атома доказала свою несостоятельность. Если бы она соответствовала действительности, у нас возникли бы проблемы. Заряженная частица при ускорении испускает энергию в форме света. А ведь вращение по орбите неизбежно связано с ускорением. Дело в том, что ускорение означает изменение не столько скорости как таковой, сколько вектора скорости.

Скорость представляет собой числовую величину, например 50 километров в час. Вектор скорости – это более многозначное понятие, объединяющее в себе и скорость, и направление движения, например 50 километров в час в северном направлении. Ускорение возникает, когда происходит изменение одной из двух составляющих вектора скорости. Так что даже если мы будем продолжать двигаться с той же скоростью 50 километров в час, но изменим северное направление на восточное, возникнет ускорение. Таким образом, если представить себе, что электрон с бешеной скоростью носится вокруг ядра подобно миниатюрной планете, он постоянно будет менять направление движения и, следовательно, находиться в состоянии непрерывного ускорения. А это значит, что он будет терять энергию, испуская свет, и в доли секунды врежется в ядро. Как следствие, все атомы во Вселенной мгновенно самоуничтожатся.

Квантовый переход

Понять, почему мир до сих пор не исчез в грандиозной вспышке света, помогла квантовая теория. Она утверждает, что привычный образ электрона как крошечной частицы, вращающейся по орбите вокруг ядра, неверен. Электрон в любой момент времени находится не в какой-то определенной точке, а одновременно во всех точках, расположенных вокруг ядра, каждая из которых обладает различной вероятностью. Его конкретное местоположение можно установить только в момент наблюдения. Лучше всего представить себе электроны в виде расплывчатого облака вокруг ядра. Конечно, такую картину нарисовать сложнее, поэтому во многих учебниках все еще присутствует старая планетарная модель.

Электроны, создающее это облако, могут существовать только при определенном уровне энергии. Можно представить себе, что они передвигаются по заданным рельсовым путям. Если придать им дополнительный импульс энергии, они перескакивают на другой путь. Но этот импульс должен иметь строго определенную величину, так как электрон не может находиться где-то посредине между путями. Такие фиксированные импульсы энергии называются квантами. От этого слова и произошло название «квантовая теория».

Правда, термин «квантовый переход» («квантовый скачок») в нашей повседневной речи приобрел в последнее время какой-то странный смысл. В физике под ним понимается переход в новое состояние, для которого требуется минимально возможное количество энергии. Поэтому странно слышать, когда квантовым скачком называют какие-то грандиозные преобразования.

Обычно энергию, необходимую для перехода электрона на более высокий уровень, дает свет. Свет несет энергию (и это замечательно, потому что именно так энергия Солнца доходит до нас через безвоздушное пространство космоса). А когда электрон опускается на более низкий уровень, он сам излучает свет. Поскольку электрон может находиться только на одном из предназначенных для него энергетических уровней, эта энергия передается строго определенными порциями – квантами. Свет тоже состоит из определенных порций – частиц, называемых фотонами.

Очарование кварков

Тело человека состоит из молекул, а молекулы – из атомов, каждый из которых содержит протоны, нейтроны и электроны. Однако теперь мы знаем, что прежние представления о протонах и электронах как фундаментальных единицах атома тоже неверны. Протоны и нейтроны состоят из действительно фундаментальных частиц, которые называются кварками. Существует несколько типов кварков, которые отличаются друг от друга ароматом (я не шучу). Выделяют такие ароматы, как очарованный, странный, верхний и нижний, но нас в первую очередь будут интересовать верхний и нижний. Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего.

От этой разницы зависит электрический потенциал протона и нейтрона, так как заряд нижнего кварка составляет ‑1/3, а верхнего – +2/3. В результате положительный электрический заряд протона равен 1, а нейтрон электрически нейтрален. Конечно, неправильно, что заряд частицы представляет собой дробную величину. На самом деле заряд кварка вовсе не 1/3 и не 2/3. Эти величины следует понимать как исходные единицы электрических зарядов. Однако поскольку протоны и электроны были известны еще до открытия кварков и им присвоили заряды, равные единице, нам приходится соглашаться на то, что заряды могут быть и дробными.

Название «кварк» было введено в научный оборот американским физиком М. Гелл-Маном. Первоначально он произносил его как «кворк», но как-то раз наткнулся на одну строку из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мистера Марка!» То, что кварков было именно три, показалось Гелл-Ману символичным, и он стал произносить это слово по-новому.

Запутанная стандартная модель

Дойдя до кварков, мы наконец действительно достигли предела неделимости. Именно из этих фундаментальных частиц состоит тело человека и вся Вселенная.

Физики создали так называемую стандартную модель, которая описывает весь мир, основываясь примерно на девятнадцати различных элементарных частицах. Двенадцать из них – это частицы, составляющие материю. Это кварки, электроны, а также еще несколько загадочных частиц, которые образуются в ядерных реакциях и экспериментах на коллайдере. Еще пять частиц предназначены для передачи различных сил. Так, например, фотон, будучи частицей света, одновременно является носителем электромагнитных сил.

Строение атома. При соблюдении масштаба для показанного размера ядра весь атом был бы около десяти километров в поперечнике.

Выделяют еще пару частиц, которые, может быть, существуют, а может быть, и нет. Это гравитон, который, как предполагается, должен быть носителем гравитации, если она также передается в квантовой форме (что пока еще не находит полного теоретического подтверждения), и бозон Хиггса – главная цель экспериментов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Эта неуловимая частица предположительно придает массу всем остальным элементарным частицам.

Чтобы еще больше усложнить картину, добавим, что каждой частице соответствует античастица. Когда мы говорим об антиматерии, в памяти первым делом всплывает фантастический сериал «Звездный путь» (на антиматерии работали двигатели корабля «Энтерпрайз»). Тем не менее антиматерия так же реальна, как и материя, но обладает некоторыми противоположными свойствами, в частности электрическим зарядом. У каждой из двенадцати частиц материи есть эквивалентная частица антиматерии. Так, например, электрону соответствует антиэлектрон, более известный как позитрон, который имеет не отрицательный, а положительный заряд.

При соприкосновении материи и антиматерии они взаимно уничтожаются (аннигилируют), а их масса полностью трансформируется в энергию. Поскольку количество энергии в материи определяется знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mc², где с означает скорость света (очень большую величину), то при аннигиляции выделяется колоссальная энергия. Килограмм антиматерии, аннигилируя с эквивалентным количеством материи, производит столько же энергии, сколько обычная электростанция может выработать на протяжении двенадцати лет. Правда, в зависимости от того, какой тип антиматерии участвует в этом процессе, могут также образовываться вторичные частицы (нейтрино), которые снижают количество энергии вдвое, но этого тоже немало. Антиматерия является самым компактным источником энергии. В ней содержится в тысячу раз больше энергии, чем в ядерном топливе.

Хотя эти элементарные частицы достаточно хорошо позволяют объяснить все процессы, происходящие в материальном мире, картина получается слишком сложной и запутанной. Поэтому ученые стремятся создать более простую модель для интерпретации основ реальности. Уже многие годы физики работают над различными альтернативными теориями, но ни одна из них пока не может быть признана удовлетворительной.

Твердое тело, жидкость или газ?

Теперь давайте отвлечемся от теоретических размышлений и, глядя на ваш волос, задумаемся об одной интересной проблеме. В школе вас учили, что все вещества могут находиться в одном из трех состояний – твердом, жидком или газообразном. Поскольку очевидно, что волос не жидкий и не газообразный, следовательно, он твердый. Однако его гибкость и пластичность как-то не очень согласуются с понятием твердости. Говоря о твердом веществе, мы представляем себе что-то прочное и стойкое. Можно привести еще один пример, не слишком согласующийся с этой упрощенной классификацией. Нет никаких сомнений в том, что песок состоит из твердых частиц, но он протекает сквозь пальцы, словно жидкость.

Лучше всего разбираться с агрегатными состояниями материи на примере одного из немногих веществ, которые известны нам и в твердом, и в жидком, и в газообразном состоянии. Это вода. Она позволит понять, в чем состоит разница между тремя состояниями материи. Как правило, при переходе из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное атомы отдаляются друг от друга и начинают двигаться быстрее. Все атомы и молекулы находятся в движении, но в твердом теле они колеблются в рамках жесткой структуры, благодаря электромагнитным связям между молекулами. В жидкости структура отсутствует. Определенная связь между молекулами сохраняется, но она уже не такая прочная. В газе молекулы движутся независимо друг от друга.

Казалось бы, этот процесс может происходить бесступенчато, и четких границ между состояниями вещества быть не должно, однако на деле они существуют. Конечно, отдельные молекулы воды, находящейся в жидком состоянии, постоянно переходят в газообразную форму (испарение), но для того, чтобы превратить всю воду в газ, необходимо нагреть ее до определенной температуры – точки кипения, а затем постоянно подогревать, чтобы окончательно разрушить все связи и высвободить молекулы.

Четвертое состояние материи

Наука, которую нам преподают в школе, похоже, находится где-то на уровне викторианской эпохи, когда были известны только три состояния вещества, однако на самом деле их пять. С четвертым состоянием вещества вы сталкиваетесь на каждом шагу. Оно даже более очевидно, чем газообразное, но поскольку школьное образование ограничено мировоззрением XIX века, даже многие взрослые не знают о его существовании, хотя много раз слышали это слово применительно к большим телевизионным экранам. Речь идет о плазме.

Необходимо заранее дать одно пояснение, чтобы устранить возможную путаницу (особенно если учесть, что главным предметом рассмотрения в нашей книге является человеческое тело). Плазма, которую мы в данном случае обсуждаем, не имеет ничего общего с плазмой крови. Плазма крови – это бесцветная жидкость, в которой плавают кровяные тельца. Плазма в физическом смысле – это четвертое состояние материи, следующее после газообразного. (Вообще-то, и в том и в другом случае данный термин выбран не слишком удачно, потому что первоначально в переводе с греческого это слово означало нечто «вылепленное», «оформленное», а мы в обоих случаях имеем дело скорее с бесформенными субстанциями.)

Чтобы убедиться в том, насколько плохо мы понимаем, что такое плазма, достаточно взглянуть в толковый словарь, который утверждает, что это «газ, содержащий ионы вместо атомов и молекул». Давайте пока отвлечемся от ионов и обратим внимание на расплывчатость и неопределенность толкования. Описывать плазму как газ – это то же самое, что назвать жидкость «очень плотным газом, обладающим текучими свойствами». Конечно, плазма больше похожа на газ, чем на жидкость, но все же это нечто совершенно иное – особое состояние материи.

Я уже упомянул о том, что плазма представляет собой более очевидное состояние вещества, чем газ, потому что ее можно увидеть невооруженным глазом. Солнце представляет собой гигантский шар, состоящий из плазмы. В любом пламени содержится плазма, хотя обычное пламя, с которым мы встречаемся в быту, – это все же смесь очень холодной плазмы и газов. Если газ – это состояние, в которое переходит жидкость при нагревании, то плазма – это состояние, в которое переходит газ при продолжении нагревания.

По мере того как газ становится все горячее и горячее, электроны в его атомах приобретают все больше энергии. В конце концов ее становится достаточно для того, чтобы электрон оторвался от атома и покинул его. У большинства атомов есть природное свойство либо терять, либо приобретать электроны. Одни атомы легко теряют электроны и за счет этого превращаются в положительно заряженные ионы. Другие легко заимствуют лишние электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы. Таким образом, ион – это атом, имеющий электрический заряд за счет того, что у него либо не хватает электронов, либо имеются лишние. Вещество, нагретое до такого состояния, что его атомы превращаются в ионы, называется плазмой.

Эксперимент с заварным кремом

Обычно считается, что переход вещества из одного состояния в другое зависит от температуры. Охладите воду – и получите лед. Нагрейте кусок металла – и он расплавится, станет жидким. Однако такой же эффект на некоторые материалы оказывает и давление. Тик-сотропные краски, не дающие подтеков, представляют собой вязкий гель, но при перемешивании переходят в жидкое состояние. Однако нагляднее и забавнее всего влияние давления на состояние вещества можно продемонстрировать на примере заварного крема.

Смешайте порошок для заварного крема «Custard» с водой. У вас получится густая желтая жидкость. Налейте ее в чашку. А теперь опустите в жидкость большой и указательный пальцы на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга и сожмите их. Под давлением пальцев жидкость превращается в сухой порошок. До тех пор пока давление сохраняется, он будет находиться в твердом состоянии. Вы можете даже вытащить его из чашки. Но как только давление ослабнет, он снова станет жидким и стечет с пальцев.

Если заполнить такой жидкостью бассейн, по ее поверхности можно будет даже ходить. Чтобы увидеть это воочию, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем видеофайл Walking on Custard

Плазма очень распространена во Вселенной. В конце концов, все звезды – это огромные сгустки плазмы. Предполагается, что 99 процентов материи в известной нам Вселенной находится в форме плазмы. Отчасти это объясняется тем, что она хорошо видна. Хотя по плотности плазма напоминает газ, она имеет большие отличия. Например, газы обычно являются хорошими электрическими изоляторами, а плазма – прекрасный проводник.

Переход в состояние конденсата

Пятое состояние вещества – это не заварной крем, но от этого оно не становится менее странным. В хорошие дни ученым приходят в голову удачные и приятные на слух термины, такие как «плазма», «фотон», «кварк». Но нередко бывает так, что они называют свое открытие словом, которое никто даже на трезвую голову не сможет быстро повторить пять раз подряд. Пятое состояние вещества носит название конденсата Бозе – Эйнштейна.

Это состояние соответствует самому нижнему концу температурной шкалы и расположено дальше всего от плазмы. Прежде чем мы вплотную займемся конденсатом, имеет смысл немного порассуждать о температуре. Что такое температура? В обыденном понимании это количество тепла. Чтобы что-то нагреть, надо добавить энергии. Но что при этом происходит? Атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. Даже в твердом теле атомы энергично колеблются. В жидкости это движение происходит еще более активно, а уж в газе они носятся как ракеты.

Измеряя с помощью термометра температуру своего тела (около 37 °С), вы измеряете среднюю энергию движения частиц, из которых состоите. Если вы сомневаетесь, что чем быстрее движется тело, тем выше его энергия, представьте себе, что в вас сначала попадает теннисный мяч, летящий со скоростью 5 километров в час, а затем – со скоростью 500 километров в час. В момент удара разница в энергии будет очень ощутимой.

Если вы до сих пор не знали, что температура – это движение атомов, то могли бы, пожалуй, представить себе, что тела можно охлаждать до бесконечности при наличии подходящего холодильника. На самом же деле для замедления движения атомов и молекул существует предел. Они в конце концов просто останавливаются. Такая температура называется абсолютным нулем. На практике ее достичь невозможно, потому что квантовые частицы не могут полностью остановиться.

Эта самая низкая температура составляет примерно ‑273,16 °С. Правда, ученые часто используют другую температурную шкалу, в которой градусы точно такие же, как в шкале Цельсия, но за нулевую отметку принимается абсолютный ноль. Это так называемая шкала Кельвина. 0 °С на ней будет соответствовать примерно 273 К. (Для педантов сообщим, что единицы шкалы Кельвина, в отличие от систем Цельсия и Фаренгейта, называются не градусами, а кельвинами. Таким образом, точка замерзания воды обозначается на ней как 273,16 К, а не 273,16 °К.)

Когда температура вещества подходит к абсолютному нулю, оно начинает вести себя очень необычно. Некоторые вещества превращаются в конденсаты (с технической точки зрения существуют две разновидности: конденсат Бозе – Эйнштейна и фермионный конденсат, но мы в такие дебри залазить не будем). Конденсат – это состояние материи, в котором частицы теряют свои индивидуальные черты. Отсюда возникают такие необычные свойства, как сверхтекучесть, при которой вещество не испытывает никакого внутреннего сопротивления при движении. Жидкость в состоянии сверхтекучести может пробраться через любую сколь угодно узкую щель, поскольку ее молекулы практически не колеблются и не создают трения. Если привести такую жидкость в сосуде в круговое движение, она будет вращаться бесконечно. Еще одним интересным свойством веществ в таком состоянии является сверхпроводимость, то есть полное отсутствие электрического сопротивления.

Но самое удивительное – это реакция веществ в состоянии конденсата Бозе – Эйнштейна на свет. Поскольку конденсат занимает промежуточное положение между обычной материей и самим светом, он может замедлять скорость света или вообще останавливать его. В связи с этим конденсат иногда называют «темным» состоянием. Этот навевающий таинственность термин очень хорошо подходит такому странному феномену.

Всё о материи

Итак, существуют пять состояний вещества. На самом верху располагается плазма, состоящая из ионов высокой энергии. Далее следует газ, жидкость и твердое вещество. Наконец, при предельно низкой температуре возникает конденсат Бозе – Эйнштейна. Казалось бы, это довольно заурядная и скучная тема, но вспомните, что мы пришли к ней, рассматривая один-единственный волос.

Внимательно присмотритесь к нему еще раз. Вы увидите в нем молекулы, состоящие из атомов. В каждом атоме есть состоящее из протонов и нейтронов (за исключением водорода, атом которого настолько мал, что его ядро представляет собой всего один протон) ядро, которое окружено электронным облаком. Каждая частица внутри ядра состоит из трех кварков. Из этих элементарных кирпичиков построено все ваше невообразимо сложное тело.

Вы – то, что вы едите

Но откуда же взялись все эти вещества? Где были эти атомы, прежде чем попасть в ваше тело? На протяжении веков они циркулировали по всей планете, вступая в самые разнообразные реакции. Например, тело человека содержит значительное количество углерода. Откуда он появился? Из употребляемых в пищу растений и животных, а в них он попал из других растений и животных. Если пройти по этой пищевой цепи до самого конца, то окажется, что источником всего углерода являются растения. А откуда они его взяли? Из воздуха.

Растения обладают удивительным свойством добывать для себя строительные материалы из воздуха. Мы привыкли считать углекислый газ чем-то вредным, поскольку он создает парниковый эффект, но учтите, что основное количество углерода, содержащегося в растениях, поступает к ним из атмосферной двуокиси углерода. Это так же верно, как и то, что растения производят кислород, благодаря которому мы можем дышать.

Итак, прежде, чем попасть в организм животных и растений, часть атомов находилась в воздухе, часть в земле и часть в воде. Давайте заглянем еще дальше. Часть атомов входила в состав тел людей, живших до нас. В человеческом организме содержится так много атомов (7 × 1027), что рано или поздно многие из них обязательно окажутся в других людях. В вашем теле есть атомы королей и королев, доблестных рыцарей и придворных шутов.

Некоторые утверждают, что при каждом вдохе в наши легкие попадают один-два атома, которыми дышала Мэрилин Монро. Да, атмосфера достаточно сильно перемешивается, и часть воздуха, который выдохнули другие люди, попадает к нам в легкие. Но атомы, побывавшие в груди у Мэрилин, вряд ли распространяются по земному шару с такой скоростью, чтобы попасть в организм абсолютно каждого человека. Кому-то они достанутся, а кому-то и нет. Однако через несколько сотен лет можно будет с уверенностью сказать, что молекулы Мэрилин присутствуют в теле каждого человека.

Атомы, которые старше Земли

Атомы, из которых состоит ваше тело, переходили из одного организма в другой с самого момента зарождения жизни, то есть более трех миллиардов лет. Древнейшим окаменелым остаткам живых существ примерно 3,2 миллиарда лет. Этот срок можно смело отодвинуть еще на несколько сотен миллионов лет назад, так как уже тогда на планете имелись все химические вещества, из которых зародилась жизнь. Но они не взялись ниоткуда. Земля как планета сформировалась 4,5 миллиарда лет назад (правда, из космоса до сих пор прибывает все новое вещество в виде метеоритов).

До этого все атомы в течение многих миллиардов лет плавали в космосе. Некоторые из них существуют с момента рождения Вселенной. Все атомы водорода, а также часть атомов гелия и лития берут свое начало от Большого взрыва, который, как считается, породил нашу Вселенную. Они появились, когда Вселенная уже настолько остыла, что из чистой энергии начала формироваться материя. Таким образом, весь водород в воде и органических молекулах, из которых состоит ваше тело, существует с момента рождения Вселенной.

Спустя некоторое время под действием силы тяжести водород начал образовывать скопления, из которых появились звезды. Поначалу они сжигали водород, превращая его в гелий. После того как бо́льшая часть водорода была израсходована, звезды начали потреблять гелий, превращая его во все более тяжелые элементы вплоть до железа. Именно тогда и появились такие необходимые для жизни элементы, как углерод и кислород.

Еще позже некоторые из звезд стали настолько нестабильными, что взорвались. Эти катастрофические взрывы называют рождением сверхновых. Обычным звездам не хватает энергии, чтобы произвести элементы тяжелее железа, но взрыв сверхновых порождает такую энергию, что в них могут формироваться все элементы вплоть до урана – самого тяжелого из встречающихся в природе веществ.

Это означает, что вы в буквальном смысле состоите из звездной пыли. Атомы волоса, который вы держите в руке, и все остальные атомы вашего тела появились либо во время Большого взрыва 13,7 миллиарда лет назад, либо внутри звезд 7–12 миллиардов лет назад. Они имеют невероятно древнее происхождение. Мы привыкли считать, что Вселенная – это сфера интересов астрономов и что она слишком далека и никак не связана с нашей земной жизнью. Однако каждый атом вашего тела когда-то прибыл из космических далей.

Сияние звездной пыли

Каждый человек представляет собой уникальное существо, так как атомы для Вселенной – это редкость. На самом деле их не так уж и много. Возможно, вам трудно в это поверить, если учесть, сколько звезд и галактик мы можем наблюдать на небе, но пустого пространства во Вселенной гораздо больше. Предполагается, что во Вселенной содержится примерно 1080 атомов, причем только в той ее части, которая доступна нашему наблюдению. Расстояния в космосе принято измерять световыми годами, то есть дистанцией, которую свет проходит за год. Поскольку он движется со скоростью 300 тысяч километров в секунду, протяженность светового года составляет около 9,5 триллиона километров. Мы можем наблюдать Вселенную в пределах около 90 миллиардов световых лет.

Мы говорим о видимой части Вселенной, поскольку никто в точности не знает, насколько она велика. Правда, существует немало свидетельств того, что Вселенная образовалась 13,7 миллиарда лет тому назад (вообще-то чуть меньше, но пусть вас это не беспокоит). Если бы она до сих пор существовала в неизменном состоянии, то ее видимый поперечник составлял бы около 27 миллиардов световых лет, но Вселенная с самого момента своего возникновения непрерывно расширяется. Поэтому точка, из которой свет стартовал 13,7 миллиарда лет назад, теперь отстоит от нас примерно на 45 миллиардов световых лет.

Вселенная настолько велика, что если равномерно распределить все атомы по ее пространству, то на 6250 кубических метров будет приходиться примерно один атом кислорода. Среди компонентов тела человека первое место по массе занимает вода, а бо́льшая часть массы воды приходится как раз на кислород. Таким образом, среди всех элементов, из которых состоит ваше тело, на первом месте находится кислород (примерно 65 процентов). Таким образом, если бы вся материя распределялась во Вселенной равномерно, то чтобы собрать для вас требуемое количество кислорода, пришлось бы прочесать свыше 9 × 1030 кубических метров пространства. Это куб, каждая из сторон которого имеет длину 20 миллионов километров, что более чем в 50 раз превышает расстояние до Луны.

Еще раз задумайтесь о волосе. Многие люди гордятся своим генеалогическим древом, охватывающим всего несколько поколений. Если семья живет в своем доме на протяжении, скажем, 400 лет, то ее члены считают себя совершенно особенными людьми. Но волос, который вы держите в руке, состоит из атомов, многие из которых родились в момент Большого взрыва и пришли к нам из глубин космоса. Любому из них не менее пяти миллиардов лет. Вот это истинная древность.

Как мы уже установили ранее, ваш волос мертв. Настало время перейти к чему-то более живому. А что может быть живее, чем кровь?

3. Заключенные в клетках

Всем известно, что из резаной раны вытекает кровь. Если у вас есть под рукой стерильная игла и вы не боитесь уколоть подушечку своего большого пальца, чтобы внимательно рассмотреть каплю крови, можете так и сделать (разумеется, если у вас нет заболеваний, которые делают такой эксперимент опасным). Однако в этом нет большой необходимости. Если же вы все-таки решитесь, то боль от укола, возможно, вызовет у вас желание выругаться. Не стесняйтесь, в этом нет ничего страшного.

Ругательства как средство от боли

Исследования, проведенные в 2009 году, показали, что случайно поранившийся человек ругается не просто так, а имеет для этого веские причины. Сравнивая эффект от ругательств с нейтральными словами, ученые обнаружили, что нецензурные слова повышают способность терпеть боль, уменьшая болевые ощущения. Однако, по их данным, этот способ не влияет на мужчин, склонных из всего делать трагедию.

Исследователи полагают, что ругательства разрушают связь между страхом боли и ощущением боли и таким образом не дают сформироваться обратной психологической связи, только увеличивающей страдания. Не знаю, так это или нет, но не думаю, что вы будете испытывать такие уж сильные страдания из-за одной капли крови.

Живая жидкость

Кровь сильно отличается от безжизненного волоса. Ни у кого не возникает сомнений, что кровь ведет себя намного активнее, чем волосы. И все же бывает очень нелегко определить ту точку, где совершается переход от живого к неживому. На атомном уровне кровь ничем не отличается от волос или, скажем, от камней. Да, там мы наблюдаем другой состав атомов (в крови, в частности, больше железа), но и то и другое состоит из атомов, которые образуют молекулы. Тем не менее между живой кровью и мертвым волосом есть разница.

Отличить живое от неживого далеко не так просто, как может показаться на первый взгляд. Прежде чем продолжить чтение, попробуйте составить список как минимум из шести признаков жизни.

В свое время считалось, что живым существам присуща жизненная сила – некая особая форма энергии, которая отсутствует у неживых предметов. Однако ее так и не удалось обнаружить, поэтому данную концепцию уже никто не воспринимает всерьез, кроме псевдоученых. В лучшем случае о жизненной энергии говорят в переносном смысле («Она сегодня просто излучает энергию»).

Признаки жизни

Вместо этого биологи разработали семь признаков, свидетельствующих о протекании жизненных процессов, так как жизнь характеризуется в первую очередь именно процессами.

• Движение – даже растения время от времени совершают движения. В качестве примера можно привести цветы подсолнуха, поворачивающиеся к солнцу.

• Питание – потребление источников энергии в любой форме, будь то растения, животные или солнечный свет.

• Дыхание – процесс, обеспечивающий производство энергии из продуктов питания (как правило, с использованием кислорода, но не всегда).

• Выделение – удаление отходов жизнедеятельности.

• Размножение – создание новых копий самого себя (зачастую с вариациями) для продолжения рода.

• Реагирование – взаимодействие в какой-либо форме с окружающей средой, обычно с использованием органов чувств, регистрирующих различные формы энергии.

• Рост – все живые существа на каком-то этапе своего развития растут, хотя и необязательно на протяжении всей жизни.

На уровне целого организма – растения или животного – действует простое правило: если хотя бы один из указанных признаков отсутствует, объект не может считаться живым. Если все семь налицо, то, возможно, вы нашли то, что искали. Но и в этом случае вопрос «Живое или неживое?» не так прост. Взять хотя бы вирус, заставляющий вас чихать и кашлять во время простуды. В принципе его можно было бы рассматривать как одноклеточное живое существо. Многие одноклеточные, например бактерии, соответствуют всем признакам и, безусловно, являются живыми. А вот вирусы не выполняют одно из условий, касающихся размножения.

Нельзя сказать, что вирусы не размножаются. Именно их размножение создает для вас неприятные проблемы. Однако они делают это, используя механизмы клеток организма человека. В определенном смысле можно сказать, что это вы размножаете вирус, а не он сам. Многие, хотя и не все, биологи не считают вирусы живыми существами. Отчасти это объясняет, почему от них так трудно избавиться. Антибиотики против них бессильны. Прием таких лекарств при простуде и гриппе – пустая трата времени.

Есть ли жизнь в ваших клетках?

Еще труднее решать вопрос о живом и неживом, когда мы рассматриваем только часть организма. Если не принимать во внимание одноклеточные существа, то отдельно взятая клетка или орган, скорее всего, не смогут соответствовать всем критериям. Ваше сердце, к примеру, не способно размножаться.

Жизнь в понимании биолога – это холистическое понятие, которое имеет смысл только для всего организма в целом. В момент смерти животного мы не можем сразу же констатировать изменения во всех клетках, хотя со временем они, безусловно, наступят. Исходя из вышесказанного, мы не вправе говорить, что капля крови из пальца или отдельно взятая клетка тела живы. Между тем в них происходят самые разные биологические процессы, чего нельзя сказать о волосе. Правда, нельзя утверждать и то, что ваша плоть и кровь мертвы, как волос, так как они имеют многие признаки жизни.

Я спросил у одного биолога, специализирующегося на изучении клеток, считает ли он их живыми. Тот с уверенностью ответил, что да, и пояснил: «Это особенно заметно, когда у тебя в лаборатории целый день все валится из рук и ты по ошибке уничтожаешь какую-нибудь клеточную культуру. Клетки – живые. В них происходят метаболические процессы, они делятся и даже двигаются. Если вы посмотрите замедленную съемку, сделанную под микроскопом, то увидите, что клетки динамично вибрируют и пульсируют, «ощупывают» пространство вокруг себя крошечными пальчиками (филоподиями) и вытягивают ножки (ламеллиподии). Некоторые клетки даже ползают. И, разумеется, они размножаются, причем некоторые до бесконечности, как, например, бессмертные раковые клетки. Когда клетка умирает, она втягивает все свои выросты и принимает округлую форму. Затем распадается ее ядро и клетка как бы взрывается. Вернуть ее к жизни после этого уже не удается, что, на мой взгляд, совершенно ясно демонстрирует разницу между жизнью и смертью!»

Но с клетками крови в этом отношении далеко не все так ясно. В отличие от большинства других клеток, у них нет ядра (подробнее об этом мы поговорим чуть ниже) и они перемещаются в потоке крови, никак не связанные между собой. Тем не менее они играют чрезвычайно важную и активную роль в поддержании жизнеспособности всего организма.

Путешествие по кровеносной системе

Если взглянуть на каплю крови, выступившую на месте укола, то можно увидеть только темно-красную однородную жидкость, но под микроскопом хорошо заметно, что она содержит множество мелких объектов. Одни из них – красные кровяные тельца – похожи на плоские лепешки или крошечные сушеные абрикосы. Их функция заключается в транспортировке кислорода от легких к тканям тела.

Эти клетки имеют красный цвет, потому что их главным компонентом является белок гемоглобин (белки – это главные действующие молекулы организма человека). Если удалить из красных кровяных телец всю воду, то 95 процентов сухого остатка будет составлять гемоглобин. Эта крупная молекула прекрасно присоединяет к себе кислород и разносит его по всему телу. Гемоглобин содержит железо, и многие полагают, будто именно это придает ему красноватый цвет, как ржавчине на железных деталях. Однако это просто совпадение. Атомы железа окружены кольцом порфиринов, и именно это органическое соединение придает цвет гемоглобину. Красные кровяные тельца производятся в костном мозге и обычно живут в кровеносной системе в течение примерно четырех месяцев вместе с триллионами других своих собратьев, а затем заменяются новыми.

В числе других обитателей крови можно назвать белые кровяные тельца. Они подразделяются на несколько разновидностей и выполняют функции защитных и очистительных механизмов. Один из видов белых кровяных телец уничтожает отмершие красные кровяные тельца, большинство других охотится за возбудителями инфекций и другими нежелательными объектами, попадающими в организм.

Хотя отдельные белые кровяные тельца нельзя увидеть невооруженным глазом, вы наверняка знаете, как выглядят скопления выполнивших свою работу и умерших белых кровяных телец. Это гной. Целая армия, состоящая из миллиардов белых кровяных телец, непрерывно выискивает и уничтожает пришельцев извне, а также клетки собственного организма, отработавшие свой срок и нуждающиеся в утилизации.

И это далеко не все защитные средства в арсенале крови. Существует такой тип клеток, как тромбоциты. Эти довольно бесформенные клетки, имеющие короткий жизненный срок, отвечают за свертываемость крови, чтобы при случайных царапинах она не вытекала до бесконечности.

Особая молекула

Основным компонентом крови является вода. Плазма крови (напоминаю, что сейчас мы ведем речь не о состоянии вещества), в которой плавают кровяные тельца, содержит в растворенном виде некоторые белки и другие химические вещества, но состоит главным образом из воды. В организме человека много воды – больше, чем какого-либо другого вещества. Вода представляет собой простую молекулу, обладающую удивительными свойствами. Один атом кислорода и два атома водорода составляют самую известную из всех химических формул – Н2О. Вода имеет колоссальное значение для биологии. В связи с этим все наши поиски жизни в Солнечной системе сводятся в основном к поискам воды. Бактерии могут жить при экстремально высоких и низких температурах, они могут обходиться даже без воздуха, но без воды ни одна из известных нам форм жизни существовать не может.

Важность воды для поддержания жизни объясняется рядом ее уникальных свойств. Это единственное вещество, которое встречается на Земле в твердом, жидком и газообразном состоянии. Среди удивительных качеств этой молекулы есть одно, без которого она закипала бы уже при ‑70 °С. В этом случае на Земле не было бы жидкой воды, а следовательно, и жизни. Однако благодаря этому качеству точка кипения воды находится на привычной для нас отметке – 100 °С.

Речь идет о так называемой водородной связи, которая возникает между электрическим зарядом атома водорода и другим атомом, например кислорода, азота или фтора. В случае с водой положительный заряд водорода обеспечивает связь с отрицательным зарядом кислорода в другой молекуле воды. В результате такой межмолекулярной связи молекулы воды становится труднее перевести в газообразное состояние. Это сдвигает точку кипения вверх и таким образом делает нашу планету обитаемой.

Наличие водородной связи придает воде еще одну особенность. Большинство веществ в твердом виде имеют меньший объем, чем в жидком. Однако твердая вода (лед) занимает больший объем, чем жидкая. Именно поэтому мы не рекомендуем замораживать воду в бутылках. Именно поэтому лед плавает по поверхности воды, давая возможность выжить тем, кто обитает подо льдом. Утверждение, что это свойство характерно только для воды, не совсем верно. Уксусная кислота и кремний, к примеру, тоже имеют в твердом состоянии меньшую плотность, чем в жидком, но это все же скорее исключение, чем правило.

Наполните небольшую пластиковую бутылку водой до самого верха, закройте крышкой и поставьте на ночь в морозильную камеру. При замерзании вода расширится и либо разорвет пластик, либо сорвет крышку, либо необратимо деформирует бутылку. Не вздумайте провести этот эксперимент со стеклянной бутылкой, иначе вам придется собирать ее осколки по всему холодильнику.

Причина расширения воды при замерзании заключается в том, что стандартная шестиугольная кристаллическая структура льда не соответствует направлению водородных связей, которые удерживают молекулы воды в жидком состоянии. Чтобы вписаться в кристаллическую структуру, молекулам воды приходится отдаляться друг от друга, что уменьшает ее плотность (кстати, наибольшую плотность вода в жидком виде имеет при температуре 4 °С).

Вода прозрачная, хоть и имеет слегка голубоватый оттенок, что объясняется особенностями преломления в ней света (по этой же причине и небо имеет голубой цвет). Правда, чтобы это разглядеть, необходим большой объем воды, например в горных ледниках.

Важность воды для поддержания жизни объясняется еще и тем обстоятельством, что она является прекрасным растворителем. Благодаря наличию водородной связи она растворяет многие вещества и способна переносить их к живым клеткам. Но и это еще не все. Вода принимает участие во многих химических реакциях, необходимых для обмена веществ в организме. Без нее живая клетка существовать не может.

Крошечные камеры

Я уже неоднократно употреблял в этом тексте слово «клетка». Без него просто не обойтись, если разговор идет об организме. Данный термин ввел в оборот современник (и соперник)

Ньютона Роберт Гук. Он был выдающимся ученым. Его самым известным сочинением была «Микрография» – прекрасно иллюстрированный труд с изображениями, полученными с помощью увеличительных стекол и предшественников современных микроскопов.

Изображение блохи из книги Роберта Гука «Микрография»

Некоторые иллюстрации из этой книги произвели ошеломляющее впечатление на современников. Речь идет прежде всего об увеличенных изображениях блохи и вши. Люди той эпохи были слишком хорошо знакомы с этими насекомыми, но не испытывали никакого желания наблюдать их в таких ужасающих деталях. Гук также поразил публику детальным изображением фасеточного глаза мухи. Изучая тонкие срезы пробки, он обнаружил «скопление бесчисленного множества крошечных камер», которые он назвал клетками. Это название и прижилось в биологии.

Все известные живые существа состоят из клеток или, по крайней мере, из одной клетки. К примеру, простейшая форма жизни – бактерия – имеет только одну клетку, а в нашем организме их триллионы. Каждая клетка – это вместилище жизни. Клетки крови, о которых мы уже говорили, имеют довольно необычное строение, но их более стандартные формы, из которых состоит наше тело, располагают центральным ядром и разнообразными биологическими механизмами, плавающими в окружающей его жидкости.

Молекула-суперзвезда

В ядре клетки находится самое известное из существующих химических соединений – ДНК. Согласитесь, что это настоящая знаменитость в мире химии. Упоминания о каких других молекулах появляются в новостях столь же часто? Нам даже необязательно называть эту молекулу полным именем, так как вполне хватает инициалов (название «дезоксирибонуклеиновая кислота» не так-то легко произносить). Нам достаточно только взглянуть на изображение двойной спирали, чтобы понять, с чем мы имеем дело.

ДНК – это не простое вещество типа соли, например хлористого натрия, молекула которого состоит всего из двух атомов (NaCl). Это сложнейшая структура, предназначенная для хранения информации в химической форме. ДНК в ядре одной из клеток тела (скажем, в клетке кончика пальца) состоит из последовательности длинных молекул, обернутых вокруг белков, которые носят название гистонов. Гистоны играют роль своеобразного веретена, на которое накручиваются нити ДНК.

Возможно, вы видели увеличенные изображения человеческих хромосом. Каждая хромосома представляет собой отдельную молекулу ДНК с сопутствующими гистонами. В ядре каждой клетки находится 46 таких хромосом. Подробнее мы поговорим об этом в главе 7. Пока же достаточно знать, что ДНК в каждой хромосоме – это одна отдельная молекула. Она свернута в клубок и по размерам превосходит любую другую из известных молекул. ДНК в первой хромосоме человека состоит примерно из 10 миллиардов атомов.

Эксперимент по выделению ДНК

У вас есть возможность самостоятельно повторить то, что делают судебно-медицинские эксперты в телесериалах, когда выделяют ДНК из полученных образцов. В данном случае мы будем экстрагировать ДНК из банана. Это один из самых сложных экспериментов в книге, но даже если вы не решитесь его проводить, все же приятно сознавать, что вы сами можете добыть ДНК сравнительно простым способом.

Измельчите банан в блендере до состояния пюре (для этого достаточно всего несколько секунд, чтобы полученная смесь не была слишком жидкой). Смешайте в кружке одну часть жидкого средства для мытья посуды и девять частей теплой воды (скажем, 10 миллилитров средства для мытья посуды и 90 миллилитров воды). Добавьте в раствор щепотку соли. Перемешайте раствор с банановым пюре, чтобы у вас получилась однородная масса без комков, пузырей и пены.

Через кофейный фильтр отцедите из этой кашицы жидкость и поставьте ее в холодное место. Часть полученной жидкости налейте в узкую стеклянную емкость (желательно лабораторную пробирку). Уровень жидкости должен составлять пару сантиметров. Теперь аккуратно добавьте сильно охлажденный спирт, наливая его по стенке, чтобы он образовал слой поверх раствора. ДНК начнет переходить из раствора в спирт, и ее можно будет просто намотать на длинную палочку типа зубочистки.

В идеале следует использовать чистый 95‑градусный этиловый спирт. Если его не удастся добыть, подойдет и спирт для растирания. Алкогольные напитки не обладают должной чистотой. Эксперимент можно проводить не только с бананом, но и с любой другой живой субстанцией, однако банановое пюре получить проще всего. Конечно, в добытом образце будет содержаться примесь белков, но основную его массу составляет все же ДНК.

Молекула ДНК, имеющая вид двойной спирали, очень напоминает винтовую лестницу. Завитки образованы длинными нитями полимера дезоксирибозы – одного из видов сахаров, способных образовывать длинные цепи с повторяющейся последовательностью атомов. Но это лишь каркас молекулы. Самыми важными компонентами являются ступеньки этой лестницы. Каждая из них состоит из пары, образованной соединением четырех азотистых оснований – цитозина, гуанина, аденина и тимина.

Ваш личный код

Эти основания играют ту же роль, что единицы и нули в двоичном коде компьютера (разумеется, аналогия с двоичным кодом условна, потому что оснований не два, а четыре). ДНК в каждой из клеток состоит из шести миллиардов таких пар оснований. Этот код используется для хранения информации, необходимой в производстве различных белков, играющих главную роль в биологическом мире, а также других молекул, которые определяют последовательность формирования и развития организма. Вся эта система работает эффективно, потому что в образовании ступенек всегда участвуют строго определенные пары оснований. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином.

Именно это попарное соединение является ключом к копированию информации. Новые клетки образуются в процессе деления старых. Каждая новая клетка должна получить свою копию ДНК. Для этого две цепи одной двойной спирали разделяются по линии соединения оснований. Хотя обе половинки не идентичны, они легко воссоздадут недостающую часть ДНК, так как основания всегда соединяются одинаково. В результате в каждой новой клетке, появившейся в процессе деления, окажется полная версия ДНК.

ДНК часто сравнивают с чертежом живого организма. У этой молекулы много дел. Посудите сами: организм начинается с одной-единственной клетки. Она делится на две части, потом на четыре и так далее, пока не достигнет окончательной цифры – 50–70 триллионов. Разумеется, это не просто механическое увеличение количества одинаковых клеток. В противном случае вы превратились бы просто в большой однородный сгусток. Что-то должно давать указания клеткам, чтобы они специализировались и образовывали различные органы и структуры тела. В этом и заключается задача ДНК.

И все же сравнивать ДНК с чертежом неправильно. Чертеж дает точные инструкции по строительству того или иного объекта, а ДНК не содержит всех данных, которые позволили бы в точности определить, что и как должно происходить в организме. Не существует никакой связи между количеством генов (базовых информационных кодов ДНК) и уровнем сложности живого существа. Например, рис имеет вдвое больше генов, чем человек. Конечно, это излишне упрощенный подход, в чем мы еще сможем убедиться, более детально изучая гены.

И все же лучше рассматривать ДНК как контрольную компьютерную программу на полностью автоматизированной фабрике, каковой является живой организм. ДНК не содержит всех деталей. Просто различные внешние факторы взаимодействуют с ней, в определенное время активизируя одни ее части и замедляя другие. Тем не менее, как мы увидим в главе 7, ДНК играет колоссальную роль в формировании организма.

Сорок шесть молекул ДНК в ядре клетки не единственные ДНК в организме. На самом деле есть и другие, которые можно считать своего рода пришельцами. Они родились не в человеческом организме.

Пришельцы в ваших клетках

Во внутриклеточной жидкости вокруг ядра вы можете обнаружить структуры, называемые митохондриями. Эти крошечные образования часто называют электростанциями клеток, так как их функция заключается в усвоении кислорода, получаемого в ходе дыхания (его доставляют красные кровяные клетки), и соединении его с химическими веществами пищи. В результате образуется аденозинтрифосфат (АТФ) – молекула, в которой запасается необходимая для организма энергия. Митохондрии представляют собой биохимические зарядные устройства для электрических батарей. Самое удивительное то, что раньше они, по всей видимости, были бактериями, которые впоследствии, в процессе взаимовыгодного симбиоза, стали частью клеток.

Эта теория происхождения митохондрий возникла уже довольно давно, но ее доказательство появилось лишь в 2011 году, когда в море была открыта бактерия с довольно скучным названием – SAR11, имевшая с нашей митохондрией общего предка. Сравнение генов митохондрии и SAR11 показало, что их общим предком была древняя бактерия.

Это сравнение стало возможным лишь потому, что у митохондрий есть собственная ДНК, содержащая всего 13 генов и не имеющая ничего общего с хромосомами, содержащимися в ядре клетки. В отличие от главной ДНК, которая представляет собой комбинацию генов обоих родителей, ДНК в митохондриях передается только по материнской линии. В бывшей бактерии было около тысячи генов, и раньше все они находились в ее ядре. Но со временем, когда бактерия стала митохондрией, большая часть генов, за исключением тринадцати, перешла в хромосомы.

Количество митохондрий зависит от типа клеток. Наибольшее количество (свыше тысячи) содержится в клетках печени. Хотя у митохондрий есть и другие функции, ее главная задача – накопление энергии в молекулах АТФ, которые представляют собой химический эквивалент заведенной пружины в часовом механизме.

В сжатой до предела пружине содержится большой потенциал энергии, которая при высвобождении способна приводить механизм в движение. Точно так же и митохондрия запасает энергию в АТФ. Это химическое соединение с труднопроизносимым названием содержит пару внутриатомных связей, которые соединяют атомы фосфора с единственным атомом кислорода. Эти связи относительно слабы и легко разрываются, в результате чего высвобождается энергия, приводящая в движение мышцы.

Чужие гены

Митохондрии – это не единственные пришельцы в организме человека. Ваша ДНК содержит гены по меньшей мере восьми ретровирусов. Это разновидность вирусов, использующих клеточные механизмы для кодирования ДНК и за счет этого берущие клетку под свой контроль (один из подобных вирусов, в частности, вызывает СПИД). Гены этих вирусов в ваших хромосомах в настоящее время выполняют важные функции размножения, но они абсолютно чужды человеческой ДНК.

Если когда-то митохондрии были бактериями, то теперь они стали частью клеток организма человека. Хотя они не встречаются в простейших одноклеточных существах, но присутствуют практически во всех организмах, клетки которых имеют ядра.

Похоже, что вторжение митохондрий в чужие организмы состоялось на очень ранних стадиях развития сложных форм жизни на Земле. Однако это не единственные бактерии, живущие в вашем теле.

Триллионы нелегальных мигрантов

Глядя на себя в зеркало, задумайтесь о том, что с чисто математической точки зрения в вас больше бактериальной жизни, чем человеческой. В теле человека в 10 раз больше бактерий, чем собственных клеток.

Многие из бактерий, которые называют тело человека своим домом, настроены дружелюбно, то есть не причиняют никакого вреда. Некоторые даже полезны. Они не являются неотъемлемой составной частью нашего организма, как митохондрии, поэтому можно обойтись и без них, но тогда жизнь существенно осложнится. В конце 1920‑х годов американский инженер Джеймс Рейнерс решил выяснить, могут ли животные жить вообще без бактерий. Он надеялся создать мир без бактерий, в котором будет царить здоровье. Рейнерс посвятил всю жизнь созданию безбактериальной среды, в которой можно было бы с момента рождения выращивать морских свинок и других животных.

Оказалось, что это возможно. После уничтожения всех бактерий животные не умирали. Поскольку мир без бактерий сулил избавление от многих болезней, результаты работ Рейнерса стали толчком для широкого распространения всевозможных антибактериальных средств и антибиотиков.

Никто не сомневается в том, что некоторые бактерии чрезвычайно вредны. Однако исследования Рейнерса зашли в тупик. Да, некоторые морские свинки могли обходиться без бактерий, но многие в таких условиях умирали. А тех, кто оставался в живых, приходилось кормить специальной едой. Дело в том, что бактерии, обитающие в кишечнике, способствуют пищеварению. Это имеет особое значение для животных и насекомых, поедающих растения с богатым содержанием целлюлозы. Такая пища расщепляется только с помощью бактерий.

Вы тоже могли бы жить без бактерий, но в отсутствие ферментов, которые производят кишечные бактерии, вам пришлось бы употреблять в пищу только те продукты, которые богаты питательными веществами. Особенно это касается вегетарианцев, так как волокна растительного происхождения не перевариваются исключительно с помощью собственных ферментов. С ними могут справиться только химические вещества, вырабатываемые бактериями.

Это необходимо учитывать при лечении антибиотиками. Хотя каждый отдельный антибиотик убивает лишь определенные микроорганизмы, он не делает различий между «хорошими» и «плохими» бактериями. Ему это безразлично. С таким же успехом он уничтожит и полезные кишечные бактерии. Это значит, что некоторое время после этого вам придется делать упор на продукты, богатые питательными веществами, и, кроме того, избегать инфекций, так как бороться с ними помогают именно кишечные бактерии. Если антибиотик уменьшит численность этих бактерий, их место с легкостью займут другие, возможно, вредные микроорганизмы.

Как ни прискорбно, но я должен огорчить любителей напитков и других продуктов, содержащих пробиотики и другие якобы полезные бактерии. Нет никаких свидетельств того, что они приносят хоть какую-то пользу. Такие бактерии, попадающие в организм вместе с пищей, не вносят заметного вклада в состав микрофлоры. Возможно, употребляющий их человек получает какие-то психологические преимущества типа эффекта плацебо, но реальной биологической помощи они не оказывают.

Значение аппендикса

Бактерии тесно связаны еще с одним органом тела, в отношении которого царит самое большое непонимание. Это аппендикс. Если он у вас до сих пор есть, вы, возможно, задумывались, зачем он нужен. В конце концов, пользы от аппендикса не видно, а если в нем возникают какие-то сбои, то это может привести к такому угрожающему жизни состоянию, как аппендицит. В этом нет никакого эволюционного смысла. Если человек уже длительное время живет с абсолютно бесполезным придатком, то почему он не исчезает?

Лишь относительно недавно было обнаружено, что аппендикс чрезвычайно важен для бактерий, обитающих в пищеварительной системе. Они используют его как своего рода дом отдыха, где можно немного расслабиться после активной работы в кишечнике и пополнить свое количество за счет размножения. Таким образом, аппендикс не так уж бесполезен, как традиционно было принято считать.

Тем не менее странно, что живущие в нашем организме бактерии, в том числе и обитающие в аппендиксе, почему-то неуязвимы для иммунной системы. Клетки крови непрерывно производят антитела (белки, предназначенные для нападения на чужаков и их уничтожения). Именно из-за них операции по пересадке органов сталкиваются с такими трудностями. Наш организм борется даже с абсолютно безобидными клетками чужого человеческого тела, однако в силу каких-то обстоятельств, которых мы еще не понимаем, бактерии почему-то неуязвимы для антител.

Удивляют и результаты недавних исследований, в ходе которых было установлено, что в аппендиксе содержится колоссальное количество антител. Некоторые из них присоединяются к кишечным бактериям, но не уничтожают их, а, наоборот, оказывают помощь. Самым известным из антител в кишечнике и, в частности, в аппендиксе является иммуноглобулин А. Он присоединяется к бактериям, но вместо того, чтобы их убивать, формирует некую защитную структуру, не только позволяющую им спокойно жить и процветать, но и препятствующую их выведению из организма с отходами пищи. Оказывается, антитела протягивают руку помощи полезным кишечным бактериям.

Бактериям неизвестно правило пяти секунд

Бактерии (и вирусы), разумеется, далеко не всегда идут нам на пользу. Хотя некоторые заболевания обусловлены генетическими причинами или сбоями в каких-то процессах жизнедеятельности, причиной большинства из них являются все-таки эти крошечные агрессоры. Существует одно убеждение, о котором, вам, возможно, приходилось слышать еще от бабушки с дедушкой и которое нуждается в проверке с научной точки зрения. Речь идет о так называемом правиле пяти секунд. Оно гласит, что если вы уронили еду на пол, но подняли ее в течение пяти секунд, то есть ее безопасно для здоровья.

Вероятно, это правило зародилось еще при Чингисхане, хотя в те времена люди были не столь привередливы в вопросах еды и речь тогда шла не о 5 секундах, а скорее о 12 часах. Американская школьница Джиллиан Кларк, проходя летнюю научную практику в университете, решила подойти к этому вопросу с научных позиций и пришла к интересным выводам.

Она взяла мазки с пола во многих университетских помещениях, включая спортивный зал, и обнаружила, что пробы содержат на удивление мало бактерий. Помогавшие ей студенты сумели даже сосчитать их точное количество.

Как и ожидалось, в ходе опросов было установлено, что люди охотнее поднимают с земли и отправляют в рот сладости и кондитерские изделия, чем брокколи и цветную капусту.

Но самым важным результатом работы оказалось то, что если на полу обнаруживались бактерии Е. coli, то для того, чтобы заразить еду, им требовалось значительно меньше, чем пять секунд. Таким образом, это правило в данном случае не срабатывает.

«Ползучее» вторжение

Бактерии, безусловно, представляют собой самую распространенную форму чужеродной жизни как снаружи, так и внутри организма, но они не одиноки. У людей бывают и другие незваные гости – вши, блохи и, конечно, глисты. Мы привыкли думать о глистах как о нежелательных паразитах, но в последнее время получены данные, что некоторые из них иногда могут быть полезны.

Возможно, эта мысль покажется вам странной, но, хотя глисты стали нашими компаньонами значительно позже бактерий, мы живем с ними так долго, что организм уже привык к ним. Хотя экспериментов в этом плане было не так уж много (вероятно, потому, что эти существа многим внушают отвращение), есть достаточные основания полагать, что некоторые глисты оказывают на организм положительное воздействие, так как многие системы нашего организма рассчитывают на их присутствие и чувствуют себя без них неуютно. Высказывается мнение, что с тех пор, как мы объявили глистам войну, некоторые болезни стали возникать чаще и что наличие глистов в разумных пределах было бы полезно для здоровья.

Благородные пиявки

Еще одним паразитом, который проявляет положительные качества, является пиявка. Пиявки используются в медицинских целях на протяжении сотен лет, но первоначально их применение основывалось на ложных предпосылках. Медицина лишь сравнительно недавно стала наукой. На протяжении долгого времени она исходила из идеи, которая напоминает древнегреческую концепцию четырех элементов. В соответствии с ней человеческое тело содержит четыре жидкости – кровь, флегму, черную и желтую желчь.

Эти жидкости должны находиться в определенной пропорции. Если, к примеру, у вас в теле слишком много крови (что характерно для сангвиников), то ее излишек необходимо удалить при помощи кровопускания. Такая процедура была широко распространена, но после нее организм пациента нередко ослабевал и справлялся с инфекциями хуже, чем обычно. В связи с этим кровопускание посредством надрезов на коже часто заменяли более щадящим способом – прикладыванием пиявок.

Хотя современная медицина, к счастью, доказала неэффективность кровопускания, пиявки по-прежнему остались в ее арсенале для оказания помощи при возникновении некоторых послеоперационных проблем. Это кровососущее существо нуждается в том, чтобы кровь текла свободно и не свертывалась, для чего, присасываясь к телу жертвы, использует естественные антикоагулянты. В ходе хирургических операций порой возникают состояния, когда образуются сгустки крови, затрудняющие поступление свежей крови в некоторые части тела. Разумное использование пиявок помогает избежать свертывания крови и улучшает кровоток.

Пришельцы на ресницах

В зависимости от вашего возраста можно с достаточной долей уверенности утверждать, что у вас имеются и другие пришельцы. Оказывается, на отмерших клетках у волосяных фолликулов живут крохотные существа – ресничные клещи (демодексы). В отличие от вшей, они питаются только поверхностными выделениями сальных желез и не причиняют человеку вреда, хотя в редких случаях могут вызывать аллергическую реакцию. Они очень малы (длина взрослой особи составляет около 1/3 миллиметра) и почти прозрачны, поэтому разглядеть их невооруженным глазом крайне трудно.

Однако если вы положите ресницу или волос из брови под микроскоп, то обнаружите это крошечное существо, которое большую часть времени проводит на коже непосредственно у корней волос. Они имеются примерно у половины населения (у детей меньше, у взрослых больше). Ресничные клещи не обладают никакими полезными свойствами, как, например, некоторые бактерии, но и беспокоиться по поводу их присутствия не стоит. Они совершенно безобидны.

Увидеть малое

Упомянутые выше миниатюрные пришельцы по-настоящему стали частью нашего сознательного восприятия собственного тела, когда появились микроскопы. Развитие этой технологии привело нас к пониманию процессов, происходящих в клетках. Первые наблюдения объектов под увеличением, проведенные Гуком, осуществлялись с помощью сильной одиночной линзы на массивной подставке, которая уменьшала вибрации. Примерно такой же техникой пользовался и Антони ван Левенгук, первым сообщивший о существовании бактерий (1674). Но подлинный прогресс начался лишь с появлением составного микроскопа.

Оказалось, достаточно вставить в круглый корпус две линзы, чтобы кардинально расширить наши познания о микроскопической жизни. Одна линза (объектив) размещалась близко к изучаемому объекту и создавала с обратной стороны его увеличенное изображение. Эта «виртуальная» картинка, которую нельзя было увидеть, находилась как бы в пространстве. Другая линза (окуляр), в свою очередь, еще больше увеличивала это изображение.

Данным изобретением мы обязаны отцу и сыну Хансу и Захарию Янсенам из Голландии. Они были мастерами по изготовлению очков и в 1590 году создали первый составной микроскоп. В то время Ханс был еще мальчиком. Впоследствии он приобрел даже большую известность, чем отец, так как всю свою карьеру посвятил изготовлению оптических инструментов, однако основная заслуга в создании микроскопа принадлежит все же Захарию.

Современные знания о строении тела стали еще шире с появлением других технологий, которые позволили увидеть невидимое. Первым настоящим прорывом в данной области стала в свое время аутопсия (вскрытие трупа), которая в течение долгого времени была запрещена. Эта процедура позволила понять многое из того, что происходит внутри организма, но она имела свои ограничения, так как не могла проводиться на теле живого человека. Современная техника предлагает для этого несколько возможностей.

Всепроникающие лучи

Настоящая революция произошла в 1895 году, когда немецкий ученый Вильгельм Рентген, экспериментируя с трубкой Крукса, случайно совершил открытие. Это был прообраз катодной трубки, которая впоследствии широко использовалась в телевизорах и мониторах компьютеров до изобретения жидкокристаллических и плазменных экранов. Испускавшиеся этим устройством «катодные лучи» представляли собой поток электронов, которыми можно было управлять с помощью электрического и магнитного полей. Попадая на фосфоресцирующий экран, электроны вызывали свечение.

В телевизорах такие экраны устанавливались в передней части, но у Рентгена он случайно оказался слева от прибора. Включив трубку, ученый с удивлением заметил, что экран засветился, хотя по бокам трубка была обмотана картоном. Было похоже, что электроны, попадая в металлическую мишень, генерировали какой-то новый вид излучения, которое распространялось во все стороны и было настолько мощным, что проходило сквозь картон.

Рентген назвал этот новый вид излучения икс-лучами. «Икс» в названии символизировал нечто неизвестное и загадочное. Однако научной общественности это не понравилось, и впоследствии они стали называть новое явление рентгеновскими лучами.

В то время, как, впрочем, и сейчас, публикации в научной периодике иногда попадали в поле зрения прессы, и статья Рентгена об открытии икс-лучей произвела фурор среди широкой общественности благодаря одной фотографии. Она изображала руку его жены, сфотографированную в рентгеновских лучах. Лучи прошли сквозь мягкие ткани, но не через кости. Впервые на фотографии можно было увидеть часть человеческого скелета внутри тела. Интересным было и то, что жена не сняла обручальное кольцо (хотя, очевидно, пыталась сделать это, так как оно сдвинуто к суставу фаланги пальца), которое отобразилось на фотографии в виде густого черного пятна.

Возможности медицинского применения нового изобретения были настолько очевидны, что первый в мире рентгеновский аппарат был установлен в больнице города Глазго уже в 1896 году, то есть спустя всего год после открытия. Врачи, работавшие с рентгеновскими лучами, не соблюдали никакой осторожности. Более того, возможность видеть сквозь тело очень увлекала широкую публику. Даже в начале XX века в научно-популярных журналах публиковались инструкции по сооружению собственного рентгеновского аппарата в домашних условиях. В детстве с помощью такого устройства я мог сам наблюдать кости своих стоп, обутых в ботинки.

Лишь намного позже стало понятно, что использование замечательных свойств рентгеновских лучей сопряжено с риском. Рентген с самого начала догадывался, что эти лучи представляют собой разновидность световых. Так оно и оказалось. Рентгеновские лучи – это, по сути, тот же видимый свет, но обладающий куда большей энергией. Мы знаем, что электроны могут перескакивать на более высокий уровень при поглощении фотона – кванта световой энергии. Однако рентгеновские лучи обладали такой энергией, что могли выбивать электроны из атома. Это явление называется ионизирующей радиацией.

Сама по себе ионизация представляет собой довольно обычный процесс. Она происходит, например, при растворении соли в воде. Таким образом, все жидкости в организме человека содержат массу ионов. Однако ионизирующая радиация, проникая в клетки тела, создает свободные радикалы – очень активные молекулы, значительно повышающие риск возникновения рака. Естественной защитой организма от свободных радикалов являются антиоксиданты. В связи с этим в последнее время усиленно рекламируются продукты с антиоксидантами, которые якобы полезны для здоровья. Однако все исследования говорят о том, что антиоксиданты, принимаемые с пищей, не идут ни в какое сравнение с анти-оксидантами, вырабатываемыми самим организмом, поэтому практически бесполезны.

Опасность ионизации, вызванной фотонами высоких энергий, означает, что чрезмерного воздействия рентгеновских лучей на организм следует избегать. Именно поэтому рентгенологи работают за защитными экранами. Однако для пациентов риск весьма невелик, особенно если учесть, что мы непрерывно подвергаемся воздействию естественной радиации. Радиация, исходящая из природных источников, присутствует вокруг нас постоянно. Рентгеноскопия грудной клетки, к примеру, создает такой же уровень облучения, как полет на самолете в течение 10 часов.

Томография и ядерный резонанс

Для того чтобы без вскрытия выяснить, что происходит внутри тела человека, врачи сегодня располагают самыми разными средствами. Компьютерная томография – это те же самые рентгеновские лучи, но они способны на такое, о чем до появления компьютера и подумать было невозможно. Томография представляет собой последовательное фотографирование одного слоя исследуемого участка тела за другим.

С помощью сложной компьютерной обработки из этих снимков составляется объемное изображение внутренних тканей тела, которое можно рассматривать под любым углом.

Еще один хорошо известный метод называется МРТ – магнитно-резонансная томография. Сначала он носил название ЯМР (ядерный магнитный резонанс), но поскольку слово «ядерный» вызывало у людей ассоциации с ядерной радиацией, от него пришлось отказаться, хотя страхи были совершенно напрасными, так как имелись в виду ядра атомов в теле. Никакого облучения пациентов не происходило.

Снимок головы автора, сделанный с помощью компьютерной томографии. Вертикальные полоски отмечают отдельные слои, зафиксированные в томограмме

Протоны в ядре атома могут вести себя как маленькие магниты. МРТ использует сильное магнитное поле, которое ориентирует магнитные поля протонов в молекулах воды в определенном направлении. Затем сканер посылает пучок радиоволн определенной частоты (радиоволны представляют собой разновидность световых волн относительно низкой энергии), который на короткое время отклоняет магнитный момент (спин) протонов. После этого протоны быстро возвращаются в исходное состояние, излучая фотоны, которые могут быть зафиксированы. Поскольку разные виды тканей и жидкостей в теле реагируют на этот процесс по-разному, создается возможность различать их по количеству испускаемых фотонов и выводить полученное изображение на сканер.

Охота за неуловимыми нейтрино

Фотоны электромагнитного излучения определенной частоты – это не единственные частицы, способные проникать сквозь твердые тела. Каждую секунду сквозь наше тело проходит около 50 триллионов частиц, которые носят название нейтрино. Эти частицы испускаются Солнцем и другими космическими источниками. Нейтрино поистине неуловимы. Их так трудно обнаружить, что, хотя существование этих частиц было предсказано еще в 1930‑е годы, их впервые удалось зафиксировать лишь спустя двадцать лет. По результатам эксперимента, проведенного в 2011 году в ЦЕРНе (Женева), было высказано предположение, что нейтрино могут двигаться быстрее скорости света, а кое-кто даже заявил, что это означает крах теории относительности Эйнштейна.

Поскольку нейтрино с такой легкостью проникают сквозь тело человека, может показаться, что они прекрасно подходят для медицинского сканирования. Но дело в том, что ни одна структура не представляет для них ни малейшего препятствия. Они проходят через тело человека так же легко, как через вакуум. Более того, они могут пролететь сквозь всю нашу планету, как будто ее и нет. Обнаружить их можно лишь в том случае, когда один из нейтрино случайно столкнется с атомом, что вызовет образование и разлет вторичных частиц. А вот увидеть нейтрино мы не сможем.

Нейтринные телескопы обычно устанавливают в шахтах глубиной в несколько километров, поскольку на такую глубину не долетит ни одна другая частица, которая могла бы вызвать реакцию в ванне с жидкостью или другим материалом, используемым в качестве детектора. Подобные устройства предназначены для того, чтобы создать с их помощью нейтринную картину Солнца. Картина получается не слишком подробной – всего несколько точек – и то при условии, что Земля в этот момент обращена к Солнцу противоположной стороной.

Самым мощным детектором нейтрино является обсерватория «IceCube» на Южном полюсе. В этом удивительном сооружении, построенном в апреле 2011 года, в качестве вещества для детектора используется квадратный километр льда, а обнаруживающая аппаратура находится на глубине 2,5 километра и фиксирует крошечные вспышки, когда какой-нибудь из нейтрино сталкивается с атомом находящегося наверху льда. Лед выполняет функции не только детектора, но и препятствия для других частиц, которые могли бы давать ложные вспышки. Есть что-то завораживающее в мысли о том, что крошечные искорки в толще антарктического льда – это следы нейтрино, родившихся в ходе ядерных реакций в далеком космосе.

Нейтрино, за которыми не может угнаться даже свет

Уже упомянутое открытие, сделанное в ЦЕРНе, вероятнее всего, окажется бурей в стакане воды. В эксперименте (который не имеет ничего общего с работой на Большом адронном коллайдере) нейтрино посылались на расстояние 732 километра. В конце данной дистанции было зафиксировано несколько нейтрино. При этом оказалось, что они прибыли к точке назначения на 0,00000006 секунды раньше, чем должны были. Самой вероятной причиной данного феномена является неправильное измерение расстояния. К моменту написания этой книги указанный результат не был повторен ни в одной другой лаборатории.

Но даже если измерения были проведены верно, то следующим по степени вероятности объяснением могло бы быть то, что нейтрино просто нарушают установленные правила. Неправильно утверждать, как это делали авторы многих статей в то время, что современная физика исходит из постулата, будто ничто не может двигаться быстрее скорости света. Специальная теория относительности говорит, что такого, скорее всего, не может произойти, но возможность преодоления этого барьера все-таки существует. Более того, уже было проведено несколько успешных экспериментов, в которых частицы двигались быстрее скорости света.

Этот феномен является следствием известного в квантовой механике туннельного эффекта. Один из необычных аспектов квантовой физики заключается в том, что нельзя абсолютно точно сказать, где именно находится данная частица. Существует лишь вероятность ее местонахождения в той или иной точке. Это значит, что частицы при определенных условиях могут «перепрыгивать» через препятствие, не пересекая пространство, которое оно занимает.

Это звучит странно и непривычно, но именно таков принцип существования нашего Солнца (и любой другой звезды). Для того чтобы началась реакция термоядерного синтеза, необходимо максимально близко подвести друг к другу положительно заряженные протоны. Но даже колоссальной температуры и давления внутри Солнца не хватит, чтобы запустить такую реакцию. Тем не менее она происходит, но только благодаря тому, что каждую секунду миллиарды частиц туннелируются через барьер взаимного отталкивания и сливаются.

Схема, демонстрирующая действие туннельного эффекта

Тот же самый туннельный эффект используется и для того, чтобы заставить частицу двигаться быстрее света. Все дело в том, что, преодолевая барьер, частица не пересекает занимаемое им пространство. Вместо этого она исчезает по одну сторону барьера и в то же мгновение появляется по другую сторону. Представьте себе, что фотон проходит 1 сантиметр со скоростью света, затем туннелируется через барьер протяженностью 1 сантиметр и после этого проходит еще 1 сантиметр со скоростью света. В результате он проходит общую дистанцию со скоростью 1,5с (с – скорость света).

Я не утверждаю, что это произошло в эксперименте с нейтрино, но могу себе представить, что причиной могло быть нечто похожее. И это не означает краха специальной теории относительности даже в том случае, если эксперимент был проведен корректно и в его результаты не закралась ошибка (что наиболее вероятно). Теория относительности подвергалась проверке не один раз, и каждый раз доказывала свою состоятельность.

Как бы то ни было, нейтрино в обозримом будущем не войдет в арсенал медиков для исследования нашего тела, хотя такие обсерватории, как «IceCube», представляют большой интерес для астрономов. И все же в исследованиях Вселенной, как и в изучении нашего тела, главную роль играет свет – основной инструмент изучения ближнего и дальнего пространства. Наше тело прекрасно владеет этим инструментом.

4. Свежим взглядом

Ваши глаза – это самое замечательное устройство для восприятия окружающего мира. А связь между вами и всей остальной Вселенной обеспечивается с помощью света. В этой главе мы попробуем понять, что и на каком расстоянии вы можете увидеть своими глазами. Выйдите ясной ночью из дома и взгляните на небо. Просто пять минут посмотрите на звезды. Если у вас есть время, возьмите стул и понаблюдайте за звездами немного дольше. На первый взгляд в них нет ничего необычного, но их созерцание – одно из самых ярких и захватывающих событий в жизни.

Пояс Ориона

Давайте, к примеру, взглянем на созвездие Ориона (оно хорошо видно во всем мире с ноября по февраль, а во многих странах и круглый год).

Созвездия – это вотчина астрологов. Для науки они не имеют никакого значения, если не считать, что с их помощью легче находить на небе нужные звезды. Наш мозг приучен познавать мир в образах. Мы постоянно ищем знакомые образы и порой находим их даже там, где их нет. Такие созвездия, как Орион, Кассиопея и Южный Крест, буквально бросаются в глаза, так как их привычные очертания легко распознаются мозгом.

Лишь немногие люди способны разглядеть в созвездиях очертания классических персонажей, в честь которых они названы. Например, Орион – это мифологический охотник, держащий в руках дубинку. Однако общее очертание созвездия весьма узнаваемо, в частности, по трем близко расположенным звездам, образующим прямую линию. Это пояс Ориона.

Созвездие Ориона

Как уже было сказано, созвездия как таковые имеют значение для астрономов лишь с точки зрения ориентации на небе и присвоения звездам названий. Сами же их очертания – это в значительной мере иллюзия. Звезды, принадлежащие к одному созвездию, могут находиться на огромных расстояниях друг от друга. В частности, средняя звезда пояса Ориона находится от нас вдвое дальше, чем большинство других звезд созвездия, но мы этого не замечаем.

Звезды получают свои имена в соответствии с системой, которая впервые была представлена в 1603 году в звездном атласе немецкого астронома Иоганна Байера. Каждая звезда в созвездии имеет название, состоящее из двух частей. Первая часть представляет собой букву греческого алфавита, а вторая – название созвездия в родительном падеже. Теоретически алфавитный порядок звезд должен соответствовать их яркости, но Байер не всегда придерживался этого правила. Так, например, три звезды в поясе Ориона официально именуются дельта Ориона, эпсилон Ориона и дзета Ориона. Принцип яркости здесь нарушен. Звезды просто перечислены в алфавитном порядке с севера на юг.

Звезды, не входящие в состав созвездий, обычно получают скучные имена, состоящие из букв и цифр. Чтобы еще больше запутать ситуацию, самые известные звезды получают «клички», которые зачастую более известны, чем имена, приведенные в системе Байера. Так, например, самая яркая звезда Ориона (и шестая по яркости на всем звездном небе), находящаяся в правом нижнем углу созвездия, носит официальное название бета Ориона, но более известна как Ригель.

Точно так же вторая по яркости звезда, альфа Ориона (в верхнем левом углу), больше известна как Бетельгейзе. Она тоже входит в десятку самых ярких звезд и имеет выраженный красноватый оттенок. Бетельгейзе – громадная звезда. Если бы она занимала место Солнца, то доходила бы почти до орбиты Юпитера.

Но раз уж мы обратили внимание на Орион, я хочу, чтобы вы взглянули на среднюю звезду пояса – эпсилон Ориона, известную также как Альнилам. Настало время потренировать свои глаза.

Если вы никогда внимательно не смотрели на ночное небо, то, вероятно, не замечали, что некоторые звезды (и, по крайней мере, одна планета) отличаются по цвету. В следующий раз, когда небо будет ясным, найдите пару минут, чтобы внимательно рассмотреть звезды. Через некоторое время ваши глаза станут более чувствительными и вы заметите, что некоторые звезды имеют красноватый оттенок, а некоторые – голубой. Если вы увидите очень яркую звезду выраженного красного цвета, то это, скорее всего, не звезда, а планета Марс.

Альнилам – самая удаленная от нас звезда Ориона, поэтому мы не замечаем, что это чрезвычайно яркий голубой гигант. Альнилам очень молод по звездным меркам. Его возраст всего около четырех миллионов лет (для сравнения: нашему Солнцу уже 4,5 миллиарда лет). Он расположен в 1340 световых годах от Земли.

Взгляд в прошлое

Как уже было сказано, световой год – это дистанция, которую свет проходит за год. С учетом того, что скорость света составляет 300 тысяч километров в секунду, это очень большое расстояние. Альнилам находится от нас примерно в 12 686 155 200 000 000 километрах. Сравните это с максимальным расстоянием, на которое человек отдалялся от Земли в ходе полета на Луну (каких-то 385 тысяч километров), и поймете, что на Альнилам мы полетим еще очень не скоро. Однако вы можете просто открыть глаза и без всяких вспомогательных средств увидеть объект, удаленный от вас на 12 686 155 200 000 000 километров. Ваши глаза – поистине чудесный инструмент исследований.

При взгляде на созвездие Ориона на ум приходит еще одно необычное обстоятельство. Поскольку свету требуется время, чтобы добраться до нас, мы видим звезды такими, какими они были, когда испускали этот свет, а не такими, какие они сейчас. Поскольку главные звезды Ориона находятся на разном расстоянии от нас, мы наблюдаем их в разное время прошлого. Альнилам, например, мы видим таким, каким он был 1340 лет назад, то есть в VII веке. Подумать только, как многое изменилось на Земле, пока до нас шел свет от Альнилама!

Волна или частица?

Давайте проследим за светом Альнилама со времени его зарождения до того момента, когда его обнаружил наш глаз. Свет состоит из крошечных нематериальных частиц энергии, называемых фотонами. Вероятно, в школе вам рассказывали, что свет имеет волновую природу. Его удобно рассматривать в виде волны, потому что фотоны в ряде случаев ведут себя так, словно действительно являются частью волны. И все же луч света от Альнилама – это поток фотонов.

Когда мы говорим о длине волны или частоте света, то имеем в виду только уровень энергии фотонов. Данная характеристика воспринимается глазом как цвет и говорит о том, к какой части электромагнитного спектра принадлежат фотоны. Этот спектр простирается от радиоволн, микроволн и видимого света до излучений высоких энергий типа рентгеновских и гамма-лучей.

Причина, по которой фотоны ведут себя как волны, заключается в том, что им присуща такая характеристика, как фаза, которая циклически меняется. Представьте себе, что к каждому фотону прикреплены крошечные часы, стрелка которых очень быстро совершает оборот на 360 градусов. В любой данный момент времени эта стрелка (фаза) указывает в определенном направлении, которое соответствует положению фотона на воображаемой волне.

Из сердца звезды

Фотоны, которые достигают ваших глаз, промчавшись сквозь пространство космоса, зарождаются в сердце звезды в процессе реакции термоядерного синтеза. В такой звезде, как Солнце, ядра двух атомов водорода сливаются и образуют ядро следующего по тяжести элемента – гелия. При этом теряется небольшая часть массы, которая превращается в энергию в соответствии с самой знаменитой физической формулой Е = mc².

Приведенная формула демонстрирует нам, насколько велика эта энергия. Символ «с» в этом уравнении, возведенный в квадрат, соответствует скорости света. Таким образом, из крошечной массы мы получаем огромное количество энергии, которая излучается в виде фотонов (и других частиц) в центре звезды. Практически мгновенно фотоны сталкиваются с другими частицами и поглощаются ими, в результате чего излучаются другие фотоны. Этот процесс повторяется вновь и вновь по мере того, как свет постепенно пробивается к поверхности звезды. Могут пройти миллионы лет, прежде чем фотон в конце концов покинет Солнце.

В Альниламе этот процесс выглядит немного иначе, поскольку протекает с такой интенсивностью, что весь водород там, вероятно, уже выгорел, и звезда производит другие элементы, но конечный эффект остается тем же. После серии реакций в глубинах звезды, в ходе которых фотоны непрерывно излучаются и поглощаются, один из фотонов в конце концов достигает поверхности и покидает ее. После миллиардов столкновений его энергия в этот момент намного ниже, чем изначальная. Если в момент зарождения энергия фотона была в диапазоне гамма-лучей, то теперь она снижается до видимого спектра света. Именно в таком виде он и улетает в пространство.

Звездный путь длиной в 1340 лет

Как только фотон покидает поверхность звезды, его уже ничто не может остановить, если только он не будет чем-то уничтожен. Свет должен двигаться с определенной скоростью, в противном случае он просто не может существовать. Итак, он летит в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Подавляющее большинство фотонов, излучаемых звездой Альнилам, никогда не достигнет Земли. Однако очень незначительная часть, включая и фотон, за которым мы пристально следим, движется строго в нашем направлении.

На протяжении 1340 лет этот фотон пересекал пространство и вот, наконец, вошел в атмосферу Земли. Если ему повезет, его не поглотит ни одна из молекул воздуха. А такая печальная судьба грозит многим фотонам. Именно поэтому космический телескоп «Хаббл», установленный на спутнике, может делать куда более качественные фотографии, чем наземные телескопы. Воздух в земной атмосфере поглощает некоторую часть света. Хотя молекула воздуха в конечном счете все равно испустит поглощенный фотон, она необязательно направит его в том же направлении. Поэтому свет в воздухе рассеивается, а те фотоны, которые продолжают движение в нашем направлении, немного сбиваются с пути, из-за чего возникает впечатление, будто звезда слегка колеблется и мерцает.

Наконец фотон достигает вашего глаза. Возможно, это тот же самый фотон, который покинул Альнилам 1340 лет назад. Все это время он летел в космосе только для того, чтобы исчезнуть, попав в ваш глаз. Если вы носите очки, он прекратит свое существование чуть раньше. Когда фотон проходит через такое вещество, как стекло, он может неоднократно поглощаться и излучаться повторно. Но даже если вы не носите очков, то это будет уже не тот же самый фотон, так как процесс поглощения и повторного излучения будет совершаться уже в вашем глазу. И все же процесс будет запущен именно тем фотоном, который 1340 лет летел до вас от Альнилама.

Искажающая линза

В конце концов фотон попадает на сетчатку, находящуюся на задней стенке глаза. Вместе с многими другими фотонами он будет сфокусирован на маленьком пространстве сетчатки с помощью линзы, которая находится в глазу. Как и во всех оптических устройствах, работа этой линзы основана на отклонении луча света при переходе из одной среды в другую. Это явление называется преломлением света.

Эксперимент с изогнутым карандашом

Наполните прозрачный стакан водой на две трети (лучше, если у стакана будут вертикальные стенки) и поместите туда карандаш так, чтобы он стоял в стакане под наклоном. Посмотрите на то место, где он входит в воду. Создается впечатление, что в этой точке карандаш слегка изогнут и в месте входа в воду его положение становится почти вертикальным. Искажение не слишком велико, но вполне заметно. Это результат преломления света при переходе из воздуха в воду. То же самое происходит при его переходе из воздуха в стекло, например в линзу.

Традиционно этот феномен объясняют тем, что свет замедляется, переходя в более плотную среду, например в стекло линзы (или, в данном случае, в воду). Согласно закону сохранения энергии, при этом переходе возрастает частота, то есть волны следуют друг за другом чаще. Если вы представите себе широкий пучок света, попадающий на стекло под углом, то часть пучка, проникающая в стекло, должна увеличить частоту, а та часть, что еще находится в воздухе, сохранит прежнюю частоту. За счет этого происходит искривление волн.

Квантовая теория подходит к проблеме света и материи совершенно иначе. В соответствии с ней фотон может избрать любой из возможных путей, но с разной вероятностью. При прохождении по избранному пути он сохраняет уже упомянутое нами свойство изменения фазы с течением времени. Поскольку пути у каждого фотона разные, то и фаза при входе в стекло у каждого из них будет разной.

Чтобы понять, что происходит в действительности, необходимо произвести сложение всех фаз. Какие-то из них окажутся противоположно направленными и взаимно компенсируют друг друга. Останутся те фазы, которые ориентированы примерно в одном направлении – на путь, который потребует от фотонов минимального времени на прохождение. Хотя в принципе каждый фотон может избрать любой из потенциальных путей, на практике он ленив и пойдет по самому быстрому. Возможно, вы подумали, что это будет кратчайшая дистанция, то есть прямая линия, но ваш навигатор в автомобиле частенько доказывает, что лучше иногда сделать крюк по пустым дорогам, чем избрать прямой маршрут и потом торчать в пробках в центре города.

Принцип спасателя

Переходя из воздуха в воду или стекло, свет ведет себя так же, как спасатели на пляже. Представьте себе такого спасателя в красном жилете, который замечает, что кто-то тонет. Первое побуждение, которое возникает в таких случаях, – бежать к утопающему по прямой линии. Но это не самый быстрый путь. Лучше пробежать некоторое расстояние вдоль берега до того места, откуда плыть будет короче. Ведь бежать по земле всегда быстрее, чем плыть по воде. Общая дистанция при этом несколько увеличивается, но человек, терпящий бедствие, получит помощь быстрее.

То же самое происходит, когда свет переходит из менее плотной среды в более плотную (например, стекло или воду). Поскольку свет в стекле движется медленнее, он сможет попасть к месту назначения быстрее, если сначала проделает лишнюю часть пути по воздуху, а затем пройдет более короткую дистанцию в стекле. Это и есть «принцип спасателя», который экономит время на дорогу.

Во всех этих рассуждениях мы исходим из предположения, что скорость света в стекле замедляется. Но замедлить ее не так-то просто. На самом деле свет в любой среде должен двигаться с одинаковой скоростью. В противном случае он просто прекратит существование. Квантовая теория объясняет, почему такое замедление все же происходит. Фотоны постоянно взаимодействуют с материей, особенно с электронами, находящимися на периферии атомов. При слишком сильном сближении электрон поглощает энергию фотона и тем самым повышает уровень своей энергии.

Правда, в этом случае электрон обычно становится менее стабильным. Он с легкостью перескакивает в прежнее энергетическое состояние и излучает новый фотон. Возможно, этот фотон полетит в том же направлении, а может, совершенно в другом. В большинстве случаев в прозрачной среде реэмиссия фотона осуществляется в прежнем направлении, и прямолинейность движения света сохраняется. Но на поглощение и реэмиссию тратится определенное время. В связи с этим скорость света замедляется.

В непрозрачном веществе вторичные фотоны испускаются не в том направлении, в котором двигались прежде. Именно эти фотоны попадают в наши глаза, и в результате мы видим объект. Мы привыкли считать, что свет отражается от предметов, словно мяч от стенки, и попадает к нам в глаза. На самом деле он поглощается предметом и излучается повторно. Большинство объектов лучше поглощают свет определенной части спектра (превращая его в тепло). В зависимости от того, какую часть спектра объект поглощает и какую испускает, мы можем видеть его цвет. Например, если объект поглощает все цвета радуги, кроме красного, мы видим его красным.

Взгляд сквозь чечевицу

Поскольку линза, в том числе и та, что имеется в нашем глазу, по форме напоминает зерно чечевицы (само слово «линза», кстати, происходит от латинского lет – чечевица), пучок света, преломившийся в месте входа, проходит сквозь нее и повторно преломляется в точке выхода. Изогнутая поверхность линзы приводит к тому, что фотоны, летевшие первоначально в разных направлениях, собираются в одну точку. Если говорить о линзе, находящейся в передней части нашего глаза, то она фокусирует изображение отдаленных предметов на сетчатке, благодаря чему мы можем их видеть.

Однако у линз есть одна проблема: они по-разному реагируют на разные цвета. Степень преломления света зависит от его цвета. Именно по этой причине луч белого света, прошедший через призму, дает на выходе радужный спектр. В двояковыпуклой линзе синий цвет отклоняется чуть сильнее остальных, а красный, наоборот, чуть слабее. В результате изображение, полученное с помощью такой линзы, будет искажено за счет размытого радужного обрамления по краям.

Обычно эту проблему решают, добавляя к двояковыпуклой линзе корректирующую двояковогнутую или используя вместо линзы зеркало. Изогнутые зеркала тоже фокусируют лучи света, идущие с различных направлений, но при этом не проявляют избирательности по отношению к цветам.

Отчасти именно поэтому почти во всех астрономических телескопах используются не линзы, а зеркала. Такие телескопы (рефлекторы), кроме того, значительно короче, чем рефракторы, построенные на основе линз и имеющие такую же степень увеличения.

Затемненное зеркало

Как и в случае с непрозрачными объектами, отражение света от зеркала совершенно не похоже на отскок мяча от стенки, если взглянуть на этот процесс с точки зрения квантовой теории. Попадая на поверхность зеркала, фотон может отразиться от него под любым случайным углом. (Слово «отразиться» я использую здесь только для краткости. Не забывайте, что фотоны не отражаются. Каждый фотон сначала поглощается зеркалом, а потом испускается вновь, но конечный эффект выглядит так, словно происходит отражение.)

Представьте себе луч света, попадающий на зеркало, и отражающийся от него в ваши глаза. В соответствии с квантовой теорией он не попадает в центр зеркала и не отражается затем под тем же углом в ваши глаза, как рисуют на картинках в школьных учебниках. Фотоны имеют возможность с разной вероятностью избрать любой возможный путь и попасть на любой участок зеркала, а затем под самыми разными углами отразиться от него и, возможно, попасть в ваш глаз. При этом каждый фотон обладает фазой, меняющейся с течением времени. Если сложить вместе все вероятности путей, которые могут избрать фотоны, и фазы, которые они имеют на протяжении пути, то большинство из них окажутся взаимоисключающими. В конечном итоге останется только путь, по которому свет может пройти за наименьшее время. Обычно при этом угол падения света на зеркало равен углу отражения.

Отражение света от зеркала с нанесенными темными полосами

Но если все остальные вероятности взаимно компенсируют друг друга, то это еще не означает, что их не существует. И вы можете в этом убедиться. Если вы чем-нибудь закроете зеркало, оставив открытым только небольшой участок в середине, то, естественно, не сможете получить отражение от закрытой поверхности. Но нанесите на открытый участок тонкие темные полосы, и вы увидите то, чего не должны были бы видеть, если бы свет отражался под «правильным» углом. Дело в том, что эти полосы помогают увидеть и другие пути фотонов, чьи фазы ориентированы в одном направлении.

Но даже если вам не охота самим возиться с нанесением полос на зеркало, вы все же сможете увидеть отражение под необычным углом, вызванное квантовым эффектом. Видимый белый свет представляет собой смесь различных цветов, каждый из которых при попадании на полосатое зеркало должен отражаться под разным углом. И такое зеркало есть практически у каждого из вас. Это компакт-диск. Поверните его к себе зеркальной стороной и слегка наклоните по отношению к источнику света. Радужный узор, который вы увидите, объясняется рядами бороздок на поверхности, которые позволяют выборочно отражаться только фотонам, пути которых имеют определенную вероятность. В результате различные участки спектра отражаются по-разному и под неожиданным углом.

Искаженные цвета

Зеркала прекрасно фокусируют свет, не разлагая его на составляющие цвета, но ваш глаз не смог бы работать, если бы в нем вместо линзы было зеркало. Устройство глаза таково, что зеркало не сможет направить лучи света от Альнилама (или любого другого объекта) на воспринимающую поверхность. Поэтому глаз вынужден использовать линзу, а это значит, что неизбежна хроматическая аберрация (цветовое искажение). Если бы вы могли видеть подлинное изображение, которое создается линзой в глазу, то оно имело бы окантовку из радужных полос по краям. Однако, как мы увидим ниже, мозг старается создать из поступающих сигналов наилучшее из возможных изображений, поэтому «исправляет» его, устраняя попутно и аберрационный эффект.

Это значит, что, используя различные цветовые сочетания на картине, мы можем создать иллюзию трехмерности изображения или, скажем, эффект, который будет создавать дискомфорт для зрения. Например, красные буквы на синем фоне вызывают неприятные ощущения при чтении. Такой ярко выраженный цветовой контраст вызывает сильную хроматическую аберрацию, и мозг с трудом справляется с устранением этого эффекта.

Эксперимент с линзами в вашем глазу

Отличный пример того, как мозг оказывается неспособным справиться с сильной хроматической аберрацией, вы можете увидеть на сайте www.universeinsideyou.com. Выберите на странице раздел Experiments и в нем тему The lenses of your eyes. Там вы увидите два варианта написания слова «Illusion». Даже трудно понять, почему эти изображения вызывают у вас неприятное чувство, но все дело в том, что мозг изо всех сил старается справиться с чрезвычайно сильной цветовой аберрацией.

В связи с этим, кстати, интересно упомянуть, что вы не способны видеть свет как таковой. Подобное утверждение может показаться противоречащим всякой логике, но я имею в виду, что увидеть свет так, как, например, дерево или собаку, невозможно. Свет, попадающий на сетчатку глаза, со здает зрительный образ. Да, вы видите предметы, когда они излучают или отражают свет и его фотоны взаимодействуют с вашими зрительными рецепторами. Но вы не способны видеть свет, проходящий мимо вас.

И это хорошо. Пространство вокруг вас заполнено светом и другими невидимыми формами электромагнитного излучения. Солнечный и искусственный свет, радиоволны, сигналы мобильных телефонов и других беспроводных средств связи – все это, по сути, одна и та же разновидность энергии. Если бы все эти потоки были видимыми, то мы вообще ничего не смогли бы разглядеть в этой мешанине. Если вы направите луч света в черную трубу и посмотрите внутрь через окошко, вырезанное в ее стенке, то ничего не увидите. Луч, проходящий внутри трубы, невидим. Его можно увидеть лишь в том случае, если что-то внутри трубы будет его рассеивать (например, дым, который используется во всевозможных лазерных шоу).

Ловля фотонов

На задней стенке глазного яблока располагается сетчатка – своеобразный экран для восприятия света. Именно на нее проецируется изображение Альнилама, когда вы смотрите на ночное звездное небо. Этот экран покрыт сетью, состоящей примерно из 130 миллионов крошечных сенсоров, имеющих две формы – палочек и колбочек. Палочки воспринимают только черно-белое изображение. Их насчитывается порядка 120 миллионов, и они значительно чувствительнее, чем три вида колбочек, которые воспринимают цвет. При слабой освещенности колбочки вообще не работают. В этих условиях мы видим окружающую действительность черно-белой. Не только дети, но и многие взрослые отказываются верить в это, пока не убедятся на собственном опыте.

Если вы тоже сомневаетесь в неспособности глаза различать цвета при слабой освещенности, плотно зашторьте окна или дождитесь ночи. Посидите пару минут, чтобы глаза привыкли к темноте. Если вы вообще ничего не видите, включите ночник и накройте его покрывалом.

А теперь осмотритесь вокруг. Взгляните на свою одежду, кожу, окружающие предметы. Конечно, все выглядит немного не так, как в черно-белом кино, но цвета вы различить не сможете. Если цвет вам все-таки виден, значит, света еще слишком много. Уменьшите освещенность до такого уровня, чтобы очертания предметов были едва различимы, и попробуйте еще раз.

При цветном зрении используются комбинации трех первичных цветов – красного, синего и зеленого, из которых можно скомпоновать все остальные цвета. Возможно, вам приходилось слышать, что основными цветами являются синий, красный и желтый, но на самом деле это упрощенная версия для школьников, в которой речь идет о вторичных цветах – голубом, пурпурном и желтом, которые являются визуальными негативами первичных. Вторичные цвета используются для смешивания красящих пигментов, поскольку пигменты поглощают первичные цвета света.

Ночное зрение сильно отличается от цветного и регистрирует только уровень освещенности. Однако имеется и смешанный тип зрения (так называемая мезопия или сумеречное зрение), когда используются оба вида чувствительных элементов сетчатки. При этом возникают совершенно особые ощущения. Сумеречное зрение обладает необычными чертами. Пожалуй, именно этим объясняется тот факт, что в сумерках людям часто видятся призраки и другие визуальные феномены. Это как раз то время, когда зрение чаще всего обманывает нас, поскольку обе системы соперничают между собой, снабжая мозг визуальной информацией.

Цветовые колбочки сконцентрированы в центре сетчатки. Если же освещение слабое, то порой мы видим лучше, глядя на предмет не прямым, а боковым зрением. В этом случае изображение фокусируется на палочках, которых больше на периферии сетчатки. Похоже, наши глаза специально устроены таким образом, чтобы в темноте можно было боковым зрением заметить подкрадывающегося хищника. Три типа колбочек воспринимают, соответственно, красный, синий и зеленый цвета, хотя эти диапазоны у них в значительной степени перекрываются. Скорее, можно сказать, что их максимальная чувствительность настроена на один из цветов. Не у всех животных можно наблюдать такой набор светочувствительных элементов. Одни вообще не различают цветов. У других, в частности у собак, цветовое зрение сильно ограничено, так как у них в сетчатке только два типа колбочек.

Из глаза в мозг

Фотоны, прошедшие путь от Альнилама до вашего глаза, достигают наконец задней поверхности сетчатки (как ни странно, световые рецепторы глаза повернуты задом наперед и обращены не вперед, а назад, что может объясняться какой-нибудь эволюционной ошибкой). На поверхности каждого сенсора находятся специальные светочувствительные молекулы (фоторецепторы). Когда электроны этих молекул поглощают фотон, возникает слабый электрический импульс, который служит пусковым механизмом для отправки сигнала в мозг.

Перед передачей в оптический нерв сигналы комбинируются. Количество нервных волокон, подходящих к глазу, намного меньше, чем количество рецепторов, поэтому на одно нервное окончание поступают сигналы сразу от нескольких чувствительных элементов, что требует некоторой предварительной обработки сигналов. Как правило, нервы от правого глаза посылают информацию в левое полушарие мозга, и наоборот, однако некоторое количество нервных волокон не перекрещивается, поэтому часть сигналов от правого глаза обрабатывается правым полушарием параллельно с сигналами, поступившими от левого глаза. Перекрещивание нервных путей позволяет нам получать трехмерное изображение, а вот у птиц, к примеру, глаза в значительной степени работают независимо друг от друга и перекрещивание зрительных нервов выражено намного слабее.

До сих пор мы имели дело только с электрическими сигналами, посылаемыми в мозг. Затем мозг начинает обрабатывать эту информацию, используя набор модулей, отвечающих за различные аспекты зрения. Эти модули не ограничены какими-то определенными участками мозга, а имеют, скорее, функциональный характер. В их задачу входит фиксация движения, выделение деталей, определение формы, соотнесение с привычными визуальными моделями и т. п.

После первоначальной обработки данных мозг создает на их основе образ. Он конструирует ночное небо со звездой Альнилам в центре. Все это совершенно не похоже на фотографию. То, что вы «видите», – это образ, искусственно сконструированный мозгом на основе сигналов и их обработки. Можно даже сказать, что он менее реален, чем обычная фотография.

Искусственный образ мира

Такая искусственная природа зрения является причиной возникновения оптических иллюзий. Ваш мозг непрерывно конструирует образы такими, какими они, по его мнению, должны быть, а не такими, какими их видят глаза. Так, например, на сетчатку проецируется перевернутое изображение, но мозг переворачивает его с головы на ноги. Этот феномен можно доказать с помощью специальных очков, переворачивающих изображение. Уже через несколько часов мозгу это надоедает и он восстанавливает правильную ориентацию картинки. Даже в таких очках люди опять начинают все видеть нормально.

Еще один пример того, как мозг вас обманывает, – это способ, с помощью которого он устраняет слепое пятно. Часть вашей сетчатки в том месте, где к ней подходит зрительный нерв, не обладает чувствительностью, так как там отсутствуют сенсоры. Однако ваш мозг, совмещая информацию, поступающую от двух глаз, ликвидирует этот пробел в изображении. Точно так же, когда вы смотрите на звезду в ночном небе, вам кажется, что ваши глаза не движутся и взгляд устремлен в одну точку. В действительности же глаза непрерывно совершают мелкие, как бы ощупывающие движения.

Эти движения глаз помогают мозгу создать более детальную картину окружающего мира. Совершаются они очень быстро – быстрее, чем любой другой частью тела. Глаз при этом поворачивается на 10 градусов менее чем за 1/100 секунды. Если бы вы действительно наблюдали все то, что отображается на сетчатке, картинка была бы расплывчатой и скачущей, но мозг постоянно редактирует его и устраняет то, что необязательно нужно видеть.

Эксперимент по введению мозга в заблуждение

Перед вами простой пример, позволяющий понять, каким образом ваш сложнейшим образом устроенный мозг может приходить к ложным выводам о форме и цвете предметов.

Все мы знакомы с тем, как должна выглядеть шахматная доска, а мозг хорошо разбирается в эффектах света и тени. Однако рисунок специально выполнен таким образом, чтобы ввести его в заблуждение. Вы совершенно отчетливо видите, что один из черных квадратов А в верхней части доски намного темнее, чем белый квадрат Б. На самом же деле оба квадрата окрашены в абсолютно одинаковый серый оттенок.

Это достаточно легко проверить, если согнуть страницу и совместить оба квадрата. Вы сами увидите, что их окраска совершенно одинакова. Если вы не хотите мять книгу, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Chessboard experiment. В видеоролике квадрат А сдвигается к квадрату Б и вы можете собственными глазами увидеть, что они имеют абсолютно одинаковый оттенок.

Оптическая иллюзия на шахматной доске

Квантовая реальность

Вы уже неоднократно слышали о том, что фотон, который пересек пространство, чтобы вы могли увидеть звезду, является квантовой частицей. Но что это на самом деле значит? В последнее время слово «квант» часто употребляется совершенно не к месту, особенно когда рекламируются какие-то новшества вроде «квантовой вибрационной терапии» или превозносится «квантовый скачок» в развитии какой-то отрасли. Это лишь создает путаницу в головах.

В физическом смысле квант – это мельчайшая возможная часть, самая крошечная порция чего-либо существующего. Как мы уже видели, первоначально это слово употреблялось по отношению к частице, которую позже назвали фотоном, но сегодня квантовая физика занимается изучением и других мельчайших частиц.

Когда в начале XX века в научной среде появилось понятие кванта, все очень быстро поняли, что это нечто очень странное и необычное, своего рода Страна чудес, где частицы ведут себя совсем не так, как более крупные объекты в привычном нам повседневном мире. Бросая мяч, мы можем предсказать, как он себя поведет (при наличии достаточной информации). Но когда мы имеем дело с местоположением или характером движения квантовой частицы, речь может идти только о вероятностях. Вероятность трансформируется в точные данные только в момент измерения.

Опыт Юнга

Пожалуй, самой яркой демонстрацией странностей квантового мира может служить эксперимент, который был проведен в начале 1800‑х годов Томасом Юнгом с целью доказательства волновой природы света. Для этого луч света направлялся через пару узких прорезей и затем попадал на экран, установленный на некотором отдалении. Вместо того чтобы высветиться на экране в виде двух ярких полос, он образовывал последовательность расплывчатых светлых и темных участков.

Опыт Юнга

Это рассматривалось как доказательство волновой природы света, так как пятна на экране представляли собой интерференционный узор. Когда две волны на поверхности воды сталкиваются под некоторым углом друг к другу, возникает характерный узор. Если в точке соприкосновения обе волны находятся в верхней точке, их фазы складываются, образуя дополнительный подъем. Если обе находятся в нижней точке, в месте соприкосновения образуется более глубокая впадина. Если же в момент соприкосновения одна волна находится в верхней фазе, а вторая – в нижней, они взаимно компенсируются, и в этом месте можно наблюдать ровную поверхность воды. Это и есть интерференция. Очевидно, свет в этом опыте вел себя так же: темные полосы на экране обозначали компенсацию фаз, а светлые – их сложение.

Такая интерференция была бы невозможна, если бы свет представлял собой поток частиц. Представьте себе поток мелких частиц, направляемых в стену с двумя прорезями.

Они просто пролетели бы сквозь щели в прямом направлении, не образуя никаких узоров. Но, как вы уже знаете, свет – это поток фотонов. Почему же происходит интерференция? К слову, даже если вы будете запускать фотоны через щель по одному, они все равно создадут интерференционный узор. С чем же они в таком случае взаимодействуют?

Вот тут-то и начинаются квантовые странности. Это происходит из-за того, что фотон проходит сквозь обе щели и интерферирует сам с собой! Вспомните, что квантовая частица может избрать любой возможный путь от А до Б, но с разной вероятностью. Поскольку фотон не имеет точного местоположения, а только комбинацию вероятностей, он проходит через обе щели. Вероятность того, где он может быть найден, распределяется подобно волне, и именно эта вероятность создает интерференционный эффект частиц.

Если вы поставите специальные детекторы, которые будут определять, через какую именно щель прошел фотон, интерференционный узор исчезнет, а на экране появятся яркие точки, чего и следовало бы ожидать, если бы фотоны были просто частицами. При проведении измерений фотон вынужден занимать определенное положение в пространстве, а не распределяться по нему в соответствии с вероятностью, поэтому проходит только сквозь одну щель. Достаточно лишь обратить внимание на фотон, чтобы он полностью изменил свое поведение.

Неопределенность правит бал

Квантовая теория может показаться слишком расплывчатой и неопределенной наукой, но имейте в виду, что каждый раз, глядя на что-то, вы запускаете квантовый процесс. Все ваше тело состоит из атомов, каждый из которых состоит из квантовых частиц. Пожалуй, самым известным термином, относящимся к квантовым частицам, является принцип неопределенности. Его иногда интерпретируют так, что в квантовом мире не существует ничего определенного, но на самом деле за этой концепцией стоит совсем другая философия. Принцип неопределенности (его еще иногда называют принципом Гейзенберга по имени сформулировавшего его немецкого физика) гласит, что чем большей информацией вы располагаете об одних свойствах квантовой частицы, тем меньше будете знать о других. Например, чем точнее вы можете определить местоположение частицы, тем неопределеннее будет ее момент (масса, умноженная на скорость). Если вам точно известен момент, это значит, что частица может находиться во Вселенной где угодно.

Чтобы лучше понять принцип неопределенности, представьте себе, что фотографируете частицу. Предположим, ваш фотоаппарат имеет такую малую выдержку, что вам удалось сделать четкий снимок частицы в пространстве. Вы можете рассмотреть ее во всех деталях. Но по фотографии вы не сможете определить, куда и как она движется. Может быть, она вообще стоит на месте, а может, несется с бешеной скоростью. Если же выбрать выдержку снимка подольше, то изображение будет размазанным. По такой фотографии вы мало что сможете сказать о том, как выглядит частица, поскольку изображение будет слишком нечетким, но зато сможете сделать вывод о том, с какой скоростью она движется. Примерно так же выглядит и компромисс между определением момента частицы и ее местоположения.

Полная путаница

В квантовом мире есть еще много (очень много!) вещей, от которых голова идет кругом, но мне хотелось бы вкратце упомянуть самую примечательную из них – так называемую квантовую запутанность. Она заключается в том, что между двумя квантовыми частицами может существовать такая тесная связь, что они являются фактически единым целым, даже если одна из них попадает в ваш глаз, создавая зрительный образ, а другая в этот момент находится в космосе на расстоянии нескольких световых лет.

Квантовый спин – удивительная вещь. Он происходит от английского слова spin, что значит «вращение», но частица не вращается вокруг своей оси, как Земля. Спин – это просто одна из числовых характеристик частицы. Если вы проводите его измерение, то на выбор может быть только две возможности: спин направлен либо вверх, либо вниз. До начала измерений ничего сказать о спине невозможно. Существует лишь вероятность одного из двух результатов.

Предположим, что эта вероятность составляет 50:50. Это значит, что в половине случаев измерения данной частицы вы получите «верхний» спин, а в половине – «нижний». Но пока вы не проведете измерение, определить, какой результат будет получен, невозможно, поскольку частица находится не в каком-то одном из этих состояний, а в обоих сразу. Точно так же фотон может следовать по любому из возможных путей до тех пор, пока вы не вычислите его местонахождение.

Представьте себе, что у нас есть тесно связанная пара таких квантовых частиц. Если мы измерили спин одной из них, то можем с полной уверенность говорить, что у второй он будет в этот момент противоположным. (Создать такую запутанность между двумя частицами можно несколькими способами. Самый простой из них состоит в том, чтобы одновременно создать два фотона из одного и того же электрона.)

А теперь начинается самое интересное. Вы можете отдалить эти частицы друг от друга на любое расстояние – хоть послать на другой конец Вселенной, – но если в ходе измерения вы определили, что у одной из них верхний спин, то можете знать наверняка, что у другой он будет нижним.

Казалось бы, что тут такого? Если мы возьмем, к примеру, монету и распилим ее вдоль, то у нас получится две половины: одна – орел, а другая – решка. Вы, не глядя, кладете одну половину к себе в карман, а другую, опять же не глядя, отправляете куда-то очень далеко. А теперь взгляните на половинку, которая лежит у вас в кармане. Если на ней орел, то вы сразу же понимаете, что на другой должна быть решка. Для этого не надо быть семи пядей во лбу. Однако с квантовыми частицами все обстоит не так просто.

Половинки монеты изначально являются либо орлом, либо решкой. Если же вы имеете дело с запутанными частицами, то их спин заранее не определен. Каждая из них в момент измерения может с 50‑процентной вероятностью находиться либо в одном, либо в другом состоянии. Обе частицы идентичны. Лишь когда вы обращаете внимание на одну из них и ее спин в этот момент случайно оказывается направлен вверх, вторая частица, где бы она в это время ни находилась, будет иметь нижний спин. Информация о состоянии друг друга мгновенно преодолевает просторы Вселенной. Вполне возможно, что в будущем можно будет таким образом хранить секретную информацию и получать ее в любой момент, когда только потребуется.

Если бы можно было использовать этот механизм для пересылки сообщений, они доходили бы до адресата мгновенно, где бы он ни находился. Правда, этот эффект проявляется случайно и не может нести значимую информацию. Вы не можете произвольно выбирать верхний или нижний спин.

Но даже в этом случае свойство квантовых частиц обмениваться информацией на огромных расстояниях может найти полезное применение. С его помощью можно так надежно шифровать сведения, что современным компьютерам для расшифровки понадобилось бы время, сопоставимое с возрастом Вселенной. Существует также возможность квантовой телепортации, основанной на создании точных копий частиц на значительном удалении.

Единое целое из квантовых частей

Возможно, самым большим парадоксом квантовой теории является существование вашего тела. Как мы уже видели, каждый его атом состоит из квантовых частиц. Ваши органы чувств используют электрические и химические импульсы, в которых также задействованы квантовые частицы. Когда вы видите свет, пришедший от отдаленной звезды Альнилам, это значит, что квантовая частица пересекла пространство космоса, а квантовый процесс помог вашему глазу ее обнаружить.

Ваше тело – это квантовая машина, и все же вы способны воспринимать обычный, неквантовый мир, которому не свойственна неопределенность и в котором вещи не могут одновременно находиться в нескольких разных местах. Мне бы очень хотелось найти объяснение этому, но не получается. Ни один ученый не может понять, почему квантовые частицы ведут себя так, а материальные объекты, из которых они построены, – совершенно по-другому. Пока мы можем только пожать плечами и сказать: «Так уж устроен мир».

На пределе зрения

Давайте еще раз посмотрим на ночное небо. Если вы находитесь в Северном полушарии, то можете понаблюдать еще за одним объектом, который позволит раскрыть возможности вашего тела. Кассиопея – одно из самых узнаваемых созвездий (здесь снова вступает в действие способность распознавать знакомые образы). Пять ее главных звезд, образующих большую букву «W», невозможно не заметить (хотя вам она может больше напоминать букву «М»).

Однако в данный момент нас больше интересует не сама Кассиопея.

Если мысленно отнять от «W» правую «V» и представить ее себе в виде наконечника стрелы, то острие укажет на объект, находящийся на расстоянии, примерно равном ширине самой Кассиопеи. Это значительно менее известное созвездие – Андромеда. В той точке, куда сейчас устремлен ваш взгляд, находится маленькое размытое пятнышко света, едва видимое невооруженным глазом. Если вы посмотрите на него в сильный бинокль, то заметите, что это не обычная звезда.

Расположение галактики Андромеда

Если вы видите это крохотное пятнышко, значит, способны разглядеть самый маленький объект, доступный человеческому глазу без увеличения. Это туманность Андромеды – ближайшая к нашему Млечному Пути крупная галактика. Конечно, ее близость относительна. Галактика Андромеда находится от нас в 2,5 миллиона световых лет. Когда фотоны от ее звезд, попадающие в ваши глаза, начали свое путешествие, людей еще не существовало. Нам только предстояло появиться на Земле. Вы способны видеть невероятно далекий объект.

Ваши глаза – прекрасные детекторы света. Достаточно лишь нескольких фотонов, чтобы сигнал от них поступил в мозг. И все же зрение имеет ограничения. Вы можете увидеть лишь малую часть света, который посылает Андромеда.

Светящаяся моча

У животных диапазон зрения несколько шире. Многие птицы, к примеру, имеют колбочки, чувствительные к ультрафиолетовым лучам. Это особенно помогает ястребам, кружащимся высоко в небе и выслеживающим мелких млекопитающих. Ястребы охотятся на мышей, полевок и землероек, окраска которых помогает им хорошо маскироваться в траве. Но эти мелкие грызуны часто оставляют на земле следы мочи, которые ярко светятся в ультрафиолетовом диапазоне. Поэтому ястреб выслеживает не мышей как таковых, а, скорее, следы их жизнедеятельности.

Вы тоже можете видеть ультрафиолетовый свет, но лишь опосредованно. Когда вы смотрите на флюоресцирующий предмет, вам кажется, что он светится сам по себе. Если мы что-то видим, то обычно это означает, что предмет испускает фотоны той же энергии, что и те, которые до этого были им поглощены. Однако при флюоресценции объект поглощает ультрафиолетовые лучи, а испускает фотоны видимого спектра света. Поэтому вы видите в данном случае как бы лишний свет, образующийся за счет первоначально невидимого излучения. То же самое происходит и во флюоресцентных лампах. Внутри лампы излучается ультрафиолетовый свет, а попадая на ее стенки, покрытые изнутри специальным составом, он трансформируется в видимый.

Эксперимент: флюоресценция в действии

Найдите источник ультрафиолетового света: ультрафиолетовую лампу или телевизор с плоским экраном, который при отсутствии сигнала дает синее свечение.

Понаблюдайте за тем, как ведут себя в этом освещении потенциальные источники флюоресценции. Как правило, это предметы, на которые нанесены флюоресцентные краски. Попробуйте взять недавно постиранную белую рубашку, поскольку отбеливающие и моющие средства содержат вещества, обладающие флюоресцентными свойствами, чтобы белье казалось еще белее. Вы можете также обнаружить, что обложки глянцевых журналов и упаковки продуктов часто демонстрируют флюоресценцию, чтобы бросаться в глаза.

Ультрафиолетовые лучи и видимый свет представляют собой лишь часть светового спектра. Стоя у себя в саду и глядя на звезды, вы подвергаетесь бомбардировке фотонами самых разных энергий, невидимыми для глаза. Самой низкой энергией обладают радиоволны, источниками которых являются радиостанции, Wi-Fi и мобильные телефоны. Далее следуют микроволны, используемые в ближней связи, радарах и микроволновых печах. А непосредственно перед видимым светом есть еще инфракрасное излучение, которое мы воспринимаем как тепло.

Спектр электромагнитного излучения

За ультрафиолетовым излучением следуют рентгеновские и гамма-лучи, обладающие еще большей энергией. Разница между ними заключается в способе их образования. Источ ником рентгеновских лучей, как и обычного света, являются электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов и отдающие свою энергию. Гамма-лучи образуются в ядрах атомов. Диапазоны этих двух видов излучения в значительной степени перекрывают друг друга. В силу исторических обстоятельств и то и другое мы по привычке называем лучами, хотя это, по сути, те же самые фотоны, но только с более высоким уровнем энергии.

Эхо Большого взрыва?

Все эти фотоны различных видов, включая и видимый свет, поступают к нам со звезд. Чем больше времени им для этого требуется, тем дальше в прошлое вы можете заглянуть. Фотоны, которые прошли самый длинный путь, иногда называют эхом Большого взрыва, и для этого есть все основания. Они идут отовсюду и ниоткуда.

Хотя телевизоры с ручной настройкой, улавливающие аналоговый сигнал (в отличие от современного цифрового вещания), встречаются в наше время сравнительно редко, вам, вероятно, доводилось их видеть, и вы могли наблюдать на экране «снег» из белых точек, когда телевизор не настроен на какой-то определенный канал. Часть этих помех имеет земное происхождение, а часть – космическое. Такой телевизор фактически является грубой моделью радиотелескопа, улавливающего фотоны, которые отправились в путешествие примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва, то есть более 13 миллиардов лет назад.

Радиотелескопы вы, скорее всего, тоже видели, по крайней мере на фотографиях. Как правило, это огромные тарелки, порой достигающие сотен метров в поперечнике. Они играют роль зеркал в оптических телескопах, собирая радиосигналы из отдаленных источников и фокусируя их на принимающую аппаратуру. Правда, если для улавливания фотонов, образовавшихся в результате Большого взрыва, вы используете телевизор, вам не надо направлять антенну в ту точку, где он произошел. И тут возникает важный вопрос: если Вселенная, согласно теории Большого взрыва, образовалась в одной точке, то где же эта точка находится?

Поднимите вверх палец одной руки примерно в 30 сантиметрах от кончика носа. Теперь поднесите к нему почти вплотную палец другой руки. Как раз между пальцами и находится то место, где произошел Большой взрыв.

Вы удивлены? Откуда я могу знать, что сейчас вы стоите именно на том месте, где родилась Вселенная?

Расширение Вселенной

Чтобы дать ответ на этот вопрос, необходимо сначала объяснить еще одну странность Вселенной. Почти все галактики удаляются от нас. Исключение составляют лишь очень близкие галактики вроде Андромеды (а она действительно очень близка по космическим меркам – всего каких-то 2,5 миллиона световых лет!). Как ни удивительно, но мы, кажется, оказались в самом центре Вселенной, где и произошел Большой взрыв. Это даже слишком удивительно.

Эксперимент: надуваем Вселенную

Чтобы понять, почему Большой взрыв произошел буквально у вас под носом и почему мы оказались в центре Вселенной, купите воздушный шарик. Нанесите на него фломастером несколько точек. Они будут символизировать галактики. Слегка надуйте шарик и отметьте, на каком расстоянии друг от друга находятся галактики. Надуйте его посильнее и повторите измерение. Что происходит?

Точки, обозначающие галактики, удаляются друг от друга. Однако на самом деле они не перемещаются по поверхности шарика, а по-прежнему остаются на том же участке резины, где и были раньше, вот только сам шарик становится больше. Поэтому, в какой бы точке пространства вы ни находились, все галактики будут удаляться от вас, и ни одна из них не может претендовать на центральное место во Вселенной.

А теперь начинайте выпускать воздух из шарика. Он становится все меньше и меньше. Похоже на то, как если бы вы запустили время вспять. В действительности шарик будет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет первоначального размера. Но представьте, что он продолжает уменьшаться, пока не превратится в крошечную точку. В эту точку войдет каждый участок резины шарика. Какой бы фрагмент надутого шарика вы ни выбрали, он будет находиться в этой точке. Таким образом, Большой взрыв произошел повсюду во Вселенной. Где бы вы ни находились, вы можете с полным правом сказать, что это и есть место Большого взрыва, потому что вся Вселенная является той точкой, с которой все началось.

Почему же некоторые галактики движутся в нашем направлении? Потому что сила тяжести сближает их быстрее, чем происходит расширение Вселенной. Примерно через пять миллиардов лет Андромеда врежется в наш Млечный Путь, и после возникшего в результате хаоса со временем образуется новая супергалактика. Если вы тревожитесь по поводу судьбы Земли, успокойтесь. Во-первых, вы до этого не доживете, а во-вторых, Земля к тому времени будет поглощена расширяющимся Солнцем, которое превратится в красного гиганта.

Таким образом, Большой взрыв произошел повсюду во Вселенной. Поэтому для улавливания эха Большого взрыва, или, говоря научным языком, фонового космического излучения, вам не нужен направленный радиотелескоп. Оно идет отовсюду. Если бы ваши органы чувств были способны улавливать микроволны, вы бы повсюду видели свечение, оставшееся с раннего периода Вселенной. Оно фиксируется с помощью специальной аппаратуры.

Мы не можем проследить все события вплоть до самого Большого взрыва, потому что в самом начале Вселенная была настолько компактна и заполнена энергией, что свет не мог пробиться сквозь нее. Это примерно то же самое, что попытка видеть сквозь Солнце. Однако спустя 300 тысяч лет Вселенная достаточно охладилась и стала прозрачной для гамма-лучей, обладавших колоссальной энергией, то есть для света в его самой мощной форме.

Все это время Вселенная продолжала расширяться, создавая больше и больше пространства для света (который шел отовсюду). Одним из следствий расширения пространства является снижение уровня энергии. Представьте себе, что кто-то бросает в вас тяжелый мяч. А теперь представьте, что он бросает в вас тот же мяч, но при этом убегает от вас на полной скорости. Во втором случае мяч ударит вас слабее, потому что в нем меньше энергии. Часть ее будет потрачена на преодоление дистанции. Точно так же свет из расширяющейся Вселенной обладает меньшей энергией, чем первоначально. А если фотоны теряют энергию, то они смещаются в нижнюю часть спектра.

Видимый свет сдвигается в сторону красной части спектра (так называемое красное смещение), а гамма-лучи со временем постепенно превращаются в рентгеновские, ультрафиолетовые, видимый свет, инфракрасное излучение и, наконец, в микроволны. Именно эти микроволны, улавливаемые спутниками, позволяют составить представление о последствиях Большого взрыва и создают помехи на телевизионных экранах.

А был ли Большой взрыв?

Здесь следует сделать небольшую оговорку. Теория Большого взрыва является на данный момент самым подтвержденным предположением о том, с чего началась Вселенная, однако ее нельзя считать абсолютной истиной. Кроме того, серьезные ученые обсуждают и некоторые другие теории. Нам приходится иметь дело с косвенными данными, и не только потому, что мы не способны заглянуть за границу 300 тысяч лет с момента образования Вселенной. Все свидетельства, которыми мы располагаем, подтверждают теорию Большого взрыва, но имеются и некоторые неувязки.

Например, согласно теории Большого взрыва, исходной точкой являлась так называемая сингулярность, в которой не существовало ни пространства, ни времени и для которой была характерна бесконечно высокая плотность и температура. Но когда речь заходит о бесконечных величинах, становятся бесполезными все уравнения, способные предсказать поведение системы. Теория, на которой основана идея Большого взрыва, в этот момент перестает работать. Поэтому мы не можем быть абсолютно уверены в том, что Большой взрыв стал началом всего, так как математический аппарат, используемый в расчетах, отказывает как раз в тот момент, когда он нужнее всего.

Существуют другие теории, которые позволяют обойти проблемы, связанные с сингулярностью, но и они не лишены недостатков. На данный момент Большой взрыв остается самой лучшей теорией, поэтому имеются все основания признать ее как факт. Однако лабораторных экспериментов, которые мы могли бы провести для ее подтверждения, не говоря уже о прямых наблюдениях в космосе, не существует. Это умозаключение, полученное на основании различных косвенных свидетельств. Мы имеем дело всего лишь с моделью.

Игры с моделями

Говоря о модели, мы имеем в виду не некий материальный макет. Конечно, в науке иногда строятся и такие модели. Самым известным примером может служить работа Крика и Уотсона по определению структуры ДНК. Они начали с того, что построили часть молекулы ДНК из палочек и шариков. Однако, когда ученые говорят о моделировании, они обычно имеют в виду создание математических моделей. Это набор правил и чисел, которые в результате расчетов должны дать такой же результат, который наблюдается в реальном мире. Если модель и действительность совпадают, то вы, возможно, нашли объяснение реально происходящим во Вселенной событиям. Если же модель предсказывает одно, а на деле мы наблюдаем другое, значит, пора создавать новую теорию.

Так, например, мы обнаружили, что галактики ведут себя «неправильно». Единственной силой, удерживающей их вместе, является гравитация. Естественно, должна существовать и противоположно направленная сила, пытающаяся отдалить их друг от друга. Как и почти все объекты в космосе, галактики вращаются. Если вы взглянете на галактику Андромеда невооруженным глазом, то увидите лишь маленькое размытое световое пятнышко. Возможности человеческого тела поразительны, но порой приходится призывать на помощь технику. Современные телескопы позволяют увидеть достаточно деталей, чтобы сделать вывод о том, что любая галактика действительно вращается вокруг своего центра. В результате этого вращения звезды стремятся разбежаться в разные стороны по прямой линии, и удерживает их от этого лишь сила тяготения, направленная к центру галактики.

Вот тут-то и начинаются неувязки. Наблюдения показывают, что наша модель не соответствует действительности. Если подсчитать массу всего вещества в обычной галактике, то получается, что при такой скорости вращения ее недостаточно, чтобы удержать все звезды вместе. По теории они должны были бы разлететься в разные стороны. Значит, помимо известной нам гравитации, существует еще какая-то сила.

Разумеется, мы можем увидеть далеко не всю материю в галактике. Нам видны звезды и светящиеся пылевые облака, однако вне нашего поля зрения остаются планеты, черные дыры и скопления остывшей темной пыли. Но даже если мы сделаем поправку на них, все равно массы оказывается недостаточно. Самая популярная модель, объясняющая этот феномен, предполагает наличие так называемой темной материи. Мы не знаем, что это такое (хотя некоторые догадки на этот счет имеются), но в общих чертах речь идет о дополнительной массе, которая создает недостающее тяготение. Темная материя не взаимодействует с электромагнитным излучением (а следовательно, и со светом), поэтому не может быть обнаружена обычными методами.

Правда, это не единственная модель. Существует также теория, согласно которой в масштабах галактики гравитация проявляется несколько иначе. В конце концов, мы же знаем, что Вселенная ведет себя совершенно по-разному на квантовом уровне и в обычном мире. Так почему бы не предположить, что в галактических масштабах действуют особые правила? Эта теория называется модернизированной ньютоновской динамикой. Оказывается, достаточно внести лишь очень небольшие поправки в гравитационный эффект, чтобы объяснить повышенную скорость вращения галактик.

Вселенная, вышедшая из-под контроля

Еще одним примером необъяснимого несовпадения модели и реальности является темная энергия. Эта концепция призвана объяснить большие странности, которые происходят в ходе расширения Вселенной. Следовало бы ожидать, что расширение Вселенной будет понемногу замедляться. И дело тут не в трении, которое замедляет движение всех предметов в привычном нам мире, а в гравитации. На все объекты во Вселенной действует сила тяготения, которая стремится притянуть их друг к другу. Эта сила и должна замедлять процесс расширения.

Тем более удивительным оказался для ученых тот факт, что расширение ускоряется! Вселенная не просто становится больше; процесс ее роста происходит все быстрее и быстрее. Если это действительно так (хотя, возможно, все дело просто в очередной ошибке измерений), то имеется какая-то сила, которая ускоряет расширение. Она должна обладать колоссальной энергией. Именно эту энергию и назвали темной.

Эти два темных компонента составляют подавляющую часть Вселенной. С учетом того, что материя и энергия являются разными формами одной и той же сущности, можно утверждать, что примерно 70 процентов Вселенной должна составлять темная энергия, ускоряющая ее расширение, около 25 процентов приходятся на темную материю, и остается всего 5 процентов на обычную материю (из которой состоит тело человека) и привычный нам свет. Таким образом, 95 процентов Вселенной нам совершенно не известны!

Диаграмма, демонстрирующая, насколько незначительна доля обычной материи

Такое положение вещей может повергнуть в уныние. Но мы все же не настолько невежественны. В конце концов, мы уже знаем о природе материи и света намного больше, чем всего 100 лет назад. И все же нам предстоит узнать еще очень многое. Когда Макс Планк, который впоследствии стал одним из основателей квантовой теории, учился в университете в конце XIX века, перед ним стоял выбор – стать ученым или музыкантом. Профессор физики посоветовал ему посвятить себя музыке, так как в науке уже не оставалось почти ничего непознанного. Как же он был неправ!

Далекие квазары

Продолжая тему о вещах, которые нам пока еще не вполне понятны, необходимо упомянуть, что если галактика Андромеда является самым удаленным от нас объектом, который можно видеть невооруженным глазом, то самые далекие светила, которые можно обнаружить с помощью телескопа, – это квазары. Когда их впервые открыли, то поначалу возникло предположение, что квазары (квазизвездные объекты) представляют собой просто далекие звезды, но спектр приходящего от них света был очень необычным – слишком красным.

Как уже было сказано, если объекты в космосе движутся в нашем направлении, энергия их света возрастает и происходит голубое смещение. Если же они движутся от нас, то энергия снижается, что выражается в красном смещении. В связи с расширением Вселенной, чем дальше от нас находится объект, тем сильнее будет заметно красное смещение. Первый квазар, изученный в 1960‑е годы, оказался самым далеким от нас (на тот момент) светилом. Однако его яркость была сопоставима со звездой из нашей галактики.

Проведя дополнительные исследования с помощью более совершенных инструментов, мы обнаружили, что квазары излучают столько же света, сколько целая галактика, и при этом их размеры не превышают размеров Солнечной системы. Для многих квазаров характерны выбросы горячего вещества и излучения в виде струй полярной направленности. Похоже, что квазары представляют собой зарождающиеся галактики. У большинства галактик в центре имеются сверхмассивные черные дыры. В зрелых галактиках типа нашего Млечного Пути черные дыры уже поглотили почти все близлежащее вещество, но в молодых они все еще собирают находящуюся поблизости материю.

Считается, что именно эта материя, разгоняющаяся почти до световых скоростей за счет притяжения черной дыры, придает квазарам такую яркость. Что касается струйных выбросов, то существует вероятность, что вокруг черных дыр имеется сфера из обломков космических тел, вращающихся с такой скоростью, что это не дает им упасть в черную дыру. На полюсах же остается незакрытое пространство, через которое материя выбрасывается в космос. Такое объяснение во многом является спекулятивным, так как нет никаких надежных свидетельств, которые могли бы его подтвердить.

Мифы о черных дырах

Если о квазарах широкая публика мало что слышала, то черные дыры в особом представлении не нуждаются. Термин «черная дыра» вошел в наш язык как воплощение чего-то бездонного и прожорливого, от чего невозможно спастись. Черные дыры стали неотъемлемой частью мифологии космоса, символизируя темную и злобную силу.

Но принимать на веру все, что вы слышите о черных дырах, не стоит. Во-первых, их, может быть, и нет. Общая теория относительности Эйнштейна говорит о том, что они могут существовать, и у нас есть достаточно надежные косвенные свидетельства того, что так оно и есть, но в принципе их может и не быть, а все полученные доказательства могут оказаться следствием какого-то другого феномена.

Черные дыры считают чем-то вроде универсального пылесоса, который всасывает все, что только попадает в зону его досягаемости. Определенная доля истины в этом образе есть. Все звезды очищают пространство вокруг себя за счет мощного гравитационного поля. Однако черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса звезды, которая не смогла совладать с собственным полем тяготения, обладает такой же гравитацией, как и породившая ее звезда. (Кстати, не стоит переживать по поводу того, что Солнце тоже может стать черной дырой. Оно для этого недостаточно массивно.)

Если бы вы находились на орбите вокруг звезды в тот момент, когда в ней происходит коллапс и она превращается в черную дыру, ваша орбита ничуть не изменилась бы и вас бы никуда не втянуло, так как масса звезды не изменилась.

Однако черная дыра намного меньше по размерам, чем звезда, обладающая той же массой. Теоретически черная дыра является точкой нулевого размера, или сингулярностью, однако, как и в случае с Большим взрывом, теория в этих обстоятельствах пасует, и мы не знаем, что происходит на самом деле. Видимым размером черной дыры является так называемый горизонт событий – сфера, диаметр которой намного меньше, чем размеры породившей ее звезды. Она является точкой невозврата. После прохождения горизонта событий притяжение становится настолько сильным, что вырваться из черной дыры не может ничто, даже свет.

Как возникает черная дыра

Радиус звезды, из которой может сформироваться черная дыра, должен составлять около 1,5 миллиона километров, однако после ее коллапса радиус горизонта событий будет не больше 15 километров. Поскольку к нему можно подойти намного ближе, чем к обычной звезде, гравитация будет во много раз больше, ведь сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Таким образом, если дистанция сокращается вдвое, то сила тяготения увеличивается в четыре раза. Объекты, притягиваемые к черной дыре, по мере приближения к горизонту событий будут достигать почти световой скорости.

Черная дыра заставляет также по-новому задуматься о приливной силе. Эта сила образуется за счет разных значений гравитации в различных точках пространства. Приближаясь к черной дыре, вы будете испытывать на себе колоссальные приливные силы. Ваше тело станет объектом уникального гравитационного эксперимента.

Представьте, что вы в космическом скафандре приближаетесь к черной звезде ногами вперед. Ваши ноги, находящиеся ближе к черной дыре, будут испытывать значительно большее притяжение, чем голова. Эта разность сил, направленная вдоль оси тела, вытянет вас, превратив в длинную тонкую макаронину. Этот процесс так и называется – «спагеттификация» (вопреки бытующим представлениям, у ученых иногда есть чувство юмора).

Правда, такой смертельный трюк необязательно произойдет до пересечения горизонта событий. Вы можете достигнуть его еще живым, так как начало процесса спагеттификации зависит от размеров черной дыры. Сверхмассивная черная дыра вроде тех, что встречаются в центрах галактик, не дает такого резкого увеличения гравитации. Вы можете даже проскочить горизонт событий, не заметив этого. Но по мере приближения к центру черной дыры ваше тело все равно вытянет в струну, если, конечно, вы к тому времени переживете смертельную дозу радиации, вызванной быстрым движением вещества к центру.

Я уже говорил, что центр черной дыры, представляющий собой сингулярность, теоретически не имеет размеров. И в этом заключается еще одна странность черных дыр. Сингулярность с научной точки зрения – это точка не в пространстве, а во времени. Общая теория относительности, предсказывающая возможность существования черных дыр, утверждает, что гравитация искривляет как пространство, так и время. В сердце черной дыры время искривлено до предела. Миновав горизонт событий, вы устремляетесь к точке во времени, а не в пространстве. В этот момент время для вас перестает существовать.

Черные дыры и квазары относятся к числу самых экзотических обитателей Вселенной, но в ней есть и много более знакомых объектов, которые непрерывно направляют к вам потоки фотонов, когда вы вглядываетесь в ночное небо. Мы уже упоминали о галактиках – огромных скоплениях звезд. В одной галактике может насчитываться от нескольких миллиардов до 100 триллионов звезд, а мы полагаем, что во Вселенной имеется примерно 150 миллиардов галактик. Она поистине необъятна.

В нашей галактике – Млечном Пути – насчитывается около 300 миллиардов звезд. Ясной ночью мы можем видеть их как светлую размытую полосу в черном небе. Но значительно лучше видны ближние к нам звезды и планеты нашей Солнечной системы. Невооруженным глазом мы можем разглядеть пять планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн, причем Венера и Юпитер являются самыми яркими светилами ночного неба после Луны. Правда, фотоны, доходящие к нам от планет, вынуждены проделывать двойной путь. Сначала они доходят до планет от главного источника света – Солнца – и только потом возвращаются к Земле.

Солнечный свет не вечен

Лишь глядя на Солнце (не в буквальном смысле, конечно, так как это повредит вашим глазам), можно понять, какое чудо представляют собой миллиарды миллиардов звезд во Вселенной. На самом деле ничего особенного в Солнце нет. Это середнячок и по размерам, и по яркости. Возраст у него тоже средний: ему 4,5 миллиарда лет, и оно прожило уже примерно половину отпущенного срока.

Солнце дает нам исключительно белый свет (на самом деле белый – это не цвет, а смесь всех видимых цветов). И все же, рисуя Солнце, мы обычно изображаем его желтым. А на закате, садясь в дымку, оно выглядит вообще красным. Похоже, мы немного запутались, но все дело опять-таки в фотонах света, взаимодействующих с материей.

В данном случае материей является воздух. Многие фотоны, идущие от Солнца, попадающие в атмосферу, пронизывают ее насквозь, не встречая препятствий, но достаточное количество поглощается молекулами газов в воздухе, а затем повторно излучается. Если при этом происходит смена направления, такое явление называется рассеиванием. Данный процесс происходит избирательно: сильнее всего рассеиваются лучи голубого участка спектра. Именно поэтому дневное небо имеет голубой цвет. Чем ближе мы к красной части спектра, тем слабее рассеивание.

Если бы солнечный свет состоял из всех цветов в равной степени, небо было бы фиолетовым, так как из всех видимых цветов фиолетовый рассеивается сильнее всего, но в солнечном свете голубых лучей намного больше, чем фиолетовых, поэтому голубой является доминирующим. Но если из изначально белого света забрать часть голубых фотонов, оставшиеся приобретают желтоватый оттенок. Именно таким мы обычно и воспринимаем Солнце. А когда солнечным лучам приходится проделывать в земной атмосфере значительно более долгий путь (это происходит на закате, когда лучи проходят по касательной по отношению к поверхности планеты), то они становятся почти красными.

Может быть, Солнце ничем не выделяется среди других звезд, но среди небесных тел Солнечной системы это настоящий гигант. Диаметром 1,4 миллиона километров, оно превосходит Землю в 100 раз по размеру и более чем в 330 тысяч раз по весу. Почти 99 процентов всей массы вещества Солнечной системы сосредоточено в Солнце. Кроме того, всем известно, что оно очень горячее. Если на его поверхности царит относительно «прохладная» температура 5500 °С, то в центре она приближается к 10 000 000 °С.

Источник жизни

Если уж мы решили использовать свое тело как инструмент для познания научных истин, то важно понимать, что без Солнца его существование было бы невозможным. Во-первых, вы не могли бы ничего видеть, но это еще не самое главное, что дает нам солнечный свет. От Солнца Земля получает основную часть тепла. Правда, некоторое количество тепла поступает из ядра планеты, но подавляющая часть приходит с солнечным светом. Без этого постоянного источника энергии наша планета была бы слишком холодной для жизни.

Более того, без Солнца мы не могли бы дышать. Кислород, необходимый для дыхания, дают нам растения. Они производят его как побочный продукт фотосинтеза. Световая энергия используется в фотосинтезе для создания различных химических веществ (главным образом углеводов), которые служат топливом для всех форм жизни. Процесс фотосинтеза гораздо сложнее, чем фотоэлектрический эффект, используемый в солнечных батареях, где свет выбивает электроны из атомов специально подобранных материалов, давая в результате электроэнергию. Химические процессы фотосинтеза не только сложны, но и невероятно быстры. Некоторые реакции происходят быстрее, чем за 1/1 000 000 000 000 секунды.

При поглощении света растениями энергия электронов накапливается в специальных пигментах вроде хлорофилла, который придает растениям зеленую окраску. Это напоминает фотоэлектрический эффект, хотя на самом деле рассматриваемый процесс намного сложнее. Энергия света передается в химической форме в центр фотосинтеза, где происходят фундаментальные химические реакции, в ходе которых вырабатывается кислород, которым мы дышим. Способность производить кислород у разных растений неодинакова. Хотя мы часто слышим, что тропические леса называют легкими планеты, самый большой вклад в производство кислорода вносит океанический планктон.

Животные (в том числе и мы) не обладают способностью трансформировать световую энергию в питательные вещества. Мы вынуждены использовать промежуточные звенья, поедая либо растения, либо других животных (которые, в свою очередь, тоже питаются либо растениями, либо другими животными). Тем не менее источником практически любой жизни прямо или опосредованно является Солнце.

Оно дает нам не только тепло, кислород и пищу, но и подавляющее большинство всех используемых источников энергии. Залежи ископаемого топлива сформировались из растений, которые когда-то выросли благодаря Солнцу. То, что солнечная энергия исходит от Солнца, очевидно, но то же самое можно сказать и об энергии ветра, поскольку все климатические явления происходят из-за его непосредственного влияния. Единственными исключениями являются геотермальная и атомная энергия.

Есть ли кто-то кроме нас?

Для существования нам, как и всем другим живым существам, требуется энергия. А ее во Вселенной более чем достаточно. Глядя на звездное небо, невозможно не задуматься о том, что в других местах космоса тоже возможна жизнь. Солнце всего лишь одна из миллиардов звезд нашей Галактики, а во Вселенной есть еще миллиарды других галактик. Есть все шансы на то, что где-то еще существует жизнь, но я не стал бы слишком вас обнадеживать, так как она еще не обнаружена.

Другие планеты Солнечной системы – не самое привлекательное место для жизни. На заре научной фантастики писатели часто изображали жизнь на Луне, Венере и Марсе. Но упомянутые небесные тела мало пригодны для этого. Венера представляет собой раскаленный ад, где течет жидкий свинец, а небо покрыто облаками из серной кислоты. На Луне и Марсе слишком ограничены запасы воды и почти нет атмосферы. Кроме того, там слишком холодно. Правда, есть вероятность, что какие-то бактерии могут существовать в уютных защищенных уголках этих планет, но она слишком мала. Другие планеты еще менее пригодны для жизни.

Самые большие шансы на возникновение жизни в Солнечной системе, помимо Земли, имеет один из спутников Юпитера – Европа. На первый взгляд, это далеко не самое лучшее место. Европа расположена слишком далеко от Солнца и получает от него мало тепла. Температура поверхности составляет примерно ‑160 °С. Однако у Европы есть одно преимущество. Под ледяной коркой, возможно, находится жидкая вода, согреваемая как мощными приливными силами в поле тяготения Юпитера, так и радиоактивными процессами, происходящими в недрах спутника.

Если на Европе действительно есть океан, температура которого находится выше точки замерзания, то существует возможность (но не гарантия), что там могла развиться какая-то базовая форма жизни. Но вода и температура – это не единственные необходимые факторы. В основе всех известных нам форм жизни лежит углерод, и, хотя кое-кто утверждает, что основой жизни может быть не только углерод, но и кремний, этот элемент не так предрасположен к образованию крупных молекул, как углерод, а это является важнейшей предпосылкой возникновения жизни. Поэтому необходимо еще наличие углерода и других элементов, но в принципе жизнь на Европе может существовать.

Тест на интеллект

Я не хочу утверждать, что разумной жизни во Вселенной не существует, но если она и есть, то, скорее всего, на одной из планет, вращающихся вокруг какой-нибудь далекой звезды. Несмотря на огромные межзвездные расстояния, мы уже нашли сотни планет за пределами Солнечной системы. Первые из них были обнаружены по колебаниям звезд, вызванным тем, что вокруг них вращаются громадные планеты типа Юпитера. С помощью других методов были найдены и планеты земного типа – меньшие по размерам и предположительно состоящие из твердого вещества. Однако до сих пор нет никаких данных о наличии на них какой бы то ни было жизни, не говоря уже о разумной.

Несмотря на большие усилия, предпринятые в поисках внеземных сигналов, мы пока не можем похвастаться успехами. Земля посылает в окружающее пространство радиосигналы уже на протяжении 100 лет, и они за это время распространились на расстояние 100 световых лет от нашей планеты. В принципе разумные существа, проживающие в этом радиусе и обладающие соответствующими технологиями, могли бы нас обнаружить. Разумеется, формы жизни, обитающие в указанном пространстве, могут не обладать разумом или еще не дошли до изобретения радио, но все же тот факт, что никто пока так и не объявился, немного разочаровывает.

Даже если мы обнаружим внеземной разум на сравнительно близком по космическим меркам расстоянии, скажем в пределах 20 световых лет (ближайшая к Солнцу звезда находится от нас в 4 световых годах), нам не удастся далеко продвинуться в общении с ним. При использовании в качестве средства коммуникации радиоволн (а это самый быстрый из всех имеющихся способов) нам придется 40 лет ждать ответа на каждый заданный вопрос. Да к тому же еще надо понять, как вообще наладить общение с внеземным разумом!

Что же касается посещения внеземных цивилизаций, то вопрос об этом вообще не стоит. У нас возникают серьезные технические трудности даже с отправкой людей на Марс, который при удачном взаимном расположении планет находится от нас всего в четырех световых минутах. Считается, что полет пилотируемого корабля на Марс займет шесть месяцев. Вместе с тем расстояние до ближайшей к Солнцу звезды в полмиллиона раз больше. Если мы не придумаем, как превзойти скорость света (наверное, это достижимо, но пока лежит далеко за гранью наших технических возможностей), о полетах на другие звезды можно даже не мечтать.

Мы изолированы, а может быть, и одиноки

То же самое можно сказать и о пришельцах из других миров. Существует много подтвержденных сведений об НЛО, однако в большинстве случаев речь идет об оптическом обмане или действительно о каком-то летательном аппарате, который просто не был опознан. Но перед любым внеземным космическим кораблем встанут те же проблемы с расстоянием, что и перед нами. Поэтому, вероятнее всего, любые сообщения о пришельцах – это либо жульничество, либо самообман, либо ошибка.

Даже сам термин «летающая тарелка» весьма противоречив. Впервые он был использован в 1947 году в газетной заметке о том, что американский пилот Кеннет Арнольд увидел необычный летательный аппарат. Арнольд не говорил о том, что этот аппарат имел форму тарелки. Он лишь рассказывал, что его движение напоминало «прыжки тарелки, запущенной по поверхности воды». Однако это слово было подхвачено газетчиками, а затем ошибочно интерпретировано. С тех пор начались массовые сообщения об обнаружении чужих космических кораблей, имеющих форму тарелки.

Возможно, мы и не одни во Вселенной, но уж, во всяком случае, надежно изолированы на Земле.

И все же мы имеем возможность наблюдать за фотонами, пришедшими к нам из глубин Вселенной от квазаров и далеких галактик, а также от Солнца – источника жизни. Но настало время спуститься на землю, причем в самом прямом смысле. Возможно, после долгого разглядывания звезд у вас уже урчит в желудке. Если ваши глаза устремлены к звездам, то у желудка вполне земные заботы.

5. Путешествие в желудок

Если ваш желудок издает звуки, то, возможно, просто настала пора перекусить, однако это может свидетельствовать и о проблемах с пищеварением. Допустим, изжога – это не самое страшное в жизни, но и приятного тоже мало. Поэтому вы сразу хватаетесь за таблетку, которая на самом деле является вовсе не лекарством, а компонентом простой химической реакции.

Физики изучают, что такое атомы, а химики объясняют нам, как они соединяются друг с другом. Иногда можно услышать, что химия – это наука об электронах, потому что химические реакции обычно включают в себя обмен электронами между внешними слоями атомов различных веществ.

Химия у вас внутри

В желудке человека содержится сильная кислота – соляная. Это одна из тех кислот, на необходимость осторожного обращения с которой вам всегда указывали учителя, так как она может причинить серьезный вред здоровью. Но вашему желудку она необходима. С помощью соляной кислоты съеденная пища расщепляется, чтобы организм мог ее усвоить и выработать энергию. Кроме того, она способствует выведению отходов из организма.

Уровень кислотности в желудке постоянно меняется, и иногда это может вызвать дискомфорт. Порой кислота из желудка попадает в такие места пищеварительного тракта, где ей быть не положено. В качестве примера можно привести так называемый рефлюкс, когда кислота выталкивается из желудка в пищевод. Такие проблемы обычно возникают в результате неправильного режима питания (например, переедания или приема пищи прямо перед сном), хотя порой могут вызываться и физическими причинами вроде грыжи пищеводного отверстия диафрагмы.

Вы хотите как можно быстрее избавиться от неприятных ощущений? Примите антацид. Его действие представляет собой простую химическую реакцию.

Хотя существуют различные виды антацидов, большинство из них содержат соли угольной кислоты, например карбонат кальция или магния. Частью любого карбоната является атом углерода, соединенный с тремя атомами кислорода.

Съешьте кусок камня

Карбонат кальция – очень распространенный минерал. Он придает твердость яичной скорлупе и является главной составляющей частью известняка, мрамора и мела. Таким образом, принимая средство от изжоги, вы фактически едите растолченный камень (правда, я бы не рекомендовал пользоваться такими дешевыми заменителями).

Карбонаты отлично взаимодействуют с кислотами. К сожалению, мы наблюдаем это в случае выпадения кислотных дождей. Сооружения из мрамора и особенно из более мягкого известняка разрушаются буквально на глазах. Скульптуры теряют очертания, а надписи полностью исчезают, из-за чего на могильных плитах порой ничего нельзя прочитать.

Но то, что плохо для камней, полезно для желудка.

Карбонат кальция вступает в реакцию с соляной кислотой. Простейшая химическая реакция заключается в том, что части молекул различных веществ меняются местами. В основе этого явления лежат энергетические причины. Для соединения атомов внутри молекулы всегда необходима энергия, но межатомные связи бывают разными. Если при переходе от одной конфигурации атомов к другой происходит высвобождение энергии, то реакция осуществляется без труда. Это то же самое, что бросить с высоты некий предмет. Не составляет никакого труда скатить валун с вершины к основанию холма, потому что при этом высвобождается потенциальная энергия. Совсем другое дело – закатить валун на вершину, потому что здесь надо вложить массу энергии.

Эксперимент: химия в желудке

Положите в стакан таблетку антацида (выберите самое

простое средство, а не дорогостоящий препарат двойного действия) и добавьте немного уксусной кислоты. Вы увидите, как из таблетки выходят пузырьки. Такая же реакция происходит и у вас в желудке. При этом выделяется углекислый газ. Уксусная кислота намного слабее соляной, поэтому эффект не столь бурный. Если реакция не происходит, то вы, возможно, взяли таблетку, покрытую защитной оболочкой.

Повторите эксперимент, разломив таблетку надвое. Реакция идет более активно. Отчасти это объясняется тем, что вы разрушили защитную оболочку, но причина также и в увеличении площади взаимодействия карбоната с кислотой.

При соединении карбоната кальция и соляной кислоты возникает бурная реакция, которая заканчивается образованием трех молекул. Соляная кислота состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. В ходе реакции хлор связывается с кальцием, образуя хлорид кальция, а пары атомов водорода присоединяются к атому кислорода, образуя воду. От молекулы карбоната остается только двуокись углерода, то есть углекислый газ. В результате уровень кислотности снижается и ваш желудок успокаивается (будем надеяться).

«Вредное» соединение

Двуокись углерода – простое химическое соединение, которое в наши дни пользуется дурной славой. Если бы мы снимали фильм про Джеймса Бонда, этот газ играл бы роль злодея, решившего установить господство над миром. Такую репутацию он заслужил из-за того, что, являясь парниковым газом, вносит свой вклад в глобальное потепление. Действительно, слишком большое содержание углекислого газа в атмосфере не приводит ни к чему хорошему. Но не следует мазать его исключительно черной краской, потому что в силу ряда причин мы не смогли бы без него жить.

Во-первых, парниковый эффект имеет и положительные стороны. В атмосфере он играет роль зеркала, отражающего тепло. Свет Солнца в основном пронизывает атмосферу и нагревает поверхность Земли. Она отдает тепло в виде инфракрасных лучей низкой энергии. Часть из них улавливается молекулами углекислого газа, а затем излучается опять же в инфракрасном диапазоне, но в разных направлениях. Какая-то часть рассеивается в пространстве, а какая-то возвращается на Землю. Таким образом, углекислый газ как бы выполняет функцию одеяла, укрывающего планету и поддерживающую на ней пригодную для жизни температуру.

Правда, если вы хотите увидеть, к чему может привести избыток углекислого газа, отправляйтесь на Венеру. Считается, что когда-то она напоминала по условиям Землю, но 97 процентов углекислого газа в атмосфере привели к парниковому эффекту, вышедшему из-под контроля. Средняя температура на Венере составляет 480 °С, а порой доходит и до 600 °С. У нас углекислый газ составляет лишь 0,039 процента по объему, но благодаря парниковому эффекту (в котором участвуют и другие газы, например водяной пар и метан) средняя температура на Земле на 33 °С выше, чем была бы без него. Если бы не парниковый эффект, средняя температура на Земле составляла бы -18 °С, что существенно ограничило бы возможность жизни на ней.

Еще одна чрезвычайно важная черта углекислого газа заключается в том, что он является пищей для растений. Как уже было сказано, жизненный цикл обитателей Земли базируется на растениях. В них нуждаются даже плотоядные животные, поедающие других животных, так как в конце пищевой цепи вы непременно обнаружите растение. Растения поглощают углекислый газ из воздуха, используя углерод в процессе фотосинтеза и вырабатывая в качестве побочного продукта кислород, которым мы дышим.

Добавьте немного шипучки

Еще одно свойство углекислого газа, на этот раз не столь серьезное, было обнаружено сравнительно давно. В 1756 году шотландский врач Джозеф Блэк впервые получил чистую двуокись углерода. Спустя 11 лет Джозеф Пристли, открывший впоследствии кислород, начал изучать свойства этого газа в пивоварне Лидса. Один из экспериментов заключался в пропускании пузырьков углекислого газа через воду. Часть газа при этом растворялась, придавая обычной воде привкус альпийских минеральных вод.

Пристли совсем забыл об этом опыте и вспомнил о нем лишь в 1772 году на ужине у герцога Нортумберлендского в Лондоне. Развлекая гостей, хозяин предложил им морскую воду, опресненную методом дистилляции. Гости сочли ее слишком безвкусной, и тогда Пристли объявил, что знает, как улучшить вкус. На следующий день он приготовил содовую. В то время Пристли получал углекислый газ в ходе реакции серной кислоты с мелом, весьма схожей с той, что происходит в желудке при приеме таблетки антацида. Впоследствии его выгнали из пивоварни за то, что он испортил целую партию пива, пытаясь растворить двуокись углерода в эфире. К сожалению, Пристли так и не поставил производство содовой воды на коммерческую основу. Спустя несколько лет этим изобретением воспользовался швейцарец Иоганн Швеппе.

Менделеев и его таблица

Должно быть, в школе химия ассоциировалась у вас с громоздкой периодической таблицей элементов. Так вот, эта таблица позволяет предсказать, как поведет себя кислота в вашем желудке, если выпить таблетку антацида. Когда Дмитрий Иванович Менделеев представил ее научной общественности, она стала настоящим прорывом в химии. Русский ученый был не единственным и далеко не первым, кто пытался обнаружить какой-то порядок в многообразии различных элементов, из которых состоит окружающий мир. Но он оказался самым упорным и настойчивым в раскладывании пасьянса из карточек с названиями элементов и в итоге сумел расположить их так, чтобы придать смысл всей картине.

Принципы, лежащие в основе периодической таблицы, достаточно просты. В ней есть несколько рядов, в которых элементы располагаются друг за другом слева направо в порядке возрастания массы. Эти ряды разделяются на колонки, в которых объединяются элементы со схожими свойствами. Сам того не осознавая, Менделеев поместил в каждую колонку элементы, у которых внешний слой имел одинаковое количество электронов (или одинаковое количество недостающих электронов). Поскольку именно эти электроны определяют характер связи атома с другими элементами, от них зависят и химические свойства.

Периодическая таблица элементов

Данный подход доказал свою правоту, когда Менделеев предсказал существование новых элементов, которые до этого были неизвестны. В таблице были пробелы, и Менделеев посчитал, что их должны занять атомы, обладающие схожими свойствами с уже известными элементами данной группы. Так, например, под кремнием оказалось пустое место, и Менделеев назвал недостающий элемент экакремнием (от санскр. эка – один).

Вскоре действительно был открыт элемент, заполнивший пустое место в таблице. Его назвали германием. У этого элемента есть ряд схожих черт с кремнием (оба в настоящее время используются для изготовления транзисторов и других электронных устройств), и его химические свойства точно совпали с предсказанными Менделеевым.

Познакомьтесь с элементом № 114

Периодическая таблица вплоть до нынешнего дня используется для того, чтобы определить химические свойства новых элементов, хотя и не все они так предсказуемы, как у германия. Взять хотя бы элемент с порядковым номером 114. К моменту написания книги он все еще не имеет настоящего названия[1] и проходит под «кличкой» унунквадий (от лат. unum-unum-quartum – один-один-четыре). К настоящему времени самый тяжелый элемент, имеющий название, – это коперниций (порядковый номер 112).

Сверхтяжелый элемент № 114 никогда не попадет в ваш желудок. Он не встречается в природе. Самым тяжелым из природных элементов является уран (порядковый номер 92). Все более тяжелые элементы получены искусственно – либо в ядерных реакторах, либо на ускорителях частиц. Для создания сверхтяжелых элементов требуются специальные условия, потому что сила, удерживающая ядро атома (сильное взаимодействие), должна преодолевать силу отталкивания, возникающую между большим количеством положительно заряженных протонов.

Сильное взаимодействие имеет один существенный недостаток: оно проявляется лишь на очень-очень малом расстоянии. Таким образом, 92 протона в атоме урана (порядковый номер элемента показывает, сколько протонов находится в ядре и сколько электронов образуют его оболочку) – это предел, при превышении которого сильное взаимодействие уже не может удержать частицы ядра вместе. Все более тяжелые элементы, как правило, очень нестабильны.

Время жизни большинства сверхтяжелых элементов составляет тысячные или даже миллионные доли секунды. Затем они распадаются. Однако унунквадий находится на так называемом «островке стабильности», то есть в той части таблицы, где атомы проявляют способность сохраняться несколько дольше, поскольку количество частиц в ядре позволяет упаковать их в более или менее стабильную форму. Изотоп элемента № 114, имеющий атомную массу 289, способен прожить несколько секунд.

Изотопы, как уже говорилось выше, – это варианты одного и того же элемента, отличающиеся друг от друга количеством нейтронов в ядре. Ядро самого простого из всех атомов – водорода – состоит из одного-единственного протона. Если добавить к нему нейтрон, то полученный элемент по-прежнему будет проявлять все химические свойства водорода, так как у него только один электрон, а именно от него зависит, как атом будет вести себя с другими веществами. Однако благодаря лишнему нейтрону ядро станет тяжелее и будет по-другому вести себя в ядерных реакциях. Вместо водорода мы получили его изотоп – дейтерий.

Поскольку практически вся масса атома сосредоточена в ядре, атомная масса элемента представляет собой сумму количества протонов и нейтронов. Поэтому в ядре изотопа унунквадия с атомной массой 289 содержится 175 нейтронов (289–114 = 175).

Элемент № 114 был открыт в 1998 году в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне (Россия). В первом эксперименте был получен всего один атом этого элемента, и, хотя с тех пор был открыт целый ряд его изотопов, каждый раз речь шла всего о нескольких атомах. С учетом их малого количества и того обстоятельства, что существуют они всего несколько секунд, мы пока не имеем представления о том, как выглядит унунквадий. Предполагается, что он должен быть серебристо-серым металлом, как и большинство элементов из этой области периодической таблицы.

Тяжелый металл или благородный газ?

Периодическая таблица предсказывает, что унунквадий должен вести себя приблизительно, как свинец. По терминологии Менделеева, он и назывался раньше экасвинцом, так как находится в таблице прямо под ним. Однако, как ни странно, несмотря на то, что мы располагаем всего несколькими атомами унунквадия, высказываются предположения, что на самом деле он по своим свойствам должен быть больше похож на инертный газ, чем на металл.

Благородные, или инертные, газы составляют самую «мирную» последнюю колонку периодической таблицы. Их внешняя электронная оболочка заполнена до отказа, поэтому они не проявляют интереса к вступлению в реакцию с другими элементами. В их число входят, например, такие газы, как гелий, неон и ксенон. Они используются в различных типах осветительных устройств, однако более известным является гелий. Его необычность заключается в том, что впервые он был обнаружен на Солнце и лишь затем его нашли на Земле. Это объясняется тем, что гелий не так-то легко уловить в воздухе, поскольку он очень быстро поднимается в верхние слои атмосферы. Тем не менее этот элемент достаточно распространен, и мы можем купить баллончик с гелием, чтобы надуть воздушный шарик. Большая часть гелия извлекается из природного газа в ходе его добычи.

Но если у нас так мало материала для изучения, как же мы можем утверждать, что унунквадий ведет себя скорее как инертный газ, чем как металл?

Атомы элемента пропускают через тонкую трубку, покрытую внутри слоем золота. На одном конце трубка имеет комнатную температуру, которая последовательно понижается до ‑185 °С на другом конце. По мере прохождения по трубке атомы теряют энергию за счет понижения температуры, и их колебания становятся все меньше.

При этом мы ожидаем, что атомы металлов, например свинца, пройдут не слишком далеко и свяжутся с золотом в самом начале трубки. В то же время «необщительные» инертные газы проделают намного больший путь, прежде чем прикрепятся к стенке. Атомы элемента № 114 доходят до самого конца трубки, что позволяет сделать вывод о том, что они больше похожи на инертные газы, чем на свинец.

Это вовсе не значит, что периодическая система элементов дала сбой. Похоже, что на химию в данном случае начинает оказывать влияние теория относительности. Поскольку атомы тяжелых элементов содержат большое количество электронов, на внешних оболочках, которые расположены дальше всего от ядра, они должны двигаться быстрее обычного. Специальная теория относительности утверждает, что чем быстрее что-то движется, тем большую массу приобретает. Предполагается, что эти быстрые электроны приобретают достаточное количество дополнительной массы, чтобы изменить химические свойства вещества.

Превращение пищи в энергию

На что бы ни был похож унунквадий, вероятность его попадания в организм человека крайне низка, зато желудку приходится сталкиваться с огромным количеством других атомов. С технической точки зрения он выполняет в пищеварительной системе функцию предварительной переработки пищи, чтобы затем ее легче было превратить в энергию. В желудке пища подвергается воздействию соляной кислоты и ферментов – сложных химических веществ, которые специализируются на разложении белков. Получившаяся в итоге полупереваренная кашица поступает дальше в кишечник.

Предварительная переработка поступившей в организм пищи нужна для того, чтобы быстрее получить доступ к относительно простым веществам типа сахаров и жиров, состоящим из углерода, водорода и кислорода. В систему подается и дополнительный кислород, перенесенный кровью из легких. Он вступает в реакцию с сахарами и жирами, окисляя их. Мы не раз наблюдали в жизни реакцию окисления, глядя на огонь, дающий нам тепло. Реакция, происходящая в организме человека, – это фактически медленное химическое горение, в ходе которого кислород превращается в углекислый газ, воду и энергию, аккумулирующуюся митохондриями в химической форме.

Если сравнивать с животными, то у нас наблюдается одна важная особенность в подходе к еде. Перед тем как съесть продукты, мы их моем, очищаем и варим, чтобы они лучше усваивались.

Горячая еда – хорошая еда

Никто точно не знает, каким образом вареная пища заняла важное место в жизни человека. Обычно предполагается, что это произошло случайно, когда какое-то животное или зерна упали в огонь или оказались рядом с ним. Привлекательный запах, возможно, побудил людей подобрать и съесть поджаренную пищу, а приятный вкус привел их к выводу, что этот опыт имеет смысл повторить.

Разогревая продукты питания, мы меняем структуру белков, благодаря чему их становится легче жевать и усваивать. Кроме того, в ходе термической обработки высвобождаются некоторые сложные химические вещества, воздействующие на наше обоняние. Обычно принято считать, что при выборе пищи мы руководствуемся вкусовыми ощущениями. Однако запах является не менее важным компонентом в процессе определения качества еды. Вы ведь не станете пробовать экскременты на вкус, чтобы убедиться в том, что это не самое лучшее блюдо?

Обоняние представляет собой передовую линию обороны, защищающую нас от употребления опасных и вредных продуктов. Многое из того, что мы приписываем вкусу, на самом деле объясняется запахом. Аппетит просыпается за счет того, что в процессе варки углеводы распадаются на простые сахара, а кипящая вода способствует повышению концентрации запаха. Кроме того, в воздух при этом попадают ароматические вещества, стимулирующие не только обоняние, но и вкус.

Уже давно был замечен важный побочный эффект приготовления пищи – уничтожение бактерий и вирусов, обезвреживание некоторых токсинов, в частности фитогемагглютинина, который содержится в фасоли (употребление которой в сыром виде может привести к смерти), а также ядов, содержащихся в растениях семейства пасленовых (например, в картофеле).

Должно быть, прошло немало времени, прежде чем люди заметили, что вареное мясо не только вкуснее и мягче, но и уменьшает вероятность смерти и возникновения болезней. Но когда они это поняли, в пищу стали употребляться и те продукты питания, которые в естественном виде раньше были абсолютно несъедобными.

Видимо, это был непростой процесс, особенно когда дело касалось продуктов, которые в сыром виде ядовиты, например фасоли. Трудно представить себе, как чувствовал себя человек, видевший, что его сосед умер, съев сырую фасоль, и все-таки шедший на риск и евший вареную фасоль! Видимо, на этот риск его толкал голод. Возможно также, что фасоль случайно оказалась в вареном блюде, но так или иначе люди заметили, что если ее сварить, то ужасных болей в желудке после этого не возникает.

Таким образом, термическая обработка продуктов стала для нас нормой и благодаря ей мы получаем энергию из пищи.

Бодрящая чашка

Разумеется, мы едим не только ради пополнения запасов энергии. Наши органы чувств настроены не только на обеспечение выживания, но и на получение удовольствия. В ряде продуктов содержатся вещества, оказывающие непосредственное воздействие на мозг. Взять хотя бы чашку чая или кофе. Кофеин, содержащийся в кофе, чае и некоторых других напитках, представляет собой наркотик, оказывающий быстрое воздействие на нервную систему. Люди уже очень давно начали использовать кофеин для того, чтобы взбодриться. Чай в Китае пьют уже много тысяч лет. Значительно позже – в XVI веке – в страны Запада пришел кофе из Африки, где его тоже издавна использовали в качестве стимулятора.

Кофеин оказывает многообразное воздействие на организм, но главный эффект состоит в том, что он способен присоединяться к рецепторам мозга, которые обычно привыкли иметь дело с химическим веществом, носящим название «аденозин». Рецепторы в мозге можно сравнить с замками, которые открываются только определенным ключом. Так вот, кофеин получает доступ к рецепторам, предназначенным для аденозина. Аденозин создает в организме ощущение сонливости и усталости. Занимая его место в рецепторах мозга, кофеин помогает нам чувствовать себя бодрее.

Побочным эффектом от снижения уровня аденозина является повышенная выработка мозгом другого вещества – дофамина. Это нейтротрансмиттер, молекулы которого используются для передачи сигналов от одного нейрона мозга к другому. Таким образом, результатом приема кофеина становится и всплеск мозговой активности.

Кофеин встречается во многих растениях: в чае, какао, кофе и коле, из которых мы получаем знакомые всем стимулирующие напитки. Его положительное воздействие на человека – не более чем побочный эффект. Собственно говоря, кофеин служит природным инсектицидом, защищающим растения от вредных насекомых. То, что он еще попутно влияет на нашу нервную систему, является всего лишь совпадением.

Порой становится немного не по себе при мысли о том, что глоток кофе или колы вызывает такие фундаментальные изменения в работе мозга. Однако практика показывает, что употребление кофеина не только не причиняет вреда, но и приносит некоторую пользу, позволяя сконцентрироваться. Правда, как и многие другие наркотики, он может вызвать привыкание и зависимость. Если человека, который уже попал в зависимость, лишить кофеина, это вызовет у него неприятные ощущения. Поэтому многие из тех, кто отказался от кофе, заявляют, что стали чувствовать себя лучше. Они подсознательно сравнивают свое нынешнее состояние с тем, которое испытывали во время зависимости. Однако если вы употребляете кофе и чай в разумных количествах, никаких причин отказываться от этих напитков нет.

Пища богов

Многие считают, что кофеин содержится и в другом излюбленном продукте – шоколаде. Однако это не так. Главным компонентом шоколада, оказывающим влияние на работу мозга, является горькое на вкус химическое вещество, принадлежащее к тому же семейству, что и кофеин, – теобромин. В вольном переводе с греческого это название означает «пища богов». Теобромин оказывает схожее с кофеином действие, но не столь выраженное. Любовь к шоколаду объясняется, помимо этого, сладким вкусом (вызванным добавлением сахара) и температурой плавления, близкой к температуре человеческого тела.

Хорошо известно, что собак не следует кормить шоколадом, потому что теобромин для них ядовит. Маленькую собачку убивают уже 50 г черного шоколада (который содержит больше теобромина, чем молочный). Но проблема не ограничивается только собаками. Теобромин в той или иной степени является ядом для всех млекопитающих. В частности, он очень токсичен для кошек, но у этих животных отсутствуют рецепторы сладкого вкуса, поэтому они не испытывают желания есть шоколад.

Теобромин ядовит и для человека, но это не должно вызывать у вас опасений. Любое вещество в больших количествах (даже вода) является ядом. У людей естественная переносимость теобромина в расчете на килограмм собственного веса втрое выше, чем у собак. Кроме того, человек, как правило, и весит больше, чем собака. Чтобы получить смертельную дозу яда, взрослый человек должен съесть более пяти килограммов молочного шоколада.

Кстати, вопрос о дозировке надо всегда иметь в виду, когда вы покупаете «экологически чистые» продукты питания, чтобы уберечься от вредного воздействия пестицидов на организм. Практически любое вещество таит в себе какую-то опасность, но пестициды попадают в наш организм в таких ничтожных количествах, что риск от них минимален. Все растения содержат природные пестициды, которые так же опасны для нас, как и искусственные.

Конечно, перед употреблением овощи и фрукты всегда нужно мыть (хотя бы из-за бактерий, живущих в почве), но если вы проанализируете факторы, которые могут привести к заболеванию раком, то в типичном рационе питания 93 процента факторов риска приходится на алкоголь, а 2,6 процента – на кофе. Если мы устраним из рациона все относительно опасные природные источники риска типа латука, перца, моркови, корицы и апельсинового сока, то оставшийся фактор риска – пестицид этилентиомочевина – составит всего 0,05 процента. Если содержание всех вместе взятых химических средств борьбы с вредителями находится в пределах установленных законом норм, то опасность заболеть после их употребления не выше, чем после употребления сельдерея.

Я не пытаюсь убедить вас, что надо избегать сельдерея и апельсинового сока. Главное – разумно оценивать степень риска.

Супертаблетка

Хочу привести вам еще один пример вещества, оказывающего значительное влияние на мозг и организм в целом, к которому мы уже настолько привыкли, что воспринимаем его как нечто само собой разумеющееся. Еще за 2 тысячи лет до нашей эры люди использовали отвар коры ивы и вытяжку из таволги как средство от головной боли, жара и воспалений. Упоминание об этом содержится в шумерских памятниках письменности времен 3‑й династии Ура. На протяжении всех времен указанные средства пользовались большой популярностью.

В XVIII веке вследствие одного недоразумения спрос на ивовую кору вырос еще больше. В то время для лечения смертельно опасной малярии использовался хинин, добываемый из коры хинного дерева, но он был очень дорогим. В качестве замены врачи рекомендовали значительно более дешевую кору ивы. Впоследствии выяснилось, что ивовая кора, в отличие от хинина, лишь снимает симптомы, но не излечивает от малярии, однако в то время ее популярность резко возросла.

Единственная проблема заключалась в том, что это лекарство очень негативно влияло на желудок. Его активный ингредиент, известный нам сегодня как салициловая кислота, устранял головную боль и жар, но вызывал расстройство пищеварения и острую боль в желудке, а иногда даже становился причиной опасного желудочного кровотечения.

В 1899 году немецкая химическая компания «Bayer» сумела найти частичное решение этой проблемы. Производное салициловой кислоты – ацетилсалициловая кислота – обладала теми же медицинскими свойствами, но не столь агрессивно влияла на желудок. Новое средство назвали аспирином. Оно стало одним из самых продаваемых медикаментов фирмы «Bayer» наряду с популярным средством от кашля – героином! Право на его производство имела только эта компания. Правда, сегодня некоторые страны, в частности Великобритания, имеют право производить аспирин от своего имени. Как ни странно, это право было получено в результате заключения мирного договора.

Двадцать восьмого июня 1919 года в Версале был подписан договор, определявший размер репараций, которые Германия должна была уплачивать по итогам Первой мировой войны. Большая часть этого договора, как и ожидалось, касалась новых границ, ограничений численности вооруженных сил и вооружений, финансовых компенсаций и поставок промышленной продукции странам-победителям. И в числе этих основополагающих требований вдруг оказалось право на использование наименования «Аспирин».

В то время как в Германии (и еще в 80 странах мира) аспирин по-прежнему является торговой маркой компании «Bayer», в Великобритании и других странах, подписавших Версальский договор, использовать это название имеет право любой производитель. Вам может показаться, что такое мелкое требование недостойно того, чтобы становиться частью исторического договора, но в то время обе воюющие стороны сильно пострадали от пандемии испанки, распространившейся по всему миру в конце войны, поэтому аспирин стал продуктом первой необходимости.

На протяжении 50 лет аспирин оставался чрезвычайно важным медикаментом. В моем детстве он был единственным популярным болеутоляющим средством, продававшимся без рецепта. Однако в 1970‑е годы он уступил позиции более безвредному для желудка парацетамолу. В США его называют ацетаминофеном, но он больше известен под торговыми наименованиями «Панадол» (производства компании «Bayer») и «Тайленол». Казалось бы, об аспирине можно забыть, но тут выяснилось, что он является профилактическим средством от инфарктов и инсультов.

Болеутоляющие и противовоспалительные свойства аспирина объясняются блокированием фермента циклооксигеназы. Ферменты представляют собой специальные белки, которые способствуют химическим реакциям в организме. Циклооксигеназа, в частности, стимулирует производство нескольких гормонов, являющихся причиной воспалительных процессов и передающих болевые сигналы в мозг. Подавляя эти реакции, аспирин устраняет боль. Но наряду с этим было установлено, что он снижает активность тромбоксана – вещества, стимулирующего деятельность тромбоцитов. Тромбоциты отвечают за свертывание крови, что очень важно для заживления ран, но если сгустки начнут образовываться в сосудах, они могут полностью перекрыть кровоток, что приведет к инфаркту миокарда или инсульту. Постоянный прием небольших доз аспирина для предотвращения этого риска уже вошел в привычку у многих людей.

Обнаружение новых свойств аспирина позволило ему начать новую жизнь. Каждый год производится около 35 тысяч тонн этого средства. Как и кофеин, аспирин представляет собой относительно простое соединение, которое взаимодействует со сложными сигнальными механизмами тела, давая положительные результаты.

От химической энергии к сокращению мышц

Итак, то, что попадает к нам в желудок, может приносить пользу с медицинской точки зрения и доставлять удовольствие, но все же главное, для чего мы едим, – это производство энергии. Мы уже говорили о том, что переваривание пищи представляет собой процесс медленного горения, в ходе которого вырабатывается энергия. Она запасается в молекулах АТФ, откуда ее берут мышцы, совершающие движения. Сокращение мышц происходит благодаря двум белкам, один из которых «ползет» по волокну другого, попеременно совершая захват и подтягиваясь, словно при лазании по канату. Этот процесс инициируется электрическим сигналом.

О возбуждении мышц при помощи электричества было известно уже давно, и это привело к созданию очень известного фильма ужасов. Как-то летом одна молодая женщина по имени Мэри Уолстонкрафт Годвин отправилась в романтическую поездку со своим женихом и захватила с собой несколько книг для чтения. В их числе оказался отчет итальянского ученого Луиджи Гальвани о своей работе. Выйдя замуж, Мэри сменила фамилию на Шелли. Однажды в Швейцарии в дождливый день ей пришла в голову идея романа «Франкенштейн».

Проводя эксперименты с препарированными лягушками, Гальвани случайно коснулся проводом под напряжением мышцы лягушачьей ноги, и та дернулась, словно лягушка была еще жива. Хотя многое в этом явлении в то время интерпретировалось неверно (в том числе и миссис Годвин), это было началом понимания того, какую роль электричество играет в организме животных и каким образом с его помощью передаются сигналы.

Как совершается работа

До сих пор я говорил об энергии как о хорошо понятной всем концепции, однако все же следует пояснить, о чем идет речь. Мы уже видели, что энергия и материя – разные проявления одной и той же сущности, однако для того, чтобы превратить материю в энергию, необходим особый процесс, например термоядерный синтез или аннигиляция материи и антиматерии. В организме человека химическая энергия, запасенная в электронных связях, которые обеспечивают соединение атомов в молекулах, высвобождается и превращается в механическую энергию мышц.

Как это происходит? Энергия сама по себе не совершает работы. Работа – это трансформация энергии из одного состояния в другое. Например, когда мы передвигаем предметы, работа измеряется количеством прилагаемых усилий, умноженным на расстояние.

Когда-то под работой понимался только физический труд. В наши дни работа многих людей не связана с физическими усилиями, но даже умственный труд требует трансформации энергии, и зачастую необходимо сначала поработать головой и только потом руками. Например, чтобы написать книгу, надо сначала придумать оригинальную идею.

Процесс обдумывания не связан с физическими усилиями. Они понадобятся позже, в процессе печатания рукописи и издания книги. В общих чертах можно сказать, что задача тела заключается в преобразовании химической энергии в работу.

Работа и энергия измеряются в джоулях. В повседневной жизни мы все еще пользуемся устаревшей единицей измерения – калорией, которая составляет чуть больше четырех джоулей. Энергетическую ценность продуктов питания мы измеряем в тысячах калорий (килокалориях). Американские диетологи посчитали, что приставка «кило» будет вводить публику в заблуждение, поэтому в обиходе заменяют, к примеру, 129 килокалорий на 129 калорий (что явно неправильно) или 129 Калорий (написание с заглавной буквы в данном случае формально верно, но приводит к путанице).

Великая загадка шмеля

Каждый раз, совершая движение, вы используете энергию, запасенную организмом. Это совершенно очевидно. Однако некоторые животные, похоже, расходуют на движение больше энергии, чем получают ее с пищей. Получается, что они берут энергию как бы ниоткуда. Самым известным примером является шмель. Возможно, вам уже приходилось слышать: «Это просто загадка какая-то. Никто не понимает, почему шмель способен летать. У науки нет ответа». Зачастую подобные высказывания приводятся в качестве доказательства, что Бог способен создать то, чего не может объяснить наука.

В действительности так называемый парадокс шмеля – это не более чем заблуждение. Да, на первый взгляд кажется странным, что такое большое тело удерживается в воздухе с помощью маленьких и хрупких крылышек. Но шмель имеет на удивление низкий вес, а его крылья совсем не похожи на крылья птиц, и их подъемная сила создается за счет иных явлений. Они напоминают вертолетный винт, создающий вертикально направленные вращающиеся потоки воздуха, которые обладают большей подъемной силой, чем потоки воздуха, обтекающие крыло обычного самолета. Таким образом, здесь нет никакой проблемы. Шмелю не приходится тратить больше энергии, чем он потребляет.

Кенгуру на пружинах

Есть еще один представитель животного мира, который в определенном смысле расходует больше энергии, чем получает. Это кенгуру. Если сложить всю энергию, которая нужна ему для прыжков в течение дня, то она явно окажется выше, чем та, что он потребляет с пищей. Создается впечатление, что он производит энергию из ничего.

Однако при выполнении этих расчетов биологи упустили из виду, что мышцы ног кенгуру устроены наподобие резинового мяча. Если уронить мяч, то при ударе об пол он сжимается, накапливая энергию, а затем за счет упругости восстанавливает форму. При этом высвобождается энергия, отталкивающая его от пола. Точно так же энергия накапливается в пружине и растягиваемой резиновой ленте. Никакой дополнительной энергии извне в систему не поступает, но мяч подпрыгивает в воздух за счет энергии, запасенной при деформации от удара об пол.

Нечто похожее происходит и с кенгуру. Его мышцы устроены таким образом, что, когда ноги ударяются о землю, в них накапливается энергия, словно при растяжении резиновой ленты. Затем она высвобождается и используется для следующего прыжка. Таким образом, кенгуру для движения нуждается в меньшем количестве пищи. Если бы не эта специфическая конструкция мышц, то вся энергия при приземлении превращалась бы в звук и тепло. Однако, как мы видим, часть ее запасается для повторного использования. Точно так же электрический транспорт использует процесс торможения для пополнения заряда аккумуляторов, который будет расходоваться при последующем разгоне.

Тепло – это движение

Рассматривая движение энергии в своем теле и в теле кенгуру, мы имеем дело с термодинамикой. Если разложить это слово на составные части, получается «движение тепла». Так оно и есть, если вспомнить, что тепло является одной из форм энергии. Тепло – это кинетическая энергия движущихся молекул вещества. Нагрейте любой предмет – и его молекулы начнут двигаться быстрее. Термодинамика приобрела особое значение в XIX веке, так как позволила объяснить принцип работы паровых двигателей. С тех пор она стала фундаментальной частью науки.

О значении термодинамики свидетельствует изречение одного из самых великих ученых XX века Артура Эддингтона: «Если кто-то указывает на то, что ваша теория устройства Вселенной противоречит уравнениям Максвелла (описывающим электромагнитные явления), то тем хуже для Максвелла. Если обнаруживается, что она противоречит наблюдениям, то не исключено, что экспериментаторы что-то напутали. Но если ваша теория вступает в противоречие со вторым началом термодинамики, то у вас нет никакой надежды. Вы потерпите крах и будете осмеяны».

Ко второму началу термодинамики, о котором говорит Эддингтон, мы вернемся чуть позже, а пока поговорим об остальных. Как ни парадоксально, но термодинамика начинается с нулевого закона (или начала). Он получил такое название потому, что был сформулирован после первых трех, но фактически является для них основой. Этот закон гласит, что при контакте двух тел, имеющих одинаковую температуру, передачи тепла между ними не происходит. Поскольку тепло представляет собой движение молекул, то передача энергии от одного тела другому и обратно, конечно же, осуществляется, но она взаимно компенсируется и сводится к нулю.

Первое начало термодинамики состоит в том, что в любой изолированной системе запас энергии остается неизменным (закон сохранения энергии). Ее нельзя ни создать, ни уничтожить. Что вложили, то и получите на выходе. Второе начало, о котором говорил Эддингтон, устанавливает, что тепло (то есть энергия) переходит из более нагретого места в менее нагретое. Для полноты картины необходимо упомянуть и о третьем начале, которое гласит, что тело невозможно охладить до абсолютного нуля с помощью конечного числа операций. С каждым шагом вы можете чуть ближе подходить к абсолютному пределу холода, но никогда не сможете его достичь.

Эксперимент: термодинамика в действии

Наполните электрочайник водой, включите его и послушайте (а если чайник прозрачный, то и посмотрите), что будет происходить. В соответствии с нулевым началом термодинамики до включения чайника передачи тепла между нагревательным элементом и водой не происходит, но, как только вы его включите, элемент нагреется с помощью электричества и вскоре его температура станет выше, чем у окружающей воды. Энергия начнет переходить от горячего вещества к холодному (второе начало).

Затем вы услышите легкое шипение, которое постепенно будет становиться все громче. Незадолго до полного закипания наступает тишина, а в самом конце процесса раздается бурление кипящей воды.

Источником шипящего звука являются многочисленные крохотные пузырьки водяного пара, которые, едва образовавшись, вновь схлопываются. Поскольку нагревательный элемент значительно горячее точки кипения, соприкасающаяся с ним вода получает большую порцию энергии и переходит в газообразное состояние, образуя пузырьки. Они перемещаются в слои воды, удаленные от нагревательного элемента и потому значительно более холодные. Там они вновь переходят в жидкое состояние, производя характерный легкий хлопок. Сливаясь, эти звуки от множества схлопывающихся пузырьков и создают знакомое всем шипение. Непосредственно перед закипанием этот звук пропадает, так как практически вся масса воды подходит к температуре кипения и пузырьки больше не образуются.

Затем, когда достигается температура кипения, в воде появляются крупные пузыри водяного пара, причем не только в точке соприкосновения с нагревательным элементом, а по всему объему жидкости. Мы воспринимаем это как бульканье кипящей воды.

Почему невозможен вечный двигатель

Первое и второе начала термодинамики неумолимы. В совокупности они доказывают невозможность создания вечного двигателя. Если у вас есть маленькие дети, то, пожалуй, вам уже приходило на ум, что их можно назвать вечными двигателями, но энергия человеческого организма постоянно пополняется за счет пищи. А как было бы здорово создать двигатель, который будет работать вечно! Достаточно подключить его к генератору – и у вас появляется неисчерпаемый источник электроэнергии.

Если бы вы могли отменить любой из этих законов, жизнь была бы прекрасна. Если бы не действовало первое начало, вы могли бы использовать больше энергии, чем вложили в систему. Запущенный двигатель давал бы больше энергии, чем потребляет, то есть он смог бы не только сам работать безостановочно, но еще и давать лишнюю энергию. Точно так же отмена второго начала позволила бы перемещать энергию от холодного тела к горячему. Эту энергию можно было бы использовать в своих целях.

Может сложиться впечатление, что холодильник нарушает второе начало термодинамики, поскольку он перемещает энергию изнутри (из холода) наружу (в более теплое помещение). Но сам по себе холодильник на такое не способен. Второе начало применимо только к замкнутым системам, работающим без поступления энергии извне, а ведь холодильник постоянно снабжается электроэнергией и при этом тратит больше, чем перемещает.

Люди пытаются построить вечный двигатель на протяжении как минимум последних 1300 лет. Это занятие оказалось настолько популярным, что патентные бюро прекратили рассмотрение подобных заявок, если не будет продемонстрирована действующая модель. Иногда складывается впечатление, что вы действительно видите перед собой вечный двигатель, но каждый раз неизменно оказывается, что к нему откуда-то поступает энергия.

В чем фокус?

Пожалуй, самым известным примером, якобы доказывающим возможность существования вечного двигателя, является радиометр Крукса.

В этом устройстве вертушка с несколькими лопастями установлена в стеклянной колбе. Лопасти не подключены ни к какому источнику энергии. Там нет ни моторчиков, ни солнечных батарей. И все же вертушка вращается не останавливаясь. Все это очень смахивает на вечный двигатель, но на самом деле источником движения является солнце (или любой другой источник света). Стеклянная колба предотвращает воздействие на лопасти любых внешних сил, но не может служить препятствием для солнечного света, и эта форма энергии непрерывно поступает в радиометр.

Раньше считалось, что вертушка вращается из-за давления световых лучей. Одна сторона каждой лопасти окрашена в черный цвет, а другая – в белый. Фотоны света якобы поглощаются черной стороной, но отражаются белой. Хотя фотоны не обладают массой, в них достаточно энергии, а Эйнштейн утверждает, что масса и энергия – это две разные стороны одного и того же явления. Поэтому фотоны могут создавать момент силы. В принципе можно было бы создать космический корабль с большими солнечными парусами, которые улавливали бы солнечный ветер.

К сожалению, для этого понадобились бы поистине огромные паруса. Лопасти в радиометре для этого слишком малы. На самом деле их вращает движение воздуха внутри колбы. Воздух в колбе сильно разрежен, чтобы уменьшить сопротивление, но он все же присутствует. Поскольку черная сторона лопасти поглощает фотоны, она нагревается сильнее, чем белая. Часть этого тепла передается молекулам воздуха (в соответствии со вторым началом термодинамики), те начинают двигаться быстрее и с большей силой бомбардируют черную поверхность, заставляя вертушку вращаться.

Зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Crookes in action. Видеоролик демонстрирует, как работает радиометр Крукса.

Можно без труда доказать, что причиной вращения является теплота, а не давление света, потому что радиометр крутится не в том направлении, в каком можно было бы ожидать. Если бы все дело было только в свете, то повышенное давление оказывалось бы как раз на белые стороны лопастей, а не на черные, и радиометр вращался бы в обратном направлении.

Неисчерпаемая чистая энергия

Идея вечного двигателя зародилась, скорее всего, в викторианскую эпоху, но в 2007 году ирландская компания «Steorn» подняла большую шумиху в прессе, заявив, что ей удалось создать подобное устройство. Было дано обещание продемонстрировать машину, производящую «неисчерпаемую чистую энергию». По заявлению компании, устройство под названием «Orbo» использовало магнитные поля для выработки энергии из ничего. После массированной рекламной кампании демонстрация машины в Лондоне была отложена «из-за технических сложностей». Было дано разъяснение, что освещение создает слишком высокую температуру, приводящую к выходу из строя подшипников. Казалось, что на устранение неисправностей уйдет от силы несколько дней, однако демонстрация «Orbo» так и не состоялась.

Предполагается, что в этом устройстве используется комбинация фиксированных и подвижных магнитов, которые перемещаются по сложной траектории в магнитном поле Земли и за счет этого вырабатывают энергию. Компания «Steorn» присоединилась к длинной череде изобретателей, чьи попытки создания вечного двигателя закончились неудачей. Под вечным двигателем следует понимать машину, работающую на подлинно возобновляемых источниках энергии. Когда мы считаем «возобновляемой» энергию ветра или солнечного света, то упускаем из виду, что она поступает к нам все-таки извне – от Солнца. Несмотря на то что эти источники будут существовать еще очень и очень долго, их нельзя назвать поистине вечными.

Возрастание энтропии

Второе начало термодинамики часто формулируется как возрастание энтропии. На первый взгляд энтропия представляет собой весьма расплывчатое понятие. Попросту говоря, это мера беспорядка и хаоса в системе. В вашем теле, например, энтропия намного меньше, чем просто в наборе химических веществ, из которых оно состоит, потому что организм обладает структурой. А вот в комнате подростка энтропия достаточно велика. Чем больше беспорядка, тем выше энтропия. На самом деле энтропия – это не описательное понятие, а статистическая единица измерения. Она выражается в количестве способов, с помощью которых можно организовать различные элементы системы.

Если взять, к примеру, буквы, напечатанные на этой странице, то существует лишь один способ расставить их в таком порядке, чтобы получились именно те слова, которые вы читаете. Бесчисленное множество других вариантов расстановки не приведет к желаемому результату. Поэтому в данном случае энтропия мала, но, согласно второму началу термодинамики, для этого требуется затратить много энергии. Буквы не сами по себе сложились в слова. Мне пришлось немало потрудиться, чтобы их написать. Большой труд вложили также редакторы и печатники. Любые опечатки, пропуски букв и другие погрешности вносят беспорядок в текст и тем самым повышают энтропию.

Представляется совершенно логичным, что энтропия возрастает. Например, чашка чая, стоящая на столе, характеризуется более высоким уровнем порядка, чем осколки той же чашки, разбросанные по полу. Повысить энтропию очень просто: достаточно лишь уронить чашку. Но зато практически невозможно понизить ее уровень, собрав все осколки воедино и воссоздав из них целую чашку.

Идея возрастания энтропии использовалась как аргумент против сторонников естественной эволюции жизни на Земле. Земля родилась из хаотичного набора молекул и постепенно развилась в относительно высокоорганизованную планету, на которой обитают различные формы жизни. Кое-кто склонен полагать, что это доказывает вмешательство Творца, который создал порядок из хаоса. Однако в данном случае мы имеем дело с неверным пониманием второго начала термодинамики, в соответствии с которым энтропия возрастает (или остается прежней) только в замкнутых системах, без притока энергии извне. Но наша планета не является замкнутой системой. Мы получаем колоссальное количество энергии от Солнца, и второе начало здесь неприменимо.

Физика монстров

Связь между энтропией и развитием жизни – это не единственный пример влияния базовых законов физики на живые существа. У вашего организма нет никаких проблем с законами физики (если не считать того, что отдельные участки кожи с возрастом начинают обвисать под действием силы тяготения). Но когда мы имеем дело с монстрами, ситуация существенно меняется. К таким монстрам, порожденным нашей фантазией, чаще всего относятся пауки и насекомые огромных размеров. Что будет, если такой безжалостный убийца, как паук, вырастет до размеров, при которых его добычей вполне может стать человек? Но лучше задуматься над тем, почему мы никогда не встречались с такими чудовищами. Почему они не выросли до таких размеров, которые позволили бы им завоевать весь мир? Вспомните громадных муравьев из фильма ужасов 1950‑х годов «Они!» или гигантских пауков из «Властелина колец» и «Гарри Поттера».

Если подобные монстры являются вам в ночных кошмарах, можете успокоиться. Они не могут существовать. Представьте себе, что мы увеличили паука в 100 раз. Какой ужас! Это значит, что он стал в 100 раз шире, а его ноги – в 100 раз длиннее. Если мы разрежем такую ногу поперек, то площадь среза будет в 10 000 (100 × 100) раз больше, чем у обычного паука.

А что с весом? Вес зависит от объема, следовательно, такой паук будет в 1 000 000 (100 × 100 × 100) раз тяжелее. А это значит, что увеличившийся в миллион раз вес должны будут поддерживать ноги, ставшие толще лишь в 10 тысяч раз. Этот паук сразу же рухнет под собственным весом.

Нечто подобное произошло бы и с любым млекопитающим (включая человека), но у пауков и насекомых при увеличении размеров возникает еще одна проблема. Они дышат всей поверхностью кожи. Ее площадь при увеличении размеров в 100 раз увеличится лишь в 10 тысяч раз. Для снабжения туши, ставшей в миллион раз тяжелее, просто не хватит кислорода. Такой огромный паук умрет от удушья сразу же после того, как у него сломаются ноги. Так что причин для страха нет.

Ходьба на двух ногах

Вернемся к телу человека. На первый взгляд наши средства передвижения устроены проще, чем у паука. Ведь ему приходится одновременно управлять работой восьми ног, чтобы не запутаться в них и не споткнуться. Разумеется, при наличии всего двух ног нам нужно осваивать относительно меньше необходимых двигательных навыков. Но у нас возникает другая проблема.

Две ноги представляют собой весьма неустойчивую опору. Чтобы это понять, достаточно лишь взглянуть на малыша, который пытается делать первые шаги. Разница здесь примерно такая же, как езда на трехколесном и двухколесном велосипеде. Когда мы впервые садимся на двухколесный велосипед, поддержание равновесия дается нам с большим трудом. То же самое испытывает и тот, кто учится ходить на двух ногах. Для этого требуются постоянная практика и большие затраты энергии. Фактически ходьба на двух ногах представляет собой непрерывный процесс падения вперед, но мы вовремя успеваем подставить очередную ногу, чтобы не рухнуть на землю.

Для нервных непосед

Для того чтобы встать со стула, требуется значительно больше энергии, чем для того, чтобы сесть. Но многие из нас не в состоянии сидеть спокойно. Интересно понаблюдать за людьми, находящимися вроде бы в состоянии покоя, но при этом совершающими массу ненужных мелких движений. К примеру, руки практически всегда находятся в движении. Моя бабушка часто сидела в кресле, сложив руки, и при этом непрерывно крутила большими пальцами. Это довольно распространенная привычка, хотя трудно объяснить, зачем люди это делают.

А есть еще люди, которые постоянно хрустят суставами пальцев.

Это действует нам на нервы, и, чтобы положить конец назойливой привычке, мы говорим таким людям, что если они и впредь будут поступать подобным образом, то им неизбежно грозит артрит. Но так ли это на самом деле? Один человек поставил перед собой цель выяснить истину. Врач из Калифорнии Дональд Унгер каждый день на протяжении 60 лет вытягивал себе суставы фаланг пальцев, добиваясь характерного хруста. При этом он экспериментировал только с левой рукой.

Разумеется, трудно прийти к каким-то достоверным выводам на основании опыта одного человека (всем нам нередко приходится слышать высказывания типа «Я курю по 40 сигарет в день начиная с двадцатилетнего возраста, и мне уже 95 лет»), тем не менее левая рука доктора Унгера не претерпела никаких негативных изменений по сравнению с правой. Поэтому связь между привычкой хрустеть пальцами и артритом вполне может оказаться очередным мифом.

Но, независимо от того, есть ли у вас такая привычка, я предлагаю перейти к следующей теме.

6. Голова кругом

Прокатитесь на американских горках. В этом аттракционе вы то падаете, то взмываете вверх, вас переворачивает вниз головой и бросает из стороны в сторону. В результате вы полностью теряете ориентацию. Что при этом происходит? Как подобная забава влияет на ваши органы чувств? Когда вы выходите из кабинки, у вас продолжает кружиться голова, а земля словно уходит из-под ног. Почему так происходит? Ведь все уже закончилось.

Органы чувств чрезвычайно важны для жизни. С их помощью происходит взаимодействие с окружающей средой. Без них вы ничего не смогли бы понять во внешнем мире и ни на что не реагировали бы.

Сколько у вас чувств?

Давайте подсчитаем свои чувства. Первое число, которое приходит в голову, – пять. Но при воспоминании об американских горках выясняется, что это не так. Какое из пяти традиционных чувств (зрение, слух, обоняние, осязание и вкус) подсказывало вам, что вы сидите вниз головой? Возможно, вы скажете, что зрение, но неужели вы считаете, что с закрытыми глазами не заметите, что находитесь вверх ногами? Известная всем «большая пятерка», конечно, важна, но это лишь начало нашего путешествия в мир органов чувств.

Мы уже касались зрения, когда рассматривали звезды. А что такое слух?

Часто приходится слышать, что звук распространяется в виде волн, но точнее было бы сказать, что это последовательность импульсов. Обычно мы представляем себе волну как рябь на воде. Но гребень волны на воде перпендикулярен направлению ее движения (поперечная волна), а в звуковой волне направлен туда же, куда движется звук (продольная волна).

Эксперимент по симуляции звука

Возьмите детскую игрушку-пружинку и закрепите один конец (или дайте кому-нибудь подержать). Второй конец растяните, чтобы пружина находилась в горизонтальном положении и не сильно провисала. Держа один конец пружины, сделайте резкое движение рукой вперед и тут же отведите ее назад.

Вдоль пружины побежит волна от одного конца до другого. Попробуйте запустить сразу несколько волн подряд. При прохождении волны спираль сначала сжимается, а потом растягивается.

Если у вас нет такой игрушки, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Waves in Springs. Видеоролик показывает продольные волны в действии.

Именно такое продольное волнообразное сжатие и происходит при распространении звука. Когда какой-то предмет – динамик, музыкальный инструмент, ваши голосовые связки – совершает колебания, он оказывает давление на ближайшие молекулы воздуха, которые передают это сжатие соседним молекулам, а те еще дальше. Область сжатия распространяется в воздухе со скоростью примерно 340 метров в секунду. Это и есть звук.

Если задуматься, то звук и должен представлять собой не поперечные, а именно продольные компрессионные волны, Если бы он напоминал собой волны на воде, то быстро терял бы энергию, испытывая сопротивление соседних слоев воздуха. Обычно поперечные волны распространяются только вдоль колеблющейся поверхности. Единственным исключением является свет. Если представить его себе в виде волны, то эта волна как раз является поперечной, но распространяется на огромные расстояния. Правда, необходимо учитывать, что она распространяется не в веществе, а в вакууме.

Скорость звука является одной из фундаментальных величин природы. Убедиться в том, что она существует, очень легко во время очередной грозы. Гром – это звук, распространяющийся в воздухе после разряда молнии, температура которой доходит до 20 000 °С. Молния и гром возникают одновременно, однако вы сначала видите молнию и только через некоторое время слышите гром, и это понятно, так как звуку требуется некоторое время, чтобы преодолеть расстояние до вас. Свет распространяется мгновенно. Если, допустим, молния ударила в десяти километрах от вас, то свету понадобится 1/300 000 секунды, чтобы покрыть это расстояние. Звук же, имея скорость 340 метров в секунду, запоздает по отношению к свету более чем на 29 секунд.

От компрессионной волны к волнам мозга

Проделав пульсирующий путь по воздуху, звук достигает вашего уха. Видимая наружная часть уха (ушная раковина), словно воронка, собирает и фокусирует колебания воздуха, направляя их в узкое ушное отверстие. Там воздушная волна наталкивается на барабанную перепонку, которая начинает колебаться под ударами молекул воздуха. Движения барабанной перепонки с помощью трех крохотных косточек – самых маленьких в организме – передаются на вторую мембрану, которая затягивает так называемое овальное окно. Колебания этой мембраны приводят в движение жидкость в ушной улитке.

Улитка представляет собой спиралевидную полость в костном веществе, заполненную водянистой жидкостью. Движения жидкости улавливаются крошечными ворсинками, которые напоминают волоски, но на самом деле являются выростами клеточных мембран. Эти волосковые клетки генерируют сигнал в слуховых нервах. Как и в случае с восприятием света, внешний физический феномен превращается в электрический сигнал, поступающий по нервам в мозг, который обрабатывает его и создает звуковой образ.

У некоторых людей ввиду повреждения волосковых клеток слух нарушен, но его можно частично восстановить за счет имплантата, который внедряется в улитку и стимулирует нервные окончания. Находящееся снаружи звуковоспринимающее устройство улавливает звук и передает его в виде серии электрических импульсов на находящийся под кожей имплантат, электроды которого проникают непосредственно в улитку. Самые первые имплантаты такого рода имели всего один электрод, но со временем их количество увеличилось до двадцати. Они стимулируют нервные окончания в различных участках улитки. Хотя такое устройство является лишь частичной заменой естественного органа слуха, оно позволяет слышать и понимать речь. Его эффективность оказалась даже выше, чем ожидалось. В настоящее время такими имплантатами пользуется свыше 100 тысяч человек.

Слуховые иллюзии

Обычно мы считаем слух более объективным органом чувств, чем зрение. Существует много известных оптических иллюзий, которые убеждают, что мозг легко поддается обману и создает зрительные образы, не соответствующие действительности. А звук – он и есть звук. Человек склонен полагать, что все, что он слышит, – реально. Однако поступающие в мозг звуковые сигналы обрабатываются им точно так же, как и визуальные, и ими тоже можно манипулировать.

Создать слуховую иллюзию довольно просто. Если вы хотите испытать это на себе, зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments, а в нем тему McGurk Effect. Далее следуйте инструкциям, приведенным на данной странице.

Звуки, пробуждающие эмоции

Как и свет, звук представляет собой нечто большее, чем просто источник информации. Он может оказывать сильное влияние на наши эмоции. Если в кинофильме наступает момент, который должен тронуть зрителей до слез, то звуковой образ практически всегда сопровождается нарастанием громкости музыки, вызывающим эмоциональную реакцию. Правда, такой же эффект может произвести и отсутствие музыки. Если весь фильм шел на фоне музыки, то внезапная тишина создает напряжение и чувство непосредственной вовлеченности в действие.

Еще один пример эмоционального воздействия – это звук, вызывающий раздражение. Он может занимать доминирующее положение среди всех других ощущений. Самым знакомым для многих является скрежет железа по стеклу. Ученые проанализировали, что именно в этом звуке вызывает такое раздражение. Неожиданно выяснилось, что дело вовсе не в высоких частотах. Если даже искусственно удалить из звука эти частоты, он все равно будет резать слух.

Было высказано предположение, что скрежет железа по стеклу может быть похож на сигнал тревоги, который издавали предки современных людей (в частности, распределение частот очень похоже на крики макак в тревожной ситуации) или на звуки, издаваемые каким-то давно вымершим хищником. Но, как бы то ни было, ученые делают вывод, что «мозг человека, очевидно, хранит какую-то сильную остаточную реакцию на этот звук, от которого до сих пор по телу бегают мурашки».

Все ли дело во вкусе?

Зрение и слух являются ведущими чувствами. Их потеря серьезно сказывается на качестве жизни человека. Вкус – это нечто совсем другое. Да, он помогает нам понять, что мы взяли в рот что-то несъедобное. С помощью вкуса еду можно превратить в удовольствие. Но это далеко не самое главное в жизни. Более того, по значимости вкус уступает всем остальным чувствам. Во-первых, это происходит из-за того, что затруднен сам процесс доступа к этому органу чувств: чтобы попробовать еду на вкус, для начала надо положить ее в рот. Другие ограничения связаны с тем, что мы всегда больше рассчитываем на другие органы чувств, а вкусу отводим дополнительную, вспомогательную роль.

Многое из того, что мы по привычке относим на счет вкуса, в действительности представляет собой обонятельные ощущения. Немаловажную роль играет и зрение. Если оставить вкусовые рецепторы без поддержки других органов чувств, результат восприятия окажется далеко не таким, как мы ожидаем.

На вкусовые ощущения оказывает влияние даже слух. Из-за громкого фонового шума мы воспринимаем еду как менее сладкую и соленую, но зато как более сухую.

Когда в ходе одного из экспериментов людям давали чипсы и воспроизводили при этом громкие звуки, напоминающие треск или хруст, все участники указывали, что чипсы в таких условиях кажутся более свежими и хрустящими, чем в тишине.

Эксперимент. Что ограничивает наш вкус?

Для этого эксперимента требуется некоторая подготовка. Поставьте два бокала вина – красного и белого – в холодильник (естественно, этот опыт предназначен не для детей). Когда вино охладится до одинаковой температуры, нарежьте мелкими кусочками различные продукты, имеющие приблизительно одинаковую консистенцию, но разный вкус. Это могут быть, например, разные сорта сыра, фрукты, овощи, плотный хлеб.

А теперь заткните нос тампонами из ваты и завяжите глаза. Начиная с этого момента вам потребуется посторонняя помощь. Попросите кого-нибудь перемешать подготовленные образцы еды, чтобы вы не знали, что где лежит.

Сделайте по глотку из каждого бокала. Большинство считает, что без труда отличит на вкус красное вино от белого. Но так ли это очевидно, когда вам не помогают обоняние и зрение?

Попробуйте разные продукты. Они, безусловно, имеют разный вкус, но сможете ли вы так же безошибочно отличить их друг от друга, не видя их и не воспринимая их запах?

Вкусовые рецепторы

Рецепторы языка (так называемые вкусовые сосочки) воспринимают пять разновидностей вкуса – сладкий, горький, кислый, соленый и умами. Последний не столь известен, как остальные. Это пикантно-пряный вкус, свойственный глутамату натрия – искусственному усилителю аппетита. Его часто добавляют в продукты питания, изготовленные фабричным способом. Видимо, вам уже приходилось видеть схемы расположения вкусовых рецепторов на языке вроде той, что помещена ниже.

Расположение вкусовых рецепторов на языке (устаревшая схема)

Я даже был свидетелем экспериментов, в которых пытались доказать, что человек может ощутить один из этих вкусов, если просто надавить на соответствующий участок языка. По-моему, это просто выдумки, берущие начало из XIX века. Такие утверждения не более справедливы, чем френология – возникшая в викторианскую эпоху наука, пытавшаяся доказать, что умственные способности зависят от размеров выпуклостей черепа. На самом деле все части языка способны воспринимать все виды вкуса.

На языке располагается от 2 до 6 тысяч вкусовых сосочков. Каждый из них представляет собой небольшое углубление, в которое попадает пища, растворенная в слюне. Там она вступает в контакт со вкусовыми рецепторами, генерирующими сигналы в зависимости от наличия в пище тех или иных химических веществ. Так, например, ощущение соленого вкуса возникает при обнаружении ионов натрия, а кислого – при контакте рецептора с молекулами кислот.

Минерал в кухонном шкафу

Соль – самый необычный компонент нашего рациона питания. Перерыв все свои кухонные шкафы, вы, скорее всего, убедитесь, что соль – единственный продукт, не имеющий ни животного, ни растительного происхождения. Это минерал. Соль занимает прочное место не только на нашем столе, но и в языке. Всем известны такие выражения, как «съесть пуд соли», «соль земли», «сыпать соль на раны», «не солоно хлебавши» и т. д.

Поваренная соль представляет собой простое химическое соединение – хлорид натрия – и состоит из двух весьма агрессивных элементов. Натрий – это металл, чуть ли не взрывающийся при соприкосновении с водой, а хлор представляет собой зеленоватый ядовитый газ, который в годы Первой мировой войны использовался в качестве химического оружия. Даже удивительно, что из этих двух веществ могут образоваться стабильные белые кристаллики поваренной соли.

Все животные нуждаются в небольших количествах соли (хотя не совсем понятно, почему соленый вкус входит в число пяти базовых вкусовых ощущений). Она играет в организме роль электролита, позволяющего повысить электропроводимость жидкости. Соль всегда входила в рацион питания людей, хотя и не как отдельный продукт. Пожалуй, на первых порах всю необходимую соль человек получал в комплексе с другими продуктами питания, в частности с кровью животных.

В качестве отступления: порой можно услышать версию, что слова «солдат» и «соль» являются однокоренными, так как римским легионерам платили жалованье солью. Может быть, родственная связь между этими словами и существует, но легионерам платили все-таки деньгами, на которые они покупали соль. Трудно представить себе, что легионер при получении жалованья набивал себе карманы каменной солью, как бы этого кому-то ни хотелось.

Соль имеет ярко выраженный вкус. В чистом виде его проще всего почувствовать, нечаянно хлебнув морской воды во время купания. Но, как ни странно, морская вода не содержит соли! Да, она представляет собой раствор, содержащий ионы натрия, попадающие в нее из размытых горных пород, и ионы хлора, источником которых являются, главным образом, подводные вулканы. Однако и те и другие ионы находятся в воде независимо друг от друга. Лишь при выпаривании морской воды образуется соль – хлорид натрия. В принципе морская вода была бы соленой, даже если бы в ней содержались только ионы натрия (или другого схожего по свойствам металла – калия).

Поиск пути по запаху

Как и вкус, обоняние не имеет чрезвычайно важного значения для нашей повседневной жизни. Да, оно помогает обнаруживать запах дыма и выявлять испортившиеся продукты. Как мы уже видели, оно вносит большой вклад в создание вкусовых ощущений. Но область его применения все же остается весьма ограниченной, во всяком случае для человека. Хотя мы можем ощутить запах на довольно большом расстоянии, определить его источник нам сложно. Кроме того, обоняние зачастую вообще выходит из строя, когда у нас из-за простуды заложен нос.

Обоняние очень тесно связано со вкусом. И дело не только в том, что мы часто пользуемся ими одновременно. Принцип их действия тоже схож. Обоняние – это процесс улавливания различных химических веществ рецепторами, расположенными в носовых ходах и носоглотке. Химические вещества, содержащиеся в воздухе, растворяются в слизи, покрывающей внутреннюю полость носа, и взаимодействуют с рецепторами, которые подают сигналы в мозг.

Для животных обоняние имеет намного большее значение, чем для нас. Чтобы это понять, достаточно посмотреть на собаку, гуляющую с хозяином по парку. Конечно, собака пользуется и глазами, и ушами, но ее нос, значительно более чувствительный, чем наш, способен уловить следы вещества, концентрация которого в воздухе составляет менее миллионной доли того, на что реагирует наше обоняние. И этот нос постоянно находится в действии. Для собаки картина, созданная обонянием, так же важна, как и зрительные образы.

Как найти спутника жизни

Обоняние требуется не только для обнаружения опасности и добычи. Запахи являются одним из средств общения различных видов животных. Собаки, находясь на прогулке, больше всего времени тратят на поиск запахов других собак. Самыми известными (хотя и не единственными) сигнальными средствами, улавливаемыми с помощью обоняния, являются феромоны. Насекомые, ведущие общественный образ жизни и представляющие собой, по сути, единый большой организм, располагают целым набором феромонов для подачи друг другу различных сигналов и координации совместных действий.

В человеческом организме тоже вырабатываются феромоны, хотя споры относительно того, в какой мере эти запахи влияют на наше отношение к противоположному полу, не утихают до сих пор. В одном известном эксперименте ученые пытались выяснить, как отличия в одном конкретном гене сказываются на половых предпочтениях животных. Оказалось, что животные обнаруживают по запаху различные вариации в группе человеческих лейкоцитарных антигенов, которые отвечают за сопротивляемость инфекциям, и выбирают себе партнеров по этому принципу.

Было высказано предположение, что скрещивание особей с различными вариантами человеческих лейкоцитарных антигенов полезно для потомства, так как повышает сопротивляемость различным возбудителям болезней. Но если так происходит у животных, может ли этот фактор повлиять на выбор людей? В проведенном в 1995 году эксперименте группу женщин попросили понюхать майки, которые различные мужчины носили до этого в течение двух суток. Проанализировав, какому запаху женщины отдали предпочтение, ученые выявили у обладателей этих маек отличия в человеческих лейкоцитарных антигенах.

Поэтому вполне возможно, что наше обоняние влияет на выбор партнера, хотя необходимо подчеркнуть, что этот фактор является не единственным. Так, например, оценивая представителей противоположного пола, мы отдаем предпочтение определенной форме лица, но при этом оказывается, что данный тип лица связан с наличием человеческих лейкоцитарных антигенов, близких нашим собственным. Конечно, мы выбираем себе партнеров не по запаху и не повинуемся при этом исключительно инстинктам, но указанные факторы, похоже, определенным образом все-таки сказываются на наших предпочтениях.

В поисках утраченных запахов

Часто приходится слышать, что обоняние больше, чем какое-либо другое чувство, влияет на воспоминания о деталях прошлых событий. На самом деле это миф. Нет никаких подтвержденных свидетельств того, что запах обостряет память лучше, чем другие ощущения. Однако похоже, что, впервые почувствовав какой-то запах, мы сильнее связываем его с сопутствующими событиями, чем в повторных случаях.

Образование нейронных связей в мозге при этом идет более активно. Поэтому, возможно, мы хорошо запоминаем все обстоятельства, при которых впервые ощутили тот или иной запах.

С другими чувствами такого не происходит. В связи с этим наблюдается тенденция ассоциировать запахи с ранними воспоминаниями детства, чего нельзя сказать о других ощущениях. Поэтому, когда в романе «В поисках утраченного времени» Марсель Пруст окунается в детские воспоминания, ощутив вкус печенья, размоченного в чае, он использует явно не тот орган чувств.

Вездесущее чувство

Обонятельные рецепторы, как и трех других органов чувств, о которых мы уже говорили, сконцентрированы на небольшом участке тела. Что же касается пятого чувства – осязания, то его рецепторы распределены по всему телу. Хотя одни части тела более чувствительны к прикосновениям, чем другие, осязательные рецепторы имеются на всех участках кожи.

Осязательные ощущения основаны главным образом на механических процессах. Рецепторы в коже реагируют на давление и деформацию. Осязание отличается от четырех других основных чувств тем, что оно не столько занимается поисками сигналов извне (световых, звуковых, химических), сколько отслеживает изменения в собственном теле. Все прочие чувства сосредоточены на окружающей среде, а осязание – на своем организме.

Умение видеть кожей

Итак, у нас есть пять основных чувств. Нужны ли нам какие-то дополнительные? Вот вам простой пример: поднесите ладонь к горячему утюгу на несколько сантиметров. Ни одно из пяти рассмотренных чувств не подскажет, что при прикосновении к утюгу можно обжечься. Но вы на расстоянии чувствуете, что утюг горячий, поэтому не станете до него дотрагиваться. Каким образом вы издалека ощущаете тепло? Дело в том, что в вашей коже есть рецепторы, реагирующие на невидимое инфракрасное излучение.

Как ни странно, но до сих пор еще очень мало известно о том, каким образом мы чувствуем температуру. Считается, что в организме есть механизмы для определения холодного и горячего, основанные на восприятии прямого воздействия инфракрасного света на кожу. Они определяют температуру не только отдельных предметов, но и окружающей среды в целом (вы всегда чувствуете, тепло вам или холодно). Разумеется, в коже должны быть для этого какие-то рецепторы, но о подробностях говорить пока рано.

Ощущение боли

Говоря об острой пище, например о перце чили или карри, мы описываем свои вкусовые ощущения как жжение. Но это далеко не то же самое, что восприятие тепла, исходящего от горячего утюга. Это ощущение не имеет также никакого отношения ко вкусу. На вкус перец чили такой же, как и обычный желтый, оранжевый или зеленый стручковый перец, но стоит его раскусить, как вкусовое ощущение перекрывается другим – ощущением боли.

Хотя многие из нас любят острую пищу, ощущение жжения во рту – это на самом деле боль. В перце чили содержатся капсаицин и другие вещества, воздействующие на болевые рецепторы во рту. Такое же действие они оказывают и на другие чувствительные участки тела, например на глаза. Именно поэтому в составе слезоточивого газа (его еще называют перечным) имеется капсаицин. Правда, если вас вдруг атакуют страусы, этот газ не поможет. У птиц нет рецепторов, чувствительных к капсаицину, поэтому в качестве средства защиты от них он бесполезен.

Перец чили – далеко не единственное и не самое сильное средство, способное вызвать боль. Боль бывает весьма разнообразной. Она может ощущаться разными чувствами. Вы можете почувствовать ее в результате химической реакции рецепторов на капсаицин, но похожие ощущения вы испытаете и при сильном воздействии на тепловые и механические рецепторы, когда превышается определенный порог. Ощущение легкого тепла приятно, но при превышении порогового значения вы чувствуете боль.

Точно так же легкое механическое воздействие на кожу ощущается как прикосновение, но, когда оно становится слишком сильным и начинает деформировать плоть или нарушать кожный покров, возникает ощущение боли. Здесь действует общий для всех органов чувств принцип: раздражение рецептора создает сигнал, распространяющийся по нервной системе. Он поступает в мозг, и только в этот момент химический или электрический сигнал воспринимается как боль.

На этом принципе основано действие всех болеутоляющих средств. Они не устраняют боль в том месте, где вы ее ощущаете, а просто блокируют поступление соответствующих сигналов к мозгу.

Боль играет очень важную роль в жизни, но механизм ее действия свидетельствует о том, что конструкция нашего организма продумана не до конца. Все можно было бы устроить значительно лучше. Конечно, боль должна сигнализировать о том, что в теле что-то не в порядке, но зачастую болевые ощущения не соответствуют серьезности проблемы. Хотя мы можем блокировать отдельные органы чувств (например, завязать глаза или заткнуть уши), с болью этого сделать не удается. Если бы человеческий организм не являлся результатом эволюции, а был кем-то создан, то хороший «конструктор» снабдил бы нас простым способом отключения боли после того, как она выполнит свою функцию и необходимость в ней отпадет.

Найдите свой нос

Эксперимент на проприоцепцию

Я хочу предложить вам простой опыт, демонстрирующий наличие иных чувств, помимо знакомых пяти. Закройте глаза и посидите несколько секунд, опустив руки. А теперь поднимите одну руку и дотроньтесь указательным пальцем до кончика носа. Выполните это упражнение прежде, чем читать дальше.

Если у людей нет никаких заболеваний и повреждений мозга, они, как правило, без труда выполняют это задание. Помогают ли вам в этом пять традиционных чувств? Нет. Здесь действует совершенно иной механизм.

Описанный выше эксперимент демонстрирует наименее известное и наиболее загадочное из имеющихся у нас чувств – проприоцепцию. С ее помощью вы определяете, какое положение отдельные части вашего тела занимают по отношению друг к другу. Это больше, чем просто чувство. Вы не только ощущаете размеры и границы своего тела, но и учитываете информацию мозга о командах, которые он отдает мышцам, и об их действиях. Как показывает проделанный эксперимент, существует особый механизм, который позволяет безошибочно коснуться рукой любой части тела без обращения к пяти основным чувствам.

Животные располагают еще более обширным арсеналом чувств, чем люди. Акулы, например, улавливают электрические поля, создаваемые нервной системой добычи, а некоторые птицы чувствуют магнитное поле Земли, что позволяет им прокладывать маршруты миграции. Они обладают своего рода встроенным компасом. Животные, использующие эхолокацию (например, летучие мыши), имеют те же слуховые рецепторы, что и мы, но при этом способны не просто слышать звуки, но и создавать из них некое подобие трехмерного изображения.

Ощущение ускорения

Теперь перейдем к ощущениям от катания на американских горках. Они создаются на основе чувства ускорения. Его часто считают одним из проявлений чувства равновесия (которому дали странное название – «эквилибриоцепция»), но это лишь свидетельствует о том, что биологи путают ощущения и функции. Да, чувство ускорения помогает нам сохранять равновесие, но ощущаем мы именно ускорение.

Такую способность дает внутреннее ухо, заполненное жидкостью, которая реагирует на наши движения. Создаваемые при этом потоки раздражают крошечные волоски, которые подают мозгу сигналы о том, как и в каком направлении совершается движение. Это как бы биологический эквивалент акселерометра в современном мобильном телефоне, который определяет, в каком положении находится прибор и куда он поворачивается или наклоняется. Именно по этой причине вы чувствуете головокружение и пошатываетесь после того, как покидаете американские горки: жидкости необходимо некоторое время, чтобы прийти в стабильное состояние.

Находясь на аттракционе типа американских горок, вы испытываете на себе действие двух основных сил: силы гравитации, притягивающей вас к центру Земли, и силы ускорения, которая толкает, наклоняет и переворачивает вас (это действие оказывается на вас сиденьем).

Вес и масса

Действие, которое оказывает на вас сиденье аттракциона, представляет собой в некотором роде искусственный вес. Говоря о весе, следует соблюдать осторожность, чтобы не погрешить против научных принципов. Вес – это количество силы, создаваемой за счет гравитации, однако мы привыкли подменять этим словом понятие массы, которая является мерой количества вещества в том или ином теле.

Здесь легко запутаться, потому что в повседневной жизни мы используем одни и те же единицы для веса и массы, но это совершенно разные вещи. Чтобы пакет кофе весил на Луне 1 килограмм, он должен содержать в шесть раз больше зерен, чем на Земле. Но килограмм массы будет одинаковым и там, и там.

Допустим, на Земле вы весите 70 килограммов, но на Международной космической станции (МКС) ваш вес будет практически равен нулю. Ваша масса на Земле будет также составлять 70 килограммов, но и на МКС ровно столько же. И это не должно никого удивлять. Как уже было сказано, масса – это количество вещества, из которого вы состоите. Вещество никуда не исчезнет, даже если вы окажетесь на околоземной орбите.

Указывая на количество вещества в теле, масса говорит нам о том, сколько силы необходимо приложить, чтобы сдвинуть это тело с места. Это следствие второго закона Ньютона (вообще-то специально для этой цели Ньютон изобрел концепцию массы), который гласит, что количество силы, необходимой для приведения тела в движение, равно массе этого тела, умноженной на ускорение. Поэтому чем сильнее мы ускоряем движение, тем больше силы для этого придется потратить. И этот принцип не меняется в зависимости от того, где вы находитесь: на Земле или в космосе.

Вес – это сила гравитации, приложенная к некой массе. Ускорение, создаваемое силой притяжения Земли, составляет 9,8 м/с². Это значит, что если вы упадете с высоты, то каждую секунду ваша скорость будет увеличиваться на 9,8 метров в секунду. Таким образом, сила, с которой действует на вас гравитация, в 9,8 раза превышает вашу массу. Однако мы немного хитрим и измеряем вес в тех же единицах, что и массу. На самом деле вес должен измеряться в ньютонах (единицах метрической системы). Если мы спросим, с каким весом родился ребенок у молодой пары, то в ответ должны услышать что-то вроде 35 ньютонов, но это привело бы всех в замешательство.

На американских горках (или в иных схожих условиях) вы можете испытать на себе силу ускорения, скажем 2д (это, конечно, не научная единица измерения, но она помогает примерно представить себе, какие ощущения могут вас ожидать), то есть вдвое превышающую силу гравитации. Без специального оборудования человек способен перенести ускорение примерно до 5д и даже остаться в живых после очень кратковременной ударной перегрузки до 100д.

Тянем или толкаем?

Направление силы, которая воздействует на вас при ускорении (будь то в парке аттракционов или в автомобиле), не всегда очевидно. Если автомобиль поворачивает направо, вы чувствуете, что какая-то сила тянет вас влево. Создается впечатление, что на вас действует центробежная сила. Но это впечатление обманчиво. Такого понятия, как центробежная сила, не существует. Здравый смысл говорит вам: «Ну как же не существует? А какая же сила уложила меня на колени соседа при резком повороте?» Но у физиков на этот счет другое мнение.

Первым, кто догадался, что происходит на самом деле, был Ньютон. Если тело не находится в состоянии покоя, то оно будет продолжать движение по прямой линии, пока какая-то сила не изменит это направление или не затормозит его. Просто в земных условиях предметы постоянно испытывают на себе силу притяжения, меняющую направление движения (например, когда вы бросаете мяч, он летит не по прямой линии, а по дуге) и постепенно замедляют скорость вследствие трения. (Изменить направление движения можно и за счет вращения. Именно так футбольный мяч огибает по дуге стенку защитников.)

Но давайте вернемся к нашей воображаемой центробежной силе. Предположим, вы пересели с американских горок на другой аттракцион в виде вращающейся чаши. Когда она набирает скорость, вы чувствуете, что вас прижимает к стенке. Но, если бы стенки не было, вы бы вылетели и продолжили движение по прямой, не ощущая на себе воздействия никакой силы. Таким образом, получается, что никакая сила тут и не требуется.

Наоборот, это стенка чаши с силой давит на вас, препятствуя вашему вылету, и направлена эта сила к центру, а не наружу. Выходит, что она должна называться не центробежной, а центростремительной (этот термин ввел в оборот Ньютон). То же самое происходит и в автомобиле. Как только ваше тело приходит в движение, оно стремится двигаться по прямой линии, но автомобиль при повороте оказывает на вас воздействие, и вы меняете направление.

Оккультная сила

Когда вы сидите и читаете эту книгу, на вас действует сила гравитации. Притяжение Земли – одна из четырех природных сил (о трех остальных мы поговорим чуть позже). Она действует на расстоянии, и это не дает покоя ученым уже на протяжении сотен лет. Когда Ньютон в своем фундаментальном (и, честно говоря, трудночитаемом) сочинении «Математические начала натуральной философии» описал, каким образом гравитация удерживает планеты на орбитах, многие современники подняли его на смех, потому что понятие притяжения, существующего на расстоянии между двумя телами, было непонятным. Его идеи назвали «оккультными» и «абсурдными».

Проблема в том, что для того, чтобы воздействовать на что-то на расстоянии, нужно что-то направить от А к Б. Если вы хотите, чтобы ваза упала с подоконника, надо в нее что-нибудь бросить. Одной только силы мысли для этого недостаточно. Если вы хотите, чтобы я вас услышал, то должны послать мне по воздуху звуковые волны. Но гравитация, как мы видим, действует на тела без всяких посредников. Ньютону оставалось только пожать плечами и признаться: «У меня на этот счет нет гипотез». Он не понимал, как действует гравитация, но сумел описать в математических формулах последствия этого действия – от падения яблока до вращения планет по своим орбитам.

Искривление пространства и времени

Человека, который устранил эту проблему и понял, каким образом гравитация удерживает наше тело на земле, звали Альберт Эйнштейн. Если вы спросите прохожих на улице, чем он знаменит, то, скорее всего, услышите в ответ его знаменитую формулу Е = mc², описывающую соотношение массы и энергии (и это действительно важно). Но если спросить ученых, то они ответят, что самым впечатляющим его достижением было создание общей теории относительности, объясняющей принцип действия гравитации.

Данная теория неимоверно сложна, особенно ее математическое обоснование. Даже сам Эйнштейн испытывал с этим большие трудности и обращался за помощью к лучшим математикам. Однако базовые принципы, лежащие в ее основе, очень просты и даже тривиальны. Они пришли Эйнштейну в голову в 1907 году, когда у него на работе выдалось свободное время. Вот как он это описывал: «Я сидел в кресле в Бернском патентном бюро, как вдруг мне в голову пришла мысль: «В свободном падении человек не ощущает своего веса». Я был поражен. Эта простая мысль произвела на меня огромное впечатление. Развив ее, я пришел к теории тяготения». Позднее он писал, что это была «самая счастливая идея» в его жизни.

Эйнштейн исходил из принципа эквивалентности, который гласит, что гравитация и ускорение идентичны. Если вы, допустим, сидите в ракете, не имеющей иллюминаторов, и чувствуете, что вас прижимает к полу, то никакие эксперименты не помогут вам точно определить, какая сила на вас действует – сила гравитации или сила ускорения космического корабля. Различить эти две силы невозможно.

Конечно, вы можете попробовать схитрить и воспользоваться прибором GPS, который подскажет, где вы находитесь и с какой скоростью движетесь. Можно также попробовать провести измерения в различных частях корабля. Если речь идет о гравитации, то она должна быть чуть слабее в той его части, которая наиболее удалена от Земли. Но Эйнштейн имел в виду другое: если вы произведете измерение в данной конкретной точке и не будете использовать приспособления, позволяющие каким-то образом увидеть, что происходит вокруг корабля, то определить, что является источником силы – гравитация или ускорение, будет невозможно.

Поскольку обе силы эквивалентны, вы можете использовать ускорение, чтобы противодействовать гравитации и таким образом полностью устранить ее действие. Именно это происходит при свободном падении. Вы наверняка видели тренировки астронавтов в условиях невесомости, проводящиеся в самолете, который движется по параболической траектории (его еще называют «рвотной кометой»). Самолет набирает высоту, а затем с ускорением летит к земле по определенной траектории и с определенной скоростью, что полностью устраняет эффект гравитации. Все находящиеся внутри в течение примерно 20 секунд могут свободно летать по салону, пока самолет не выйдет из пике.

Падение без столкновения с землей

То же самое произойдет с вами, если вы попадете на Международную космическую станцию. Астронавты практически не испытывают там силы тяжести, и вовсе не потому, что находятся далеко от Земли. На высоте орбиты МКС сила притяжения Земли все равно составляет около 90 процентов от той, которую мы испытываем на ее поверхности. Дело в том, что орбита станции (и всех ее обитателей) представляет собой траекторию постоянного падения с равномерной скоростью, которое компенсирует гравитацию. Единственная причина, по которой это падение не завершается ударом о землю и взрывом, заключается в том, что станция постоянно «промахивается» мимо Земли.

Луч света, пересекающий внутреннее пространство космического корабля

Находясь на орбите, станция стремится улететь от Земли по прямой линии, но падает, повинуясь силе притяжения. Оба движения компенсируют друг друга, благодаря чему станция продолжает оставаться на прежней высоте, но при этом все же падает. Когда Эйнштейн размышлял над своей теорией, его посетила еще одна замечательная мысль: луч света, который пересекает внутри движущийся с ускорением космический корабль, будет отставать от его движения и, как следствие, изгибаться. Но если гравитацию невозможно отличить от ускорения, то и гравитационное поле тоже должно отклонять свет.

Разум меньшего масштаба, чем у Эйнштейна, мог бы, пожалуй, прийти к выводу, что свет притягивается гравитационным полем, как и все прочие предметы. Но у ученого родилась по этому поводу совершенно немыслимая идея: а что, если массивный объект типа Земли вовсе не притягивает другие объекты, а просто искривляет пространство и время? В этом случае луч света тоже будет отклоняться.

Чтобы продемонстрировать общую теорию относительности в действии, часто пользуются наглядным образом тяжелого шара для боулинга, положенного на натянутую резиновую пленку, которая символизирует пространство и время. Мяч давит на пленку и прогибает ее поверхность. Если вы представите себе луч света, движущийся внутри пленки, то в месте прогиба он пойдет по дуге. Масса искривила пространство и время и изменила направление луча. С точки же зрения света он продолжает двигаться по прямой линии. Просто пространство и время, в котором он движется, искривлены.

Отсутствие взаимодействия на расстоянии

Самое замечательное в подходе общей теории относительности к гравитации – это то, что она исключает не дававшую всем покоя концепцию взаимодействия между двумя телами на расстоянии. Все, что имеет массу, искривляет пространство и время вокруг себя. Даже ваше тело создает определенные, хотя и крошечные искажения пространства и времени. Поэтому, если другое тело попадает в искривленную часть пространства и времени, оно испытывает на себе действие гравитации.

Модель с резиновой пленкой довольно удачна, но все же не дает полного представления об этом явлении. Во-первых, пространство и время представлены в ней в двухмерном виде, а реальный мир имеет три пространственных измерения и одно временн бе. Кроме того, эта модель не позволяет понять, почему тело (например, знаменитое яблоко Ньютона) начинает двигаться, испытывая на себе гравитационное воздействие другого тела.

Чтобы это объяснить, обычно кладут маленький шарик на край резиновой пленки, который скатывается в образовавшийся прогиб. Но почему шарик начинает двигаться? Что приводит его в движение? Ну, в общем… гравитация. Такое объяснение гравитации через гравитацию является так называемым логическим кругом, при котором утверждение выводится из самого себя, а следовательно, не имеет никакого смысла.

В действительности же все еще удивительнее. Возьмите яблоко и выпустите его из руки. Яблоко притягивается к Земле, а Земля – к яблоку. Однако Земля обладает несравнимо большей массой, поэтому притягивает сильнее. Как только вы отпустите яблоко, оно тут же начнет падать, двигаясь все быстрее и быстрее.

Почему это происходит с точки зрения общей теории относительности? Дело в том, что масса Земли искривляет не просто пространство, а пространство и время. Хотя до этого яблоко было неподвижным в пространстве, оно перемещалось во времени. При искривлении пространства и времени движение во времени частично переносится в другое измерение. Но поскольку у времени существует только одно измерение, значит, движение во времени превращается в движение в пространстве. Яблоко испытывает на себе ускорение и падает на землю из-за искривления времени. От подобных объяснений голова идет кругом, но это действительно так.

Замедлите свои часы

Вы, должно быть, подумали, что если тело теряет часть своего движения во времени, то время в гравитационном поле течет медленнее. Вы правы. Спутники системы ОР8 постоянно сверяют время с очень точными часами на Земле. Эта корректировка необходима из-за временных смещений, вызванных следствиями другой великой теории Эйнштейна – специальной теории относительности. В соответствии с ней время в движущемся объекте течет медленнее. Поэтому часы на спутниках должны слегка запаздывать по сравнению с часами, находящимися на Земле. Но, помимо этого, спутники испытывают на себе меньшее гравитационное воздействие, так как находятся достаточно далеко от Земли. Если сложить оба фактора, то оказывается, что часы на них в общем итоге идут быстрее, чем на Земле. Именно это забегание вперед и приходится корректировать, чтобы обеспечить точность работы системы ОР8.

Эксперимент с принципом эквивалентности

Возьмите наполненный гелием воздушный шарик на ниточке и сядьте с ним в машину (за рулем, естественно, должен быть кто-то другой). Держите шарик так, чтобы он находился примерно в центре машины и не касался потолка. Попросите водителя затормозить (там, где это никому не создаст помех). Торможение должно быть не резким, но достаточно активным и длиться несколько секунд. Как поведет себя шарик?

Здравый смысл подсказывает, что при торможении шарик должен отклониться вперед. Ход рассуждений при этом может быть приблизительно таким: когда водитель нажимает на тормоза, автомобиль замедляется, то есть испытывает отрицательное ускорение. Но это ускорение не передается шарику, и он по инерции должен продолжать двигаться вперед. Таково следствие первого закона Ньютона, который гласит, что тело будет продолжать двигаться в прежнем направлении до тех пор, пока к нему не будет приложена некая сила.

Но на деле происходит совершенно иное. Чтобы это понять, необходимо воспользоваться эйнштейновским принципом эквивалентности. При торможении автомобиль ускоряется в заднем направлении. Поскольку ускорение и гравитация эквивалентны, это означает, что создается гравитационная сила, направленная вперед. (Вспомните пример с ракетой, с которого начиналась глава. Если ракета летит с ускорением вверх, то создается гравитация, направленная вниз.) Таким образом, когда автомобиль тормозит, ваше тело отклоняется вперед за счет «гравитации», созданной ускорением.

А теперь подумайте, как ведет себя шарик с гелием, когда он испытывает на себе нормальное гравитационное воздействие, направленное вниз. Он стремится вверх, то есть в направлении, прямо противоположном гравитации, поскольку он легче воздуха и на него действует выталкивающая сила. Это значит, что если гравитационная сила, созданная ускорением автомобиля, направлена вперед, то шарик будет отклоняться в противоположном направлении, то есть назад. Именно это и происходит в действительности.

Созидающая сила

Гравитация – самая очевидная из четырех природных сил, благодаря которым существует тело человека. Ее невозможно не заметить. Без гравитации нас бы вообще не было. И дело не только в том, что сила тяготения удерживает нас на поверхности планеты, а Землю – на орбите вокруг Солнца. Ведь именно гравитация позволила сформироваться самому Солнцу, да и планетам тоже. Примерно 4,5 миллиарда лет назад существовало лишь облако пыли и газа, которое под действием силы гравитации со временем уплотнилось, и из него образовались Солнце и планеты. Эта всепроникающая сила впоследствии привела Солнце в действие, сжав его до такой степени, что в нем началась реакция термоядерного синтеза, дающая нам тепло и свет.

Гравитация дает нам еще несколько преимуществ. У астронавтов, долгое время проводящих в космосе, мышцы атрофируются, а кости становятся более слабыми. Вполне возможно, что мы вообще не смогли бы жить без гравитации. Когда отсутствует постоянная сила, направленная вниз, даже дышать становится труднее. Без нее печень поднимается вверх, сдавливая легкие и затрудняя движения диафрагмы. Ребенок, родившийся в условиях невесомости, скорее всего, не выжил бы.

Трудности в невесомости испытывают и другие живые существа. Дарвин предположил, что сила тяготения необходима растениям, чтобы корни росли вниз. В космосе корни действительно беспорядочно растут во все стороны.

Кроме того, в ходе эксперимента, проведенного на Международной космической станции (как ни странно, его спонсором являлась компания КРС, специализирующаяся на жареных цыплятах), было установлено, что желтки, в отличие от нормальных условий, располагаются в центре яйца, а не сдвигаются ближе к скорлупе под действием силы тяжести. В связи с этим зародыши развиваются неправильно и не могут вылупиться.

Электрические и магнитные силы

И все же, несмотря на свою очевидность и ту важную роль, которую гравитация играет для Вселенной и человеческой жизни, она является самой слабой из всех четырех сил. Это особенно заметно в сравнении с другой силой, с которой мы встречаемся на каждом шагу и которая тоже имеет чрезвычайно важное значение для нашего тела, – электромагнетизмом. Сфера ее действия не ограничивается только электрическим феном и магнитиками, которые мы крепим к холодильнику. Электромагнитные силы лежат в основе взаимодействия любых тел в мире.

Как только два тела вступают в непосредственный контакт (например, когда вы что-то трогаете, толкаете или на что-то садитесь), между ними возникает электромагнитная сила. Нажимая клавишу компьютера, вы, должно быть, полагаете, что ваш палец касается пластика. На самом деле электроны атомов, из которых состоит палец, отталкиваются от электронов атомов, из которых состоит клавиша. Между ними не происходит контакта. Нажатие клавиши осуществляется за счет электромагнитной силы отталкивания.

Точно так же электромагнитные силы проявляются и в парке развлечений, когда ваше тело вступает в контакт с сиденьями аттракционов, а колеса тележки, в которой вы катитесь по американским горкам, – с рельсами. Разумеется, гравитация тоже вносит свой вклад. Благодаря принципу эквивалентности вы знаете, почему ваше тело кажется тяжелее, когда вы, скатившись вниз, стремительно взмываете вверх или когда при повороте вас тянет в сторону. Но электромагнетизм присутствует в нашей жизни всегда, когда вы соприкасаетесь с другими предметами. Электромагнитные силы действуют повсюду.

Эксперимент, доказывающий слабость гравитации

Снимите с холодильника сувенирный магнит и отойдите с ним подальше от тяжелых металлических предметов. Держа магнит на уровне талии, выпустите его из рук. Как и ожидалось, он упадет на пол. А теперь проделайте то же самое, но рядом с холодильником. При падении магнит прилипнет к холодильнику. Несмотря на всю силу притяжения Земли с ее огромной массой, сравнительно небольшой металлический предмет воздействует на магнит гораздо сильнее.

Выполняя этот эксперимент, вы можете удивиться: зачем нужна его первая часть? Ведь и так ясно, что магнит упадет на пол. Но этим-то наука и отличается от обычной жизни. Вы можете предполагать что угодно, но здравый смысл в науке зачастую подводит. Всегда лучше проверить свои предположения и на основе эксперимента сделать обоснованный вывод.

В данном эксперименте мы проверяли действие магнетизма, но можно было точно так же обратиться и к электричеству, например понаблюдать, как кусочек бумаги прилипает к расческе после того, как вы потерли ее о волосы и она приобрела электрический заряд. Электричество и магнетизм – два проявления одной и той же силы, которая намного сильнее гравитации. Если говорить точнее, в 1040 раз. Единственная причина того, что гравитация настолько важна, заключается в том, что атомы и молекулы в основном электрически нейтральны и не подвластны действию электромагнитных сил (при контакте двух предметов в игру вступают лишь электрические заряды компонентов атома), но подчиняются законам гравитации.

«Течет» ли электричество?

В повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с одним из аспектов электромагнетизма – электричеством. Оно играет фундаментальную роль в функционировании организма человека. В частности, мозг и нервная система используют электрические импульсы как средство коммуникации и контроля действий тела. От них зависит и ритм сердца.

Болшинство уроков в школе, на которых нас знакомят с электричеством, состоит из манипуляций с батареями, лампочками и проводами, но, даже усвоив необходимые навыки, мало кто понимает, что же на самом деле представляет собой электричество. И в этом нет ничего удивительного. Электричество, как и многие другие изобретения, вошедшие в наш быт, работает на квантовом уровне, противоречащем здравому смыслу.

Электричество часто описывают, пользуясь аналогией с потоком воды, но это очень неудачное сравнение. Если бы оно текло по проводам, словно вода по трубам, нам приходилось бы чем-то затыкать розетки, когда в них нет надобности, чтобы электричество не вытекало из них. Из-за этой аналогии мы до сих пор пользуемся такими терминами, как ток (от слова «течь»), электронный вентиль и т. п.

Электрический ток возникает вследствие того, что проводники (обычно металлические) имеют свободные электроны, которые являются общими для нескольких атомов и «плавают» в межатомном пространстве. Предположим, мы подаем положительный заряд на правый конец металлического провода. Все свободные отрицательно заряженные электроны должны были бы устремиться к нему. Но тут возникает проблема. Если все электроны скопятся в правом конце, то в левом будет наблюдаться их дефицит. Отсутствие электронов будет означать, что левый конец приобретает положительный заряд и начинает, в свою очередь, притягивать к себе электроны. Только в том случае, если мы снабдим левый конец недостающими электронами, в проводнике возникнет направленный ток. Таким образом, в отличие от воды, электричество «течет» только при наличии замкнутой цепи.

К сожалению, люди, разрабатывавшие модель электрического тока, еще не знали об электронах. Они по собственному усмотрению определили, куда должно течь электричество, и в результате оказалось, что оно прямо противоположно истинному направлению, то есть не совпадает с движением электронов.

Еще одно несходство с водой заключается в том, что электроны, в соответствии с этой устаревшей моделью, должны двигаться вдоль проводника, чтобы создавать ток. Если бы это действительно было так, то, включив электрическое устройство, нам пришлось бы довольно долго ждать, пока оно заработает. В действительности же электрический свет включается мгновенно, стоит только щелкнуть выключателем. Если измерить скорость электронов в проводнике, то окажется, что они движутся даже медленнее пешехода (на самом-то деле их скорость огромна, но они больше топчутся на месте и значительная часть их противоположно направленных движений взаимно компенсируется, однако в итоге они постепенно передвигаются по направлению к положительному полюсу).

Из заряженной батареи исходит не пучок электронов, а электромагнитное поле, управляющее электромагнитной энергией. Вот оно-то и распространяется со скоростью света. Эта невидимая волна (поток фотонов) приводит в движение электроны, которые уже находятся в лампе накаливания, и свет тут же зажигается. Электронам необязательно проделывать для этого весь путь по проводам от батареи до лампочки.

Электромагнетизм участвует во всех видах взаимодействия между светом и материей. Его действие проявляется не только в случае соприкосновения двух тел или в ходе работы электрических устройств. Без электромагнетизма мы не могли бы ничего видеть, а энергия Солнца не смогла бы пересечь космическое пространство, чтобы обогреть Землю.

Внутри атомного ядра

Для полноты картины мы должны вкратце рассмотреть две оставшиеся силы, существующие наряду с гравитацией и электромагнетизмом. Они так же важны для нашей жизни, но не столь очевидны. Самой мощной из них является сила, носящая название «сильное взаимодействие». По своей мощи она превосходит даже электромагнетизм. Без нее все атомы тела человека разлетелись бы на составляющие компоненты.

Сильное взаимодействие внутри ядра атома удерживает вместе положительно заряженные протоны. Электромагнитная сила пытается оттолкнуть их друг от друга, а сильное взаимодействие противостоит этому, иначе все атомы мгновенно распались бы.

Если бы сильное взаимодействие зависело от квадрата расстояния между объектами так же, как гравитация или электромагнетизм, нам всем пришел бы конец. Все ядра атомов во Вселенной начали бы неудержимо стремиться друг к другу. Но, к счастью, его сила по мере удаления убывает намного быстрее. На расстоянии всего 10–15 м от протона или нейтрона она практически равна нулю. Именно поэтому в природе не встречаются сверхмассивные атомы. Ядро любого атома, превосходящее по размерам атом урана, неизбежно распадается.

Но это только половина истории. Обеспечение стабильности ядра атома представляет собой лишь своего рода побочный эффект сильного взаимодействия, так как его основная функция заключается в «склеивании» кварков. Протон и нейтрон состоят из трех кварков, а удерживает их вместе именно сильное взаимодействие. В отличие от всех других сил, сильное взаимодействие в пределах своих границ не ослабевает по мере удаления объектов друг от друга, а, наоборот, усиливается. Пока кварки находятся внутри ядра атома, они могут свободно двигаться, но, как только какой-то из них пытается покинуть ядро, сильно взаимодействие тут же возвращает его на место. Поэтому разбить протон или нейтрон на составляющие практически невозможно.

Слабое взаимодействие

Четвертый вид силы – самый необычный из всех. Это так называемое слабое взаимодействие. Оно примерно в миллион раз слабее сильного взаимодействия и уступает даже электромагнетизму, но намного сильнее гравитации. Слабое взаимодействие действует еще на более коротких расстояниях, чем сильное, и в его зону действия могут попасть только частицы, составляющие крошечную долю диаметра протона.

Таким образом, в функции слабого взаимодействия входит не столько взаимное притяжение или отталкивание частиц, сколько управление свойствами кварков. С его помощью кварки меняют «аромат», и за счет этого происходит превращение частиц из одного вида в другой. Так протоны превращаются в нейтроны в ходе реакции термоядерного синтеза, протекающей внутри звезды, или в процессе ядерного распада (например, бета-распада, выбивающего электроны высоких энергий из ядра). Хотя слабое взаимодействие никак не участвует в нашей прогулке по парку аттракционов, без него не светилось бы Солнце, а на Земле не было бы жизни. Да и самой Земли тоже не было бы, потому что без ядерных реакций в недрах звезд не появились бы тяжелые элементы.

Теперь, когда вы узнали, что представляют собой все четыре силы, не приходится удивляться, что после посещения американских горок голова идет кругом. А не чувствуете ли вы себя помолодевшим после этого аттракциона? Ведь благодаря поездке на такой скорости вы стали на крошечную долю секунды моложе, чем те, кто стоял вокруг.

Путешествие во времени

Давайте обратимся к самому экстремальному примеру. Предположим, вы записались добровольцем в полет на новейшем космическом корабле, который может лететь со скоростью, составляющей 99 процентов от скорости света. Это 297 тысяч километров в секунду. Продолжительность космического круиза составляет два года и девять месяцев. По возвращении домой вы испытаете настоящий шок. Дело в том, что, пока вы отсутствовали, на Земле прошло 20 лет. Все ваши друзья и родственники стали на двадцать лет старше, и все это прошло мимо вас. Фактически вы совершили путешествие в будущее более чем на 17 лет вперед.

И это путешествие во времени, и ваше едва заметное омоложение после катания на американских горках являются следствием одного из самых революционных достижений науки XX века – специальной теории относительности Эйнштейна. Эйнштейн сумел понять особое свойство света: он может двигаться в вакууме только с определенной скоростью – 300 тысяч километров в секунду.

Это объясняется особым характером взаимодействия между электричеством и магнетизмом. Приведите в движение источник электричества – и вы получите магнетизм. Приведите в движение магнит – и вы получите электричество. А если электрический импульс будет двигаться со скоростью света, то электрическое поле станет последовательно переходить в магнитное, затем опять в электрическое и так далее. Фотон света летит, непрерывно изменяя сам себя. Но этот процесс может происходить только при определенной скорости. Стоит ее снизить, и все прекращается.

У всех остальных вещей скорость может меняться в зависимости от того, с какой скоростью вы сами движетесь относительно их. Допустим, автомобиль едет со скоростью 60 километров в час, но если вы сидите в нем, то он неподвижен по отношению к вам, если не считать тряски на неровностях дороги. Зато окружающий пейзаж проносится мимо вас. Таким образом, любое движение относительно. Если сталкиваются два автомобиля и скорость каждого из них составляет 60 километров в час, то относительно друг друга в момент столкновения их скорость будет 120 километров в час. Но со светом все обстоит иначе. Независимо от того, движетесь вы к источнику света или от него, его скорость всегда будет одинаковой.

Относительность света

Когда Эйнштейн ввел постоянную и неизменную скорость света в законы движения, действовавшие со времен Ньютона, то должны были соответственно измениться и величины, считавшиеся до этого постоянными, – масса тела и время движения. Чем быстрее вы движетесь, тем больше замедляется время. При этом масса вашего тела растет, а размеры по линии движения уменьшаются. Таковы следствия специальной теории относительности.

Специальная теория относительности также устанавливает, что ничто в обычных условиях не может двигаться быстрее света. Время все больше замедляется и в конце концов полностью останавливается при достижении скорости света. Если бы можно было двигаться еще быстрее, то это было бы равносильно течению времени вспять. Однако, несмотря на эти ограничения, существуют способы преодолеть световой барьер.

Самый простой пример превышения скорости света (хотя его и нельзя использовать в качестве машины времени), можно наблюдать в любом ядерном реакторе с водяным охлаждением. Если бы у вас была возможность взглянуть на воду, окружающую сердцевину реактора, вы бы увидели в ней зловещее голубоватое свечение. Оно вызвано электронами, движущимися быстрее скорости света.

Как мы уже установили, в воде свет движется медленнее, чем в воздухе (а в воздухе медленнее, чем в вакууме). Максимальная скорость, за которой время начинает течь в обратном направлении, – это скорость света в вакууме. Но скорость света в воде, которая составляет примерно 225 тысяч километров в секунду, вполне можно превысить. Например, электроны, рождающиеся в ходе ядерной реакции (с участием слабого взаимодействия), превышают эту скорость.

Сталкиваясь с молекулами воды, они выбивают из них другие электроны, создавая так называемое черенковское излучение, проявляющееся в виде свечения. Иногда это явление сравнивают с ударной волной, создаваемой самолетом, который летит быстрее звука. Голубоватое свечение – это оптическая ударная волна, создаваемая электронами, которые летят быстрее света.

Эксперимент: музыка Моцарта быстрее света

Зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Faster then light Mozart. Включите проигрыватель в нижней части экрана и послушайте звуковой сигнал, который, преодолевая туннельный барьер, двигался со средней скоростью, в 4,7 раза превышавшую скорость света. Запись изобилует помехами, но ускорение можно заметить без труда.

В принципе все, что движется быстрее света, включая и сигнал, посланный через такой барьер, путешествует во времени назад. Но чем протяженнее барьер, тем меньше вероятность того, что частица его вообще преодолеет. Этот феномен наблюдается лишь при таких коротких прыжках, что смещение во времени можно считать совершенно ничтожным. Поэтому нам не удастся таким способом передать в прошлое номера выигравших лотерейных билетов.

Постройте собственную машину времени

Когда ваше тело движется в пространстве относительно других предметов, оно непрерывно перемещается во времени вперед. Как ни странно, в будущем мы, вероятно, сможем пользоваться машинами времени, с помощью которых можно путешествовать и в прошлое. Какими бы невероятными ни казались путешествия во времени, не существует никаких физических законов, которые препятствовали бы этому. Путешествовать в прошлое труднее, чем в будущее, и уж, конечно, современные технологии этого не позволяют, но принципиальная физическая возможность для этого имеется.

Временной туннель

Еще один способ превысить скорость света – это квантовый туннельный эффект. Преодолевая барьер (как это происходит, например, в ходе ядерных реакций внутри Солнца), квантовая частица не пересекает занимаемое им пространство. Ей не требуется время, чтобы исчезнуть на одном краю барьера и тут же появиться на другом. Это значит, что если на ее пути от точки А к точке Б происходит туннелирование, то все это расстояние она пройдет быстрее скорости света.

Физик-теоретик скажет вам, что это лишь дело техники. Вам нужно только построить так называемую червоточину, или кротовую нору, – своего рода туннель, напрямую совмещающий две точки пространства-времени, – удержать ее от коллапса с помощью антигравитации и пролететь сквозь нее. Можно также взять струны нейтронных звезд, сформировать из них цилиндр и закрутить его со скоростью, близкой к световой. После этого достаточно облететь вокруг цилиндра, и у вас возникнет туннель, ведущий в прошлое. Но пройдут еще миллионы лет, прежде чем мы достигнем такого уровня развития технологий. Правда, существует одна возможность, которая позволяет добиться такого же эффекта, как и закручивание нейтронных звезд.

Этот процесс основан на явлении увлечения инерциальных систем отсчета. Одно из следствий общей теории относительности состоит в том, что небольшая доля гравитационного усилия отклоняется от обычного направления. Если тело, создающее гравитацию, вращается, то это боковое смещение увлекает за собой пространственно-временной континуум, словно ложка, которой вы по кругу перемешиваете патоку в банке. Если это увлечение происходит достаточно быстро, создается пространственно-временное завихрение, благодаря которому можно путешествовать в прошлое.

Один американский физик предложил сконструировать временной туннель из лазеров. В его конструкции вращающееся тело заменено светом. Этот замысел связан с определенными техническими проблемами, но в момент написания книги ведется поиск источников финансирования для претворения его в реальность. Первый образец такой установки сможет отправлять в прошлое лишь небольшие частицы, и то на незначительное время. Но, если эта попытка увенчается успехом, то, в отличие от квантового туннельного эффекта, масштабы эксперимента могут быть расширены, что может привести к реальным путешествиям во времени.

Прежде чем вы задумаете отправиться в прошлое, чтобы познакомиться с каким-нибудь историческим персонажем, хочу предупредить вас, что эта машина времени подвержена тем же ограничениям, что и любое другое устройство подобного рода, основанное на принципах теории относительности. Вы не сможете отправиться в прошлое дальше того момента, когда была создана первая машина времени. Поэтому никому не удастся использовать ее для охоты на динозавров. Однако прогулки во времени могут все же привести к странным парадоксам.

Парадоксы времени

Самым известным из таких парадоксов можно считать случай, когда кто-то отправляется во время, предшествующее его рождению, и убивает одного из своих родителей или более далеких предков (вам это не удастся, так как вы живете еще до момента создания машины времени, но человек, который родится после ее появления, в принципе, мог бы такое сделать). Мне не совсем понятно, как у человека может возникнуть подобное желание, но такая попытка создаст парадоксальную и запутанную ситуацию: если вы убьете своих родителей, то не сможете родиться, а значит, и не сможете убить родителей.

Кое-кто считает, что подобные парадоксы лишь доказывают невозможность путешествий в прошлое. Но вполне возможно, что в результате такого парадокса путешественник во времени будет либо выброшен в параллельную Вселенную, где его родители по-прежнему живы, либо возвращен к тому моменту, когда он отправился в прошлое. Таким образом, парадоксальная ситуация сама себя ликвидирует.

Но есть и еще одна странность: возьмите книгу, напечатанную еще до создания машины времени, заберите ее с собой в прошлое и вручите автору, который ее написал. Автор перепишет текст и отдаст рукопись в издательство. И тут возникает вопрос: кто написал книгу? Определенно не автор, потому что он лишь переписал ее с уже отпечатанного издания. Получается, что книга появилась сама по себе. От всего этого можно свихнуться, но такие вещи могут случиться, если путешествия во времени когда-либо станут возможными.

Дышите глубже

Возвращаясь к теме парка развлечений, хочу сообщить вам, что если вы больны астмой, то посещение аттракционов сможет поправить ваше здоровье. В ходе одного необычного исследования, проведенного в Голландии, 25 молодым женщинам, страдавшим астмой в тяжелой форме (и контрольной группе из пятнадцати здоровых участников) предложили прокатиться на американских горках. Было обнаружено, что после аттракциона пациентки испытывали значительно меньше проблем с дыханием, хотя во время самого заезда некоторые из них пережили приступ астмы.

Исследователи сделали вывод, что положительный эмоциональный стресс (вздох облегчения, когда все наконец закончилось) способствует легкости дыхания, а вот негативный стресс (связанный со страхом во время поездки) может усугубить симптомы астмы. Такой результат вряд ли можно назвать неожиданным. Похоже, больным астмой стоило бы уделять больше внимания разнообразным радостям жизни. И эта мысль подводит нас к теме следующей главы, которая может подарить вам такие взлеты и падения, до которых далеко любым американским горкам.

7. По парам

Во все века привлекательная особь противоположного пола превращала многих людей в жизнерадостных идиотов. У других животных такой проблемы, похоже, не существует. После непродолжительного момента плотских утех они продолжают жить, как и жили; мы же в подобной ситуации лишаемся способности ясно мыслить и управлять своим телом. Что же происходит?

Что вы понимаете под привлекательностью?

Пожалуй, перед тем, как ломать себе голову, почему любовь так влияет на наш разум, имеет смысл подробнее разобраться, что делает того или иного человека привлекательным в наших глазах. Лично я ставлю на первое место внешний вид. Кому-то такой подход может показаться слишком поверхностным, но давайте задумаемся, так ли это. Разумеется, в потенциальном партнере можно найти массу других интересных качеств: умение вести беседу, остроумие, интеллект, богатый внутренний мир. Но ведь эти качества больше применимы к хорошему товарищу или другу. С биологической же точки зрения ваш организм заинтересован прежде всего в успешном продолжении рода. Именно это качество лежит в основе феномена привлекательности. Все остальное – это лишь поиск партнера для интеллектуального общения.

Так что же делает людей привлекательными? Существует несколько факторов.

• Молодость. Неважно, сколько лет вам самим, но молодость потенциального партнера (при условии, что он или она достигли совершеннолетия) означает возможность получения здорового потомства.

• Здоровье. Это очень важное качество при анализе биологической ценности потенциального партнера.

• Симметричность. Нас больше всего привлекают люди, обладающие симметричными чертами тела, особенно лица. Эксперименты показали, что небольшие изменения на фотографиях, искажающие симметрию, снижают ощущение привлекательности. Вероятно, асимметричность ассоциируется с плохим здоровьем.

• Общительность. Причины здесь совершенно очевидны. Если целью взаимного притяжения лиц противоположного пола является продолжение рода, то мы ценим взаимность в общении и не считаем привлекательным человека, который изначально агрессивно настроен по отношению к нам.

В свое время был проведен интересный эксперимент, который подчеркивает значимость аспекта взаимности в определении привлекательности. Фотографии людей, на которых зрачки были искусственно расширены, казались участникам более привлекательными, чем те, на которых зрачки были сужены. Дело в том, что зрачки расширяются, если мы проявляем к человеку искренний интерес. Это непроизвольная реакция. Поэтому, когда вы видите изображение лица с расширенными зрачками, ваш мозг интерпретирует это как проявление интереса к вам, и вы автоматически считаете человека более привлекательным.

Это делают и птички, и пчелки…

Несомненно, самый причудливый эксперимент по определению привлекательности потенциального партнера у людей (а всяких причуд здесь и без того хватает) был проведен с участием кур. Ученые из Стокгольмского университета предложили птицам на выбор фотографии мужских и женских лиц. Было установлено, что куры отдавали предпочтение лицам, которые люди тоже считали более привлекательными. Хотя эксперимент был весьма ограниченным по количеству «участников» и его результаты вряд ли годятся для далеко идущих выводов, но создается впечатление, что существуют некие базовые факторы привлекательности, которые являются общими и для людей, и для животных.

Признание человека привлекательным – это далеко не то же самое, что чувство влюбленности, но и это состояние тоже подверглось изучению с позиций науки. Многие люди, испытывающие первую влюбленность, в этот период ведут себя необычно. Исследования белков, переносящих нейро-трансмиттер серотонин, показали, что химические процессы в мозге подвергаются при этом изменениям, очень схожим с теми, которые проявляются при обсессивно-компульсивном психическом расстройстве.

Хотя взаимное притяжение и образование пары включают в себя множество различных факторов, в их основе лежит настоятельная биологическая потребность в продолжении рода. В условиях современного общества мы пытаемся принизить значение этой потребности, так как она диктуется непроизвольными инстинктивными побуждениями, а нам не нравится сама мысль о том, что тело может управлять мозгом. Однако нет никаких сомнений в том, что природная потребность в повышении своих шансов на выживание и в передаче своего генетического материала для размножения оказывает влияние на ваше поведение.

Иногда подобные идеи преподносятся в гипертрофированной форме, и в этом случае можно услышать рассуждения о том, что единственной целью жизни является воспроизводство генов (на этой основе возникла даже теория эгоистичного гена). Однако в данном случае биологи уподобляются физикам, которые в своих теоретических построениях о поведении движущихся тел игнорируют трение, и математикам, сознательно упрощающим сложные фигуры и сводящим их к сфере. Подобные идеи не охватывают все сложные аспекты человеческого поведения в комплексе. Но столь же ограниченной представляется и точка зрения, будто сексуальные желания, в основе которых лежит потребность в продолжении рода, никак не влияют на наше поведение. В нас живут сильные естественные инстинкты, заставляющие создавать новую жизнь.

Нельзя приготовитьяичницу, не разбив яиц

Как и у кур, человеческая жизнь начинается с яйца. Конечно, это не то яйцо в скорлупе, которое откладывается в гнездо, но все же это яйцо. Тем не менее между человеческой яйцеклеткой и куриным яйцом есть одно существенное отличие, которое заставляет нас по-новому взглянуть на свой возраст.

Человеческая яйцеклетка очень мала. В конце концов, это всего лишь одна клетка. Ее размеры обычно составляют около 0,2 миллиметра в диаметре, то есть примерно соответствуют точке в данном тексте. Яйцеклетка, из которой вы произошли, сформировалась в организме вашей матери, когда она сама еще была эмбрионом. Таким образом, ее появление (а следовательно, и половины вашей ДНК) можно считать началом вашего существования. И произошло это задолго до вашего рождения. К вашему нынешнему возрасту надо прибавить возраст матери, в котором она вас родила. Если, допустим, она родила вас в 30 лет, а вам исполнилось восемнадцать, то можно считать, что ваш реальный возраст – 48 лет.

Как в доисторические времена

Правда, подобные рассуждения носят несколько абстрактный характер. Мы все же предпочитаем считать началом новой жизни время появления младенца на свет как отдельного и самостоятельного живого существа. Если вам, как и мне, больше пятидесяти лет, то велика вероятность, что вы родились около двух часов ночи (как и я). В наши дни многие роды искусственно сдвигаются по времени, но у женщин существует естественная тенденция рожать ночью, в самое спокойное время суток. Эксперимент, проведенный в одном из зоопарков, позволил установить, что около 90 процентов новорожденных шимпанзе появились на свет вскоре после полуночи.

Похоже, мы унаследовали тенденцию рожать в самое «неудобное» для всех окружающих время, потому что оно является самым безопасным с точки зрения животного, которое служит потенциальной добычей для хищника. В прежние времена человек был скорее добычей, чем охотником. Во время родов и младенец, и мать особенно беззащитны, поэтому всегда безопаснее, когда сородичи находятся рядом, а не разбредаются в поисках пищи, как в дневное время.

Это лишь один из многих примеров поведенческих особенностей и реакций, свойственных человеку, который еще только появился как биологический вид. За последние 100 тысяч лет мы не слишком изменились в эволюционном плане, а наши биологические функции, в том числе деятельность мозга, формировались в условиях, которые существовали в то далекое время, а не в современном мире. До сих пор мы боимся змей куда больше, чем автомобилей, хотя каждый год 1,25 миллиона человек погибают на дорогах и лишь несколько десятков тысяч – вследствие змеиных укусов (а в Европе и США подобные происшествия вообще являются исключением).

Однако по мере развития мозга, особенно после появления технологии, в поведении Homo Sapiens начали происходить существенные изменения. Пожалуй, самая значительная трансформация поведения связана с тем периодом, когда человек перестал быть добычей и стал одним из главных охотников. Этой смене ролей способствовали уже самые древние технологические новшества, например камень, зажатый в кулаке.

Технология каменного века на прогулке в парке

Человек отличается от всех остальных животных на планете тем, что использует технологию в самом широком смысле этого слова. Мы можем долго разглагольствовать о том, насколько развитыми в технологическом отношении были наши предки, построившие Стоунхендж, но если вы пойдете прогуляться по парку, то, скорее всего, встретитесь с результатом намного более древней технологии, которая используется нами до сих пор и которая внесла огромный вклад в превращение человека из добычи в охотника. Это собака.

Вас это удивляет? Как собака может быть технологическим изобретением? Это ведь живое существо. И все-таки у собаки есть два существенных отличия от своих диких предков – волков. И эти отличия возникли не естественным, а искусственным путем, в ходе селекции. Во-первых, у собаки есть определенные функции. Она не просто живет рядом с человеком, а выполняет для него полезную работу. Во-вторых, собаки – это первые животные, которые подверглись сознательным генетическим модификациям, направленным как раз на выполнение этих функций.

Собака может бегать быстрее человека. У нее острое обоняние. Ее челюсти намного сильнее, а клыки длиннее и опаснее. Если вы возьмете такие функции, как охота и защита (это две первые и главные роли лучшего друга человека, которые помогли нам стать хорошими охотниками), то становится очевидным, что собака представляет собой прекрасное оружие, которое может действовать даже на значительном расстоянии от нас и представляет опасность для любого хищника, который собрался нас атаковать.

Благодаря преданности, которую собака проявляет по отношению к человеку, она быстро стала для него больше чем «инструментом», и между ними сформировались близкие и сложные отношения. Говоря о «сложности», я имею в виду то, как менялось отношение к собакам в разные времена и в различных культурах. Хотя практически все человеческие цивилизации использовали собак в своих интересах, взгляд на них имел существенные отличия. В ближневосточных культурах собаки до сих пор рассматриваются как грязные и подлые существа, роющиеся в отбросах. Да и в нашем обществе (очевидно, под влиянием Библии) слово «собака» и некоторые производные от него используются как бранные, и мы награждаем ими непорядочных, ленивых, жадных и бессовестных людей.

Однако это не мешало людям использовать собак в самых различных сферах. В позднем Средневековье наметилось явное разделение собак на «благородных», которых держали в своих домах аристократы, и «рабочих», к которым относились едва ли не хуже, чем к любым другим животным. Эта разница сохранилась в определенной степени и до наших дней, хотя уже не имеет большого значения, так как в роли домашнего любимца может выступать собака любой породы.

Исторически породы собак выводились с учетом качеств, необходимых для выполнения той или иной функции. Тяжеловесные мастифы использовались как сторожевые и охотничьи собаки, умные и послушные ретриверы должны были выслеживать добычу и приносить подстреленную дичь, а жесткошерстные терьеры – охотиться на лис и других норных животных. Собаки, обладавшие острым нюхом, играли роль ищеек, идущих по следу. Как и при разработке любых других технологических объектов, собаки выводились специально для удовлетворения различных нужд.

Многие из этих функций используются нами и сегодня. Хотя большинство собак в наши дни являются просто любимцами семьи, многие из них по-прежнему выполняют определенные задачи, о которых люди в свое время и не помышляли. Например, собаки могут таскать за собой тележки и сани, выслеживать преступников, охранять и пасти овечьи стада. Да и породы охотничьих собак тоже претерпели специализацию и разделились на гончих, борзых, легавых, норных и т. п.

Собака в качестве протеза

Самая необычная роль собаки в качестве придатка человеческого тела – это ее помощь слепым, глухим и другим людям с ограниченными физическими возможностями. Есть данные, что собаки использовались слепыми в качестве поводырей уже в давние времена. Во время раскопок города Геркуланума, погребенного под вулканическим пеплом Везувия во время извержения 79 года до нашей эры, на одной из стен нашли изображение слепого, которого ведет собака. Примерно такое же изображение можно увидеть на деревянной дощечке, датированной Средними веками.

В книгах XIX века содержатся эпизодические упоминания о собаках-поводырях, но, похоже, никто не занимался этой темой всерьез вплоть до Первой мировой войны. Первая попытка наладить в массовом порядке дрессировку собак для помощи солдатам, потерявшим зрение на войне, была предпринята в Германии в 1916 году. В 1927 году эта идея была подхвачена в США, когда американка Дороти Юстис, работавшая собаководом-инструктором в Швейцарии, узнала о немецком опыте и написала об этом статью. Первым американцем, которому пес по имени Бадди заменил глаза, стал Моррис Фрэнк.

С тех пор тысячи слепых людей смогли вернуться к активной жизни благодаря собакам-поводырям. Недавно я сам видел, как такая собака провожала своего владельца с поезда к выходу из здания железнодорожного вокзала Паддингтон в Лондоне. Не обращая внимания на вокзальную суету, билетные турникеты, таблички, предупреждающие, что пол скользкий, шум поездов, гомон толпы и прочие трудности, она блестяще справилась со своей задачей и даже не повела носом, проходя мимо закусочной «Вшдег Кт§>> и кондитерской с их соблазнительными запахами.

В последнее время собак стали дрессировать для оказания помощи другим инвалидам. Собаки дают знать своим глухим владельцам о звуках, на которые необходимо реагировать, например о звонке в дверь или о машине, которая завела двигатель и готовится тронуться с места. Хотя к таким собакам предъявляются не столь строгие требования, как к поводырям, ей все же приходится принимать достаточно сложные решения в хаосе звуков, характерных для современной жизни.

Еще одна разновидность собак-помощников предназначена для людей, имеющих физические недостатки, которые мешают им совершать манипуляции с различными предметами. Удивительно наблюдать, как такая собака по приказу хозяина управляется с банкоматом.

Генная инженерия естественным способом

Разумеется, разработка этих удивительных технологических изобретений, успешно дополняющих возможности человеческого тела, совершалась поначалу без четко выраженного намерения. Вполне вероятно, что все началось с какого-то случайного происшествия. Хотя волки и не заслуживают дурной репутации (кстати, они редко нападают на людей), человеку в древние времена все же приходилось защищаться от них, когда они пытались поживиться мясом убитых на охоте животных.

Нетрудно представить себе первые робкие шаги на пути сближения человека и животного. Возможно, холодной зимой волк подобрался поближе к огню, чтобы согреться. Возможно, именно в это время какой-то другой хищник предпринял попытку атаковать стойбище людей, и волк, будучи стайным животным, пришел на помощь людям, сражаясь рядом с ними. За это его могли наградить куском мяса. А дальше началась естественная селекция. Год за годом отбирались волчата, которые были более домашними, легче вписывались в человеческое общество, охотнее принимали пищу из рук человека. Таким образом волк постепенно становился собакой.

Помните эксперимент Дмитрия Беляева, о котором говорилось в главе 2? Всего за 40 лет он сделал из диких серебристо-черных лис домашних животных вроде собак. Возможно, спустя 100 лет после первых осторожных контактов древние охотники имели дело уже не с дикими волками. Эти животные селились вокруг их стойбищ, постепенно меняли повадки и внешний вид. Их заостренные уши все больше опускались, шкура покрывалась различными узорами. Они привыкали рассматривать человека как члена своей стаи. Так появилась собака.

Этот процесс можно с таким же правом назвать генной инженерией, как и выведение генно-модифицированных сортов растений. Отбирая нужные качества, люди постепенно меняли природу животных и растений в своих интересах. Наглядно это можно продемонстрировать на примере двух растений – цветной капусты и сахарной кукурузы. Цветная капуста представляет собой мутант обычной капусты, цветки которой трансформировались в твердые и мясистые бугорчатые образования, которые мы употребляем в пищу. Лишившись цветов, это растение оказалось не способно размножаться без посторонней помощи. Точно так же методом селекции на протяжении многих лет была выведена сахарная кукуруза, которая теперь потеряла способность самостоятельно размножаться семенами и растет только благодаря человеку.

Эти растения не могут выжить в дикой природе, но точно так же и собака уже не является диким животным. Она стала таким же продуктом человеческой технологии, как и стол, который когда-то был дикорастущим деревом. Без сомнения, собака является самым впечатляющим образцом ранней технологии, использованной человеком для улучшения качества своей жизни. Строительство Стоунхенджа по сравнению с этим достижением может показаться детской забавой. Да, с его помощью некоторое количество людей, возможно, получало астрономические знания, и это хорошо. Но он не использовался на протяжении тысячелетий. Собака же является продуктом технологии каменного века. Она появилась за 35 тысяч лет до Стоунхенджа, позволив нашим предкам расширить возможности своего тела, и верно служит нам до сих пор.

23 пары

Как уже было сказано, любое живое существо – и собака, и человек, и то, что вы съели за завтраком, создается в соответствии с контрольной программой, заложенной в ДНК. Пришло время поближе присмотреться к этому удивительному веществу и той роли, которую оно играет в организме. Вы, должно быть, слышали, что каждый человек (за исключением небольшого числа тех, кто страдает генетическими нарушениями) имеет 23 пары хромосом. В каждой клетке представлен полный набор парных хромосом, причем в каждой паре (за исключением 23‑й) обе половины имеют одинаковое строение.

Парность хромосом объясняется тем, что вы происходите от двух родителей. Одна хромосома в каждой паре наследуется от матери, а вторая – от отца. Может показаться, что такая схема излишне усложнена, но именно за счет этого обеспечивается генетическое разнообразие человечества.

Хотя каждая пара хромосом состоит из одинаковых генов (опять же, за исключением 23‑й пары, до которой мы скоро доберемся), вам необходимы хромосомные наборы как от отца, так и от матери. Если в яйце содержится пара хромосом только самца или только самки, оно не способно нормально развиваться. Это демонстрирует нам значение эпигенетики – науки, которая выходит за рамки передачи наследственной информации посредством генов. Внешние факторы, определяющие работу генов, у отца и матери различны, и эти различия очень важны для здорового развития.

Хромосома № 23 – самая необычная, поскольку в ней заложено различие между мужчиной и женщиной. Если вы женщина, то у вас в 23‑й паре хромосомы будут одинаковыми (две так называемые Х-хромосомы), а у мужчин одной из половин пары станет меньшая по размерам Y-хромосома, доставшаяся ему от отца.

Каждая хромосома содержит длинную молекулу ДНК, о которой мы уже говорили. В вытянутом виде ДНК представляет собой некое подобие винтовой лестницы, ступеньки которой состоят из четырех оснований: цитозина, гуанина, аденина и тимина, – причем каждому основанию в одной половине ДНК строго соответствует другое основание. Ваши гены, о которых так много говорят в последнее время и которые считаются фундаментальными основами жизни, не являются какими-то отдельными образованиями. Это сегменты молекулы ДНК.

Сегмент спирали ДНК с участком кодирования аргинина (ССС)

Ген представляет собой комбинацию, состоящую из последовательности трех «ступенек» на лестнице ДНК, то есть трехбуквенных кодовых слов (они обозначаются начальными буквами оснований). Таким кодом может быть, например, СОО (Cytosin – цитозин, Guanine – гуанин, Guanine – гуанин). Это сочетание букв обозначает конкретный тип аминокислоты и содержит инструкции по ее выработке. В частности, код СОО обозначает аминокислоту аргинин.

Ген состоит из длинной последовательности таких трехбуквенных кодов, которые описывают строение и порядок производства белков – «рабочих лошадок» вашего тела. В человеческом организме от 20 до 25 тысяч генов – не так уж много на самом деле, чтобы нести в себе всю информацию о строении и функционировании вашего тела. Поэтому у ученых на каком-то этапе возникла мысль, что эту роль могут выполнять не только гены. Но лишь в 1980‑е годы пришло понимание того, что механизм построения человеческого организма намного сложнее, чем казалось до сих пор.

Не только гены

Весь секрет заключается в двух концепциях эпигенетики – учения об инструкциях, закодированных вне наших генов. Согласно одной из этих концепций, гены не находятся в действии постоянно, а могут «включаться» и «выключаться». Обычно это осуществляется в процессе метилирования, когда к основаниям (ступенькам винтовой лестницы ДНК) прикрепляются дополнительные молекулы – метиловые группы, состоящие из одного атома углерода и трех атомов водорода. Они выступают в роли маркеров, контролирующих включение и выключение генов.

Еще один фактор, необходимый для лучшего понимания процесса, в ходе которого организм строит сам себя, кроется в гигантских молекулах ДНК. Когда вы слышите, что у вас намного меньше генов, чем, скажем, у риса, это звучит несколько унизительно. Да, гены играют исключительно важную роль в производстве белков, из которых состоит тело человека. Но гены – это лишь очень незначительная часть ДНК. Если быть точнее, они составляют всего 3 процента. Поначалу считалось, что остальные 97 процентов представляют собой «генетический мусор», доставшийся нам в наследство от предков, находящихся на ранних ступенях эволюционного развития. Однако это далеко не так.

Бо́льшая часть этой «дополнительной» информации выполняет очень важные функции. В частности, с ее помощью осуществляется производство не белков, а рибонуклеиновой кислоты (РНК). Это вещество, родственное ДНК, имеет, в отличие от нее, лишь одну нить. РНК используется в процессе производства белков на основе генетической информации. Контрольная программа гена создает РНК, в которой, словно в шаблоне, производится белок. РНК выступает в данном случае в роли транспортного и информационного посредника.

Раньше считалось, что РНК, создаваемая «мусорной» частью ДНК, – это лишь бесполезный исторический реликт, но оказалось, что она играет важную самостоятельную роль. РНК содержит в себе множество контрольных механизмов, включающих и выключающих гены, а также выполняет другие функции, которые не менее важны, чем производство белков. Таким образом, относительно небольшая программа, заложенная в двадцати с лишним тысячах генов, вырастает до гигантских размеров, если принять во внимание весь объем ДНК.

Смысл всего вышесказанного заключается в том, что порой мы придаем генам слишком большое значение. Эпигенетика демонстрирует, что представление о генах как о чертеже человеческого организма далеко от реальности. Однако под влиянием некоторых воззрений типа теории эгоистичного гена, управляющего поведением всех живых существ («Эгоистичный ген» – известная книга Ричарда Докинза), очень легко скатиться к упрощенному пониманию роли генов. Докинз написал свою книгу еще до того, как было выявлено подлинное значение эпигенетики (позднее ему даже пришлось дописать еще одну главу). Но дело не в том, что гены утратили свою значимость, а в том, что в свете нынешнего понимания они представляют собой лишь малую часть общей биологической контрольной программы.

Сходства и различия

Вам, должно быть, уже приходилось слышать, что с генетической точки зрения мы очень близки к шимпанзе. Действительно, наши гены на удивление схожи. Примерно треть белков, производимых с их помощью, абсолютно идентичны, а остальные в большинстве своем отличаются лишь парой аминокислот, но, в принципе, являются теми же самыми белками. Однако в тех частях ДНК, которые не занимаются кодированием белков, существуют значительные отличия.

Одно из самых больших заключается в том, как модифицируются молекулы РНК, которые созданы в сегментах ДНК, не занятых производством белков. Существуют различные способы их видоизменения (этот процесс называется редактированием РНК). В человеческом организме редактирование происходит куда в большем масштабе, чем в организме животных (даже наших двоюродных братьев – человекообразных обезьян). Занимается этим редактированием преимущественно мозг. Пожалуй, это позволяет понять, почему наш мозг по своим функциям настолько отличается от мозга животных, с которыми у нас существует генетическое сходство.

Есть и еще одна странность. Ученые Мичиганского университета в Энн-Арборе провели сравнение 14 тысяч совпадающих генов человека и шимпанзе. Оказалось, что 233 гена шимпанзе претерпели изменения в результате позитивной селекции (естественного отбора, позволяющего закрепить полезные свойства особи), а у человека таких генов оказалось только 154. Руководитель группы прокомментировал это следующим образом: «Полученный результат переворачивает наши прежние представления о том, что человек, чтобы занять доминирующее положение среди всех животных планеты, должен был подвергаться существенным эволюционным изменениям». Виктория Хорнер, специализирующаяся на изучении приматов, резюмировала: «Мы предполагали, что в ходе развития шимпанзе претерпели меньше изменений, чем мы, но на самом деле это не так».

Подобные выводы представляются совершенно абсурдными. Ведь совершенно очевидно, что Homo Sapiens в ходе своей эволюции изменился значительно сильнее, чем шимпанзе. Вину за такой искаженный взгляд ученых на реальность можно отчасти возложить на физика Эрнеста Резерфорда, который открыл структуру атома. Он сказал: «Любая наука – это либо физика, либо коллекционирование марок». При этом он имел в виду, что лишь физики дают объяснение природным явлениям, а все прочие, в частности биологи, практически все время заняты тем, что только фиксируют эти явления и заносят их в каталоги.

В этих словах была доля истины до тех пор, пока биологи вплотную не занялись эволюцией и генетикой, тем самым расширив границы своей науки. Возможно, обида на Резерфорда с его комментариями привела к тому, что они начали придавать генам слишком большое значение. Но одно только количество генов еще ничего не говорит о сложности устройства животного или растения. Даже самый лучший рис, который по количеству генов намного превосходит человека, не способен писать великие романы, делать научные открытия и строить планы на будущее. Эпигенетика позволяет объяснить, почему даже при относительно малом количестве генов мы смогли прийти к таким выдающимся результатам в ходе развития.

Когда ученые, основываясь только на генетическом материале, делают вывод, что шимпанзе подвергся большим изменениям, чем человек, они слишком выпячивают частные аспекты в ущерб общей картине. Человек – это не только гены. Благодаря нашему удивительному мозгу мы способны производить изменения в себе, основываясь на особенностях взаимодействия с окружающим миром. Поэтому говорить, что шимпанзе за последние шесть миллионов лет изменились больше, чем люди, – это просто абсурд.

Все это время шимпанзе оставались теми же, что и прежде, за исключением некоторых несущественных мелочей. Они не научились летать. Они не отваживались пересекать пустыни, лишенные источников воды. Они не выходили в космос (до тех пор, пока мы не предоставили им такую возможность). Они не научились бороться со смертельными заболеваниями и видеть то, что происходит на другом краю земли. Наша квазиэволюция, которой мы обязаны своему мозгу, позволила нам обогнать их и уйти далеко вперед.

Клоны атакуют

Одной из самых превратно понимаемых идей, возникших на базе генетики, является клонирование. Если верить Голливуду, то для того, чтобы создать более совершенную копию самого себя, чем та, что мы видим в зеркале, необходимо обзавестись собственным клоном. Под клонированием понимается процесс создания живого существа, чья ДНК идентична другой особи. Говоря о клонах, мы представляем себе совершенно идентичные копии, но подобные представления далеки от истины. Несмотря на то что клонирование человека в настоящее время невозможно, мы имеем массу возможностей наблюдать за человеческими клонами, выращенными в одних и тех же условиях, но имеющими существенные отличия друг от друга.

В предыдущем утверждении нет никаких противоречий, поскольку клоны человека существуют и вы наверняка встречались хотя бы с одним из них. Это однояйцевые близнецы. Несмотря на то что изначально они имеют одну и ту же ДНК (ведь они произошли из одной яйцеклетки, разделившейся на две части), речь идет о разных индивидуумах. Во взрослом состоянии они зачастую отличаются друг от друга даже внешне.

И дело даже не в том, что условия жизни однояйцевых близнецов пусть хоть ненамного, но различны (ведь они не могут вести абсолютно одинаковую жизнь). Между ними существуют и чисто биологические отличия. Во-первых, генетический код, который человек получает при рождении, не остается неизменным. У каждого из нас на протяжении жизни постепенно накапливаются небольшие изменения в организме. Например, в процессе деления клеток, который происходит непрерывно, ДНК удваивается. При этом могут возникать ошибки, результатом которых становятся мелкие мутации генетического кода. В этом смысле все мы немного мутанты.

Но более существенно то, что действие генов не является непрерывным. Как мы уже видели, они могут включаться и выключаться в определенные периоды жизни, и контроль над этим процессом осуществляется с помощью внешних химических факторов. Эпигенетические аспекты, возникающие под влиянием окружающей среды, могут оказывать огромное воздействие на наше развитие. Как следствие, близнецы – это отдельные самостоятельные особи, а не идентичные клоны.

Разница между клонами и копиями была продемонстрирована в Техасском университете, где впервые была клонирована кошка. По иронии судьбы ей дали кличку Копирка, но она оказалась вовсе не полной копией родительского организма. У ее матери был пятнистый окрас, а сама Копирка оказалась полосатой. По-видимому, здесь тоже проявилось действие эпигенетического эффекта. Таким образом, не имеет смысла клонировать своего домашнего любимца, потому что он, скорее всего, окажется не совсем таким, как его предшественник.

Хелло, Долли

Когда в 1996 году была клонирована овечка Долли, казалось, что клонирование человека – это лишь вопрос времени. Об этической стороне этого вопроса можно еще поспорить, но если джинна выпустить из бутылки, обратно его будет уже не загнать. Несколько организаций даже заявили, что им удалось создать клон человека, хотя никаких доказательств этого представлено не было. Похоже, что таких экспериментов вовсе не проводилось, так как уроки, извлеченные из клонирования Долли, ясно продемонстрировали, насколько это нелегкое дело.

При естественном размножении человека (как, впрочем, и любого другого животного) половина генетического материала наследуется от одного родителя, а вторая половина – от другого. Для изготовления клона необходимо, чтобы в яйцеклетке оказался полный набор ДНК только от одной особи. В случае с Долли эта ДНК была получена из клетки грудной железы длинношерстной овцы (ходили слухи, что кличку Долли первый клон овцы получил в честь певицы Долли Партон, которая славилась как раз выдающимися грудными железами). Затем эту ДНК ввели в неоплодотворенную яйцеклетку другой овцы, предварительно удалив ее собственную ДНК.

С помощью слабого электрического разряда был запущен процесс деления яйцеклетки. Затем она была пересажена в организм матери, где продолжала расти и развиваться естественным путем вплоть до рождения Долли – вполне сформировавшейся и внешне здоровой овечки. (Заметьте, кстати, что клон должен пройти весь путь от младенчества до зрелости, как и любой другой ребенок. Получить сразу взрослого клона невозможно.)

Описанный процесс выглядит не слишком сложным, поэтому казалось, что до клонирования человека рукой подать, но на самом деле все было не так уж просто. Во-первых, создателям Долли нужны были клетки, находившиеся в строго определенном состоянии, то есть в самом начале процесса деления. Для эксперимента деление было искусственно остановлено путем лишения клетки питательных веществ. Только таким способом можно было добиться того, чтобы клетка после внедрения в нее ДНК продолжила деление. Но даже при соблюдении этого условия большинство попыток закончились неудачей.

Из 276 клеток, отобранных в начале эксперимента, активизировать удалось лишь 29, и только одна из них – Долли – выжила. Но и в дальнейшем все пошло не так гладко, как предполагалось. Долли умерла в молодом возрасте, достигнув лишь половины обычного возраста овцы. Руководитель научного коллектива Иэн Уилмут высказал мнение, что причиной смерти стала обычная инфекция, но можно предположить, что Долли, будучи еще молодой, умерла от старости.

Такое вполне возможно, если возникает проблема с теломерами – маленькими расширениями на концах хромосом, где размещается ДНК. В ходе деления клетки каждый раз происходит разделение молекулы ДНК. Теломера при этом укорачивается на один фрагмент, который является механизмом предотвращения бесконтрольного роста клетки (у раковых клеток теломеры отключаются, поэтому они растут неограниченно). Теломеры Долли при рождении были идентичны теломерам шестилетней овцы, поэтому вполне возможно, что именно из-за этого ее жизнь оказалась столь короткой. Такое может произойти, если материал для клонирования берется от взрослой особи, у которой значительное количество теломер уже утрачено.

Мирно дожить до старости

Процесс старения всегда представлял собой загадку. В настоящее время мы можем объяснить некоторые механизмы, вызывающие старение. Многие из них связаны с нашим биологическим прошлым, в котором особь, вырастившая потомство, переставала быть полезной и утрачивала смысл дальнейшего существования. Правда, все, кто сомневается в достижениях современной науки и техники, могут убедиться в том, что продолжительность жизни человека неуклонно растет. В средневековой Британии средняя продолжительность жизни составляла примерно 30 лет, затем в Великобритании и США она постепенно возросла до 50 лет, а к концу XX века составляла уже около 80 лет.

Однако эти цифры, взятые сами по себе, могут ввести в заблуждение. Известно, что продолжительность жизни мужчин и женщин имеет отличия. Во время написания этой книги у женщин она была на пять лет больше, чем у мужчин. Кроме того, не следует думать, что в Средние века большинство людей умирали в тридцатилетнем возрасте. Значительный прирост средней продолжительности жизни за последнее время объясняется в основном сокращением детской смертности. Именно она значительно снижала средние показатели в прошлом. По достижении совершеннолетия у человека были все основания надеяться на то, что продолжительность его жизни значительно превысит среднюю. Если в 1500 году человек доживал, скажем, до 21 года, то вполне мог рассчитывать на то, что умрет в 70 лет. Но при уровне медицины тех времен две трети детей умирали, не достигнув четырехлетнего возраста. Как ни печально, но вплоть до XX века большинство смертей приходилось как раз на детей.

Клоны особенно подвержены детской смертности. В ходе клонирования их гены повреждаются. В настоящее время эта процедура напоминает попытку починить часы при помощи молотка и зубила. Может, вам это и удастся, но в большинстве случаев дело закончится поломкой часов. У искусственных клонов часто возникают генетические проблемы, многие эмбрионы не выживают, а те, которым посчастливилось родиться, имеют серьезные дефекты. При этом риск у низших обезьян больше, чем у других млекопитающих, а у человекообразных – еще выше. Вполне возможно, что мы никогда не сможем клонировать человека, так как побочным продуктом этого процесса могут стать искалеченные дети. Риск слишком велик, и ни один серьезный ученый в настоящее время не будет даже предпринимать таких попыток.

Разумеется, это не значит, что невозможно клонировать отдельные человеческие клетки. Это может оказаться очень полезным в плане здоровья. Например, одна из самых больших проблем в трансплантации органов заключается в том, что человеческая иммунная система отторгает любые чужеродные клетки и ткани, даже если они предназначены для спасения жизни. Если появится возможность клонировать органы человека из его же собственных клеток, отторжения удастся избежать.

В этой главе мы вкратце затронули тему физической привлекательности, ее причин и лежащих в ее основе генетических механизмов. Из сказанного можно было бы сделать вывод о том, что главной движущей силой этого процесса является только тело и его глубинные инстинкты. Но это ошибка. Как и во многих других областях нашей жизни, основной импульс исходит из самой сложной части нашего организма – головного мозга.

8. Венец творения

Путешествуя по своему телу и рассматривая попутно связанные с ним чудеса науки, мы пока не обнаружили в самом человеке ничего уникального по сравнению с другими животными. Наши глаза, к примеру, могут неплохо видеть, но в них нет ничего особенного. Любые способности, которыми обладают другие части нашего тела, могут быть превзойдены другими живыми существами. Но у вас есть нечто, с чем не может сравниться ни одно другое животное. Это ваш мозг.

Что происходит у вас в голове

Этот неаппетитно выглядящий кусок плоти в черепе, весящий около 1,5 кг, невероятно сложен. В нем содержится примерно 100 миллиардов специализированных клеток (нейронов), многие из которых связаны друг с другом, и общее число таких связей в каждый данный момент времени составляет порядка 1000 триллионов. С учетом того, что вес мозга составляет всего 1–2 процента от веса тела, его энергетические потребности просто огромны. Из 100 Вт энергии, производимой всем организмом (это эквивалентно обычной лампочке накаливания), мозг потребляет около 20 процентов.

Внешне мозг представляет собой некое однородное вещество, напоминающее громадный розовый грецкий орех. На самом же деле мозг состоит из правого и левого полушарий, которые соединяются в задней части пучком нервов – мозолистым телом. Полушария имеют разные функции. Левое управляет правой стороной вашего тела, а правое – левой.

Принято считать, что левое полушарие включается в работу, когда предстоит какая-то организованная, структурированная деятельность. В область его компетенции входят числа, слова и логика. Оно предпочитает аналитический подход, решая проблемы линейно и последовательно, шаг за шагом. Правому полушарию в этой концепции отводится эмоциональная сфера. Оно обеспечивает общую картину, целостный взгляд на мир. В его область деятельности входят искусство, цвет и музыка. Если вам предстоит работа, связанная с пространственным мышлением или эстетикой, то самое время обратиться к правому полушарию.

Но это, мягко говоря, упрощенный подход. На самом же деле все гораздо сложнее. Хотя на практике одно из полушарий обычно доминирует, оба они могут одновременно участвовать во всех типах мыслительных процессов. Правда, нельзя отрицать, что существуют четко различимые модели действия мозга, соответствующие различным типам мышления, за которые отвечает то или иное полушарие. Именно поэтому так трудно порой бывает родить свежую идею в традиционной деловой обстановке на работе.

Представьте себе, что люди сидят на совещании, которое проходит строго по плану. Там царит дух логики и аналитики. Уже в скором времени правое полушарие мозга сбавляет обороты, и у участников совещания остаются весьма ограниченные ресурсы для творчества, так как новые идеи и свежие подходы требуют одновременной работы обоих полушарий. Появлению новых идей способствуют прогулки, рассматривание картин, прослушивание музыки, пространственное мышление. Это позволяет включить в работу правое полушарие.

Эксперимент: почувствуйте свой мозг

Существует простой способ понаблюдать за тем, как работают обе половины вашего мозга. Так называемый эффект Струпа поможет вам провести эксперимент над правым полушарием мозга (не прибегая к хирургической операции) и почувствовать, как происходит переключение между двумя полушариями. Зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Feeling your brain, а затем следуйте инструкциям.

В этом опыте используются слова и цвета, то есть сферы, за которые отвечают разные половины мозга. Вы можете как угодно настраивать себя на восприятие цветов, но, как только ваш мозг видит слова, в игру активно вступает левое полушарие, а правое отходит на второй план и фактически выключается. Затем внезапно задание меняется, и вам необходимо вновь задействовать правое полушарие. В этот момент вы можете явственно ощутить, как переключаются «шестеренки» мозга, когда он меняет режим работы.

Мозг создан не для математики

Рассматривая темы зрения и слуха, мы уже убедились в том, что мозг довольно легко обмануть. Он прекрасно справляется с многими видами деятельности, но зачастую, когда мы включаем в свой репертуар задачи, появившиеся в нашей жизни уже после того, как мозг сформировался в процессе эволюции, у него возникают трудности.

В число таких задач, к которым мозг не подготовлен всем предыдущим эволюционным развитием, входит работа с числами. Ваш домашний компьютер безнадежно проигрывает вам при решении множества задач, с которыми вы справляетесь играючи. Но попросите его извлечь квадратный корень из 5 181 408 324, и он даст ответ прежде, чем вы успеете почесать затылок (разумеется, это 71 982). Люди для этого не приспособлены. Математика не относится к числу их природных умений.

Это становится очевидным, когда дело касается теории вероятности и математической статистики. С определением вероятности наступления того или иного события нам приходится иметь дело каждый день, а статистические данные постоянно обрушиваются на нас из новостей и выступлений политиков, но наш мозг, привыкший использовать в мышлении образы и модели, испытывает огромные трудности, пытаясь совладать со всеми этими числами и подсчетами шансов.

Я хочу привести три примера, когда мозг буквально приходит в замешательство и отказывается верить сухим цифрам и фактам.

Откройте дверь

В 60‑е годы на американском телевидении пользовалось популярностью игровое шоу «Давайте поспорим», которое вел Монти Холл. Его формат был построен на задачах из области теории вероятности, которые ярко демонстрировали, насколько тяжело людям с ними справляться.

Представьте себе, что вы участвуете в финальной игре «Давайте поспорим». Ведущий подводит вас к трем дверям. За двумя из них стоят козы (только не спрашивайте меня, почему именно они), а за третьей – автомобиль. Вы хотите выиграть автомобиль, но не знаете, за какой дверью он находится. Ведущий просит вас выбрать одну дверь, но пока не открывать ее. У вас есть один шанс из трех, что вы выбрали автомобиль, и два шанса из трех, что козу.

После этого ведущий открывает одну из двух других дверей и показывает вам, что там коза. А теперь он предоставляет вам право выбора. Вы можете остаться при своем прежнем решении или открыть другую оставшуюся дверь. Как вы поступите? Меняются ли при этом ваши шансы на выигрыш? Что в данном случае лучше: сохранить верность первоначальному решению или поменять его?

Мы понимаем, что после того, как открыта одна из дверей, и мы убедились, что за ней стоит коза, у нас остаются всего две двери. За одной из них находится автомобиль, а за другой – коза. Представляется совершенно очевидным, что шансы составляют 50:50, какую бы дверь вы ни выбрали. И это ошибка. На самом деле шансы возрастают вдвое, если вы откажетесь от первоначального решения и выберете другую дверь.

Если этот вывод кажется вам абсурдным, то вы отнюдь не одиноки. В свое время писательница Мэрилин вос Савант вела в журнале «Parade» рубрику, где отвечала на вопросы читателей. В 1990 году ей был задан этот вопрос, и она дала приведенный выше ответ: лучше поменять решение. После этого читатели засыпали ее тысячами откликов, в которых убеждали ее в том, что она не права и что шансы равны. Некоторые письма подобного рода приходили даже от математиков и других ученых.

Если вы построите компьютерную модель этого задания и попробуете проделать опыт сами, то убедитесь, что действительно лучше поменять решение. Но ведь это полностью противоречит логике! Однако, решая эту задачу, необходимо учитывать один очень важный момент: ведущий открывает дверь не случайно. Он точно знает, что за ней стоит коза. А теперь вернитесь к тому моменту, когда вы принимали первое решение. Ваш шанс выиграть автомобиль составляет 1:3. Другими словами, вероятность того, что автомобиль стоит за одной из двух других дверей, равна 2:3. После того как ведущий открывает одну из дверей, эта вероятность 2:3 по-прежнему сохраняется, только теперь она распространяется всего на одну оставшуюся дверь. Если же вы захотите открыть первоначально выбранную дверь, то ваш шанс, как и прежде, будет 1:3. Поэтому лучше выбрать третью дверь.

Задача с двумя мальчиками

Как ни странно, схожая ситуация, вызвавшая непонимание и даже возмущение читателей, возникла и с другим вопросом в рубрике вос Савант. Задача очень проста: «У меня двое детей, и один из них мальчик, родившийся во вторник. Какова вероятность, что у меня два мальчика?» Однако для того, чтобы решить эту задачу, давайте сначала сделаем шаг назад и упростим ее: «У меня двое детей, и один из них мальчик. Какова вероятность, что у меня два мальчика?»

Первым делом в голову приходит мысль: «Один из детей – мальчик. Следовательно, второй может быть либо мальчиком, либо девочкой. Таким образом, шансы составляют 50:50. Вероятность того, что в семье два мальчика, равна 50 процентам».

К сожалению, ответ неверен.

Чтобы это понять, надо составить простую схему. В левую часть мы поместим старшего ребенка. Это может быть либо мальчик, либо девочка. Вероятность 50:50. В правой части у нас окажется младший ребенок. Для каждой из указанных выше возможностей это опять-таки будет мальчик или девочка. Вероятность каждой из четырех возможных комбинаций составляет 25 процентов.

Все комбинации, за исключением «девочка – девочка», соответствуют условию задачи: «У меня двое детей, и один из них мальчик». Итак, у нас осталось три одинаково вероятные возможности, в каждой из которых один ребенок – мальчик. Вероятность того, что оба ребенка мальчики – это всего лишь один вариант из трех, то есть шансы составляют 1:3.

Потенциальные комбинации детей

Если вас это удивляет, то вспомните условие задачи: «Один из них мальчик». Здесь ничего не говорится о том, старший он или младший. Вот если бы мы сказали что «старший из них мальчик», тогда здравый смысл совпал бы с теорией вероятности. Если старший ребенок мальчик, то остаются только два варианта с равной вероятностью: второй ребенок может быть либо мальчиком, либо девочкой, следовательно, вероятность равна 50:50.

Теперь вы уже готовы решить полную версию задачи: «У меня двое детей, и один из них мальчик, родившийся во вторник. Какова вероятность, что у меня два мальчика?» Внутренний голос подсказывает вам: «Дополнительная информация о дне недели не имеет никакого значения. Решение остается прежним: шансы на то, что в семье два мальчика, составляют один к трем». Однако, как ни удивительно, вероятность в данном случае составляет 13:27, то есть довольно близка к 50:50.

Для пояснений надо было бы нарисовать еще одну схему, но мне не хочется себя утруждать, поэтому вам придется ее представить. В левую часть схемы поместим 14 детей: первый мальчик, родившийся в воскресенье, первый мальчик, родившийся в понедельник, первый мальчик, родившийся во вторник… первая девочка, родившаяся в воскресенье и такдалее вплоть до первой девочки, родившейся в субботу.

У каждого из этих детей будет по 14 вариантов младших братьев или сестер: второй мальчик, родившийся в воскресенье, и т. д.

Итак, у нас есть 196 комбинаций, но, к счастью, большую часть из них мы можем сразу вычеркнуть. Нас интересуют только комбинации, в которых присутствует мальчик, родившийся во вторник. Таким образом, у нас остается пункт в левой части «первый мальчик, родившийся во вторник», с четырнадцатью возможными вариантами, а также еще 13 вариантов, в которых присутствует второй мальчик, родившийся во вторник. Итого 27 комбинаций. В скольких из них присутствуют два мальчика? В половине из первых четырнадцати вариантов и в шести из оставшихся тринадцати. Итого 13 (7 + 6). Тринадцать комбинаций дают нам двух мальчиков. Таким образом, вероятность того, что в семье два мальчика, составляет 13 к 27.

Здравый смысл протестует. Выходит, что, назвав день недели, в который родился один из мальчиков, мы увеличиваем вероятность рождения второго мальчика. Но ведь с тем же успехом мы могли бы назвать любой день недели. Почему так получается? Потому что, введя в качестве дополнительной информации день рождения, мы сразу отсекаем массу возможностей. Добавление любой информации фактически равносильно тому, что мы приходим к ситуации, в которой мальчиком является старший ребенок.

Теория вероятности абсолютно верна, и вы, если хотите, можете это доказать, смоделировав ситуацию на компьютере. Все цифры сойдутся. Но ум отказывается в это верить. Как вам это нравится? (Вообще-то, истины ради, стоило бы добавить, что представленная картина не совсем соответствует реальности. Решая задачу, мы исходили из того, что обычно мальчиков и девочек рождается поровну и что их появление на свет равномерно распределяется по всем дням недели. На самом деле это не совсем так, но данные обстоятельства уже выходят за рамки предлагаемого упражнения.)

Тест на понимание

Приведенные выше две ситуации могут произойти в реальной жизни. Например, задание из шоу Монти Холла про коз и автомобиль с некоторыми вариациями было использовано профессиональными азартными игроками на одном из круизных пароходов, курсирующих по Миссисипи. Воспользовавшись тем, что здравый смысл подсказывал их противникам шанс 50:50, они сумели сорвать большой куш. Однако третий пример, демонстрирующий неспособность нашего мозга решать задачи, связанные с теорией вероятности и статистикой, намного более важен для жизни, так как касается результатов медицинских тестов. С этими трудностями сталкиваются не только врачи, но и все мы.

Предположим, существует медицинский тест, позволяющий диагностировать определенную болезнь, и точность его результатов составляет 95 процентов. Следовательно, мы имеем дело с весьма надежным тестом. Предположим далее, что этой болезнью в данный момент страдает один из тысячи человек. Врачи подвергают тестированию один миллион случайно отобранных людей, включая и вас. Если ваш результат окажется положительным, то какова вероятность, что вы действительно больны?

Здравый смысл подсказывает, что если точность теста составляет 95 процентов, то и вероятность болезни у вас тоже равна 95 процентам. Однако в действительности ситуация далеко не так трагична. Статистика говорит, что среди миллиона обследованных людей должно быть примерно 1000 больных. Из них 950 получат по итогам обследования подтверждение, что у них есть это заболевание (и это действительно так), а у 50 результат окажется отрицательным, хотя они на самом деле больны (поскольку точность теста составляет лишь 95 процентов). Оставшиеся 999 000 здоровы, и 949 050 человек получат этому подтверждение (совершенно правильное), но у 49 950 человек результат теста окажется положительным (пятипроцентная вероятность ошибки).

А это значит, что из 50 900 положительных результатов 98 процентов не соответствуют действительности. Таким образом, даже если вы получите положительный результат по итогам обследования, то вероятность наличия у вас болезни составит всего 2 процента. Конечно, в этом примере использованы очень большие числа, но каждый раз, когда вы сталкиваетесь с тестом, с помощью которого исследуются сравнительно редкие состояния, то велика вероятность, что большинство полученных результатов окажется неверными. А следствием этого могут быть и испорченные нервы, и необходимость повторных проверок, таящих в себе потенциальную опасность. Поэтому речь идет не о такой уж безобидной ситуации. Повторю еще раз: наш мозг не приспособлен для того, чтобы хорошо разбираться в оценке вероятности.

Что же из этого следует?

Как только вы сталкиваетесь со статистикой и необходимостью оценки вероятности, следует отступить на шаг назад и постараться понять ситуацию. Убедитесь, что люди, предъявляющие вам статистические данные, сами правильно их понимают. Ведь слишком часто правительственные учреждения, газеты и телевидение допускают те же ошибки с теорией вероятности и статистикой, что и мы с вами.

Один из способов проверки статистической информации заключается в том, чтобы взглянуть на ситуацию несколько шире. Прежде чем пугаться цифр, соберите дополнительные данные. Допустим, вам говорят, что за последний год уровень насильственной преступности в вашем районе вырос на 100 процентов. Похоже, имеет смысл переселиться куда-нибудь подальше. Но лучше было бы поинтересоваться цифрами, которые легли в основу этого утверждения. Если в прошлом году было совершено одно преступление такого рода, а в этом году два, то это тоже означает 100-процентный рост, но действительность в данном случае оказывается не такой страшной, как статистика.

Вам также надо быть начеку, когда вы испытываете воздействие сразу на несколько чувств. В конце 1990‑х годов был проведен прекрасный эксперимент: прохожих останавливали на улицах и спрашивали, как пройти в то или иное место. Пока человек рассматривал карту, один из экспериментаторов под видом рабочего нес по улице большую дверь. Проходя между собеседниками, он незаметно менялся местами с тем, кто спрашивал дорогу. Примерно 50 процентов участников так и не заметили, что продолжают разговор уже с совершенно другим человеком. Они были слишком сосредоточены на поставленной задаче. Обычно мы уделяем значительно меньше внимания тому, что происходит вокруг нас, чем считает следователь, допрашивающий нас в качестве свидетеля.

Запомните это

Память нас тоже нередко подводит. Ваша личность в значительной степени состоит из воспоминаний. Без них вы не были бы тем, кем являетесь в данный момент. Однако довольно существенная часть бережно хранимых вами воспоминаний не соответствует действительности. Какие-то из них сформировались спустя долгое время после событий, которых они касаются. Нередко толчком для этого становится не само событие, а фотография или видеофильм о нем. На другие воспоминания оказывает влияние наше отношение к событиям. Например, мы склонны запоминать только что-то выходящее за рамки привычного, поэтому считаем, что все лето было очень теплым, хотя в памяти сохранился только один жаркий день. Мы также лучше запоминаем последние по времени события, поэтому, если после целого месяца хорошей погоды вдруг случилась ненастная неделя, начинаем жаловаться, что лета в этом году вообще не было.

Еще одна проблема с памятью заключается в том, что она основана на вашей способности наблюдать и фиксировать информацию, но, как мы уже видели, мозг конструирует из поступающих сигналов весьма субъективные образы. Зачастую это приводит к тому, что вы «видите» то, чего на самом деле нет, но в вашей памяти данное событие сохраняется как «факт».

Недавно один знакомый сказал мне, что видел, как я гулял с собакой и разговаривал по мобильному телефону. Но дело в том, что меня в тот день не было дома и собаку я не выгуливал. В ряде случаев злые шутки, которые может сыграть с нами наблюдательность, восприятие и память, таят в себе немалую опасность. Представьте себе, что этот мой знакомый дает показания в суде в связи с расследованием убийства. Он готов под присягой подтвердить, что видел меня, хотя меня там быть не могло. Поэтому приговоры судов, вынесенные исключительно на основе свидетельских показаний, особенно если с момента описываемых событий прошло много времени, всегда вызывают некоторое сомнение.

Эксперимент: считаем пасы

Этот эксперимент хорошо известен, но я советую все же принять в нем участие. Зайдите н на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Counting the passes. Даже если вам уже приходилось видеть нечто подобное, досмотрите, пожалуйста, до конца, так как это новая версия и она будет вам интересна. Перед вами стоит задача подсчитать, сколько пасов отдадут игроки в белых майках. Если игра быстрая и динамичная, то вести подсчеты и одновременно удерживать результаты в памяти довольно трудно, поэтому от вас потребуется полная концентрация.

Примерно 50 процентов людей либо сбиваются со счета, либо не могут уследить за другими событиями, демонстрируемыми в этом коротком видеоролике. Стоит ли удивляться, что мозг так часто нас подводит? Иногда подобные ошибки не дают повода для беспокойства и служат, скорее, для развлечения. Так, например, многим доставляют удовольствие оптические иллюзии. Однако не забывайте о том, что возможности мозга все-таки ограничены и вспомнить что-либо в нервозной обстановке будет сложновато.

Память может подвести в самых неожиданных ситуациях. Бывает, что мы ясно помним лицо, а имя человека – нет. Можно даже забыть свой номер телефона, хотя мы вроде бы постоянно держим в памяти эту последовательность цифр. Но курьезнее всего случаи, когда человек знает, что ему надо что-то вспомнить, но забыл, что именно.

Мозг – это не компьютер

Одной из причин того, почему мы так слабо разбираемся в вопросах памяти, являются компьютеры, которые прочно вошли в нашу жизнь. Мы полагаем, будто существует некая аналогия между памятью компьютера и человека. Однако между ними нет ничего общего.

Компьютерная память основана на последовательности сигналов – нуля и единицы, которая записывается и хранится в определенном месте. У каждой информации есть точный адрес. Вы можете обратиться по этому адресу и найдете то, что ищете. Это очень удобно, когда вам нужно найти, например, чей-то номер телефона. Компьютер никогда его не забудет, даже в спешке. В то же время ваша память не хранит воспоминания в определенном участке мозга и не располагает точным маршрутом, который приведет к искомой информации. Все данные мозг хранит в виде моделей и образов. Именно поэтому порой мы испытываем трудности с запоминанием телефонных номеров, но зато нам намного легче, чем компьютеру, распознать знакомое лицо.

Мы помним, как это делается

Память бывает разной. На низшем уровне находится так называемая процедурная память, которая подсказывает нам, каким образом выполняется то или иное действие. Она размещается в самом примитивном отделе мозга, который имеется и у многих животных, в частности в мозжечке и мозолистом теле – толстом пучке нервов, соединяющем оба полушария мозга.

Доступ к процедурной памяти значительно легче, чем к более высоким уровням, и для этого не требуется сознательных усилий. Если вы, допустим, печатаете на клавиатуре десятью пальцами вслепую, как я, то вам легко понять, чем процедурная память отличается от сознательной. Печатая эти строки, я не смотрю на клавиатуру и не думаю о том, где и какая клавиша находится. Я думаю о словах, а пальцы сами их печатают. Ими руководит процедурная память.

Если вы спросите меня, где находится клавиша с буквой «Н», то я не смогу вам ответить. Однако, если ее надо напечатать, я сделаю это, даже не задумываясь. Процедурная память знает, где расположена эта клавиша, а высший уровень памяти – нет. Примерно то же самое происходит с опытными водителями. Когда вы только учитесь водить машину, вам надо думать о своих действиях, например о том, когда и какую включать передачу. С опытом эти действия переносятся в процедурную память и совершаются без вашего сознательного участия.

Где хранится память?

Более высокий уровень памяти – сознательная память – размещается в различных участках мозга. Она делится на кратковременную (оперативную) и долговременную. Префронтальная кора мозга, находящаяся в районе лба, отвечает за кратковременную память, а центральная область (гиппокамп) управляет процессами долговременной памяти, хотя сами воспоминания могут храниться в самых разных местах.

Одно из самых существенных отличий между кратковременной и долговременной памятью заключается в том, что мы можем контролировать процессы, происходящие в кратковременной памяти, то есть способны сознательно заставить себя что-то запомнить, но не имеем такого же прямого контроля над долговременной. Она не работает «по свистку». Вам необходимо приложить усилия, чтобы что-то из нее извлечь. Порой это раздражает. Мы привыкли думать о себе как о разумных и рациональных существах, а одна из самых главных функций мозга и, пожалуй, основная составляющая нашей личности нам не подчиняется.

Мозг представляет собой самоорганизующуюся систему. Чем чаще вы используете какие-то нейронные пути, тем меньше труда это для вас составляет. Если представить себе нейронные связи в виде электрической схемы, то получается, что чем больше вы используете тот или иной провод, тем толще и прочнее он становится. Поэтому постоянное обращение к какому-то воспоминанию облегчает его нахождение. Этот механизм позволяет понять смысл пословицы «Повторение – мать учения».

В условиях стресса мозг имеет тенденцию идти надежными и опробованными путями. Находясь под давлением, он предпочитает мыслить штампами. Поэтому, когда от вас требуется творческий подход к решению проблемы, необходимо успокоиться и расслабиться. В этом случае у вас появляется шанс воспользоваться тонкими, не столь часто используемыми «проводами», которые могут привести к новым идеям.

Мне знакомо это лицо

Поскольку наша память не похожа на компьютерную, необходимо предпринимать какие-то манипуляции с информацией, чтобы она лучше запоминалась и в случае необходимости быстрее извлекалась. Если вы, например, хотите запомнить чье-то имя, существует простой способ – снабдить это имя визуальным образом. Сделайте его ярким, наглядным и даже, по возможности, юмористическим. А потом совместите этот образ с внешним видом обладателя имени.

Я хочу привести пример. Двадцать пять лет назад, впервые познакомившись с этой методикой, я решил опробовать ее на деле. Зайдя в обеденный перерыв в аптеку, я прочитал на нагрудном бейдже фармацевта ее имя и поставил перед собой задачу запомнить его. Женщину звали Роза Гиппвист, и я помню это до сих пор. Визуальный образ, который я создал, выглядел так: РОЗовый ГИППопотам, которого я подзываю сВИСТом, – Роза Гиппвист.

При рассмотрении левого и правого полушарий мозга мы уже упоминали о том, что цвет и движение, действие вовлекают в работу дополнительные участки мозга. Поэтому, насыщая свое воображение цветом, движением и действием, вы активизируете мозг в большей мере, чем когда имеете дело только со словами. Воспоминания хранятся в обоих полушариях мозга, поэтому помощь в их извлечении из памяти может оказать любая мелочь.

Методика запоминания имен подразумевает определенный обман мозга. Вы обходным путем подталкиваете его к тем действиям, к которым он изначально больше приспособлен. Эволюция человеческого мозга привела к тому, что он стал рассчитан преимущественно на распознавание образов, моделей и картин, поэтому, накладывая на имя зрительный образ, мы как бы прячем слово под картинкой, и наша память легче его воспринимает.

Возможно, я уже давно забыл бы имя Розы Гиппвист, но мне приходится регулярно вспоминать его, рассказывая эту историю. Одним из средств улучшения памяти является повторение. Если вы хотите, чтобы что-то прочно засело в памяти, чаще вспоминайте об этом, подкрепляя нейронные связи. Делать это следует, постепенно увеличивая промежутки между повторениями: сначала каждый час, потом через день, неделю, месяц, полгода, год… В этом случае память никогда вас не подведет.

Запомни мой номер телефона

Если имена можно хотя бы ассоциировать с какими-то предметами и образами, то числа абстрактны и еще более чужды мозгу. Самая главная проблема состоит в том, что наша кратковременная память имеет ограниченный объем. За один раз вы можете запомнить около семи единиц информации, а при превышении этого порога начинаете путаться и сбиваться. К сожалению, обычный номер телефона в наше время включает в себя 11 цифр, что выходит за пределы возможностей оперативной памяти.

Перед вами условный номер телефона: 02073035629. Запомнить все эти 11 цифр подряд практически невозможно, поэтому традиционно телефонные номера разбивают на фрагменты. Если вы можете запомнить фрагмент как единое целое, вам удастся втиснуть весь номер целиком в кратковременную память.

Этот хвост я где-то видел

Разумеется, память свойственна не только людям. Любой, кто знаком с поведением животных, подтвердит, что у них тоже есть память – даже у золотых рыбок, хотя бытует миф, что они способны помнить что-то не дольше трех секунд. Про это даже анекдоты есть: «Люди думают, что, если моей памяти хватает только на три секунды, меня невозможно накормить досыта… О, корм дают! Пора бы и подкрепиться!» Согласен, этот анекдот не из лучших.

Однако все, кто держит золотых рыбок, знают, что кое-какие вещи они запоминают очень хорошо. Например, по условному сигналу они подплывают к определенному месту пруда или аквариума, где их обычно кормят, а по телевидению даже показывали, как золотые рыбки находят путь в лабиринте и запоминают его. Таким образом, трехсекундная память – это не более чем городская легенда. Возможно, люди привыкли увязывать память с интеллектом, хотя на самом деле между ними не очень много общего.

Память на века

Человеческий мозг – это, без сомнения, венец творения, и один из самых замечательных способов расширить его функции заключается в использовании письменности. С помощью письма мозг одного человека может общаться с мозгом другого, преодолевая барьеры пространства и времени. Так, например, мой мозг в данный момент общается с вашим посредством этой книги.

Прямая коммуникация ограничена временными рамками. Большинство животных и растений тоже общаются друг с другом, но только в момент непосредственного контакта. За исключением коммуникации, основанной на запахах, любые сообщения такого рода имеют сиюминутный характер и бесследно теряются. Но письменность позволяет устранить эти ограничения. Вы можете взять с полки книгу и прочитать слова, написанные кем-то, живущим за тысячи километров от вас, а может быть, даже и тысячи лет назад. Вполне возможно, что с помощью имеющихся у вас книг вы больше общаетесь с уже умершими людьми, чем с живыми. В то же время вероятность того, что кто-то из авторов живет с вами на одной улице, очень мала. Сейчас вы читаете слова, написанные несколько месяцев или лет назад (точнее, во вторник, 4 октября 2011 года, в 13:32 по Гринвичу).

Разумеется, сейчас у нас есть и другие возможности общения на расстоянии, кроме письма, но они не способны преодолеть время. То, что вы написали, останется и может быть прочитано через 10, через 100 и, может быть, даже через 1000 лет. А вот недавний звонок по телефону от моего биржевого брокера в Нью-Йорке сотрется из памяти и исчезнет навсегда.

Письменность играет чрезвычайно важную роль в развитии технологического общества. Без нее не было бы науки – только мифы. Не имея возможности обращаться к прошлому опыту, мы вынуждены были бы каждый раз заново изобретать колесо. Часто можно услышать, что компьютеры убивают умение читать и писать. Зачем читать книгу, когда можно посмотреть видеоролик на Youtube? Однако, если бы не существовало письменности, то не было бы ни самих компьютеров, ни программ к ним, а подавляющая часть содержимого Интернета состоит все-таки из написанных слов.

Письмо в картинках

Письменность в самом широком смысле слова расширяет возможности мозга. Она представляет собой способ взять информацию из мозга одного человека и сохранить ее в таком виде, чтобы ею мог где-нибудь и когда-нибудь воспользоваться мозг другого человека. Первоначально такая передача информации осуществлялась в форме изображений. Наскальные рисунки в пещерах, изображающие животных, людей и различные узоры, имеют возраст более 30 тысяч лет. И это не какая-то абстрактная мазня. Эти рисунки предназначены для коммуникации. Конечно, такие «сообщения» ограничены в пространстве, их трудно изготавливать и интерпретировать, но никто не сомневается в их способности преодолевать время.

Потребовалось много лет, чтобы рисунки превратились в пиктограммы. В них все еще можно угадать знакомые образы, но они более стилизованы, единообразны и их проще рисовать. Пиктограмма могла уже обозначать не только конкретный предмет, но и некую концепцию. Не надо быть гением, чтобы расшифровать пиктографическое послание, в котором сначала изображен фрукт, лежащий на земле, затем пара рук, а потом тот же фрукт, лежащий в корзине.

Проблема с таким способом письма заключалась в том, что оно содержало слишком много символов. Требовалось упрощение имеющихся символов фруктов, рук и корзины, а также создание новых, с помощью которых можно было передать связь между этими объектами и направления действий типа «на» или «в». Таким образом, простые пиктограммы трансформировались в идеограммы, отражавшие уже некоторые абстрактные понятия.

Считается, что именно так выглядели этапы развития ранних форм письма. Примерно 6–9 тысяч лет назад люди уже использовали визуальные символы для передачи простых сообщений. Трудно сказать, когда именно зародился этот феномен, но самым ранним образцом письменности многие археологи считают тэртерийские таблички, найденные вблизи поселка Тэртерия в центральной части Румынии. На этих глиняных табличках размером всего в несколько сантиметров можно увидеть комбинации стилизованных рисунков, символов и линий. Возможно, они имели чисто декоративный характер, но ряд признаков заставляет думать, что в них содержится информация, предназначенная для передачи от одного человека другому.

Что вы знаете о мумиях?

Египетские иероглифы являются самой известной системой письменности, вышедшей на новый уровень. В них все еще использовались пиктограммы и идеограммы, но уже в значительно более формализованном виде. Новым было то, что эти символы могли обозначать не только отдельные слова, но и части слов. Хотя иероглифы являются самой известной и легко узнаваемой формой письменности Древнего Египта, они использовались лишь в особых случаях. Их было трудно изображать, и они не слишком подходили для повседневных нужд, например для ведения счетов. Поэтому параллельно с иероглифами развивалась и вторая система – иератическое письмо. Она тоже была основана на визуальных символах, но больше походила на современную скоропись.

Египтяне были не первыми, кто разработал настоящую письменность. До них этим искусством овладели шумеры, создавшие клинопись, в которой знаки наносились на мягкую глину остро заточенным концом палочки. Большая часть клинописных табличек содержит лишь различные подсчеты. Но значение их было куда шире. Они являлись средством расширения возможностей человеческого мозга. С их помощью можно было обмениваться информацией.

Примерно 4 тысячи лет назад письменность начала распространяться по миру. К этому времени относится создание китайской системы письма, в которой использовалось большое количество символов (около 5 тысяч), обозначавших как слова, так и отдельные их части. Наш алфавит прошел длинный и непростой путь, прежде чем приобрел нынешнюю привычную форму. Само слово «алфавит» имеет греческое происхождение (от «альфа» и «бета» – первых букв греческого алфавита), но очертания используемых нами символов в ходе истории сильно изменились.

От абджада до алфавита

Самым ранним из предшественников нашего алфавита было древнеханаанейское письмо. Собственно говоря, это был еще не полноценный алфавит, а так называемый абджад – консонантное письмо, в котором не было символов для гласных звуков. Гласные звуки либо подразумевались, либо обозначались специальными значками – точками или черточками. Эта форма письменности использовалась на Ближнем Востоке примерно 3500 лет назад и была затем позаимствована финикийцами. Позднее символы этого письма были адаптированы для греческого и арамейского алфавитов. Греческий алфавит считается первым настоящим алфавитом, в котором каждый согласный и гласный звук имеет особое обозначение. Он был разработан примерно 3 тысячи лет назад.

Латинские буквы были позаимствованы из греческого алфавита. Римская империя повсеместно распространяла свой язык и письменность. Латынь как язык общения даже пережила эту империю более чем на тысячу лет. Самый известный труд Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии» был написан в 1687 году на латинском языке, а его сочинение «Оптика», впервые опубликованное в 1704 году, изначально было написано по-английски, а затем переведено на латынь для расширения круга читателей.

Заглавные буквы

Латинские прописные буквы были у римлян своего рода аналогом египетских иероглифов. Они использовались для того, чтобы высекать их в камне и писать важные прокламации. Для повседневного пользования существовал другой вид письма. Его называли римским курсивом, и очертания букв в нем представляли собой смесь между современными прописными и строчными буквами. Поначалу они имели большие различия по величине и положению в строке, но постепенно стандартизировались и стали больше походить на наши строчные буквы. Однако изначально прописные буквы и курсив считались двумя различными видами письма. Весь текст писался либо одним, либо другим типом букв. Со временем прописные буквы стали вставляться в текст, написанный строчными буквами, чтобы выделить какое-то слово.

Правила использования прописных букв в тексте складывались в течение длительного времени. В английском языке, к примеру, был период, когда ими выделяли только первые слова больших разделов текста. Затем настало время, когда с прописных букв начали писать все имена существительные (как в современном немецком языке). Постепенно сложился современный компромиссный вариант. Кстати, старая привычка называть прописные и строчные буквы на клавиатуре компьютера знаками верхнего и нижнего регистра восходит еще к тем временам, когда типографский набор осуществлялся вручную. Тогда прописные литеры находились у наборщика в верхнем ящике, а строчные – в нижнем.

Сегодня мы можем в полной мере осознать значение письменности, которая позволяет использовать все преимущества нашего уникального мозга и расширять его возможности. Подумайте сами, какое значение имеет письменность. Вы можете воспользоваться плодами мудрости давно умерших людей. Для поддержания работоспособности своего тела вы можете в режиме онлайн заказать себе еду на дом хоть с другого конца земли. Чтобы не забыть что-то важное, вы можете написать себе напоминание в календаре или компьютере. И это только то, что лежит на поверхности.

Все атрибуты сегодняшней жизни, отличающие вас от предков, живших 100 тысяч лет назад, не были бы изобретены, если бы не письменное слово, способствовавшее нашему развитию. Письменность необходима, чтобы иметь законы, науку и литературу. Разумеется, и до появления письменности были рассказчики, передававшие различные истории из уст в уста, но влияние письменного слова не идет с этим ни в какое сравнение. Устная речь способна на многое, но когда тема обсуждения становится слишком сложной, людям приходится браться за карандаш.

Слово, написанное на бумаге, обладает колоссальной магической силой, и мы хорошо это чувствуем. При посещении книжного магазина нас всегда охватывает какое-то особое чувство. Держа в руках книгу, мы испытываем своего рода физическое удовлетворение. (Разумеется, нечто подобное мы ощущаем и тогда, когда пользуемся поисковыми интернет-системами типа Google, но это совсем иной вид магии.) Я говорю все это не потому, что сам пишу книги. Когда письменное слово сочетается с практической активностью, люди обретают почти неограниченные возможности.

Вы человек?

Но, как бы ни впечатляло вас могущество человеческого разума, к тому же вооруженного письменностью, существуют некоторые аспекты мышления, в которых компьютеры могут дать нам фору. Как уже упоминалось, даже старенький персональный компьютер превзойдет любого из нас в области математики и теории вероятности. Компьютер может обыграть в шахматы даже гроссмейстера. Бывают и другие случаи, когда нам приходится вступать с компьютером в соревнование. Взять хотя бы тест Тьюринга.

Этот тест придумал криптограф и один из первопроходцев информатики Алан Тьюринг. Его цель состоит в том, чтобы определить тот уровень развития компьютерной техники, за которым машина сможет соперничать с человеком в плане интеллекта. Если вы переписываетесь с неким собеседником и при этом не можете определить, имеете дело с человеком или с компьютером, то можно сделать вывод, что компьютер обладает достаточным уровнем искусственного интеллекта.

Эксперимент: беседа с компьютером

Зайдите на сайт www.universeinsideyou.com, выберите раздел Experiments и в нем тему Talking to computers. Для начала попробуйте свои силы на программе Eliza. Это одна из самых старых программ для поддержания беседы. Она была написана еще в середине 1960‑х годов. Компьютер в данном случае выступает в роли психотерапевта, ведущего беседу с пациентом, поэтому часто повторяет сказанное вами. Его довольно легко вывести на чистую воду, но если вы не будете слишком умничать, он весьма уверенно поддержит разговор.

Затем оцените программу Cleverbot. Это одна из современных программ, которые получили название чат-ботов. Даже Cleverbot можно относительно легко загнать в тупик, но у него по сравнению с Eliza припасено значительно больше трюков, которые позволяют успешно прикидываться человеком.

В последнее время было создано несколько программ, с помощью которых компьютер может достаточно убедительно выдавать себя в беседе за человека.

На Техническом фестивале 2011 года в Гувахати (Индия) Cleverbot сумел одержать верх в тесте Тьюринга. По крайней мере, так заявляли его организаторы. В эксперименте приняли участие 30 добровольцев, половина из которых беседовала с человеком, а половина – с чат-ботом. Затем вся следившая за диалогом аудитория в количестве 1334 человек, включая и добровольцев, методом голосования вынесла вердикт, кто из собеседников был человеком. Пятьдесят девять процентов сочли, что Cleverbot – человек, что и дало повод организаторам (и журналу «New Scientist») сделать заявление, что программа прошла тест Тьюринга.

Для сравнения: человека признали человеком 63 процента голосовавших. Должно быть, сам экспериментатор был немало обескуражен тем, что значительная часть публики приняла его за компьютер. Правда, я не считаю полученный результат однозначным успехом. Беседа длилась только четыре минуты, и это давало создателям чат-бота возможность использовать различные тактические уловки, которые не сработали бы в ходе продолжительного разговора, который имел в виду Тьюринг.

Кроме того, меня настораживает место проведения эксперимента. В отчете не было указано, сколько участников владеют английским языком как родным. Я подозреваю, что многие из голосовавших не были в достаточной степени знакомы с английскими идиомами, чтобы с уверенностью судить, кто был человеком, а кто – компьютером.

Смогли бы вы убить, чтобы спасти чью-то жизнь?

Но одно дело – умение поддерживать беседу, и совсем другое – мораль. Трудно представить себе компьютерную программу, которая была бы способна решать этические проблемы. В конце концов, мы и сами имеем не слишком четкое представление о собственной этике. В теории все может быть абсолютно ясно, но, когда дело доходит до практики, зачастую мы принимаем решения, которые потом трудно оправдать. Приведу хорошо известный пример.

Представьте себе, что вы, находясь в железнодорожной диспетчерской, замечаете неуправляемый поезд. Машинист по какой-то причине выбыл из строя, и остановить состав нет никакой возможности. Вскоре поезд подойдет к стрелке, и у вас появится возможность направить его по одному из двух путей. Если вы ничего не предпримете, он пойдет по пути А и убьет двадцать человек, которые собрались в стоящем на путях вагоне и празднуют успешное окончание благотворительной кампании по сбору средств на развитие железной дороги. Если вы переключите стрелку, поезд свернет на путь Б и задавит путевого обходчика, который убирает мусор с путей.

Давайте взглянем правде в глаза: какое бы решение вы ни приняли, оно будет означать смерть ничего не подозревающих людей, только в одном случае это будет один человек, а в другом – двадцать. Как вы поступите? Примите решение, прежде чем продолжить чтение.

А теперь давайте изменим ситуацию. Вы стоите на мосту над железнодорожными путями. По ним движется неуправляемый поезд. Если он не свернет на стрелке, это будет, как и в первом случае, означать смерть двадцати ни в чем не повинных людей, если же стрелку удастся переключить, то он уйдет на свободный путь, и никто не пострадает. У вас нет возможности быстро добраться до стрелки, но вы знаете, что прямо под мостом находится пневматическое устройство для ее переключения. Чтобы оно сработало, необходимо сбросить на него какой-то предмет вдвое тяжелее вас. И тут вы замечаете, что на перилах моста сидит, беспечно свесив ноги, очень полный человек…

Если вы столкнете его с моста, он, конечно, погибнет, но зато вы сможете спасти жизни двадцати других людей. Если вы ничего не предпримете, они умрут. Как вы поступите?

Большинство людей в первой ситуации предпочтут нажать на кнопку, увести поезд с основного пути и убить одного человека вместо двадцати. Но вот во второй ситуации мало кто решается сбросить человека с моста, хотя соотношение потенциальных жертв то же самое.

Психологи объясняют, что с этической точки зрения проще убить человека, нажав на кнопку, чем сделать это своими руками, хотя в этом, казалось бы, отсутствует логика. Примерно такой же сдвиг в мышлении произошел, когда развитие технологии позволило убивать противника на войне дистанционно, с помощью пуль и снарядов, а не в рукопашной схватке, как раньше. Правда, лично я считаю, что приведенный мысленный эксперимент не лишен недостатков.

Дело в том, что описанные сценарии имеют разную степень вероятности. Первая ситуация вполне могла бы произойти в реальности. Перед диспетчером в этом случае действительно стоял бы выбор: убить одного человека или двадцать. Но вот история с пневматическим переключателем стрелки, который срабатывает от падения предмета, вес которого вдвое превышает ваш собственный, кажется мне совсем уж невероятной, особенно если учесть, что на перилах вдруг оказался толстяк и вы даже можете оценить, сколько он весит. Оригинальная версия этого психологического теста еще более невероятна. В ней на перилах сидит настолько толстый человек, что он способен затормозить поезд собственным весом. Похоже, психологи, составлявшие тест, явно не в ладах с физикой.

Более того, психологи забывают о факторе случайности. В первой ситуации вы практически на 100 процентов уверены, что если нажать кнопку, то стрелка переключится и поезд уйдет на другой путь. Во второй ситуации, даже если вы знаете, как работает пневматический переключатель, все может пойти совсем не так, как задумано. Например, человек, которого вы столкнете, упадет мимо переключателя. Высокая степень неопределенности сильно затрудняет процесс принятия решения, даже если ваши нравственные нормы позволяют спасти двадцать человек, убив одного.

Доверие и ультиматум

Еще один эксперимент, который вы можете провести самостоятельно, позволяет разобраться в том, насколько мы доверяем людям и как находим баланс между логикой и эмоциями в процессе принятия решений (это еще одна область, в которой мы отличаемся от компьютера). Нам постоянно приходится принимать какие-то решения, и данный эксперимент в игровой форме помогает понять, что при этом происходит (а все далеко не так просто, как кажется). Игра называется «Ультиматум».

Эксперимент «Ультиматум»

Вы можете провести этот эксперимент в кругу друзей или даже незнакомых людей в баре. Вам понадобятся два человека и некоторая сумма денег, с которой вы готовы расстаться ради опыта.

Объясните участникам суть эксперимента. Каждый из них должен будет принять решение по поводу денег. Решения не допускают никаких предварительных обсуждений и являются окончательными. Положите деньги на стол между участниками, чтобы они видели, какова сумма, и знали, что игра ведется без обмана. Участники должны разделить деньги между собой.

Первый участник принимает решение, сколько он заберет себе и сколько отдаст напарнику. Он вправе делать что угодно: поделить их пополам или в какой-то другой пропорции, а также забрать все себе (следует заранее разменять деньги на мелкие купюры или монеты, чтобы их было удобнее делить). Задача первого участника состоит лишь в том, чтобы без всяких объяснений сообщить о принятом решении. Второй участник может сказать «да», и в этом случае деньги делятся так, как объявлено. Он может также сказать «нет», и тогда никто ничего не получает.

Этот эксперимент проводили много раз и в самой разной обстановке. Самым логичным для второго участника было бы согласиться, чтобы получить хоть что-нибудь. Даже если речь идет всего об одном пенни, это все же лучше, чем ничего. На практике же второй участник зачастую говорит «нет», если считает, что деньги, по его мнению, поделены не по справедливости.

Что же считать справедливым дележом? В разных культурах этот вопрос решается по-разному. Кто-то соглашается на 15 процентов, кому-то нужно не менее пятидесяти. В Европе и США чаще всего говорят «да», если доля превышает 30 процентов.

Этот эксперимент демонстрирует, что честность и справедливость тоже чего-то стоят. Мы готовы даже потерять деньги, лишь бы все было по-честному. Если бы человеческая логика оперировала только экономическими категориями, то такой подход не имел бы смысла. Вы бы всегда брали деньги. Но ваш мозг принимает решения, основываясь на целом комплексе факторов, а не только на финансовых соображениях.

Я не утверждаю, что финансовые вопросы не влияют на сложный процесс оценки факторов при принятии решений. Если бы, к примеру, в эту игру решил сыграть миллиардер и выложил на стол 10 миллионов фунтов, то, я думаю, вы бы с радостью согласились даже на пять процентов – 500 тысяч фунтов. Если человек не обладает сказочным богатством, то не откажется от этих денег просто ради того, чтобы что-то доказать сопернику.

Интересно, на какую наименьшую сумму вы согласились бы в подобных обстоятельствах? Где та граница между 500 тысячами и одним фунтом, которая заставила бы вас сказать «нет»?

Взвешивание вариантов

Данная игра наглядно демонстрирует, каким образом мозг выполняет свою функцию принятия решений. В ходе этого процесса оцениваются и взвешиваются различные компоненты решения. Чем более весомым оказывается тот или иной фактор, тем сильнее он влияет на решение. Затем все оценки складываются, и вариант решения («да» или «нет»), обладающий самым большим весом, побеждает. В игре «Ультиматум» можно выделить следующие факторы, подлежащие оценке.

• Велика ли общая сумма?

• Сколько денег у вас есть на данный момент и сколько вам требуется? (Другими словами, насколько важна предложенная сумма для вашей жизни?)

• Справедливо ли ваш партнер разделил деньги?

• Не шутка ли это? (Вы действительно получите деньги или это просто психологический эксперимент?)

• Какие отношения связывают вас с партнером по игре?

Если бы эту задачу предстояло решать компьютеру, он просто дал бы каждому фактору числовые оценки и в ходе сравнения оперировал бы числами. Мозг же учитывает силу электрических импульсов и концентрацию химических веществ, хотя, в принципе, это почти одно и то же.

Все ли факторы учтены?

Обычно мы считаем, что принятые нами решения логичны. Это, конечно, не компьютерная логика, которая заставляет соглашаться на любую предложенную в игре сумму, а человеческая, которая учитывает характер взаимоотношений и оперирует не только суммами, но и такими понятиями, как доверие и справедливость. Если учтены все факторы, то большинство людей, скорее всего, примут обоснованное и логичное решение. Но проблема в том, что можно упустить из виду какие-то важные обстоятельства, которые имеют большое значение для решения. В результате человек может прийти к решению, которое противоречит его долгосрочным интересам, так как в ходе оценки всех обстоятельств придал больший вес тем, которые сулят сиюминутные удовольствия.

Такое происходит постоянно. Иногда решение несущественно и не имеет далеко идущих последствий (например, съесть или не съесть аппетитный, но вредный фастфуд или шоколадную конфету), но иногда может угрожать здоровью или даже жизни, если дело касается приема тяжелых наркотиков или участия в какой-то очень рискованной авантюре. Человек не слишком силен в оценке долговременных последствий принимаемых им решений. Мы можем догадываться или даже очень хорошо осознавать, какими могут быть конечные результаты, но зачастую сиюминутная выгода перевешивает долгосрочные преимущества.

Экономисты очень слабы в оценке и понимании факторов, влияющих на принятие людьми решений. Они ожидают, что все будут вести себя рационально, то есть исходить из долгосрочной финансовой выгоды. Но такой подход по меньшей мере наивен, что и доказали последние события в мировой экономике.

Это могли бы быть и вы

Возьмем такой простой пример, как лотерея. Ваши шансы на крупный выигрыш чрезвычайно малы. Они составляют один против нескольких миллионов (если точнее, то против 13 983 816, как это было в одном из последних тиражей популярной в Великобритании лотереи). Это примерно соответствует вероятности погибнуть в авиационной катастрофе или от удара молнии. И все же множество людей каждую неделю покупают лотерейные билеты. Почему?

Отчасти это объясняется нашим незнанием теории вероятности. Представьте себе, что в ходе очередного тиража выпадают цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6. Удивлению людей просто не было бы предела. В лучшем случае они предположили бы, что лототрон испортился, а в худшем заподозрили бы жульничество. Посыпались бы запросы в парламент. А между тем подобная последовательность чисел имеет точно такую же вероятность, как, к примеру, 29, 9, 15, 39, 17, 30.

Просто когда мы видим, что из лототрона один за другим выпадают шары с последовательными номерами, то понимаем, что такого просто не может быть. Подобная случайность не укладывается в голове, не отягощенной математическим образованием. Тем не менее математики, ученые и экономисты, которые постоянно разглагольствуют о тупости народных масс, участвующих в лотерее, сами не учитывают одного очень важного момента. Они плохо представляют себе модель принятия решений, которая используется людьми.

Лично я считаю, что достаточно хорошо знаю теорию вероятности, но все же покупаю лотерейные билеты. Конечно, я контролирую себя и трачу на эти цели лишь очень незначительные суммы из месячного семейного бюджета, тем не менее играю. Зачем я это делаю? Все дело в размере потенциального выигрыша. Это обстоятельство экономисты традиционно упускают из виду.

Если сумма денег, которую я вкладываю в покупку билетов, незначительна (например, соответствует той, что я трачу в неделю на кофе), то я с легкостью готов смириться с ее практически неизбежной потерей, так как существует возможность (хоть и крайне малая) сорвать крупный куш. Кроме того, мое поведение подкрепляется тем, что при таком подходе я каждые несколько месяцев все же выигрываю какие-то деньги. Пусть даже мелочь, какие-то 3 или 10 фунтов, но каждый выигрыш доставляет мне несколько минут удовольствия.

Один из важных факторов, который придает решению об участии в лотерее некоторую рациональность, заключается в том, что я совершенно забываю о покупке билета. Я не помню, какие номера в нем зачеркнул. Я не сижу в нервном ожидании, наблюдая за тем, как проходит тираж. Я вспоминаю обо всем этом, только когда получаю из Национального управления лотерей СМС с просьбой проверить свой билет. Я понимаю, что при покупке билета мои деньги уходят безвозвратно, но точно так же они уходят и тогда, когда я пью кофе. Меня это не беспокоит, поэтому любой выигрыш оборачивается чистой радостью, поскольку я не связываю его с понесенными расходами. В то же время я могу честно признаться, что единственная «радость», которая ожидает меня после кофе, выпитого в «Starbucks», – это боль в желудке (поверьте, я вовсе не пытаюсь бросить тень на «Starbucks», просто мой желудок плохо переносит кофе).

Экономисты не правы

Если бы мы принимали решения на основе чисто финансовых расчетов, это означало бы полное игнорирование такой части нашей жизни, как развлечения. Подобный подход основан только на экономической выгоде. Если бы вы постоянно использовали его в жизни, то всегда тратили бы деньги только на то, что сулит какие-то доходы. Разумеется, вам приходилось бы покупать еду, чтобы выжить, но вы выбирали бы самые дешевые продукты, содержащие лишь необходимый набор питательных веществ. Вы бы никогда не ходили в кино, театры и на концерты. Вы не покупали бы подарки своим знакомым и близким и не радовали бы себя всякими безделушками. Вы бы никогда не ужинали в ресторанах, потому что то же самое можно значительно дешевле приготовить дома. А нужна ли такая жизнь, построенная на чистой экономике?

Вы сделали это сознательно?

Вы уже успели убедиться, что человек принимает решения, основываясь на сложном комплексе факторов, и при этом нередко отдает предпочтение сиюминутной выгоде. Но в целом вы продолжаете считать свои решения осознанными. Ведь их в конечном счете принимаете вы, ваша голова, ваш разум.

Но когда вы только задумываете какое-то действие, то где именно рождается эта «задумка»? Где находится та часть вашего «я», которая принимает решение?

Большинство людей, не задумываясь, укажут себе на лоб. В их представлении там сидит какой-то маленький человечек, управляющий всем телом. Это, конечно, преувеличение. Вы точно знаете, что никакого человечка там нет и никто не дергает за рычаги, но все же считаете, что ваше сознание ведет некую независимую жизнь, давая команды организму и указывая, что именно надо делать.

Однако такое упрощенное представление о сознании, живущем в голове и с помощью воображаемых рычагов управляющем телом, в корне неверно. Современная наука, изучающая мозг, говорит о том, что подавляющая часть ваших действий на самом деле исходит из подсознания. Да, решение принимаете в конечном счете вы сами, но не ваше сознание.

Давайте представим себе, что вы сидите на лужайке перед домом, а рядом с вами лежит мяч. Вы берете мяч и бросаете его. Что при этом происходит у вас в мозге? Вы наверняка предполагаете, что сначала в вашем сознании рождается мысль: «Брошу-ка я мяч». Этот сигнал распространяется по нервной системе, и ваша рука выполняет действие.

Активность мозга сопровождается увеличением кровотока в нем. Прослеживая движение крови с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ), можно увидеть, в какой именно момент и в каком участке мозга принимается решение. Как правило, это происходит в подсознании примерно за секунду до того, как рука начинает двигаться. А вот сознание включается в действие на треть секунды позже. Итак, прежде, чем в вашем сознании родится мысль о том, чтобы бросить мяч, подсознание уже знает, что вы собираетесь сделать. Именно оно запускает этот процесс, и только после этого вы осознаете, какие действия будете совершать.

Все это звучит странно и даже пугающе. Выходит, мы принимаем решение еще до того, как осознаем его. Создается впечатление, что человек – это робот, лишенный собственной воли. Однако в действительности все намного сложнее. Во-первых, у вашего сознания есть время, чтобы отменить задуманное действие. Даже если у вас возникло внутреннее побуждение сделать что-то такое, чего не хочется или не стоит делать, сознание может остановить этот процесс. Но самое главное заключается в том, что первоначальное решение продиктовано все же не какой-то чуждой внешней силой, а вами самими. Просто вы этого не осознаете.

Тем не менее тот факт, что решение изначально принимается в подсознании, демонстрирует, насколько непростые процессы происходят в мозге и как трудно бывает порой понять, совершил ли человек какое-то действие сознательно или неосознанно (и нужно ли его наказывать или поощрять за это).

Перепады настроения и посещение туалета

Существенное отличие мозга от компьютера заключается в том, что деятельность мозга намного больше зависит от окружающей обстановки. Конечно, порой вам может показаться, что у компьютера тоже бывает плохое настроение, но если программа составлена правильно, то при наличии одинаковых данных компьютер всегда принимает одно и то же решение. Что же касается вашего мозга, то вполне вероятно, что решения будут отличаться друг от друга в зависимости от влияния, оказываемого на него извне.

В качестве самого простого примера можно привести плохое настроение. Вы с большой вероятностью примете неправильное решение, если у вас такое настроение, что вы готовы себя за нос укусить. Вы можете даже сознательно принять невыгодное для себя решение, чтобы досадить человеку, который вам чем-то не понравился. Как ни странно, исследование, проведенное в 2011 году, показало, что на процесс принятия решений оказывает влияние даже состояние вашего мочевого пузыря.

В отчете о первой части исследования говорится о том, что человек, испытывающий потребность помочиться, демонстрирует лучшие результаты при принятии решений, требующих самоконтроля. Это объясняется тем, что повышенный сознательный контроль над телом в таком состоянии заставляет лучше контролировать и мыслительную деятельность, не допуская спонтанных и поспешных решений. Речь идет и об оценке чьих-то личностных качеств, и финансовых решений, где мы часто отдаем предпочтение сиюминутной выгоде в ущерб долгосрочным интересам.

Результаты второй части говорят о том, что переполненный мочевой пузырь – это не всегда хорошо. Такое состояние может привести к неверным решениям. Любой, кому приходилось сидеть за рулем с единственной мыслью побыстрее добраться до туалета, может подтвердить, что в такой ситуации труднее сохранять внимание и удерживать информацию в оперативной памяти. А это значит, что возрастает риск дорожно-транспортных происшествий.

Вам может показаться, что две части этого исследования являются взаимоисключающими, но на самом деле они дополняют друг друга и демонстрируют, насколько сложен человеческий мозг. То обстоятельство, что с переполненным мочевым пузырем труднее концентрироваться и удерживать в памяти информацию, как раз и может удержать от принятия непродуманных и поспешных решений. В этом состоянии лучше взять передышку и сохранить самоконтроль. Конечно, хорошо, когда у вас есть масса времени для принятия важных решений, но так бывает далеко не всегда. Поэтому лучше вовремя ходить в туалет. Особенно это касается летчиков и водителей грузовиков.

Болеутоляющие средства мозга

Необходимо также сказать несколько слов о той роли, которую играет мозг, когда мы испытываем боль. Хотя ощущение боли всегда ассоциируется у нас с поврежденным участком тела, на самом деле оно создается в голове. Но раз мозг порождает боль, он может ее и устранить. Мы уже рассмотрели с вами болеутоляющие свойства ругательств и аспирина, но существует еще одно на удивление эффективное средство – плацебо. В нем не содержится никаких лекарственных веществ. Обычно плацебо представляет собой шарик из сахарной пудры и используется для проверки эффективности новых медикаментов. Если препарат не демонстрирует лучших результатов, чем плацебо, то в производстве такого лекарства нет никакого смысла.

Однако уже давно известно, что плацебо само по себе обладает лекарственными свойствами. Если мозг верит, что принимаемая таблетка окажет благотворное действие, то так оно зачастую и происходит. Особенно это касается устранения болевых ощущений. Мозг располагает собственными механизмами, позволяющими отключить сигналы боли, и их можно привести в действие с помощью плацебо. Мозг считает, что принятое лекарство должно снизить болевые ощущения и сам начинает производить естественные обезболивающие средства типа эндорфинов, сходных по действию с морфием.

Чем лечат гомеопаты?

На этом же принципе строятся и многие другие направления альтернативной медицины. Так, например, гомеопатия не имеет никакого смысла с точки зрения традиционной медицины. Она объединяет в себе две концепции. Первая из них (уже устаревшая) гласит, что небольшая доза яда приносит пользу, а вторая исходит из магического представления, что подобное следует лечить подобным. Таким образом, приняв небольшую дозу яда, вызывающего те же симптомы, что и ваше заболевание, вы можете избавиться от болезни.

Во всем этом отсутствует какой бы то ни было медицинский смысл. К тому же на практике гомеопатические препараты разводят до такой степени, что в жидкости, которой пропитывают сахарные шарики, едва ли содержится хоть одна молекула изначального лекарственного вещества. Поэтому гомеопатические лекарства представляют собой, по сути, то же самое, что и плацебо. Естественно, что с их помощью можно достичь того же успеха, внушая мозгу мысль о выздоровлении.

Некоторые сторонники гомеопатии возражают, ссылаясь на то, что гомеопатические препараты помогают и животным, а уж им-то не свойственно самовнушение, так как они не понимают, что происходит. Но здесь необходимо учитывать три фактора. Какая-то часть животных обязательно поправится без всякого лечения в силу естественных причин, но владелец будет уверен, что помогло именно лекарство. Другие владельцы просто обманывают сами себя, видя признаки улучшения, которых на самом деле нет (ведь животное не может вам сказать, лучше оно себя чувствует или хуже). Наконец, некоторые владельцы, давая животному лекарство, сопровождают это действие лаской и хорошим уходом, что само по себе может оказать эффект, аналогичный плацебо.

То же самое можно сказать и о других альтернативных методах лечения, например об иглоукалывании. Нет практически никаких подтверждений, что оно приносит больше пользы, чем плацебо.

Этика плацебо

В этой связи возникает интересный вопрос: стоит ли использовать плацебо и другие методы лечения, схожие с ним по механизму воздействия на организм? Многие ученые с ходу утверждают, что такое лечение неэтично. Для того чтобы плацебо (или другой альтернативный метод лечения) оказало воздействие на пациента, врач должен ему лгать. В этом процессе не обойтись без обмана и самообмана.

Возникает сложная этическая проблема: допустимо ли обманывать людей ради их же собственного здоровья? Плацебо может оказывать мощное лечебное действие, и ему, в отличие от многих обычных лекарств, практически несвойственны негативные побочные эффекты. Но можно ли оправдать обман, если он дал положительные результаты? Оправдывает ли цель средства?

Многие скажут, что это допустимо, если за плацебо не берут больших денег. В конце концов, очень многие медикаменты стоят кучу денег. Если предположить, что плацебо (или гомеопатический препарат) – это всего лишь сахарная пилюля, то флакон такого лекарства обойдется довольно дешево. В этом случае обман оправдан. Иначе же это будет жульничество.

К сожалению, исследования показывают, что если пациентам назвать цену, то дорогое плацебо действует лучше, чем дешевое. Когда двум пациентам дают под видом болеутоляющего средства плацебо, одно из которых стоит 2,5 доллара, а другое 0,1 доллара, то тот, который получил более дорогую таблетку, уверяет, что боль у него проходит быстрее.

Не подлежит сомнению, что обман при назначении плацебо и средств альтернативной медицины можно оправдать, если он приносит пользу и не влечет за собой никаких отрицательных последствий. Однако можно найти немало примеров, когда обман в подобных случаях приводил к усилению страданий и даже смерти. Если пациенту прописывают гомеопатические пилюли или другие альтернативные методы для лечения малярии, рака, ВИЧ и других смертельно опасных заболеваний (а такое тоже нередко случается), результатом может стать смерть пациента, не говоря уже о том, что ему внушаются ложные надежды. Если лечение альтернативными методами предполагает отказ от услуг традиционной медицины, это может иметь ужасные последствия, и такие случаи заслуживают безусловного осуждения.

Плацебо – это средство, обманывающее мозг, который, в свою очередь, оказывает влияние на состояние организма. Как и во всех случаях взаимодействия мозга и тела, эти механизмы возникли в ходе долгой эволюции на протяжении многих поколений. Однако настало время вернуться к зеркалу, с которого началось наше повествование, и еще раз взглянуть на свое тело как единое целое, чтобы понять, откуда же мы вообще взялись.

9. Свет мой, зеркальце…

Снова взгляните на свое отражение в зеркале. Забудьте о том, что это вы и что вы человек. Постарайтесь увидеть просто живое существо, животное, глядящее на вас из зеркала. Это животное не слишком отличается по внешнему виду от человекообразных обезьян, даже несмотря на развитый мозг и связанные с ним умения и способности. В свое время было много разговоров об эволюции, благодаря которой человек поднялся из царства животных (или опустился, если вам так удобнее), но эта теория дает нам искаженную картину действительности.

Постройка генеалогической башни

Чтобы составить ясное представление об эволюции, приведшей к возникновению человеческого тела, необходимо присмотреться к нашим предкам вплоть до самых ранних форм жизни на Земле. Очень трудно представить себе, каким образом простая бактерия может превратиться в человека. Кроме таких базовых свойств, как клеточная структура, содержащая воду и ДНК, у нас нет с ней ничего общего. И все же это наш предок. Чтобы попытаться понять, какой путь человечество проделало от этой ранней формы жизни до того изображения, которое вы видите в зеркале, постройте генеалогическую башню.

Представьте себе, что вы – деталь детского конструктора «Lego», маленький фиолетовый кирпичик. Вы находитесь на самом верху башни. Под вами находится другой такой же фиолетовый кирпичик. Это один из ваших родителей (неважно какой). Еще ниже располагается его родитель и т. д. Давайте представим себе, что мы построили всю башню целиком. Ее высота составляет несколько километров в высоту, и каждый кирпичик «Lego» символизирует живое существо – одного из ваших предков вплоть до самых первых форм жизни.

Как появилась самая первая жизнь – это уже другая история. Мы не знаем ответа на этот вопрос. А теперь давайте отойдем на некоторое расстояние и посмотрим, что же у нас получилось. Наша башня обладает рядом примечательных качеств. Самое очевидное из них – это цвет. Башня окрашена в цвета радуги. От красных нижних кирпичиков, представляющих самых ранних предков, до фиолетовых на вершине.

Сколько цветов в радуге?

Глядя на радугу, появившуюся в небе после дождя, мы вроде бы различаем в ней отдельные цвета – красный, оранжевый и т. д. Но это всего лишь наше воображение. То, что радуга состоит из семи цветов, придумал Исаак Ньютон. На самом деле люди не различают в радуге семи цветов, но Ньютону захотелось, чтобы их было именно семь, возможно, по ассоциации с семью нотами. Поэтому кажущиеся полосы в радуге – это результат того, что мозг обманывает вас, пытаясь, как обычно, отыскать привычный образ.

В действительности радуга представляет собой последовательность цветов, плавно переходящих друг в друга – от красного к оранжевому, от оранжевого к желтому, от желтого к зеленому и т. д. Если исходить из того, что цветовые отличия являются следствием длины волн света или различной энергии фотонов, становится понятно, что существуют миллиарды и миллиарды различных цветов. Именно это мы и видим, рассматривая построенную башню. В ней присутствуют все цвета спектра.

Без резких переходов

Возьмите два любых соседних кирпичика, из которых сложена башня, и вы убедитесь, что они одного цвета. Вы не обнаружите ни одной такой пары, в которой один кирпичик был бы, скажем, зеленым, а другой – голубым. Вы не сможете заметить то место, где один цвет переходит в другой. Тем не менее вы совершенно отчетливо видите, что внизу башня красная, вверху фиолетовая, а между ними расположены все остальные цвета. Разумеется, между соседними кирпичиками есть цветовые отличия, но они настолько малы, что глаз их не различает.

Точно так же обстоит дело и с живыми существами, которых символизируют эти кирпичики. Каждое из них относится к тому же виду, что и его предшественник. Вы нигде не увидите различий между одним и другим животным. Они точно такие же, как и их родители. Хотя ваше тело чем-то не похоже на тело родителя, но это отличие не носит существенного характера. Вы такой же человек, как и он.

Спустившись немного ниже, вы точно так же не сможете найти явного перехода от человека к прачеловеку или, еще ниже, от динозавров и других ящеров к млекопитающим. Каждый раз потомок принадлежит к тому же виду, что и его родитель. Тем не менее мы видим совершенно четкое различие между одноклеточными существами, растениями, рыбами, динозаврами, млекопитающими и приматами.

Именно поэтому устаревшая ныне концепция недостающего звена приводит к такой путанице. Она предполагает существование более четкой грани между исчезновением одного вида и появлением другого, которой на самом деле не было. Сам термин «недостающее звено» в последнее время полностью вышел из моды. Он отражает идею, будто природа сформировала длинную цепь от самых простых форм типа бактерий до самых сложных (людей) и все существа, которые когда-либо жили на Земле, должны вписываться в эту структуру, если только в этой цепи нет разрывов, которые и должны заполнять некие «недостающие звенья». Все было бы хорошо, если бы можно было определить, кто в какой последовательности должен составлять эту цепь. Должны ли колибри занимать в ней место выше мышей? Должен ли дождевой червь стоять выше морских многощетинковых червей? Во всем этом нет никакого смысла.

Бесполезные поиски недостающего звена

Ваша башня имеет еще одну особенность. У деталей конструктора «Lego» все выступы и выемки для соединения одинаковы, поэтому каждая из них подойдет к любой другой. Что же касается кирпичиков в нашей башне, символизирующих предков, то форма, размер и количество выступов для соединения чуть-чуть меняются в зависимости от того, в каком месте башни они находятся. Разница между вашим кирпичиком и кирпичиком родителей настолько мала, что ее невозможно заметить. То же самое можно сказать и о представителях очень многих предыдущих поколений. Но, двигаясь вниз по башне, вы где-то найдете кирпичик, с которым ваш кирпичик соединиться уже не сможет.

Это и есть та самая видовая граница. Ваш предок (назовем его Фредом, хотя он может быть и представителем противоположного пола) относится уже к другому виду. Вы с ним несовместимы в биологическом плане. У вас с Фредом не может быть общего потомства.

Но здесь необходимо дать одно важное, но очень обескураживающее пояснение: мы не можем утверждать, что новый биологический вид образовался именно после Фреда. Сотни кирпичиков выше и ниже Фреда – это особи, принадлежащие к тому же виду, что и Фред. Они могут иметь общее потомство. Просто Фред относится к другому виду по отношению именно к вам. Это показывает, что сама концепция образования биологических видов является абсолютно надуманной. Она была создана биологами еще до того, как они поняли суть эволюции. Эта идея в определенном смысле полезна как некая веха в развитии, но имеет относительный, а не абсолютный характер.

Целый Вавилон башен

Генеалогическая башня, на вершине которой находится ваше тело, не является единственной. Каждое живое существо имеет свою собственную башню предков. Некоторые башни очень похожи на ваши. Например, башня шимпанзе идентична вашей до той точки вблизи самой вершины, где башня человека и башня шимпанзе расходятся в разные стороны.

В данной точке находится наш последний общий с шимпанзе предок, и находится эта точка намного ближе к вам, чем вы можете подумать. Ваша башня охватывает период времени, превышающий 3 миллиарда лет, а пути человека и шимпанзе разошлись в промежутке между семью и двадцатью миллионами лет назад. Это значит, что всего 0,3 процента кирпичиков в вашей башне имеют отличия от шимпанзе. Но это не значит, что люди произошли от шимпанзе или от какой-то другой из современных человекообразных обезьян. Все мы произошли от одного общего предка, который не был ни шимпанзе, ни человеком.

Перейдем к другой точке разветвления. Наш общий с мышью предок жил примерно 75 миллионов лет назад. Спустившись по башне до этого места, мы обнаружим небольшое млекопитающее, которое выглядит скорее как мышь, чем как обезьяна. Но оно не является ни тем ни другим. Семьдесят пять миллионов лет – это не так уж много, если учесть, что жизнь на нашей планете зародилась около 3 миллиардов лет назад. От мышеподобного существа до человека прошло на первый взгляд совсем мало времени, но необходимо учитывать, что средняя продолжительность жизни одного поколения в этот период составляла примерно 5 лет или даже меньше. А это значит, что сменилось минимум 15 миллионов поколений, в которых постепенно накапливались мелкие изменения, вылившиеся в конечном счете в очень существенные различия.

Есть генеалогические башни, которые не дожили до наших дней, и их довольно много. Вспомните, к примеру, о динозаврах. У каждого из них башня до определенного момента напоминала вашу, но ее дальнейший рост прекратился около 65 миллионов лет назад (приблизительно в это же время произошло расхождение наших предков с предками мышей). Башни других живых существ прекратили рост миллиарды лет тому назад. Ни одно из живущих ныне существ не является их потомками.

Возможно также, что существуют живые существа, башни которых начались не с того же самого первого кирпичика, что и наша. Мы не знаем, как появилась жизнь на Земле, но раз это случилось однажды, то могло случиться и еще. Жизнь могла зародиться в разных местах независимо друг от друга. Правда, все известные в настоящее время животные и растения, похоже, произошли все-таки от одного общего предка, так как имеют много одинаковых существенных черт. Мы пока еще не нашли такой уникальной формы жизни, которая была бы основана не на углеродных структурах и не использовала бы ДНК (или РНК) в качестве контрольного механизма размножения и наследственности.

«Всего лишь теория»

Механизм, который возводит все эти башни, называется эволюцией. Тело, которое вы видите в зеркале, – это продукт долгого эволюционного процесса. Про эволюцию написано много всякой чепухи. Ее противники порой говорят, что это «всего лишь теория». Но в данном случае можно говорить о фундаментальном непонимании природы науки в целом. Вся наука состоит из «всего лишь теорий».

Возьмем, к примеру, одну из основ физики – законы механики Ньютона. Они представляют собой набор простых правил:

1. Всякое тело стремится сохранять состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока к нему не будет приложена сила.

2. Количество силы, приложенной к телу, равно произведению его массы и ускорения в направлении действия этой силы.

3. Всякому действию соответствует равное по силе и противоположное по направлению противодействие.

Неужели и это «всего лишь теория»? Увы, да. Как делается наука? Ученые или группа ученых выдвигают гипотезу, которая может иметь вид приведенных выше законов. Потом они проверяют гипотезу с помощью экспериментов. Происходит ли в действительности то, что мы предполагали? Если да, значит, гипотеза находит подтверждение. И чем больше таких подтверждений, тем полезнее гипотеза. Многократно доказанная гипотеза становится теорией. Но это еще не значит, что никто никогда не докажет ее неправильность.

Ньютон был не прав

Именно так случилось со вторым законом Ньютона. Специальная теория относительности Эйнштейна доказывает, что если тело приведено в движение, то соотношение между силой и ускорением является более сложным, чем считал Ньютон. А специальная теория относительности нас еще ни разу не подводила. Эта теория более совершенна, чем законы Ньютона. Тем не менее неточности в теории Ньютона в большинстве случаев никак не проявляются. Поэтому мы, как и прежде, можем практически во всех ситуациях пользоваться этими простыми законами.

Любая теория может быть опровергнута. Для этого надо лишь получить новые данные. Это касается и тех теорий, которые получили вводящий в заблуждение статус закона. Ни одна научная теория не может считаться абсолютной истиной, потому что постоянно появляются новые данные, которые могут доказать ее неверность. Однако это не значит, что наука ничем не лучше, скажем, магии. Наука дает нам наиболее полную картину происходящего на основании имеющихся в настоящее время данных, но она непрерывно работает над совершенствованием этой картины.

Эволюция – это такая же теория, как и законы Ньютона. В какой-то момент она может быть опровергнута, но и в настоящее время мы уже понимаем, что она намного сложнее, чем представлял себе Дарвин. Тем не менее это лучшая из имеющихся теорий с учетом всей той информации, которой мы располагаем на сегодняшний день. И это, в общем-то, неудивительно. Она настолько очевидна, что удивляться приходится другому: почему никто не открыл ее до Дарвина?

В эволюции заложен большой смысл

Основы эволюции очень просты. Вы наследуете от своих родителей определенные качества, которые в совокупности делают ваше тело таким, какое оно есть. Ваши родители точно так же унаследовали определенные качества от своих родителей и так далее, вплоть до основания генеалогической башни. Во времена Дарвина было еще неизвестно, каким образом это происходит, но сегодня мы знаем, какую роль во всем этом играет генетика (и эпигенетика). Какие-то из унаследованных качеств повышают вероятность биологического вида на выживание в окружающей среде, а какие-то снижают. Особи, обладающие качествами, которые способствуют выживанию, проживут дольше и успеют обзавестись потомством. Таким образом повышаются шансы на то, что эти качества будут переданы по наследству.

На протяжении очень длительного времени все эти постепенные индивидуальные изменения, вызванные комбинациями различных ДНК родителей и случайными мутациями генов, приводят к изменениям, характерным для всего биологического вида в целом. Вот, собственно, и вся эволюция. Она состоит в случайных изменениях, которые отличают одно поколение от другого, в сочетании с необходимостью выживания в окружающей среде.

Многие из противников теории эволюции, предпочитающих думать о некой внешней силе, создавшей все живое, указывают на то, что подобные изменения могут происходить только в рамках конкретного биологического вида, но никак не объясняют превращения, скажем, рыбы в человека. Тем, кто придерживается подобных взглядов, я бы посоветовал пойти поиграть с генеалогической башней и убедиться, что в ней нет никаких скачков от одного вида к другому. В каждом поколении потомство принадлежит к тому же самому биологическому виду, что и предки. В этом и заключается парадокс биологии, причиной которого является искусственно созданное понятие вида. Резких переходов от одного вида к другому не бывает.

Какая польза от половины глаза?

Еще одна проблема, на которую постоянно указывают несогласные с теорией эволюции, состоит в том, что изменения происходят очень медленно. Какая же может быть польза особи или вида в целом от частично сформировавшегося изменения? Этот вопрос некоторое время мучил и Дарвина. Если вы посмотрите на свое тело в зеркале, то заметите в нем множество сложных структур. Каким образом могла, к примеру, возникнуть такая сложная структура, как глаз? Как совершился переход от созданий, которые ничего не видели, к тем, кто располагает полностью сформированными глазами?

Но это, оказывается, не такая уж сложная проблема, как может показаться поначалу. Возможно, на некой промежуточной стадии наполовину сформировавшийся глаз давал его обладателю какие-то другие преимущества, например делал его более привлекательным объектом для спаривания. Хотя тот глаз, который мы имеем сейчас, несет в себе очевидные преимущества, на свете до сих пор есть немало существ, находящихся на промежуточных стадиях или вовсе не имеющих глаз. У кого-то имеются только светочувствительные участки кожи, у кого-то глаза не имеют хрусталиков и состоят лишь из крошечного отверстия, которое фокусирует лучи света на сетчатку, у кого-то изображение фокусируется с большими искажениями. Некоторые животные пользуются совсем не такими, как мы, механизмами зрения (взять хотя бы фасеточные глаза насекомых). Этот перечень можно продолжать еще долго.

Еще одним примером органа, который в наполовину сформированном состоянии может давать какие-то преимущества, является крыло. Казалось бы, либо ты умеешь летать, либо нет. Но тут все тоже не так просто. Допустим, с маленькими крыльями вы не способны к полету, но вы можете использовать их, чтобы быстрее бежать, когда вас преследует хищник. Можно найти им и какое-то другое применение. Например, с их помощью можно лучше охлаждать свое тело. Вполне вероятно, что любое недостаточно сформированное качество можно было использовать в других целях, о которых теперь никто уже и подумать не может.

Противники теории эволюции никак не могут понять, что эволюция не имеет замыслов и никем не направляется. Они задают вопрос: «Зачем животному частично сформировавшееся крыло?» Тем самым они исходят из предположения, что у эволюции есть цель когда-нибудь снабдить птиц крыльями. Но эволюция действует совсем по-другому. Она построена только на случайных событиях и отборе тех из них, которые могут принести какую-то пользу (или, по крайней мере, не создают помех). Если отбросить идею о неком руководящем принципе, то не придется ломать себе голову по поводу частично сформированных качеств.

Наука – это то, что можно доказательно опровергнуть

У противников теории эволюции существует множество концепций, предусматривающих сознательный замысел Творца, Вселенский разум и другие альтернативные подходы, объясняющие появление человека и многие другие явления природы. Вся проблема в данном случае состоит в том, что это не наука. Наука проверяет теории на практике. Те же, кто верит в некую внешнюю «конструкторскую идею», говорят, что никаких поддающихся проверке свидетельств существования этого «конструктора» быть не может. В них надо просто верить.

Большинство ученых скажут вам, что для признания научной теории должны существовать способы доказательства ее правильности или неправильности. Это значит, что должен быть какой-то механизм, с помощью которого теория может быть доказана или опровергнута. Одна из ранних научных теорий гласила, что любое тело, обладающее весом, стремится к центру Вселенной, который расположен в центре Земли. Эта теория оказалась неверной, но она все же была научной. Чем больше данных мы получали в ходе наблюдения за Солнечной системой и видимой Вселенной, тем яснее становилось, что Земля не является центром мироздания. Геоцентрическая теория была опровергнута. Точно так же в ходе дальнейших наблюдений и получения новых данных могут быть опровергнуты теория эволюции, квантовая теория и теория относительности.

Я не говорю, что ученые с легкостью расстаются со своими теориями. Многие продолжают цепляться за них до тех пор, пока подавляющее количество доказательств не убедит их в обратном и не заставит признать свою неправоту. Но вера в сверхъестественные силы – это совсем другое дело. Тут ничего нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Можно убедить человека в бесполезности таких воззрений, но доказать их неправоту невозможно. Я хочу еще раз подчеркнуть: если какие-то взгляды нельзя доказательно опровергнуть, это еще не значит, что они неправильны. Просто они не относятся к области науки. Любые теории о сознательном замысле природы и воле Творца не являются научными, и к ним должен быть совершенно другой подход.

Подобная проблема возникает даже при рассмотрении некоторых научных теорий. Сотни ученых в настоящее время занимаются разработкой теории струн, которая должна объяснить структуру всех частиц, из которых состоит Вселенная. Однако до сих пор никто еще не предложил методов проверки этой теории (или хотя бы каких-то ее частей), с помощью которых ее можно было бы доказать или опровергнуть. Поэтому многие не считают теорию струн наукой. Это всего лишь математические построения, которые могут иметь какую-то связь с реальным миром, а могут и не иметь. До тех пор пока не будут найдены способы ее доказательства или опровержения, эта теория будет считаться наукой второго сорта.

Ощущение чуда

Теория эволюции с ее парадоксальной простотой и магической способностью поколение за поколением изменять живые организмы, создавая новые виды из старых, завершает наше погружение в мир науки, в ходе которого мы использовали в качестве лаборатории собственное тело.

Я надеюсь, что теперь вы, глядя на себя в зеркало, не ограничитесь одной только мыслью: «Надо бы сходить в тренажерный зал». Я хочу, чтобы при виде своего отражения вы каждый раз испытывали ощущение чуда. Ведь для того, чтобы понять, как ваше тело живет и действует, необходимо собрать всю мощь науки воедино.

Ваше тело – это окно во Вселенную.

Сноски

1

30 мая 2012 года за этим элементом было официально закреплено название «Флеровий» в честь советского физика Г. Н. Флерова. – Прим. перев.

Content

Брайан Клегг
Вселенная внутри вас

Слова благодарности

Введение

1. Стоя перед зеркалом

Что мы видим в отражении

2. Один волосок

Натуральный цвет

Искусственное окрашивание волос

Опасения по поводу потери волос

Чтобы приобрести союзников, избавляйтесь от волос

Затерянные в космосе

Вошь как измерительный инструмент

Погружение в кожу

Из чего все сделано?

Беспокойные молекулы

Пустые атомы и парение над стулом

Проникновение во внутренности атома

Атом не похож на миниатюрную Солнечную систему

Квантовый переход

Очарование кварков

Запутанная стандартная модель

Твердое тело, жидкость или газ?

Четвертое состояние материи

Переход в состояние конденсата

Всё о материи

Вы – то, что вы едите

Атомы, которые старше Земли

Сияние звездной пыли

3. Заключенные в клетках

Ругательства как средство от боли

Живая жидкость

Признаки жизни

Есть ли жизнь в ваших клетках?

Путешествие по кровеносной системе

Особая молекула

Крошечные камеры

Молекула-суперзвезда

Ваш личный код

Пришельцы в ваших клетках

Чужие гены

Триллионы нелегальных мигрантов

Значение аппендикса

Бактериям неизвестно правило пяти секунд

«Ползучее» вторжение

Благородные пиявки

Пришельцы на ресницах

Увидеть малое

Всепроникающие лучи

Томография и ядерный резонанс

Охота за неуловимыми нейтрино

Нейтрино, за которыми не может угнаться даже свет

4. Свежим взглядом

Пояс Ориона

Взгляд в прошлое

Волна или частица?

Из сердца звезды

Звездный путь длиной в 1340 лет

Искажающая линза

Принцип спасателя

Взгляд сквозь чечевицу

Затемненное зеркало

Искаженные цвета

Ловля фотонов

Из глаза в мозг

Искусственный образ мира

Квантовая реальность

Опыт Юнга

Неопределенность правит бал

Полная путаница

Единое целое из квантовых частей

На пределе зрения

Светящаяся моча

Эхо Большого взрыва?

Расширение Вселенной

А был ли Большой взрыв?

Игры с моделями

Вселенная, вышедшая из-под контроля

Далекие квазары

Мифы о черных дырах

Как возникает черная дыра

Солнечный свет не вечен

Источник жизни

Есть ли кто-то кроме нас?

Тест на интеллект

Мы изолированы, а может быть, и одиноки

5. Путешествие в желудок

Химия у вас внутри

Съешьте кусок камня

«Вредное» соединение

Добавьте немного шипучки

Менделеев и его таблица

Познакомьтесь с элементом № 114

Тяжелый металл или благородный газ?

Превращение пищи в энергию

Горячая еда – хорошая еда

Бодрящая чашка

Пища богов

Супертаблетка

От химической энергии к сокращению мышц

Как совершается работа

Великая загадка шмеля

Кенгуру на пружинах

Тепло – это движение

Почему невозможен вечный двигатель

В чем фокус?

Неисчерпаемая чистая энергия

Возрастание энтропии

Физика монстров

Ходьба на двух ногах

Для нервных непосед

6. Голова кругом

Сколько у вас чувств?

От компрессионной волны к волнам мозга

Слуховые иллюзии

Звуки, пробуждающие эмоции

Все ли дело во вкусе?

Вкусовые рецепторы

Минерал в кухонном шкафу

Поиск пути по запаху

Как найти спутника жизни

В поисках утраченных запахов

Вездесущее чувство

Умение видеть кожей

Ощущение боли

Найдите свой нос

Ощущение ускорения

Вес и масса

Тянем или толкаем?

Оккультная сила

Искривление пространства и времени

Падение без столкновения с землей

Отсутствие взаимодействия на расстоянии

Замедлите свои часы

Созидающая сила

Электрические и магнитные силы

«Течет» ли электричество?

Внутри атомного ядра

Слабое взаимодействие

Путешествие во времени

Относительность света

Постройте собственную машину времени

Временной туннель

Парадоксы времени

Дышите глубже

7. По парам

Что вы понимаете под привлекательностью?

Это делают и птички, и пчелки…

Нельзя приготовитьяичницу, не разбив яиц

Как в доисторические времена

Технология каменного века на прогулке в парке

Собака в качестве протеза

Генная инженерия естественным способом

23 пары

Не только гены

Сходства и различия

Клоны атакуют

Хелло, Долли

Мирно дожить до старости

8. Венец творения

Что происходит у вас в голове

Мозг создан не для математики

Откройте дверь

Задача с двумя мальчиками

Тест на понимание

Что же из этого следует?

Запомните это

Мозг – это не компьютер

Мы помним, как это делается

Где хранится память?

Мне знакомо это лицо

Запомни мой номер телефона

Этот хвост я где-то видел

Память на века

Письмо в картинках

Что вы знаете о мумиях?

От абджада до алфавита

Заглавные буквы

Вы человек?

Смогли бы вы убить, чтобы спасти чью-то жизнь?

Доверие и ультиматум

Взвешивание вариантов

Все ли факторы учтены?

Это могли бы быть и вы

Экономисты не правы

Вы сделали это сознательно?

Перепады настроения и посещение туалета

Болеутоляющие средства мозга

Чем лечат гомеопаты?

Этика плацебо

9. Свет мой, зеркальце…

Постройка генеалогической башни

Сколько цветов в радуге?

Без резких переходов

Бесполезные поиски недостающего звена

Целый Вавилон башен

«Всего лишь теория»

Ньютон был не прав

В эволюции заложен большой смысл

Какая польза от половины глаза?

Наука – это то, что можно доказательно опровергнуть

Ощущение чуда

Сноски