Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса Черски Элен

Глава 4. Момент времени

Путь к равновесию

В воскресенье, в обеденное время, когда так хочется предаться лени, лучше всего отправиться в какой-нибудь английский паб. Интерьер этих заведений зачастую создает впечатление, будто он сформировался сам по себе, а не стал результатом воплощения некой дизайнерской идеи. Типичный английский паб – это нагромождение пространств самой причудливой формы, непременный атрибут которых – дубовая мебель и массивные дубовые балки под потолком. Все это исполнено в старинном стиле, характерном для английских построек прошлых веков. Вы усаживаетесь за столик и заказываете меню, типичное для большинства пабов. Вам приносят тарелку чипсов и стеклянную бутылочку кетчупа. Но если человеку, впервые посетившему английский паб, кажется, что после этого он может расслабиться и приняться за поглощение чипсов, обильно сдабриваемых кетчупом, то его ожидает разочарование. Кетчуп нужно каким-то образом извлечь из бутылочки, а это значит, что вам предстоит нелегкая борьба.

Все начинается с того, что неопытный посетитель паба переворачивает бутылочку кетчупа вверх дном в надежде, что ее содержимое станет понемногу выливаться в тарелку. Не тут-то было! Тем не менее даже опытные посетители паба совершают это бессмысленное действие. Кетчуп – очень густая и вязкая жидкость, и ее собственной силы тяжести явно недостаточно для того, чтобы выливаться в тарелку. То, что происходит с кетчупом в стеклянной бутылочке, объясняется двумя причинами. Во-первых, вязкость препятствует опусканию приправ, содержащихся в кетчупе, на дно бутылочки, если вы не пользовались ею какое-то время, поэтому, чтобы удостовериться в том, что ингредиенты кетчупа хорошо перемешаны между собой, вам нет необходимости встряхивать ее содержимое. Но что более важно, люди предпочитают, чтобы каждый ломтик жареной картошки был покрыт толстой «шапкой» кетчупа, а этого практически невозможно добиться, если кетчуп жидкий. Однако кетчуп пока еще не покрывает чипсы. Он все еще находится в бутылочке.

Через несколько секунд, окончательно убедившись, что гравитация не властна над кетчупом, незадачливый посетитель паба начинает трясти бутылочку. Он трясет ее все ожесточеннее и под конец ударяет ладонью свободной руки по ее дну. Соседи по столику на всякий случай отшатываются назад, опасаясь, что брызги от вывалившейся из бутылочки порции кетчупа окажутся у них на лице, рубашке или брюках. Их опасения не так уж беспочвенны: добрая четверть содержимого бутылочки одним махом вываливается в тарелку с чипсами. Вот ведь странно: оказывается, кетчуп довольно легко извлечь! О чем наглядно свидетельствует его толстый слой, покрывший всю тарелку с чипсами (и, возможно, полстола). Еще несколько секунд назад он упорно не желал покидать бутылочку, а теперь выливается оттуда как ни в чем не бывало. Почему?

Дело в том, что, когда вы пытаетесь подталкивать его очень медленно, он ведет себя почти как твердое тело. Но как только вы заставляете его двигаться быстро, он начинает вести себя подобно жидкости, свободно вытекая из бутылочки. Когда он находится внутри бутылочки или на ломтике жареной картошки, на него действует лишь гравитация (и притом очень слабо), поэтому он ведет себя как твердое тело и не проявляет никакого желания куда-либо двигаться. Но достаточно энергично встряхнуть бутылочку и привести кетчуп в движение, как он начинает вести себя как жидкость и свободно вытекает из бутылочки. Тут все дело во времени. Совершая одно и то же действие быстро или медленно, вы получаете абсолютно разные результаты.

Кетчуп – не что иное, как протертые помидоры, сдобренные уксусом и специями. Предоставленный самому себе, он кажется жидким и даже водянистым; ничего интересного с ним не происходит. Но в бутылочке с кетчупом есть полпроцента кое-чего еще, представляющего собой длинные молекулы, составленные из цепочки связанных сахаров. Это ксантановая камедь (загуститель) – вещество, получаемое путем бактериальной ферментации или синтетическим способом и в настоящее время широко используемое в качестве пищевой добавки. Когда бутылочка с кетчупом стоит на столе, эти длинные молекулы окружены со всех сторон водой и слегка спутаны с другими такими же цепочками. Они удерживают кетчуп в виде плотной и вязкой массы. Но если бутылочку энергично потрясти, эти длинные молекулы немного распутываются (впрочем, они довольно быстро перепутываются снова). Когда в результате нескольких ударов по дну бутылочки кетчуп приходит в более быстрое движение, сцепления между длинными молекулами продолжают рваться и в какой-то момент распутывание длинных молекул становится быстрее, чем их повторное перепутывание. По достижении этой критической точки кетчуп перестает себя вести как твердое тело и подобно обычной жидкости свободно выливается из бутылочки[40].

Есть способ «обойти» эту проблему, но, учитывая, сколько времени тратят британцы на поглощение чипсов, политых кетчупом, остается лишь удивляться, почему они им так редко пользуются. Тактика переворачивания бутылочки с кетчупом вверх дном и поколачивания по нему ладонью не очень-то эффективна, поскольку кетчуп, который вы пытаетесь превратить в жидкость, сосредоточивается именно в том месте, по которому вы ударяете. Горлышко бутылки по-прежнему закупорено густой вязкой жижей, которая никуда не девается. Решение проблемы – разжижить кетчуп, закупоривающий горлышко бутылки, поэтому ее нужно держать под углом и наносить удары по горлышку. При этом количество извлеченного кетчупа будет довольно ограниченным, поскольку разжиженный кетчуп будет сосредоточен лишь у горлышка. Соседи за столом не пострадают от судорожных движений ваших локтей и возможного попадания брызг кетчупа на одежду, а чипсы не будут погребены под его чрезмерным количеством.

Время – немаловажный фактор в физическом мире, так как скорость протекания событий имеет существенное значение. Если вы делаете что-либо с удвоенной скоростью, то иногда достигаете того же результата за половину времени. Но зачастую получаете абсолютно другой результат. Это бывает очень полезно в повседневной жизни. Мы пользуемся этим свойством, управляя окружающим миром разными способами. В нашем распоряжении есть разные масштабы времени в том смысле, что те или иные события могут происходить за разное время. Фактор времени важен для кофе, голубей и высоких зданий, причем временные рамки, которые имеют значение, будут разными в каждом из этих случаев. Речь идет не только о более удобном выполнении тех или иных повседневных дел. Оказывается, жизнь возможна лишь потому, что физический мир в действительности никогда не поспевает за самим собой. Начнем, однако, с самого начала. А именно с существа, которое никогда ни за чем не поспевает, – талисмана для тех, кто всегда опаздывает.

Одним солнечным днем в Кембридже мне наконец пришлось признать, что улитка победила меня.

Наверное, нет смысла (да и времени) заниматься садоводством на последнем курсе университета, но при доме, в котором я проживала вместе с тремя подругами, был сад, а я обожаю ухаживать за деревьями. В редкие часы, свободные от учебы и занятий спортом, я с энтузиазмом уничтожала обширные заросли крапивы, обнаруживая по ходу дела небольшие островки ревеня и кусты замечательных, скрывавшихся в траве роз. Отец посмеивался надо мной («типичная полька!»), узнав, что я пытаюсь выращивать картошку, однако картошка занимала лишь часть моего импровизированного огорода. Интереснее всего было то, что в моем распоряжении оказалась небольшая теплица. Рассада выращивается сначала в ней, а весной высаживается в открытый грунт. В конце февраля я посеяла семена в лотки и стала ждать всходов.

Спустя какое-то время я обратила внимание, что ростки не появляются, зато появилось много улиток. Зайдя утром в теплицу с лейкой, чтобы полить ростки (которые, как я рассчитывала, должны были взойти к тому времени), я обнаружила вместо них в каждом лотке по самодовольному моллюску. Кроме улитки в лотке находилась голая земля и остатки изжеванных побегов. Подлые твари! Я решила, что не отступлюсь, и заново посеяла семена. Правда, на этот раз поставила каждый лоток на кирпич, чтобы затруднить улиткам доступ. Через две недели я застала в теплице прежнюю картину: ростки снова были уничтожены, а количество улиток в лотках значительно увеличилось. Я перепробовала несколько способов борьбы с улитками, однако они не принесли желаемого результата. Впрочем, у меня оставался еще один вариант. На этот раз я взяла пары пустых цветочных горшков, поместив сверху на каждую такую пару чайный поднос, перевернутый вверх дном; получилось нечто вроде большущих грибов со сдвоенной ножкой. Эти «ножки» я обильно смазала жиром и водрузила лотки для рассады на «шляпки» моих импровизированных «грибов». Заменив в лотках компост, я посеяла в них остатки семян, скрестила пальцы и вернулась к изучению физики конденсатов.

Ростки продержались целых три недели, после чего случилось то, что и должно было случиться: в один не самый прекрасный день я обнаружила вместо них жирную и довольную улитку. Я помню, как стояла тогда в теплице и безуспешно пыталась сообразить, как она проникла в лоток с рассадой. Были возможны лишь два варианта. Вариант № 1: улитка вскарабкалась по внутренним стенкам теплицы до потолка, проползла по нему какое-то расстояние и свалилась вниз – прямо в лоток с рассадой. Это представлялось маловероятным, но, в конце концов, а вдруг? Вариант № 2: улитка вскарабкалась по ножке скамейки, проползла по ней, взобралась по боковой поверхности цветочного горшка, проползла «вверх ногами» по нижней поверхности чайного подноса, перебралась через его край (умудрившись при этом не свалиться вниз), а затем проползла по верхней поверхности чайного подноса и наконец добралась до лотка с рассадой. В любом случае я должна была признать, что своим упорством улитка заслужила щедрое вознаграждение в виде молодых побегов рассады[41]. Как же ей это удалось? В обоих вариантах предполагалось передвижение улитки «вверх ногами»; в этом случае она могла бы цепляться за поверхность, лишь приклеиваясь к ней собственной слизью. Если понаблюдать за перемещением улитки, то она движется не так, как гусеница: она не приподнимает себя над поверхностью, а просто приклеивается к ней слизью, умудряясь при этом как-то продвигаться вперед. Но слизь – это секретное оружие улитки, поскольку она ведет себя как кетчуп.

Если посмотреть, как улитка двигается, вы не увидите ничего особенного, так как наружный обод ее «ступни» просто перемещается с постоянной (очень медленной) скоростью. Все то, что по краям, происходит очень неспешно: слизь подобна кетчупу в неподвижном состоянии: то и другое имеет густую, липкую и очень малоподвижную консистенцию. Но снизу, посередине, мышечные волны проходят от спины улитки к ее голове. Каждая такая волна с большой силой проталкивает слизь вперед, заставляя ее достаточно быстро перемещаться. Как и кетчуп, слизь «разжижается при сдвиге», поэтому при ее перемещении с достаточно большой скоростью ее текучесть резко повышается. Улитка плывет поверх этой жидкой слизи за счет упоминавшихся выше мышечных волн, пользуясь ее пониженным сопротивлением. Улитке нужна не только жидкая, но и густая слизь, чтобы было от чего отталкиваться. Единственная причина, позволяющая улиткам (и слизням) перемещаться, состоит в том, что одна и та же слизь может вести себя либо как твердое тело, либо как жидкость, в зависимости от того, насколько быстро они заставляют ее перемещаться. Огромное преимущество такого метода заключается в том, что улитка не падает, ползая по потолку «вверх тормашками», потому что никогда не приподнимает себя над поверхностью.

Каким же образом улитке удается этот трюк? Слизь улитки представляет собой гель, состоящий из очень длинных молекул, называемых гликопротеинами, переплетенных между собой. Когда слизь улитки пребывает в состоянии покоя, между цепочками молекул образуются химические связи, поэтому слизь ведет себя как тверое тело. Но при достаточно сильном толчке эти связи внезапно разрываются, и все длинные молекулы могут легко скользить относительно друг друга, подобно нитям спагетти. Если такую слизь оставить на какое-то время в покое, химические связи между цепочками молекул восстановятся. Достаточно лишь секунды, чтобы вы снова получили гель.

Если бы тогда я знала все это, могла бы я защитить рассаду от улиток? Оказывается, защиту невозможно обеспечить, подбирая поверхность, к которой улитка не могла бы «приклеиться». Слизь приклеивается буквально ко всему, что вы могли бы найти у себя дома, – в том числе к поверхностям, которые специально выполнены как неклеющиеся. Эксперименты показали, что улитки способны «приклеиваться» даже к сверхгидрофобным поверхностям – то есть тем, на которых вода совершенно не задерживается. Это поистине замечательное свойство, которым, однако, могут восторгаться лишь те, кому не приходится защищать от улиток драгоценную рассаду.

Тот же механизм положен в основу так называемых нестекающих красителей. Когда такая краска пребывает в состоянии покоя, она имеет густую, тягучую и липкую консистенцию. Но если ткнуть в нее малярной кистью, она становится гораздо менее вязкой и ее можно легко наносить на нужную поверхность (например, на стену) тонким и ровным слоем. Но как только вы отнимете кисть, краска через какое-то время вновь станет очень вязкой и не будет стекать вниз по стене до полного высыхания.

Кетчуп и улитки – это, конечно, мелочь, но тот же физический принцип может иметь серьезные последствия в гораздо большем масштабе. Крайстчерч в Новой Зеландии был очаровательным и мирным городом, когда я посетила его в 2002 году. Почва здесь состоит из осадочных пород: слой на слое крошечных частиц, наносимых рекой Эйвон на протяжении миллионов лет. Это прелестное местечко, однако Крайстчерч, фигурально говоря, сидит на бомбе замедленного действия. В 12:51 по местному времени 22 февраля 2011 года примерно в 11 километрах от центра города произошло землетрясение магнитудой 6,3 балла. Само по себе землетрясение стало немалым бедствием: людей подбрасывало высоко в воздух, а здания рушились, как карточные домики. Но осадочные породы, на которых построен город, были прочными, лишь пока пребывали в состоянии покоя. Мощное встряхивание превратило их, подобно кетчупу, в жидкость. Подробности на микроуровне отличаются – но лишь очень незначительно: вместо химических связей между длинными молекулярными цепочками вода проникает между крупицами песка и отдаляет их друг от друга, в результате чего они начинают течь. Но в целом физические процессы в том и другом случае одинаковы: если твердую почву быстро «расшевелить», она, как и жидкость, начинает течь.

Автомобиль – достаточно тяжелый объект, поэтому гравитация заставляет его оказывать серьезное давление на почву в том месте, где он стоит. Автомобили не проваливаются сквозь землю, поскольку она достаточно твердая, чтобы успешно сопротивляться их давлению. Но в Крайстчерче буквально за несколько минут это общее правило было нарушено. В тот день немало машин было припарковано на песчаных обочинах дорог, покоясь на хорошо спрессованной почве, на протяжении многих десятилетий пребывавшей в неподвижности. В результате землетрясения слои песка пришли в движение и начали очень быстро скользить относительно друг друга из стороны в сторону. Если бы скольжение происходило медленно, то автомобилям ничто не угрожало бы. Но все случилось настолько быстро, что вода проникла между крупиц песка и им просто не хватило времени, чтобы вернуться в прежнее положение до того, как им пришлось двигаться в другом направлении. Поэтому вместо слоев песка, неподвижно покоящихся друг на друге, почва внезапно превратилась в смесь песка и воды, не обладающую какой-либо фиксированной структурой. Автомобиль, припаркованный поверх такой смеси, неминуемо должен был провалиться в это месиво по мере продолжения подземных толчков. Но как только толчки прекратились, буквально за пару секунд крупицы песка несколько «уселись»: теперь их снизу поддерживала не вода, а другие крупицы песка. Почва вновь отвердела, однако к этому времени автомобиль уже наполовину ушел в песок.

Именно этот процесс стал виновником огромного материального ущерба, понесенного Крайстчерчем. Многие автомобили погрузились в ил, а здания обрушились, поскольку почва не выдержала их веса. Этот процесс известен как «разжижение». Чтобы произошло разжижение почвы, требуется мощная сила, такая как землетрясение, приводящая осадочные породы в достаточно быстрое движение. Но если мягкая песчаная почва приходит в достаточно быстрое движение, ее прочность тает столь же быстро, как утренний туман. Кстати, именно поэтому, передвигаясь по зыбучим пескам, рекомендуется вести себя как можно осторожнее и не совершать резких движений. Если же вы начнете сильно топать ногами, зыбучие пески станут вести себя как жидкость и вы просто утонете в них. Двигайтесь по возможности медленнее, и у вас появится шанс остаться в живых. В этом случае очень важен фактор времени. Изменяя временные рамки для того или иного действия, вы зачастую изменяете его исход.

Мы часто говорим о каком-то событии, что оно «произошло так быстро, что я и глазом не успел моргнуть». На моргание глазом требуется примерно треть секунды, а среднее время реакции человека составляет приблизительно четверть секунды. Кому-то может показаться, что это довольно оперативно, однако задумайтесь над тем, что должно произойти за это время, если вы, например, проходите стандартный тест на реагирование? Когда лучи света попадают на сетчатку вашего глаза, специализированные светочувствительные молекулы скручиваются, и это запускает цепочку химических реакций, которые вызывают небольшой электрический ток. Этот электрический сигнал проходит по оптическому нерву и попадает в мозг, заставляя его клетки посылать сигналы друг другу, в результате чего вырабатывается понимание, что произошло нечто такое, что требует той или иной реакции. Затем электрические сигналы пытаются добраться до мышц; при этом их движение замедляется, когда они преодолевают зазоры между нервными клетками путем химической диффузии. Когда приказ мышцам сократиться получен, молекулы в мышечных волокнах начинают цепляться друг за друга, пока ваши пальцы не нажмут нужную кнопку. Учтите, что вся эта цепочка действий совершается только для того, чтобы вы могли сделать самую простую вещь!

За нашу пресловутую сложность приходится платить скоростью. Люди – достаточно медлительные создания, неспешно пробирающиеся через физический мир, поскольку даже при выполнении простейших действий нам приходится преодолевать множество разных стадий. Пока мы продираемся сквозь чащобу, многие более простые физические системы справляются с решением множества других задач. Но эти простые и быстрые процессы протекают настолько стремительно, что мы их просто не замечаем. Вы можете получить некоторое представление об этом мире, опустив в кофе капельку молока с довольно большой высоты. В лучшем случае вы лишь успеете заметить, как она, упав в кофе, слегка отскочит от его поверхности, а затем снова в него упадет. Но это уже будет на грани человеческих возможностей: развитие какого-либо более быстрого процесса вам не удастся заметить. Мой научный руководитель любил говорить, что если бы мы могли реагировать быстрее, то, пока капля молока совершает падение в кофе, мы могли бы передумать его пить с молоком и поймали бы эту каплю на лету. Впрочем, лично я полагаю, что для поимки капли молока нам следовало бы прибегнуть к помощи чего-нибудь более маленького и шустрого, чем человек.

Высказывание моего научного руководителя заставило меня задуматься о том, как много мы упускаем в жизни из-за своей медлительности. Как было бы здорово, если бы мы могли собственными глазами видеть все, что делается буквально у нас под носом, каким бы крошечным оно ни было и с какой бы скоростью ни происходило. Поэтому я и выбрала научное направление, позволяющее заниматься высокоскоростной фотографией – технологией, с помощью которой можно наблюдать процессы, невидимые из-за соей стремительности. Но фотокамеры такого рода доступны лишь человеку. А что делать тем, у кого их нет – например, голубям?

В 1977 году предприимчивый ученый по имени Барри Фрост убедил голубя вступить на беговую дорожку. Это один из тех экспериментов, за которые в наши дни вручили бы, наверное, Шнобелевскую премию. Он мог бы служить идеальным примером научного исследования, которое сначала заставляет вас покатываться со смеху, а затем задуматься. Пока лента беговой дорожки медленно двигалась назад, птице, чтобы оставаться на месте, приходилось продвигаться вперед. Голубь довольно быстро освоился с таким темпом движения ленты, однако кое-что в его поведении казалось необычным. Если вам когда-либо приходилось, сидя на скамейке в парке, наблюдать за голубями, снующими туда-сюда в поисках съедобных крошек, то вы, скорее всего, замечали, что во время ходьбы они кивают головами вперед и назад. Мне всегда казалось, что такое болтание головами должно «напрягать» голубей, заставляя их совершать эти бесполезные и утомительные телодвижения. Но голубь на беговой дорожке не кивал головой, и это послужило для Барри указанием на что-то очень важное. Очевидно, что кивание головой вовсе не непременный атрибут «походки» голубя, поэтому не имеет никакого отношения к физике его передвижения. Но зато имеет непосредственное отношение к тому, что голубь видит. Пребывая на ленте беговой дорожки, голубь как бы продвигался вперед, но окружающая обстановка при этом не менялась. Если голубь держал голову неподвижно, он все время видел вокруг себя одну и ту же отчетливую картину. Но когда голубь движется по земле, окружающая обстановка непрерывно меняется. Оказывается, эти птицы не способны «быстро» фиксировать изменения картинки, чтобы воспринимать их. Таким образом, их «кивания» головой вовсе не кивания. Они наклоняют голову вперед, а потом делают шаг, что позволяет их телу «догнать» голову; затем снова наклоняют голову вперед. Во время совершения шага голова остается, по сути, на месте, поэтому у голубя появляется больше времени, чтобы оценить ситуацию, прежде чем сделать следующий шаг. Голубь делает один «фотоснимок» окружающей обстановки, а затем вытягивает голову вперед, чтобы сделать следующий «фотоснимок». Если понаблюдать за голубем достаточно долго, то можно удостовериться в правильности описанной мной модели (правда, для этого вам придется запастись терпением, поскольку голуби довольно быстрые)[42]. Похоже, никто точно не знает, почему одни птицы столь медленно обрабатывают визуальную информацию, что им приходится кивать головами, тогда как другие в таком кивании не нуждаются. Но «медлительные» птицы не поспевают за окружающим их миром, и им приходится разбивать его на бесконечный ряд стоп-кадров.

Зрение человека поспевает за темпом его ходьбы, но, если вам нужно рассмотреть что-то, находящееся очень близко, вы обычно испытываете непреодолимое желание остановиться на несколько секунд и получше разглядеть искомый предмет. Во время движения наше зрение не успевает обрабатывать информацию окружающего мира достаточно быстро, чтобы уловить все подробности. Фактически людям приходится решать ту же проблему, что и голубям (правда, без кивания головой), и наш мозг «сшивает» картину окружающего мира так, что мы даже не замечаем этого. Мы быстро шарим взглядом по окружающим объектам, шаг за шагом добавляя визуальную информацию к картине, формирующейся в нашем сознании. Если вы взглянете на себя в зеркало и посмотрите прямо на отражение в нем одного из ваших глаз, то заметите, что никогда не видите движений своих глаз, хотя человек, стоящий рядом с вами, увидит, как они бегают из стороны в сторону. Ваш мозг соткал воедино ваше восприятие сцены таким образом, что вы никогда не замечаете «швов» между отдельными фрагментами этой картины, хотя эти швы возникают постоянно.

Все дело в том, что мы действуем чуть-чуть быстрее голубя. Правда, из этого следует, что в окружающем нас мире огромное множество систем, гораздо более быстрых, чем мы. Мы привыкли жить в довольно ограниченном временном диапазоне, поэтому можем отслеживать лишь процессы длительностью от одной секунды до нескольких лет. Однако диапазон масштабов времени, в которых происходят многие другие процессы, значительно шире. Без помощи науки мы бы даже не подозревали о существовании процессов, длящихся несколько миллисекунд или несколько тысячелетий. Мы воспринимаем лишь то, что происходит на очень небольшом отрезке в середине этого колоссального диапазона. Быстродействие современных компьютеров поражает воображение. Именно поэтому они кажутся нам такими загадочными. Они успевают решать сложнейшие задачи за столь короткие промежутки времени, что мы полагаем, будто компьютер вовсе не затрачивает время на их решение. Между тем быстродействие компьютеров постоянно повышается, хотя мы не всегда это замечаем: действительно, какая разница, решает компьютер некую задачу за несколько милли- или микросекунд, – мы ведь не замечаем ни тот, ни другой отрезок времени!

То, что вы видите, зависит от масштаба времени, в котором действует ваше зрение. Чтобы уяснить контраст, попробуйте сравнить очень быстрое и крайне неповоротливое: дождевую каплю и гору.

Крупной дождевой капле требуется одна секунда, чтобы пролететь 6 метров, что соответствует высоте двухэтажного здания. Что с ней происходит за секунду? Дождевая капля – это совокупность сталкивающихся между собой молекул воды, каждая из которых прочно сцеплена с остальными членами группы, но непрерывно меняет свои предпочтения внутри нее. Как говорилось в предыдущей главе, молекула воды состоит из атома кислорода, связанного с двумя атомами водорода, по одному с каждой стороны; эта троица образует структуру, напоминающую букву V. Молекула воды может сгибаться и растягиваться по мере перемещения (если точнее, прыгания) по слабо связанной сети, образованной миллиардами других таких же молекул. За одну секунду она может совершить 200 миллиардов прыжков. Если наша молекула достигнет края капли, она обнаружит, что за ее пределами нет ничего такого, что бы могло притягивать ее с той же силой, с какой молекулы, содержащиеся внутри капли, притягивают ее обратно к центру. У того, как капли воды изображаются на картинках, мало общего с действительностью: дождевые капли бывают разных форм, но ни одна из этих форм не имеет остроконечных точек. Любой остроконечный край тотчас же сгладится, поскольку отдельные молекулы не могут противостоять притяжению со стороны основной массы молекул. Но, несмотря на силу этого притяжения, идеальная форма не достигается никогда. В ответ на воздействие со стороны воздуха происходит постоянное перегруппирование молекул в капле. Капля может принять расплюснутую форму, после этого снова стянуться в более компактную форму, может «перелиться через край», вытянуться в длину и стать похожей на мяч для регби, а затем снова стянуться. В течение одной секунды может произойти 170 таких превращений. И обусловлены они воздействием внешних сил, которые пытаются разорвать каплю в клочья, и неистовым притяжением со стороны остальных молекул в капле, стремящихся сохранить ее. Иногда дождевая капля превращается в некое подобие блина, который растягивается и принимает форму тонкого зонтика – и в конце концов рассыпается на множество крошечных капелек. Все это происходит менее чем за одну секунду. Мы не можем этого видеть, поскольку такое множество трансформаций совершается буквально в мгновение ока. Затем дождевая капля разбивается о скалу – и происходит смена масштаба времени.

Это гранитная скала, и на памяти человека она остается такой же, как и несколько десятков лет тому назад. Но четыреста миллионов лет назад в Южном полушарии бушевал гигантский вулкан и магма, извергающаяся из него, постепенно, в течение миллионов лет, застывала, превращаясь в твердые вулканические породы – кристаллы разных типов, – становясь в конце концов чрезвычайно прочным гранитом. Проходило время, и твердый шершавый гранит постепенно обтачивался и полировался ветром, снегом и дождями. Пока этот гигантский вулкан разрушался, он не стоял неподвижно на месте. С момента колоссального взрыва, который прекратил существование вулкана, этот кусок континента медленно уползал на север. Тем временем внутренние механизмы планеты сдвигали и раздвигали эти покореженные участки земной поверхности, приходили и уходили одна за другой геологические эпохи, возникали одни виды живых существ, а затем сменялись другими. Сегодня, спустя десятую долю суммарного времени существования Земли, все, что осталось от некогда величественного вулкана, – жалкие остатки его вывороченных наизнанку внутренностей. Сейчас он называется Бен-Невис, самая высокая (1343 метра) вершина Британских островов.

Глядя на гору или дождевую каплю, мы замечаем очень мало изменений. Но это объясняется исключительно нашим собственным восприятием времени, а не тем, на что мы смотрим.

Мы воспринимаем лишь очень небольшую, примерно среднюю часть огромного диапазона масштабов времени, и нам подчас очень нелегко относиться всерьез к остальным отрезкам этого диапазона. И дело не только в разнице между сейчас и после; это головокружение, которое мы испытываем, пытаясь уяснить, что же на самом деле представляет собой сейчас. Это может быть миллионная доля секунды, а может быть и год. Ваша точка зрения может в корне меняться, когда вы рассматриваете невероятно быструю цепь событий или, наоборот, глобальные медленные трансформации. Однако разница между ними не в том, как происходят изменения, а в самом темпе этих изменений. Сколько требуется времени, чтобы перейти из этого состояния в то? И в чем именно заключается то состояние? Речь идет о состоянии равновесия. Ничто, будучи предоставленным само себе, никогда не будет пытаться изменить это конечное состояние, поскольку у него нет для этого причин. Точнее говоря, нет сторонних сил, которые бы к ним привели, поскольку все эти силы сбалансированы. У физического мира есть лишь один «пункт назначения» – равновесие.

Вообразите ворота шлюза в каком-нибудь канале. Они были придуманы в силу самой оригинальной из причин: чтобы речные суда могли «взбираться на холмы». Механизм шлюзования обеспечивается тем, что суда могут плыть против течения, но только при условии, что оно очень медленное. Ни одно речное судно не сможет взобраться вверх по водопаду, но с помощью системы шлюзов может «подниматься на холмы». Шлюз состоит из двух ворот, образующих в канале глухую пробку, создавая между двумя воротами изолированный пруд. По одну сторону шлюза уровень воды высокий, по другую – низкий. Любое судно, движущееся вверх или вниз по каналу, обязательно проходит через шлюз. Допустим, лодке на нижнем уровне нужно плыть вверх по каналу. Вода между воротами шлюза вначале находится на той же высоте, что и нижний уровень в канале. Нижние ворота открываются, и наша лодка заходит в шлюз, после чего нижние ворота закрываются. Теперь открываются – а точнее, лишь слегка приоткрываются – верхние ворота, и вода начинает поступать в шлюз. Это очень важный момент. Когда верхние ворота были закрыты, у воды над шлюзом не было причин куда-либо течь. Она располагалась на самом низком из возможных положений, пребывая в равновесии. При закрытых верхних воротах ей некуда было деваться, то положение, в котором она находилась, было для нее самым удобным, и она могла бы оставаться в нем бесконечно долго. Но как только верхние ворота приоткрываются и для этой воды создается путь, по которому она может соединиться с прудом, заключенным между воротами шлюза, баланс нарушается. Гравитация все время тянет воду вниз. Приоткрыв верхние ворота, мы создали для воды возможность реагирования на действие силы земного притяжения и перехода на еще более низкий уровень. Таким образом, вода затекает внутрь шлюза до тех пор, пока уровень воды в нем не сравняется с уровнем воды, находящейся выше шлюза. От нас требуется лишь создать путь к новому состоянию равновесия. Но теперь лодка находится на той же высоте, что и верхняя часть канала, и как только ворота будут полностью открыты, она сможет продвинуться вперед на своем пути вверх по течению – по очень медленному течению канала. Позади нее, как только ворота закроются, все опять будет в равновесии. Вода между шлюзами сможет оставаться здесь до бесконечности, так как лучшего для себя положения ей не найти. Все силы сбалансированы. Затем в какой-то момент в шлюз войдет еще какая-нибудь лодка, плывущая в противоположную сторону, то есть по течению; кто-нибудь откроет нижние ворота, и вода начнет поступать в ту часть канала, которая расположена ниже по течению, где она продолжит движение к новому состоянию равновесия.

Вывод из вышесказанного заключается в том, что управление позицией равновесия позволяет решать очень многие задачи в нашем мире. Вещи, предоставленные сами себе, меняются до тех пор, пока в них все не сбалансируется, а достигнув этого состояния, остаются в нем до тех пор, пока те или иные внешние силы не выведут их из него. Иными словами, целенаправленное изменение состояния равновесия – путь к успеху. То есть, имея возможность менять правила в ходе игры, вы сможете изменять ход тех или иных процессов в нужном для вас направлении и запускать их именно тогда, когда считаете нужным.

Представление о том, что физический мир всегда будет двигаться в направлении равновесия – то есть горячая и холодная жидкости будут смешиваться, пока не достигнут единой температуры, или воздушный шарик будет расширяться, пока давление внутри него и снаружи не станет одинаковым[43], – связано с убеждением, что время течет только в строго определенном направлении. Мир не может двигаться вспять. Вода никогда не будет сама по себе течь через шлюз от более низкого уровня к более высокому. Это означает, что вы всегда можете сказать, какое именно направление имеется в виду, когда речь идет о движении той или иной системы вперед: для этого достаточно понять, какое ее состояние будет состоянием равновесия. В то время как для осуществления изменений за счет применения грубой силы необходимы значительные затраты энергии, для воздействия на скорость «соскальзывания» системы в состояние равновесия обычно хватает минимальных усилий. К тому же часто это чрезвычайно полезно.

Гувер-Дам (плотина Гувера) на реке Колорадо в США – одно из крупнейших достижений гражданского строительства прошлого века. Подъезжая к нему со стороны Лас-Вегаса на автомобиле, вы движетесь по довольно пустынной скалистой местности, где кажется почти невероятным встретить большое сооружение. Единственные подсказки о том, что где-то поблизости есть нечто необычное, исходят от отблесков солнца на голубой воде, время от времени возникающих где-то очень далеко посреди пустыни. А потом вы поворачиваете, и внезапно перед вами предстает исполинское бетонное сооружение (общим весом около 7,5 миллиона тонн), построенное посреди сурового американского ландшафта.

Примерно сто лет тому назад река Колорадо безмятежно несла свои воды по руслу узкого каньона. Она берет свое начало в Скалистых горах, продолжает путь через обширные равнины, двигаясь по каскаду долин в юго-западном направлении, и впадает в Калифорнийский залив. Проблема для фермеров и жителей городов, расположенных в нижнем течении реки, заключалась вовсе не в нехватке воды – она-то как раз была в изобилии, – а в распределении ее поступления во времени. Весной ужасные наводнения смывали буквально все на своем пути, тогда как осенью река превращалась в хилый ручеек, воды в котором было явно недостаточно для удовлетворения нужд постоянно увеличивающегося населения. Река всегда брала свое начало в одних и тех же горах, текла через одни и те же равнины и впадала в один и тот же Калифорнийский залив. Однако фермеров и городских жителей не устраивал «график поступления воды»: они хотели, чтобы он был управляемым[44] и, в частности, чтобы в какие-то моменты ее поступление можно было бы вообще прекращать. В итоге было решено строить плотину.

Капля воды, совершившая долгое путешествие со Скалистых гор вниз через Большой каньон, теперь попадает в озеро Мид – гигантское водохранилище, образовавшееся позади дамбы. Прежде чем добраться до Калифорнийского залива, капле придется немного задержаться в озере. Дело в том, что избыток воды теперь накапливается в водохранилище, расположенном на границе штатов Невада и Аризона, в среднем течении реки Колорадо – то есть до того как ее воды достигнут Калифорнии. До 1930 года капле воды, покинувшей Большой каньон, приходилось опускаться примерно на 150 метров, прежде чем она достигнет того места, где сейчас находится дно озера Мид. Но после 1935 года, когда дамба была построена, такая же капля воды, достигшая озера Мид, теперь оказывается на 150 метров выше дна долины в этом месте. Самое удивительное, что для удержания воды на этом уровне не нужно затрачивать энергию – достаточно было лишь воздвигнуть надежное препятствие, которое не позволяло бы воде бесконтрольно продолжать течение. В данном случае мы имеем дело не с чем иным, как с рукотворным состоянием равновесия.

Разумеется, прежде всего люди должны были решить, что река Колорадо больше не будет самовольно распоряжаться своими водами, и поставить их под контроль человека путем создания дамбы, регулируя с ее помощью количество воды, попадающей в нижнее течение реки. После возведения плотины Гувера наводнения уже не угрожают населению Калифорнии, как не угрожает и полное высыхание реки Колорадо: теперь вода течет по ее руслу непрерывно. У такого решения проблемы есть еще одно важное преимущество: вода, пропускаемая через плотину, вращает турбины электрогенераторов, установленных на гидроэлектростанции. В результате плотина, помимо всего прочего, становится источником достаточно дешевой электроэнергии, что позволяет сотням тысяч людей полноценно жить и работать в безводных пустынях американского юго-запада.

Плотина Гувера строилась для того, чтобы человек мог эффективно регулировать поток воды, однако использованный при этом принцип распространяется не только на воду. Каждый раз, когда нужно запастись энергией, от нас требуется создать пару-тройку препятствий на ее пути «из пункта A в пункт B». Физический мир всегда стремится к состоянию равновесия, но иногда нам удается искусственно создать ближайшую точку равновесия для использования в собственных целях. Контролируя такой поток, мы можем также контролировать моменты высвобождения энергии. А затем добиваемся, чтобы она совершала какое-то полезное для нас действие. Мы не создаем энергию и не уничтожаем ее, а всего лишь направляем в нужное русло и регулируем заслонки на ее пути.

Подобно многим цивилизациям до нас мы сталкиваемся с проблемой ограниченных ресурсов. Ископаемые виды топлива, такие как нефть и (в определенной степени) уголь, сформировались из растений, которые существовали благодаря использованию энергии Солнца. Эти ископаемые энергоресурсы – энергетический эквивалент плотин, форма, которая запасает энергию в состоянии временного равновесия. Когда мы добываем их из земных недр и приступаем к использованию запасенной в них энергии, мы, по сути, самостоятельно выбираем момент ее высвобождения, создавая маршрут к другому возможному состоянию равновесия посредством сжигания и химического разложения на двуокись углерода и воду. Проблема, стоящая перед нами, заключается в том, что у нас есть лишь весьма ограниченное количество ресурсов «в верхнем течении» (то есть «вверх по потоку») в форме ископаемых видов топлива и за время жизни буквально нескольких поколений мы высвободили энергию, на накопление которой ушли миллионы лет. Запасы ископаемых энергоресурсов на планете подходят к концу, и у нас нет нескольких миллионов лет, чтобы их восполнить. Возобновляемая энергия, как и гидроэлектроэнергия, вырабатываемая на плотине Гувера, является производной энергии Солнца, пронизывающей сегодня наш мир. Проблема, с которой сталкивается наша цивилизация, неизменна: научиться эффективно останавливать и запускать поток энергии, чтобы использовать нужное ее количество, не нанося при этом заметного ущерба окружающему миру.

Включив в очередной раз какое-либо устройство, питающееся от батареи или аккумулятора, вы, по сути, выбираете момент высвобождения энергии из соответствующего источника, открывая электрический шлюз и направляя энергию по электрическим цепям данного устройства, с помощью которого хотите совершить некое полезное действие. В конечном счете эта энергия превратится в тепло. Именно к этому в итоге приводит каждое нажатие кнопки включения на любом из таких устройств. Все они представляют собой привратников, контролирующих моменты пуска и остановки потока, неизменно направляющегося в сторону равновесия. Если мы предоставим этому потоку возможность беспрепятственного прохождения, то получим один результат; если же замедлим его прохождение тем или иным способом (например, разрешим ему проходить лишь в моменты, когда это нужно нам), то результат будет совершенно иным. Время играет здесь очень важную роль, поскольку также течет только в одну сторону; выбирая момент, когда поток движется в сторону равновесия, а также скорость этого движения, мы обеспечиваем себе необычайно эффективный контроль над окружающим миром. Впрочем, далеко не всегда система, достигнув равновесия, останавливается. Если при приближении к точке равновесия она движется очень быстро, то может ее просто проскочить. Это открывает дверь для совершенно нового множества явлений, а также сопутствующих им проблем.

Обеденный перерыв, во время которого я успеваю не торопясь выпить чашку чая, – важная частью моего рабочего дня. Но недавно я заметила, что даже эта чашка заставляет меня «сбавлять обороты», причем дело здесь не только в том, что для того чтобы вскипел чайник, требуется какое-то время. Мой кабинет в University College London находится на одном конце длинного коридора, а комната для приема пищи – на другом. Путешествие с полной чашкой чая в руке обратно в кабинет происходит отнюдь не в том темпе, в котором я привыкла работать (привычный мой темп можно было бы описать одним словом: гонка). Дело не только в том, что я держу в руке полную чашку чая, – проблема в колебаниях поверхности жидкости. С каждым шагом они усиливаются. Обычный человек в таких случаях принимает вполне естественное решение: двигаться медленнее. Но любой уважающий себя физик должен сперва провести ряд экспериментов, чтобы убедиться, что указанное выше решение действительно единственно правильное. Вы никогда не знаете, какие открытия поджидают вас на этом пути. Короче говоря, я не собиралась сдаваться без боя.

Налив воду в чашку, поставьте ее на ровную поверхность и слегка подтолкните: вода начнет колебаться из стороны в сторону. Что же происходит на самом деле? После того как вы слегка подтолкнули чашку, она немного сдвигается, однако вода в ней поначалу остается на месте, но «накапливается» с той стороны чашки, которую вы подтолкнули. В результате уровень воды с одной стороны чашки оказывается выше, чем с другой. Гравитация тянет вниз воду с той стороны, где уровень воды выше, а вода с другой стороны подталкивается вверх. Через какое-то мгновение поверхность воды в чашке выравнивается, но у воды нет никакой причины останавливаться. Она продолжает движение, вследствие чего ее уровень с другой стороны чашки (назовем ее «второй» стороной) начинает повышаться. Гравитация тянет вниз воду с этой стороны, но, чтобы полностью ее остановить, требуется какое-то время. К моменту, когда вода остановится, ее уровень на «второй» стороне чашки будет выше, чем на противоположной, «первой» стороне; затем описанный выше цикл повторится снова. Если чашка с водой стоит на ровной горизонтальной поверхности, то колебания воды постепенно затухнут, то есть будет достигнуто состояние равновесия. Другое дело, если вы движетесь с чашкой в руке.

Цикл – вот корень проблемы. Если вы проведете тест с толканием чашек разных размеров, то увидите, что во всех случаях колебания поверхности жидкости происходят одинаково, но в узкой чашке они быстрее, чем в широкой. Обычно в полной чашке число колебаний поверхности жидкости, совершаемых за одну секунду (их частота), не меняется, сколь бы сильным ни был первоначальный толчок. Но количество колебаний зависит от чашки как таковой, причем самым главным параметром является ее радиус.

Существует противоречие между силой тяжести, направленной вниз и приводящей жидкость в состояние равновесия, и импульсом жидкости, который достигает максимальной величины, когда она переходит через точку равновесия. В большей чашке содержится больший объем жидкости, поэтому размах колебаний увеличивается, а каждый цикл продолжительнее. Особая частота колебаний, присущая каждой чашке, называется собственной частотой. Собственная частота – это частота колебаний поверхности жидкости в чашке, если эту чашку толкнуть, а затем позволить ей самостоятельно вернуться в состояние равновесия.

Я затратила немало времени на эксперименты с чашками у себя в кабинете. У меня есть одна маленькая чашка диаметром всего 4 сантиметра с изображением Ньютона на боковой поверхности. Вода в ней совершает примерно пять колебаний в секунду. Диаметр самой большой моей чашки 10 сантиметров. Вода в ней совершает примерно три колебания в секунду. Эта большая чашка – старая, дешевая и уродливая. Она никогда мне не нравилась, но я не выбрасываю ее потому, что иногда мне приходится запасаться большой порцией чая.

Когда я выхожу из комнаты для приема пищи с полной чашкой чая в руке и делаю пару быстрых шагов по коридору, я инициирую колебательный процесс в чашке. Чтобы добраться до кабинета, не расплескав по пути чай, мне нужно позаботиться о том, чтобы колебательный процесс не усиливался. В этом суть проблемы. Когда я иду по коридору, чашка с чаем слегка колеблется у меня в руке – и с этим ничего не поделаешь. Если частота этих колебаний совпадает с собственной частотой колебаний чая в чашке, то их амплитуда будет нарастать. Когда вы раскачиваете ребенка на качелях, вы подталкиваете качели в определенном ритме, который совпадает с ритмом раскачивания качелей, в результате чего размах раскачиваний увеличивается. То же происходит и с чаем. Это явление называется резонанс. Чем ближе внешнее подталкивание к собственной частоте колебаний чая в чашке, тем выше вероятность, что чай прольется на пол. Проблема всех людей, испытывающих жажду, заключается в излишней спешке и движении в ритме, близком к собственной частоте колебаний воды в «типичной» чашке. Чем быстрее вы шагаете, тем ближе ритм вашей ходьбы к собственной частоте колебаний воды в чашке. Короче говоря, эти соображения привели меня к мысли, что нужно просто уменьшить скорость ходьбы.

Однако поначалу такое решение показалось мне далеким от оптимального. А что, если я воспользуюсь маленькой чашечкой? Чай в ней будет колебаться слишком быстро даже для присущего мне быстрого темпа ходьбы. Поэтому вряд ли можно ожидать, что в такой чашке колебание чая при ходьбе усилится и он прольется на пол. Однако микроскопической порции чая, которую может вместить такая чашка, для меня явно недостаточно. Если же я воспользуюсь большей чашкой, то ритм моей ходьбы окажется очень близким к собственной частоте колебаний жидкости в чашке и чай прольется на пол, едва я успею сделать несколько шагов по коридору. Следовательно, единственно правильное решение – снизить скорости ходьбы, чтобы частота вызванных ею колебаний чашки оказалась гораздо меньше собственной частоты колебаний чая в чашке[45]. Я чувствую себя намного увереннее, проверив все самостоятельно, но в данном случае урок для меня заключался в том, что даже при наличии знаний и находчивости невозможно преодолеть зависимость физических явлений от фактора времени.

Всему, что раскачивается (колеблется, осциллирует), присуща собственная частота колебаний. Поправки вносит конкретная ситуация, а также связь между размером силы, обусловливающей возвращение в состояние равновесия, и скоростью, с которой оно происходит. Ребенок, раскачивающийся на качели, – один из примеров, наряду с маятником, метрономом, креслом-качалкой и камертоном. Когда вы катите тележку с покупками в супермаркете и она начинает раскачиваться в темпе, не соответствующем темпу вашей ходьбы, это объясняется лишь тем, что она раскачивается с собственной частотой колебаний. Большие колокола издают звуки низкой частоты, потому что, исходя из их размеров, им требуется больше времени на сдавливание, распрямление и повторное сдавливание. Именно этим обусловлено низкочастотное звучание таких колоколов. Мы получаем огромный объем информации о размерах объектов, прислушиваясь к их звучанию, в первую очередь к тональности испускаемых ими звуков.

Эти особые масштабы времени очень важны для нас, так как мы можем их использовать для управления теми или иными процессами в физическом мире. Если мы не хотим, чтобы амплитуда колебаний нарастала, нам нужно позаботиться о том, чтобы «подталкивание» системы не происходило на ее собственной частоте. Это похоже на мои эксперименты с чаем. Но если мы хотим, чтобы колебания продолжались без особых усилий с нашей стороны, то «подталкивание» системы должно происходить на ее собственной частоте. Этим пользуются не только люди, но и собаки.

Поза Инки выражает максимальную сосредоточенность и готовность. Все ее внимание сконцентрировано на теннисном мячике; она похожа на спринтера, ожидающего выстрела стартового пистолета. Когда я поднимаю вверх руку с мячиком, Инка напрягается, а когда бросаю мячик далеко вперед, она срывается с места и стремглав мчится за ним, вызывая в моем воображении картину сгустка безграничной энергии и энтузиазма. Пока собака несется по лужайке за мячиком, я продолжаю беседовать с ее хозяином, Кэмпбеллом. Инка не приносит брошенный мною мячик, потому что держит в зубах второй теннисный мячик, но, подбежав к нему, усаживается и «охраняет» его, пока мы с Кэмпбеллом не подойдем и не швырнем этот мячик еще дальше. После получаса таких пробежек Инка усаживается, энергично виляя хвостом по траве. Она часто дышит, свесив язык набок, и внимательно наблюдает за нами.

Я присаживаюсь на корточки и глажу ее по спине. От всей этой беготни собаке стало жарко. Разумеется, она не вспотела (собаки вообще не потеют), но ей хочется избавиться от лишнего тепла. Наблюдая за учащенным дыханием собаки, вам может показаться, что это ей дается нелегко. Создается впечатление, что она тратит при этом много энергии, что приводит к дополнительному перегреву. Парадокс, не правда ли! Инка с благодарностью принимает мои поглаживания, из ее раскрытой пасти свисает тонкая нитка слюны. После обычной утренней пробежки мне требуется какое-то время, чтобы восстановить нормальный ритм дыхания, но Инка мгновенно прекращает учащенно дышать. Она внимательно смотрит на меня своими большими карими глазами, и я задумываюсь, сколько еще времени ей нужно, чтобы восстановить силы и приступить к новому раунду погони за теннисными мячиками.

Самый эффективный способ избавиться от перегрева сводится к испарению воды. Именно поэтому мы потеем. На превращение жидкой воды в газ уходит очень много энергии, после чего газ улетучивается, унося с собой эту энергию. Поскольку собаки не потеют, они не вырабатывают на своей шкуре воду, которая могла бы испаряться, но в их носовом ходе имеется достаточно воды. Учащенное дыхание – не что иное, как проталкивание как можно большего количества воздуха сквозь влажный носовой ход, что позволяет максимально быстро избавиться от лишнего тепла. Словно решив продемонстрировать нам правильность такого вывода, Инка снова начинает учащенно дышать. Мне удается подсчитать, что каждую секунду она совершает примерно три вдоха-выдоха. Может сложиться впечатление, что это отнимает у нее немало сил, хотя на самом деле это не так. Легкие собаки ведут себя как генератор колебаний. Три вдоха-выдоха за секунду – самая эффективная для нее частота дыхания, так как соответствует собственной частоте легких собаки. Когда собака делает вдох, эластичные стенки ее легких расширяются, а спустя мгновение сжимаются с силой, достаточной для повторения дыхательного цикла. В тот момент, когда легкие возвращаются к нормальному, нерастянутому размеру, собака прилагает лишь минимальное усилие, чтобы инициировать очередной цикл их расширения-сжатия. Обратная сторона такого дыхательного процесса заключается в том, что, когда собака дышит так часто, она не успевает замещать воздух в глубине легких, поэтому в процессе дыхания фактически не успевает вдыхать необходимое количество дополнительного кислорода. (Именно поэтому собака не дышит так все время.) Но когда собаке нужно избавиться от лишнего тепла, она готова поступиться каким-то количеством нужного ей кислорода. Расширяя и сжимая легкие с наиболее подходящей для них частотой, собака прогоняет через свой нос максимально возможный для себя объем воздуха, прилагая для этого минимальные усилия. Таким образом, учащенное дыхание вырабатывает очень незначительное количество тепла по сравнению с теплом, которое собака теряет в процессе такого дыхания. Собака дышит через нос, однако ее пасть при этом широко открыта, потому что слюноотделение также охлаждает собаку. Испарение слюны помогает ей избавиться от какой-то части тепловой энергии. Учащенное дыхание снова останавливается, и Инка поглядывает на теннисный мячик. Достаточно лишь одного вопросительного взгляда на Кэмпбелла, чтобы игра возобновилась.

Собственная частота того или иного объекта зависит от его формы и материала, из которого он изготовлен. Но самый важный фактор – размер. Вот почему маленькие собачки дышат еще быстрее. Их легкие очень малы; соответственно, частота их расширения-сжатия существенно выше. Учащенное дыхание – очень эффективный способ избавления от лишнего тепла, если ваши размеры невелики. Но эффективность снижается по мере их увеличения. Возможно, именно этим объясняется то обстоятельство, что более крупные животные – в том числе люди – потеют (особенно если их тело не покрыто шерстью).

Каждому объекту присуща собственная частота, причем иногда таких частот может быть несколько, если возможны разные картины вибрации. Когда объекты увеличиваются в размерах, эти частоты обычно снижаются. Чтобы привести в движение очень массивный объект, требуется толчок значительной силы, но даже здание может вибрировать – правда, с очень-очень низкой частотой. Вообще говоря, здание может вести себя как метроном – наподобие маятника, перевернутого вверх тормашками (фундамент зафиксирован, а верхушка колеблется из стороны в сторону). Вверху скорость ветра выше, чем внизу, и этого вполне достаточно, чтобы придать высокому и узкому зданию нечто вроде толчка, который вызовет раскачивание здания с его собственной частотой. Если вам приходилось в очень ветреный день бывать на верхних этажах небоскребов, то вы, наверное, ощущали эти раскачивания. Один цикл такого раскачивания может занимать пару секунд. Те, кто в такие моменты находится внутри высотных зданий, испытывают не самые приятные ощущения, поэтому архитекторам приходится искать способы сократить раскачивания. Полностью избавиться от них невозможно, но можно по крайней мере изменить собственную частоту и гибкость зданий, чтобы сделать раскачивания менее заметными. Если вы вдруг почувствуете, что здание, в котором находитесь, раскачивается под напором ветра, не волнуйтесь – здание проектируют таким образом, что оно может несколько изгибаться, но это вовсе не означает, что оно рухнет.

Ветер бывает порывистым, но он не толкает здание в строго определенном ритме, который может совпасть с собственной частотой здания, поэтому его раскачивание происходит лишь с очень небольшой амплитудой. Но толчки, вызываемые землетрясением, приводят к распространению «ряби» по земной поверхности. Эти громадные волны расходятся от эпицентра землетрясения в виде концентрических кругов, медленно покачивая земную поверхность из стороны в сторону. Что происходит с высоким зданием в случае землетрясения?

Утром 19 сентября 1985 года Мехико-Сити пришел в движение. Тектонические пласты под Тихоокеанским побережьем, в 400 километрах от города, начали громоздиться друг на друга, вызывая землетрясение магнитудой 8 баллов по шкале Рихтера. В Мехико-Сити толчки ощущались на протяжении приблизительно трех-четырех минут. Этого оказалось достаточно, чтобы город превратился в груду развалин. В тот день, по некоторым оценкам, с жизнью попрощались около десяти тысяч человек, а инфраструктуре города был нанесен колоссальный урон. На восстановление города ушло несколько лет. Чтобы оценить масштаб ущерба, Национальное бюро стандартов США, а также Служба геологии, геодезии и картографии США направили в Мехико-Сити бригаду из четырех инженеров и одного сейсмолога. Согласно составленному ими подробному отчету, причиной беспрецедентных разрушений стало шокирующее совпадение частот.

Прежде всего Мехико-Сити расположен на вершине, состоящей из осадочных пород, которые сформировались на дне озера и заполняют впадину, образованную твердыми скальными породами. Устройства контроля за развитием землетрясения показывали замечательные регулярные волны с единой частотой, хотя обычно у импульсов землетрясения гораздо более сложный характер. Оказалось, что особое геологическое строение осадочных пород озера придало им определенную собственную частоту колебаний, в результате чего они усиливали любые волны длительностью примерно две секунды. Впадина, заполненная осадочными породами, на которых был построен Мехико-Сити, на короткое время превратилась в столешницу, вибрирующую практически с неизменной частотой.

Усиление наблюдаемых колебаний оказалось значительным. Но при анализе конкретных повреждений инженеры обнаружили, что количество этажей у большинства разрушенных или сильно поврежденных зданий находилось в диапазоне от пяти до двадцати. Более высокие или, наоборот, низкие здания (а таких в городе было немало) практически не пострадали. Инженеры пришли к выводу, что собственная частота землетрясения почти совпадала с собственной частотой зданий средней этажности. Подвергаясь воздействию длительных регулярных толчков землетрясения, практически совпадающих с собственной частотой таких зданий, они начинали вибрировать, подобно камертонам, и в конце концов не выдержали напора стихии.

В наши дни архитекторы очень серьезно относятся к вопросу «настройки» собственной частоты проектируемых зданий. В Тайбэе 101 – 509-метровом небоскребе на Тайване, который в период с 2004 по 2010 год был самым высоким зданием на планете, – самой большой популярностью среди туристов пользовались смотровые галереи на этажах с 87-го по 92-й. В этой части здания нет офисов и подвешен 660-тонный сферический маятник, выкрашенный «под золото» – очень замечательная и чрезвычайно практичная вещь. Этот необычный маятник не только привлекает туристов, но и повышает устойчивость здания к землетрясениям. Его техническое название – настраиваемый амортизирующий груз. Идея маятника заключается в том, что во время землетрясений (рядовое событие на Тайване) здание и маятник раскачиваются независимо друг от друга. Когда начинается землетрясение, здание клонится в одну сторону и тянет за собой сферический маятник. Но к тому времени, когда маятник сместится в том же направлении, здание уже клонится в другую сторону и тянет сферический маятник обратно. Таким образом, сферический маятник всегда тянет в сторону, противоположную стороне наклона здания, в результате чего амплитуда его раскачиваний уменьшается. Размах раскачиваний сферического маятника составляет 1,5 метра в том и другом направлении, а его использование позволяет сократить раскачивание здания примерно на 40 %[46]. Люди, находящиеся в здании, чувствовали бы себя намного комфортнее, если бы оно вообще не раскачивалось. Но землетрясения выводят здания из состояния равновесия и раскачивание неизбежно. Архитекторы не в состоянии его полностью предотвратить, но могут кое-что предпринять для его максимально возможного гашения. У обитателей здания нет иного выбора, кроме как усесться поудобнее, ухватиться за поручни своих кресел и ждать окончания землетрясения.

Физический мир всегда стремится к состоянию равновесия. Этот фундаментальный физический закон известен как Второй закон термодинамики. Но нигде не сказано о том, как быстро физический мир должен туда добраться. Каждое новое «впрыскивание» энергии отдаляет физический мир от состояния равновесия, прикрывает ворота и внуждает процесс начинаться сначала. Само существование жизни возможно лишь потому, что она использует эту систему для регулирования энергии путем управления скоростью потока в направлении равновесия.

Растения – по-прежнему неизменные спутники моей жизни, хотя сейчас я и живу в большом городе. Из кухни я могу наблюдать, как яркий солнечный свет падает на рассаду салата-латука, землянику и травы, растущие у меня на балконе. Солнечный свет, попадающий на деревянную обшивку, поглощается деревом, которое нагревается, и это тепло в итоге постепенно рассеивается через воздух и стены здания. Равновесие достигается довольно быстро, и на этом пути ничего особенного не происходит. Но солнечный свет, попадающий на листья кориандра, оказывается на небольшой химической фабрике. Вместо того чтобы преобразовываться непосредственно в тепло, он направляется на обслуживание процесса фотосинтеза. Растение использует солнечный свет, чтобы вывести молекулы из состояния равновесия, и поэтому приберегает энергию солнечного света для своих потребностей. Управляя простейшим путем назад к равновесию, механизм растения применяет эту энергию поэтапно, для создания молекул, которые ведут себя как химические батареи, а затем использует их для преобразования двуокиси углерода и воды в сахара. Это похоже на фантастически сложную систему каналов переноса энергии, содержащую множество ворот шлюзов, обходных маршрутов, водопадов и водяных колес, а поток энергии контролируется путем изменения скорости прохождения каждого участка. Вместо того чтобы продвигаться беспрепятственно вниз, энергию заставляют строить на этом пути сложные молекулы. Они не пребывают в равновесии, но растение может запасать их до тех пор, пока ему не понадобится их энергия, а потом направляет их туда, где они могут сделать следующий шаг в сторону равновесия, затем – следующий шаг и т. д. Пока солнечный свет попадает на листья кориандра, он поставляет энергию, поддерживающую эту фабрику в действии, постоянно выполняющей очередные шаги по направлению к равновесию каждый раз, когда впрыскивание энергии приводит в движение ворота шлюза. В конце концов, я съем кориандр, и это впрыснет энергию в мою систему. Я использую ее, чтобы вывести собственный организм из равновесия, и пока буду потреблять пищу, система не сможет за мной угнаться. Равновесие не будет достигнуто. Но я сама решаю, когда мне есть, а мой организм решает, когда использовать эту энергию, причем все это осуществляется путем управления воротами шлюза.

Размышляя над тем, что представляет собой жизнь на Земле, не перестаешь удивляться отсутствию единого определения того, что же это такое. Когда мы видим то или иное проявление жизни, мы это понимаем, но живой мир всегда готов предъявить нам какое-либо исключение из любого простого правила. Одно из определений гласит, что жизнь – это поддержание неравновесного состояния и использование этой ситуации для строительства сложных молекулярных фабрик, способных воспроизводить себя и развиваться. Жизнь – это то, что может управлять скоростью прохождения энергии по соответствующей системе, манипулируя этим потоком для самоподдержания. Ничто из пребывающего в равновесии не может быть живым. А это означает, что концепция неравновесности фундаментальна для двух величайших загадок нашего времени. Как зародилась жизнь? И есть ли она еще где-либо во Вселенной?

В настоящее время ученые полагают, что жизнь могла зародиться в морских расселинах 3,7 миллиарда лет тому назад. Внутри расселин находилась теплая щелочная вода. Снаружи океанская вода была более холодной и слабокислой. Когда они смешивались между собой на поверхности расселины, достигалось состояние равновесия. Складывается впечатление, что ранняя форма жизни, возможно, зародилась, остановившись на середине пути к равновесию и исполняя роль привратника. Поток в сторону равновесия был направлен на строительство первых биологических молекул. Эта первая застава могла впоследствии превратиться в клеточную мембрану – городскую стену вокруг каждой клетки, отделяющую ее внутреннюю часть, где протекает жизнь, от окружающего мира, где жизни нет. Первая клетка оказалась успешной, поскольку ей удалось сдержать равновесие и стать порталом в восхитительную сложность нашего живого мира. То же, наверное, справедливо и для других миров.

Не исключено, что где-то во Вселенной еще есть жизнь. Ведь на небе столько звезд, других планет и так много разных условий для ее зарождения, что насколько бы сложными они ни были, они вполне могли сложиться в других местах Вселенной. Но то, что представители внеземных цивилизаций решат сообщить нам о своем существовании, отправив в сторону Земли радиосигнал, маловероятно. Не говоря уже обо всем остальном. Космос настолько необъятен, что к моменту, когда какой-либо радиосигнал достигнет нашей планеты, цивилизация, которая его отправила, наверняка уже прекратит свое существование. Однако вполне возможно, что само по себе наличие жизни на какой-то планете может обусловливать передачу сигналов в космос – совершенно непреднамеренно. На вершине горы Мауна-Кеа на Гавайях построена целая система телескопов. Их пара огромных белых сферических куполов, стоящих рядом друг с другом, напомнила мне глаза гигантской лягушки, пристально всматривающейся в космос. Это знаменитая обсерватория Кека. Возможно, именно эти гигантские «глаза» заметят первые признаки жизни за пределами нашей Солнечной системы. Когда планеты других солнечных систем пересекают обращенные к нам стороны далеких звезд, вокруг которых эти планеты вращаются, свет звезды проникает сквозь атмосферу планеты и атмосферные газы оставляют на нем свой отпечаток. Телескопы обсерватории Кека фиксируют эти отпечатки и вскоре, возможно, им удастся обнаружить атмосферы, не пребывающие в равновесии. Наличие определенного количества кислорода, соответствующего количества метана… Их присутствие может указывать на существование жизни на планете и изменять баланс ее мира, когда он пытается выскользнуть из смертельных объятий равновесия. Такая информация еще не дает нам полной уверенности, что на далекой планете есть жизнь, но по крайней мере мы располагаем свидетельствами существования чего-то такого, что способно управлять скоростью движения в сторону равновесия, формируя при этом живые организмы, которые нам не дано никогда увидеть.

Глава 5. Пускаем волны

От воды до Wi-Fi

Находясь на берегу моря, почти невозможно долгое время стоять спиной к воде, иначе возникает ощущение какой-то противоестественности. И объясняется это не только тем, что вы упускаете возможность насладиться величественным зрелищем, но и тем, что, отвернувшись от моря, вы можете не заметить сюрпризов (в том числе и неприятных), которые оно готовит для вас. Я подметила, что чувствуешь себя гораздо спокойнее и увереннее, когда наблюдаешь границу между морем и землей, которая непрерывно обновляется и трансформируется. Когда я проживала в городе Ла-Холья (или Ла-Хойя – в зависимости от того, на английский или испанский манер произносится это название) в Калифорнии, я любила прогуляться под вечер к океану, посидеть на каком-нибудь валуне и понаблюдать за волнами на фоне солнечного заката. В каких-нибудь ста метрах от берега они были длинными и низкими, и увидеть их было нелегко. Но по мере приближения к берегу они становились круче и заметнее и разбивались в конце концов о берег. Я могла часами сидеть на берегу, наслаждаясь видом все новых и новых волн.

Волна – это то, что каждый из нас распознает без труда, но описать ее довольно сложно. Волны у морского побережья представляют собой бесконечную последовательность водных гребней, волнистую форму на водной поверхности, которая перемещается откуда-то оттуда куда-то сюда. Мы можем измерить их, оценив расстояние между следующими друг за другом пиками волн и высоту самих пиков. Водяная волна может быть такой же маленькой, как мелкая рябь, возникающая на поверхности чая, когда вы дуете на него, чтобы охладить, или настолько большой, что способна накрыть корабль средних размеров.

Но у волн есть одна весьма необычная особенность, заметить которую мне помогли пеликаны, живущие в Ла-Холья. Коричневые пеликаны селятся вдоль побережья и имеют такой допотопный вид, как будто проникли в наше время сквозь пространственно-временные туннели из далекой эпохи, отделенной от нас несколькими миллионами лет. У них смешные длинные клювы, которые они обычно прижимают к телу. Можно часто наблюдать, как небольшие группы этих любопытных птиц величаво парят над волнами параллельно берегу. Время от времени они бесцеремонно плюхаются на водную поверхность. И после этого происходит самое интересное: волны, на которых покачиваются пеликаны, движутся в сторону берега, но птицы остаются на месте.

Оказавшись в следующий раз на берегу моря, понаблюдайте за волнами, которые катятся в вашу сторону, и за птицами, усевшимися на водную поверхность[47]. У них совершенно безмятежный вид. Они сидят на волнах, катящихся под ними, то поднимаясь, то опускаясь, но их положение по отношению к берегу не меняется[48]. О чем это говорит? Что вода как таковая остается на месте. Волны движутся, но среда, на которой они образуются – то есть вода, – неподвижна. Волна не может быть статичной: механизм ее создания работает, только если эта форма движется. Таким образом, волны всегда движутся. Они переносят энергию (поскольку ее нужно затратить, чтобы придать воде форму волны и вернуть ее в исходное состояние), но не «материю». Волна – это регулярная подвижная форма, переносящая энергию. Полагаю, именно поэтому (по крайней мере частично), сидя на берегу и всматриваясь в морскую даль, человек успокаивается, отдыхая душой и телом. Я могла видеть, как волны непрерывно доставляют энергию к берегу, а сама по себе вода остается на месте.

Волны бывают разных типов, но некоторые базовые принципы относятся к ним всем. У звуковых волн, издаваемых дельфином, волн на поверхности воды от брошенного камушка и световых волн, исходящих от далекой звезды, много общего. В наши дни человек не только реагирует на волны, посылаемые ему природой. Мы также вносим свой, подчас очень сложный вклад в столпотворение волн вокруг нас, и он соединяет множество элементов нашей цивилизации, разбросанных по планете. Но современным людям, осознанно использующим волны для укрепления культурных связей, не принадлежит пальма первенства. Эта история началась несколько столетий тому назад посреди гигантского океана.

Король, скользящий по волнам на доске, – картина по современным меркам более чем странная. Но 250 лет тому назад на Гавайях у каждого короля, королевы, правителя и правительницы была собственная доска для серфинга, а мастерство катания на ней составляло предмет особой гордости царствующих персон. Для гавайской элиты изготавливались специальные длинные узкие доски «Оло», тогда как простые смертные довольствовались более короткими и маневренными «Алайя». Соревнования были центральным сюжетом многих гавайских историй и легенд[49]. Когда вся ваша жизнь протекает на тропическом острове с восхитительной природой, окруженном глубоким синим океаном, формирование культуры на основе всего, что связано с морем, представляется вполне естественным. Но гавайским первопроходцам серфинга повезло больше, чем жителям других тихоокеанских островов: волны, образующиеся возле Гавайских островов, были «правильными», то есть как нельзя лучше подходили для катания на доске. Эта небольшая островная нация, обитающая посреди безбрежного океана, волею судеб обрела идеальное местоположение. География и физика Гавайских островов отфильтровала все океанские сложности, а короли и королевы скользили по результатам этой фильтрации.

В то время как в безветренные дни гавайцы возносили молитвы своим богам, упрашивая их поднять океанские волны до высоты, пригодной для полноценного серфинга, за тысячи километров от этих мест океан мог выглядеть совершенно иначе. Ветры могучих штормов обрушивались на его поверхность и передавали свою энергию воде, на которой образовывались высокие волны. Но волны, порождаемые штормами, это беспорядочная смесь коротких и длинных волн, движущихся в разных направлениях, сталкивающихся друг с другом, разбивающихся и перестраивающихся. Зимние штормы регулярно свирепствуют на широте примерно 45°, поэтому они возникают либо к северу от Гавайских островов, когда зима наступает в Северном полушарии, либо к югу от Гавайских островов, когда зима наступает в Южном полушарии. Но волны должны куда-то двигаться. Когда ураганные ветры обрушиваются на океанскую поверхность, участок океана, охваченный сильным волнением, расширяет свои границы за пределы урагана – в места, куда не достает шторм. И здесь может начаться сортировка: проявляется истинная природа нагромождения волн, на первый взгляд кажущегося беспорядочным. На самом деле это вовсе не хаос, а совокупность волн разного типа, смешанных друг с другом. Более длинные волны движутся быстрее, чем короткие, поэтому и уходят быстрее, существенно опережая своих меньших собратьев. Но в процессе движения волне приходится кое-что терять. Она постепенно отдает энергию своему окружению, причем ее количество в расчете на каждую милю пройденного пути больше у коротких волн. Следовательно, короткие волны не только уступают в скорости длинным, но и теряют больше энергии. Так что неудивительно, что им требуется не так уж много времени, чтобы полностью исчезнуть. За тысячи километров от центра шторма спустя несколько дней движутся лишь самые длинные волны с гладкими регулярными гребнями, распространяясь концентрическими окружностями по всей планете.

Таким образом, первое преимущество Гавайев – в достаточном удалении от мест, где регулярно штормит, поэтому островитяне наблюдают лишь последствия ураганов в виде остаточных гладких, аккуратных длинных волн. Второе преимущество – Тихий океан очень глубокий, а вулканические края Гавайских островов непомерно крутые. Волны перемещаются по поверхности океана, практически не встречая препятствий на своем пути, и внезапно наталкиваются на крутые склоны. При этом вся энергия, которая была рассредоточена по огромной глубине, становится более концентрированной на мелководье, в результате чего высота волн увеличивается. Стоя на берегу, гавайцы ждут последнего вздоха этих медлительных монстров. Перед тем как выкатиться на идеальный песчаный пляж, волны становятся очень крутыми, что и требуется королям и королевам, вооружившимся своими длинными узкими досками «Оло».

Водяные волны – пожалуй, первые, с которыми сталкивается большинство людей на протяжении жизни. То, на чем покачивается утка, представить и понять не так уж сложно. И хотя волны бывают разных типов, к ним ко всем применимы одни и те же физические принципы. Все волны характеризуются той или иной длиной, то есть расстоянием между гребнями соседних волн. Поскольку волны движутся, всем им также свойственна определенная частота, а именно сколько раз в секунду они проходят полный цикл (от гребня до впадины и обратно до гребня). Кроме того, все волны имеют определенную скорость, но некоторые (например, водяные волны) движутся с разными скоростями, зависящими от длины волны. Проблема с большинством волн заключается в том, что мы не видим, что именно их создает. Звуковые волны движутся в воздухе и представляют собой компрессионные волны: вместо формы, перемещающейся в пространстве, происходит передача давления. Труднее всего вообразить световые волны, которые движутся через электрические и магнитные поля. Но несмотря на то что мы не способны видеть электричество, мы можем наблюдать эффекты, порождаемые волновой природой света[50].

Одна из главных причин, почему волны интересны и полезны, заключается в том, что среда, через которую они проходят, зачастую изменяет их. К тому моменту, когда мы сможем увидеть, услышать или иным способом обнаружить волну, она становится кладезем бесценной информации, поскольку несет на себе отпечаток среды, сквозь которую проходила. Но этот отпечаток формируется относительно простыми способами. Есть три основные вещи, которые могут произойти с волной в процессе прохождения той или иной среды: волна может отразиться, или преломиться, или поглотиться.

Если вы обратите внимание на ассортимент рыбного отдела супермаркета, то увидите в основном рыб серебристых оттенков. Исключение из правила – тропические рыбы, такие как барабулька обыкновенная и красный люциан, а также рыбы, обитающие в придонных глубинах, вроде морского языка и камбалы. Но в основном вы видите рыбу, которая перемещается в открытом океане крупными косяками, например сельдь, сардины и макрель. Серебристый оттенок интересен тем, что в действительности это вовсе не цвет. «Серебристый» – просто слово, которым мы обозначаем то, что служит трамплином для света, отбрасывающим его обратно в мир. Отражаться могут любые волны, и почти все материалы в той или иной степени отражают свет. Особенность серебра в том, что оно отражает все волны без разбора. Любой цвет «обрабатывается» одинаково, без исключений. Наиболее хорошо это удается отполированному металлу. И это свойство полезно в связи с тем, что угол падения света на поверхность равен углу его отражения от этой поверхности. Если взять какое-либо изображение и воспользоваться зеркалом, которое отразит его в другом направлении, то относительные углы всех лучей света останутся теми же. Чтобы получить идеальное изображение, нужно идеально отполировать металл, а это нелегко, именно поэтому люди испокон веков очень высоко ценили зеркала. Тем не менее серебристый оттенок рыбы воспринимается нами как нечто само собой разумеющееся. Однако он объясняется вовсе не наличием металла. Чтобы приобрести такой оттенок, рыбам пришлось сформировать структуры, которые позволяют получить его с помощью органических молекул. Это довольно сложный и, следовательно, недешевый эволюционный процесс. Если вы сельдь, то зачем вам это нужно?

Сельдь ходит по морю косяками, питаясь крошечными созданиями, похожими на креветок, и надеясь избежать встречи с большими хищниками: дельфинами, тунцом, треской, китами и морскими львами. Но океаны – огромные пустынные пространства, где негде спрятаться. Единственный выход – стать невидимым или хотя бы замаскироваться, чтобы быть менее заметным на фоне окружающей среды. Может, рыба должна иметь голубоватый оттенок, чтобы слиться с цветом морской воды? Проблема в том, что цвет морской воды непостоянен и зависит от времени суток, а также ряда других факторов. Но, чтобы выжить, сельдь должна как можно меньше отличаться от окружающей ее воды. Именно поэтому она превращается в некое подобие плавающих зеркал: пустой океан позади косяка сельди выглядит точно так же, как и перед косяком. Сельдь, как и высококачественное алюминиевое зеркало, может отражать 90 % падающего на нее света. Отражая световые волны обратно в глаза потенциальных хищников, сельдь может плыть, прикрываясь своего рода щитом, созданным из света.

Впрочем, отражение далеко не всегда идеально. Зачастую объект отражает лишь часть света. Но оно чрезвычайно полезно, когда два объекта находятся рядом друг с другом и мы хотим их отличить. Тот, который отражает синий свет, – это моя чашка, а тот, который отражает красный, – чашка моей сестры. Таким образом, отражение играет важную роль при падении волны на ту или иную поверхность. Однако это не единственное, что может произойти, когда на пути волны возникает граница. Преломление (рефракция) может влиять на волны более «тонким» способом, изменяя направление их движения.

Когда какая-то гавайская королева стояла на вершине скалы, окидывая взором побережье и наблюдая за формированием волн прибоя, она могла заметить, что хотя волны из открытого океана каждый день движутся в сторону острова с какого-то другого направления, в том месте, где они достигают берега, они всегда ему параллельны. Волны не могут подходить к берегу сбоку, в какую бы сторону он ни был обращен. Это объясняется тем, что скорость волн зависит от глубины воды, а волны на больших глубинах движутся быстрее. Вообразите длинный прямой берег и приближающийся к нему гребень волны с направления, отклоняющегося слегка влево от перпендикуляра к линии берега. Правая половина гребня волны расположена дальше от берега, то есть находится на большей глубине. Следовательно, она перемещается быстрее, догоняя половину волны, расположенную ближе к берегу. Таким образом, по мере приближения к берегу гребень всей волны слегка поворачивается против часовой стрелки и накатывается на берег параллельно ему. Таким образом, вы можете изменить направление движения волны, изменяя скорость каких-то частей ее гребня относительно других его частей. Это явление называется рефракцией.

Легко представить себе изменение скорости водяной волны, но как быть со светом? Физики обычно говорят о «скорости света». Это невообразимо высокая скорость и принципиально важный элемент самого знаменитого научного наследия Эйнштейна: специальной теории относительности и общей теории относительности. Открытие существования постоянной «скорости света» произвело настоящий фурор в научном мире, хотя многим было трудно понять и принять этот факт. Но вы, наверное, удивитесь, узнав, что никогда в жизни не встречали световые волны, движущиеся со скоростью света. Даже вода ее замедляет. Вы сами можете убедиться в этом с помощью монетки и чашки.

Положите монету плашмя на дно чашки так, чтобы она касалась ближней к вам стенки чашки. Затем наклоняйте чашку в противоположную от себя сторону до тех пор, пока край чашки не скроет от вас монету. Свет движется по прямой, но сейчас нет прямой линии, которая соединяла бы ваши глаза и монетку. Теперь, не изменяя положения своей головы и чашки, наполните чашку водой. Монетка снова появится в поле вашего зрения. Ее положение не изменилось, но отражающийся от нее свет изменил направление после выхода из воды и теперь может попасть на сетчатку вашего глаза. Это косвенная демонстрация того, что вода замедляет скорость света. Попадая в воздух, свет снова ускоряется, а световая волна, пересекая границу между водой и воздухом, изгибается под определенным углом. Это явление называется преломлением, или рефракцией, и происходит не только на границе воды и воздуха: любая среда, через которую проходит свет, замедляет его – но в разной степени. Говоря о «скорости света», мы подразумеваем скорость света в вакууме, то есть в пустоте. Вода замедляет скорость света до 75 % от его скорости в вакууме; стекло – до 66 %. В бриллианте свет движется со скоростью, составляющей лишь 41 % от его скорости в вакууме. Чем больше замедляется скорость света в том или ином материале, тем больше свет отклоняется на границе с воздухом. Вот почему бриллианты сверкают сильнее, чем большинство других драгоценных камней: они гораздо больше замедляют свет[51]. И это отклонение – единственная причина, по которой вы можете видеть стекло, воду или бриллианты. Сами по себе эти материалы прозрачны, поэтому мы не можем видеть их непосредственно. В действительности мы видим, как нечто воздействует на свет, проходящий сквозь него, и интерпретируем это «нечто» как прозрачный объект.

Возможность созерцать бриллианты доставляет удовольствие уже сама по себе (особенно тем, кто может себе позволить их покупку), но рефракция – не только источник эстетического наслаждения. Если бы не она, у нас не было бы линз. А линзы открыли человечеству огромный пласт науки. Без линз не появились бы микроскопы, позволяющие исследовать эмбрионы и клетки, из которых мы состоим, телескопы для исследования космоса и фото- и видеоаппаратура, фиксирующая интересующие нас процессы. Если бы световые волны всегда двигались со скоростью света, у нас бы всего этого не было. Мы буквально купаемся в световых волнах, и они все время отражаются и преломляются, ускоряются и замедляются при прохождении через те или иные среды. Подобно хаосу в шторм на поверхности океана, перекрывающиеся между собой световые волны разной длины движутся рядом с нами во всевозможных направлениях. Но отбирая и преломляя, отфильтровывая одни волны и замедляя другие, наши глаза упорядочивают лишь малую долю этого света таким образом, чтобы он мог приносить нам какую-то поьзу. Гавайская королева, стоя на прибрежной скале, наблюдает водяные волны с помощью световых волн, причем оба вида волн подчиняются одним и тем же физическим законам.

Замечательно, если какие-то световые волны, отразившись или преломившись, попали на сетчатку вашего глаза, в результате чего вы смогли увидеть те или иные объекты. А как насчет световых волн, не достигших ваших глаз?

Я давно заметила одну небольшую странность: если вы дадите ребенку набор цветных карандашей и попросите его нарисовать воду, вытекающую из водопроводного крана, он обязательно изобразит ее голубой. Но вряд ли кто-то из нас видел голубую воду, вытекающую из крана. Она должна быть бесцветной. Если же у такой воды голубоватый цвет, срочно обратитесь к водопроводчику: в нее наверняка попадают вредные примеси и она непригодна для питья. Но вода на детских рисунках всегда голубого цвета.

На спутниковых снимках Земли океаны имеют явно выраженный голубоватый цвет. И это не потому, что морская вода соленая: на вершинах ледников встречаются небольшие озера, образованные талой водой, практически лишенной солей, но они тоже потрясающе голубого цвета, будто в них специально добавили пищевой краситель. Но в местах, где талая вода стекает с ледника в озеро, она бесцветна. Стало быть, цвет воды определяется не ее содержимым, а количеством.

Световые волны, падающие на водную поверхность, либо отражаются обратно в небо, либо проникают глубоко в толщу воды. Но иногда какая-нибудь крошечная частица или даже сама вода создает препятствие на пути световых волн, отражая их в каком-то другом направлении. Такое перенаправление может многократно произойти с одной и той же световой волной, в результате чего она в итоге отражается обратно в воздух. На этом длинном пути вода отфильтровывает свет. Световые волны, исходящие от Солнца, представляют собой сочетание волн разной длины, в котором присутствуют все цвета радуги. Но вода может поглощать свет, причем какие-то цвета она поглощает гораздо интенсивнее, чем другие. Первым отфильтровывается красный цвет: достаточно буквально нескольких метров воды, чтобы свет полностью избавился от красной составляющей. Еще несколько десятков метров понадобится для того, чтобы лишить свет желтой и зеленой составляющих. Хуже всего поглощается голубой цвет – он может проникать на огромную глубину. И к тому времени, когда отразившийся свет выберется на поверхность океана, в нем в основном останется голубая составляющая. Таким образом, бесцветность воды, вытекающей из крана, объясняется тем, что ее количества недостаточно, чтобы отфильтровать все составляющие солнечного света, кроме голубого цвета. Впрочем, у воды из крана есть цвет – причем такой же, как у всей воды на планете. Но он настолько слабый, что вам понадобилось бы собрать огромное количество такой воды, чтобы заметить эффект, оказываемый ею на проходящие сквозь нее световые волны[52]. Когда вы наблюдаете такой эффект собственными глазами, это производит впечатление, и выбор голубого карандаша для изображения воды кажется вполне естественным. Но если бы жизненный опыт ребенка сводился лишь к использованию воды из водопроводного крана, то выбор голубого карандаша был бы отнюдь не очевидным.

Таким образом, при прохождении через ту или иную среду световые волны могут ею поглощаться. Происходит очень медленный процесс отъема энергии волны – одна микроскопическая порция энергии за другой. Величина энергии, потерянной при прохождении через среду, зависит от типа и длины волны. Вся эта изменчивость свидетельствует не только об огромном разнообразии действий, производимых волнами, но и о том, как много они могут нам рассказать. Некоторые из контрастов, порождаемых этим разнообразием, можно увидеть и услышать во время одного из моих любимых атмосферных явлений – грозы.

Гроза – величественное зрелище, драматическое напоминание о том, что воздух – это нечто гораздо большее, чем «невидимый наполнитель для неба». В земной атмосфере содержится огромное количество воды и энергии. Обычно эти субстанции медленно перемещаются в атмосфере и ведут себя спокойно. Могучее грозовое облако формируется при необходимости изменить баланс в атмосфере, поскольку мирных перемещений в ней уже недостаточно. Система запускается, когда подвижный, теплый, влажный воздух вблизи земли устремляется вверх, смешиваясь там с более холодными воздушными массами и неся с собой огромные количества энергии. В центре обширного облака горячий и влажный воздух быстро поднимается вверх, смешиваясь с атмосферными слоями над ним и образуя большие дождевые капли. Самый драматический момент этого процесса состоит в том, что такое перемешивание приводит к разделению электрических зарядов и их сосредоточению в разных частях облаков. Эти заряды накапливаются до тех пор, пока близлежащие облака или сама Земля не примут на себя удар гигантских импульсов электрического тока, отводя в сторону избыточный электрический заряд. Каждая вспышка молнии длится не дольше миллисекунды, но раскаты грома разносятся на многие десятки километров. Я обожаю гром и молнии за возникающие при этом театральные эффекты, а также за то, что они помогают нам лучше разобраться в механизмах грозы. Гроза порождает противоположности, ни в какие другие моменты не встречающиеся в природе: резкая вспышка молнии, контрастирующая с тяжелыми и продолжительными раскатами грома. Но то и другое – замечательные примеры разнообразия волн.

Вспышка молнии кратковременна. Электрическое соединение создается нагретым до очень высокой температуры каналом в атмосфере, тянущимся от грозового облака до Земли или, возможно, какого-то другого облака. Этот канал – некое подобие коридора, заполненного молекулами, которые разрушились под воздействием движущейся через них энергии. За очень короткое время температура в таком канале может достичь 50 000 , в результате чего он принимает вид ослепительного бело-голубого рваного шнура. В разные стороны от канала расходится гигантский импульс световых волн, заполняющих собой все окружающее пространство, но движется он с такой огромной скоростью, что свечение пропадает практически мгновенно. Когда канал, по которому переносится электрический ток, нагревается до столь высоких температур, он резко расширяется, причем так быстро, что давление, оказываемое при этом на окружающий воздух, принимает характер удара. Этот гигантский импульс давления вслед за светом расходится в воздухе кругами во все стороны, но гораздо медленнее. Эти звуковые волны и есть раскаты грома. Мы знаем, что молния всегда сопровождается вспышкой и громовыми раскатами.

Самое важное, что нужно знать о волне, что это один из способов передачи энергии, но без необходимости перемещать воздух, воду или какую-либо иную среду, в которой движутся волны. Это означает, что в нашем мире волны могут легко перемещаться в разных средах, производя при этом всевозможные интересные и даже полезные эффекты, но не приводя к каким-либо разрушительным последствиям. Удар молнии высвобождает огромную энергию, а световые и звуковые волны могут переносить ее часть на значительные расстояния. Несмотря на то что в процессе прохождения волн в воздушной среде сам по себе воздух не перемещается, происходит передача огромных количеств энергии. Свет и звук – разные типы волн, но на них действуют одни и те же базовые физические принципы. Например, и свет, и звук могут изменяться под воздействием среды, в которой они перемещаются. В случае грома мы можем непосредственно слышать, что происходит с волнами.

Я предпочитаю находиться на расстоянии примерно пары километров от места удара молнии. Как только вспышка молнии просигнализирует о том, что звуковая волна уже движется в мою сторону, я рисую в своем воображении, как гигантские концентрические круги давления распространяются во всех направлениях. Глядя на окружающий меня ландшафт, я, конечно, не могу их видеть, но требуется лишь несколько секунд, чтобы первый раскат грома достиг моих ушей. Эти звуковые волны распространяются в воздухе со скоростью примерно 340 метров в секунду (более 1200 км/ч), то есть на прохождене одного километра звуковой волне понадобится примерно 3 секунды. Раскат грома подобен первоначальному звуку, возникающему в момент резкого расширения канала, по которому переносится электрический ток молнии; этот звук рождается где-то у поверхности земли. Однако у раскатов грома есть особенность, которая не позволяет спутать их с другими звуками: после первого раската грома звук слышится с места, расположенного несколько выше того, откуда донесся первый звук. Сначала второй звук ничем не отличается от первого, но ему понадобилось больше времени, чтобы меня достичь, поскольку он зародился не у самой земли, а несколько выше, в результате чего ему приходится преодолевать большее расстояние. Затем, когда гром продолжает грохотать, я слышу звуки, доносящиеся со все большей и большей высоты, хотя их породила одна и та же молния. Если требуется примерно шесть секунд, чтобы первый раскат грома достиг моих ушей (напоминаю, что я нахожусь на расстоянии примерно пары километров от места удара молнии), то, чтобы услышать звук той же молнии, образовавшийся на высоте пары километров, понадобятся еще две с половиной секунды. Эти звуковые волны сгенерированы практически одновременно, но на разных высотах. А это означает, что я могу наблюдать, как атмосфера воздействует на них. Разница между звуковыми волнами (раскатами грома), порожденными одной и той же молнией, заключается в том, что они проходят разные расстояния, прежде чем достигнут моих ушей. В результате звуки самой высокой тональности, первый раскат грома, затухают очень быстро, поскольку волны более высоких частот интенсивно поглощаются атмосферой, тогда как низкочастотные затухают медленно и глухие раскаты грома звучат довольно долго. Чем больше времени с момента появления вспышки молнии, тем большие расстояния преодолевают слышимые мною звуковые волны, тем ниже и ниже становится в целом тон этих звуков, потому что высокочастотные составляющие уже поглощены воздухом, тогда как низкочастотные все еще продолжают звучать. Если вы находитесь достаточно далеко от места удара молнии, воздух поглотит все звуки и они никогда не достигнут ваших ушей. Но радиус действия световой вспышки, возникающей при ударе молнии, намного больше: световые волны гораздо слабее поглощаются воздухом, чем звуковые. Правда, перемещаясь в нашем мире, они могут изменяться другими способами.

В каком-то смысле волны очень просты. После возникновения волны она начинает куда-то двигаться. Прекращение движения означает конец ее существования. О каких бы волнах ни шла речь – звуковых, океанских или световых, – они могут отражаться, преломляться или поглощаться средой, в которой движутся. Вся наша жизнь проходит посреди этого сложного переплетения волн. Анализируя его, мы получаем представление о своем окружении. Наши глаза и уши настроены на происходящие вокруг нас колебания, которые являются носителями двух очень важных «предметов потребления»: энергии и информации.

В пасмурный холодный зимний день поджаренный, хрустящий, аппетитный ломтик хлеба способен значительно поднять настроение. Единственная проблема – это удовольствие не находится «на расстоянии вытянутой руки», тост еще нужно приготовить, а для этого требуется время. Обычно я ставлю на огонь чайник, затем кладу ломтик хлеба в тостер, а потом начинаю нетерпеливо мерить шагами кухню в ожидании, пока мое любимое лакомство будет готово. Сполоснув кипятком чашку и заварочный чайник и расчистив на кухонном столе место для трапезы, я заглядываю в тостер, чтобы выяснить, на какой стадии находится приготовление тоста. Вообще, тостеры нравятся мне потому, что позволяют непрерывно контролировать процесс, убеждаясь в том, что нагревательные элементы накалились докрасна. Они не только нагревают воздух, контактирующий с ними, но и излучают световую энергию. И это сияние служит своего рода встроенным термометром. Вы можете определить, насколько сильно раскалился нагревательный элемент, по его цвету. Ярко-красный цвет нагревательного элемента говорит о том, что температура внутри тостера достигла 1000 . Это очень высокая температура. Во всяком случае достаточная для того, чтобы расплавить алюминий или серебро. Но если нечто накалилось до ярко-вишневого цвета, значит, температура этого «нечто» достигла 1000 . Другие цвета свидетельствуют о других температурах. Это правило вытекает из самого механизма действия Вселенной. Если взглянуть на горящую груду угля, то можно заметить, что внутри нее горящий уголь светится ярко-желтым цветом. Это свидетельствует о том, что температура внутри этой груды достигла 2700 . Предмет, накалившийся добела, разогрет до температуры порядка 4000  или даже больше. На первый взгляд это может показаться странным. Какое отношение цвет имеет к температуре?

Заглядывая внутрь тостера, я наблюдаю за превращением тепловой энергии в световую. Одна из самых элегантных особенностей действия механизма Вселенной заключается в том, что любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, постоянно преобразует часть своей энергии в световые волны. А свет должен пребывать в движении, поэтому световая энергия, создаваемая объектом, излучается в окружающую среду. Нагревательный элемент, накалившийся докрасна, преобразует часть своей энергии в световые волны красного цвета, расположенные на длинноволновом краю спектра. Но большая часть излучаемой нагревательным элементом энергии характеризуется еще большей длиной волн; их мы называем инфракрасными. Инфракрасные световые волны в принципе ничем не отличаются от видимого света, за исключением большей длины волны. Их можно обнаружить лишь косвенным способом, ощутив тепло в том месте, где происходит их поглощение. Хотя инфракрасные световые волны невидимы, в тостере они играют важную роль, ведь именно они нагревают тост.

Горячие объекты на одних длинах волн испускают больше света, чем на других. При любой температуре существует некая пиковая длина волны, на которую приходится львиная доля свечения, причем излучаемый свет ослабевает по обе стороны от этого пика. Тостер выдает большую порцию инфракрасного света и в качестве дополнения – видимый красный свет. Поэтому я вижу красное свечение. Я не вижу свет, который действительно поджаривает мой хлеб, но я вижу «хвост» от более длинных волн – красный свет.

Если бы у меня был супертостер, который мог бы разогреваться до более высоких температур, например до 2500 , то его нагревательные элементы раскалялись бы до желтого цвета, потому что объект, нагретый до более высоких температур, излучал бы свет с более короткими длинами волн, в результате чего видимый «хвост» включал бы большее число цветов радуги: красный, оранжевый, желтый и чуть-чуть зеленого. Когда мы видим и красный, и зеленый свет вместе, то воспринимаем его как желтый. Лишь объект, нагретый до такой температуры, излучал бы свет именно в этом диапазоне спектра. А если температуру еще повысить (то есть, если бы у меня был гипертостер, который бы разогревался до температуры порядка 4000 ), то излучаемый свет включал бы все цвета радуги – вплоть до синего. А наблюдая сразу все цвета радуги, мы видим белое свечение. Таким образом, объект, раскаленный добела, в действительности излучает все цвета радуги, но они перемешаны между собой. Недостаток такого гипертостера – он расплавится в процессе работы независимо от того, из какого материала изготовлен. Но зато он очень быстро поджаривал бы ваши тосты. А заодно и вашу кухню.

Таким образом, тостер – это устройство, генерирующее волны. Видимые вами волны красного света – только часть волн, излучаемых в процессе накаливания его нагревательного элемента. Инфракрасные волны, которые вы не можете видеть, поджаривают ваш тост. Именно поэтому ломтик хлеба в тостере приобретает хрустящую коричневую корочку лишь на поверхности. Только поверхностный слой хлеба, в который проникает инфракрасный свет, способен его поглощать и разогреваться. Причина, почему мне нравится наблюдать за процессом приготовления тоста в тостере, проста: в это время я рисую в своем воображении инфракрасный свет, излучаемый нагревательным элементом. Я не могу его видеть, но знаю, что именно он созает хрустящую коричневую корочку на ломтике хлеба. Видимый мною красный свет – своего рода бесплатное приложение к подлинному «виновнику торжества».

Но, разумеется, здесь есть одна загвоздка. Проблема с таким методом генерации световых волн в том, что вы всегда получаете один и тот же их набор. У вас нет возможности выбрать именно те волны, которые вам нужны, и отфильтровать остальные. Горящий уголь, светящийся оранжевым цветом, расплавленная сталь и какой-либо другой материал, нагретый до 1500 , должны испускать излучение с одним и тем же сочетанием длин волн, то есть цветов света. Таким образом, можно измерить температуру какого-либо объекта по его цвету при условии, что этот объект нагрет до такой степени, что вы можете видеть, как изменяется его цвет при изменении температуры. Температура на поверхности Солнца равна примерно 5500 . Именно поэтому мы воспринимаем исходящий от него свет как белый. Вообще говоря, это единственная причина, по которой мы можем видеть звезды на ночном небе. Их температура настолько высока, что свет излучается с их поверхности и пронизывает Вселенную. Их свечение имеет определенный цвет, который позволяет судить о температуре звезд.

Между прочим, каждый из нас – и вы, и я – также имеет свой цвет, определяемый нашей температурой. Конечно, он невидимый, но его могут регистрировать специальные камеры, воспринимающие требуемый вид инфракрасных волн. Разумеется, мы не раскаляемся до температур работы тостеров, но тем не менее излучаем свет. Мы испускаем световые волны, длина которых в 10–20 раз превышает длину волн видимого света. Каждый из нас представляет собой нечто наподобие лампы накаливания, испускающей инфракрасный свет, что обусловлено температурой нашего тела. Светятся все теплокровные млекопитающие: собаки, кошки, кенгуру, бегемоты и т. д. Все, что имеет температуру выше абсолютного нуля (то есть выше –273 ), – своего рода лампа накаливания, излучающая свет, цвет которого находится в диапазоне, простирающемся от инфракрасного до еще более длинных волн (микроволновый диапазон) по мере снижения температуры.

Таким образом, вся наша жизнь проходит среди волн, причем не только тех, которые мы можем увидеть, если смотреть в соответствующем направлении. Солнце, наши собственные тела, мир вокруг нас, а также всевозможные технические устройства, созданные человеком, постоянно генерируют световые волны. То же можно сказать о звуковых волнах: высоких и низких тонах, ультразвуковых волнах, которыми пользуются во время охоты летучие мыши, и инфразвуковых волнах, используемых слонами для предупреждения сородичей о непогоде. Интересно, что все эти волны могут проходить через одно и то же помещение, не смешиваясь между собой. Звуковым волнам абсолютно все равно, освещено помещение или погружено во мрак. А на световые волны никак не воздействуют фортепианные концерты и орущие младенцы. Вся эта какофония волн обрушивается на нас, когда мы открываем глаза и «включаем» слух. Но мы не сходим с ума, а просто отстраняемся от неактуальных для нас волн и настраиваемся на волны, несущие нам ту или иную полезную информацию.

Но какие именно волны мы отбираем? Ответ будет разным для новейших моделей «беспилотных» автомобилей и для животного, которому приходится выживать в лесу. Волны несут в себе разнообразную информацию, и из всего ее обилия каждый выбирает то, в чем больше всего нуждается. Вот почему голубые киты и дельфины-бутылконосы вряд ли способны услышать друг друга, и именно поэтому ни голубые киты, ни дельфины-бутылконосы не обратят ни малейшего внимания на цвет вашего гидрокостюма.

Калифорнийский залив тянется вдоль западного побережья Мексики и представляет собой узкую океанскую гавань около 1100 километров длиной, которая в южной оконечности открывается в Тихий океан. Голубые воды залива защищены темными горными вершинами, вздымающимися в небо с его обоих берегов. Обитатели морских глубин преодолевают немалые расстояния, чтобы здесь отдохнуть и подкормиться. Коротая время в небольшой лодке посреди залива, одинокий рыбак может насладиться царящими здесь тишиной и покоем, ведь в этих водах нет условий для появления сильных волн. В дневные часы солнечный свет интенсивно прогревает залив и его окрестности, отражаясь только голубой водой и отполированными скалами на берегу. Слышны лишь звуки волн, плещущихся о борта, да поскрипывание лодки. Одинокий дельфин выпрыгивает из воды, становясь на мгновение частью этой мирной картины, а затем снова погружается в совершенно другую, отнюдь не столь спокойную стихию. Там, на глубине, во всю мощь и на полную громкость работает особая экосистема Калифорнийского залива.

Ныряя на глубину, дельфин издает звук высокого тона, практически свист, адресованный остальным членам стаи, следующим за ним. И когда они улавливают этот свист, вода наполняется звуками, похожими на щелчок. Это короткие, резко обрывающиеся звуковые волны, источник которых находится в лобной части головы дельфина. Они отражаются от окружающих предметов. Достигнув первого дельфина, короткие звуковые волны передаются через его челюстную кость в уши. Таким образом, каждое животное формирует в своем мозге «звуковую картину» окружающих его предметов. Посвистывания, попискивания и щелчки образуют вокруг группы дельфинов такой звуковой фон, будто все это происходит не на морской глубине, а на какой-нибудь оживленной улице. Этот звуковой фон создают звуковые волны сообщества дельфинов в ходе охоты. Проведя какое-то время на поверхности воды, вдоволь надышавшись и наигравшись, дельфин отправляется на глубину – поохотиться. Световые волны, находящиеся в изобилии у поверхности воды, на глубину проникают с большим трудом: они очень быстро поглощаются водой, поэтому на глубине свет не может служить надежным источником информации. У дельфина есть глаза, через которые он получает информацию как над, так и под водой, но степень полезности света объясняется тем, как эволюционировало зрение дельфина. Оно совершенно не позволяет ему различать цвета – да и зачем дельфину такая способность, если в ареале его обитания цвета не играют большой роли? Мир, в котором живут дельфины, окрашен в голубой цвет, но откуда им об этом знать? Дельфин не воспринимает голубой цвет – для него подводный мир черен, как ночь. Впрочем, дельфины видят яркие блики света, отражающегося от проплывающего мимо косяка рыб. Одним словом, дельфины видят то, что им нужно видеть.

Поверхность океана подобна зеркалу Алисы в Стране чудес, которое разделяет два мира, но позволяет легко шагнуть из одного в другой. Волны имеют тенденцию отражаться от водной поверхности, разделяющей эти два мира, поэтому звук, рождающийся в воздухе, там и остается, а звук, рождающийся в океане, остается в океане. В воздухе свет движется практически беспрепятственно, как, собственно, и звук. В океане световые волны очень быстро поглощаются водой, но звуковые распространяются очень быстро и без особых потерь. Если, погрузившись под воду, вы хотите получить информацию о своем окружении, вам нужно научиться обнаруживать звуковые волны. От световых волн здесь мало пользы, если только вы не рассматриваете что-то в непосредственной близости от себя и если не погрузились слишком глубоко под воду.

Однако мир звуков под водой гораздо разнообразнее мира зрительных образов. Дельфины используют звуки очень высоких частот, порой в десять раз превышающих порог слышимости человеческого уха. Столь короткая длина звуковых волн, издаваемых дельфинами, означает, что их механизм эхолокации позволяет до мельчайших подробностей распознавать форму объектов, находящихся перед дельфином. Однако издаваемые дельфином высокочастотные звуки распространяются лишь на сравнительно короткие расстояния, поэтому звуковой фон, создаваемый группой дельфинов, не слышен у берегов залива. Впрочем, поверх этого звукового фона накладываются другие звуки, с более высокой «дальнобойностью». В частности, глухое жужжание двигателя далекого морского судна, позвякивание пузырьков, возникающих в результате всплесков на поверхности воды, тихое потрескивание, издаваемое креветками, и внезапно – глухой гул, напоминающий стон, астолько низкий, что дельфины не слышат его. Стон повторяется. В десятке километров отсюда подает сигналы голубой кит, и эти звуки распространяются по заливу на большие расстояния. Кит не пользуется эхолокацией, поэтому обходится без высокочастотных звуков. Главное для кита – чтобы издаваемые им звуки были слышны как можно дальше, а для этой цели подходят низкочастотные звуки, то есть звуковые волны большой длины. Такие волны могут преодолевать огромные расстояния, а гладким (или, как их еще называют, настоящим) китам – среди прочих к их числу относятся голубые киты, финвалы (полосатики) и малые полосатики – приходится общаться друг с другом на огромных расстояниях. Киты не слышат щелканья дельфинов, а дельфины не слышат грустных стонов китов. Впрочем, в воде распространяются любые звуки и несут в себе огромный поток информации для всех обитателей морских глубин, каждый вид которых настраивается на подходящую для себя звуковую частоту.

Следовательно, океан также представляет собой среду распространения световых и звуковых волн, однако в нем это происходит совсем не так, как в воздухе. Океанские глубины – идеальная среда для распространения звуковых волн, а что касается света, то киты и дельфины не различают цветов, поскольку такие тонкости световых волн не имеют для них никакого значения.

Однако между атмосферой и океаном есть определенное сходство. Точно так же как самые длинные звуковые волны передаются под водой на самые дальние расстояния, самые длинные световые волны преодолевают самые дальние расстояния в атмосфере. Всего лишь каких-нибудь сто лет назад люди научились общаться через тысячи километров. Поскольку мы живем в воздушной среде, то для передачи информации на дальние расстояния пользуемся не звуковыми, а световыми волнами, которые называются радиоволнами. Самым важным применением этой технологии на раннем этапе развития была отправка информации через океаны. Если бы команда «Титаника» всерьез отнеслась к сообщениям, полученным с помощью новых систем связи, то это замечательное судно, возможно, не утонуло бы.

Сразу же после полуночи 15 апреля 1912 года импульсы радиоволн в виде концентрических кругов распространялись из нескольких мест в Северной Атлантике. Картины концентрических кругов возникали спорадически и прекращались, причем каждая затухала по мере распространения волны от своего источника. Некоторые из этих концентрических кругов-волн достигали других мест, из которых передавались подобные сигналы, и они ретранслировались дальше. Самые мощные волны исходили из места, находящегося в 600 километрах на юг от Ньюфаундленда в Канаде, где Джек Филлипс использовал один из наиболее мощных на то время морских радиопередатчиков, чтобы отправить в эфир сигналы бедствия. Гигантский океанский лайнер «Титаник», крупнейший в мире корабль, шел ко дну. Джек Филлипс, находясь в верхней части судна, на шлюпочной палубе, отправлял короткие электрические импульсы на антенну, протянутую между двумя дымовыми трубами. Электрические колебания в антенне преобразовывались в радиоволны, рассылаемые в разные стороны с корабля, а радиооператоры на других судах расшифровывали сообщения, поступающие из эфира на антенны их приемников.

Такого типа радиосвязь работает лишь потому, что радиоволны с радиопередающей антенны распространяются во все стороны, а не в каком-то определенном направлении. Радиооператору, транслирующему сообщение, не нужно знать точное местоположение человека, который его примет, – одни и те же радиоволны могут принимать многие люди, находящиеся в разных местах. Радиоимпульсы, посылаемые «Титаником», могли уловить радиооператоры на «Карпатии», «Балтике», «Олимпике» и нескольких других судах, находящихся в нескольких сотнях километров от «Титаника». Хотя передаваемая информация могла быть крайне лаконичной, а радиопередающие и радиоприемные устройства весьма несовершенными, впервые в истории человечества появилась возможность вести переговоры через океан. Изобретение радиосвязи радикально повлияло на судовождение. Двадцатью годами ранее «Титаник» исчез бы под волнами в полном одиночестве и о его пропаже в лучшем случае узнали бы через неделю. Первый трансатлантический радиосигнал был передан за десять лет до крушения «Титаника». Но в ту роковую ночь посредством радиоволн, расходившихся концентрическими кругами в темноте, суда, находившиеся сравнительно недалеко от «Титаника», узнали о трагедии сразу же, как только она начала разворачиваться. Эти импульсы-стаккато не были случайностью. Концентрические круги радиоволн складывались в определенные картины, и каждая такая картина несла в себе определенное сообщение, отправленное определенным человеком и переданное на дальнее расстояние со скоростью света. Это ознаменовало собой настоящую революцию в области человеческих коммуникаций, переворот, возвестивший о подлинном начале эпохи радио.

Одна из причин, почему гибель «Титаника» приобрела мировую известность, – трагедия произошла на пороге нового века и продемонстрировала колоссальный потенциал радиоволн. («Карпатия» прибыла к месту крушения «Титаника» через два часа после того, как он затонул. И это помогло спасти многие жизни.) Но она также показала, что радиосвязь того времени была слишком несовершенна, чтобы из нее можно было извлечь максимум пользы. Скорость передачи сообщений была низкой, и некоторые из предупреждений об айсбергах, принятые на «Титанике», попросту затерялись в потоке тривиальных и малозначащих уведомлений. Немаловажно и то, что использование примитивных импульсов волн для передачи сообщений означало, что одни сигналы можно было легко перепутать с другими. Кто передает сообщение и кто его принимает? Оно могло быть принято частично или с искажениями и в итоге неправильно истолковано. Чтобы использовать радиоволны для передачи информации, нужно каким-то образом их изменять, чтобы приемник мог воспринимать картину этих изменений. Но радиопередающие и радиоприемные системы того времени работали по принципу «включено/выключено»: либо испускание радиоволн, либо их отсутствие. Существовал всего один канал радиопередачи, и им пользовались все потенциальные участники радиосвязи.

Радиоволны были не единственными волнами, которые носились в ту ночь над океаном. «Титаник» передавал сигналы бедствия, а судно «Калифорниэн», находившееся неподалеку, пыталось обмениваться с ним информацией с помощью ратьера, посылая на «Титаник» вспышки видимого света. Но «дальнобойность» радиоволн гораздо выше, что объясняется одной важной особенностью земной атмосферы. Верхний атмосферный слой (ионосфера) ведет себя по отношению к радиоволнам как частично отражающее их зеркало. Поэтому радиосигналы с «Титаника» не просто расходились в разные стороны над поверхностью океана: они посылались в атмосферу, а затем отражались вниз. Именно поэтому радиоволны способны преодолевать огромные расстояния над океаном, хотя из-за кривизны Земли на достаточно большом удалении отправитель и получатель радиосигнала не находятся в зоне прямой видимости (то есть их нельзя соединить воображаемой прямой линией). Отраженные радиоволны могут обогнуть планету: многочисленные отражения помогают им огибать изогнутую поверхность. Для видимого света подобного «зеркала» в атмосфере нет.

Джек Филлипс продолжал заполнять ночной эфир импульсами радиоволн, передавая координаты «Титаника» каждому, кто их мог принять, пока вода не захлестнула радиорубку. Джек Филлипс не выжил, однако использование системы дальней радиосвязи позволило выжить 706 пассажирам и членам экипажа из 2223 человек, находившихся на борту. Многим из этих 706 счастливчиков удалось дожить до того времени, когда эфир вокруг нашей планеты превратился в настоящую какофонию из радиоволн, используемых в системах радиосвязи. В наши дни степень этой какофонии выросла многократно, но именно благодаря ей человечество взаимосвязано, как никогда прежде.

Электромагнитные волны правят нашим миром. Это тот механизм, который доставляет нам крохотную долю энергии Солнца, питающей нашу планету. Электромагнитные волны – мост, соединяющий нас со Вселенной. Но в прошлом столетии наша цивилизация начала разрабатывать новые взаимоотношения с комплексом всех возможных световых волн, всем электромагнитным спектром. Если когда-то мы были лишь пассивными потребителями, признательными за энергию и информацию, которая нечаянно попадала к нам в руки, то сегодня мы плодовитые производители и пользователи электромагнитных волн. Наше невероятно возросшее умение обращаться с электромагнитными волнами раскрыло перед нами колоссальные возможности по контролю практически за всем, что происходит в мире, способность почти мгновенно передавать информацию в любую точку планеты и возможность общаться прямо сейчас с любым ее жителем, имеющим мобильный телефон.

Но разобраться в этом нашествии волн можно лишь при условии, что вы знаете, как из всего множества передаваемых сообщений выделить именно то, которое предназначено вам. К счастью, решение проблемы заключено в самих волнах, и вам не требуется какое-то специализированное оборудование, чтобы в этом убедиться.

Национальный парк Грейт-Смоки-Маунтинс в штате Теннеси потрясает чередой долин и горных вершин, покрытых лесом. Безмятежность и величественное спокойствие этого леса производили особенно сильное впечатление, поскольку, чтобы сюда добраться, нам пришлось проехать через город, где родилась и провела свои детские годы Долли Партон. Разумеется, я немало слышала об этой великой певице в стиле «кантри», но была потрясена видом Долливуда, огромного тематического парка, созданного в честь Теннеси, музыки «кантри», верховой езды и, конечно, самой Долли Партон. Красные ковбойские шляпы, богато декорированные гитары и всепроникающий фон музыки в стиле «кантри», буквально пропитавший окружающие города, копны рыжих волос на головах, винтажные джинсовые костюмы и безграничное южное гостеприимство. Бурбон после ужина показался нам неким культурным императивом, хотя, по правде говоря, я предпочла бы ковбойскую шляпу. Но все изменилось, когда на следующий день мы отправились в горы. В лес стекались толпы людей, груженых шезлонгами, сумками с бутербродами и термосами. Они устраивались поудобнее на лужайках в надежде стать свидетелями необычного явления природы. Все, что могло нарушить полную темноту, помешало бы предстоящему зрелищу, поэтому все огни были погашены, а мобильные телефоны и фонари выключены. С наступлением ночи начался танец светлячков. Лес озарился вспышками миллионов крошечных насекомых, обменивающихся друг с другом световыми сигналами. Мы надеялись снять здесь научно-документальный фильм. На то, чтобы запечатлеть это событие, у нас была всего одна ночь. Чтобы снять такой документальный фильм, необходимо было переходить с места на место и видеть, куда мы идем. Нам сказали, что для этого лучше пользоваться фонарями с красным фильтром, поскольку красный свет не потревожит светлячков так, как обычный белый. Итак, мы крались по лесу, время от времени освещая путь красным фонарем. Примерно к часу ночи светлячки в основном завершили свой спектакль, а мы приготовились снять последний фрагмент. Пока режиссер и оператор настраивали освещение, я закрепила на голове красный фонарь, устроилась на небольшой поляне, укрывшись от холода под светонепроницаемым куском ткани, и стала наскоро сочинять текст, которым должен был сопровождаться видеоряд фильма. Когда режиссер и оператор подготовились к съемке, я выбралась из укрытия, чтобы присоединиться к ним, и открыла блокнот, решив еще раз пробежать глазами подготовленный текст. Но под белым светом налобного фонаря режиссера я не смогла прочитать свои заметки: на странице было два текста – один в красном, другой в синем цвете, причем располагались они один поверх другого. Читать эти каракули было невозможно.

Если бы вы хотели продемонстрировать, насколько разделены между собой разные длины волн, трудно было бы придумать более подходящий пример, чем этот. Я поняла, что ранее в тот же день что-то писала на этой странице красными чернилами. При белом освещении на белой бумаге довольно удобно читать текст, написанный красными чернилами. Но при красном свете моего фонаря красные чернила стали невидимы. Белая бумага отражала красный свет обратно в мои глаза. И красные чернила также отражали его туда же. В красном свете моего фонаря страница выглядела пустой, поскольку красный свет одинаково отражал в мои глаза все, что на ней было. В результате я написала новые заметки на той же странице синими чернилами. Я могла видеть этот текст, потому что он не отражал красный свет, вследствие чего возникал контраст между чернилами и бумагой. Если бы я посмотрела на эту страницу в свете синего фонаря, то смогла бы увидеть текст, написанный красными чернилами, но не видела бы синего. Точно так же как я настраиваю радиоприемник на нужную волну, вращая ручку настройки, я могла бы читать один из двух текстов, выбирая цвет освещения. У красного света длина волны больше, чем у синего. Выбирая длину волны, на которую я хотела настроиться, я выбирала информацию, которую мне нужно было получить.

По сути, это можно рассматривать как полную аналогию настройке на радиостанцию. Большинство используемых нами способов обнаружения света (и других видов волн) сводятся к выявлению лишь очень узкого диапазона длин волн. Если среди окружающих нас волн присутствует волна, выходящая за границы этого диапазона, то мы даже не узнаем о ее существовании. Случай с моим блокнотом подтвердил, что это правило касается видимых цветов, но оно также верно и для невидимых. Окружающий нас мир переполнен всевозможными световыми волнами, и все они накладываются друг на друга подобно заметкам на странице моего блокнота. Эти световые волны не взаимодействуют между собой и не изменяют другие цвета вокруг. Световые волны разной длины совершенно независимы друг от друга. Вы можете предпочесть радиоволны с самой большой длиной (то есть настроиться на них) и слушать одну из радиостанций, вещающих в длинноволновом диапазоне. Или можете нажать кнопку на пульте дистанционного управления, которая посылает сигналы в инфракрасном диапазоне волн, воспринимаемые только вашим телевизором. Или можете написать на листе бумаги заметки красными чернилами. Или решите подождать, пока ваш смартфон определит Wi-Fi-сети, доступные в том месте, где вы находитесь (каждая такая Wi-Fi-сеть, по сути, представляет собой трансляцию, осуществляемую на определенной длине волны, правда, в данном случае речь идет о сверхвысокочастотном диапазоне волн). Мы постоянно пребываем в эпицентре этой информационной какофонии, представляющей собой нагромождение волн разной длины. Чтобы узнать, есть ли среди них интересующая вас информация, нужно попытаться отыскать ее подходящим способом. Мы рисуем свою картину окружающего мира лишь в очень узком диапазоне длин волн – в видимых цветах радуги. Но на эти видимые цвета никак не влияют остальные окружающие нас, но невидимые цвета.

Тот факт, что волны разной длины не влияют друг на друга, очень полезен с практической точки зрения. Мы можем отобрать только волны нужной нам длины, отмежевавшись от остальных. Окружающий мир по-разному воздействует на волны разной длины. Он сортирует и фильтрует их в зависимости от длины. Хотя я выросла вблизи серого, хмурого и дождливого Манчестера, где увидеть ночное безоблачное звездное небо – подарок судьбы, я проживала лишь в 25 километрах от обсерватории Джодрелл-Бэнк, где установлен крупнейший в Великобритании радиотелескоп имени Бернарда Ловелла. Это огромное сооружение с диаметром параболической антенны 76 метров. И даже в самые пасмурные дни в Манчестере, когда толщина облачного покрова достигает нескольких километров, этот радиотелескоп видит небо таким, словно на нем нет ни облачка. Для видимого света, длина волны которого не превышает миллионной доли метра, облачное небо представляет собой серьезную преграду. Свет отражается и отклоняется облаками и в итоге полностью поглощается. Но радиоволны, в принципе не отличающиеся от волн видимого света, за исключением того, что длина их волны составляет примерно 5 сантиметров, проникают сквозь облака практически беспрепятственно. Оказавшись в следующий раз возле Манчестера в дождливую погоду, имейте это в виду. Возможно, вы почувствуете себя несколько комфортнее, вспомнив, что именно в этот момент, когда за пеленой дождя или тумана едва угадываются верхушки деревьев, перед астрономами открывается космос во всем его величии[53]. Хотя допускаю, что мысль об этом способна согреть душу далеко не каждому.

Жизнь на Земле возможна лишь потому, что световые волны разной длины по-разному взаимодействуют с разными объектами. Энергия излучается раскаленным Солнцем как широкая симфония световых волн, а нашей каменистой планете достается лишь крохотная частица этого стремительного потока. Нас согревает энергия, доставляемая этой крохотной частицей потока солнечного излучения. Но если бы действовал только этот фактор, то средняя температура на поверхности Земли равнялась бы не слишком комфортным –18  вместо нынешних вполне приемлемых 14 . От замерзания нас уберегает парниковый эффект Земли, механизм действия которого основан на том, что световые волны разной длины по-разному взаимодействуют с земной атмосферой.

Представьте вид, открывающийся со склона высокого холма в один из солнечных дней, когда по ярко-голубому небу плывут лишь несколько пухлых белых облаков, как будто помещенных для большего разнообразия картины. Если взглянуть вдаль, можно увидеть зеленые деревья, траву и темную землю. Эта сцена освещается солнечным светом – за исключением теней, отбрасываемых на землю облаками. Но солнечный свет, который достиг земли, расстилающейся перед вами, отличается от излучения, испускаемого раскаленным Солнцем. Земная атмосфера поглотила длинные инфракрасные волны и большую часть коротких ультрафиолетовых волн, однако видимый свет проник сквозь атмосферу практически в неизменном виде. Атмосфера уже отобрала волны, которые достигнут земной поверхности, и это видимые световые волны. Для них небо ведет себя как атмосферное окно, беспрепятственно пропускающее их. Для радиоволн есть другое атмосферное окно (именно поэтому радиотелескопы могут всматриваться в космос), но большинство других длин волн блокируются земной атмосферой.

Чем темнее земля, которую вы можете видеть, тем больше видимых волн ею поглощается. А поглощенная энергия солнечного света в конечном счете превращается в тепло. Если в солнечный день прикоснуться рукой к темной земле, вы его почувствуете. Остальной солнечный свет отражается вверх и возвращается в космос через атмосферное окно. Если где-то вовне существуют разумные существа, то этот отраженный солнечный свет позволяет им увидеть нас, землян.

Но вот земля прогрелась и, подобно нагревательному элементу тостера, должна отдавать энергию в виде излучения благодаря повысившейся температуре. Разумеется, это не очень высокая температура, поэтому мы не наблюдаем сияния. Но в инфракрасном свете, характеризующемся большей длиной волны, прогретая земля похожа на светящуюся электрическую лампочку. Вот здесь-то и вступает в действие парниковый эффект. Чистый атмосферный воздух не создает особых препятствий для волн в инфракрасном диапазоне, и они возвращаются в космос. Но некоторые газы – водяные пары, двуокись углерода, метан и озон – становятся непреодолимой преградой на их пути. Несмотря на небольшую долю в земной атмосфере, они очень интенсивно поглощают волны в инфракрасном диапазоне. Эти газы называют парниковыми газами. Если вы присмотритесь к происходящему вокруг, то заметите, что видимый свет отражается от земной поверхности, но не увидите инфракрасный свет. Если бы вы могли его видеть, то обратили бы внимание, как быстро снижается его интенсивность по мере удаления от земной поверхности. Атмосфера активно поглощает инфракрасный свет, отраженный от земной поверхности. Молекулы газа быстро отдают приобретенную ими энергию, излучая ее в окружающее пространство в виде новых волн в инфракрасном диапазоне. Но здесь есть важный момент. Когда эти новые волны излучаются в окружающее пространство, они распространяются равномерно во все стороны. Лишь некоторые из них направляются вверх и в конце концов покидают земную атмосферу, а некоторые устремляются вниз и повторно поглощаются земной поверхностью. Таким образом, часть излучаемой энергии захватывается атмосферой. Этот небольшой дополнительный нагрев делает нашу планету теплее, чем она могла бы быть, обеспечивая наличие на Земле воды в жидком состоянии. В результате должен установиться новый баланс: количество поступившей и ушедшей энергии должно быть одинаковым (иначе земная атмосфера нагревалась бы все больше и больше). Следовательно, Земля нагревается до тех пор, пока сможет отдавать в окружающее пространство достаточное количество энергии инфракрасных волн, чтобы установился баланс «прихода и расхода».

В этом и состоит сущность парникового эффекта[54]. В основном он носит естественный характер: в атмосфере содержится много водяных паров и углекислого газа, причем состояние равновесия наступает при средней температуре земной поверхности, равной 14 . Но при сжигании топлива органического происхождения люди добавляют в атмосферу изрядное количество углекислого газа, в результате чего она захватывает большее количество энергии инфракрасных волн, которая в противном случае могла бы покинуть земную атмосферу. Это приводит к изменению баланса, причем его новое состояние достигается при более высокой температуре земной поверхности. Количество углекислого газа, задействованное в этих процессах, очень мало: в 1960 году на каждый миллион частей атмосферного воздуха приходилось 313 частей CO₂, а в 2013-м – примерно 400 частей CO₂. На первый взгляд такое увеличение содержания углекислого газа в атмосферном воздухе кажется незначительным. Но не следует забывать, что молекулы углекислого газа поглощают лишь волны определенной длины. Метан поглощает инфракрасные волны еще интенсивнее, чем углекислый газ. С этой точки зрения указанные газы играют очень важную роль. Именно парниковый эффект привел к возникновению жизни на Земле, однако он может обусловить и существенное изменение температуры на планете. Все это касается волн, которые мы не можем видеть непосредственно. Но уже сейчас можем оценить возможные последствия изменения температурного баланса.

Как указывалось выше, окружающая среда переполнена всевозможными видами волн: радиоволнами, волнами видимого света, океанскими волнами, «тяжеловесными» звуковыми волнами, издаваемыми китами под водой, и высокочастотными сигналами эхолокации, используемыми летучими мышами. Все эти разнотипные волны мирно сосуществуют в общей среде, никак не влияя друг на друга. Но есть еще один вопрос, на который нам предстоит ответить. Что происходит вследствие пересечения однотипных волн? Результат такого пересечения выглядит великолепно, когда вы держите на ладони переливающуюся жемчужину, но представляется крайне нежелательным, когда разговариваете по мобильному телефону.

Двустворчатый моллюск (морская жемчужница) Pinctada maxima обитает на морском дне, на глубине нескольких метров в лазурных водах вблизи Таити и других островов, расположенных в южной части Тихого океана. Когда он питается, две створки его раковины слегка раскрываются, и он всасывает в больших количествах морскую воду (по нескольку галлонов в сутки), отфильтровывает питательные вещества и усваивает их. Очищенная таким образом вода возвращается в океан. Проплывая над моллюском, вы можете даже не заметить его, поскольку его шершавая, бежево-коричневатая раковина превосходно маскируется под окружающую среду. Эти фильтры океанской воды сочетают в себе высокую функциональность и неброский внешний вид. То, что скрывается под их створками, изначально не предназначалось для посторонних глаз. Тем не менее Клеопатра, Мария Антуанетта, Мэрилин Монро и Элизабет Тейлор с гордостью носили жемчужные украшения, изготовленные из загадочного содержимого раковин Pinctada maxima и других жемчужных устриц.

Время от времени между створок устриц попадает какой-то посторонний предмет, не усваиваемый организмом моллюска, но оказывающий на него раздражающее действие. Поскольку моллюск не в состоянии от него избавиться, он окутывает его в безвредную оболочку из такого же материала, каким покрыт внутренняя поверхность створок раковины. Это похоже на то, как нерадивая хозяйка наскоро сметает мусор под ковер, вместо того чтобы выбросить его в корзинку для мусора (к сожалению, даже по прошествии значительного времени мусор под ковром не приобретает большой ценности – в отличие от жемчужины). Это покрытие выполнено из крошечных пластиночек (бляшек), скрепляемых между собой органическим клеем и наслаивающихся друг на друга. Процесс строительства оболочки очень длительный (недавно было обнаружено, что в ходе формирования жемчужины она вращается вокруг собственной оси, причем на один полный оборот уходит около пяти часов). Приливы сменяются отливами, один сезон другим, мимо проплывают акулы, морские скаты и черепахи, а моллюск спокойно лежит на дне, пропуская через себя океанскую воду и медленно проворачивая между своими створками формирующуюся жемчужину.

Такая безмятежность длится годами, пока в один не самый удачный для моллюска день его не достанет с морского дна ловец жемчуга и не вскроет створки раковины. Когда солнечный свет впервые попадает на жемчужину, извлеченную из-под створок моллюска, световые волны отражаются от ее ярко-белой поверхности. Но не просто от верхнего слоя бляшек, а частично проникают в нижние слои бляшек, отражаясь и от них. Может произойти несколько таких отражений, прежде чем свет выйдет наружу. При этом возникает ситуация, когда волны одного и того же типа – пускай это будет зеленая составляющая солнечного света – налагаются друг на друга. Они по-прежнему не оказывают взаимного влияния, но складываются между собой. Иногда зеленая световая волна, которая отразилась от верхнего слоя жемчужины, точно совпадает по фазе с зеленой световой волной, отразившейся от следующего слоя, расположенного непосредственно под верхним. Поскольку эти волны совпали по фазе, их пики и впадины идеально сочетаются друг с другом. В нашем случае это означает усиление зеленой световой волны. Но, возможно, у красной составляющей солнечного света, падающей на жемчужину под таким же углом и отражающейся от разных слоев аналогичным образом, не происходит столь идеального совпадения по фазе: пики от одной красной световой волны совмещаются со впадинами другой красной световой волны; иными словами, эти волны налагаются друг на друга в противофазе. А это приводит к тому, что в данном направлении красный свет вообще не выходит из жемчужины.

Именно благодаря этому слоистому строению жемчуга невзрачный моллюск, мирно коротающий свои дни в южной части Тихого океана, создает нечто крайне притягательное для самых гламурных личностей в нашем обществе. Эти слои настолько тонкие, что способны обеспечивать идеальное совпадение фаз однотипных световых волн, отражающихся от разных слоев, идеальное наложение этих волн и результирующие яркие цветовые эффекты. Под определенными углами волны отраженного света усиливают сами себя, в результате чего мы наблюдаем мерцания красного и зеленого цветов на яркой белой поверхности. Под другими углами можно наблюдать мерцание синего цвета или отсутствие какого-либо цвета, кроме белого. Если жемчужину поворачивать туда-сюда в лучах солнечного света, то мы увидим сверкания, возникающие в результате сложения волн той или иной длины, – это явление называется переливчатостью и производит сильное эстетическое впечатление, за что высоко ценится людьми, но, к сожалению, оно очень редко встречается в природе. Обусловлено оно тем, что жемчужины порождают иррегулярную картину световых волн, скользя взглядом вдоль ряда жемчужин, вы можете наблюдать разные фрагменты этой картины. Но выглядит это так, будто жемчужины сияют – а людям нравится такое зрелище. В наши дни люди научились добиваться подобного эффекта искусственным путем, тем не менее мы предпочитаем обладать творениями природы.

Жемчуг наглядно демонстрирует, что случается при наложении однотипных волн. Иногда их вершины и впадины совпадают и складываются, порождая более сильную волну, которая движется в определенном направлении. Иногда однотипные волны уничтожают друг друга, что приводит к их полному отсутствию на определенном направлении. Новая картина волн возникает каждый раз, когда на своем пути они не встречают поверхности, от которой могли бы отразиться, или когда есть несколько источников волн (вспомните взаимно перекрывающиеся концентрические круги волн, расходящихся по поверхности пруда, если в него бросить два камешка на относительно небольшом расстоянии друг от друга).

Но в связи с этим возникают некоторые вопросы: что происходит при взаимном перекрытии идентичных волн, имеющих другую природу? Например, радиоволн, используемых для мобильной связи? Мы сплошь и рядом наблюдаем группы людей, стоящих в непосредственной близости друг от друга и разговаривающих по мобильным телефонам с удаленными абонентами, причем у многих из них модели телефонов одинаковые. Сотни и тысячи людей в одном и том же городе используют для мобильной связи одни и те же типы волн. Во время трагедии с «Титаником» радиосвязь между судами была очень плохой, потому что все суда, находившиеся в тот момент в Северной Атлантике, использовали для обмена радиосигналами одну и ту же технологию радиосвязи и один и тот же тип волн. Но в наши дни добрая сотня людей, пребывающих в одном и том же здании, могут одновременно вести переговоры с другими абонентами по одинаковым мобильным телефонам, не создавая при этом помех друг другу. Как же удалось организовать эту какофонию волн, чтобы обеспечить одновременное общение множества людей по мобильной связи?

Представьте, что вы смотрите с высоты на большой оживленный город. Человек, идущий по улице, вынимает из кармана мобильный телефон, набирает номер и прикладывает телефон к уху. Теперь напрягите воображение и представьте, что радиоволны разной длины окрашены в разные цвета. От мобильного телефона этого человека в разные стороны расходятся концентрическими кругами волны зеленого цвета, причем в непосредственной близости от телефона они выглядят очень яркими и мощными, а по мере удаления тускнеют и слабеют. На расстоянии примерно 100 метров расположена базовая станция мобильной связи, которая обнаруживает эти зеленые волны и расшифровывает сообщение, определяя номер абонента, которому звонит этот человек. Затем базовая станция отправляет собственный сигнал обратно на мобильный телефон этого человека; волны обратного сигнала тоже зеленого цвета, однако он несколько отличается от исходного. В этом и заключается первая «маленькая хитрость» современных систем связи. В то время как «Титаник» мог посылать только сигнал, представляющий собой сочетание множества разных длин волн, современная технология с высочайшей точностью выбирает длины волн для передачи и приема сигналов. Длина волны исходного сигнала, передаваемого мобильным телефоном, равнялась 34,067 сантиметра, а длина волны сигнала, переданного базовой станцией обратно на мобильный телефон, – 34,059 сантиметра. Мобильный телефон и базовая станция могут общаться по каналам с длинами волн, различающимися лишь на ничтожную долю процента. Для нас цвета этих двух сигналов практически неразличимы: тот и другой кажутся зелеными. Но, подобно красным и синим чернилам на листе белой бумаги в моем блокноте, эти волны имеют разную длину и не смешиваются друг с другом. Когда человек идет по улице, зеленые волны, исходящие из его телефона, несут в себе определенную картину – сообщение, которое он хочет передать по мобильной связи. Женщина, идущая по той же улице, также разговаривает по телефону, но он использует несколько другую длину волны (разница между ними, опять-таки, составляет ничтожную долю процента). И базовая станция в состоянии отличить эти сигналы. Именно поэтому государство продает полосу частот как их определенный диапазон: если ваш оператор мобильной связи использует этот диапазон, то вы можете улавливать даже самые ничтожные различия между каналами – если, конечно, оборудование мобильной связи способно их сформировать. Итак, глядя на этот район города, мы видим множество ярких точек. Это мобильные телефоны, которые отправляют сигналы. Эти сигналы отражаются от зданий и поглощаются окружающими объектами, но в основном, прежде чем полностью ослабеть, все же достигают базовой станции.

Когда человек, за которым мы наблюдаем, удаляется от базовой станции, мы начинаем замечать новые цвета. Улицы, открывающиеся перед ним, полны красных «радиопятен», причем все они концентрируются возле следующей базовой станции, рассылающей множество оттенков красного на телефоны, группирующиеся возле нее. Когда затухнет сильный зеленый сигнал с первой базовой станции, телефон нашего подопечного обнаружит новые частоты и начнет взаимодействовать с новой базовой станцией. Человек может даже не подозревать о том, что достиг границы «зеленого» участка, но как только он пересечет ее, его телефон переключится на новую длину волны, чтобы отправлять теперь на новую базовую станцию оттенки красного цвета. Они не улавливаются первой («зеленой») базовой станцией, а ретранслируются второй («красной»). Продолжая идти по улицам, человек может заходить на участки, где радиоволны имеют желтый или синий цвет, если придерживаться предложенного мною сопоставления каждой длины волны определенному цвету. На соседних участках не могут использоваться волны одного и того же цвета, но если наш герой забредет достаточно далеко, то вполне может оказаться еще на одном «зеленом» участке. В этом заключается еще одна уловка систем мобильной связи. Выбрав достаточно низкий уровень ее сигнала, мы можем быть уверены, что эти сигналы будут достигать лишь ближайшей базовой станции. Это означает, что на достаточном удалении от исходной «зеленой» базовой станции мы можем разместить еще одну «зеленую» базовую станцию, не рискуя тем, что они будут создавать помехи друг другу. Информация стекается в центр и растекается из центра каждой такой ячейки, или «соты»[55] (выше мы называли эти «соты» участками), но не смешивается с информацией, циркулирующей в других «сотах». То обстоятельство, что по сотовой связи одновременно разговаривает множество людей, не имеет значения, поскольку все они пользуются радиоволнами разной (хотя и различающейся на ничтожную величину) длины. А применяемая в наши дни технология позволяет разделять все эти разговоры за счет чрезвычайно точной настройки приемных устройств. Если ваш мобильный телефон отправляет сигналы на длине волны, которая отличается от требуемой хотя бы на ничтожную долю процента, ваше сообщение никогда не попадет к адресату. Но эта невероятная точность современной технологии связи означает, что отличить одну волну от другой можно даже в случае, если они разнятся на ничтожную долю процента.

И в такой невероятной толчее разнородных волн нам приходится находиться ежедневно! Мимо головы каждого из нас проносятся взаимно перекрывающиеся концентрические круги электромагнитных волн, излучаемых мобильными телефонами, системами Wi-Fi, радиостанциями, Солнцем, нагревателями, пультами дистанционного управления и множеством других устройств – источников электромагнитного излучения. И это только световые волны, а ведь есть еще и звуковые: глухие раскаты, раздающиеся из недр Земли, джазовая музыка, собачий лай и ультразвук, используемый для очистки инструментов в местной стоматологической поликлинике. А еще есть рябь в чашке чая, на который вы дуете, пытаясь слегка остудить, океанские волны и вздыбливание земной поверхности в результате землетрясений, время от времени возникающих в разных уголках планеты. Этот перечень разновидностей волн можно продолжать. Волны естественного происхождения дополняются многочисленными искусственными волнами, используемыми человеком для разнообразных целей, в том числе и связи. Но все эти разнотипные волны подчиняются одним и тем же базовым физическим законам. Каждая волна, какова бы ни была ее физическая природа, характеризуется определенной длиной. Все волны могут отражаться, преломляться и поглощаться. Если вы знаете базовые физические законы, которым подчиняются волны, если понимаете, что волны переносят энергию и информацию, но не переносят саму среду, в которой распространяются, значит, получаете возможность управлять одним из самых эффективных инструментов нашей цивилизации.

В 2002 году я работала в Новой Зеландии в одном из центров верхового туризма, расположенном вблизи Крайстчерча. Однажды вечером раздался телефонный звонок, и, к моему удивлению, он адресовался мне. Поскольку звонок был принят на беспроводной телефонный аппарат, я сняла трубку, вышла с ней из дома и уселась на склоне холма. Звонила Нана. Ей захотелось поговорить со мной (к тому моменту прошло уже около шести месяцев, как я уехала из Великобритании и за все это время ни разу не общалась со своей семьей), она набрала нужный номер – и вот я уже разговариваю с ней. Когда она со своим характерным ланкаширским акцентом начала расспрашивать меня о еде, лошадях и работе, я внезапно осознала всю необычность – и даже фантастичность – ситуации. Я нахожусь на другом конце гигантской планеты, так далеко от своей семьи, насколько это вообще возможно, если, конечно, не выходить в открытый космос (расстояние по прямой между нами составляло 12 742 километра, а с учетом кривизны земной поверхности – все 20 000 километров), и тем не менее слышу голос Наны так, словно она стоит на расстоянии вытянутой руки. Не могу передать ту гамму чувств, которую испытывала в течение всех десяти минут разговора. В наши дни все земляне ощущают свою принадлежность к единой человеческой цивилизации благодаря невидимым волнам, позволяющим людям, проживающим в самых отдаленных уголках планеты, общаться. Колоссальное и почти невероятное достижение человеческой мысли! Работа изобретателей-энтузиастов, таких как Маркони и Попов, и даже гибель «Титаника» указали путь к сегодняшнему миру, в котором возможность общения между людьми, находящимися на огромных расстояниях друг от друга, воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Я благодарна судьбе за то, что родилась достаточно рано, чтобы испытывать неподдельное восхищение, которого заслуживает это достижение. Наши глаза не в состоянии обнаружить волны, а оценить невидимое всегда нелегко. Но когда в следующий раз будете звонить по мобильному телефону, задумайтесь над этим. Вообще говоря, волна – очень простое физическое явление. И если вы поймете принципы и механизмы ее использования в повседневной жизни, то мир, в котором вы живете, станет еще ближе и понятнее.

Глава 6. Почему у уток не мерзнут лапы?

Танец атома

Большинство людей считают соль ничем не примечательным продуктом, который обычно хранят в шкафчике на кухне. По крайней мере она почти никогда не оказывается в центре внимания. Но, присмотревшись к горсти соли внимательнее, особенно при ярком освещении, нетрудно заметить, как она искрится. Если поднести горсть соли ближе к глазам, сверкание ее кристаллов станет еще отчетливее. Посмотрите на горсть соли сквозь увеличительное стекло, вы увидите, что форма ее кристаллов вовсе не произвольна, а их грани выглядят так, словно их тщательно отполировали. Каждый кристаллик имеет форму правильного куба, причем размер его грани примерно полмиллиметра. Сверкание кристаллов соли объясняется тем, что свет отражается от их плоских граней, которые ведут себя как крошечные зеркала. Если горсть соли осторожно помешивать ложечкой, то грани многочисленных кристалликов будут искриться, отражая свет под разными углами. Материал, добываемый путем бурения в соляной шахте, имеет вид крошечных «скульптур» одинаковой формы. Это единообразие вовсе не результат каких-то особенных способов добычи соли: просто так она формируется. И это указывает на то, из чего изготовлен данный материал.

Поваренная соль представляет собой хлорид натрия и состоит из равных количеств ионов натрия и хлора[56]. Вы можете думать о них как о шариках разных размеров: диаметр иона хлорида почти в два раза больше диаметра иона натрия. Когда образуется соль, каждому из ее компонентов отведено определенное место в весьма специфической структуре. Как яйца во множестве гигантских лотков, уложенных друг на друга, ионы хлорида выстраиваются в длинные ряды и столбцы, формируя пространственную кристаллическую решетку. Получается нечто вроде множества крошечных кубических структур, каждая из которых образована восемью ионами хлорида с ионом натрия посредине. Кристалл поваренной соли представляет собой гигантскую пространственную сетку кубической формы, причем каждая сторона такого огромного куба состоит примерно из миллиона атомов хлора. Когда кристаллы соли растут, они, как правило, наращивают очередной новый слой поперек всей плоской грани – и так слой за слоем. Таким образом, в процессе роста кристалла соли его грани сохраняют плоскую форму, поскольку каждый очередной слой идеально укладывается на предназначенное для него место. Плоские грани каждого куба могут отражать свет, подобно зеркалу.

Мы не можем видеть отдельные атомы, зато можем видеть образованную ими структуру, так как кристалл соли представляет собой один и тот же многократно повторяющийся шаблон. У него очень простое строение, а больший кристалл соли – лишь увеличенная копия меньшего кристалла. Плоская форма каждой его грани, благодаря которой соль сверкает под лучами солнца, обусловлена тем, что в жесткой кристаллической решетке соли за каждым отдельным атомом закреплено строго определенное место.

Сахар также сверкает под воздействием солнечного света, но если к его кристаллам (особенно к крупным, которые характерны для гранулированного сахара) присмотреться внимательнее, можно заметить кое-что даже более прекрасное. Эти кристаллы представляют собой шестигранные столбики с заостренными концами. Каждая молекула сахара состоит из сорока пяти разных атомов, соединенных между собой строго определенным образом, одним и тем же в каждой отдельной молекуле. Одна молекула сахара – строительный элемент кристаллической скульптуры довольно сложной формы. Как и гораздо более простые кристаллы соли, молекулы сахара также укладываются друг поверх друга, образуя правильную кристаллическую решетку, причем всем им присуща одна и та же структура. Опять же, мы не можем видеть атомы, но можем видеть структуру, поскольку кристалл в целом представляет собой гигантский штабель – «небоскреб», составленный из молекул. Поскольку грани шестигранного столбика плоские, они могут играть роль зеркала, в результате чего сахар сверкает, так же как соль.

А вот мука, рис и зерновые культуры не сверкают на солнце, потому что их структура намного сложнее: они состоят из крошечных «живых фабрик», которые мы называем клетками. Единственная причина, почему у кристаллов поваренной соли и сахара идеально плоские грани, кроется в их простой структуре: это всего лишь ряды и столбцы атомов, занимающих строго фиксированные положения. И эта идеально повторяющаяся структура возможна потому, что в ее основе лежат миллиарды крошечных идентичных строительных блоков – атомов. Сверкание напоминает об их существовании каждый раз, когда вы кладете в чай ложечку сахара.

Хотя мы не можем видеть сами атомы, мы можем видеть последствия происходящего на атомарном уровне. Разворачивающиеся там процессы, скрытые от наших глаз, непосредственно влияют на то, что мы делаем на более привычном для себя уровне. Но сначала нам нужно убедиться, что атомы существуют.

Сегодня мы считаем существование атомов само собой разумеющимся. Мысль о том, что все окружающие нас предметы (в том числе и мы сами) состоят из микроскопических «кирпичиков» материи, относительно проста и кажется абсолютно обоснованной, поскольку мы с нею выросли. Однако еще в начале XX века в научном сообществе велись серьезные дискуссии о том, существуют ли атомы вообще. Появление фотографии, телефона и радио уже возвестило о начале новой технологической эры, но среди ученых по-прежнему не было согласия по поводу того, из чего состоит материя. Многим ученым представление о ее атомарном строении казалось вполне разумным. Например, ученые-химики обнаружили, что разные элементы вступают в реакции в строго определенных пропорциях, что кажется логичным, если предположить, что для образования определенной молекулы вам нужен один атом одного вида плюс два атома другого вида. Но скептики не сдавались. Как можно быть уверенным в существовании чего-то такого, что невозможно увидеть, пощупать или измерить?

Много десятилетий спустя стала популярна цитата, приписываемая ученому и писателю-фантасту Айзеку Азимову, которая идеально выражает типичный путь научного открытия: «Самая волнующая фраза, которую можно услышать от ученого – та, которая возвещает о новом открытии, – вовсе не “Эврика!”, а, скорее, “Гм… Так-так, интересно…”» Окончательное подтверждение существования атомов может служить идеальным примером именно такого пути науки, но эта история началась более чем за семьдесят лет до наступления XX века. А именно в 1827 году, когда ботаник Роберт Броун рассматривал в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде. Крошечные частицы отделялись от взвеси. Пожалуй, они были самыми маленькими из тех, которые можно было рассмотреть в оптическом микроскопе – как в то время, так и сейчас. Броун заметил, что даже когда вода идеально спокойна, эти крошечные частицы все равно колеблятся и подпрыгивают. Поначалу он предположил, что они живые, но впоследствии наблюдал аналогичное явление с точно неживыми частицами. Все это выглядело весьма странно, и у Роберта Броуна не было этому объяснения. Но он написал статью о своем эксперименте, и в течение последующих десятилетий многие другие ученые наблюдали то же явление, получившее название «броуновское движение». Оно было непрекращающимся, и в нем участвовали только самые крохотные частицы. Разные ученые предлагали разные объяснения, но ни одно из них не отражало его истинную причину.

В 1905 году эксперт швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн опубликовал статью, связанную с его диссертационными исследованиями. Вообще говоря, мировую известность Эйнштейн приобрел благодаря исследованиям природы времени и пространства и специальной теории относительности и общей теории относительности. Но темой его диссертации была статистическая молекулярная теория жидкостей, и в своих статьях, опубликованных в 1905 и 1908 годах, он изложил строгое математическое объяснение броуновского движения. Допустим, подчеркивал он, жидкость состоит из множества молекул и они постоянно сталкиваются между собой. Он нарисовал картину жидкости как динамичной, неупорядоченной субстанции, молекулы в которой сталкиваются друг с другом, ускоряясь, замедляясь и изменяя направление движения после каждого соударения. Но что же происходит с более крупной частицей – намного крупнее, чем молекулы? Она испытывает на себе множество ударов с разных направлений. Но поскольку эти удары носят произвольный характер, время от времени такая частица получает больше ударов с какой-то определенной стороны, и это заставляет ее слегка сместиться в противоположном направлении. Затем в какой-то иной момент частица испытывает больше ударов снизу, чем сверху, и слегка смещается вверх. Таким образом, колебания более крупной частицы – всего лишь следствие соударений со многими тысячами молекул гораздо меньшего размера, чем она. Роберт Броун не мог видеть молекул, но мог наблюдать поведение более крупных частиц. Колебания, предсказанные Эйнштейном, соответствовали тому, что видел Броун. Такие колебания были возможны лишь в случае, если жидкость действительно состоит из молекул, соударяющихся друг с другом. Так что это может служить доказательством существования отдельных элементов материи – атомов. Более того, одно из уравнений Эйнштейна предсказывало, какими должны быть размеры атомов, чтобы вызывать колебания частиц в жидкости. Впоследствии, в 1908 году, Жан Батист Перрен провел еще более детальные эксперименты, и они подтвердили теорию Эйнштейна, а также сломили сопротивление даже самых стойких скептиков. Мир состоит из множества крошечных атомов, пребывающих в непрерывном движении. В результате возникло новое направление исследования материи. Указанные открытия как нельзя лучше дополняли друг друга. Постоянное колебание атомов не было случайностью; оно позволяло объяснить ряд наиболее фундаментальных физических законов, управляющих материальным миром.

Одним из величайших последствий нового понимания внутреннего устройства материального мира стало то, что явления вроде броуновского движения можно было объяснить с помощью статистики. Не было никакого смысла отслеживать, в какой конкретной точке пространства находится в данный момент тот или иной атом, и гадать, что произойдет, когда он столкнется с каким-либо другим атомом, а также вычислять траекторию движения каждого из миллиардов атомов в отдельно взятой капле жидкости. Вместо этого следует определять статистические характеристики происходящих процессов, учитывающие множество случайных столкновений. В любой конкретный момент невозможно предсказать, что данная частица сместится в точности на один миллиметр влево. Но вы вполне могли сказать, что в результате многократного проведения данного эксперимента частица в среднем за указанное время сместится на один миллиметр в сторону от своего исходного положения. Эту среднюю величину можно вычислить с большой точностью, но, несмотря на это, речь может идти только о средней величине. А это означало, что физика – более сложная и запутанная наука, чем казалось в 1850 году. Однако именно эта сложность объясняла более широкий круг физических явлений. Когда достоверно известно, что материя состоит из атомов, даже такие обыденные явления, как промокшая одежда, выглядят гораздо интереснее, чем прежде.

Первая образовательная программа, которую я представила для BBC, была посвящена атмосфере Земли и моделям погоды на планете. В связи с этим мне пришлось провести трое суток в центре самого крупного и самого знаменитого климатического события на Земле. Я имею в виду сезон дождей и муссонов в Индии. Муссон – это ежегодно наблюдаемое изменение картины ветров в Индии. Каждый год с июня по сентябрь оно приносит дождливую погоду. Дожди идут, не прекращаясь. Нам хотелось понять, откуда берется эта огромная массы воды, день за днем низвергающейся на землю.

Мы поселились в маленьких деревянных хижинах на очень малолюдном берегу в штате Керала на юго-западе Индии. Первый день съемок был долгим и богатым на погодные события. Погода в период муссонов очень переменчива. Иногда, когда вам нужно всего каких-нибудь пару часов стабильной погоды, чтобы отснять конкретный фрагмент, и вы никак не можете их дождаться, у вас буквально опускаются руки. За коротким периодом жаркой солнечной погоды следовал дождь, который в течение часа лил как из ведра. Дождь сменялся сильным ветром, после чего вновь выглядывало жаркое солнышко. При этом все время было тепло, и я не боялась промокнуть под дождем, потому что это не грозило переохлаждением и простудой. Каждый раз, когда шел дождь, я промокала до нитки, после чего должна была позаботиться о том, чтобы моя одежда хоть немного подсохла за тот короткий отрезок времени, пока светит солнце. Проблема человека, который произносит текст перед камерой, заключается в том, что он единственный из съемочной группы, кто все время должен быть в одной и той же одежде. Поэтому мне всякий раз приходилось подыскивать какой-нибудь укромный уголок, надежно защищенный от непогоды и хорошо прогреваемый солнцем, где я могла бы хоть немного подсушить одежду. Я тратила кучу времени на ее многократное снимание и надевание в попытках привести ее состояние в некое соответствие с текущими погодными условиями. Примерно в 7 часов вечера небеса разверзлись в очередной раз, и я опять промокла до нитки, а поскольку солнце уже закатилось за горизонт, мы решили, что рабочий день закончен.

Я отжала, как могла, верхнюю одежду, попыталась хоть немного подсушить ее с помощью полотенца, развесила на веревке и отправилась ужинать в надежде, что к шести часам утра одежда подсохнет еще больше. Но на следующее утро оказалось, что она не только не подсохла, а осталась такой же влажной, как и вечером. Вернее, еще более влажной, чем вечером! Мало того, на ощупь она была просто ледяной, потому что ночью температура воздуха существенно снизилась. К сожалению, у меня не было другого комплекта такой же одежды, так что мне ничего не оставалось, как напялить ее на себя и выступать перед камерой с жизнерадостной улыбкой на фоне восходящего солнца, с трудом сдерживая колотивший меня озноб.

Обычно в газе молекулы не притягивают друг друга, поэтому равномерно распространяются по всему объему контейнера, содержащего газ. В жидкости все происходит несколько иначе. Молекулы по-прежнему соударяются, но располагаются гораздо ближе друг к другу – настолько близко, что почти все время соприкасаются. В воздухе при комнатной температуре среднее расстояние между любой парой молекул газа примерно в десять раз превышает размер молекулы. Но в жидкости молекулы находятся практически рядом и при этом совершают колебательные движения, сталкиваясь с соседними молекулами. В то же время они могут достаточно свободно перемещаться относительно друг друга, но гораздо медленнее, чем молекулы в газе. Поскольку они движутся медленнее и расположены гораздо ближе друг к другу, молекулы в жидкости испытывают на себе притяжение со стороны соседних молекул. Именно поэтому жидкости образуют капли. Температура определяется количеством энергии движения, которой обладают молекулы. В капле холодной жидкости подвижность молекул невысока, поэтому капля выглядит достаточно компактной. Если же каплю жидкости нагреть, то средняя скорость всех молекул в ней возрастет, причем некоторые молекулы приобретут гораздо большую энергию, чем средняя.

Чтобы молекула покинула жидкость, ей нужно преодолеть силу притяжения со стороны других молекул. Это процесс испарения, он происходит в момент, когда какая-то молекула приобретает энергию, достаточную для того, чтобы вырваться из жидкости и самостоятельно подняться в воздух. Моя влажная одежда была насквозь пропитана водой, молекулы которой медленно двигались туда-сюда, не обладая соответствующей энергией.

В течение трех дней, проведенных в Индии в сезон дождей, я перепробовала самые разные способы сушки одежды. Вообще говоря, это требует создания таких условий, при которых молекулы воды, содержащейся в порах одежды, приобретут достаточно энергии, чтобы вырваться из жидкости и переместиться в какое-то другое место. В короткие промежутки жаркой солнечной погоды вода, находящаяся в порах одежды, вбирала в себя солнечную энергию и молекулы воды мало-помалу испарялись. Но когда небо застилали облака, я чувствовала, что проигрываю сражение. Проблема заключалась в том, что окружающий воздух был до предела насыщен парами воды. Ветер, дующий с океана в сторону берега, также был очень влажным. Когда солнце светило на океанскую воду, ее поверхностный слой прогревался. Молекулы воды в океане также постоянно соударяются друг с другом, и чем сильнее прогревается вода, тем быстрее, в среднем, они движутся. Когда поверхность океана хорошо прогрелась, значительное число молекул приобрело энергию, позволяющую вырваться в окружающий воздух. Оказавшись в воздухе, эти молекулы перешли из жидкого состояния в газообразное. Таким образом, теплый влажный воздух, который поступал на берег, уже был насыщен молекулами воды. Теперь они соударялись с другими молекулами в воздухе.

Когда я промокала под дождем, тепло, исходящее от моего тела, нагревало одежду, придавая части молекул воды, которые я носила на себе, энергию, позволяющую вырваться в воздух. Этот процесс несколько подсушивал одежду. Однако в окружающем воздухе было так много молекул воды, что они, сталкиваясь с моей одеждой, прилипали к ней и соединялись с влагой, которой оставалось еще очень много в порах одежды. В результате моя одежда впитывала дополнительную влагу и не желала высыхать потому, что количество молекул воды, испарившихся с одежды в окружающий воздух, в точности уравновешивалось количеством молекул воды, которые конденсировались на ней из воздуха. Вот что, в сущности, означает 100 %-ная влажность: каждая испарившаяся молекула тотчас же замещается молекулой, конденсировавшейся из окружающего воздуха. Если влажность меньше 100 %, жидкость покинет большее число молекул, чем поступит в нее. Чем больше эта разница, тем быстрее сохнет одежда.

Ночью ситуация ухудшается. Когда воздух охлаждается, движение молекул замедляется, причем до такой степени, что они не желают испаряться, и моя одежда становится еще более влажной. Точка, при которой количество конденсирующихся молекул превышает количество испаряющихся молекул, называется точкой росы, или температурой конденсации, а образующиеся при этом капли жидкости – росой. Отдельные молекулы все же обладают достаточной энергией, чтобы покинуть жидкость и присоединиться к газу. Но их число незначительно по сравнению с молекулами, у которых такой энергии мало. Если бы я могла нагреть свою одежду, я бы увеличила количество испаряющихся молекул. Возможно, этого оказалось бы достаточно, чтобы их число превысило число конденсирующихся, и моя одежда подсохла. Но как бы то ни было, пока мы находились в Индии, мне приходилось все время ходить во влажной одежде.

Дело в том, что рассмотренный нами процесс представляет собой непрекращающийся обмен. Такой статистический способ исследования множества молекул очень важен для нас, поскольку молекулы ведут себя по-разному. В один и тот же момент и в одном и том же месте какие-то молекулы будут испаряться, а какие-то – конденсироваться. То, что мы наблюдаем, зависит лишь от баланса между этими двумя действиями.

Подчас весьма кстати, что каждая молекула в совокупности молекул ведет себя не так, как остальные. Например, когда испаряется пот, в воздух улетучиваются лишь молекулы, обладающие наибольшей энергией. В результате средняя скорость движения оставшихся молекул снижается. Именно поэтому, когда человек потеет, его тело охлаждается: испарившиеся молекулы уносят с собой значительную энергию.

Вообще говоря, одежда сохнет довольно медленно. Время от времени особенно энергичные молекулы воды, оказавшись на ее поверхности, находят в себе силы улетучиться, в результате чего количество жидкости уменьшается. Однако этот процесс не всегда нежелателен для нас. Напротив, интенсивное испарение порой чрезвычайно полезно, особенно при приготовлении пищи. Оказывается, жарка пищи возможна лишь благодаря воде.

Мое любимое жареное блюдо – кипрский сыр халуми, который я всегда считала неким «вегетарианским ответом» бекону. Все начинается с нагревания масла в глубокой сковородке; тем временем я нарезаю сыр полосками. Масло неслышно прогревается примерно до 180  – именно неслышно, потому что я ни за что не знала бы, что с ним происходит, если бы от него не исходило тепло. Но как только я опускаю в масло первые полоски сыра, тишина нарушается громким треском и шипением. При соприкосновении с горячим маслом поверхностный слой сыра буквально за какую-то долю секунды прогревается почти до температуры масла. Молекулы воды на поверхности сыра внезапно приобретают изрядную порцию дополнительной энергии – гораздо большую, чем та, которая им нужна, чтобы вырваться из жидкости и улетучиться в воздух. Поэтому они взрывообразно разлетаются в стороны друг от друга, порождая целую серию мини-взрывов газа по мере высвобождения из жидкости. Именно эти пузырьки газа я наблюдаю на поверхности сыра и именно они являются источником шума. Однако эти пузырьки играют важную роль. Пока газообразная вода устремляется из сыра наружу, масло не может проникнуть в сыр. Оно едва касается его поверхности, и этого достаточно лишь для того, чтобы передать энергию нагрева. Вот почему жарка пищи при слишком низкой температуре делает ее жирной и влажной: пузырьки образуются недостаточно быстро, чтобы преградить доступ масла. В ходе приготовления сыра какая-то часть тепла передается в его основную массу, прогревая его. Наружные слои сыра отдают много воды, поскольку они слишком горячие, чтобы вода могла в них оставаться. В результате наружные слои сыра покрываются хрустящей корочкой – они мгновенно высыхают, практически полностью избавляясь от влаги. Потемнение наружных слоев – следствие химических реакций, происходящих при прогревании белков и сахаров, содержащихся в сыре. Но суть поджаривания заключается во внезапном переходе воды из жидкого состояния в газообразное. А жарка пищи обязательно сопровождается громким шипением, его не избежать, если она выполняется правильно.

Переход из газообразного состояния в жидкое и обратно – обыденное явление нашей жизни. Однако переходы из жидкого состояния в твердое и обратно мы наблюдаем намного реже. У большинства металлов и пластмасс плавление происходит при гораздо более высоких температурах, чем комнатная. У молекул меньшего размера, например кислород, метан и спирт, плавление осуществляется при чрезвычайно низких температурах, требующих применения специализированных морозильных камер. Вода – необычная молекула, поскольку она и плавится, и испаряется при самых привычных для нас температурах. Но картина замерзшей воды чаще всего ассоциируется у нас с Северным и Южным полюсами Земли. Это очень холодные края, которые мы преимущественно соотносим с белым цветом, вечным безмолвием и великими полярными экспедициями XX столетия, которые приводили людей в самые негостеприимные места планеты. Замерзающая вода доставляла этим людям немало проблем. Но иногда подсказывала весьма нестандартные решения.

Переход из газообразного в жидкое состояние представляет собой настолько тесное сближение молекул, что они начинают соприкасаться друг с другом, но сохраняют при этом способность достаточно свободно перемещаться относительно друг друга. Переход из жидкого состояния в твердое происходит в тот момент, когда молекулы фиксируются в определенном положении. Замерзание воды – самый типичный пример такого перехода, однако вода замерзает как никакая другая жидкость. Причем странность ее поведения при замерзании нигде не проявляется настолько зримо, как на Крайнем Севере – в Северном Ледовитом океане.

Если вам доведется побывать в северной части Норвегии, придите на берег и посмотрите в сторону севера на море. В летние месяцы, когда оно свободно ото льдов, солнце, которое светит практически круглосуточно, создает благоприятные условия для роста обширных подвижных «лесов» океанских растений. Получается своеобразный сезонный «шведский стол», который привлекает рыб, китов и тюленей. К концу лета количество солнечного света уменьшается. Температура водной поверхности, которая даже в разгар лета не превышала 6 , начинает снижаться. Молекулы воды, скользящие друг мимо друга, замедляют движение. Соленость морской воды здесь настолько высока, что она остается в жидком состоянии вплоть до – 1,8 , но в одну безоблачную темную ночь начинает образовываться лед. Возможно, под действием ветра небольшой кусочек льда оказался на водной поверхности, и при столкновении с ним самые медленные молекулы воды прилипают к нему. Но они не могут прилипать где попало. Каждая новая молекула остается на том или ином фиксированном месте по отношению к другим молекулам, и на месте груды толкающих друг друга молекул образуется кристалл, в котором хорошо упорядоченные молекулы воды выстраиваются в шестиугольную пространственную кристаллическую решетку. По мере дальнейшего снижения температуры этот ледяной кристалл увеличивается.

Кристаллы воды обладают одной крайне необычной особенностью: ее строго упорядоченные молекулы при замерзании занимают больше пространства, чем во время пребывания в жидком состоянии. При замерзании практически любой другой жидкости упорядочивание молекул в виде правильной пространственной решетки приводит к их более компактному расположению по отношению друг к другу, чем в случае, когда они находились в жидком состоянии. В этом смысле вода – исключение. Растущий кристалл воды обладает меньшей плотностью, чем окружающая его вода, и это обеспечивает его плавучесть. При замерзании вода расширяется. Иначе образовавшийся кусочек льда просто затонул бы, а полярные океаны выглядели бы совсем по-другому. В действительности же по мере дальнейшего снижения температуры кристаллы льда разрастаются, а поверхность океана покрывается панцирем из затвердевшей белой воды.

Удивительного и увлекательного в замерзшей Арктике более чем достаточно: белые медведи, лед, Северное сияние… Но есть в ее истории один эпизод, который чрезвычайно меня волнует. Он связан с особенностями образования льда и напоминает о том, что человек поступал бы гораздо разумнее, действуя в соружестве с природой, а не против нее. Это история небольшого корабля, которому удалось уцелеть в ходе одного из самых драматичных плаваний в арктических водах, корабля под названием «Фрам».

В конце XIX века исследователей манил Северный полюс. Западная цивилизация обитала от него не так уж далеко. К тому времени северные территории Канады, Гренландии, Норвегии и России уже были более-менее изучены и нанесены (правда, весьма приблизительно) на географические карты. Однако Северный полюс по-прежнему оставался большой загадкой. Что это такое? Земля? Море? Нога человека туда еще не ступала, поэтому никто не мог дать достоверных ответов на эти и подобные им вопросы. Попытки достичь Северного полюса каждый раз заканчивались неудачно по причине переменчивой и очень сложной ледовой обстановки. При неблагоприятном изменении погодных условий льдины начинали громоздиться друг на друга, создавая непреодолимые препятствия на пути полярных исследователей. Натиск льдов мог превратить корабли в груду щепок. В 1881 году военный корабль США «Жанетта» попал в ледяную ловушку и в конце концов был раздавлен льдами примерно в 800 километрах севернее устья реки Лена. С наступлением сильных морозов молекулы воды, образовав на поверхности моря кристаллическую решетку льда, застыли в неподвижности, и увеличивающийся в объеме лед все сильнее и сильнее сжимал корпус корабля. В конце концов он разрушился, и «Жанетта» пошла ко дну. Экипаж корабля и исследователи успели сойти на твердый лед. Но их подстерегала другая опасность: лед мог растаять, в результате чего образовались бы большие полыньи, преодолеть которые можно было бы лишь на лодке. Расстояние до Северного полюса от любой из стран, территория которых примыкала к Северному полярному кругу, составляло многие сотни километров. Преодолеть его пешком по ледяным торосам казалось немыслимым.

Через три года после гибели «Жанетты» обломки ее корпуса (несомненно принадлежавшие «Жанетте») были обнаружены вблизи берегов Гренландии. Это была поистине удивительная находка, поскольку обломки «Жанетты» пересекли все северные моря – всю Арктику, из конца в конец. Океанографы задались вопросом, нет ли в этих местах течения, которое начинается у побережья Сибири, тянется через Северный полюс и движется в сторону Гренландии. У молодого норвежского ученого по имени Фритьоф Нансен возникла смелая идея построить корабль, способный выдержать напор льдов, добраться на нем до побережья Сибири (до того места, где затонула «Жанетта»), подождать, пока корабль вмерзнет в льдину, и двигаться вместе с ней в надежде, что она доставит его к берегам Гренландии. Самым важным в плане Нансена было то, что на своем пути льдина вместе с вмерзшим в нее кораблем должна была пересечь Северный полюс. От команды требовался минимум усилий и почти никаких забот: знай, плыви себе вместе со льдиной – все остальное сделают за вас море и ветер. Единственная проблема заключалась в ожидании. Нансена за его идею восхваляли как гения и высмеивали как безумца. Но отступать было не в его правилах. Он собрал необходимую сумму денег и решил воспользоваться услугами одного из лучших кораблестроителей, потому что корабль Нансена должен был стать лучшим для своего времени. Так на свет появился «Фрам».

Проблема заключалась в том, что при замерзании воды ее молекулы должны занять свои места в кристаллической решетке. При достаточно низкой температуре между молекулами образуются прочные связи. А если для занятия молекулами определенных мест недостаточно пространства, они выталкивают наружу все, чтобы его освободить. Любой корабль, вмерзший в лед, испытывал бы проблемы, связанные с тем, что его вмерзание сопровождалось бы расширением льда и, соответственно, сжатием корпуса корабля. Никакое судно того времени не могло выдержать такого давления. К тому же никто не знал, какой может оказаться толщина льда посреди Северного Ледовитого океана. Судостроители, взявшиеся за строительство «Фрама», блестяще справились с задачей, решив придать ему оригинальную форму: он должен быть «толстым», почти круглым. Длина корабля составила 39 метров, а ширина – 11 метров. «Фрам» напоминал скорлупу половинки грецкого ореха. У него почти не было киля, а двигательную установку и руль можно было поднять из воды. Когда появился лед, «Фрам» стал походить на плавающую чашу. Если сжать снизу какой-либо предмет круглой формы, например чашу или цилиндр, он слегка приподнимется. Если бы сжатие льдом оказалось слишком сильным, «Фрам» просто приподнялся бы – по крайней мере с теоретической точки зрения все должно было происходить именно так. Корабль строили из дерева, толщина которого местами превышала один метр. Была предусмотрена надежная теплоизоляция, чтобы экипаж не испытывал дискомфорта при наступлении сильных холодов.

Экспедиция Нансена пользовалась горячей общественной поддержкой. В июне 1893 года «Фрам» с экипажем из тринадцати человек покинул берега Норвегии, отправившись в путь вдоль северного побережья России, и в конце концов достиг того места, где затонула «Жанетта». В сентябре примерно на 78° северной широты команда «Фрама» заметила лед, а вскоре после этого корабль окружило сплошное ледяное поле. Впервые оказавшись в ледяном плену, «Фрам» скрипел и стонал, но, будучи зажат льдами со всех сторон, как и ожидалось, приподнялся. Итак, «Фрам» надежно вмерз в лед и отправился в путь, повинуясь лишь ветру и морским течениям.

На протяжении следующих трех лет «Фрам» дрейфовал вместе со льдами на север со скоростью примерно 2 километра в сутки. Временами он двигался в обратную сторону или ходил кругами. Переменчивый лед, в объятиях которого путешествовал «Фрам», то отпускал, то сжимал корабль еще сильнее. В ответ он то приподнимался, то опускался. Нансен старался занять свою команду научными измерениями. Впрочем, сам он испытывал все большее разочарование – слишком уж неспешным было движение к цели. Когда «Фрам» достиг 84° северной широты, стало очевидно, что корабль отклоняется от Северного полюса примерно на 760 километров. Вместе с одним из членов команды Нансен покинул корабль, чтобы отправиться на лыжах по льду на Северный полюс, куда «Фрам» никак не мог попасть. Нансен установил новый мировой рекорд: дальше него на тот момент никто к Северному полюсу не продвигался. Впрочем, Нансен не дотянул до Северного полюса всего 4°. Он пересек Арктику в направлении Норвегии, встретившись с одним из своих товарищей-исследователей на Земле Франца-Иосифа в 1896 году. «Фрам», на котором оставалось одиннадцать членов экипажа, продолжал дрейфовать во льдах и достиг 85,5° северной широты лишь несколькими километрами южнее того места, где Нансен установил новый мировой рекорд продвижения человека к Северному полюсу. А 13 июня 1986 года «Фрам» добрался до северной оконечности Шпицбергена, то есть именно туда, где изначально планировалось завершить экспедицию.

Хотя «Фрам» так и не достиг Северного полюса, научные измерения, сделанные во время экспедиции, оказались поистине бесценны. Теперь мы знали наверняка, что Арктика – это океан, а не земля, что Северный полюс скрыт под толщей подвижного морского льда и что Арктику пересекает морское течение, тянущееся от северного побережья России до Гренландии. На «Фраме» были проведены еще две знаменитые научные экспедиции. Первой стала четырехлетняя картографическая экспедиция в канадскую арктическую зону. А затем, в 1910 году, Амундсен вместе со своими людьми отправился на «Фраме» в Антарктику в попытке добраться до Южного полюса. В наши дни «Фрам» занял место в музее собственного имени в Осло и почитается как величайший символ полярных исследований, проводившихся норвежцами. Вместо того чтобы бороться с непреодолимым натиском льда, создатели «Фрама» попытались воспользоваться этим льдом для плавания через «макушку мира». И попытка им блестяще удалась.

Расширение льда в процессе замерзания настолько нам знакомо, что мы его даже не замечаем. Положите кубик льда в стакан с напитком, и кубик всплывет на поверхность, что вполне естественно, поскольку плотность льда меньше, чем воды. Впрочем, очень легко убедиться, что замерзшая вода – это все та же вода, просто занимающая больше пространства. Если налить воду в прозрачный стакан и поместить туда несколько крупных кусков льда, он будет плавать на поверхности воды, причем большая часть каждого куска будет находиться ниже уровня воды в стакане, а меньшая – выше (и составит примерно 10 % от объема куска льда). С помощью маркера можете отметить уровень жидкости на внешней стороне стакана. Вопрос вот в чем: по мере таяния льда уровень воды в стакане будет повышаться или понижаться? В результате таяния льда все молекулы воды, расположенные выше ее уровня в стакане, должны будут присоединиться к остальной жидкости. Означает ли это, что уровень воды в стакане повысится? Такой физический эксперимент удобно проводить во время какой-нибудь вечеринки с распитием коктейлей, если она вам неинтересна и вы откровенно скучаете: наблюдение за неспешным процессом таяния льда в стакане вас отвлечет.

Ответ на вопрос очевиден. В его правильности вы можете убедиться лично, если не верите мне на слово. Уровень воды в стакане не изменится. По мере перехода молекул воды из льда в жидкость они уплотняются. Это означает, что они идеально «впишутся» в полость, занимаемую подводной частью кубика льда, а его надводная часть в точности совпадет с дополнительным объемом, который имеет кубик льда, так как при замерзании он расширялся. Вы не можете наблюдать сами атомы в пространственной кристаллической решетке, но можете непосредственно видеть дополнительное пространство, которое они занимают при замерзании[57].

Вода превращается из жидкого состояния в твердое определенным образом: в твердом состоянии каждый атом занимает строго конкретное место в пространственной кристаллической решетке. Эта структура называется кристаллом, даже если не красуется в центре короны какой-нибудь царствующей особы. Кристаллический материал в твердом состоянии обладает фиксированной повторяющейся структурой, как поваренная соль или сахар. Но встречаются твердые материалы другого вида, для которых не характерно столь жесткое позиционирование атомов. Их структура больше напоминает структуру жидкости, замерзшей в процессе превращения в какое-то другое состояние. Несмотря на то что атомарное позиционирование осуществляется на уровне микромира и, разумеется, невидимо для человеческого глаза, все же иногда мы можем наблюдать эффект, который оно оказывает на интересующий нас объект. Самый очевидный пример вышесказанного – стекло.