Вселенная внутри вас Клегг Брайан
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.
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 1950х 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 есом? 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).
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 крохотнх 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
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/с. 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 = mc, 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) предтавляет 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.
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.
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.
Читать бесплатно другие книги:
