Ритм Вселенной. Как из хаоса возникает порядок Строгац Стивен
У меня вспотели ладони, когда я, строка за строкой, проводил свои вычисления. Все работало! Я наблюдал рождение порядка. Затем я ненадолго остановился. Существует ли интервал критических частот, в котором скорость нарастания падает до нуля, а некогерентность уже не является неустойчивой? Да, такое критическое состояние возникает при достижении такого же порога, который был обнаружен Курамото. Это выглядело весьма убедительно. Итак, я нашел новый способ вычисления фазового перехода – точки замерзания, при которой впервые наступает синхронизация.
Через несколько часов после восхода солнца я позвонил своему сотруднику Ренни Миролло, чтобы соотщить ему приятную новость. Я начал описывать свои соображения относительно «осцилляторной жидкости», но он быстро прервал меня: «К чему вся эта софистика?» Будучи «чистым» математиком, он никогда не изучал механику жидкостей и доверял лишь уравнениям, не прибегая к помощи воображения. Мои вычисления казались ему весьма сомнительными. Но я был уверен в своей правоте. Несколько позже в тот же день я вернулся к себе в офис и убедился в том, что предсказанные мною скорости нарастания идеально совпадали с результатами компьютерного моделирования. Ренни быстро заключил мир с «осцилляторной жидкостью».
Вместе с Ренни мы решили вопрос устойчивости некогерентного состояния по другую сторону порога, где интервал частот достаточно большой, аналогично температурам выше точки замерзания. Мы ожидали, что некогерентность должна теперь стать устойчивой. Но вместо этого уравнения указывали на то, что она «нейтрально устойчива» – очень редкий, пограничный случай, когда переходные возмущения ни нарастают, ни затухают.
Вообразите, например, маленький шарик, который находится на дне чашки с полусферической формой внутренней поверхности. Если такой шарик переместить в любую другую точку на внутренней поверхности чашки, он скатится обратно на дно, которое является точкой устойчивого равновесия. Теперь допустим, что форму внутренней поверхности чашки можно регулировать: с помощью некоего рычажка вы можете постепенно делать ее более плоской (то есть придавать ей форму с меньшей кривизной). Дно по-прежнему остается устойчивым, но все же менее, чем прежде: шарик, перемещенный в любую другую точку на внутренней поверхности чашки, медленнее скатывается в точку устойчивого равновесия. По мере того как вы все больше поворачиваете рычажок регулирования кривизны, форма внутренней поверхности чашки становится все более плоской. Когда рычажок регулирования достигнет некого критического деления, внутренняя поверхность чашки станет совершенно плоской и горизонтальной, а в результате дальнейшего изменения положения рычажка она станет похожа на выпуклую контактную линзу (слабо выраженная куполообразная форма), превратившись в конечном счете в выпуклую полусферу. В ходе такого постепенного превращения вогнутое дно чашки превратилось в куполообразную выпуклость. Теперь, если шарик слегка подтолкнуть, он скатится на край дна: состояние равновесия оказалось неустойчивым. Наш регулировочный рычажок оказался на критической границе между устойчивостью и неустойчивостью, когда контактная линза стала совершенно плоской. В этом – и только в этом – положении регулировочного рычажка равновесие нельзя назвать ни устойчивым, ни неустойчивым. Шарик находится в состоянии неопределенности; можно сказать по-другому: это состояние является нейтрально устойчивым. Если шарик сместить с этого положения нейтрального равновесия, он не вернется в исходное положение, но и не скатится в какое-то другое положение.
Как следует из этой метафоры, нейтральная устойчивость обычно имеет место лишь в переходных состояниях, при неких критических значениях параметров системы («рычажков», которые управляют ее свойствами). Но модель Курамото нарушала это правило. Ее некогерентное состояние упрямо оставалось нейтрально устойчивым, даже когда мы расширяли колоколообразную кривую, чтобы сделать популяцию более разнородной. Изменение положения нашего «рычажка» в достаточно широком диапазоне значений параметров не оказывало никакого влияния.
Мы обсудили этот необычный результат с Полом Мэтьюзом, преподавателем прикладной математики в Массачусетском технологическом институте. Пол провел ряд сеансов компьютерного моделирования, результаты которых, однако, повергли нас в еще большее недоумение. Он протестировал устойчивость другим способом, вычислив поведение параметра порядка на достаточно продолжительном отрезке времени, и обнаружил, что значение этого параметра снижается по экспоненциальному закону – что было, вообще говоря, характерным признаком устойчивости, а не нейтральной устойчивости. Теперь мы оказались по-настоящему озадаченны: некогерентность была нейтральной по одному показателю, но устойчивой по другому показателю.
Спустя несколько недель Пол читал лекцию у себя на родине, в Англии, в университете Уорвика. В ходе этой лекции он описал странные результаты, полученные нами[46]. Один из присутствующих на этой лекции, профессор Джордж Роуландз, сказал Полу, что на самом деле в этом результате нет ничего странного: это явление называется демпфированием Ландау[47] и стало известно физикам, изучающим свойства плазмы, еще около 45 лет назад.
О свойствах плазмы нам было известно не так уж много, но все мы, конечно же, слышали о Ландау. Лев Ландау был одним из выдающихся физиков XX столетия. В эпоху узкой специализации он хорошо разбирался во всех отраслях теоретической физики, начиная с субатомных частиц и заканчивая турбулентностью в жидкостях. Он был яркой личностью, эксцентричным и вспыльчивым гением, карьера которого завершилась 7 января 1962 г., когда он попал в ужасную автокатастрофу под Москвой[48]. Его тело было раздавлено, кости переломаны, многие органы серьезно повреждены. Он впал в состояние комы. В течение 100 суток его электроэнцефалограмма представляла собой практически горизонтальную линию. Врачи подключили его к аппарату для искусственного дыхания и прилагали героические усилия, пытаясь спасти ему жизнь. Четырежды констатировали его смерть, но каждый раз, буквально чудом, он возвращался к жизни. Позже в том же году он был награжден Нобелевской премией за открытия, сделанные им десятью годами ранее (он использовал квантовую теорию, чтобы объяснить необычное поведение сверхтекучего гелия при температурах, близких к абсолютному нулю). В октябре 1964 г. его выписали из больницы, однако ему так и не удалось выздороветь полностью. Он умер через несколько лет.
За свою жизнь Ландау совершил немало открытий. В частности, в конце 1940-х годов он предсказал необычные свойства плазмы. Плазму иногда называют четвертым состоянием материи, возникающим при очень высоких температурах, намного превышающих температуры, при которых материя пребывает в твердом, жидком и газообразном состояниях. Такие температуры действуют на Солнце, а также в реакторах термоядерного синтеза, где обычные атомы превращаются в ионизированный газ, состоящий из примерно равных количеств электронов и положительно заряженных ионов. Парадоксальное явление, которое в настоящее время носит имя Ландау, происходит, когда электростатические волны проходят через высоко разреженную плазму. Ландау показал, что эти волны могут затухать даже в отсутствие столкновений между частицами в плазме, а также в отсутствие какого-либо трения или рассеяния. Джордж Роуландз понял, что демпфирование Ландау описывается, по сути, тем же математическим механизмом, что и сползание в некогерентность в модели Курамото: электроны, содержащиеся в плазме, играют роль осцилляторов, а величина колебаний в генерируемом ими электрическом поле играет роль параметра порядка.
На первый взгляд кажется удивительным, что между неистовым миром сверхгорячей плазмы на Солнце, где атомы регулярно теряют свои электроны, и спокойным миром биологических осцилляторов, в котором светлячки тихо мерцают, расположившись на берегах реки, может существовать какая-то связь. Действующие лица разные, но абстрактные картины взаимодействия между ними, по сути, одинаковы. Когда эта связь была выявлена, нам удалось перенести методы Ландау на модель Курамото, раскрыв таким образом тайну, которая многие годы не давала покоя ученым. Биологии также удалось внести вклад в развитие физики. Джон Дэвид Кроуфорд, физик из Питтсбургского университета, смог применить результаты, полученные при исследовании биологического синхронизма, для решения давней проблемы, касающейся поведения плазмы[49].
Теории взаимной синхронизации биологических осцилляторов оказались правильными с математической точки зрения. Они пролили свет на один из самых фундаментальных механизмов самоорганизации. Однако предстояло ответить на более сложный вопрос: насколько точно эти модели описывают реальность. Позволяют ли они предсказывать явления, которые согласуются с данными, описывающими реальных светлячков, клетки сердца или нейроны[50]?
Этого мы не знаем. До настоящего времени никакие тесты в этом отношении не проводились. Соответствующие эксперименты выполнить было бы очень непросто, поскольку они требуют измерений на уровне отдельно взятых животных или клеток, в частности измерений их естественных частот и их реакций на внешние воздействия разной силы и в определенные моменты времени, а также на уровне сети в целом, чтобы количественно оценить взаимодействия между осцилляторами и результирующее коллективное поведение. Особенно трудно измерить взаимодействия между парами осцилляторов. Если эти пары осцилляторов оставить в сети, то на результатах наших измерений может сказаться влияние со стороны других осцилляторов; если же эти пары осцилляторов изъять из сети, хирургическим или иным способом, то в процессе такого изъятия могут пострадать окружающие осцилляторы и соединения между ними. Кроме того, соединения внутри сетей, как правило, остаются неизвестными за исключением нескольких малых систем нейронов. Не зная, кто с кем взаимодействует, невозможно выполнить количественное тестирование моделей. Например, если на дереве расположилось множество светлячков, то вам пришлось бы точно определить, какие из них кого видят, измерить естественные частоты мерцания каждого из них и, наконец, измерить функции чувствительности и влияния каждого насекомого. Никто не пытался выполнить такой эксперимент даже для двух светлячков, не говоря уж о том, чтобы выполнить его для большой совокупности светлячков.
Тест, носящий более качественный характер, следовало бы выполнить, чтобы подтвердить или опровергнуть существование фазового перехода. Прогноз заключается в том, что степень синхронизации должна повышаться резко, а не постепенно, при превышении определенного (критического) значения либо силы связи, либо разброса частот. В этом случае проведение эксперимента также оказалось бы очень непростым делом. Чтобы изменить силу связи между светлячками, вы могли бы поместить их в затемненное помещение, а затем регулировать уровень освещенности в этом помещении с помощью реостата, чтобы насекомые могли лучше или хуже видеть друг друга. В этом нет ничего сложного, но измерить одновременно картины мерцаний у всех насекомых было бы чрезвычайно сложно. Но без такой информации мы не могли бы определить степень синхронизации и, следовательно, не могли бы определить, произошел ли переход. Аналогичный эксперимент было бы легче выполнить с нейронами, но в этом случае вам пришлось бы одновременно фиксировать сигналы от каждой клетки (что, с технической точки зрения, было бы чрезвычайно трудно); параллельно с этим вам пришлось бы дозированно вводить лекарственные препараты для постепенного устранения связей между ними и следить за тем, чтобы эти препараты не повлияли на какие-либо другие свойства этих клеток, помимо их взаимной связи. Пока еще никто не пытался провести столь сложный эксперимент.
Или можно было бы попытаться воспроизвести винеровский спектр частот, с его узким центральным пиком и «провалами» по обе стороны от пика. Это было важнейшим свидетельством в пользу его теории подтягивания частот, но, учитывая его центральную роль, мне всегда казалось странным, что я никогда не слышал о попытках такого воспроизведения. И еще кое-что казалось мне подозрительным. Если Винеру и его сотрудникам действительно удалось найти важнейшее доказательство – спектр с двойным провалом, который, по мнению Винера, является свидетельством синхронизации, – то почему он не предоставил соответствующие данные, которые говорили бы сами за себя? В своей книге «Нелинейные задачи в теории случайных процессов», опубликованной в 1958 г.[51], он предложил схематическую картину спектра, которую мы видели ранее, с ее идеально симметричным пиком, возвышающимся меж двух провалов, идеально симметрично расположенных по обе стороны от пика, причем центр этой идеально симметричной картины соответствует в точности 10 циклам в секунду. Это не должно было никого ввести в заблуждение. На осях предложенной им диаграммы даже не было разметки. Впоследствии – в книге «Управление и связь в животном и машине. Новые главы кибернетики», изданной в 1961 г.[52], – Винер наконец-то представил кое-какие реальные данные (предположительно, это был самый убедительный пример, имевшийся в его распоряжении), однако на рисунках отсутствовал его любимый «провал».
Несколько лет тому назад я спросил у Пола Раппа, биолога-математика и эксперта по мозговым волнам, не приходилось ли ему встречать такой спектр в своих собственных измерениях. Нет, не приходилось, но если бы такой спектр действительно существовал, то обнаружить его было бы не так уж сложно. Он провел ряд новых экспериментов, целенаправленно пытаясь обнаружить такой эффект, но даже при использовании новейших технологий его попытки не принесли желаемого результата. Неужели Винер пытался ввести нас в заблуждение? Неужели столь любимый им «провал» был лишь плодом его богатого воображения? Я не хотел верить этому, поэтому лично для меня было огромным облегчением узнать подоплеку того, что в действительности случилось в 1958 г.
Во время посещения мною конференции по прикладной математике в июле 2001 г. мне удалось поговорить с Джеком Кауэном, биологом-теоретиком, который долгое время работал над математическими моделями мозга. Рассчитывая на то, что Джек Кауэн располагает обширной информацией об альфа-ритмах, я спросил у него, знаком ли он со старой теорией Винера. Разумеется, ответил он с улыбкой. В то самое время он тоже работал в Массачусетском технологическом институте. Однажды у него состоялась продолжительная беседа с Винером, во время которой тот прочитал ему целую лекцию об интересующем меня спектре. «Норберту вообще нравились люди, готовые слушать его долгие рассуждения».
Джек Кауэн прибыл в МТИ осенью 1958 г. и был включен в группу аспирантов, работающих под руководством Уолтера Розенблита. Примерно в то же время Маргарет Фриман, работавшая исследователем в группе Розенблита, выполнила первые измерения спектра. Именно она открыла этот пресловутый пик и двойной «провал», которые привели в восторг Винера. Несмотря на то что это были лишь предварительные результаты, Винер раструбил о них в своей книге, опубликованной в 1958 г.
К сожалению, результаты, полученные Фриман, оказались неправильными. «Другие исследователи пытались воспроизвести эти результаты, – рассказал мне Кауэн, – а когда их попытки завершились неудачей, все теоретические построения, базировавшиеся на этих результатах, оказались несостоятельными». Фриман допустила ошибку в своих вычислениях. Когда она повторила свои вычисления, двойной «провал» исчез. Впрочем, спустя три года, когда была опубликована книга «Управление и связь в животном и машине. Новые главы кибернетики», у Винера появился шанс исправить эту досадную ошибку. На этот раз он решил продемонстрировать реальные данные. Вот как он описывает этот спектр:
Когда мы анализировали эту кривую, мы обнаружили ярко выраженный провал мощности вблизи частоты, составляющей 9,05 цикла в секунду. Точка, в которой наблюдается существенное «проседание» спектра, очень резкая и характеризует объективное количественное значение, которое можно проверить с гораздо большей точностью, чем любую количественную величину, встречавшуюся до настоящего времени в электроэнцефалографии[53].
В приведенной цитате голос Винера звучит очень уверенно. Это голос гения, который решил поучить уму-разуму специалистов по электроэнцефалографии. Но затем его речь начинает звучать гораздо осторожнее, а его высказывания носят сослагательный характер.
У нас имеются некоторые свидетельства того, что в других кривых, которые мы получили, но надежность которых вызывает определенные сомнения, это внезапное падение мощности сопровождается весьма кратковременным внезапным подъемом, в результате чего между ними наблюдается провал кривой. Так это или нет, у нас есть все основания утверждать, что мощность в пике соответствует оттягиванию мощности от участка, на котором наблюдается проседание кривой.
Когда я впервые прочитал это десять лет тому назад, я был поражен невнятностью этих высказываний. Это было так непохоже на Винера, обычно предпочитающего смелые и безапелляционные формулировки. Но когда я читаю этот отрывок сейчас, он берет меня за душу. Я будто слышу голос человека, переживающего мучительную борьбу с самим собой, – ученого, цепляющегося за идею, которая, по его твердому убеждению, должна быть правильной, и вместе с тем пытающегося найти в себе силы быть интеллектуально честным. Несмотря на то что «провал» нигде не обнаруживается, он призывает нас верить, что этот «провал» обязательно обнаружится в ходе других исследований, но он не позволяет себе «давить» на нас слишком сильно: он допускает, что результаты этих других исследований могут «вызывать определенные сомнения», и говорит, что существуют лишь «некоторые свидетельства» наличия «провала» в кривых. Есть этот «провал» или его нет, последнее предложение показывает, что Винер вовсе не был намерен отказываться от представления о том, что осцилляторы синхронизируются путем подтягивания частот друг друга. Он был уверен, что такой механизм синхронизации является универсальным. Этот механизм был обязан играть важную роль. Винер не желал пасть жертвой того, что Т. Г. Хаксли называл «великой трагедией науки – уничтожения прекрасной теории каким-нибудь отдельным безобразным фактом».
Винер напоминает мне пророка, который знает, как должен быть устроен мир. Это качество наблюдается у других великих ученых. Галилей не открыл бы, что у движущегося тела есть тенденция к продолжению движения (закон инерции), если бы он ограничился описанием того, что происходит в действительности (сила трения приводит к остановке движущегося тела). Абстрагируясь от несущественного и второстепенного, он открыл самый фундаментальный закон механики. Грегор Мендель открыл законы генетики, изучая картины наследования у бобовых культур. Некоторые современные статистики подвергают сомнению данные, полученные Менделем, называя их слишком идеальными, чтобы быть похожими на правду, тогда как другие проявляют большую снисходительность, предполагая, что Мендель скрупулезно отбирал образцы, которые лучше всего подтверждают сформулированные им принципы. Какая бы из этих версий ни казалась вам более правдоподобной, очевидно, что Мендель точно знал, что он хочет доказать.
Несмотря на то что Винер ошибался со своими выводами относительно альфа-ритма, ирония судьбы заключается в том, что он оказался прав относительно другого вида ритмов в мозге. В 1995 г. биологи Дэвид Уэлш и Стив Репперт из Массачусетского военного госпиталя обнаружили, что в мозге имеется популяция осцилляторов с распределенными естественными частотами, которые, подтягивая друг друга, достигают синхронизма и которые в совокупности образуют более точный осциллятор, чем каждый из них в отдельности[54]. Винер предвидел все это, но упустил из виду важную деталь: вместо того чтобы генерировать колебания с частотой 10 циклов в секунду, эти клетки генерируют колебания с частотой, примерно в миллион раз меньшей. Речь идет о клетках – задатчиках циркадного ритма – внутреннего хронометра, который поддерживает нас в синхронизме с окружающим миром.
Глава 3. Сон и ежедневная борьба за синхронизм
Подобно всем новорожденным, моя дочь Леа на протяжении первых трех месяцев жизни была ярко выраженным анархистом. Она кушала и спала, когда ей заблагорассудится. Ко времени, когда ей исполнилось 11 месяцев, она уже спала всю ночь, правда, с одной небольшой проблемой: она неизменно будила меня и жену ровно в 5:20 утра. Она хваталась за поручни своей детской кроватки, принимала вертикальное положение и тактично покашливала несколько раз, словно объявляя о том, что готова позавтракать. Мы понимали, что жаловаться на судьбу нам не приходится (многие родители терпят гораздо большие лишения), но очень хотели, чтобы дочь просыпалась хотя бы на час позже. Чтобы «подтолкнуть» ее в этом направлении, однажды вечером мы попытались уложить ее спать попозже. Естественно, из этой затеи не вышло ничего хорошего: на следующее утро, ровно в 5:20, из спальни дочери раздалось то же тактичное покашливание, но поскольку на этот раз ей удалось меньше поспать, она наказала нас тем, что капризничала весь день.
Эти проблемы, связанные с отклонением от привычного режима дня, были, по сути, проблемами синхронизации. В первые дни своей жизни Леа вообще не могла синхронизироваться с окружающим миром: ее ритмы сна, бодрствования и приема пищи (в той степени, в какой они успели выработаться у нее в первые дни жизни) хаотически изменялись туда-сюда относительно мировых суточных циклов. К 11 месяцам у нее возникла противоположная проблема: теперь ее ритмы были слишком жестко синхронизированны, прочно привязаны к определенному 24-часовому графику, который мне с женой показался весьма некомфортным.
От нарушенного синхронизма и сопутствующих ему проблем со сном страдают не только младенцы и их родители. Американское общество постепенно приходит к пониманию того, что склонность подростков слишком поздно укладываться в постель и трудности с подъемом ранним утром, когда им нужно идти в школу, объясняются вовсе не чрезмерной медлительностью или «моральным разложением», а тем, что их внутренние часы настроены на другой часовой пояс, расположенный западнее часового пояса, в котором проживаем мы, взрослые[55]. На другом конце спектра находятся пожилые люди, многие из которых просыпаются рано утром, задолго до восхода солнца, после чего долго не могут уснуть и чувствуют себя совершенно разбитыми.
Другие разновидности разлада синхронизма никак не связаны с возрастом. Мы сами навлекаем на себя эти проблемы, не придерживаясь определенного режима дня. Представьте себе проблемы со здоровьем и семейные проблемы, с которыми приходится сталкиваться медсестрам, водителям грузовиков, операторам атомных электростанций и людям других профессий, которым приходится работать то днем, то ночью. Техногенные катастрофы в Бхопале, Чернобыле и Три-Майл-Айленде случились в ночное время, между полуночью и 4 часами утра, и были вызваны усталостью и ошибками при принятии решений, связанными с нарушением суточного ритма организма. Все это также является побочным продуктом нарушений синхронизма, несоответствий между физическими возможностями человеческого организма и требованиями нового, «24-часового» общества.
Вы только представьте: разве это не чудо, что нам так легко удается поддерживать синхронизм с окружающим миром! Однако у слепых людей возникают немалые трудности: большинству из них не удается придерживаться 24-часового режима. Каждые две-три недели они выбиваются из фазы с остальной частью общества, к которому они принадлежат, что затрудняет им выполнение своей работы и социальных обязанностей. Вот что говорит по этому поводу одна слепая женщина: «Быть слепым не так уж страшно, хотя и возникают определенные неудобства. Ужасно, например, то, что часы сна и бодрствования у вас меняются непредсказуемым образом»[56].
Это свидетельствует лишь о том, каким благом для остальных людей является синхронизм. Разумеется, мы почти никогда не задумываемся над этим, поскольку это происходит само по себе. Миллионы лет эволюции настроили организм человека на автоматическую синхронизацию с циклами дня и ночи. Но как именно действует этот механизм? Мы говорим о «стыковочных узлах» организма, но существуют ли они в действительности или это просто фигура речи? Где они находятся: в мозге или в каждой клетке? В чем заключается их биохимический механизм? Как они синхронизируют друг друга и что подравнивает их под цикл дня и ночи? После многих десятков лет, потраченных на исследования (многие из которых тянулись слишком долго и оказались безрезультатными), ответы на некоторые из этих загадок, возможно, удастся получить в не столь отдаленном будущем. Изучение биологических часов стало одним из самых животрепещущих направлений современной науки[57].
Наше воображение рисует картину, на которой мы представлены в виде маленьких колесиков, находящихся внутри больших колесиков; вся эта совокупность колесиков представляет собой иерархическую структуру живых осцилляторов. Можно попытаться нарисовать еще более наглядную картину человеческого организма в виде огромного оркестра. Музыкантами в таком оркестре являются отдельные клетки, причем всем этим клеткам изначально присуще чувство 24-часового ритма. Эти исполнители сгруппированы на разных участках. Вместо струнных и духовых инструментов мы имеем дело с такими органами, как почки и печень, каждый из которых состоит из многих тысяч клеточных осцилляторов, одинаковых в пределах одного органа, но разных в разных органах, причем все они поддерживают 24-часовой биохимический ритм, но вступают в действие и замолкают в строго определенные моменты времени. Внутри каждого органа в разные периоды суток совокупности генов[58] пребывают в активном или пассивном состоянии, обеспечивая своевременную (строго по графику!) выработку определенных протеинов соответствующего органа. В качестве дирижера этой симфонии выступает задатчик циркадного ритма сердца, нейронный «распылитель» тысяч клеток внутренних часов в мозге, которые сами синхронизированы в некий когерентный модуль.
Синхронизм возникает на трех разных уровнях. На нижнем, самом микроскопическом уровне клетки внутри определенного органа взаимно синхронизированы; их химические и электрические ритмы изменяются строго одновременно. На следующем уровне синхронизм устанавливается между разными органами[59] – в том смысле, что все они придерживаются одного периода, несмотря на то что клетки разных органов относятся к совершенно разным типам. Этот вид синхронизма устанавливается в организме в целом, поэтому он называется внутренней синхронизацией. Это вовсе не означает, что все органы активны в одни и те же периоды времени. Напротив, некоторые из них пребывают в покое, в то время как другие действуют на полную силу. Это синхронизм в смысле совпадения периода, поддержания одного и того же ритма точно так же, как ритм продолжает звучать в головах музыкантов, даже когда они ожидают своего вступления, начала своей партии. Наконец, третий уровень синхронизма – это синхронизм между нашим организмом и окружающим миром. Когда наш организм живет в привычном для себя режиме, бодрствуя днем и засыпая на ночь, он синхронизирован с 24-часовым ритмом смены времени суток, подчиняясь главным образом циклу света и темноты. Этот процесс внешней синхронизации, шагания в ногу с окружающим миром, называется захватом или вовлечением.
На сегодняшний день наши лучшие теории циркадных ритмов человека носят более описательный, чем математический характер. Тут уж ничего не поделаешь: у нас отсутствует глубокое понимание архитектуры и динамики этой системы. Ее иерархическая организация оказалась гораздо более сложной, чем все, что описывается простыми моделями популяций осцилляторов, обсуждавшимися выше. Сообщество светлячков можно аппроксимировать как совокупность самоподдерживающихся идентичных (или почти идентичных) и мерцающих почти одновременно осцилляторов. В этом смысле уровень сложности, ассоциирующийся с синхронными светлячками, соизмерим с уровнем сложности отдельно взятого органа или, возвращаясь к нашей аналогии с оркестром, отдельной группы инструментов. Мы лишь приступаем к изучению того, как отдельные группы инструментов играют вместе как единый оркестр и как задатчик ритма координирует и направляет их действия. Иными словами, мы пытаемся изучать правила циркадной симфонии.
Мы знаем, что такие правила существуют, поскольку мы можем наблюдать их проявления в большем масштабе, в поведении целого, всего человеческого организма: в наших повседневных ритмах сна и бодрствования, флуктуаций гормонов, пищеварения, бдительности, уровня физической активности и когнитивных способностей. На этом более высоком уровне ученые недавно обнаружили загадочные регулярности[60] во временных графиках циклов сна и бодрствования, а также других циркадных ритмов, несмотря на то, что микроскопический базис для этих законов остается неразгаданным. В этом отношении наша нынешняя ситуация напоминает начальный период развития генетики. Мендель обнаружил, что разные характеристики бобовых культур передаются их потомству в соответствии с определенными математическими законами, и понял, что эти явления можно объяснить, допустив существование гипотетических объектов, называемых генами, которые рекомбинируют в соответствии с определенными правилами. Все это было сделано задолго до возникновения каких-либо знаний о том, что представляют собой гены в действительности, и об их физическом воплощении в нитях ДНК. Аналогично, сейчас мы знаем о том, что циркадные ритмы человека подчиняются своим собственным правилам, хотя мы по-прежнему остаемся в неведении относительно их фундаментальной биохимической основы.
Что же касается влияния синхронизма на нашу повседневную жизнь, то один из самых насущных вопросов заключается в том, как задатчик циркадного ритма влияет на сон. Эта часть загадки в значительной мере решена благодаря драматичным экспериментам, в ходе которых смелые добровольцы месяцами жили в полном одиночестве в подземных пещерах или в помещениях без окон и часов, лишенные информации о времени суток; они могли спать или бодрствовать в любое время, которое им казалось подходящим для этого. Результаты этих исследований оказались настолько странными и в то же время были переполненны столь интригующими намеками, что Арт Уинфри заявил: «В нашем распоряжении появилось нечто наподобие знаменитого камня Розетта[61]»[62]. Расшифровка циркадного кода помогает ученым и врачам давать научно обоснованные рекомендации относительно составления щадящих графиков для работы в несколько смен и составить более четкое представление о некоторых разновидностях бессонницы, ранее недоступных для понимания. Они даже объясняли некоторые из «маленьких мистерий» жизни: например, почему у многих народов мира практикуется послеобеденная сиеста или почему нам зачастую бывает нелегко уснуть вечером в воскресенье.
Взирая 14 февраля 1972 г. на пустынный пейзаж вблизи Дель-Рио, Техас, Мишель Сиффре любовался лучами солнечного света, которые ему не придется видеть в течение ближайших шести месяцев. Затем он беззаботно улыбнулся в объективы устремленных на него телекамер, обнял мать, обменялся прощальными поцелуями со своей женой и спустился на дно 100-футовой вертикальной шахты. Там, в недрах подземной пещеры Миднайт-Кейв (Midnight Cave), его ждала нейлоновая палатка с мебелью и холодильниками, полными еды, 780 баллонов воды (каждый из них емкостью в один галлон), а также комплекс научного оборудования.
Сиффре, французский геолог и исследователь сна, был готов к тому, чтобы выступить в роли подопытного кролика для своих собственных исследований. Ему предстояло стать непосредственным участником тщательно продуманного, всесторонне спланированного и самого необычного из когда-либо проводившихся экспериментов по изоляции человека от времени[63]. Мишель Сиффре вместе со своей командой – и при содействии НАСА – хотел изучить основные ритмы человеческой жизни в отсутствие часов, календаря и всех других «подсказок», которые могли бы обеспечивать ему привязку ко времени. Сиффре уже предпринимал такие попытки. В ходе первого такого эксперимента, проведенного десятью годами ранее и впервые в мире выполненного над человеком, он провел в полном одиночестве два месяца в холодной подземной пещере в альпийских горах, выйдя оттуда, по его собственному признанию, «полусумасшедшей марионеткой с бессвязной речью». Это суровое испытание стало первым научным свидетельством того, что у человека есть встроенные циркадные часы, цикл которых несколько превышает 24 часа.
Теперь, пребывая в постоянном безмолвии и покое пещеры Миднайт-Кейв, температура в которой никогда не отклонялась от 70 градусов по Фаренгейту[64], Сиффре надеялся получить более приятные впечатления от своего эксперимента. Как бы то ни было, на этот раз все оказалось значительно хуже. В результате пребывания в полном одиночестве на протяжении шести месяцев он едва не свихнулся от постоянного напряжения. Его аудиоплеер вышел из строя, а книги покрылись плесенью до такой степени, что их невозможно было читать. Чтобы каким-то образом скрасить одиночество, он приручил крошечную мышь, соблазнив ее крошками со своего стола. Однако его дружба с мышью закончилась трагически: он нечаянно уронил на нее самодельную клетку, которую он смастерил из кастрюли. Проходили месяцы постоянной апатии, длительного сна и нарастающего раздражения. На 79-й день своего добровольного заточения Сиффре позвонил по телефону своим сотрудникам на поверхности, умоляя выпустить его на волю: “J’en ai marre!” («С меня довольно!» Ему ответили: «Да, да, все идет как нельзя лучше!» Постоянно щурясь в темноте, вдыхая пещерную пыль вперемежку с запахом экскрементов летучих мышей, Сиффре начал подумывать о самоубийстве. В последний день эксперимента природа словно услышала его мысли: он получил удар электричеством через электроды, предназначенные для записи ритмов его сердца (возможно, причиной этому стала молния, ударившая о поверхность земли, и стекание статического электричества на значительную глубину). Показателем того, насколько ухудшились его умственные способности и притупилась чувствительность, было то, что лишь с третьего удара электричеством Сиффре додумался отключить оборудование.
К счастью, эксперимент Сиффре не оказался напрасным и принес ряд впечатляющих результатов. В течение первых пяти недель своего пребывания в пещере Сиффре жил, сам того не ведая, в 26-часовом цикле. Каждый день он просыпался примерно на два часа позже и «дрейфовал» относительно времени, по которому жил окружающий его мир, в непосредственной близости от этой привязки. Во всех остальных отношениях он придерживался обычного для себя режима, пребывая в состоянии сна примерно треть времени суток.
Между тем температура его тела каждый день повышалась и понижалась, как это обычно происходит с каждым из нас. Это может показаться странным: вопреки тому, что думают многие из нас, температура тела здорового человека не держится все время на уровне 98,6 градуса по Фаренгейту[65] (или на каком-то другом уровне); обычно на протяжении суток она колеблется в диапазоне 1,5 градуса, даже если мы все время лежим в постели и не напрягаемся. Еще в 1866 г. врач Уильям Огли отмечал: «Рано утром, когда мы еще спим, температура нашего тела слегка повышается, а вечером, когда мы еще бодрствуем, температура слегка понижается… Эти понижения и повышения обусловлены не изменениями освещенности в окружающем нас мире; вероятно, они вызваны периодическими изменениями активности органических функций»[66].
Сейчас Сиффре подтверждал на практике то, о чем с такой точностью догадывался Уильям Огли более ста лет тому назад, размышляя над причинами температурного цикла тела человека. Пребывая в неизменных условиях пещеры Миднайт-Кейв, Сиффре не замечал смены времени суток и не располагал какими-либо часами за исключением внутренних ритмов своей собственной физиологии. Избавленные от влияния внешнего мира с его 24-часовым циклом, его «органические функции» – отражаемые температурой его тела – осциллировали в синхронизме с его собственным циклом сна и бодрствования с тем же 26-часовым периодом. По сути, он всегда уклдадывался спать, когда температура его понижалась, хотя он и не задумывался об этом.
На этой стадии своего эксперимента Сиффре вел себя как хомячок, или как мушка-дрозофила, или как любой другой организм, который исследовался учеными в изоляции от времени.
Цикл некоторых живых созданий бывает несколько короче 24 часов, у других – несколько продолжительнее. Этим объясняется происхождение термина циркадный ритм (circadian rhythm). Этот термин происходит от латинского circa (что означает «приблизительно») и dies (что означает «день»). Например, лабораторная мышь, которую держат в клетке и в постоянной темноте, радостно запрыгивает на свое «беличье колесо» в одно и то же время, примерно на полчаса раньше, чем в предыдущий день, и пробегает в нем несколько миль. Из этого можно сделать вывод, что циркадный ритм активности у мыши составляет 23,5 часа. Мимоза, которая растет в условиях постоянного искусственного освещения, раскрывает и закрывает свои листики с цикличностью, составляющей 22 часа. Практически все живые существа, начиная с обезьян и заканчивая микробами, демонстрируют столь же устойчивые ритмы, когда им предоставляется возможность действовать «по собственному усмотрению» в отсутствие каких-либо временных подсказок.
На 37-й день своего эксперимента Сиффре утратил сходство со всеми остальными видами. Его тело вело себя как-то странно, как-то уникально «по-человечески»: его ритмы сна и температуры тела рассинхронизировались. Он часами продолжал бодрствовать после снижения температуры своего тела, не спал почти всю ночь, после чего мог проспать 15 часов подряд, то есть почти вдвое дольше обычного для себя времени. В следующем месяце график сна и бодрствования Сиффре вел себя непредсказуемым образом, иногда возвращаясь в своему первоначальному, 26-часовому варианту, чтобы затем, совершенно неожиданно, войти в цикл сна и бодрствования продолжительностью 40 или даже 50 часов. Однако Сиффре не отдавал себе отчета в столь значительных изменениях своего цикла сна и бодрствования. Сколь значительными ни были бы изменения, его температурный ритм никогда не выбивался из привычного 26-часового цикла.
Столь необычное явление называется самопроизвольной внутренней рассинхронизацией. Эта внутренняя рассинхронизация[67] означает, что два циркандных ритма (сон и температура тела) в одном и том же организме могут идти вразнобой. С тех пор как в 1965 г. германский биолог Юрген Ашофф впервые сообщил о самопроизвольной внутренней рассинхронизации, исследователи не могли найти объяснения этому внезапному нарушению временной упорядоченности человеческого организма – тем более что у растений и животных явление самопроизвольной внутренней рассинхронизации никогда не наблюдалось. Когда Сиффре анализировал свои собственные данные, его удивлению тоже не было границ. «На первый взгляд, совершенно непредсказуемое поведение»[68], – вот как он охарактеризовал этот феномен спустя три года.
Теперь мы знаем, что цикл сна и бодрствования Сиффре вовсе не был непредсказуемым. В действительности он подчинялся достаточно простым математическим правилам. Что еще более удивительно, оказалось, что те же самые правила распространяются на всех людей, поведение которых изучалось в условиях изоляции от времени. Первые признаки этой универсальной структуры были обнаружены молодым аспирантом, который работал в одной из больниц Нью-Йорка, – в то время еще новичком в науке, которому было уготовано судьбой стать впоследствии общепризнанным мировым авторитетом в исследовании циркадных ритмов человека.
В середине 1970-х годов Эллиот Вейцман вместе со своим учеником Чарльзом Чейзлером решили попробовать свои силы на проведении экспериментов с изоляцией от времени. Тогда в мире было еще лишь три группы ученых, которые работали в этой области: Сиффре во Франции, Ашофф в Германии и группа, возглавляемая Джоном Миллсом, в Англии. Это было, мягко говоря, весьма дорогостоящее и сложное предприятие, однако потенциальная польза для медицины и биологии человека была несомненна.
На пятом этаже одного из старых корпусов больницы Монтефьоре в Бронксе Вейцман и Чейзлер создали звукоизолированное помещение без окон, состоящее из трех спальных комнат и одной контрольной комнаты посередине. В местной газете они разместили объявление о найме добровольцев в надежде привлечь внимание квалифицированных рабочих, художников или аспирантов – одним словом, людей, твердо намеренных довести начатое дело до конца (таким делом мог быть какой-либо долгосрочный проект или какая-либо иная причина полностью отгородиться от окружающего мира на срок от одного до шести месяцев). Кандидатам предстояло пройти психологический отбор. Поскольку затраты на проведение этого эксперимента составляли примерно 1000 долларов в день, для его организаторов было бы крайне нежелательно, если бы по причине недостаточной психологической устойчивости у кого-то из участников «поехала крыша» и эксперимент пришлось бы свернуть досрочно.
В качестве компенсации за неудобства, вызванные спецификой этого эксперимента, его участники получали щедрое вознаграждение: им выплачивали по нескольку сотен долларов в неделю, предоставляли комфортабельное жилье и качественное питание, позволяли проводить время, как они пожелают. Они могли просыпаться и укладываться спать, когда захотят. Они могли читать книги, работать, выполнять физические упражнения или слушать музыку, могли требовать, чтобы им доставили еду. Они могли даже читать газеты и журналы при условии, что опубликованные там материалы будут относиться к давно прошедшему времени. С другой стороны, им не разрешалось носить наручные часы, звонить по телефону, слушать радио или смотреть телепередачи – одним словом, им не разрешалось пользоваться такими источниками информации, из которых они могли узнать текущее время. Цель такого «протокола изоляции от времени» заключалась в наблюдении за циркадными ритмами человека в их наиболее изначальной форме, не подверженной воздействиям окружающего мира. По тем же причинам участникам эксперимента запрещалось употреблять все, что могло нарушить нормальный ритм сна и бодрствования: пить кофе и чай, алкоголь, принимать снотворное, всевозможные стимуляторы и так называемые «рекреационные наркотики», то есть вещества, принимаемые людьми от случая к случаю для получения «кайфа», особенно в компании. (Более ранние эксперименты на животных показали, что алкоголь и кофеин способны даже «перевести» сами по себе циркадные часы, хотя этот эффект представляется весьма незначительным по сравнению с хорошо знакомым нам седативным или стимулирующим действием этих химических агентов.)
День за днем, неделя за неделей Вейцман и Чейзлер отслеживали быстроту реакций участников эксперимента, когда те бодрствовали, регистрировали мозговые волны, когда те спали, и круглосуточно измеряли температуру тела и уровни гормонов. Например, чтобы отслеживать быстро изменяющиеся профили гормона роста и гидрокортизона (гормон стресса в организме человека), они вводили постоянный катетер в руку участника на все время эксперимента, чтобы у лаборантов была возможность делать анализы микропроб крови каждые 20 минут. Между тем с помощью ректального зонда (что-то наподобие отрезка струны) выполнялись постоянные измерения температуры в прямой кишке каждого из участников эксперимента. Чтобы избежать ложных скачков температуры в процессе ее регистрации, участникам рекомендовали вынимать этот зонд во время принятия душа или когда у них возникала потребность мастурбировать.
В отличие от Сиффре в пещере, участники этого эксперимента не были социально изолированны и не страдали от каких-либо психологических травм. Им была предоставлена возможность общаться с лаборантами (в некоторых случаях между участниками эксперимента и лаборантами даже завязывалась дружба). Разумеется, персоналу приходилось быть бдительным, чтобы не проболтаться о времени суток. Например, мужчины-врачи и лаборанты всегда являлись к участникам эксперимента тщательно выбритыми, чтобы щетина на их лицах не указывала на позднее время. Члены персонала всегда здоровались с участниками эксперимента, используя слово «привет» (ни в коем случае не «доброе утро» или «добрый вечер»), а распределение их по сменам выполнялось с помощью компьютера (случайным образом), чтобы участники эксперимента не могли определить время по тому, кто из персонала сейчас находится на дежурстве. (Учитывая столь «рваный» график работы персонала, было бы не менее интересно исследовать циркадные ритмы сотрудников.)
Вот небольшой отрывок из воспоминаний одного из участников этого эксперимента.
Когда я окончил очередной год учебы в колледже, я чувствовал смертельную усталость, и участие в этом эксперименте стало для меня шансом заработать неплохие деньги. Я потратил много времени, чтобы ликвидировать «хвосты», накопившиеся у меня за последний семестр. За месяц мне удалось сделать больше, чем за целый семестр. Я полагал, что важно придерживаться определенного режима и не опуститься, поэтому я носил рубашку с галстуком и брился каждый день. Одной из самых серьезных моих проблем было то, что я носил шерстяные брюки и не мог отгладить на них «стрелки». Поэтому я ходил в рубашке с галстуком и в шортах!
Иногда я чувствовал себя, как узник в тюрьме, променяв свою молодость на деньги. Хотя я не казался самому себе ненормальным, полагаю, что другие вполне могли принять меня за ненормального. Оказавшись, в какой-то мере, в роли заключенного, я чувствую себя вполне комфортно. Я был счастлив, как счастлив моллюск в своей раковине. Все эти лаборанты тоже кажутся мне немного странными: анализы моей мочи интересуют их больше, чем фантазии, которые роятся в моей голове.
Они берут у меня кровь на анализ каждые пятнадцать минут. В мою руку вставлен катетер, в задницу вставлен зонд, а все эти штуковины подсоединены к подвижному шесту. Первые несколько дней это слегка напрягало меня, но через неделю оно уже как бы срослось со мной, стало моей неотъемлемой частью. Мне казалось, что у меня отрос хвост…
Я никогда не знал, который сейчас час, но, по правде говоря, я даже не задумывался над этим. Правда, однажды, когда кто-то из лаборантов явился ко мне с совершенно усталым и помятым лицом, я сказал ему: «Нелегкая выдалась ночка, не правда ли?»[69]
Из первых 12 «подопытных кроликов», которых изучали Вейцман и Чейзлер, шестеро пережили состояние внутренней рассинхронизации[70]. В силу каких-то причин эти участники эксперимента раз за разом подолгу (очень подолгу!) спали и бодрствовали, то есть с ними происходило то же самое, что с Сиффре в пещере Миднайт-Кейв. У кого-то из них этот странный режим сна и бодрствования (в среднем циклы сна и бодрствования составляли у них 40 часов) поддерживался до самого окончания эксперимента. У других длительные циклы сна и бодрствования регулярно чередовались с более привычными циклами, тогда как у третьих циклы сна и бодрствования в ходе эксперимента систематически удлинялись и к концу эксперимента они спали раз в двое суток, не отдавая себе отчета в этом. Казалось, что этому невозможно найти логическое объяснение.
Чейзлер был особенно заинтригован продолжительными эпизодами сна. Почему человек спит 15 часов подряд? Можно ли это объяснить продолжительностью периода бодрствования, предшествовавшего сну? Это выглядит вполне логично: нет ничего удивительного в том, что после продолжительного периода бодрствования человеку приходится больше спать. Но когда Чейзлер построил график зависимости продолжительности сна от продолжительности периода бодрствования, предшествовавшего этому сну, он увидел унылую горизонтальную линию. Несмотря на то что статистический тест на корреляцию выявил слабую тенденцию к увеличению продолжительности сна с увеличением продолжительности периода бодрствования, предшествовавшего этому сну, эта зависимость выглядела весьма неубедительно. Внимательно анализируя полученные данные, Чейзлер смог обнаружить немало контрпримеров, когда продолжительные периоды бодрствования сопровождались более коротким сном.
Между тем круглосуточные физиологические измерения показали, что ритмы температуры тела участников эксперимента, секреции гидрокортизона и быстрота реакций всегда оставались нерушимыми, как скала, а их периодичность была немногим больше 24 часов. Как бы непредсказуемо ни вел себя цикл сна и бодрствования, эти три внутренних ритма всегда оставались на удивление стабильными. Более того, они всегда оставались взаимно синхронизированными: их периоды были идентичны. Это могло стать ключом к разгадке.
Чейзлер решил испытать другой подход. Он представил на одном графике циклы температуры тела и сна в двумерном формате, который называется растровым графиком. Биологи с Оркнейских островов уже не один десяток лет пользуются этим типом графиков. Это стандартный способ представления ритма раскрытия листьев растений или ритма мыши, которая вертится в беличьем колесе, но еще никто не пытался использовать такие графики для исследования ритмов в организме человека. Термин «растровый» применяется по аналогии с растровой разверткой в телевидении, когда в ходе процесса, называемого наложением растра, осуществляется преобразование непрерывного потока электронной информации в двумерное изображение. Аналогично, при построении растрового графика поток данных, образующихся на выходе эксперимента, преобразуется в двумерный график. В процессе наложения растра этот поток данных разделяется на 24-часовые блоки, которые затем укладываются один на другой в виде штабеля кирпичей.
День 1 находится на самом верху такого штабеля, день 2 находится непосредственно под днем 1, и т. д. вплоть до последнего дня эксперимента, который находится на самом дне штабеля. Чтобы подытожить циркадные ритмы участника эксперимента в какой-то определенный день, черный квадрат отображает часы, когда этот участник спал, а серый квадрат показывает, когда температура его тела опускалась ниже своего среднего значения. Достоинство растрового графика заключается в том, что любые повторяющиеся картины в данных буквально бросаются вам в глаза. Строгий 24-часовой ритм распознается сразу же как вертикальная полоса, состоящая из квадратов, причем все они начинаются и заканчиваются в одно и то же время суток. Ритм, более продолжительный, чем 24 часа, выглядит как диагональная полоса с наклоном вправо.
Когда Чейзлер построил растровый график для одного из рассинхронизированных участников эксперимента, он сразу же заметил, что все эпизоды продолжительного сна – которые выглядели весьма загадочно – выстроились по диагонали. То же самое произошло с эпизодами короткого сна, которые выстроились вдоль другой диагонали, причем обе эти диагонали были параллельны диагональной полосе, образованной впадиной ритма температуры тела.
Из этого следовал потрясающий вывод. Несмотря на то что цикл сна и бодрствования, на первый взгляд, не был связан с температурным циклом, налицо была постоянная, устойчивая связь между ними: эпизоды продолжительного сна всегда начинались при высокой температуре тела, а эпизоды короткого сна всегда начинались при низкой температуре. Чейзлер сверил эти результаты с результатами других участников эксперимента и оказалось, что обнаруженная им закономерность соблюдается во всех случаях. Он повторно проанализировал старые данные, опубликованные группами исследователей во Франции, Германии и Англии, и оказалось, что во всех случаях соблюдается та же закономерность.
Чейзлер разгадал циркадный код! Изучая сон в его связи с циклом температуры тела (а не в связи со временем суток или какой-либо другой внешней переменной), он выявил естественную систему отсчета, естественную меру внутреннего времени организма человека. Если вопрос рассматривать с этой точки зрения, то данные, которые ранее казались «рваными» и «случайными», внезапно продемонстрировали стройность и организованность. Продолжительность сна человека не зависела от того, как долго он бодрствовал перед этим; она зависела от соотношения между моментом, когда этот человек уснул, и циклом температуры его тела.
Чтобы конкретизировать математическую форму этого соотношения, Чейзлер построил еще один график – график зависимости продолжительности десятков разных эпизодов сна от фазы цикла температуры человеческого тела во время сна. Другими словами, он взял все эпизоды сна, которые начинались, когда температура тела была низкой, и сгруппировал их вместе. Затем он проделал то же самое для эпизодов сна, которые начинались вблизи максимума температуры, и т. д. Это дало ему возможность сравнивать, образно говоря, яблоки с яблоками; его растровый график уже показал ему, что эпизоды сна, начинающиеся при одних и тех же фазах цикла температуры человеческого тела, должны быть одинаковыми по своей продолжительности. Чейзлер собрал данные по всем рассинхронизированным участникам своего эксперимента – кто-то из них был молодым, кто-то старым, для кого-то из них были характерны 30-часовые циклы, для кого-то 40-часовые. Несмотря на существенные индивидуальные различия во всех остальных отношениях между этими участниками эксперимента, продолжительность их сна группировалась в достаточно узком диапазоне, образуя слегка размытую версию некой универсальной математической кривой.
Каждый раз, когда участники эксперимента укладывались спать вблизи пика своего температурного цикла, последующий эпизод сна всегда оказывался очень продолжительным, составляя в среднем 15 часов. И наоборот, когда они укладывались спать вблизи времени минимальной температуры, они спали гораздо меньше – в среднем около 8 часов. «Облако» продолжительностей сна, рассматриваемое по всем фазам, было похоже на волну в форме зубца пилы[71].
Такой результат оказался весьма неожиданным. В отличие от температурного цикла тела, который имеет более привычный для нас вид синусоидальной кривой, «облако» продолжительностей сна было на удивление асимметричным. Продолжительность сна совершала вертикальный скачок с 7 часов до 18 часов для эпизодов, начинавшихся примерно через 9–10 часов после наступления минимальной температуры, затем следовало постепенное снижение по линейному закону с возвращением к коротким эпизодам сна.
Такое снижение по линейному закону представляется несколько нелогичным. Когда участники эксперимента укладывались спать с большим запаздыванием по сравнению с температурными циклами своего тела, они фактически спали меньше, несмотря на то что бодрствовали дольше. Столь же специфическая картина присутствовала в иррегулярном сне машинистов поездов и других людей, которым приходится работать в ночную смену[72]; то же самое явление вы можете наблюдать, когда сами возвращаетесь домой после вечеринки, затянувшейся далеко заполночь. Оказавшись в конце концов в постели и пытаясь поскорее уснуть в надежде на продолжительный, восстанавливающий силы сон, вы встаете уже через 5 или 6 часов, на протяжении которых тщетно пытались уснуть, беспокойно ворочаясь с боку на бок. Проблема в срабатывании внутреннего будильника вашего организма. Участники эксперимента, изолированные от времени, почти всегда просыпаются в первые несколько часов после того, как начнет повышаться температура их тела, примерно в то время, когда в организм выбрасывается максимальное количество гидрокортизона (гормон стресса в нашем организме) и нарастает наша готовность к действию. То же самое происходит в течение 24-часового вовлечения, о котором мы упоминали выше. Поэтому, если мы укладываемся спать позже, мы склонны просыпаться раньше: дело в том, что внутренний будильник нашего организма начинает звенеть независимо от того, удалось нам выспаться или нет.
Это было весьма приблизительное объяснение упоминавшегося выше наклона вниз. Чтобы понять вертикальный скачок, когда продолжительность сна может быть либо очень короткой, либо очень длительной, либо где-то в промежутке между этими крайностями, представьте, что вы не спали всю ночь, вплоть до наступления второй половины следующего дня. Затем, если вы позволите себе короткий послеобеденный сон, то может оказаться, что вы действительно просто вздремнете, а может так получиться, что вы проспите всю вторую половину дня, а затем и весь вечер и даже всю ночь.
Это объяснение основывается на подразумеваемом переходе между временем суток и так называемой аркадной фазой (фаза температурного цикла тела, единственный показатель времени, который имеет физиологическое значение в условиях продолжительной изоляции от времени). Чтобы экстраполировать этот результат на реальный мир, где как цикл сна и бодрствования, так и температурный цикл тела вовлекаются в 24-часовой суточный цикл, нам нужно привязать все биологические события к нижней точке температуры тела. Соответствующая формула перехода стала результатом дальнейших исследований, проведенных Чейзлером. У людей, которые вовлечены в 24-часовой, суточный цикл, температура тела обычно достигает своего минимума примерно за 1 или 2 часа до привычного для них времени пробуждения. Например, большинство тех, кто регулярно ходит на работу, просыпаются в 6 или 7 часов утра. Следовательно, минимальная температура тела у этих людей, вероятно, приходится на время между 4 и 6 часами утра. Скачок в продолжительности сна, вероятно, должен происходить у них примерно через 9–10 часов после этого, то есть в промежутке от 1 до 4 часов дня (от 13:00 до 16:00). А это и есть время послеобеденного сна.
Чейзлер и Вейцман обнаружили, что многие другие физиологические и когнитивные ритмы привязаны к фазе цикла температуры тела. Например, они попросили каждого из участников эксперимента оценить свою алертность[73] в разные моменты периодов своего бодрствования. Каждому из участников эксперимента вручили нечисловую непрерывную вертикальную шкалу, самая верхняя точка которой была помечена словами «очень алертный», а самая нижняя – словами «очень сонный», и попросили оценить свою алертность в те или иные моменты бодрствования, начертив линию на соответствующем уровне. (Шкалу решили не размечать числами, чтобы не вызывать у участников эксперимента соблазн автоматически повторять свои предыдущие оценки.) Результаты этого теста показали, что алертность идет рука об руку с температурой тела: алертность находится на низком уровне при низкой температуре и на высоком уровне при высокой температуре.
При использовании все той же формулы преобразования для перевода циркадной фазы в абсолютные значения времени эти данные предсказывают, что на протяжении 24-часового вовлечения минимальная алертность должна наступать примерно в момент температурного минимума, а именно между 4 и 6 часами утра. Это весьма специфическое время суток, пользующееся дурной славой. Инцидент на атомной электростанции Три-Майл-Айленда произошел именно в это время, причем в это время на дежурстве находилась бригада специалистов, которая успела поработать в ночную смену лишь несколько дней. Чернобыль, Бхопал, Exxon Valdez[74] – все эти катастрофы происходили посреди ночи, а их непосредственной причиной был пресловутый «человеческий фактор». Полевые исследования показали, что в период с 3 до 5 часов утра работники проявляют наибольшую медлительность при ответах на телефонные звонки и при реагировании на сигналы тревоги, а также неправильно оценивают показания измерительных приборов[75]. Это не самое лучшее время для бодрствования, особенно если от вас требуется выполнять монотонную, но важную работу. Те, кому часто приходится работать в ночную смену, называют этот промежуток времени «зомби-зоной».
Даже если вам никогда не приходилось работать в ночную смену, вы, наверное, замечали свой ритм алертности во время ночных бдений, которые случаются почти у каждого из нас. В какой-то момент, обычно между 3 и 6 часами утра, ваши глаза начинают слипаться. Желание уснуть становится почти непреодолимым. Однако спустя какое-то время откуда ни возьмись появляется «второе дыхание», и вы начинаете чувствовать себя значительно лучше. Это означает, что вы уже прошли впадину своего циркадного цикла. Теперь ваша алертность начинает повышаться вместе с повышением температуры тела и секрецией гидрокортизона. Интересный момент: то же самое «сонливое время» обнаруживается в результатах эксперимента по изоляции от времени, несмотря на то что участники эксперимента отнюдь не переутомлялись и не работали в ночную смену. Это означает, что зомби-зона встроена в биологическую систему человека.
Наряду с влиянием на алертность и продолжительность сна циркадные часы также регулируют внутреннюю структуру сна, в частности предрасположенность к быстрому движению глаз (rapid-eye movement – REM) во время сна[76]. REM является необычным состоянием – возможно, гораздо более необычным, чем кажется многим из нас. В этом состоянии так называемого «быстрого» сна наши глаза бегают из стороны в сторону. Частота нашего дыхания и сердцебиения изменяется хаотически. Функция спинномозгового подавления парализует тело, что, вообще говоря, не так уж плохо, поскольку это не позволяет нам совершать во сне какие-то действия под влиянием испытываемых нами эмоций. (В опытах на кошках, когда исследователи блокировали функцию спинномозгового подавления, кошки, пребывая в состоянии «быстрого» сна, бегали за воображаемой мышью.) У мужчин в состоянии «быстрого» сна часто бывает эрекция. Это явление непроизвольной эрекции позволяет врачам отличить психологическую импотенцию от физической; на время сна они заворачивают пенис пациента в рулончик почтовых марок, и если пациент просыпается с порванными почтовыми марками, значит его проблема носит скорее психологический, чем физический характер.
«Быстрый» сон в такой же степени отличается от «медленного» сна, в какой он отличается от бодрствования. Сон было принято считать примитивным, однообразным состоянием, при котором мозг и организм в целом «отключаются» на ночь. Лечь спать считалось примерно тем же самым, что загнать автомобиль в гараж и выключить двигатель[77]. Теперь нам известно, что наш двигатель – мозг – не отключается никогда. В состоянии «медленного» сна наш «автомобиль» (организм) пребывает в «гараже» с работающим двигателем, причем и педаль газа, и педаль тормоза полностью утоплены. (Нажатая до отказа педаль газа в данном случае означает работу мозга на полную мощность, а роль тормоза играет функция спинномозгового подавления, которая не позволяет нашему телу выполнять какие-то физические действия.)
«Быстрый» сон характеризуется своим собственным ритмом, гораздо более быстрым, чем циркадный ритм. Примерно каждые 90 минут наш мозг проходит разные стадии сна. После того как мы улеглись в постель, мы «проваливаемся» из бодрствования в легкий сон; затем – в глубокий сон, когда мозговые волны становятся большими и медленными; затем мы возвращаемся к легкому сну и переходим в состояние REM – первого из нескольких «быстрых» снов. Этот первый «быстрый» сон, как правило, бывает коротким (примерно от 10 до 20 минут). Эпизоды REM на протяжении ночи обычно удлиняются, и к наступлению раннего утра мы можем в течение целого часа выступать в роли зрителей некого сюрреалистического представления (возможно даже полноценного фильма ужасов).
Для людей, которые обычно вовлечены в 24-часовые сутки, пиковым временем для REM является раннее утро, близко к окончанию сна. Это объясняет, почему мы так часто просыпаемся именно после долгого сна и почему мужчины так часто просыпаются в состоянии эрекции. Но это общепринятое увязывание REM с окончанием сна на самом деле является неправильным обобщением. Это не является законом REM. Правильный закон был открыт Чейзлером и Вейцманом в ходе их экспериментов с изоляцией от времени. Когда они поначалу измерили мозговые волны участников своего эксперимента, они были поражениы, увидев, что REM быстрее всего аккумулировался ближе к началу сна, а не к его окончанию. К тому же именно в это время наблюдались самые продолжительные эпизоды REM. Эти результаты полностью противоречили тому, что обычно рассказывают на лекциях студентам-медикам. Вообще говоря, REM в начале сна обычно случается очень редко и является признаком нарколептического заболевания – разладом сна, подрывающим силы человека.
Столь парадоксальные результаты начали обретать смысл, когда Чейзлер и Вейцман поняли, в чем заключается истинный закон REM. Предрасположенность REM синхронизирована с температурным циклом тела, а не со сном как таковым. Нашему мозгу все равно, в какой стадии сна – начальной или конечной – мы пребываем; для него гораздо важнее, какое время в данный момент показывают внутренние часы нашего организма. Правило заключается в том, что наступление REM наиболее вероятно сразу же после завершения той части температурного цикла, когда наше тело оказывается самым холодным. В случае 24-часового вовлечения большинство людей пробуждается в момент циркадной фазы и именно поэтому REM так часто встречается в конце сна. Напротив, рассинхронизированные участники эксперимента зачастую засыпают при достижении минимума температуры, и именно поэтому REM у них зачастую наступает в начале сна. Ничего патологического в этом нет.
В ногу с температурным циклом тела шагают не только циркадные ритмы продолжительности сна, алертности и предрасположенности REM. Дальнейшие исследования показали, что наши ритмы краткосрочной памяти, секреции гормона мозга мелатонина и нескольких других когнитивных и физиологических функций совпадают с тем же периодом и поддерживают постоянные соотношения фаз с температурным циклом тела и друг с другом. Существует лишь один простой способ объяснить, как все эти разнородные ритмы могут быть тесно связаны между собой: все они должны управляться из одного и того же биологического центра (пункта привязки).
В течение долгого времени этот циркадный задатчик ритма был лишь неким умозрительным объектом, гипотезой. О его существовании лишь догадывались на основе ряда косвенных признаков; для науки он был тем же самым, чем в конце XIX столетия были для нее атомы. Поиск его местоположения в организме всегда имел шансы свестись к погоне за ложной целью. В конце концов, ранние эксперименты с одноклеточными водорослями показали, что даже у них могут проявляться циркадные ритмы. Поэтому у более сложных, многоклеточных организмов (например у человека) могло оказаться, что весь организм состоит из триллионов таких центров. Иными словами, в уточнении нуждается сама формулировка: не центр может содержаться внутри нас, а мы сами можем быть таким центром.
И эта «сумасшедшая» догадка оказывается правильной. Вот уже на протяжении 30 лет мы знаем, что клетки печени и надпочечника могут проявлять свои собственные циркадные ритмы, даже если их изъять из организма и поддерживать их жизнедеятельность в специальном сосуде. То же можно сказать о клетках сердца и клетках почек. Гены, отвечающие за работу внутренних часов организма, встречаются повсеместно в тканях организмов мушек-дрозофил и маленьких млекопитающих, таких как мыши и хомяки; предположительно и мы, люди, также представляем собой конгрегации циркадных осцилляторов.
Тем не менее всегда было достаточно оснований полагать, что по крайней мере у млекопитающих все эти периферийные часы управляются из единого центра, который, вероятно, расположен где-то в той части мозга, которая называется гипоталамусом[78]. Еще в начале XX века врачи заметили, что пациенты с опухолями в этой области мозга страдают непостоянством циклов сна и бодрствования. Еще более убедительным свидетельством стала работа Курта Рихтера, биолога из университета Джонса Хопкинса, который потратил почти 60 лет на поиск циркадного задатчика ритма. В серии тяжелых и малоприятных экспериментов[79] Рихтер ослеплял крыс, а затем систематически удалял их надпочечники, гипофизы, щитовидные железы или половые железы; вызывал у них конвульсии, электрошок, алкогольный ступор и продолжительную анестезию. Зашив раны и вернув крыс в их клетки, Рихтер обнаружил, что ни одна из его ужасных операций не повлияла на ритмы активности крыс: их внутренние часы продолжали идти как ни в чем не бывало. Затем он делал вырезы в разных местах их мозга, проверяя, не нарушило ли причиненное им повреждение мозга циркадные ритмы крыс. Нет, ни одно из этих повреждений не внесло каких-либо изменений в поведение крыс: они по-прежнему являлись в привычное для себя время, чтобы получить пищу и питье, и вообще действовали в привычном для себя ритме. Исключением из этого правила был лишь один случай: когда повреждению подвергалась передняя часть гипоталамуса. В этом случае крысы становились аритмичными.
В 1970-е годы другие исследователи указали местоположение внутренних часов еще точнее. Исходя из того, что циклы света и темноты могут вовлекать циркадные ритмы, они впрыскивали в глаза крыс аминокислоты с радиоактивными метками в надежде проследить нейронные пути от сетчатки глаза обратно к предполагаемым внутренним часам. Наряду с ожидаемыми путями к зрительным центрам мозга, они обнаружили также моносинаптический путь – нейронную линию экстренной связи – к сверх-хиазмальным ядрам, которые представляют собой пару крошечных пучков нейронов, расположенную в передней части гипоталамуса. По-видимому, эти часы играли столь важную роль в выживании животного, что в процессе эволюции сформировалась специальная прямая линия связи этих часов с глазами (вместо того чтобы использовать для этой цели уже готовые, составные – и более медленные – синаптические линии связи). Чтобы решить для себя этот вопрос раз и навсегда, исследователи разрушили хирургическим путем эти сверх-хиазмальные ядра и обнаружили, что в результате этой операции исчезли и циркадные ритмы крысы. Итак, ученым наконец удалось найти точное местоположение главных внутренних часов.
Мы по-прежнему имеем лишь весьма приблизительное представление о том, как именно работает этот задатчик ритма[80]. Нам известно, что многие из тысяч нейронов в этих сверх-хиазмальных ядрах являются осцилляторами. Они самопроизвольно генерируют колебания в результате изменения концентраций молекул, называемых протеинами-задатчиками времени. Сами эти молекулярные циркадные ритмы вырабатываются взаимосвязанной совокупностью биохимических петель обратной связи, в которой задействуется перезапись и преобразование ДНК примерно восьми генов внутреннего времени (точное их количество указать невозможно, поскольку соответствующие исследования еще не завершены). Затем тысячам этих осциллирующих «клеток внутреннего времени» удается каким-то образом синхронизировать свою электрическую активность (возможно, это обусловливается химической диффузией[81] нейропередатчика, называемого GABA). Наконец, этот коллективный электрический ритм такого задатчика ритма передается – опять-таки, неизвестным (пока) нам способом – на периферические осцилляторы в печени, почках и прочих органах человеческого тела, заставляя их функционировать с тем же периодом, что и «главные часы».
Таким образом, объяснение, предложенное Чейзлером, заключается в том, что все измеренные им ритмы координируются единым циркадным задатчиком ритма. Надежным показателем этого является температурный цикл тела; именно этим объясняется выравнивание всех остальных ритмов, если рассматривать их в этой естественной системе отсчета. Нам по-прежнему неизвестно, как именно этот задатчик ритма биохимически определяет продолжительность сна или склонность к REM. Надеюсь, что это станет известно в не столь отдаленном будущем.
Пока же нам остается лишь изумляться исполнительскому мастерству этого выдающегося маэстро, таинственным образом дирижирующего десятками ритмов внутри нас. Когда все это, вместе взятое, функционирует безупречно – когда у нас не возникает синдром смены часовых поясов или какая-либо другая разновидность рассинхронизации, – функционирование этого задатчика ритма поражает воображение. Посмотрите, как он управляет нашим организмом в самый напряженный, с биологической точки зрения, момент суток – в момент нашего пробуждения от сна. По команде этого задатчика ритма температура нашего тела уже начала повышаться (примерно за два часа до нашего пробуждения). Надпочечник выбрасывает в организм порцию гидрокортизона, чтобы настроить нас на великие дела, которые ожидают нас днем. Начинает звонить наш внутренний будильник. Включаются в работу ритмы когнитивной функции, памяти, сообразительности. В течение всего оставшегося времени дня система практически всех органов и физиологические функции действуют по определенному, заранее предусмотренному расписанию. Эта молчаливая симфония внутри нас объясняет, почему химиотерапия раковых заболеваний[82] оказывается наиболее эффективной в определенные часы (что является отражением ритмов в синтезе ДНК и других процессов на клеточном уровне) и почему сердечные приступы[83] (и инфаркт) наиболее вероятны около 9 часов утра (в этот момент кровяное давление достигает пика). Роды наиболее вероятны ранним утром, приблизительно с 3 до 4 часов утра; то же самое касается смертей (это, возможно, указывает на то, что человек обычно проживает некоторое количество полных дней[84]).
Эти теоретические построения выглядят очень красиво, за одним исключением: мы все еще не в состоянии объяснить, что происходит, когда у человека наступает самопроизвольная рассинхронизация, как это случилось с Сиффре в пещере Миднайт-Кейв. Когда случается такая рассинхронизация, складывается впечатление, будто время сна перестает подчиняться командам задатчика ритма. Возможно ли такое в действительности или существует еще какая-то тайна, скрывающаяся в данных, полученных исследователями, – недостающий ключ к разгадке циркадного кода? Это была задача, которую я мечтал решить в ходе исследований, связанных с написанием моей докторской диссертации.
Осенью 1982 г. я прибыл в Гарвардский университет в качестве аспиранта, специализирующегося в области прикладной математики. На другом берегу реки там же, в Бостоне, Чак Чейзлер только что приступил к исполнению обязанностей в своей новой должности помощника профессора медицинского факультета Гарвардского университета и больницы Brigham and Women’s Hospital. Я слышал о Чаке еще летом того же года, когда работал вместе с Артом Уинфри. Арт рассказывал мне, что Чак самостоятельно выполнил новаторское исследование циркадных ритмов. Особенное впечатление произвело на Уинфри недавнее открытие Чаком Чейзлером закона продолжительности сна[85] (Уинфри даже посвятил этому открытию хвалебную статью, которая была опубликована в Nature, одном из самых авторитетных научных журналов мира). Помню, как эта статья потрясла меня. Казалось поразительным, что несмотря на причуды психологии и волеизъявлений человека цикл сна и бодрствования мог подчиняться столь простому и универсальному механизму. На первый взгляд, внутренняя рассинхронизация могла казаться делом случая, однако на более глубоком уровне она оказалась тонко структурированной. Возможно, своего открытия ждали и какие-то другие законы. Передо мной открывались захватывающие перспективы.
Я почувствовал, что оказался в нужном месте в нужное время. Наряду с недавним появлением на медицинском факультете Гарвардского университета Чейзлера, профессорско-преподавательский состав пополнили Ричард Кронауер, инженер-механик, который разработал самую совершенную на тот момент математическую модель циркадных ритмов человека; Мартин Мур-Эде, физиолог и крупный специалист по циркадным ритмам у беличьих обезьян (саймири); а также Вуди Гастингс, биолог, проводящий исследования на клеточном уровне и потратившый 35 лет на выявление молекулярных механизмов циркадных часов. Все эти люди хорошо знали друг друга и преподавали на медицинском факультете; все они были научными руководителями многочисленных аспирантов и младших научных сотрудников, каждый из которых жаждал получить интересную тему для исследований.
Я познакомился с Чейзлером буквально в первый же день своей работы в Гарвардском университете. Высокий мужчина чуть старше тридцати лет, с усами в стиле Кларка Гейбла, он был похож на кинозвезду (во всяком случае, так считала моя мать, когда год спустя увидела телевизионное интервью с ним). А после того как Чейзлер блестяще защитил диссертацию, он был буквально обречен на то, чтобы стать яркой звездой в научном мире. Руководство больницы Brigham and Women’s Hospital отвело для его лабораторий целый этаж в здании больницы Old Boston Lying-in Hospital. Когда Чейзлер решил устроить для меня экскурсию по своим владениям, нас приветствовал грохот отбойных молотков: рабочие-строители создавали специальное помещение для изоляции от времени в соответствии с конструктивными решениями, использовавшимися ранее Вейцманом в Монтефьоре.
Лишь примерно через год Чейзлер смог приступить к новым исследованиям. Между тем в уже имеющихся данных заключалось множество трудноразрешимых загадок. В частности, Уинфри не давала покоя фундаментальная асимметрия[86]: продолжительность сна была предсказуема, тогда как продолжительность бодрствования – нет. Даже в свете самых последних достижений науки никто не знал, как предсказать продолжительность бодрствования рассинхронизированного человека. А это означало, что половина цикла сна и бодрствования по-прежнему остается для нас загадкой.
Чтобы приступить к поиску закона, определяющего продолжительность бодрствования, я собрал все доступные мне данные. Чейзлер щедро поделился со мной своими старыми записями из Монтефьоре, а также некоторыми данными, полученными им от французской группы исследователей. Уинфри передал мне несколько совокупностей данных, которые встретились ему в научной литературе. Со своей стороны, я пытался найти в научной литературе примеры внутренней рассинхронизации. Сбор всей этой информации занял у меня около года. В то время в нашем распоряжении еще не было устройств для оцифровки информации и фотокопировальной техники с возможностью увеличения изображений, поэтому процесс сбора информации был весьма утомительным. Если, например, я находил в каком-либо журнале статью, содержащую растровый график, мне приходилось просить профессионального фотографа снять копию этого графика и настолько увеличить изображение, чтобы я мог с помощью линейки и лупы точно измерить продолжительности всех эпизодов сна и бодрствования.
Постепенно мне удалось накопить огромную базу данных[87] рассинхронизированных циклов сна и бодрствования и приступить к поиску каких-то закономерностей. Я пытался построить функцию зависимости продолжительности бодрствования от какой-либо предшествующей переменной, которая казалась мне правдоподобной, например от продолжительности предыдущего эпизода сна или от фазы цикла температуры тела в момент пробуждения. Увы, построение этих графиков ничего не дало мне. Затем я пытался выявить связи между продолжительность бодрствования и двумя предшествующими переменными. Опять ничего. Если закон, определяющий продолжительность бодрствования, действительно существует, его не удалось найти до сих пор.
В течение всего этого бесплодного поиска я продолжал встречаться со своим новым консультантом, Ричардом Кронауером, седовласым ученым, отличавшимся непоколебимой уверенностью в собственных силах и оптимизмом. У него всегда находилось время для меня; к тому же он любил размышлять над данными – это было увлекательным занятием для нас обоих. Кроме того, у него была любимая модель функционирования циркадных ритмов человека, и тут между нами возникало противоречие, особенно когда я раздражал его напоминаниями о несоответствиях между его моделью и собранными мною данными. Он повышал голос. Мое лицо покрывалось красными пятнами. Оба мы были изрядными упрямцами.
Одна из любимых идей Кронауера заключалась в том, что в циркадном цикле есть два особых периода, когда люди не могут уснуть. Он называл их запретными зонами[88]. Он брал в руки свою линейку, рисовал на растровом графике несколько параллельных линий и говорил мне: «Смотри сюда. Человек никогда не засыпает в этом или в том диапазоне». Я скептически улыбался: нет ничего сложного, чтобы обнаружить такие закономерности, если вы уже поверили в их существование. Кронауер знал о человеческой склонности к самообману, но он продолжал настаивать, что эти зоны находятся в определенных, постоянных местах – одних и тех же для каждого человека.
Нужды в перепалках не было: существующие между нами разногласия можно было уладить с помощью моей базы данных. Если запретные зоны действительно существуют, они должны проявляться в виде двух впадин в распределении моментов времени, когда человек укладывается спать, выбранных в течение внутренней рассинхронизации. Напротив, если люди с одинаковой вероятностью укладываются спать в любой момент циркадного цикла температуры (то есть не отдают предпочтение какому-то определенному времени), то такое распределение должно быть плосковершинным.
Кронауер был прав. Когда я построил график зависимости относительной частоты времени засыпания от циркадной фазы, то заметил две ярко выраженные впадины, причем ширина каждой из них составляла 2–3 часа, а их центры располагались примерно на 5 часов позже и на 8 часов ранее момента наступления температурного минимума.
Вероятность того, что человек уснет в одном из этих двух промежутков времени («запретных зон», по определению Кронауера), была очень мала (хотя и не исключалась полностью). Соответствующие моменты, выраженные во времени суток, можно было оценить, применив упоминавшуюся ранее формулу преобразования: температурный минимум наступает приблизительно за 1–2 часа до привычного времени пробуждения. Таким образом, для того, кто привык спать с 23:00 до 7:00, эти данные прогнозировали «утреннюю запретную зону» примерно с 10 до 11 утра, а «вечернюю запретную зону» – примерно с 21:00 до 22:00, то есть за один-два часа до укладывания в постель.
В этом распределении также присутствовало два пика, представляющих самые «сонные» моменты в цикле, – в том смысле, что это были моменты засыпания, выбираемые участниками эксперимента чаще всего (разумеется, участники эксперимента не задумывались над этим, поскольку пребывали в изоляции от времени). Центр широкого пика находился в районе температурной впадины, совпадающей с «зомби-зоной», указывая на то, что это окно минимальной алертности является также временем максимальной сонливости. Второй пик наступал примерно через 9–10 часов после температурного минимума, соответствуя времени сиесты[89], то есть промежутку с 14:00 по 15:00 в окружающем мире. Интересный вывод заключается в том, что сонливость в послеобеденное время у нас появляется не потому, что мы плотно пообедали, или потому, что на улице жарко, а потому, что это продиктовано нашим циркадным задатчиком времени.
Когда мы с Кронауером видели, что моменты послеобеденной сонливости совпадают с пиком сонливости в данных о рассинхронизации, мы понимали, что находимся на пороге важного открытия. Для нас не было очевидным, что данные, полученные в ходе эксперимента с изоляцией от времени, обязательно свидетельствуют о существовании какой-то закономерности в реальном мире. В конце концов, условия в том и другом случае совершенно разные. В ходе вовлечения ритмы сна и температуры тела синхронизированы по фазе между собой и со временем суток, тогда как при внутренней рассинхронизации ритмы сна и температуры тела не совпадают между собой, а их периодичность превышает 24 часа. Тем не менее наша формула преобразования позволяет получить правильный прогноз фазы сонливости, что, возможно, позволяет нам экстраполировать остальную часть ритма сонливости. Это означало, что мы можем найти в реальном мире соответствия для обеих «запретных зон».
Спустя несколько недель на совещании, посвященном исследованиям сна, я услышал лекцию о распределении частоты автокатастроф, случавшихся с одним грузовым автомобилем[90], по времени суток. Это было практически такое же распределение, какое мы исследовали вместе с Кронауером! (Под автокатастрофой, случившейся с одним грузовым автомобилем, подразумевается, что этот грузовик был смят в лепешку, перевернулся, разбился о береговой устой моста или свалился в кювет исключительно по вине водителя этого грузовика. То есть, он не столкнулся с каким-то другим грузовиком. Возможно, его водитель просто уснул за рулем.) Статистика свидетельствует о том, что такие автокатастрофы, случающиеся с одним грузовым автомобилем, происходят примерно в 5 часов утра гораздо чаще, чем в дневное время. Второе самое вероятное время автокатастроф, случавшихся с одним грузовым автомобилем, – это время между 13:00 и 16:00, то есть во время фазы повышенной сонливости. Реже всего такие автокатастрофы случаются в 10:00 и в 21:00, что соответствует периодам, прогнозируемым для утренней и вечерней «запретных зон». Объяснение этого факта представлялось вполне очевидным: водители редко засыпают за рулем в эти промежутки времени. Подобно зомби-зоне и сиесте, «запретные зоны» должны быть встроенны в наш циркадный цикл.
Примерно в то же время Мэри Карскадон, исследователь сна из больницы Bradley Hospital и медицинского факультета университета Brown University, занималась изучением мозговых волн участников эксперимента по «постоянной программе» (протокол, предназначенный для обнаружения циркадной составляющей температурного цикла путем как можно большего выравнивания поведения участника эксперимента и его окружения). Участники эксперимента на протяжении 40 часов пребывают в горизонтальном положении, лежа на кровати, в условиях постоянного искусственного освещения и каждый час получают питание (питательный напиток). Хотя предполагается, что все это время они бодрствуют, на самом деле это не совсем так: время от времени они впадают в «микросон». Их мозг засыпает на несколько секунд, а картина, которую исследователи видят на электроэнцефалограмме, внезапно меняется.
Мэри Карскадон обнаружила, что эти эпизоды непреднамеренного сна вероятнее всего происходят в определенные моменты суток. Когда она представила в графическом виде распределение «микроснов»[91] в течение последних 22 часов эксперимента (к этому времени участники эксперимента были лишены сна), она обнаружила пики в зомби-зоне и фазе сонливости. А также впадины в двух «запретных зонах».
Таким образом, все сходилось. Одно и то же распределение было выявлено в «микроснах», в автокатастрофах, случавшихся с одним грузовым автомобилем, и в моментах засыпания, выбранных при внутренней рассинхронизации. Для нас было очевидным, что все эти ситуации отражали циркадный ритм сна и бодрствования, внутренне присущий мозгу человека.
С учетом того, что вечерняя запретная зона ситуационно близка к привычному времени засыпания – и наступает за один-два часа до него, – мы с Кронауером заинтересовались, может ли она быть замешана в каких-либо формах бессонницы. Наши данные, связанные с изоляцией от времени, лишь показывали, что рассинхронизированные участники эксперимента редко предпочитают укладываться в постель примерно за 8 часов до своего температурного минимума. Оставалось получить ответ на следующий вопрос: если люди намеренно пытались уснуть именно в это время, казалось ли им это трудным?
Ответ на этот вопрос уже можно было найти в научной литературе. В середине 1970-х годов несколько исследователей заставили участников своих экспериментов жить по существенно сокращенным графикам сна и бодрствования, пытаясь выяснить их способность засыпать несколько раз в течение суток. Например, Мэри Карскадон и Уильям Демент заставили студентов-добровольцев из Стэнфордского колледжа жить по графику «90-минутных суток»[92], который представлял собою весьма изнурительный режим, предполагающий 30 минут сна, за которыми следовали 60 минут принудительного бодрствования, после чего участник эксперимента должен был снова лечь в постель на 30 минут и т. д., 16 раз в сутки – и так на протяжении пяти календарных дней. Иногда участникам эксперимента удавалось сполна воспользоваться своим драгоценным 30-минутным отдыхом – они засыпали, как только их голова касалась подушки. Иногда им вообще не удавалось уснуть, несмотря на крайнюю усталость. Их способность уснуть менялась ритмично каждые сутки и прочно коррелировала с фазой температурного цикла их тела. Наихудшее время наступало примерно за 8 часов до наступления температурного минимума (для этих студентов колледжа это было приблизительно в 22:30). Как ни странно, участникам эксперимента тяжелее всего было уснуть непосредственно перед наступлением привычного для них времени укладывания в постель. Этот факт озадачил Карскадон и Демента, однако теперь для этого существовало объяснение: они наблюдали сильное влияние вечерней запретной зоны.
Кронауер нашел очередное свидетельство того, что запретная зона может быть причиной бессонницы в начале сна[93]. В эксперименте, проведенном в Корнельском институте хронобиологии, Джефф Фуксон вместе со своими коллегами предложил здоровому 21-летнему молодому человеку жить по жесткому расписанию 23,5-часовых суток. Другими словами, в условиях полной изоляции он времени этот молодой человек должен был подчиняться строгому расписанию: каждый день он должен был на полчаса раньше укладываться спать и просыпаться. В течение этого времени ему не разрешалось вздремнуть ни на минуту – только единый, консолидированный блок отдыха в постели на 7–7,5 часов в каждом цикле. «Подопытному» зачастую не удавалось как следует воспользоваться предоставленным ему временем для сна: он не мог уснуть сразу же, ворочаясь в постели с боку на бок в течение примерно трех часов. В процессе эксперимента дефицит сна у «подопытного» нарастал, хотя во время, предоставленное ему для сна, он страдал от бессонницы. Молодой человек резко протестовал против расписания, по которому его заставляли жить. Что-то, по его мнению, было не так, хотя он не понимал, что именно было «не так». Более того, он угрожал самовольно прекратить эксперимент. И все это из-за того, что его сутки были укорочены на какие-то жалкие полчаса!
Предложенное Кронауером объяснение заключалось в том, что это укороченное расписание нарушило соотношения между внутренними фазами «подопытного», привязав его вечернюю запретную зону ко времени засыпания, задаваемому расписанием, что создало проблемы с засыпанием. Чтобы понять, как такие последствия могли быть вызваны искусственным сокращением суток, представьте себе циркадный задатчик ритма в виде упирающегося пса, которого тащит за собой на поводке по дорожке стадиона хозяин, совершающий утреннюю пробежку. (Подобно медлительному псу, задатчик ритма этого «подопытного» стремился совершать свой полный циркадный цикл каждые 24,7 часа, тогда как окружающий мир нетерпеливо тащил его за собой, пытаясь завершать каждый очередной круг за 24 часа.) Теперь, если владелец собаки станет двигаться еще быстрее, ускорит свое движение и собака, но растянет поводок и еще больше отстанет от своего хозяина. Для задатчика ритма это означает, что, если продолжительность цикла расписания сокращается с 24 часов до 23,5 часа, все события, привязанные к задатчику ритма (в том числе запретные зоны), тоже отстанут и сдвинутся на более позднее время относительно этого расписания. Следовательно, запретная зона, которая привычно опережала на несколько часов момент укладывания в постель (и была прочно привязана к нему), теперь будет находиться в непосредственной близости от этого момента (или даже совпадать с ним) и окажется весьма ненадежно привязанной к нему. Такое, более чем неподходящее, состояние будет сохраняться до тех пор, пока что-нибудь не разорвет этот «поводок» и не разрушит это вовлечение. Финальная часть этого эксперимента подтвердила правильность именно такой интерпретации. Когда этот принудительно навязанный цикл был милосердно сокращен до 23 часов, температурный ритм «подопытного» порвал связывавшие его путы: он оказался не в состоянии синхоронизироваться со столь укороченным расписанием. В результате привязка запретной зоны «подопытного» к моменту его засыпания оказалась разрушенной, его бессонница прошла, а его настроение заметно улучшилось.
В реальном мире встречаются люди, страдающие такой же формой бессонницы, как у нашего «подопытного». Причина такой формы бессонницы всегда одна и та же. Собственный циркадный период у нашего «подопытного» составлял 24,7 часа, и жить по 23,5-часовому расписанию, навязанному ему, оказалось весьма непростым делом; следуя той же логике, людям с собственным периодом, близким к 25,2 часа, но вынужденным жить в 24-часовом мире, вполне возможно, придется засыпать в запретной зоне, что окажется для них нелегким испытанием. Это может служить объяснением так называемого «синдрома задержки фазы сна»[94], который, по некоторым оценкам, причиняет страдания сотням тысяч людей во всем мире. Люди, страдающие синдромом задержки фазы сна, могут спать хорошо, но в неподходящее для этого время суток, например с 4 часов утра до полудня. Таким людям практически невозможно выполнять работу, которая требует высокой степени сосредоточенности в утренние часы.
Когда вечерняя запретная зона оказывается настолько близкой к привычному времени укладывания в постель, даже людям, не страдающим разладами сна, приходится подчас пытаться уснуть в моменты, когда сделать это тяжелее всего. Если вам когда-либо приходилось укладываться спать пораньше (например, чтобы утром успеть на самолет), то вы, наверное, замечали, как тяжело бывает уснуть в таком случае. Проблема не только в том, что вы несколько взвинчены предстоящей поездкой; дело в том, что вы пытаетесь уснуть в самое неподходящее время в своем циркадном цикле. Та же самая причина объясняет, почему люди так часто страдают бессонницей в ночь с воскресенья на понедельник. Вставая поздно и поздно засыпая в выходные дни, вы невольно смещаете свой циркадный задатчик ритма и свою вечернюю запретную зону на более позднее время и, возможно, нарушаете привычное для себя время засыпания.
Многие люди страдают другими формами рассинхронизации с 24-часовыми сутками или неспособностью к синхронизации как таковой. В частности, на тех, кому приходится работать посменно, постоянно воздействуют взаимно противоречивые «послания». Когда им приходится работать в ночную смену, циркадный задатчик ритма рекомендует им спать днем, но дневной свет и уличный шум (а также их дети) рекомендуют им спать ночью. Вообще говоря, посменная работа порождает серьезные проблемы для всех промышленно развитых стран – проблемы, которые со временем будут лишь усугубляться. Экономика заставляет нас жить по 24-часовому расписанию[95], когда заводы, всевозможные компании и финансовые рынки работают круглосуточно. Примерно четверть трудовых ресурсов США уже живет в соответствии с этим противоестественным расписанием. Несмотря на то что экономические преимущества такого круглосуточного графика очевидны, трудно оценить издержки, которые приходится нести при этом как самим работникам, так и обществу в целом. К числу этих издержек относятся поломанная семейная и социальная жизнь, заболевания желудочно-кишечного тракта, разлады сна, а также цена, которую приходится платить за ошибки (иногда с катастрофическими последствиями), обусловленные необходимостью работать в зомби-зоне.
Кандидатом на самое худшее расписание всех времен и народов является расписание, используемое на ядерных подводных лодках ВМС США[96]. Согласно уставу ВМС, морякам отводится 6 часов на исполнение их служебных обязанностей и 12 часов – на отдых; иными словами, от них требуют жить по расписанию 18-часовых суток. Задатчик ритма не может приспособиться к столь короткому циклу, в результате чего моряки живут в постоянном состоянии рассинхронизации. Командование ВМС оправдывается тем, что продолжительность 8-часовой смены слишком велика, чтобы на ее протяжении человек мог все время поддерживать высокую бдительность; кроме того, на подводной лодке предусмотрено место для хранения лишь трех комплектов повседневной формы для каждого моряка – отсюда следует 18-часовое (3 раза по 6 часов) расписание. Какими оказываются медицинские последствия жизни во 18-часовому расписанию, неизвестно до сих пор, но некоторым указанием на такую проблему является колоссальная текучесть рядового и сержантского состава на экипажах подводных лодок США (от 33 до 50 % на одно плавание), причем лишь небольшое число моряков соглашается участвовать в более чем 2–3 морских походах длительностью 90 дней. Между тем офицеры обычно живут по 24-часовому расписанию и служат на подводном флоте гораздо дольше – нередко по нескольку лет, большую часть из которых они проводят в морских походах.
Дневной свет является самым важным сигналом, который поддерживает организм человека в синхронизме[97]. Его влияние на задатчик ритма оказывается разным на разных стадиях циркадного цикла – очень тонкий эволюционный механизм, который гарантирует правильный ход внутренних часов человека. В частности, утром солнечный свет ускоряет их ход (как бы говоря нашему организму: «Эй, ты уже прозевал наступление рассвета, поэтому завтра я разбужу тебя раньше»). Солнечный свет в середине дня слабо влияет на ход наших внутренних часов, тогда как в вечернее время он замедляет его. Определенная коррекция бывает необходима каждый день, поскольку циркадный задатчик ритма человека склонен к несколько замедленной работе, а его естественный период оказывается несколько более продолжительным, чем 24 часа. Ученые все еще пытаются выяснить, как именно дневной свет влияет на работу задатчика ритма человека, но в целом нам известно, что свет, попадая на сетчатку глаза, вызывает определенные химические изменения в фоторецепторах сетчатки, которые затем отправляют электрический сигнал по нейронным путям к сверх-хиазмальным ядрам в гипоталамусе, то есть туда, где находится задатчик ритма. Как ни странно, эти фоторецепторы до сих пор не выявлены. Это вовсе не палочки и колбочки[98], которые позволяют нам видеть окружающий мир; слепая мышь с генетическим заболеванием, которое разрушает ее палочки и колбочки, все же сохраняет способность к вовлечению в цикл света и темноты.
Еще одним свидетельством эффекта синхронизации, вызываемого дневным светом, является то обстоятельство, что 80 % слепых людей страдают хроническими расстройствами сна[99]. Будучи неспособны каждые сутки подстраивать соответствующим образом ход своих внутренних часов, они испытывают проблемы со сном и с поддержанием бодрствования согласно расписанию, по которому живет общество в целом. Их жалобы имеют периодический характер: каждый месяц, на протяжении двух или трех недель, когда нарушается их синхронизация с окружающим миром, днем у них случаются неконтролируемые приступы сонливости, тогда как их ночной сон носит рваный, обрывочный характер. Но постепенно их биологические часы начинают отставать настолько, что они вновь возвращаются к гармонии с окружающим миром. Неделю-другую они чувствуют себя прекрасно, после чего их накрывает очередная волна рассинхронизации.
Интересно, что остальным 20 % слепых людей удается достичь синхронизма с циклом света и темноты. Вероятное объяснение такого феномена заключается в том, что циркадные фоторецепторы в сетчатке их глаз остаются неповрежденными, даже если повреждены ее палочки и колбочки. Это дает возможность свету выполнять свое корректирующее воздействие на ход их внутренних часов, попадая на их глаза, а затем проходя по нейронным путям к задатчику ритма. Другими словами, хотя эти люди неспособны видеть окружающий их мир, они способны воспринимать свет в невизуальном, циркадном смысле. Подтверждением этой неожиданной идеи могут служить результаты недавних исследований мелатонина – гормона мозга, вырабатываемого шишковидным телом (эпифизом мозга). У зрячих людей секреция мелатонина колеблется в соответствии с суточным циклом, причем пик секреции наступает в ночные часы, когда мы спим. Этот циркадный ритм задается «главными часами», подобно температуре тела, алертности и многим другим физиологическим функциям. В этом смысле уровни мелатонина служат еще одним «представителем» задатчика ритма. Кроме того, секреция мелатонина реагирует на свет: она резко снижается, когда нам в глаза попадает яркий свет. (В данном случае «яркий» означает свет, интенсивность которого типична для дневного времени, то есть гораздо ярче, чем типичный свет внутри помещения, но ничего необычного во всех остальных отношениях.) В 1995 г. Чейзлер вместе со своими коллегами исследовали реакцию подавления мелатонина у совершенно слепых людей, подвергая их воздействию яркого света в момент, когда уровни мелатонина в их крови были высокими. У большинства участников эксперимента эффект подавления, как и следовало ожидать, не наблюдался вообще: свет не добирался до их внутренних часов. Но среди той особой субпопуляции слепых людей, которым как-то удавалось синхронизироваться с 24-часовыми сутками, свет подавлял секрецию мелатонина точно так же, как он делает это у обычных, зрячих людей. Вывод заключается в том, что от глаз к мозгу есть два пути: один для зрения, осознаваемого человеком, а другой для циркадного вовлечения. Эта гипотеза соответствует известной анатомии мозга млекопитающих: нейронная линия связи с задатчиком ритма отделена от зрительных путей мозга.
Точно так же как особенности, свойственные слепым людям, помогают нам понять природу циркадного фоторецептора, люди, подверженные другому синдрому, проливают свет на внутреннее устройство часового механизма, встроенного в человека. Недавно ученые, исследуя пациентов с редким заболеванием под названием «наследственный синдром смещенной фазы сна»[100], выявленным в 1999 г., обнаружили первый ген, связанный с циркадным ритмом человека. Членов семьи, страдающих этим заболеванием, можно отнести к типу «супержаворонков»: они засыпают примерно в 19:30 и самостоятельно просыпаются в 4:30 утра. Лабораторные исследования показали, что циркадные часы у этих людей «торопятся», причем их период примерно на один час короче обычного, что указывает на некую генетическую мутацию функции часов. Группа исследователей из университета штата Юта, возглавляемая Луисом Птасеком, смогла выявить ген, подверженный этой мутации. Этим геном оказался hPer2, белковый продукт которого, как полагают, играет существенную роль в молекулярных петлях обратной связи, которые генерируют циркадные осцилляции в отдельно взятых клетках.
У некоторых других семей, страдающих наследственным синдромом смещенной фазы сна, мутации указанного гена не обнаружены. Это означает, что, вероятно, существуют и какие-то другие гены-мутанты. Когда будет обнаружено достаточное число таких мутантов, мы можем рассчитывать на то, что ученые добьются быстрого прогресса в определении молекулярной и генетической основы циркадных ритмов человека. А это с неизбежностью приведет к разработке более эффективных способов лечения нарушений суточного ритма организма, вызванных резкой переменой часовых поясов, последствий, вызванных посменной работой, а также разладов сна и психических заболеваний, связанных с нарушениями суточного синхронизма.
Часть II. Открытие синхронизма
Глава 4. Благожелательная Вселенная
Наука о синхронизме прошла долгий путь с тех далеких от нас времен, когда Александр Македонский по прозвищу Александр Великий впервые привел письменное свидетельство существования биологического ритма[101]. Примерно в IV столетии до н. э., во время своего похода в Индию, он заметил, что листья тамариндового дерева (индийский финик) всегда раскрываются днем и закрываются на ночь. Понадобилось еще два тысячелетия, прежде чем человечество открыло для себя еще более таинственный вид синхронизма – синхронизацию между неживыми объектами.
Некоторые из эпохальных открытий в истории науки были сделаны благодаря чистой случайности. Вспомните хотя бы об Александре Флеминге, который, как нам всем известно, открыл пенициллин, когда плесенный грибок, случайно занесенный воздушным потоком, нарушил чистоту эксперимента, проводившегося Флемингом, и погубил изучавшуюся им бактерию. Возьмем другой пример: Арно Пензиас и Роберт Уилсон, соскребая голубиный помет со своей гигантской радиоантенны на штаб-квартире компании Bell Laboratories, пытались избавиться от раздражающего фонового шипения, которое, как казалось, исходило из космоса, распространяясь во всех направлениях, пока не поняли, что слышат крик рождения Вселенной – эхо большого взрыва, который произошел 14 миллиардов лет тому назад.
Хотя роль интуитивной прозорливости, вообще говоря, хорошо известна всем нам, далеко не все понимают, как сильно интуитивная прозорливость отличается от удачного стечения обстоятельств[102]. Интуитивная прозорливость – это не просто способность совершать замечательные открытия в результате удачного стечения обстоятельств, как это обычно объясняется в толковых словарях. Благодаря интуитивной прозорливости обычно совершают открытия люди с определенным образом мышления – предельно сосредоточенные и собранные, потому что находятся в постоянном поиске, что-то ищут. Просто случилось так, что они нашли не то, что намеревались найти, а что-то другое – может быть, даже более важное.
Именно так был открыт синхронизм неживых объектов. В феврале 1665 г. голландский физик Кристиан Гюйгенс оказался на несколько дней прикован к постели, страдая тем, что он впоследствии описал в письме к своему другу сэру Роберту Морэю как «легкое недомогание»[103]. Он не успел своевременно ответить на полученную им корреспонденцию. В частности, он не успел ответить на три письма Роберта Морэя, и сейчас он сообщил ему новость о странном явлении, которое он наблюдал во время вынужденного заточения у себя в спальне – «необычное явление, которое удивит тебя».
В его спальне висели две пары маятниковых часов – два самых точных маятниковых механизма из существовавших в то время. Гюйгенс изобрел маятниковые часы[104] десятилетием раньше, и сейчас с их помощью он рассчитывал решить величайшую технологическую проблему своей эпохи: задачу определения географической долготы на море. Как превосходно показано в широко известной книге Longitude («Долгота»)[105] (ее автор – Dava Sobel), решение проблемы определения географической долготы имело огромное значение в эпоху Великих географических открытий. Бурно развивалось мореплавание – странам нужно было активизировать торговлю и иметь преимущество в войнах за территории. В отличие от географической широты, которая измеряет угловое расстояние от экватора и которая достаточно легко определяется на основании продолжительности дня или высоты солнца над горизонтом, географическая долгота, то есть угловое положение корабля в восточном или западном полушарии, определяется произвольно, без какой-либо эквивалентной величины в окружающем пространстве. Моряки не могли использовать для определения своей географической долготы звезды, солнце или какие-либо иные физические ориентиры, даже несмотря на наличие у них самых точных географических карт и компасов. Не имея возможности определить свое точное местонахождение в океане, даже самые опытные капитаны сбивались с пути и отклонялись на сотни миль от правильного курса или напарывались на прибрежные скалы. Те же, кто держался хорошо знакомых маршрутов, становились легкой добычей пиратов, карауливших их на оживленных морских путях. Правительства Португалии, Англии, Испании и Голландии обещали щедрые вознаграждения тем, что предложит приемлемый способ решения данной проблемы. Несмотря на то что поисками решения занимались многие выдающиеся умы того времени – Галилей, Джованни Доменико Кассини, Исаак Ньютон, Эдмонд Хэлли, – она оставалась нерешенной на протяжении более чем четырех столетий.
Теперь решением этой проблемы занимался Гюйгенс, выбрав направление, первоначально предложенное фламандским ученым-астрономом Геммой Фризиусом, который в 1530 г. пришел к выводу, что долготу можно определить, по крайней мере в принципе, путем точного хронометрирования. Допустим, на корабле есть часы, которые были правильно выставлены при отправлении корабля из исходного порта, и с этого момента идут очень точно. Поддерживая таким образом это «исходное время», штурман может определить географическую долготу, зафиксировав время на корабельных часах точно в момент наступления местного полдня, когда солнце находится в наивысшей точке над горизонтом. Поскольку Земля совершает полный оборот (на 360°) за 24 часа, каждый час расхождения между местным временем и «исходным временем» соответствует 15 градусам долготы. С точки зрения расстояния, эти 15 градусов соответствуют тысяче миль на экваторе. Таким образом, чтобы эта стратегия оказалась полезной с практической точки зрения, точность хода корабельных часов должна быть не хуже двух-трех секунд за сутки. Вопрос заключался лишь в том, чтобы сконструировать такие механические часы, на точность хода которых не оказывала бы влияния корабельная качка (не говоря уж о сильных штормах), а также значительные перепады влажности, давления и температуры, которые могут вызвать коррозию шестеренок в часах, привести к расширению пружин или загустеванию смазки, что, в свою очередь, может ускорить или замедлить ход часов (или вообще привести к их остановке).
Все часовые механизмы, которые изготавливались в XVI и XVII веках, страдали ужасающей неточностью. Лучшие из них отставали или спешили на пятнадцать минут за сутки – и это в идеальных условиях! Однако новый маятниковый часовой механизм Гюйгенса работал в сто раз точнее. Между тем решение задачи долготы находилось буквально на расстоянии вытянутой руки. В ходе морских испытаний, проводившихся в 1664 г. в сотрудничестве с Королевским обществом Лондона, два маятниковых часовых механизма, сконструированных Гюйгенсом специально для использования на кораблях, достигли островов Кабо-Верде (у западного побережья Африки) и на протяжении всего этого пути способствовали успешному измерению долготы. Два часовых механизма использовались на случай возникновения непредвиденных обстоятельств, например, если какой-либо из них остановится или ему срочно понадобится чистка (тогда второй часовой механизм будет продолжать отсчитывать точное время). К сожалению, эти часовые механизмы оказались неустойчивы к внешним воздействиям: они хорошо работали при благоприятных погодных условиях, однако во время штормов были перебои.
Во время этих морских испытаний Гюйгенс оставался в Гааге и вел переписку с Королевским обществом Лондона через сэра Роберта Морэя, чтобы постоянно быть в курсе результатов испытаний и параллельно с этим информировать коллег о своих текущих попытках усовершенствовать конструкцию маятниковых часов. Примерно в это время, в один из дней конца февраля 1665 г., свое веское слово сказала интуитивная прозорливость Гюйгенса. Вот что писал Гюйгенс в письме своему отцу.
Будучи вынужден на протяжении нескольких дней оставаться у себя дома и наблюдая все это время за работой двух моих новых конструкций маятниковых часов, я заметил поразительный эффект, о котором мне еще не приходилось слышать. Этот эффект заключается в том, что маятники этих двух часовых механизмов, висящих на стене неподалеку друг от друга (на расстоянии одного или двух футов), шагают строго в ногу друг с другом. Понаблюдав какое-то время за столь удивительным явлением, я пришел в конце концов к выводу, что между этими двумя часовыми механизмами возникает что-то наподобие взаимной симпатии: принудительно рассинхронизировав качания этих маятников, я обнаружил, что примерно через полчаса они возобновляют синхронизм своих качаний и продолжают пребывать в этом состоянии синхронизма до тех пор, пока я предоставляю им такую возможность. Затем я решил разделить их, повесив один из них в одном конце комнаты, а другой – в другом, на расстоянии около пятнадцати футов, и заметил, что за сутки между ними возникла разница во времени, составляющая пять секунд. Следовательно, причиной прежнего согласия между ними должно, по моему мнению, быть неощутимое для человека возбуждение воздуха, вызываемое колебательными движениями маятников. Эти часовые механизмы всегда заключены в деревянные корпуса, причем общий вес каждого из них не превышает 100 фунтов. Пребывая в состоянии согласованного, синхронного движения, эти маятники раскачиваются не параллельно друг другу, а навстречу друг другу[106].
В письме к своему другу Р. Ф. де Слузе от 24 февраля 1665 г. Гюйгенс описывал этот эффект «взаимной симпатии» как «загадочный»[107]. А 27 февраля он отправил письмо сэру Роберту Морэю с просьбой сообщить об этих наблюдениях членам Королевского общества.
В течение следующей недели Гюйгенс провел серию экспериментов, чтобы выявить причины этой «взаимной симпатии». Он повесил оба часовых механизма на крюках, закрепленных на одном и том же деревянном стержне, и обнаружил, что когда они повернуты друг по отношению к другу на 90° или когда расстояние между ними превышает 6 футов, их «взаимная симпатия» исчезает. Но когда он помещал между часовыми механизмами большую доску, чтобы заблокировать прохождение воздуха между ними, «взаимная симпатия» сохранялась. Таким образом, его первая догадка оказалась неправильной: часы взаимодействовали друг с другом вовсе не при помощи воздуха.
Затем Гюйгенс предположил, что его часовые механизмы могут взаимодействовать посредством очень слабых вибраций. Чтобы исследовать эту возможность, он попытался подвесить часовые механизмы на не связанных между собой стержнях, которые он уложил на два хлипких, расшатанных кресла, поставленных спинка к спинке. Часы вновь проявили взаимную симпатию: их маятники расходились в противоположные стороны и сходились, расходились и сходились, подобно паре аплодирующих ладошек. Когда один часовой механизм произносил тик, другой отвечал так. Затем Гюйгенс нарушил их взаимную симпатию, чтобы увидеть, что из этого получится. Результат поверг его в изумление: кресла начали подрагивать. Когда маятники часов пребывали в состоянии взаимной симпатии, кресла были неподвижны, но теперь они подрагивали и постукивали по полу. Такое их поведение продолжалось в течение получаса, до момента полного восстановления взаимной симпатии маятников, после чего кресла стали неподвижны.
У Гюйгенса появился свой ответ на столь необычное поведение кресел. Несмотря на то что каждый из его часовых механизмов был заключен в тяжелый корпус весом от 80 до 90 фунтов, качания маятника оказывали слабое воздействие на корпус, которые, в свою очередь, оказывал воздействие на стержни, которые, в свою очередь, оказывали воздействие на кресла[108]. Но когда часовые механизмы переходили в состояние взаимной симпатии – то есть, когда их маятники колебались во взаимно противоположных направлениях, – равные и взаимно противоположные силы, которыми они воздействовали на стержни, взаимно компенсировали друг друга, в результате чего кресла оставались неподвижны. И наоборот, когда он нарушал состояние взаимной симпатии, эти противоположные силы уже не могли все время взаимно уравновешивать друг друга и понемногу двигали стержни туда и сюда, из стороны в сторону, что вызывало подрагивание кресел. Вот что сказал об этом сам Гюйгенс: «При достижении синхронизма кресла перестают двигаться, что не позволяет часам выйти из состояния взаимной симпатии, поскольку, как только они попытаются сделать это, слабое движение кресел возвратит их в предыдущее состояние». Говоря более современным языком, Гюйгенс впервые в мире сформулировал концепцию отрицательной обратной связи.
Члены Королевского общества были обескуражены таким объяснением – и вовсе не потому, что сомневались в его правильности. Напротив, они опасались, что это объяснение правильно! В протоколе собрания Королевского общества от 8 марта 1665 г. говорится, что «некоторые из присутствовавших усомнились в точности хода этих часов во время морского плавания, если даже столь слабые, почти неощутимые воздействия могли повлиять на их ход». Иными словами, сама логика рассуждений Гюйгенса указывала на чрезвычайную чувствительность маятникового механизма. Однако именно высокая чувствительность такого механизма не позволяла использовать его для определения долготы на кораблях.
Свойство взаимной симпатии маятниковых механизмов, которое еще пару недель назад казалось Гюйгенсу столь восхитительным, теперь выглядело как досадная помеха на пути к решению задачи определения географической долготы на кораблях. Впрочем, ему так и не удалось решить эту задачу. Лишь в середине XVIII века Джон Гаррисон, англичанин, не имевший формального образования, сконструировал ряд моделей морских часов, детали которых были изготовлены из разных металлов, не подверженных коррозии и подобранных таким образом, чтобы взаимно компенсировать расширение и сжатие друг друга, вызванное температурными колебаниями. Четвертая модель его хронометра – шедевр, который он назвал H-4 – содержала детали, изготовленные из алмаза и рубина, что позволило снизить почти до нуля силу трения. Его вес составлял лишь три фунта, а диаметр – пять дюймов, то есть не больше, чем крупные карманные часы. В процессе морских испытаний, проводившихся в 60-е годы XVIII века, географическую долготу удавалось определить с точностью до 10 миль. Этого оказалось вполне достаточно, чтобы получить премию британского парламента в размере 20 тысяч фунтов стерлингов, что эквивалентно нескольким миллионам долларов в наше время.
По иронии судьбы, чем больше времени проходит с момента, когда удалось окончательно решить задачу вычисления географической долготы на кораблях, тем сильнее науку интересует феномен взаимной симпатии часов. Сколь бы бесспорным ни был научный гений Гюйгенса (Ньютон называл его «Суммусом Гюйгением»), даже он не смог оценить подлинное значение того, что Вселенная открыла ему в дни его вынужденного затворничества. Но сейчас, по прошествии более чем 300 лет с того времени, мы в состоянии оценить его открытие по достоинству. Гюйгенс открыл один из самых универсальных механизмов природы – синхронизм в неживой природе.
Нам кажется само собой разумеющимся, что мы можем петь и танцевать вместе с другими людьми, шагать в ногу с ними, в унисон хлопать в ладоши. Синхронизм – наша вторая природа. Но поскольку он дается нам очень легко, мы плохо представляем себе, какие требования синхронизм предъявляет к нам. По-видимому, он требует от нас хотя бы минимального уровня интеллекта, способности планировать свои действия во времени и прогнозировать действия других людей. Именно поэтому публикации о синхронном мерцании тысяч светлячков столь долго вызывали скептицизм ученых и именно поэтому на нас производит столь сильное впечатление синхронное стрекотание сверчков или способы ухаживания самцов манящего краба, которые стараются привлечь самок, размахивая в унисон своими гигантскими клешнями.
Тем не менее эти чудеса синхронизма в живой природе всегда можно объяснить результатами эволюции, следствием миллионов лет естественного отбора. В этом свете должно быть совершенно понятно, почему открытие Гюйгенса, совершенное благодаря его интуитивной прозорливости, оказалось столь шокирующим.
Дело в том, что он обнаружил феномен синхронизма в неживой природе – у маятниковых часов.
Бездушные, безжизненные предметы могут самопроизвольно достигать синхронизма.
Взаимная симпатия маятниковых часов показала нам, что способность к синхронизму не зависит от наличия интеллекта, души или естественного отбора. Она возникает из самого глубинного источника всего сущего – из законов математики и физики.
Этот вывод породил глубочайшее почтение к синхронизму в технологии. Например, если бы не синхронизм, у нас не было бы лазерной хирургии глаза, проигрывателей компакт-дисков, сканеров, которыми пользуются кассиры в супермаркетах, и прочих устройств на основе лазеров, которые применяются в нашей повседневной жизни. Интенсивный, когерентный, тонкий, как иголка, лазерный луч является результатом синхронного испускания световых волн триллионами атомов. Сами по себе эти атомы ничем не отличаются от атомов в обычной лампочке накаливания – хитрость заключается лишь в способе их взаимодействия. Вместо света, создаваемого какофонией разных цветов и фаз, у лазерного света лишь один цвет и одна фаза – как у хора, поющего лишь одну ноту. Можно добиться, что этот свет будет очень сильным (хотя это вовсе необязательно); он сосредоточен в узком луче и может быть сфокусирован в виде крошечного светового пятна. Напротив, силу обычного света можно существенно увеличить лишь за счет приложения очень большой энергии (возможно, настолько большой, что приложение ее станет для нас непозволительной роскошью); обычный свет сильно рассеивается, а его интенсивность резко снижается с увеличением расстояния от источника света; к тому же обычный свет трудно сфокусировать. Все эти преимущества лазерного света позволяют легко управлять им. Например, хирургические лазеры создают пятно сконцентрированной энергии, диаметр которого оказывается меньше толщины режущей кромки обычного хирургического скальпеля и может добираться до больных тканей в таких местах, куда обычным хирургическим скальпелем добраться невозможно[109]. Кроме того, лазерная хирургия почти бескровна, поскольку свертывание крови происходит практически мгновенно: в процессе разрезания ткани лазерный луч прижигает ее.
В течение многих лет после изобретения лазера никто не знал, для каких целей можно использовать это изобретение. Кое-кто, посмеиваясь, описывал лазер как решение, для которого еще предстоит найти задачу. Тем не менее этот плод фундаментальных исследований, родившийся из чистого любопытства ученых, которым просто хотелось исследовать поведение световых волн в синхронизме, стал одним из самых универсальных устройств нашего времени, область применения которого никто не мог предвидеть. На торжественном вечере, устроенном в честь сорокалетия лазера, Артур Шавлов, лауреат Нобелевской премии по физике за 1981 г. (в частности, за совместную с Чарльзом Таунзом разработку лазера), вспоминал:
Мы полагали, что он может найти применение в научных исследованиях, а также в системах связи, однако мы не имели в виду какие-то конкретные его применения. Если бы имели в виду что-то конкретное, это могло бы лишь помешать нам… Некоторые из вас, возможно, уже слышали мое высказывание о том, что, хотя в газетах много пишут о так называемых «лучах смерти», в действительности никаких таких «лучей смерти», насколько мне известно, не существует. Но одним из первых практических применений лазеров было их использовании в хирургии сетчатки глаза для предотвращения слепоты, вызванной отслоением сетчатки. Ни Чарли, ни мне никогда не приходилось слышать о выполнении хирургических операций для предотвращения слепоты, вызванной отслоением сетчатки глаза, а если бы слышали, то, наверное, не стали бы заниматься такой ерундой, как индуцированное излучение из атомов[110].
В этих словах – «индуцированное излучение из атомов» – заключен принцип действия лазера. Правда, – и мне стыдно сознаться в этом – мне не менее десяти раз пытались объяснить принцип действия лазера, но эти объяснения так и не закрепились у меня в голове. Все эти рассуждения о возбужденных атомах и инверсиях населенностей энергетических уровней[111] входят в одно мое ухо, задерживаются в голове на несколько секунд, рождая некое смутное и весьма приблизительное понимание, и благополучно выходят из другого уха. Я не теряю надежды подыскать какую-нибудь простую аналогию, которая будет иметь смысл для меня, – что-нибудь такое, что я могу нарисовать в своем воображении и закрепить в памяти, – но чувствую, что это будет дьявольски сложно. Если читатель понимает принцип действия лазера – или если ему, на самом деле, все равно, как работает лазер, – он может не читать следующий раздел.
Вообразите, что однажды утром вы проснулись на какой-то другой планете и вашему взору открывается безжизненная пустыня. Вокруг вас нет ничего, кроме арбуза, рядом с которым стоит табуретка. Вас, естественно, интересует, зачем здесь табуретка. В поисках ответа на этот вопрос вы берете в руки арбуз и кладете его на табуретку. После этого арбуз начинает проявлять беспокойство, ерзая и слегка подпрыгивая на табуретке. Почти сразу же он сваливается с табуретки и раскалывается на мелкие кусочки. Расколовшись, он сразу же выстреливает семечком, которое со скоростью пули вылетает в случайном направлении.
Описанная мною картина может служить некой аналогией того, как вырабатывается обычный свет. Допустим, вы включили свой тостер и его нагревательный элемент испускает яркий красный свет. Причина этого свечения заключается в том, что электрический ток, проходя через нагревательный элемент, накаляет его. Нагрев переводит атомы нагревательного элемента на более высокий энергетический уровень (аналогией такого перевода на более высокий энергетический уровень может служить поднятие вами арбуза на табуретку). Спустя короткое время каждый разогретый атом самопроизвольно соскакивает на свой самый нижний энергетический уровень – то есть переходит в свое «базовое состояние» – и отдает свою избыточную энергию, испуская фотон (световую частицу) в процессе, называемом спонтанным испусканием; это подобно тому, как беспокойно ерзающий на табуретке арбуз скатывается с нее, раскалывается на части и выстреливает семечком. Накаленный нагревательный элемент излучает красный свет, поскольку возбужденные атомы нагревательного элемента самопроизвольно испускают множество красных фотонов.
Продолжая исследовать планету, на которой вы проснулись, вы подходите к краю обширного поля, на котором разбросано огромное множество арбузов, причем рядом с каждым арбузом стоит табуретка. Вас начинает разбирать любопытство: а что, если семечко, вылетевшее со скоростью пути из расколовшегося арбуза, попадет в другой арбуз? Чтобы инициировать этот процесс, вы поднимаете один из арбузов и кладете его на табуретку, которая стоит рядом с ним. Вскоре этот арбуз падает, раскалывается и выстреливает семечком в произвольном направлении, однако, на ваше счастье, на пути его движения оказывается другой арбуз, лежащий на земле (хотя речь идет о неизвестной планете, будем называть ее поверхность землей). Как только арбуз, оказавшийся на пути семечка, вберет в себя энергию удара, он вспрыгнет на свою табуретку и сразу же начнет ерзать на ней, после чего скатится с нее, расколется на части, выстрелит своим собственным семечком – разумеется, в произвольном направлении. Это будет поистине завораживающее зрелище: одно семечко будет инициировать выстреливание другого семечка, арбузы будут вспрыгивать на свои табуретки, а затем скатываться с них… Подняв первый арбуз, вы непреднамеренно запустили цепную реакцию – правда, очень слабую и невзрывоопасную: ее масштаб поддерживается на постоянном уровне, каждый раз выстреливает лишь одно семечко. Правда, нужно заметить: если какое-либо из выстреливших семечек не попадет ни в один из арбузов, наша цепная реакция полностью «заглохнет».
Этот каскадный процесс представляет немалый интерес, но он не является аналогией лазера. Он не обеспечивает усиления света, поскольку не увеличивает количество фотонов в воздухе. Мы упустили из виду лишь один – но очень важный – аспект этой «физики арбузов»: что произойдет, если семечко попадет в арбуз, который находится на табуретке, а не на земле? Чтобы ответить на этот вопрос, вы одномоментно поднимаете много арбузов и кладете их на соответствующие табуретки (правда, для этого вам придется очень быстро перебегать от арбуза к арбузу, чтобы успеть уложить их на табуретки еще до того, как хотя бы один из них свалится на землю). Потрудившись таким образом, вы быстро отбегаете в сторону и наблюдаете за результатами своих усилий. Со временем какой-то из арбузов обязательно упадет на землю, выстрелит семечком и попадет в какой-то другой из арбузов, уложенных вами на табуретки. (Вероятность такого попадания довольно высока, поскольку вы успели водрузить на табуретки изрядное количество арбузов.) После этого начинается самое интересное. Вместо того чтобы застрять в арбузе, семечко, нанесшее удар, пронизывает арбуз, не изменив направление своего полета; еще более удивительным оказывается то, что теперь это семечко продолжает свое движение в компании с другим семечком, которое является точной его копией. Иными словами, происходит клонирование самечка, которое нанесло удар по арбузу. То есть было одно семечко, летящее в определенном направлении, а теперь их стало два.
Именно в этом и заключается принцип действия лазера. Этот принцип действия называется индуцированным излучением, и вы видите, что он обеспечивает возможность увеличения количества фотонов, движущихся в определенном направлении. Каждый раз, когда фотон попадает в возбужденный атом, он удваивается, усиливая количество света, движущегося в данном направлении. Теперь читателям должно быть понятно, откуда взялось название лазер (laser): Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света посредством индуцированного излучения). Об индуцированном излучении (а не о самопроизвольном излучении) говорится потому, что входящий фотон заставляет возбужденный атом выстрелить еще одним фотоном.
Однако самое главное здесь заключается в том, что новый фотон неотличим от породившего его фотона. Если эти фотоны представлять себе не как частицы, а как крошечные световые волны, то они оказываются идеально синхронизированными. Все их пики и впадины оказываются строго выровненными по времени, а это означает, что они являются носителями света одного и того же цвета, который движется в одном и том же направлении и с одной и той же фазой.
Руководствуясь логикой здравого смысла, нам не понять возможность индуцированного излучения, как нельзя понять на основе той же логики здравого смысла возможность появления нового фотона, представляющего собой точную копию «старого» фотона. Этот феномен является следствием «нелогичной логики» квантовой механики, физики атомного и субатомного мира, не подчиняющегося логике здравого смысла. Эйнштейн открыл теоретическую возможность индуцированного излучения еще в 1917 г., но прошло еще 43 года, прежде чем ученые поняли, как можно использовать индуцированное излучение для создания первого в мире действующего лазера[112].
Вообще говоря, индуцированное излучение является условием необходимым, но не достаточным: лазер базируется еще на двух важнейших составляющих[113]. Во-первых, мы должны придумать способ, как поддерживать большинство арбузов на их табуретках в течение достаточно продолжительного времени, поскольку именно они являются теми мишенями, которые могут привести к возникновению индуцированного излучения. Если арбуз покоится на земле, проку с него мало. А это означает, что мы должны приложить значительную энергию, поскольку арбузы скатываются на землю каждый раз, когда возникает индуцированное излучение. Процесс непрерывного подъема их на табуретки называется «накачкой» лазера, которая обеспечивает «инверсию населенностей (энергетических уровней)». В зависимости от типа используемого вами лазера вы возбуждаете атомы путем одновременного нагрева их, или воздействия на них с помощью импульсной лампы, или пропускания через них электрических разрядов. Такое инжектирование энергии инвертирует населенности – в том смысле, что оно переводит большую часть атомов на более высокий энергетический уровень, чем предпочтительное для них пребывание в базовом («наземном») состоянии.
Вторым необходимым условием работы лазера является способ усиления света и создания узкого пучка света, движущегося в строго определенном направлении. То и другое условие выполняются путем помещения атомов в эхо-камеру для света – то есть то, что физики назвали бы резонатором. Труба органа представляет собой резонатор звука. Корпус гитары является резонатором звука для гитары: он усиливает даже самые слабые вибрации натянутых струн, превращая их в полноценные звуки. Лазерный резонатор выполняет такую же функцию по отношению к световым волнам. Возьмите длинную и тонкую стеклянную трубку и наполните ее газом, содержащим подходящие виды атомов и молекул, или возьмите рубиновый стержень; вообще говоря, существует множество конструкций лазера. Затем разместите с обоих концов зеркала. Поверните включатель, чтобы инициировать процесс накачки лазера (поднятия арбузов на табуретки). Самопроизвольное излучение запустит цепную реакцию. Вспомните, что эти первые фотоны испускаются в произвольных направлениях. Затем, когда они запустят последующий процесс индуцированного излучения, эти первоначальные фотоны клонируются, но поскольку они все еще движутся в своих первоначальных произвольных направлениях, многие из них ударяются о стенки трубки и поглощаются ими: они не вносят свой вклад в свет, излучаемый лазером. Иными словами, все такие направления аккуратно отфильтровываются. Остаются лишь фотоны, курсирующие туда и обратно между зеркалами. Впрочем, они не просто остаются – они размножаются. С каждым отражением от зеркал и прохождением через трубу они порождают все большее и большее число своих идеальных копий, усиливая свой свет и создавая великолепный пучок идеально синхронизированных фотонов. Чтобы часть этого света могла выходить наружу, одно из зеркал устанавливается так, чтобы оно отражало несколько меньше, чем 100 % света, попадающего на него. Крошечная доля синхронизированного света, выходящая за пределы лазера, – вот что мы видим как лазерный луч.
К самой большой загадке здесь – почему вновь создаваемые фотоны всегда пребывают в синхронизме с фотонами, породившими их, – мы еще вернемся в следующей главе, когда мы присмотримся пристальнее к феномену синхронизма в квантовом мире.
Еще одна разновидность синхронизма положена в основу единой энергосистемы[114] Соединенных Штатов – электроэнергетического монстра, который обеспечивает подачу переменного тока к розеткам в наших домах и офисах. Тысячи электрогенераторов на электростанциях по всей стране соединены между собой, образуя два гигантских синхронных электрогенератора – региональные энергосистемы, которые обслуживают все штаты, расположенные на восток и на запад от Скалистых гор. (Техас, конечно же, располагает своей собственной энергосистемой – на то он и Техас…) Каждая такая энергосистема функционирует как единый огромный электрогенератор, причем все составляющие его генераторы вращаются в унисон.
Мне уже давно приходилось слышать о такой энергосистеме, но никогда раньше я не задумывался над тем, что же все это означает в действительности. Возможно, и вы, подобно мне, никогда не задумывались над тем, откуда берется электричество в ваших розетках, а если и задумывались, то, скорее всего, полагали, что оно вырабатывается вашей местной электростанцией, как и во всех остальных уголках Соединенных Штатов. Однако в действительности ситуация такова, что, когда Средний Запад накрывает жара, воздушный кондиционер где-нибудь в Висконсине может приводиться в действие электричеством, выработанным мгновением раньше на какой-то из электростанций в Южной Каролине. В отсутствие синхронизма такое перераспределение электроэнергии, совершенно незаметное для ее потребителей, было бы невозможно.
В общих чертах эта система работает так. Каждая электростанция использует ту или иную форму природной энергии для приведения в движение турбины, которая вращает генератор, вырабатывающий электричество. Например, электростанция может сжигать уголь, мазут или природный газ или использовать ядерную энергию для выработки тепла, достаточного для нагревания воды до кипения и превращения ее в пар, который затем подается на лопатки турбины и вращает ее. Для выработки электроэнергии может также использоваться энергия падающей воды (как на Ниагарском водопаде), которая вращает гидротурбину. После того электричество сгенерировано, оно преобразуется в электрический ток очень высокого напряжения (до 765 тысяч вольт), передаваемый по единой электросети страны. Это дает возможность электростанциям передавать электроэнергию с одного конца страны на другой, компенсируя таким образом нехватку электроэнергии в тех или иных местах или используя к своей выгоде ценовые дифференциалы. На конце электропередающей линии напряжение понижается до 120 вольт, которые мы снимаем с розеток у себя дома или в офисе.
История единой энергосистемы восходит к 1882 г., когда состоялось открытие электростанции Томаса Эдисона Pearl Street Station на Манхэттене, поставлявшей электроэнергию 59 потребителям. Эта новая технология стала настоящей сенсацией, и к концу 80-х годов XIX столетия было электрифицировано несколько других городов. Молодая компания Эдисона General Electric поставляла своим потребителям так называемый постоянный ток (такого рода ток обеспечивают электрические батареи и аккумуляторы), который движется строго в одном направлении: от высокого потенциала к низкому потенциалу, подобно воде, стекающей сверху вниз.
Проблема с постоянным током, однако, заключалась в том, что его можно было передавать лишь на очень небольшие расстояния. При попытке передать постоянный ток на большие расстояния недопустимо большая часть энергии терялась на нагрев (неизбежное следствие сопротивления проводов). Единственным способом решения этой проблемы была передача электричества при очень высоком напряжении и очень малом токе (поскольку безвозвратные потери электроэнергии возрастают пропорционально квадрату величины тока, идеальным решением данной проблемы является максимально возможное снижение величины тока). Однако для питания маленьких лампочек и примитивных устройств потребителям нужно было именно низкое напряжение, а не высокое. Эту проблему можно было бы решить с помощью трансформатора постоянного тока, то есть устройства, позволяющего преобразовать высокое напряжение постоянного тока в низкое. В то время никто, даже Эдисон, не мог предложить конструкцию такого трансформатора постоянного тока.
Между тем в 90-е годы XIX столетия компания Westinghouse Company экспериментировала с новым видом электричества, идея которого была предложена Николой Тесла, – с переменным током, который попеременно менял направление своего движения, синхронно с вращением электрогенератора, вырабатывающего этот ток. В результате острых дискуссий, касавшихся сравнительных достоинств постоянного и переменного тока, победителем оказался переменный ток, поскольку его оказалось гораздо легче преобразовывать из высокого напряжения в низкое и наоборот. К тому же конструкция генераторов переменного тока также оказалась намного проще, поскольку вращающиеся магниты автоматически создают переменный ток, тогда как для преобразования его в постоянный ток требуется дополнительный шаг.
Главным вопросом касательно переменного тока был выбор самой подходящей частоты. Иными словами, сколько раз в секунду ток должен изменять свое направление? В 1900 г., когда принималось это решение, многие из местных электростанций работали независимо друг от друга и использовали разные частоты. Некоторые упрямо цеплялись за постоянный ток, тогда как другие генерировали переменный ток с частотами 25, 50, 60, 125 или 133 циклов в секунду. Например, гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде, а также другие гидроэлектростанции предпочитали частоту 25 циклов в секунду, поскольку турбины их электрогенераторов могли работать эффективнее именно на такой частоте. Эта частота обладала интересным недостатком, который носил не столько технологический, сколько психологический характер: она вызывала у лампочек накаливания мерцания, заметные и раздражающие для большинства людей. (В наши дни стандартной частотой переменного тока в Северной Америке является частота, равная 60 циклам в секунду, тогда как в других странах стандартная частота переменного тока равняется 50 циклам в секунду.)
Со временем, с ростом спроса на электроэнергию, местные электростанции расширяли территории, которые они охватывали своими услугами, и даже «вторгались» на территории друг друга. Примерно в это время началось становление единой энергосистемы. Такая консолидация обеспечивала несколько преимуществ. Сетевая система отличалась более высокой надежностью, поскольку, если на одной электростанции происходила авария или возникал дефицит вырабатываемой электроэнергии, другая могла его восполнить. Существовала и определенная финансовая выгода: электростанции в разных регионах могли продавать и покупать электроэнергию друг у друга, пользуясь разницей в себестоимости вырабатываемой ими электроэнергии. Подчас электростанции было выгоднее купить электроэнергию в сети, чем выработать ее самостоятельно.
Техническая трудность объединения в такую сеть заключалась в том, что нужно было строго синхронизировать скорость вращения всех электрогенераторов, даже если они отстояли друг от друга на сотни миль. В этом случае синхронизм играл решающую роль. В противном случае электроэнергия могла хаотически перетекать по сети туда и обратно, вызывая громадные скачки тока в линиях электропередачи. В наихудшем случае генератор мог принять на себя столь большую мощность, что это привело бы к взрыву или, по крайней мере, к серьезному повреждению. (В наши дни специальное защитное оборудование отключает любой генератор, который выбивается из синхронизма.) Частично решением этой проблемы стало использование законов физики. Электроинженеры обнаружили, что генераторы, соединенные параллельно друг другу, со временем взаимно синхронизируют скорость своего вращения. Другими словами, сеть, состоящая из параллельно соединенных между собой генераторов, проявляет тенденцию к самосинхронизации: превосходный пример самопроизвольной синхронизации, вполне в духе взаимной симпатии маятниковых часов Гюйгенса.
Этот эффект легче всего понять в случае двух генераторов, параллельно соединенных между собой. Если вдруг окажется, что они вращаются с разной скоростью, генератор, вращающийся с меньшей скоростью, автоматически примет на себя электроэнергию с более быстрого генератора, в результате чего медленный генератор начнет вращаться быстрее, а быстрый генератор замедлится, что приведет к устранению разницы их скоростей. Если пользоваться строго научными терминами, то любое возмущение, которое заставляет один генератор «оторваться» от другого генератора, уравновешивается корректирующими электрическими токами, которые тотчас же начинают циркулировать в цепи; это, в свою очередь, приводит к появлению вращающих моментов, которые приводят к взаимному выравниванию скоростей генераторов. Таким образом, пара генераторов проявляет тенденцию к самопроизвольной взаимной синхронизации.
Недостатком взаимосвязанности генераторов является возможность распространения сбоев по сети. Такие «эффекты домино» могут быть достаточно сложными, непредсказуемыми и драматичными. В вечерний час пикового потребления электроэнергии 9 ноября 1965 г. высоковольтные линии электропередачи от гидроэлектростанций на Ниагарском водопаде до Нью-Йорка работали с максимальной нагрузкой, когда произошел резкий скачок электроэнергии[115]. Незадолго до 17:15 случилось ложное срабатывание защитного устройства, которое заблокировало 300 тысяч киловатт электроэнергии, предназначавшихся для передачи в Нью-Йорк, и направило эту электроэнергию в какое-то другое место сети, запустив таким образом цепную реакцию, в ходе которой один за другим срабатывали автоматические выключатели. В результате единая энергосистема северо-востока страны разделилась на ряд автономных электрических «островков». Торонто погрузился во тьму в 17:15, Рочестер – в 17:18, Бостон – в 17:21. В конечном счете на протяжении примерно 13 часов без электричества оставались 30 миллионов человек, проживающих в штатах Нью-Гэмпшир, Вермонт, Массачусетс, Коннектикут, Род-Айленд, Нью-Йорк, в городе Нью-Йорк, а также в некоторых частях штата Пенсильвания.
Нетрудно понять, что каскадные сбои, подобные описанному выше, время от времени должны происходить. Энергосистема является чрезвычайно сложной и динамичной системой. Ей приходится решать задачи невероятной сложности: предоставлять электричество в соответствии с динамично изменяющимися потребностями, предоставлять его мгновенно – с требуемыми уровнями напряжения и строго определенной частотой. В отличие от других продуктов, электричество невозможно хранить «про запас». Его нужно вырабатывать и предоставлять потребителю тотчас же, по первому требованию; выработка электроэнергии является именно той отраслью, где продукцию нужно поставлять «точно в срок» – и никак иначе. Задача поставки электроэнергии потребителям чрезвычайно усложняется тем обстоятельством, что спрос на продукцию энергосистемы зависит от неконтролируемых факторов, например наступления жары или причуд человеческой психологии. После того как был зачитан вердикт по делу О. Джей Симпсона, в энергосистеме произошло резкое падение потребления электроэнергии, которое, скорее всего, было вызвано тем, что миллионы людей, выслушав приговор суда, практически одномоментно выключили телевизоры. Теперь, после принятия правительством решения о дерегулировании электроэнергетики и потенциально дестабилизирующего влияния экономики свободного рынка на функционирование единой энергосистемы, инженеры и ученые столкнутся с еще большими проблемами, связанными с необходимостью гарантировать, что эта крупнейшая в мире система продолжит функционировать так же надежно, как функционирует уже многие десятки лет.
В других технологических системах синхронизм используется для поддержания надлежащего порядка вещей. Точное соглашение о времени суток в двух или нескольких удаленных на значительные расстояния друг от друга пунктах является жизненно важным для выполнения банками электронных переводов денег, для синхронизации телевизионных передач и для пересылок информации, начиная с электронной почты и заканчивая трансляцией песен на радио. (Когда вы настраиваетесь на какую-либо радиостанцию, вам нужно установить регулятор настройки на определенную частоту, что дает возможность вашему радиоприемнику синхронизироваться с соответствующей радиопередачей. В противном случае вы не смогли бы настроиться на радиоволну, транслирующую музыку, и не услышали бы ничего, кроме разрядов статического электричества.) Тот же принцип используется в мобильных телефонах и в спутниковой связи, а также во всех других формах беспроводной связи.
Все электрические компоненты в компьютерной микросхеме тактируются, чтобы они могли работать синхронно[116]. Тактовый генератор, задающий ритм работы компьютерной микросхемы, работает на частоте, равной нескольким миллиардам колебаний в секунду, включая и выключая определенным образом миллионы цифровых схем, входящих в состав этой микросхемы, что позволяет всем этим цифровым схемам эффективно взаимодействовать между собой. Такая централизованная система, все компоненты которой работают под управлением тактового генератора (играющего роль «центральных часов»), обладает рядом существенных недостатков: 15 % всех цифровых схем, входящих в состав микросхемы, занимаются исключительно распределением тактового сигнала, а сам тактовый генератор потребляет примерно 20 % мощности, потребляемой микросхемой в целом. Однако инженеры отдают предпочтение именно такому конструктивному решению из-за его концептуальной простоты, а также потому, что альтернативное решение – «демократия» многих локальных «часов» (тактовых генераторов), как в случае сообществ светлячков и клеток-задатчиков циркадного ритма – до сих пор не понято в достаточной степени, что не позволяет легко имитировать его на практике.
Самые технически совершенные применения синхронизма являются прямыми наследниками маятниковых часов Гюйгенса и упоминавшейся нами проблемы определения географической долготы. В наши дни самыми точными часами в мире являются атомные часы[117]. Подобно всем предшествующим конструкциям часов, принцип их действия основан на подсчете колебаний какого-либо периодического события. Но вместо того чтобы подсчитывать колебания маятника, как в случае маятниковых часов Гюйгенса, атомные часы подсчитывают переходы атома цезия с одного своего энергетического уровня на другой (у этого атома есть два энергетических уровня). Универсальный стандарт времени NIST-FI, поддерживаемый Национальным институтом стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology) в Баулдере, Колорадо, представляет собой цезиевые суперчасы, ошибка которых не превышает одной секунды за 20 миллионов лет. В настоящее время разрабатываются новые оптические часы, точность которых будет примерно в тысячу раз выше, чем у цезиевых суперчасов, а погрешность составит меньше одной секунды за время, которое прошло с момента возникновения Вселенной.
Одержимость желанием создать как можно более точный стандарт времени представляет собой нечто большее, чем свидетельство щепетильности ученых. Точно так же, как наличие надежных часов было ключом к решению проблемы определения географической долготы, атомные часы позволили определять любое местоположение на Земле с точностью до нескольких метров. Соответствующая технология известна как глобальная система навигации и позиционирования (Global Positioning System – GPS). Впервые информация о глобальной системе навигации и позиционирования (определения местоположения), разработанной американскими военными для повышения точности запуска баллистических ракет с подводных лодок, была опубликована в открытой печати в 1991 г.[118], когда она обеспечила очень точное наведение крылатых ракет во время войны в Ираке (ракеты залетали буквально в окна зданий, предназначенных для уничтожения) и позволяла войскам коалиции ориентироваться в иракской пустыне ночью. Мирные применения GPS могут быть самыми разными, начиная с оказания помощи водителям, потерявшимся в автомобилях, взятых ими напрокат, и заканчивая усовершенствованными системами оказания экстренной помощи («служба 911»), которые автоматически определяют кратчайшие маршруты для автомобилей «скорой помощи» и пожарных расчетов. В настоящее время проводятся испытания еще более совершенных версий GPS, обеспечивающих «слепую» посадку самолетов в условиях сильного тумана (в этих случаях самолет нужно позиционировать с точностью до 10 сантиметров как по горизонтали, так и по вертикали). Однако GPS – это не просто навигационная система: она обеспечивает временную синхронизацию с точностью, превышающей миллионную долю секунды, что необходимо для координирования банковских переводов и других финансовых транзакций.
Глобальная система навигации и позиционирования состоит из 24 спутников, вращающихся по орбитам на расстоянии примерно 11 тысяч миль от Земли. Они распределены по своим орбитам таким образом, чтобы в любой данный момент времени любое место на нашей планете было одновременно видно по меньшей мере шести спутниками системы GPS. На борту каждого такого спутника имеются по четыре экземпляра атомных часов, причем все они синхронизированы друг по отношению к другу (с помощью главных суперчасов в Баулдере) с точностью, не ниже миллиардной доли секунды. Любой GPS-приемник, подобный тем, которые устанавливаются в дорогих автомобилях или мобильных устройствах, принимает сигналы не менее чем с четырех таких спутников и использует эти четыре числа для вычисления своего местоположения в трехмерном пространстве, а также для определения текущего времени. Это вычисление основано на использовании принципа триангуляции: спутники непрерывно передают радиосигналы, каждый из которых снабжен меткой времени (с точностью до наносекунды – вот для чего нужны бортовые атомные часы спутников); затем приемник сравнивает время приема и время передачи сигнала и умножает разницу на скорость света, чтобы вычислить расстояние до спутника. Одновременно выполняя то же самое вычисление не менее чем с четырьмя спутниками (позиции которых известны очень точно), приемник может определить свое местоположение с точностью до нескольких метров; для такого вычисления ему нужно не более десятой доли секунды.
Синхронизм в неживой природе не ограничивается лишь пределами ближнего космоса, который бороздят искусственные спутники Земли, входящие в систему GPS. Многие из нас даже не подозревают о существовании синхронизма в космическом масштабе. Возможно, это объясняется непостижимыми расстояниями и временами, которыми нам приходится оперировать применительно к космосу. Но после того как астрономы недавно открыли две малые планеты, вращающиеся вокруг звезды Gliese 876 (на расстоянии около 15 световых лет от Земли), одним из первых фактов, на которые они обратили внимание, было то, что эти планеты пребывают в состоянии так называемого орбитального резонанса[119] – грациозного танца, при выполнении которого одна из этих планет совершает вокруг своей звезды два полных оборота за то время, пока другая планета совершает вокруг этой звезды один полный оборот. Кое-что еще более впечатляющее происходит с нашей «родной» Луной: она вращается вокруг собственной оси точно с такой же скоростью, с какой она вращается вокруг Земли (именно поэтому мы всегда видим одну и ту же сторону Луны – ту, на которой можно увидеть, если у вас хорошо развито воображение, нечто, похожее на мужское лицо, тогда как темная сторона Луны всегда находится на затылке этой «головы»).
Синхронизацию между орбитой Луны и ее вращением вокруг собственной оси можно объяснить на интуитивном уровне. Чтобы упростить наши рассуждения, допустим, что Луна вращается вокруг Земли по круговой орбите. Диаметр этой окружности определяется балансом двух сил: силы притяжения со стороны Земли и центробежной силы, вызванной движением Луны (эта центробежная сила пытается оторвать Луну от Земли). (Центробежная сила – это сила, которая прижимает вас к двери вашего автомобиля, когда вы делаете резкий поворот.) Эти две силы – сила притяжения и центробежная сила – идеально уравновешивают друг друга в центре Луны. Но следует иметь в виду, что Луна представляет собой огромный шар, а не точку. В точках, отличных от центра, указанные силы не вполне уравновешивают друг друга. На ближней к нам стороне Луны сила притяжения оказывается сильнее, тогда как на дальней стороне Луны оказывается сильнее центробежная сила. Этот дисбаланс создает на Луне две небольшие выпуклости, одна из которых находится на ближней к нам стороне, а другая – на дальней стороне. То же самое происходит на Земле благодаря притяжению со стороны Луны (именно это является причиной океанских приливов и отливов). На Луне, где отсутствует вода, этот «приливной эффект» менее заметен, но все же важен, поскольку он деформирует Луну, превращая ее из строго сферической в слегка сигарообразную. Из-за гравитационного поля Земли эта «сигара» всегда стремится указывать строго в направлении центра Земли. Чтобы такое позиционирование сохранялось даже в процессе вращения Луны вокруг Земли, Луна должна совершать полный оборот вокруг собственной оси в точности за то самое время, которое требуется ей для совершения полного оборота вокруг Земли. Именно такое условие соблюдается на практике; это условие известно как резонанс 1:1 вращения вокруг собственной оси и вращения по орбите (так называемое приливное захватывание).
Если бы Луна по тем или иным причинам нарушила это состояние резонанса, то приливная сила обязательно вернула бы ее в состояние резонанса. Чтобы понять, почему это обязательно должно было бы произойти, допустим, что «сигара» не указывает в направлении центра Земли.
Возникшая ситуация несколько напоминала бы стрелку компаса, которая не указывает на север – силовое поле (магнитное для стрелки компаса и гравитационное для Луны) создает корректирующий вращающий момент, который стремится вернуть «сигару» в ее равновесное положение. Точнее говоря, сила притяжения Земли поворачивает ближнюю выпуклость Луны в одном направлении, а дальнюю ее выпуклость – в противоположном направлении, однако ближняя выпуклость поворачиваетя сильнее из-за того, что она ближе. В результате «сигара» возвращается в свое равновесное положение, что приводит к восстановлению упоминавшегося выше резонанса 1:1 вращения вокруг собственной оси и вращения по орбите.
Вместо аналогии со стрелкой компаса можно было бы воспользоваться аналогией, с детства знакомой многим из нас. Я имею в виду детскую игрушку «ванька-встанька»: если вы попытаетесь поставить такую игрушку с ног на голову, она обязательно, автоматически, вернется в свое исходное положение, поскольку центр ее тяжести искусственно смещен вниз. Образно говоря, у Луны центр тяжести тоже смещен вниз – в том смысле, что ее ближняя к нам выпуклость больше «нагружена» силой земного притяжения, что обеспечивает корректирующий вращающий момент, необходимый для возвращения Луны в состояние синхронизма.
Еще одна форма астрономического синхронизма может быть ответственна за вымирание динозавров на Земле[120] – событие, которое навсегда изменило ход жизни на нашей планете, предоставив возможность малым млекопитающим выжить, эволюционировать и в конечном счете превратиться в человека. Согласно господствующей ныне теории, предложенной Луисом и Уолтером Альваресами (отец и сын), а также их коллегами, динозавры и многие другие формы жизни внезапно исчезли с лица Земли, когда какой-то гигантский объект – возможно, астероид или комета – врезался в Землю примерно 65 миллионов лет тому назад. Воздействовав на Землю с разрушительной силой, эквивалентной примерно 100 миллионам водородных бомб, он вызвал катастрофу планетарного масштаба в форме пожаров, высоких температур, ядовитых кислотных дождей и непроницаемых облаков пыли и дыма, которые на многие месяцы полностью затмили солнечный свет.
Чтобы понять, как такой катаклизм может быть связан с синхронизмом, нам нужно сначала уяснить, почему время от времени на нас падают камни с неба. Ученые полагают, что эти метеоры представляет собой последствия неудавшейся попытки формирования некой планеты в первые дни существования нашей Солнечной системы. В то очень далекое от нас время частицы пыли вращались вокруг новорожденного Солнца и постепенно соединялись между собой, превращаясь в глыбы, которые, в свою очередь, соединялись между собой во все большие и большие фрагменты, постепенно образуя планеты, которые мы видим сегодня.
Одной из самых замечательных особенностей возникшей в то время солнечной системы является пустота, которая отделяет ближние планеты Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) от более удаленной гигантской планеты – Юпитера. Большинство из нас имеют весьма приблизительное представление о величине расстояний, которые разделяют эти планеты. Эти расстояния кажутся просто непостижимыми. Но мы начинаем получать более отчетливое представление о них здесь, в Итаке, благодаря модели Солнечной системы, выполненной в масштабе. Эта модель называется Sagan Walk («Путь Сагана»); она была создана в честь ныне покойного Карла Сагана, выдающегося астрофизика, большая часть научного пути которого прошла в Корнельском университете, находящемся в Итаке. Начав осмотр этой модели с Солнца, расположенного на центральной площади города, вы практически сразу же наталкиваетесь на четыре ближние планеты Солнечной системы, размеры каждой из которых не превышают обычной горошины; каждая из них помещена в свою собственную коробку, выполненную из прозрачного оргстекла. Чтобы перейти от одной из этих планет к другой, вам нужно сделать буквально пару шагов, и вы сразу же понимаете, что путешествие от Меркурия до Марса будет очень коротким. Все ближние планеты находятся прямо здесь, на той же площади. Но чтобы добраться до следующей планеты, вам придется покинуть центральную площадь города и пройти по улице, ведущей в сторону ресторана Moose-wood Restaurant, где вас ожидает Юпитер; путь к нему займет у вас несколько минут. Почему же столь велико расстояние между ближними планетами и Юпитером, заполненное вакуумом?
На самом деле это не совсем вакуум. Между Марсом и Юпитером находится пояс, состоящий из миллионов глыб, вращающихся вокруг Солнца; все это множество глыб называется поясом астероидов[121]. Некоторые из этих глыб цельные, тогда как другие представляют собой груды не скрепленных между собой камней разных размеров, начиная с песчинок и заканчивая огромными валунами шириной в милю. В отличие от привычных сплошных камней, цельность которых обеспечивается химическими связями, единственное, что удерживает между собой такие несвязанные скопления, – сила их взаимного притяжения.
Такой пояс астероидов является для нас загадкой по нескольким причинам. Во-первых, он представляется более «рыхлым», чем должен бы быть. Совокупная масса этого пояса сейчас составляет примерно одну двадцатую часть массы Луны, хотя в какое-то время он должен был содержать массу, достаточную для образования нескольких планет, таких как наша Земля. Однако сейчас масса астероидного пояса чрезвычайно далека от такой величины. Куда же она девалась?
Существует еще одна загадка, связанная с этой. На протяжении более чем ста лет астрономам известно о загадочных «пустотах» в этом поясе, круговых выемках, в которых отсутствуют астероиды (эти выемки представляют собой нечто наподобие промежутков между записями на виниловой грампластинке)[122]. Они были обнаружены в 1857 г. Дэниелом Керквудом, бывшим школьным учителем, который освоил алгебру, штудируя учебник по алгебре вместе с одним из своих учеников, и который впоследствии стал профессором математики в университете штата Индиана. Анализируя данные, собранные астрономами, Керквуд обратил внимание на неравномерность расположения этих промежутков; к тому же их местоположения не следовали каким-либо правилам, которым должны были следовать.
Важная подсказка, которая помогла найти ответ на этот вопрос, появилась в 1866 г., когда Керквуд переформулировал его как вопрос о времени, а не о расстоянии. Сколько времени, спросил себя Керквуд, понадобилось бы гипотетическому астероиду, находящемуся в одном из таких промежутков, чтобы совершить один полный оборот вокруг Солнца? Воспользовавшись третьим законом Кеплера (описывающим математическую связь между расстоянием от какого-либо небесного тела до Солнца и временем, которое требуется этому небесному телу, чтобы совершить один полный оборот вокруг Солнца), он смог вычислить орбитальные периоды для каждого такого промежутка. Например, чтобы совершить один полный оборот вокруг Солнца астероиду, находящемуся в самом большом промежутке, понадобилось бы примерно 4 года – интересное число, поскольку оно в точности равняется одной трети орбитального периода Юпитера, составляющего около 12 лет. Аналогично, астероид, находящийся в одном из других промежутков, совершил бы пять полных оборотов вокруг Солнца за то время, которое требуется Юпитеру для совершения двух полных оборотов вокруг Солнца. Вообще говоря, все промежутки подчинялись одному и тому же замечательному правилу: их орбитальные периоды всегда были связаны с орбитальным периодом Юпитера посредством некоторого соотношения небольших целых чисел, например 3:1, 5:2, 7:3 или 2:1.
Такая нумерология вовсе не была случайной. Эти промежутки, которые получили название промежутков Керквуда, представляют собой верный знак астрономического синхронизма. Они указывают на то, что все дело здесь в силе притяжения Юпитера: она «резонирует» с любым астероидом, который попал в промежутки, систематически воздействуя на него и в конечном счете выбрасывая его из пояса.
Этот резонансный механизм[123] работает следующим образом. Рассмотрим астероид с периодом, составляющим приблизительно 4 года; этот астероид вращается вокруг Солнца в 3 раза быстрее, чем Юпитер, что соответствует промежутку Керквуда 3:1. Когда Юпитер совершает свой величественный обход вокруг Солнца по практически круговой орбите, астероид начинает свое путешествие на плечах Юпитера, а затем устремляется к Солнцу по удлиненной, эллиптической орбите. Огромная сила притяжения Солнца играет астероидом, как мячиком, и швыряет его обратно, в сторону Юпитера, так быстро, что он успевает совершить три полный оборота вокруг Солнца за то время, пока Юпитер совершит один оборот. В конце своего третьего круга астероид оказывается именно в том самом месте, с которого началось его путешествие – на плечах Юпитера. Иными словами, эта точка наибольшего сближения всегда оказывается в одном и том же месте орбит астероида и Юпитера.
Эти тесные сближения оказывают сильное возмущающее воздействие на астероид, что обусловлено громадными размерами Юпитера и его огромной силой притяжения – особенно в момент их максимального сближения. Кроме того, одни и те же возмущающие воздействия все время аккумулируются, поскольку такие взаимодействия между астероидом и Юпитером всегда происходят в одной и той же точке орбиты. После того как совершится несколько сотен таких циклов, эти периодические напряжения накапливаются до такой степени, что искажают траекторию астероида, делая ее хаотической, что существенно повышает вероятность выхода астероида за пределы пояса. (Если бы астероид не находился в резонансе 3:1, он сближался бы с Юпитером в произвольных точках своей орбиты, в результате чего на достаточно продолжительном отрезке времени все перечисленные эффекты взаимно компенсировались бы.)
Компьютерное моделирование показывает, что астероиды, отрывающиеся от пояса, чаще всего падают на Солнце или покидают пределы Солнечной системы. Иногда, однако, они сталкиваются с одной из ближних планет. Если такой ближней планетой оказывается Земля и если размеры астероида оказываются сопоставимы с размерами горы Эверест (а именно такими, по-видимому, были размеры астероида, уничтожившего динозавров на нашей планете, если принять во внимание величину кратера, обнаруженного южнее полуострова Юкатан и образовавшегося в результате падения этого астероида), то нетрудно понять, насколько важен для нас этот астрономический синхронизм.
Однако эта аргументация не может служить исчерпывающим ответом на первую загадку. Промежутки Керквуда чересчур узкие, чтобы их существование могло объяснить всю массу, которая покидает пояс. Это делает крайне маловероятным предположение о том, что ее источником может быть лишь Юпитер. Астрономы Джон Чемберс и Джордж Уэзерилл недавно предложили альтернативное решение. Они предположили, что на заре развития Солнечной системы несколько «планетарных эмбрионов» – некоторые из них величиной с Марс – сформировались из глыб, обитающих в поясе астероидов (точно так же, как это происходило в других местах при формировании планет, которые мы видим сегодня). Эти протопланеты воздействовали на другие глыбы, обитающие в поясе астероидов, подталкивая их в резонансные «аварийные люки», что приводило к более быстрому утоньшению пояса астероидов, чем в случае воздействия лишь со стороны Юпитера. Со временем некоторые из этих эмбриональных планет (или все они) сами попадали в промежутки Керквуда – лишь для того, чтобы впоследствии быть выброшенными из пояса и исчезнуть навсегда.
В развитие этой логики астрономы Алессандро Морбиделли и Джонатан Лунини предположили, что один из этих неуправляемых «планетарных эмбрионов» мог врезаться в молодую Землю, что привело к появлению на ней океанов. Вообще говоря, появление воды на Земле всегда было загадкой для ученых[124]. На других ближних планетах вода отсутствует (или почти отсутствует). Учитывая положение Земли в Солнечной системе, мы располагаем гораздо большими запасами воды, чем должны были бы.
Традиционное объяснение заключается в том, что кометы, которые содержат большую долю воды, чем все другие небесные тела, бомбардировали Землю на более поздних стадиях ее формирования, поставляя на Землю воду, которая присутствует сейчас в океанах, озерах и реках. Но астрономы начали подвергать сомнению такую гипотезу, поскольку химический состав воды в кометах обычно полностью отличается от химического состава воды на Земле. (Кометы содержат более высокий процент тяжелой воды – чрезвычайно редкого варианта, в котором водород с единственным протоном в своем ядре замещен дейтерием с одним протоном и одним нейтроном.) С другой стороны, вода, обнаруженная в высокоуглеродистых метеоритах, которые, как полагают, являются фрагментами астероидов, по своему химическому составу оказывается гораздо ближе к воде в океанах.
Таким образом, новая гипотеза заключается в том, что избыточное количество воды на нашей планете могло оказаться делом случая, удачным результатом случайного столкновения с ледяной глыбой, запущенной из астероидного пояса. Если правильность этой гипотезы подтвердится, нам останется лишь поблагодарить астрономический синхронизм не только за уничтожение динозавров и расчистку места для эволюции наших предков, но и за доставку воды, без которой жизнь на нашей планете была бы невозможна.
Сколь бы величественное зрелище ни представлял собой синхронизм в космических масштабах, еще более впечатляет он в микромире. Здесь, глубоко в недрах материи, роль осцилляторов исполняют электроны, светлячки микромира. Но в отличие от настоящих светлячков, которых мы, для большего математического удобства, решили считать идентичными, эти квантовые частицы идентичны по-настоящему. Каждый электрон во Вселенной неотличим от любого другого электрона. Они никогда не стареют. Они никогда не ломаются и не разрушаются. А совершенство электронов обеспечивает возможность их беспрецедентного группового поведения, которому нет аналогов в макромире.
В своей повседневной жизни мы привыкли к электричеству лишь в его хаотической форме – суета независимых частиц, не сотрудничающих между собой. Электрический ток, который питает тостер, представляет собой беспорядочную толкотню электронов, продирающихся через нагревательный элемент и раскаляющих его. Но если взять те же самые электроны и упорядочить, скоординировать их движение, вы получите одно из самых восхитительных явлений, известных науке, – триллионы электронов, которые маршируют в ногу, не встречая на своем пути никакого электрического сопротивления и проскальзывая сквозь металл без каких-либо затрат энергии в форме трения или нагрева. Эта невероятно неустойчивая форма электрической проводимости называется в наши дни сверхпроводимостью. Подобно открытию «взаимной симпатии» маятниковых часов, явление сверхпроводимости было открыто благодаря интуитивной прозорливости – в данном случае благодаря тому, что ученым стало интересно, что происходит с электричеством при температурах, близких к абсолютному нулю.
Глава 5. Квантовый хор
Когда мне было шесть лет, мои родители подарили мне в качестве игрушки большую батарею – такую, которые обычно используют в мощных электрических фонарях. Мне почему-то пришло в голову соединить проволокой два полюса этой батареи. Пока я шел к дому моего приятеля Кейси, чтобы продемонстрировать ему свою новую игрушку, я чувствовал, что проволока и батарея нагреваются у меня в руках все больше и больше. Электричество бешено циркулировало по созданной мною цепи, а сопротивление этой цепи электрическому току вырабатывало значительное количество тепла[125].
На микроскопическом уровне триллионы электронов продвигались по проволоке, соскакивая в произвольных направлениях с пространственной решетки атомов меди подобно тому, как во время игры в пинбол шарики соскакивают с амортизаторов в пинбол-машине. Вообще говоря, движение электронов оказывается еще более хаотическим, чем движение шариков во время игры в пинбол. Атомы меди, в отличие от амортизаторов, не стационарны. Они все время трясутся и покачиваются. Чем выше окружающая температура, тем больше они трясутся и покачиваются. Поэтому более точной аналогией была бы совокупность шариков, пытающихся проложить себе путь через препятствие в виде множества вибрирующих амортизаторов. Каждое столкновение с вибрирующей атомной пространственной решеткой препятствует движению электронов и порождает сопротивление.
Эта модель электрической проводимости была знакома всем физикам еще в начале XX столетия. Согласно этой модели, сопротивление металла должно неуклонно снижаться по мере снижения температуры (поскольку меньшая подвижность пространственной решетки означает уменьшение количества и силы соударений). Когда эксперименты подтвердили такой теоретический вывод, некоторые физики заинтересовались: что могло бы произойти с электрической проводимостью в случае снижения температуры металла до абсолютного нуля, то есть до температуры, при которой движение атомов прекращается? Одна группа ученых полагала, что сопротивление должно снижаться вместе с температурой и полностью исчезнуть при абсолютном нуле. Другие ученые утверждали, что сопротивление будет снижаться до определенного предела, но никогда не исчезнет полностью по причине наличия в реальной пространственной решетке всевозможных дефектов и примесей.
Долгое время ученым не удавалось получить окончательный ответ на этот вопрос, поскольку не удавалось достичь абсолютного нуля. Научный прорыв удалось совершить после того, как голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес придумал способ сжижения гелия, что позволило ему охлаждать объекты до 269 °C, то есть всего на 4 градуса выше абсолютного нуля. Теперь ничто не мешало Камерлинг-Оннесу получить ответ на вопрос о «нулевом сопротивлении», не дававший покоя ученым. В 1911 г. он обнаружил, что ожидания как той, так и другой групп ученых оказались несостоятельными. Когда он снизил температуру, погрузив в жидкий гелий тонкую трубку, наполненную ртутью, сопротивление ртути вначале постепенно снижалось, что, впрочем, ни для кого не стало неожиданностью. Однако затем, при температуре примерно на 4,2 градуса выше абсолютного нуля, сопротивление ртути резко «обнулилось». Оно не снизилось постепенно до нуля – оно отвесно рухнуло до нуля. При какой-то температуре ртуть демонстрировала ощутимое сопротивление, но после того как температура понизилась буквально на какую-то долю градуса, сопротивление исчезло.
Так Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости[126].
Читать бесплатно другие книги:
