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

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.