А что, если?.. Научные ответы на абсурдные гипотетические вопросы Манро Рэндалл

Планета Маленького принца

ВОПРОС: А что, если бы какой-нибудь астероид был очень маленьким, но сверхмассивным – можно ли было бы на нем и в самом деле жить, как Маленький принц?

– Саманта Харпер

Ты съела мою розу? Может быть.

ОТВЕТ: «Маленький принц» Антуана де Сент-Экзюпери – это история о страннике с дальнего астероида. Это простая, грустная, проникновенная и запоминающаяся история. Принято думать, что это детская книжка, но сейчас сложно определить, для какой аудитории она на самом деле предназначалась. В любом случае свою аудиторию она нашла – это одна из самых продающихся книг в истории.

«Маленький принц» был опубликован в 1943 году. В то время мы еще не знали точно, как выглядят астероиды, так что про них было особенно интересно писать. Даже лучшие телескопы позволяли увидеть самые крупные астероиды только в виде светящихся точек. Отсюда, собственно, их название – слово астероид означает «подобный звезде».

Наше первое представление о том, как выглядят астероиды, сформировалось в 1971 году, когда космический зонд «Маринер-9» слетал на Марс и сфотографировал по дороге спутники Марса Фобос и Деймос. Наше современное представление об астероиде как о картофелине, усеянной кратерами, основано именно на этих фотографиях, ведь Фобос и Деймос считаются застрявшими на орбите Марса астероидами.

До 1970-х годов в научной фантастике обычно предполагалось, что маленькие астероиды должны быть круглыми, как планеты. Экзюпери в «Маленьком принце» пошел еще дальше, представив астероид маленькой планетой с гравитацией, воздухом и розой. Нет смысла пытаться критиковать это с научной точки зрения, потому что 1) это история не про астероиды и 2) она начинается с притчи о том, как глупы взрослые, воспринимающие все слишком буквально.

Вместо того чтобы с помощью науки критиковать сказку, задумаемся, какие любопытные подробности мы могли бы добавить. Если бы действительно существовал сверхплотный астероид с достаточной поверхностной гравитацией, чтобы по нему можно было ходить, у него были бы весьма интересные свойства.

Если бы астероид имел радиус 1,75 м, то для того, чтобы гравитация у его поверхности была приближена к земной, ему нужно было бы иметь массу около 500 миллионов тонн. Это примерно равно общей массе всех людей на Земле.

Стоя на поверхности астероида, мы испытывали бы влияние приливных сил. Ноги ощущались бы более тяжелыми, чем голова, и все это создавало ощущение, словно нас слегка вытягивают: как будто вы растягиваетесь на резиновом гимнастическом шаре или лежите на карусели головой к центру.

Вторая космическая скорость на поверхности будет составлять примерно 5 м в секунду. Это медленнее, чем спринтерский забег, но все же довольно быстро. В принципе, если вы не способны забросить мяч в баскетбольную корзину, вы не сможете выбраться с этого астероида, просто подпрыгнув.

Однако странность второй космической скорости (скорости освобождения) заключается в том, что неважно, в какую сторону вы направляетесь. Если вы разгонитесь быстрее второй космической, то, направляясь в любую сторону (не считая направления к центру планеты), вы выйдете за пределы гравитации. Это значит, что вы сможете покинуть астероид, разбежавшись горизонтально и продолжая бежать по прямой, когда закругляющаяся поверхность планеты уйдет у вас из-под ног.

Если вы не будете двигаться достаточно быстро, чтобы выбраться за пределы действия гравитации астероида, вы выйдете на орбиту вокруг него. Ваша скорость составит примерно 3 метра в секунду – типичная скорость утренней пробежки.

Однако это будет очень странная орбита.

Действие приливных сил будет весьма разнообразным. Если вы протянете руку к поверхности планеты, ее начнет притягивать с гораздо большей силой, чем остальные части вашего тела. А если вы коснетесь поверхности одной рукой, то все остальные части тела гравитация будет толкать вверх, и вам будет казаться, что они теперь весят меньше. По сути дела, каждая часть вашего тела будет пытаться выйти на свою собственную орбиту.

Крупный объект на орбите под влиянием подобных сил – например, спутник – обычно распадается на кольца. С вами этого не произойдет, но ваша орбита будет весьма сложной.

Подобные орбиты были описаны в одной статье Раду Руджеску и Даниеле Мортари. Расчеты этих ученых показали, что крупные, удлиненные спутники вращаются вокруг центрального объекта по необычным маршрутам. Даже их центр тяжести движется не по традиционной эллиптической орбите – некоторые из них выходят на пятиугольную орбиту, другие вращаются хаотично и в конце концов врезаются в свою планету[51].

Подобный анализ мог бы на самом деле иметь практическое применение. В течение многих лет поступали предложения использовать длинные вращающиеся тросы для того, чтобы перемещать грузы в гравитационное поле или из него, что-то вроде свободно плавающего в пространстве космического лифта. Подобные тросы могли бы доставлять грузы на поверхность Луны, или поднимать их с нее, или подхватывать космические корабли с границы атмосферы Земли. Нестабильность орбит многих тросов – главная проблема такого проекта.

Что касается обитателей нашего сверхплотного астероида, им пришлось бы быть осторожными – при слишком быстром беге возникает серьезный риск выйти на орбиту, где вы сделаете сальто и вас укачает.

К счастью, вертикальные прыжки не представляли бы сложности.

Болельщики баскетбольной команды «Кливленд кавальерс» с уважением относятся к французской детской литературе, однако разочарованы решением Маленького Принца подписать контракт с клубом «Майами Хит».

Стейк из поднебесья

ВОПРОС: С какой высоты нужно уронить стейк, чтобы он упал на землю уже поджаренным?

– Алекс Лахей

ОТВЕТ: Надеюсь, вы любите стейки с кровью. И вам, возможно, придется разморозить стейк после того, как вы подберете его с земли.

Предметы очень сильно разогреваются, когда возвращаются из космоса. Когда объект входит в атмосферу, воздух не может убраться с его пути достаточно быстро и сжимается перед объектом – а сжатие воздуха приводит к его нагреванию. Вы почувствует нагрев от сжатия примерно тогда, когда скорость объекта превысит 2 М (вот почему передние кромки крыльев «Конкорда» были покрыты теплостойким защитным материалом).

Когда австрийский парашютист Феликс Баумгартнер прыгнул с высоты почти 39 км, он развил скорость в 1 М на высоте около 30 км. Этого достаточно, чтобы нагреть воздух на несколько градусов, но температура окружающего воздуха была настолько низкой, что перемены Баумгартнер не почувствовал (в верхней точке прыжка было около –40°, та волшебная точка, в которой не нужно уточнять, говорим ли мы о шкале Фаренгейта или Цельсия, – тут они совпадают).

Чтобы получить ответ на вопрос Алекса, я решил провести серию симуляций падения стейка с разных высот.

Стейк весом 8 унций (228 г) размерами и формой напоминает хоккейную шайбу, так что я рассчитывал коэффициент лобового сопротивления моего стейка, исходя из данных, приведенных на стр. 74 книги «Физика хоккея» (эти данные автор, Ален Хаше, получил собственноручно при помощи лабораторного оборудования)[52]. Стейк, конечно, не хоккейная шайба, но в конце концов выяснилось, что погрешность в расчете коэффициента сопротивления не слишком сильно влияет на результат.

Поскольку для ответа на все ваши вопросы мне часто приходится анализировать поведение необычных объектов в экстремальных физических условиях, то подходящие данные подчас можно найти только в отчетах о военных исследованиях, проводившихся в США во времена холодной войны (похоже, правительство США осыпало деньгами все проекты, хотя бы приблизительно похожие на разработки в сфере вооружений).

Чтобы оценить, насколько воздух нагреет падающий стейк, я посмотрел исследования, посвященные нагреву носового конуса межконтинентальных ракет в момент их возвращения в атмосферу. Наиболее полезными оказались «Прогнозы аэродинамического нагрева обтекателей тактических ракет» и «Температурные диаграммы для летательных аппаратов, входящих в плотные слои атмосферы».

Под конец я должен был выяснить, насколько быстро тепло распространяется по стейку. Я начал с того, что почитал статьи специалистов пищевой промышленности, которые описывали теплопроводность различных кусков мяса. Мне потребовалось некоторое время, пока я не сообразил, что есть гораздо более простой способ узнать, какое время и температура требуются для наиболее эффективного разогрева разных слоев стейка – заглянуть в поваренную книгу.

Отличная книга Джеффа Поттера «Кулинария для гиков» включает в себя в том числе и отличное введение в науку приготовления мяса, где объясняется, какие диапазоны температур хороши для стейка и почему. «Наука хорошей кулинарии» тоже оказалась полезной.

Собрав воедино все данные, я выяснил, что стейк будет быстро ускоряться, пока не достигнет высоты примерно в 30–50 км, после чего воздух станет достаточно плотным, чтобы снова замедлить падение куска этого куска мяса.

Скорость падающего стейка будет постепенно снижаться по мере возрастания плотности воздуха. Вне зависимости от того, с какой скоростью он летел, когда достиг нижних слоев атмосферы, он быстро замедлится до равновесной скорости – то есть такой, при которой сила сопротивления воздуха будет равна силе гравитации. Вне зависимости от того, с какой высоты изначально был сброшен стейк, ему потребуется шесть или семь минут, чтобы пролететь последние 25 км до земли.

На протяжении большей части этих 25 км температура окружающего воздуха будет ниже нуля, а значит, стейк проведет шесть или семь минут под воздействием ураганного ледяного встречного ветра. Даже если этот кусок поджарится за время падения, то когда он приземлится, его, возможно, потребуется разморозить.

В момент, когда стейк наконец достигнет земли, его скорость будет равновесной – около 30 м/с. Чтобы представить себе эту скорость, вообразите, что стейк был брошен питчером Национальной бейсбольной лиги. Если стейк в этот момент будет хотя бы отчасти заморожен, он легко может расколоться. Однако если он приземлится в воду, в грязь или в палую листву, то вероятно, все будет в порядке[53].

Стейк, который уронили с высоты 39 км, в отличие от Феликса Баумгартнера, скорее всего, не преодолеет звуковой барьер. Он также и не нагреется до сколько-нибудь заметной степени. В конце концов, и скафандр Феликса не был обожжен, когда он приземлился.

Стейк, вероятно, сможет пережить преодоление звукового барьера. Не считая опыта Феликса Баумгартнера, известны истории о пилотах, которые катапультировались на сверхзвуковых скоростях и оставались в живых.

Чтобы преодолеть звуковой барьер, нужно уронить стейк с высоты 50 км. Но этого все еще недостаточно, чтобы поджарить его.

Для этого надо подняться еще выше.

Если уронить стейк с высоты 70 км, он будет падать достаточно быстро, чтобы на некоторое время разогреться от столкновения с воздухом до 176 °С. К сожалению, разреженный воздух на такой высоте будет горячим не больше минуты, и каждый, у кого есть хоть какой-то опыт готовки, скажет вам, что кусок мяса, который поместили в духовку, разогретую до 176 °С, всего на 60 секунд, ни за что не прожарится.

При падении с высоты 100 км – что формально считается границей между атмосферой и космическим пространством – ситуация не намного улучшится. Стейк на полторы минуты разгонится на более чем 2 М, и его поверхность, скорее всего, подрумянится, но жар слишком быстро сменится ледяным дыханием стратосферы, чтобы мясо могло по-настоящему прожариться.

На сверх– и гиперзвуковых скоростях вокруг стейка сформируется ударная волна, которая поможет защитить его от ускоряющегося встречного ветра. Точная характеристика этого ударного фронта (и, следовательно, степень его влияния на стейк) зависит от того, как именно двести граммов сырого мяса ведут себя на сверхзвуковых скоростях. Я порылся в литературе, но не нашел соответствующих исследований.

Поэтому я могу лишь предположить, что на более низких скоростях возникнут определенные завихрения, которые заставят стейк беспорядочно кувыркаться, тогда как на гиперзвуковой скорости он будет сдавлен и примет форму полустабильного сфероида. Однако все это совершенно произвольные догадки. Если у кого-то из вас есть возможность поместить стейк в аэродинамическую трубу и смоделировать в ней гиперзвуковую скорость, чтобы получить более точные результаты, пожалуйста, пришлите мне потом видео.

Если уронить стейк с высоты 250 км, температура становится выше: 250 км – это окрестности околоземной орбиты (нижняя точка орбиты космического аппарата Гагарина была на 80 км ниже). Однако стейк, поскольку мы роняем его из неподвижного положения, двигается не так быстро, как объект, входящий в атмосферу с орбиты.

В этом сценарии стейк достигает максимальной скорости в 6 М, и внешняя его поверхность может приятно подрумяниться. Внутри мясо, увы, все еще сырое (и это еще при условии, что стейк не войдет в зону турбулентности и не разорвется на куски).

На больших высотах жар будет вполне серьезным. Ударная волна перед стейком создаст температуру в несколько тысяч градусов (Фаренгейта или Цельсия – неважно). Проблема с такой температурой заключается в том, что жар полностью сожжет поверхность стейка, обуглив ее.

Обугливание – нормальное следствие того, что мясо находится в огне. При этом на гиперзвуковых скоростях хрупкий обуглившийся слой будет срываться встречным потоком воздуха, обнажая следующий слой мяса, который, в свою очередь, будет тоже обугливаться и сдуваться (в космических технологиях такой процесс выгорания поверхности называют абляцией).

Но даже на такой высоте жар все еще не будет столь продолжительным, чтобы стейк успел полностью прожариться[54]. Но мы можем пробовать все более и более высокие скорости или продлить время прожарки, роняя стейк с орбиты под разными углами.

Но если температура будет достаточно высокой в течение достаточно долгого времени, стейк постепенно будет уменьшаться, поскольку верхний слой будет снова и снова обугливаться и сдуваться. И если какая-то часть стейка все же доберется до земли, внутри мясо все еще будет сырым.

Вот почему нам надо уронить стейк не куда-нибудь, а на Питтсбург.

Как гласит одна история (вероятно, выдуманная), сталевары в Питтсбурге готовили стейки, выкладывая их на раскаленные металлические листы, вышедшие прямиком из литейного цеха. При этом поверхность стейка прожаривалась, а внутренняя часть оставалась сырой. Предположительно, отсюда и пошел термин «по-питтсбургски с кровью» (Pittsburgh rare).

Итак, вышвырните стейк из ракеты на орбите, отправьте поисковую команду его подобрать, отряхните его, разогрейте, срежьте обугленные части – и можете запускать в него зубы!

Только убедитесь, чтобы в нем не было сальмонеллы – не говоря уже о штамме «Андромеда»…

Забить вратаря в ворота

ВОПРОС: А что, если послать шайбу с такой силой, чтобы она забила вратаря в ворота?

– Том

ОТВЕТ: Это невозможно.

Проблема не столько в том, что ударить по шайбе с достаточной силой нелегко – в этой книге мы не интересуемся подобными ограничениями. Человек с клюшкой не может разогнать шайбу быстрее 50 м/с, но давайте предположим, что по шайбе бьет хоккейный робот, или электромагнитная катапульта, или сверхзвуковая газовая пушка.

Проблема, если вкратце, заключается в том, что вратарь – тяжелый, а шайба – нет. Голкипер в полной экипировке весит примерно в 600 раз больше, чем шайба. Даже самый быстрый прострел обладает меньшим импульсом, чем десятилетний ребенок, катающийся на коньках со скоростью порядка полутора километров в час.

Хоккеист может также обладать довольно сильным сцеплением с поверхностью. Игрок, несущийся по льду на полной скорости, может полностью затормозить за несколько метров, а это значит, что сцепление весьма сильное (это также означает, что, если хоккейную площадку медленно наклонять, то все игроки съедут на одну сторону лишь когда наклон достигнет 50 градусов; но это, конечно придется проверить экспериментально).

Благодаря изучению статистики столкновений, содержащейся в записях хоккейных матчей, и консультациям с одним знатоком хоккея, я прикинул, что шайба весом в 165 граммов должна будет двигаться со скоростью между 2–8 М, чтобы вбить вратаря спиной в ворота. Эта скорость должна быть больше, если вратарь был готов к удару, и может быть меньше, если шайба ударит его под углом снизу вверх.

Бросить объект со скоростью в 8 М – это само по себе не очень сложно. Один из лучших методов для этого – уже упомянутая газовая пушка, в которой, по сути дела, используется тот же принцип, что и в пневматическом пистолете.

Однако хоккейная шайба, летящая со скоростью 8 М, столкнется со множеством трудностей: во-первых, воздух перед ней будет сжиматься и быстро нагреваться. При этом шайба будет двигаться недостаточно быстро, чтобы ионизировать воздух и оставлять за собой, подобно метеору, сияющий след, но при этом достаточно быстро для того, чтобы ее поверхность начала плавиться или обугливаться.

Сопротивление воздуха довольно быстро замедлит шайбу, и даже если ее скорость в момент подачи составляла 8 М, то к моменту, когда шайба достигнет ворот, эта скорость уменьшится в несколько раз. Но даже на скорости 8 М шайба, скорее всего, не пройдет тело вратаря насквозь. Вместо этого она при столкновении с ним взорвется с силой большого фейерверка или небольшого заряда динамита.

Если вы похожи на меня, то, впервые увидев этот вопрос, наверное, представили себе, как шайба пробивает сквозное отверстие во вратаре, как это изображают в мультиках. Но мы просто не очень хорошо интуитивно оцениваем поведение разных материалов на сверхскоростях.

Возможно, самое точное представление о, том, что случится, вы получите, если изо всех сил запустите очень спелый помидор в торт с кремом.

Вот на что примерно это будет похоже.

Истребление простуды

ВОПРОС: А что, если бы все люди на планете не подходили близко друг к другу в течение пары недель? Вымерли бы за это время вирусы простуды?

– Сара Эварт

ОТВЕТ: А стоит ли оно того? Обычную простуду вызывают разнообразные вирусы, но наиболее частые ее виновники – риновирусы[55]. Эти вирусы оккупируют клетки в вашем носу и горле и используют их, чтобы порождать новые вирусы. Спустя несколько дней ваша иммунная система замечает вирусы и уничтожает их[56], но в среднем это происходит уже после того, как вы заразили еще одного человека[57]. Зато у вас на многие годы после выздоровления будет иммунитет к этому конкретному риновирусу.

Если бы Сара поместила нас всех в карантин, вирусы простуды, которыми мы заражены, не смогли бы перейти на новых хозяев. Но способна ли наша иммунная система уничтожить все вирусы в нашем теле до последнего?

До того как ответить на этот вопрос, оценим практические последствия подобного карантина. Мировой валовой продукт составляет более 72 миллиардов долларов в год, из чего следует, что перерыв в экономической деятельности на несколько недель будет стоить несколько миллиардов. Шок, который мировая экономическая система испытает от всемирной «паузы», может легко спровоцировать глобальный коллапс.

Всемирных запасов еды, возможно, хватит, чтобы обеспечить нас на четыре-пять недель арантина, но всю эту еду пришлось бы заранее поровну распределить. Откровенно говоря, не знаю, чем бы мне помог 20-дневный запас зерна, окажись я в полном одиночестве где-то посреди чистого поля.

С всемирным карантином связан и другой вопрос: насколько далеко друг от друга мы сможем разойтись? Мир велик ^{[источник не указан]}, но и людей в нем немало ^{[источник не указан]}.

Если разделить всю сушу на Земле поровну, на каждого придется чуть больше 2 га, так что ближайший человек будет находиться в 77 метрах.

Дистанция в 77 метров, вероятно, достаточна для предотвращения передачи риновирусов, но это решение будет иметь определенные последствия. Довольно значительная часть суши не слишком подходит для того, чтобы простоять там недель пять. Многим из нас[58] придется застрять в Сахаре, а еще кому-то[59] – в Антарктиде.

Более практичным – хотя необязательно более дешевым – решением будет выдать всем костюмы биологической защиты. Таким образом, мы могли бы перемещаться и общаться, и даже отчасти вести нормальную экономическую деятельность:

Но оставим в стороне практичность и обратимся собственно к вопросу Сары: поможет ли это?

Чтобы узнать ответ, я поговорил с профессором Иэном Маккеем, специалистом-вирусологом из Австралийского исследовательского центра инфекционных заболеваний университета Квинсленда.

Доктор Маккей сказал, что с чисто биологической точки зрения эта идея и в самом деле имеет смысл. Он добавил также, что иммунная система человека полностью уничтожает риновирусы и другие РНК-вирусы, ответственные за респираторные инфекции. Более того, похоже, что мы и другие животные не передаем друг другу риновирусы, а значит, нет животных, которые могли бы послужить резервуаром возбудителей человеческой простуды. Если риновирусам не хватает людей, между которыми они могли бы перемещаться, они вымирают.

Мы уже знаем, как это вымирание вирусов происходит в изолированных популяциях. На уединенном архипелаге Сент-Килда на северо-западе Шотландии в течение столетий проживала всего сотня человек. Жители островов, на которые заходило лишь несколько кораблей в год, периодически страдали от необычного синдрома, который они называли cnatan-na-gall – «кашель чужестранца». В течение нескольких столетий кашель, словно по часам, поражал весь остров всякий раз, когда прибывало новое судно.

Точная причина этих эпидемий неизвестна[60], но скорее всего за многие из них ответственны риновирусы. Каждый раз, когда прибывал корабль, он привозил новый штамм вируса. Этот штамм распространялся по острову, заражая буквально всех жителей. Спустя несколько недель все жители вырабатывали свежий иммунитет к этому штамму, и поскольку вирусу больше некуда было деться, он вымирал.

Подобное же очищение от вирусов, вероятно, произойдет и в любой другой маленькой и изолированной популяции – например в группе моряков, выживших после кораблекрушения.

Если бы все люди были изолированы друг от друга, сценарий островов Сент-Килда повторился бы в масштабах всего вида Homo sapiens. Спустя неделю-другую все мы вылечились бы от простуды, и у здоровой иммунной системы было бы достаточно времени, чтобы избавиться от вирусов.

К сожалению, есть одна проблема, и ее достаточно, чтобы разрушить весь наш план: не у всех из нас здоровый иммунитет.

У большинства людей риновирусы в организме будут полностью уничтожены примерно за десять дней. Все обстоит иначе у тех, у кого иммунная система серьезно ослаблена. Например, у пациентов с пересаженными органами, чей иммунитет подавлялся искусственным путем, обычные инфекции, включая риновирусные, могут длиться неделями, месяцами и даже годами.

Сравнительно небольшая группа людей с ослабленным иммунитетом послужит надежным убежищем для риновирусов. Шансов уничтожить эти вирусы немного: вирусу достаточно выжить всего в нескольких носителях, чтобы распространиться и вновь захватить мир.

Так что план Сары не только вызовет масштабный кризис цивилизации, но и не уничтожит риновирусы[61]. Однако это, может быть, к лучшему!

Хотя в простуде мало радости, ее отсутствие может оказаться еще хуже. В своей книге «Планета вирусов»[62] писатель и популяризатор науки Карл Циммер пишет, что дети, которые не болели в детстве простудой, по мере взросления начинают страдать разнообразными иммунными заболеваниями. Возможно, слабые инфекции тренируют и настраивают нашу иммунную систему.

С другой стороны, простуда – отвратительная штука. Помимо того, что это вообще неприятно, некоторые исследования показывают, что заражение риновирусами также ослабляет нашу иммунную систему и делает нас более уязвимыми для будущих инфекций.

Подводя итоги: я не стал бы стоять пять недель посреди пустыни ради того, чтобы навсегда избавиться от простуд. Но если когда-нибудь появится вакцина от насморка, я – первый в очереди.

Наполовину пустой стакан

ВОПРОС: А что, если стакан воды внезапно станет в буквальном смысле наполовину пустым?

– Витторио Иаковелла

ОТВЕТ: Пессимист, скорее всего, предскажет результат точнее, чем оптимист.

Когда люди говорят, что стакан наполовину пуст, они обычно имеют в виду стакан, который поровну заполнен водой и воздухом.

Согласно известному афоризму, оптимист считает, что стакан наполовину полон, а пессимист – что он наполовину пуст. Из этого парадокса родилось невероятное количество других шуток: например, инженер видит стакан, который в два раза больше, чем он должен быть, сюрреалист видит вместо стакана жирафа, жующего галстук, и так далее.

Но что, если пустая половина стакана была бы по-настоящему пустой – то есть представляла собой вакуум?[63] Этот вакуум, безусловно, не просуществовал бы долго. Но что именно с ним произойдет – зависит от ключевого вопроса, который обычно никто не задает. Какая именно половина стакана пустая?

Давайте представим себе три по-разному заполненных стакана и проследим, что с ними будет, микросекунда за микросекундой.

В середине – обычный стакан с водой (внизу) и воздухом (наверху). Справа – такой же стакан, как и в центре, только воздух заменен вакуумом. Стакан слева наполовину заполнен водой и наполовину вакуумом, но на этот раз вакуум находится в нижней половине.

Представим, что вакуум появляется в момент t=0.

В первые микросекунды ничего не происходит. В таком временном промежутке даже молекулы воздуха практически неподвижны.

По большей части молекулы мечутся туда и сюда со скоростью несколько сотен метров в секунду. Но в любой момент времени одни из них движутся быстрее других. Самые быстрые движутся со скоростью свыше 1000 м/с. Это и будут первые молекулы, которые устремятся в вакуум в правом стакане.

Вакуум в стакане слева изолирован от воздуха, так что частицам воздуха будет непросто туда попасть. Вода, будучи жидкостью, не расширяется при увеличении объема сосуда и не сможет заполнить вакуум так же, как это делает воздух. Однако в вакууме стакана она начинает кипеть, медленно заполняя паром пустое пространство.

В то время как вода на поверхности обоих стаканов начнет мед ленно выкипать, в правом стакане воздух, устремляющийся внутрь, остановит этот процесс, прежде чем тот толком начнется. Вакуум же в стакане слева продолжит медленно заполняться туманом из водяного пара.

Спустя несколько сотен миллисекунд воздух, устремляющийся в стакан справа, окончательно заполняет вакуум и ударяется в поверхность воды, посылая ударную волну сквозь толщу жидкость. Стенки стакана слегка поддаются, но выдерживают давление и не разбиваются. Волна отражается от стенок и дна стакана и возвращается обратно в воздух, где становится частью уже имеющейся турбулентности.

Ударная волна, возникшая в результате «схлопывания» вакуума, за одну миллисекунду достигает двух других стаканов. Стакан и вода слегка деформируются, когда волна проходит через них. Через несколько миллисекунд волна достигает наших ушей и мы слышим громкий хлопок.

Примерно в это время левый стакан явно начинает подниматься в воздух.

Давление воздуха пытается сплющить стакан вместе с водой. Это явление мы называем всасывающей силой. Вакуум в стакане справа не просуществовал достаточно долго, чтобы приподнять стакан, но в левом стакане воздух не может заполнить вакуум, то левый стакан и вода в нем начинают скользить навстречу друг другу.

Кипящая вода заполнила вакуум очень небольшим количеством водяного пара. Когда пространство становится меньше, собравшийся пар оказывается все большее давление на поверхность воды. В конце концов это замедлит кипение (так же, как это происходит при повышенном атмосферном давлении).

Тем не менее левый стакан и вода теперь перемещаются слишком быстро, чтобы скопившийся пар мог как-то повлиять на этот процесс. Менее чем через десять миллисекунд после того, как пошел отсчет, они устремляются друг к другу со скоростью несколько метров в секунду. Без воздушной прослойки между ними – лишь тонкое облачко пара – вода врезается в дно стакана, как молот.

Воду практически нельзя сжать, так что удар будет очень коротким и сильным. Сила воздействия на стекло огромна, и оно разлетается вдребезги.

Этот эффект «водяного молота» или гидравлического удара (он же отвечает за звук, который иногда слышно, когда выключаешь кран в доме со старыми водопроводными трубами) можно увидеть и во время демонстрации хорошо известного фокуса: по горлышку стеклянной бутылки с водой с силой бьют – и у бутылки вылетает дно.

Когда по бутылке ударяют, ее резко толкают вниз. Жидкость в бутылке не может мгновенно отреагировать на всасывание (давление воздуха) – примерно так же, как в нашем сценарии, – и между жидкостью и дном бутылки на короткое время возникает зазор, вакуум толщиной в ничтожную долю дюйма. Когда вода снова заполняет этот вакуум, возникшая ударная волна вышибает дно бутылки.

Действующих в нашем случае сил будет более чем достаточно, чтобы расколотить даже самый толстый барный стакан.

Дно стакана под давлением воды выпадает и разбивается о стол. Вода разбрызгивается вокруг, капли и осколки стекла разлетаются во все стороны.

Тем временем отделившаяся верхняя часть стакана продолжает подниматься вверх.

Спустя полсекунды присутствующие вздрагивают от громкого хлопка и непроизвольно задирают головы, чтобы посмотреть, что будет дальше.

У стакана как раз достаточно скорости, чтобы врезаться в потолок и разлететься на осколки… которые, поскольку импульс теперь погашен, падают обратно на стол.

Урок из всего этого таков – пока оптимист уверяет, что стакан наполовину полон, а пессимист ворчит, что он наполовину пуст, физик ищет надежное укрытие.

Странные (и тревожные) вопросы из папки «Входящие» сайта «А что, если?»

ВОПРОС: Всемирное потепление угрожает повышением средней температуры, а извержение супервулкана может ее понизить. Эти две опасности могут нейтрализовать одна другую?

– Флориан Зайдль-Шульц

ВОПРОС: А что, если наткнуться на бегу на проволоку, которой режут сыр? Как быстро нужно бежать, чтобы вас разрезало пополам?

– Джон Меррилл

Инопланетные астрономы

ВОПРОС: А что, если на ближайшей пригодной к обитанию планете действительно есть жизнь? Допустим, у этой цивилизации есть примерно такие же технологии, что и у нас. Если они сейчас посмотрят на нашу звезду, что они увидят?

– Чак Х.

ОТВЕТ:

Теперь давайте попробуем дать более развернутый ответ. Прежде всего…

Фильм «Контакт» сделал популярной идею о том, что инопланетяне слушают наши радиопередачи. К сожалению, вероятность этого весьма невелика. Проблема вот в чем: космос очень большой.

Можно углубиться в физику межзвездных радиоволн[64], но к проблеме можно подойти и с точки зрения экономики: если ваш телевизионный может достигнуть другой звезды, вы тратите деньги впустую. Обслуживание передатчика стоит дорого, и существа на других планетах не покупают продукты из рекламных роликов, благодаря которым оплачивается содержание радиостанции.

Детальная картина чуть сложнее, но в целом можно сказать, что чем более совершенными становятся наши технологии, тем меньше радиопередач «утекает» в космос. Мы отказываемся от гигантских антенн и переходим на кабель, оптоволокно и сотовые сети с очень четко очерченной зоной покрытия[65].

Когда-то сигналы нашего телевидения можно было (хоть и с большим трудом) отследить из космоса, но сейчас эта возможность исчезает. Даже в конце XX века, когда наши теле– и радиопередачи, можно сказать, кричали в бездну во весь голос, этот сигнал на расстоянии всего нескольких световых лет слабел до уровня, на котором его невозможно было бы обнаружить. Потенциально обитаемые экзопланеты, которые мы обнаружили к настоящему моменту, находятся на расстоянии десятков световых лет, так что шансы, что там сейчас повторяют наши тогдашние шутки, не слишком велики.

Но теле– и радиопередачи не были самыми сильными земными радиосигналами. Их вполне могло заглушить излучение радиолокационных станций дальнего обнаружения.

Система дальнего обнаружения, это порождение холодной войны, состояла из нескольких наземных и воздушных станций, разбросанных по Арктике. Эти станции 24 часа в сутки сканировали атмосферу мощными лучами, и их операторы тревожно вглядывались в экраны, ища в приходящем эхе любые намеки на перемещение врага[66].

Мощное излучение этих радаров уходило и в космос, и этот сигнал вполне могли бы перехватить ближайшие экзопланеты, слушай они нас в тот момент, когда луч проходил по их участку неба. Однако те же технологиии, которые делают ненужными телевышки, влияют и на радиолокационные станции. Аналогичные современные системы – там, где они еще существуют, – гораздо менее масштабны тише и могут в конце концов могут быть полностью заменены новыми технологиями.

Самый мощный радиосигнал, который испускает Земля – это луч радиотелескопа обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико. Эта огромная тарелка может функционировать как радарный передатчик: она «освещает» радиоволнами окрестные небесные тела вроде планеты Меркурий или объектов пояса астероидов и получает от них ответные сигналы. По сути дела, это радиофонарик, которым мы освещаем планеты, чтобы лучше их видеть (да, это именно так безумно, как звучит).

Однако телескоп Аресибо передает сигнал только время от времени, и у него узкий луч. Если бы экзопланета оказалась в зоне действия луча Аресибо, а инопланетяне как раз в этот момент нацелили бы в нашу сторону свою принимающую антенну, то все, что они услышали бы, – короткий импульс радиосигнала, а затем тишина[67].

Так что гипотетические инопланетяне, вглядывающиеся в Землю, возможно, не смогут заметить нас при помощи радиоантенн.

Однако еще имеется…

Тут шансов на успех больше. Наше Солнце очень яркое ^{[источник не указан]}, и его лучи освещают Землю и Луну ^{[источник не указан]}. Часть этих лучей отражается обратно в космос в виде так называемого пепельного света, проходящего в том числе и через нашу атмосферу, прежде чем направиться дальше, к звездам. Этот эффект теоретически можно наблюдать с какой-нибудь экзопланеты.

Это ничего не смогло бы рассказать инопланетному наблюдателю о человечестве, но если наблюдать за Землей достаточно долго, то можно многое понять про земную атмосферу по ее отражательной способности. Возможно, инопланетным астрономам удалось бы понять, и как устроен круговорот воды на нашей планете (и наша богатая кислородом атмосфера подсказала бы им, что у нас тут происходит что-то весьма любопытное).

Так что в конце концов самый ясный сигнал, полученный с Земли, может исходить вовсе не от нас: его могут послать водоросли, которые занимались ландшафтным дизайном планеты – и видоизменением сигналов, которые она посылает в космос, – в течение миллиардов лет.

О, уже поздно. Нам пора.

Конечно, если бы мы хотели послать более ясный сигнал, мы могли бы это сделать. Проблема с радиограммой в том, что инопланетяне должны слушать эфир именно в тот момент, когда она придет.

Но мы могли бы привлечь их внимание иначе. При помощи ионных двигателей, ядерных силовых установок или просто удачного использования гравитационного поля Солнца мы могли бы послать зонд из нашей Солнечной системы с достаточной скоростью, чтобы он достиг окрестностей близлежащей звезды за несколько десятков тысячелетий. Если мы сможем разработать систему управления, которая выдержит столь длительный полет (а это само по себе непросто), то ее можно было бы использовать, чтобы направиться к любой населенной планете.

Для мягкой посадки нам пришлось бы затормозить, но для торможения требуется еще больше топлива, чем для разгона… Но ведь мы же хотим, чтобы они нас точно заметили, правильно?

И если бы эти инопланетяне в этот момент посмотрели в сторону нашей Солнечной системы, вот что они бы увидели:

Больше никакой ДНК

ВОПРОС: А что, если у какого-нибудь человека внезапно исчезнет вся ДНК? Как долг о этот человек протянет? Наверное, это жестокий вопрос…

– Нина Чарест

ОТВЕТ: Если вы лишитесь всей своей ДНК, вы немедленно станете весить на 150 г меньше.

Я не стал бы рекомендовать этот способ. Сбросить 150 г можно гораздо проще, например:

• снять футболку;

• сходить в туалет;

• обрезать волосы (если они достаточно длинные);

• стать донором, а потом пережать трубочку, когда накапает 150 мл крови, и отказаться сдавать больше;

• взять в руки шар диаметром 1 м, наполненный гелием;

• избавиться от пальцев.

Кроме того, можно потерять 150 граммов, просто проделав путешествие от полюса к экватору. У этого две причины. Во-первых, наша Земля имеет такую форму:

Если вы стоите на Северном полюсе, вы на 20 км ближе к центру Земли, чем если вы стоите на экваторе, и воздействие гравитации на полюсе ощущается сильнее.

Во-вторых, если вы стоите на экваторе, вы испытываете воздействие центробежной силы.

Из-за этих двух обстоятельств при перемещении между экватором и полюсами можно приобрести или потерять до половины процента веса вашего тела.

Причина, по которой я сосредоточился на весе, заключается в том, что, если бы ваша ДНК вдруг исчезла, потеря массы была бы не первым явлением, которое вы бы заметили. Возможно, вы испытали бы что-то вроде крошечной ударной волны из-за того, что все клетки чуточку сжались. А может, и не испытали бы.

Если бы в момент потери ДНК вы стояли на ногах, вы могли бы слегка вздрогнуть. Когда вы стоите, ваши мышцы постоянно работают, чтобы удерживать вас в вертикальном положении. Сила ваших мускулов не изменилась бы, а вот масса, которую они удерживают, – например масса ваших конечностей, – изменится. Поскольку F=ma, то отдельные части тела стали бы двигаться чуточку быстрее. После этого вы, вероятно, чувствовали бы себя вполне нормально.

Некоторое время.

Никто никогда не терял всю свою ДНК[68], так что мы не можем сказать точно, какие именно медицинские последствия наступят и в каком порядке. Но чтобы хотя бы понять, на что это будет похоже, обратимся к отравлению грибами.

Amanita bisporigera – вид грибов, который встречается на востоке Северной Америки. Этот гриб вместе с его родственными видами называют «ангелом-убийцей».

Это маленький, белый, невинный с виду гриб. Если у вас было такое же детство, как у меня, вам наверняка говорили, чтобы вы не ели грибы, найденные в лесу. Причина этого – Amanita[69].

Если съесть «ангела-убийцу», то остаток дня вы будете чувствовать себя отлично. Однако ночью или следующим утром у вас появятся симптомы, напоминающие холеру, – рвота, боль в животе и понос. Затем вам полегчает.

К тому моменту, когда вы почувствуете себя лучше, спасти вас, скорее всего, уже будет нельзя. Amanita bisporigera содержит токсины альфа-, бета– и гамма-аманитина, которые связываются с ферментом, использующимся для чтения ДНК. Таким образом, эти токсины обрывают процесс, благодаря которому клетки следуют инструкциям ДНК.

Аманитины наносят непоправимый ущерб клеткам, в которые попадают. Поскольку большая часть вашего тела состоит из клеток[70], для вас это плохая новости. Смерть в результате отравления этими токсинами чаще всего происходит из-за отказа почек или печени, поскольку это первые органы, в которых аккумулируется токсин. Иногда срочная медицинская помощь и пересадка печени могут спасти пациента, но значительное число людей, отравившихся Amanita bisporigera, погибает.

Страшнее всего при этом отравлении фаза «ходячий мертвец» – это когда пострадавшему кажется, что он в порядке (или ему хотя бы становится лучше), но при этом его клеткам уже нанесены непоправимые и смертельные повреждения.

Это типичная ситуация при повреждении ДНК, и, скорее всего, мы увидим нечто подобное в случае человека, который потерял ДНК.

Еще ярче это иллюстрируется двумя другими примерами повреждения ДНК – в результате химиотерапии или облучения.

Препараты для химиотерапии – это довольно прямолинейные средства. Некоторые лекарства действуют избирательнее, чем другие, но многие из них просто прерывают деление клеток как таковое. Причина, по которой подобная терапия в большей степени убивает раковые клетки (а не любые клетки пациента), заключается в том, что раковые клетки делятся постоянно, в то время как большая часть обычных клеток – только от случая к случаю.

Но некоторые человеческие клетки все же делятся постоянно. Чаще всего это делают клетки костного мозга, – этой фабрики по производству крови.

Кроме того, костный мозг – это ключевая часть человеческой иммунной системы. Без него мы теряем возможность производить белые кровяные клетки, и иммунная защита рушится. Химиотерапия повреждает иммунную систему, и это делает раковых больных особенно уязвимыми к случайным инфекциям[71].

Есть и другие типы быстро делящихся клеток в нашем организме. Волосяные фолликулы и выстилка желудка также постоянно делятся, поэтому химиотерапия и вызывает потерю волос и тошноту.

Доксорубицин, один из самых сильных и наиболее частых препаратов для химиотерапии, работает, встраиваясь между нитями двойной спирали ДНК и спутывая их. Это похоже на то, как если бы вы капнули суперклеем на клубок пряжи – ДНК превращается в бессмысленный комок[72]. Первые побочные эффекты доксорубицина проявляются спустя несколько дней после начала терапии – это тошнота, рвота и диарея (и это логично, поскольку лекарство убивает клетки пищеварительной системы).

Потеря ДНК тоже вызвала бы смерть клеток и, вероятно, аналогичные симптомы.

Большие дозы гамма-радиации также повреждают ДНК. Лучевая болезнь – вот, пожалуй, тип повреждения, который больше всего напоминает сценарий Нины. Клетки, наиболее чувствительные к радиации, как и в случае химиотерапии, находятся в костном мозге, за ними следуют клетки пищеварительного тракта[73].

Лучевая болезнь, как и отравление «ангелом-убийцей», имеет латентный период. Это период, когда тело все еще работает, но новые белки не могут синтезироваться и наступает коллапс иммунной системы.

В случае сильной лучевой болезни основной причиной смерти будет отказ иммунной системы. Без резерва лейкоцитов тело неспособно сопротивляться инфекциям, и обычные бактерии могут проникнуть в организм и творить в нем что хотят.

Потеря вашего ДНК, скорее всего, приведет к болям в желудке, тошноте, головокружению, быстрому кризису иммунной системы и смерти в течение нескольких дней или часов либо от быстрой системной инфекции, либо от отказа жизненно важных органов.

С другой стороны, хотя бы один плюс во всем этом ужасе есть. Если мы когда-нибудь окажемся в антиутопии, где правительство в духе будет собирать нашу генетическую информацию, чтобы следить за нами и контролировать нас…

…то вы останетесь невидимым.

Всепланетный самолет

ВОПРОС: А что, если попытаться пролететь на обычном земном самолете над разными объектами Солнечной системы?

– Глен Кьякьери

ОТВЕТ: Вот наш самолет[74]:

Нам придется использовать электрический двигатель, потому что двигатель внутреннего сгорания может работать только там, где есть зеленые растения. В мирах, где нет растений, кислород не задерживается в атмосфере – он соединяется с другими элементами, образуя, к примеру, углекислый газ или ржавчину. Растения исправляют это, захватывая углекислый газ и выделяя обратно в воздух кислород. Для работы двигателя внутреннего сгорания необходимо, чтобы в воздухе присутствовал кислород[75].

А вот и наш пилот:

Вот что произойдет, если наш самолет запустить над поверхностью 32 крупнейших объектов Солнечной системы:

Поскольку в большинстве случаев у этих небесных тел нет атмосферы, то самолет тут же свалится на их поверхность. Однако в нескольких случаях падение с высоты километра или меньше будет достаточно медленным, чтобы пилот остался цел – в отличие, впрочем, от систем, призванных обеспечить его выживание.

У девяти объектов атмосфера достаточно плотная, чтобы имело смысл о ней говорить: это Земля (разумеется!), затем Марс, Венера, планеты-гиганты, а также спутник Сатурна Титан и Солнце.

Давайте посмотрим, что произойдет с самолетом на каждом из этих небесных тел.

Эту идею вы вряд ли назовете удачной. Если самолет у и удастся подлететь достаточно близко к поверхности Солнца, чтобы хоть как-то ощутить наличие атмосферы, он в буквальном смысле слова испарится меньше чем за секунду.