Текст книги "Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса"

В наши дни люди, страдающие диабетом, могут контролировать содержание сахара у себя в крови, используя достаточно простое электронное устройство и тестовую полоску. Крохотная капелька крови, опущенная на тестовую полоску, благодаря капиллярному действию мгновенно впитывается в абсорбирующий материал. Крошечные поры тестовой полоски заполнены ферментом глюкозооксидазы. Вступая в реакцию с сахаром, содержащимся в крови, он генерирует электрический сигнал, измеряемый с помощью ручного устройства, – и на экране отображается точный процент содержания сахара в крови. Такое описание может показаться банальным: бумага впитывает некую жидкость, и этот процесс поддается измерению. Ну и что? Но это лишь грубая демонстрация принципа, положенного в основу такого измерения. В действительности все гораздо сложнее.

Если вы можете пропускать жидкость через тонкие трубки и фильтры, собирать ее в определенные емкости, смешивать с другими химическими веществами и анализировать результаты, то у вас есть все компоненты химической лаборатории. Нет надобности в стеклянных колбах и пробирках, пипетках и микроскопах. Предпосылкой стремительно развивающейся индустрии, которую иногда называют «лабораторией на чипе», является разработка крошечных устройств для проведения медицинских тестов. Никому не нравится, когда из него пытаются «выкачать» целый пузырек крови. Пара капель – еще куда ни шло. Меньшие по размеру диагностические устройства зачастую более дешевы в производстве и более удобны с точки зрения поставки конечным потребителям. К тому же вы не обязаны изготавливать их с использованием таких дорогостоящих современных материалов, как полимеры или полупроводники. Вполне подойдет бумага.

Именно такими вопросами занимается группа исследователей в Гарвардском университете, возглавляемая профессором Джорджем Уайтсайдсом. Они разработали диагностические тестовые комплекты размером с почтовую марку. Они изготавливаются из бумаги и содержат целую сеть «водолюбивых» бумажных каналов с парафинированными водоотталкивающими стенками. Когда вы наносите каплю крови или мочи на определенное место такой бумаги, капиллярное действие протаскивает эту жидкость через основной канал, разделяет ее и перенаправляет образовавшиеся потоки во множество разных тестовых зон. Каждая тестовая зона содержит ингредиенты, необходимые для выполнения тех или иных биологических тестов, а каждый резервуар будет изменять свой цвет в зависимости от результатов теста[39]39
  Для этих устройств придумано броское название – «микрофлюидные электрохимические устройства на основе бумаги», или сокращенно uPAD. Создана некоммерческая организация под названием «Диагностика для всех», призванная воплощать эту идею на практике.


[Закрыть]. Исследователи предполагают, что такие тесты мог бы выполнять самый обычный человек (отнюдь не врач), фотографировать их с помощью смартфона и передавать результат по электронной почте специалисту, который мог бы интерпретировать его. Идея представляется блестящей. Бумага дешева, устройство не требует специального источника питания, легкое, а для его утилизации достаточно зажигалки. Как и в случае любых других новых устройств, нам понадобится провести множество проверок и сравнений, прежде чем мы убедимся, что столь простая и внешне привлекательная идея способна принести реальную практическую пользу. Тем не менее нам очень хотелось бы верить, что в будущем подобные устройства все же займут достойное место в медицине.

Ключевая мысль, которую мне хотелось бы донести до читателей, заключается в том, что, рассматривая какую-либо проблему, мы можем выбрать на шкале размеров такой вариант ее решения, который окажется максимально эффективным и удобным с точки зрения реализации. Это как если бы вы могли выбирать именно те законы физики, с которыми вам удобнее всего работать. Поистине, маленький – значит замечательный.

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]40
  Такое поведение называется «разжижением при сдвиге». Это, как мы вскоре увидим, весьма полезное свойство для улиток.


[Закрыть].

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]41
  Разумеется, был еще и третий вариант: крошечная улитка («улитка-младенец») могла изначально находиться в компосте, который я загрузила в лотки. Но обнаруженная мною улитка была такой большой и упитанной, что мне трудно было представить, как за столь короткое время она смогла так вырасти.


[Закрыть]. 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 твердое 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 своей 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]42
  Довольно забавно читать то место в статье Фроста, где он описывает, что происходило, когда по чистой случайности бегущую дорожку переключили на очень низкую скорость. Я не так уж часто цитирую научную статью, чтобы описать какой-либо комический эпизод, но в данном случае это кажется мне совершенно оправданным. «Завершив видеозапись поведения одной из птиц, я по неосторожности переключил бегущую дорожку на очень низкую скорость, вместо того чтобы полностью выключить ее. Спустя короткое время мы заметили, что голова птицы медленно вытягивается вперед, пока в конце концов не уткнулась клювом в ленту бегущей дорожки. Дальнейшие наблюдения показали, что такие “клевания носом”, или крайние изменения позы, могут также вызываться очень медленным движением ленты бегущей дорожки вперед (то есть в направлении, противоположном ее типичному движению: чтобы человек бежал вперед, лента должна двигаться назад). Оказалось, что очень медленная (практически неощутимая для нас) скорость движения ленты бегущей дорожки недостаточна для того, чтобы заставить птицу идти, но достаточна для того, чтобы стабилизировать ее голову. Правда, иногда это приводило к потере равновесия».


[Закрыть]. 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.