Текст книги "Теория Большого взрыва. Наука в сериале"

Вот вам еще одно доказательство, что газировка опасна для ваших зубов.

В какой Вселенной?

Ты нарисуй, нарисуй мне карту, картограф

Может быть, причина, по которой мы затрудняемся найти квартиру Леонарда и Шелдона, в том, что мы используем неправильную систему расположения домов. В Северной Америке здания часто нумеруются последовательно, с четными и нечетными числами на противоположных сторонах улицы и сотнями, увеличивающимися с каждым кварталом или через каждые двадцать метров. Но в некоторых частях Соединенного Королевства и в других странах, которые были основаны задолго до того, как возникла потребность делать бесполезные рассылки, дома нумеровались хронологически, по порядку их строительства. Почтовые курьеры и местные обыватели хранили эти невообразимые расположения в памяти, а все остальные бедолаги бродили по улицам, вглядываясь в каждую дверь. Может быть, подобной системой пользовались и в «Теории Большого взрыва»? (Этой теории есть косвенные доказательства: номер дома в обратном адресе на свадебном пригласительном Бернадетт – 720, тогда как здание, в котором она живет, обозначено цифрами 3627 [43]43
  «Решение для отпуска» (сезон 5, эпизод 16) и «Формула мести» (сезон 3, эпизод 9) соответственно.


[Закрыть].) Может быть, дом 2311 на Северной Лос Роблес авеню – это адрес здания, которое было построено 2311-м на Северной авеню Лос Роблес?

К сожалению, оказалось, что это не так, как подтвердил визит в Управление планирования и развития инфраструктуры Пасадены. (Вернее, мы так предположили, подтвердили бы мы, если бы смогли ответить на холодное замечание клерка: «По-вашему, я должен бросить свой обед и отправиться вам на помощь с этой ерундой?») За 140 лет истории города на этой славной улице построили гораздо меньше 2000 зданий. А номер 2311 очень хорошо виден на стене дома [44]44
  «Наблюдение за родительницей» (сезон 7, эпизод 18).


[Закрыть].

Возможно, мы возлагаем слишком много надежд на слово «Северная». На любой «северной» улице Пасадены здание с бо́льшим номером расположено справа от здания с меньшим числом. Однако в «Теории Большого взрыва» здание справа от номера 2311 имеет номер 2309 (магазин освещения) [45]45
  «Катализатор спагетти» (сезон 3, эпизод 20).


[Закрыть]. Это порядок нумерации на «южных» улицах. И представьте себе, на Южной Лос Роблес, в отличие от Северной, таки есть дом 2300, это последнее здание на этой улице. Но это в Сан-Марино, а не в Пасадене, на один город ближе к югу, чем нужно.

Может быть, герои называют улицу «Северной Лос Роблес», когда она таковой не является. Возможно, используя секретный код, они защищаются от чужих ушей и непрошеного вторжения. Не зря же Говард говорит Леонарду повернуть налево на Лэйк-стрит, а Шелдон упоминает кофейню на Лэйк-стрит, хотя в Пасадене нет никакой Лэйк-стрит. Очевидно, они имеют в виду Лэйк-авеню, улица еще оживленнее Лос Роблес, расположенная всего в 400 метрах восточнее. Или «Лэйк-стрит» – это клингонское название какой-нибудь другой улицы [46]46
  «Пилотная серия» (сезон 1, эпизод 1) и «Флуктуация разрыва» (сезон 6, эпизод 2) соответственно.


[Закрыть].

Неужели никто не может нормально назвать адрес?

8
А вот и нет!

ШЕЛДОН: ЕСЛИ БУДЕТ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ И МЫ ВТРОЕМ ОКАЖЕМСЯ ЗАВАЛЕНЫ В КВАРТИРЕ, ТО ЕДА ЗАКОНЧИТСЯ УЖЕ ЗАВТРА ПОСЛЕ ОБЕДА.

…

ЛЕОНАРД: ЕСЛИ ТЫ ОБЕЩАЕШЬ НЕ ОБГЛАДЫВАТЬ НАШИ КОСТИ, ТО МОЖЕШЬ ОСТАТЬСЯ НОЧЕВАТЬ.

ШЕЛДОН: ОН ОБРАЩАЕТСЯ К АПАГОГИИ. ЭТО ЛОГИЧЕСКАЯ ОШИБКА, СВЕДЕНИЕ ДОВОДА ДРУГОГО ЧЕЛОВЕКА К ПОЛНОЙ НЕАДЕКВАТНОСТИ С ЕГО ПОСЛЕДУЮЩИМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОТИВ СПОРЯЩЕГО. И МНЕ ЭТО НЕ НРАВИТСЯ.

«ПАРАДОКС КЛЕЦЕК» (СЕЗОН 1, ЭПИЗОД 7)

Только Шелдон может использовать тридцать слов там, где большинству понадобилось бы только одно или два (непечатных). И «апагогия» здесь совершенно неправильный термин для обозначения действий Леонарда. Во-первых, он раздувает ситуацию, обозначенную Шелдоном, а не низводит ее. Во-вторых, «апагогия» – это вовсе не логическая ошибка, это способ логического анализа. Но, поскольку Шелдон начал говорить о логике и логических ошибках, давайте расширим эту тему. Некоторым может показаться, что мы отвлеклись здесь от науки, чтобы обратиться к философии. Но на самом деле мы просто переключаем наше внимание с того, что мы знаем, к тому, как мы это узнаем.

Каждый из нас является хранителем сугубо личностного представления о реальности. Не существует двух совершенно одинаковых представлений, каждое из них – это аппроксимация, основанная на уникальном наборе опыта отдельного индивидуума. Наши модели постоянно эволюционируют благодаря нашему мыслительному процессу, который предлагает основу для включения новых представлений и верований. И пусть основа является довольно жесткой, сама модель базируется на довольно эфемерном фундаменте.

Логическая ошибка – попытка доказать что-нибудь, используя неправильные выводы, намеренно или случайно. Если последующий вывод окажется верным (или по крайней мере вменяемым), логическая ошибка часто остается незамеченной или не удостаивается внимания.

Примером является post hoc ergo propter hoc, мнение, что поскольку В происходит после действия А, то это означает, что А стало причиной В (см. главу 24). Даже если А не было причиной В, этот факт очень трудно доказать, особенно если действие А происходит очень редко. Логическая ошибка не всегда ведет к неправильным ответам, просто они остаются ничем не подтвержденными. Но поскольку она может иногда привести к правильным выводам, то это может создать ложное чувство уверенности, и иногда такой исход даже хуже, чем отсутствие логики.

Многих людей учат с раннего возраста тому, что факт – это знания, которые могут быть верифицированы, а мнение – то, что невозможно доказать. И тем не менее в каком-то смысле они оба субъективны. Что является доказательством для одного человека, может показаться всего лишь мнением для другого, хорошо, если не совершенно ошибочным, и мнение не может стать фактом только потому, что оно широко распространено. Философ Джон Стюарт Милль заметил: «Если бы все человечество минус единица было одного мнения и только один против, то подавлять мнение этого одного ничуть не справедливее, чем ему подавлять мнение человечества» [47]47
  Джон Стюарт Милль. О свободе. 1869 (Перевод с англ. А. Фридмана).


[Закрыть]. Даже если все человечество приходит к согласию, может оказаться, что факт – это просто мнение, которое еще не было опровергнуто (см. главу 28). Новая информация, новое мышление или изменения в работе Вселенной могут в одночасье развеять то, что в настоящее время считается «фактом». По сути, все в этом мире просто убеждение.

Шелдон хватается за соломинку во время Кубка Игр по физике [48]48
  «Догадки банки Бэтмена» (сезон 1, эпизод 13).


[Закрыть]. Когда доктор Гейблхаузер объявляет: «Ответ члена вашей команды был верным», он надувает губы: «И это ваше мнение». (Роли меняются, когда Шелдон заявляет матери: «Эволюция – это не мнение, это факт», а она отвечает: «И это твое мнение» [49]49
  «Флуктуации электрического консервного ножа» (сезон 3, эпизод 1).


[Закрыть]. Раздражающее высказывание с научной точки зрения, но справедливое с философской.) Несмотря на совершенную недоказуемость того, являются ли «факты» базой для любой модели мышления, сама модель может иметь внутреннюю структуру. Выбрав нашу точку зрения (пусть даже и безосновательную), мы можем развивать наши знания путем их манипуляции по законам логики. Но эти законы очень строги, и нужно избегать манипуляций, которые их нарушают (их и называют логической ошибкой). Заблуждения и ошибочные предположения могут привести модель к отрыву от реальности, но логические ошибки обрекают модель на отрыв от самой себя.

Апагогия (от латинского «доведение до абсурда») не является логической ошибкой. Это особый метод дедуктивного анализа для логического доказательства или опровержения какого-либо утверждения. Обычно это включает в себя временное предположение, что некое сомнительное утверждение правдиво, и подведение к заключению, что правдивое ложно. Поскольку это утверждение абсурдно и мы сделали только одно предположение, то мы вынуждены прийти к заключению, что и само предположение неверно.

reductio ad absurdum (апагогия)

Если кто-нибудь рисует квадрат и восклицает: «Смотри, я нарисовал треугольник», вы можете применить апагогию (тактично, само собой), чтобы доказать ошибочность утверждения.

Вы можете ответить: «Мы оба согласимся, что у всех треугольников три стороны. Мы также согласимся, что ты нарисовал фигуру с четырьмя сторонами.

Давай предположим на минутку, что твое утверждение верно: фигура, которую ты изобразил, является треугольником. Если это так, то мы можем также сказать: ”Эта четырехсторонняя фигура имеет три стороны“ или еще проще: ”У этой фигуры одновременно и три, и четыре стороны“. Это было бы верно только в случае, если бы три равнялось четырем – но это неверно (и даже абсурдно).

Поскольку наше утверждение неверно, мы или где-то допустили логическую ошибку, или использовали хотя бы одно неверное утверждение по мере рассуждения. Мы не допускали никаких логических ошибок, и мы знаем, что все утверждения, которые мы использовали, верны, кроме одного – ”Эта фигура является треугольником“. Мы только предположили, что оно верное. Таким образом, только оно и может быть неверным. Поэтому твоя фигура и не является треугольником (…придурок)».

Этот метод работает, только если мы допускаем только одно предположение; если мы сделаем несколько, то как мы сможем решить, какое (или какие) из них ошибочно? Также нужно помнить, что слово «абсурд» должно относиться только к заключению, а не к знаниям геометрии у вашего друга, его способностям рисовать или вашему выбору друзей.

Доведение до абсурда проявляется в таких выдающихся сферах, как логическая дискуссия и математика, и оно было любимым методом древнегреческих философов. Этот метод старается избегать принятия желаемого за действительное, потому что независимо от того, что диктует вам интуиция, если ваш вывод абсурден, вы либо использовали неверную логику, либо начали с неверного предположения. (См., как доказать, что Сократ смертен, в главе 24).

Шелдону лучше было бы обвинить Леонарда в намеренном использовании липового аргумента, «соломенного чучела». Это определенный вид логической уловки, когда кто-то пытается опровергнуть идею путем подмены на схожую, не отметив существенной разницы между ними.

Например, когда Говард предлагает записаться на курс Шелдона, тот начинает пытать его массой заумных вопросов в попытке доказать собственное интеллектуальное превосходство. В процессе он передергивает вполне разумное утверждение Говарда («Я достаточно умен для того, чтобы изучать твой курс»), превращая его в совершенно противоположное «Я достаточно умен, чтобы преподавать твой курс». Презрительный ответ Говарда («Твои вопросы из области, в которой я не разбираюсь, ничего не доказывают») указывает, что он уловил «чучело» Шелдона [50]50
  «Профессорское решение» (сезон 8, эпизод 2).


[Закрыть].

Точно не известно, откуда пошел термин «чучело», но скорее всего он не имеет ничего общего с одноименным огородным собратом. На ум скорее приходит соломенная армия: чучела, выряженные в одежду, на первый взгляд похожи на настоящих солдат, но на деле ничего из себя не представляющие и не способные защищаться.

«Чучелом» легко воспользоваться, если ложный аргумент очень похож на настоящий и вызывает сильные эмоции. Например, когда Шелдон «хвалит» религиозную группу своей матери за то, что они наконец-то способны «отправиться в открытое плавание без страха упасть за край Земли» [51]51
  «Откровение от ринита» (сезон 5, эпизод 6).


[Закрыть]. Это логическая уловка не потому, что Земля не плоская, и не потому, что подобное убеждение заслуживает насмешек Шелдона, но просто потому, что, намереваясь высмеять верования церковной группы Мэри, он насмехается над той точкой зрения, которой они как раз не придерживаются. Они никогда не заявляли, что считаю Землю плоской, поэтому с его стороны нечестно над ними за это насмехаться.

Греческая грамота

Если концепция reductio ad absurdum («доведение до абсурда») пришла к нам из классической греческой философии, то почему мы используем для нее латинское название? В конце концов, греческий язык сгодился же для слов «философия», «парадокс» и «дихотомия».

Ответ может быть в том, что после того, как Римская империя перетянула на себя одеяло главенствующей нации, латынь стала универсальным языком для передачи знаний. Много одиночных греческих слов остались практически неизменными – метафизика, дилемма, дилитий (хотя нет, последнее слово из «Звездного пути»), но фразы из нескольких слов стали более известны в переводе.

Помимо слова «философия», отголоски древнегреческих слов по-прежнему звучат в научных существительных, типа «термометр», «телевизор» и «социопат». Что очень забавно, поскольку этого всего у древних греков как раз и не было. Кроме социопатов, наверное.

Судя по словам Шелдона, ночевка Пенни в их квартире поставит под угрозу их запасы на случай землетрясения. Леонард не развеивает его возможный, но вряд ли катастрофический сценарий, а преувеличивает его, предположив, что Пенни может превратиться в прожорливого каннибала посреди ночи. Он подкрепляет свое «чучело» намеренной ложной дилеммой: если Пенни не останется ночевать у них, то она скорее всего прибегнет к каннибализму.

(c) Ни один из перечисленных

Ложная дилемма – это логическая уловка, которая ошибочно утверждает, что есть только два возможных ответа на вопрос. Любая другая альтернатива, или tertium quid («третья величина»), игнорируется, намеренно или случайно.

Погрязнувшая в самобичевании Пенни устанавливает ложную дилемму, когда называет себя «дурой, которая находит себе неудачников» или той, «кто превращает нормальных парней в неудачников». Когда Леонард отрицает, что эти утверждения правдивы, она фыркает: «Тут либо первое, либо второе. Так в чем причина?»

Задумайтесь над рядом других примеров неэтичного выбора «или/или»:

• Ты или с нами, или против нас.

• Если ты не решение проблемы, то ты ее источник.

• Шелдон: «Друг подруги моего врага – мой враг».

• Ты врешь или просто дурак?

• У кого было больше друзей на «Фейсбуке»: у Адама или у Евы?

Странно, но утверждение Леонарда безоговорочно правдиво. Пенни вполне могла бы стать прожорливым каннибалом, независимо от того, началось бы землетрясение или кончились бы припасы. Теоретически она может стать каннибалом в любой момент (независимо от того, заснет ли она вообще или нет), равно как Леонард может внезапно воспламениться, а Шелдон – отрастить пару отличных ветвистых рогов.

Но это очень маловероятная возможность и даже абсурдная (видимо, поэтому слово absurdum ввело Шелдона в заблуждение), так как большинство из нас предпочитает прожить свою жизнь без мыслей о том, что наши друзья вдруг откроют в себе склонность к людоедству. Хотя все же неплохо за ними приглядывать. И если они остаются на ночь, убедитесь, что у них есть свободный доступ к холодильнику.

эврика! @ caltech.edu

Укладывая фундамент

Математика, как и логика, появилась как система манипуляции искусственного представления реальности. Пытаетесь ли вы вычислить свой возраст, или пройденное расстояние, или ваш бюджет, вы заменяете реальные величины на числа, обрабатываете эти числа по строгим правилам и интерпретируете результаты в исходном контексте. Но, если вы нарушите хоть одно правило, полученный результат может не совпасть с тем, что вы видите.

Том М. Апостол, профессор математики в Калтехе уже более шестидесяти лет, написал двухтомник «Математический анализ». Этот классический учебник, который должен быть прочитан каждым калтеховцем, предлагает углубленное изучение предмета. Хоть он и не такой всеобъемлющий, как «Principia Mathematica» («Принципы математики») Альфреда Норта Уайтхеда и Бертрана Рассела (которая занимает почти 400 страниц, чтобы объяснить базу для доказательства, что 1 + 1 = 2), он все же придерживается структуры, которая неукоснительно расширяет границы существующего фундамента, кирпичик за кирпичиком. Это действительно необходимо, так как крепость фундамента определяется устойчивостью его самого слабого места.

Апостол является соавтором коллекции видеороликов по базовой геометрии и тригонометрии для старших классов «Проект Математика!». Один из самых популярных моментов из этой серии рассматривает геометрические методы, стоящие за чудесами инженерного искусства в Древней Греции: туннель длиной более километра, который начали рыть с противоположных сторон горы две команды шахтеров и встретились в середине.

Он уже долгое время является приверженцем «визуального матанализа», разработанного астрофизиком Мамиконом А. Мнацаканяном. Это невероятно наглядный способ решения сложных математических проблем путем визуализации того, как отрезки отсекают области пространства, проходя через криволинейные траектории.

Бескрайние просторы

«[Поэзия] сродни научному эксперименту. Это по большей части огромное количество неудач до того, как удается получить хоть какой-то результат».

Джессика Гудфеллоу (получила степень магистра в Калтехе в 1989 году) – поэтесса и четырехкратная номинантка на Пулитцеровскую премию. Она получила свою степень бакалавра в Университете Бригама Янга, затем начала работу над докторской в Калтехе. Она дошла до степени магистра в области социальных наук и опубликовала работу под названием «Экспериментальное исследование одновременного определения цен сырья и экспортных товаров», прежде чем посвятить себя делу своей жизни – литературному творчеству.

В своих работах Гудфеллоу пишет о вечной борьбе религии и науки. Их влияние остро ощущается в ее глубоко интроспективных произведениях. «Гид для пилигрима в хаос сердечного мира», написанный о поисках закономерностей в беспорядочности, сдобрен случайными цифрами, которые сидят между слогами, словно зернышки мака на булочке. А «Навигация по свету малой планеты» открывается наблюдением: «Проблема веры в бесконечность в том, чтобы поверить в отсутствие начал».

Гаррисон Кейлор включил ее стихотворения «Изобретение дробей» и «Славься, несовершенная любовь» в свой «Писательский альманах».

9
Гори, гори ясно

ЛЕОНАРД: ЗАЧЕМ ТЕБЕ КОЛОНИЯ МУРАВЬЕВ, СВЕТЯЩАЯСЯ В ТЕМНОТЕ?

ШЕЛДОН: ОНИ ЛУЧШЕ ВСЕГО РАБОТАЮТ НОЧЬЮ.

«ТРОЛЛЬ-ИСКУСИТЕЛЬ» (СЕЗОН 4, ЭПИЗОД 4)

Шелдон прав: муравьиные колонии не подчиняются стандартному распорядку дня человеческих колоний – дневное и ночное время. Хоть их активность и меняется после заката в связи со снижением видимости и температуры, они все равно бодрствуют и суетятся долгое время после того, как большинство двуногих и четвероногих существ отходят ко сну. Он также не выдумал муравьиную ферму со светящимся в темноте песком. Такие существуют, правда, фосфоресценция, ответственная за свечение, затухает минут где-то через пятнадцать.

Некоторые муравьиные фермы борются с этой проблемой, используя вместо песка безопасный для муравьев прозрачный гель и подсветку снизу. (Еще одно решение, которое пока для нас недоступно, может предложить Эми Фарра Фаулер, скрестив муравья со светлячком. Представьте себе новый вид насекомого-шахтера со встроенным фонарем. Хотя скорее всего фонарь будет встроен совсем не в голове…)

Фосфоресцентный – способный «накопить» свет и затем излучать его какое-то время. Лучше всего он виден в темноте. Примерами могут служить пластиковые звезды для потолка, деления на циферблате часов и игрушки, светящиеся в темноте.

Фосфоресценцию часто путают с флуоресценцией. Это два абсолютно разных явления, хотя процессы, на которых они основываются, в чем-то схожи. Флуоресценция обычно выглядит как неестественно яркая окраска, и она требует освещения. Фосфоресценция заставляет предметы светиться в темноте после воздействия света. Оба этих процесса не имеют ничего общего с генерацией света, они только излучают ранее накопленный свет. В перерыве между накоплением и излучением свет хранится в электронах атома вещества.

Флуоресцентный – способный усиливать свой цвет при дополнительном освещении. Явление особенно эффективно под воздействием лампы черного света. Примерами могут быть маркеры для текста, светящиеся постеры, GloFish (см. главу 20) и тоник (не путать с содовой).

Каждый атом окружен электронами, все они постоянно получают и отдают энергию. Когда электрон поглощает или излучает энергию, уровень его энергии меняется. Но законы Вселенной ограничивают уровень энергии, зависящий от типа атома, в котором она находится. Невозможно найти электрон с уровнем энергии, который несвойственен его атому, даже на мгновение. Это то же самое, если бы ваша машина могла набирать скорость в 50 миль, 40 или 20, но не могла двигаться со скоростью в 30 миль, 21 или 38 с половиной. Если бы вы нажали на педаль газа, двигаясь со скоростью в 20 миль в час, сначала ничего бы не произошло, а потом машина вдруг бы поехала со скоростью в 40 миль без какого-либо постепенного перехода. Она даже на мгновение не будет двигаться со скоростью в 25 миль в час. Скорость будет 20 миль в час, а потом резко 40. Это, безусловно, принесет неприятные ощущения для вас и угробит ваш мотор, но для электронов подобное моментальное переключение – совершенно естественная вещь. У них нет никакого перехода, никакого срединного состояния.

Это не так уж и невероятно, как вам может показаться. В мире полно вещей, у которых нет переходного состояния: дыры, порезы бумагой, крошки (как заметил комик Джордж Карлин: «Если разломать крошку напополам, вы получите не две половинки крошки, а две целые крошки! [52]52
  Джордж Карлин. Пару слов // Toledo Window Box LP, 1974, Little David/Warner Bros. Records, Бебранк, Калифорния.


[Закрыть]). И что вообще такое – два с половиной человека? Вы хоть раз такое слышали? Такое же невозможно! (Или очень и очень некрасиво.) Чтобы понять, почему так происходит, надо принять во внимание резонансные и колебательные ограничения. Резонанс – это причина того, почему горн может издавать только определенные ноты и не способен издать ноты между ними; почему стиральная машина дико трясется только при определенной скорости цикла или почему нельзя заставить качели двигаться чуть быстрее или медленнее.

У электрона нет педали газа. Он переходит к более высокому уровню энергии, поглотив фотон (частицу света), а снижает ее, выпустив фотон. Энергия, содержащаяся в любом из этих фотонов, равна разнице энергий «до» и «после» изменения уровней. То, что мы видим как цвета радуги, производится фотонами с разными уровнями энергии, где у фотонов красного света меньше всего энергии, а у фиолетового больше всего.

Фотон – невидимая частица света. Его цвет указывает на уровень его энергии.

Поскольку электроны атома ограничены определенным уровнем энергии и их цвет определен уровнем этой энергии, атом может поглотить только свет, который равен разнице между двумя уровнями энергии, позволенными электронам конкретного атома. Фотон входящего света правильного цвета может перебросить электрон на уровень выше, тогда как фотоны, чей уровень энергии не соответствует, не поглощаются, а просто продолжают свой путь-дорогу.

Синий свет, поглощающийся и выделяющийся. Вертикальные линии показывают энергию электрона, а не его местонахождение. Горизонтальные линии представляют несколько возможных уровней энергии

Цвета энергии, которые атом может выделить, те же, что и у поглощаемой энергии. Если атом поглотит входящий фотон синего света, посылая электрон на более высокий уровень энергии, то, когда этот электрон вновь снизится, атом выделит энергию того же самого синего цвета. Под желтым светом, например под уличным фонарем, такой атом может показаться черным; если во входящем свете нет ничего синего, электронам нечего поглощать и нечего выделять.

Фиолетовый свет поглощается; оранжевый и синий выделяются. Электрон пропускает уровень, поднимаясь наверх, а опускается последовательно, с уровня на уровень

Но предположим, свет, соприкасающийся с атомом, соответствует энергии на два или несколько уровней выше вместо одного. Электрон, поглотивший один из этих экстраэнергичных фотонов, сразу пропустит один или несколько уровней. Произойдет то же, если бы машина, ехавшая со скоростью в 20 миль в час, вдруг помчалась со скоростью не 40, а сразу 50 миль в час. И что тогда? Независимо от того, что произойдет на пути вверх, электрон, возвращающийся на более низкие уровни, каждый раз снижается только на один уровень. И с каждым шагом вниз он выпускает энергию с цветом, соответствующим разнице энергий данной ступени.

Если электрон пропустит один или несколько этапов на пути наверх, то ни один из цветов, которые он выпустит на пути вниз, не совпадет с цветом, поглощенным на пути наверх. Это и есть флуоресценция, она в результате превращает один цвет в два или более. Поскольку цвета, которые она создает, могут вообще не присутствовать во входящем свете, она может придать объекту странную яркую внешность. Именно поэтому тропические рыбки так эффектно сияют под яркой синей аквариумной лампой.

Входящий свет не обязательно должен принадлежать к видимому спектру. Броские постеры из 1960-х были предназначены представать во всей своей красе под лампой черного света: лампой, которая выделяет большое количество ультрафиолетового света, невидимого для человеческого глаза. (Фиолетовый цвет таких ламп является только побочным действием своего основного назначения.) Дробление сахарных кристаллов также создает вспышки ультрафиолета, под которыми винтергриновое масло получает голубой оттенок. Именно это создает драматический эффект, который вы видите в зеркале в темной комнате, когда жуете винтергриновые конфетки от Life Savers с открытым ртом (и где только ваши манеры).

На самом деле, входящая энергия не обязательно должна поставляться светом. Флуоресцентные лампы работают (после нескольких мгновений раздумий и миганий), протягивая невидимый поток электронов сквозь стеклянную трубку с внутренним химическим покрытием. Энергия из электронного потока подбрасывает электроны в покрытии на более высокий уровень энергии, и, когда последние возвращаются в свое исходное состояние, шаг за шагом, они сияют голубоватым и желтоватым светом.

Как и флуоресценция, фосфоресценция требует внешнего источника энергии и производится электронами, возвращающимися к своему исходному низкому уровню энергии. Разница в том, что процесс происходит гораздо медленнее. Электроны обычно выделяют энергию практически сразу же после ее поглощения. Они могут ее удержать разве что на мгновение перед тем, как отдать ее, поэтому в момент, когда гаснет свет и энергия прекращает свое течение, вы оказываетесь в полнейшей темноте.

Процесс в фосфоресцирующих материалах точно такой же, отличается только его время. Благодаря особенностям их атомной структуры, их электроны не торопятся отдавать энергию, которую они поглотили, пока горел свет. То, что вы видите после того, как гаснет свет, – это разновидность замедленного вторичного излучения.

Поскольку для того, чтобы светящаяся в темноте игрушка выдала немного света, необходим очень яркий свет, кажется, будто энергия каким-то образом теряется в материале, но это не так. Электроны постепенно выдают все излучение, которые они накопили; только они это делают по чуть-чуть в течение более длительного периода. Если бы вы учли всю энергию на входе и выходе, вы бы увидели, что ничего не теряется. Это пример закона сохранения энергии, и, если вы захотите сделать официальное заявление, вы можете сказать, что при температурном равновесии коэффициент излучения будет равен коэффициенту поглощения. (Но к чему такая формальность?)

Удивительно, но свечение материала, который называется белый фосфор, на самом деле не имеет ничего общего с фосфоресценцией. Оно обусловлено химической реакцией вещества с кислородом в воздухе. А «светящийся в темноте кролик» из генетической лаборатории, которого упоминает Говард, остается загадкой [53]53
  «Загадка числа 43» (сезон 6, эпизод 8).


[Закрыть].

Фосфоресценция возникает как на свету, так и в темноте, но, естественно, сияние гораздо лучше заметно в темноте. Также возможно одновременное возникновение флуоресценции и фосфоресценции, когда электроны одновременно перепрыгивают через два или более уровня энергии, а затем медленно возвращаются обратно вниз.

Не имея источника новой энергии, чтобы снова «зарядить» электроны, сияние фосфоресцентного материала через какое-то время сводится на нет. Если вдруг Шелдон решит всерьез заинтересоваться ночными трудами своих муравьев и проведет всю ночь в наблюдениях за ними, он также заметит, что их песок погаснет гораздо раньше, чем взойдет солнце. Ему лучше применить флуоресцентный песок, возможно, подсвеченный не ослепляющим белым светом, а ультрафиолетовой лампой или невидимым потоком электронов. Хотя радиационные ванны подобного рода могут вызвать ужасные мутации в ДНК бедных муравьев, и неожиданно они смогут вырасти, вырваться из своей темницы и затерроризировать Пасадену. (Но ненадолго, так как, по его же утверждению, гиганский муравей будет раздавлен весом собственного панциря [54]54
  «Рекурсия Уитона» (сезон 3, эпизод 19).


[Закрыть]. Фу!)

И темнота.

эврика! @ caltech.edu

Насколько зелен мой лужок?

Поскольку исходный свет, который производит флуоресценцию или фосфоресценцию, не всегда видим, то и производный свет не обязан быть видимым. Инфракрасный – это диапазон цветов, который, как и ультрафиолетовый, невидим для человеческого глаза. Как и утверждают названия (понятные говорящим на латинском языке), ультрафиолет «выше» фиолетового, а инфракрасный – «ниже» красного. Лампы красного свечения, часто расположенные над столами в буфете и на потолках в туалете, производят инфракрасное излучение. Как и в случае с фиолетовыми «черными лампами», видимый цвет является побочным эффектом.

Растения, имеющие доступ к естественному дневному свету, вырабатывают безопасное инфракрасное свечение благодаря процессу, называемому флуоресценцией хлорофилла под воздействием солнечного света. Мы не можем увидеть это свечение, а детектор инфракрасного света способен его засечь, поэтому-то снимки Земли со спутников часто показывают площади с густой растительностью красным цветом (поскольку именно этот видимый цвет обычно выступает вместо невидимого инфракрасного).

Пол Уеннберг, профессор химии в Калтехе, использует инфракрасный сигнал для растений, чтобы измерять уровень глобального фотосинтеза из космоса. Это дает гораздо более аккуратную и четкую картину активности растений и водорослей, чем оттенки нашего привычного зеленого цвета.

И его не обмануть искусственными деревьями и травой.

[научная вставка]

Опасный свет

В «Собаке Баскервилей» сэра Артура Конан Дойла Шерлок Холмс утверждает, что светящаяся в темноте краска является «хитрой заготовкой» фосфора. Шелдон дает подобную оценку краске, которую Говард и Радж используют на Хэллоуин: «Это вы хорошо придумали. Скелет, намазанный фосфором, на страховке». Что Шерлок, что Шелдон очень сильно ошибались.

Белый фосфор (та разновидность фосфора, которая светится в темноте) – это мерзостная дрянь. Он может воспламениться при комнатной температуре, выделять токсический газ, который способен вызывать коррозию металла и разъедать плоть. (Ну что ж тут хорошего?)

Гипотетическая краска, содержащая белый фосфор, которая каким-то чудом не воспламенилась бы в момент соприкасания с воздухом, нанесла бы огромный вред здоровью. Пока его применение в производстве спичек не было остановлено в 1906 году, белый фосфор нес ответственность за очень распространенное в то время и ужасное заболевание, называемое фосфорным некрозом челюсти, напастью рабочих на фабриках по производству спичек и фейерверков. Попадавшие в воздух частицы фосфора поселялись в слизистой оболочке; со временем челюстная кость приобретала приятное зеленоватое свечение в темноте. А затем начинала гнить.