Автор книги: Фрэнк Вильчек
Жанр: Прочая образовательная литература, Наука и Образование
Возрастные ограничения: +16
сообщить о неприемлемом содержимом
Текущая страница: 3 (всего у книги 13 страниц) [доступный отрывок для чтения: 4 страниц]
С характеристикой «обширная» связана длинная и увлекательная сага, главы которой отмечены Нобелевскими премиями. К сожалению, информации, предоставляемой дифрактограммами, недостаточно, чтобы реконструировать объекты, – математических расчетов для этого мало. Они похожи на искаженные файлы цифровых изображений.
Чтобы справиться с задачей, несколько поколений ученых создавали интерпретационную лестницу, позволяющую переходить от простых объектов к более сложным. Первыми объектами, структуру которых расшифровали по дифрактограммам, были простые кристаллы (наподобие поваренной соли). В примере с солью химические свойства вещества позволяют предположить, как должен выглядеть ответ. Это должна быть упорядоченная решетка из равного числа атомов натрия и хлора. Кроме того, исходя из опытов с большими кристаллами, можно было ожидать, что решетка окажется кубической. Однако расстояния между атомами известны не были. К счастью, можно рассчитать, как будет выглядеть дифрактограмма модельного кристалла, независимо от этого расстояния. Сопоставляя эти результаты с экспериментом, можно не только подтвердить модель, но и определить межатомное расстояние в кристалле.
Когда ученые подошли к изучению более сложных структур, они вновь начали применять бутстрап-метод. На каждом этапе ранее подтвержденные модели использовались для построения более сложных, а те рассматривались как кандидаты для описания материалов с еще более сложными структурами. Затем экспериментальные дифрактограммы сравнивались с рассчитанными для структур-кандидатов. Так интуиция и тяжелый труд иногда позволяли добиться успеха. И с каждым новым достижением становились известны структурные характеристики, важные для построения нового поколения моделей.
Наиболее яркие прорывы в этой области включают определение выдающимся химиком Дороти Мэри Кроуфут-Ходжкин трехмерной структуры холестерина (1937), пенициллина (1946), витамина B12 (1956) и инсулина (1969); а также определение структуры ДНК (1953) – знаменитой двойной спирали – Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном. Они расшифровали дифракционную картину, снятую Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин.
Современные мощные компьютеры используют программы, где учтены все полученные ранее успешные результаты. Это позволяет ученым решать куда более сложные задачи рентгеновской дифракции в рабочем порядке. Так удалось определить структуры десятков тысяч белков и других важных молекул. Искусство создания подобных «картин» остается жизненно важным на передовых рубежах биологии и медицины.
Для меня интерпретационная лестница – одновременно и прекрасный пример, и метафора того, как мы строим модели окружающего мира. В рамках естественного зрения мы должны преобразовать двумерные образы, поступающие на сетчатку глаза, в приемлемые трехмерные объекты. В абстрактной постановке эта задача неразрешима из-за нехватки информации. Компенсируя ее, мы строим предположения о том, как устроен мир. Мы обращаем внимание на резкие изменения цвета, тени и траектории объектов, что позволяет нам опознавать их, а также оценивать свойства и расстояния между ними.
Младенцы и слепые люди, которым внезапно вернули зрение, должны учиться видеть, конструировать разумный мир на основе простых наблюдений. Обучение тому, как «увидеть» объект на рентгеновской дифрактограмме, – по сути, похожий процесс. У него та же цель – выработать набор приемов, позволяющих осмыслить окружающий мир.
Принцип работы нашего третьего устройства – сканирующего микроскопа – на удивление нагляден. Острую иглу с крохотным кончиком подводят к исследуемой поверхности и двигают параллельно ей. На иглу подается небольшой потенциал, благодаря чему возникает ток, идущий от сканируемой поверхности. Чем ближе к ней кончик иглы, тем больше ток. Таким образом можно «считывать» топографию поверхности с субатомным разрешением. На получаемых изображениях видны отдельные атомы, которые напоминают горы, возвышающиеся над плоским ландшафтом.
Наконец обсудим, как ученые исследуют самые маленькие расстояния. Первый эксперимент, позволивший заглянуть внутрь атома, был выполнен в 1913 году Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом под руководством Эрнеста Резерфорда. В эксперименте пучок альфа-частиц направлялся на золотую фольгу. Гейгер и Марсден фиксировали, на какие углы отклоняются прошедшие через фольгу альфа-частицы. Изначально они считали, что только небольшая доля частиц, если таковые вообще найдутся, существенно отклонится от курса. Альфа-частицы довольно массивны, так что только непосредственное столкновение с гораздо более тяжелыми объектами может изменить направление их движения. Если масса золотой фольги распределена равномерно, больших отклонений быть не должно[21]21
В то время в науке господствовала модель атома Томсона (предложенная в 1904 году), в которой атом рассматривался как положительно заряженное облако большого размера с вкраплениями электронов внутри. Прим. науч. ред.
[Закрыть].
То, что увидели Гейгер и Марсден, никак не совпало с их ожиданиями: значительное число частиц отклонилось на большой угол. Иногда альфа-частицы даже меняли направление движения на обратное. Позднее Резерфорд вспоминал о своей реакции на эти новости:
Это было самое невероятное событие в моей жизни. Результаты были почти столь же невероятными, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, а этот снаряд возвратился бы и поразил вас. При анализе этого я понял, что такое рассеяние назад должно быть результатом однократного столкновения, и, произведя расчеты, увидел, что это никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда у меня и зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром, в котором сосредоточен заряд[22]22
Rutherford E., Ratcliffe J. A. Forty Years of Physics // Background to Modern Science. Cambridge University Press, 1938. Прим. ред.
[Закрыть].
Современное представление об атомах[23]23
Планетарная модель атома Резерфорда. Прим. науч. ред.
[Закрыть] родилось из детального анализа Резерфордом эксперимента Гейгера и Марсдена. Он нашел объяснение их данным: предположил, что большая часть массы и весь положительный заряд атома сконцентрированы в крошечном ядре. В дальнейшем удалось конкретизировать эти выводы. В ядре сосредоточено более 99 % массы атома, хотя радиус ядра составляет всего одну стотысячную долю радиуса атома. Оно, будучи почти сферическим, занимает около одной миллионной от одной миллиардной части его объема. Это поистине астрономические числа. Ядро теряется в объеме атома так же, как Солнце – в окружающем его межзвездном пространстве.
Опыт Гейгера – Марсдена определил научную парадигму исследований субатомного мира, где с тех пор доминируют экспериментальные исследования фундаментальных взаимодействий. Бомбардируя мишени частицами со все более высокими энергиями и анализируя особенности их отклонения, мы изучаем внутреннюю структуру мишени. И здесь мы вновь строим интерпретационную лестницу: знания, приобретенные на каждой ступени, помогают нам ставить новые эксперименты и продвигаться в глубь материи.
БУДУЩЕЕ ПРОСТРАНСТВА
За горизонтом
Мы не можем заглянуть дальше расстояния, которое преодолел свет с момента Большого взрыва. Оно определяет наш космический горизонт. Но с каждым днем Большой взрыв уходит все дальше в прошлое. Пространство, которое вчера было за горизонтом, открывается для обзора.
Несомненно, один день и даже тысяча лет – ничто в космических масштабах, и относительное увеличение видимой Вселенной практически незаметно для нас. Но ведь интересно понять, какую Вселенную смогут наблюдать наши далекие потомки, и задуматься над тем, что происходит за горизонтом. Одиссей в стихотворении Теннисона говорит:
Расширяющийся космический горизонт ставит много вопросов. Например, попадет ли под него вся Вселенная? Если пространство конечно, так однажды и произойдет. Примечательно, что конечное пространство не обязано быть ограниченным. Сфера, которая представляет собой поверхность шара, – пример конечного пространства, не имеющего границ. Поверхность обычного шара двумерна. Хотя это трудно представить наглядно, но для математиков проще простого определить трехмерное пространство, которое, как обычная сфера, конечно, однако при этом не имеет границ. Возможные формы конечной Вселенной следует искать среди подобных пространств.
Видимая Вселенная отличается однородностью. Она состоит из одинаковой материи, подчиняющейся единым законам, организованной схожим образом, равномерно распределенной повсюду. Другой вопрос заключается в том, распространяется ли эта «универсальная» модель на те части Вселенной, которые пока недоступны для нашего взора. Или на самом деле наш мир – мультивселенная, в основе которой много разных структур и законов?
Лучшим способом узнать это было бы наблюдение каких-то странных вещей, происходящих где-то очень далеко. Так, при помощи фактов, указывающих на другие фундаментальные законы и другую космологию, мы могли бы установить существование мультивселенной экспериментально. Как ни печально, эти факты также могут указать на то, что «другие» части мультивселенной станут видимыми только в отдаленном будущем, а пока остаются за горизонтом. Я говорю «печально», поскольку лично для меня это выводит познание мира, где мы живем, на более высокий уровень. Но именно там происходит чудо. Кроме того, поиск истины помогает нам быть честными.
Частицы пространства?
Евклид полагал, что, используя одни и те же концептуальные инструменты, можно измерять расстояние все точнее и точнее. Он ничего не знал об атомах, об элементарных частицах и квантовой механике. Теперь наши знания богаче. Когда мы делим материю на очень маленькие части, все существенно меняется! Капля воды, кажущаяся цельной и спокойной, распадается на атомы и даже на более фундаментальные частицы, исполняющие рок-н-ролл на мотив квантовой механики.
Для измерения межатомных расстояний необходимы устройства, сильно отличающиеся от тех несгибаемых линеек, которыми располагал Евклид. Адаптировать подобные инструменты для новых целей просто невозможно, несмотря на то, что в наших фундаментальных уравнениях геометрия Евклида продолжает свое триумфальное шествие. В рамках этих уравнений элементарные частицы и соответствующие им поля занимают целостный континуум, эквивалентный во всех своих частях, где, как и предполагал Евклид, могут быть измерены длины и углы и где работает теорема Пифагора. Просто поразительно, что природа столь снисходительна к нам. По крайней мере, до сей поры.
Но, возможно, так будет не всегда. В соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна пространство – своего рода материя, динамическая сущность, которая может изгибаться и двигаться. Далее мы поговорим еще о множестве фактов, подтверждающих это мнение. В соответствии с принципами квантовой механики все, что может двигаться, спонтанно движется. В результате расстояние между двумя точками флуктуирует. Комбинируя общую теорию относительности и квантовую механику, мы получим, что само пространство – своего рода подрагивающее желе, находящееся в постоянном движении.
Когда расстояние между частицами не слишком мало, такие предсказываемые квантовые флуктуации составляют ничтожную часть всего расстояния. С практической точки зрения мы смело можем ими пренебречь и вернуться к привычной геометрии Евклида. Но когда мы «опускаемся» до расстояния порядка 10-33 сантиметров, крошечного расстояния, известного как планковская длина, характерные флуктуации расстояния между двумя точками могут быть сравнимы с самой этой длиной. На ум приходят апокалиптические строчки Уильяма Батлера Йейтса:
Извивающиеся линейки и пляшущие компасы подрывают основы подхода к геометрии как Евклида, так в конечном счете и Эйнштейна. В мире таких малых длин не работают идеи, на которых основана GPS, поскольку на размерах порядка планковской длины орбиты спутников будут зашумлены и непредсказуемы. Что их сменит? Точно сказать не может никто. Надежды на помощь эксперимента нет: планковская длина в тысячи триллионов раз меньше расстояний, которые ученые уже могут «увидеть». Лично мне трудно сопротивляться желанию воспринимать пространство-время как нечто вроде материи, которую мы понимаем существенно лучше. Если принять эту точку зрения, пространство будет состоять из невероятно большого числа одинаковых объектов – частиц. Все они будут рождаться, контактировать с несколькими соседями, обмениваться посланиями, объединяться, расходиться в разные стороны и погибать.
Глава 2. Здесь много времени
ПРЕЛЮДИЯ: ИЗМЕРЕНИЕ И СМЫСЛ
Фрэнк Рамсей (1903–1930) – ярко вспыхнувшая, но быстро погасшая звезда. В 26 лет он умер от болезни печени, но до этого очень многое успел сделать в математике, экономике и философии. Несмотря на молодость, в 1920-х годах он был центральной фигурой интеллектуальной жизни Кембриджа. Рамсей сотрудничал и спорил с такими гигантами, как Джон Мейнард Кейнс и Людвиг Витгенштейн, которых многие признают величайшим экономистом и величайшим философом двадцатого столетия. «Теория Рамсея» – необычный раздел математики, выросший из его работ[26]26
Теория Рамсея – раздел математики, изучающий условия, при которых в произвольно формируемых математических объектах обязан появиться некоторый порядок. Задачи в теории Рамсея обычно звучат в форме вопроса: «Сколько элементов должно быть в некотором объекте, чтобы гарантированно выполнялось заданное условие или существовала заданная структура?» Прим. ред.
[Закрыть].
Вот небольшой классический пример, дающий представление о теории Рамсея: в любой группе из шести человек, где все либо попарно дружат, либо враждуют, найдется либо группа из трех человек, которые все между собой дружат, либо группа из трех враждующих между собой людей.
К мыслям Фрэнка Рамсея следует прислушаться. Его возражения против сверхъестественных масштабов физического мира заслуживают серьезного внимания.
Моя картина мира нарисована в перспективе. Она не похожа на модель в масштабе. У меня на переднем плане человеческие существа, а все звезды малы, как трехпенсовые монетки. По-настоящему в астрономию я не верю, считая ее сложным описанием какой-то стороны чувственного восприятия человека и, возможно, животного. Я применяю свою перспективу не только к пространству, но и ко времени. Однажды мир остынет и все умрет; но все это будет еще не скоро, и сейчас, в общем масштабе, значимость этого события практически ничтожна[27]27
Ramsey F. The Foundations of Mathematics and Other Logical Essays. Martino Fine Books, 2013. Reprint of 1931 edition. Прим. пер.
[Закрыть].
Одна из знаменитых обложек журнала New Yorker отражает ту же мысль. На ней изображена «карта мира», где фоном для Манхэттена, занимающего большую ее часть, служит нарисованная пунктиром остальная планета.
Позиция Рамсея – здравый ответ на концепцию «жалкой песчинки». Пространства равных объемов имеют равный потенциал быть заполненными материей и движением, но это не значит, что они равны по значимости. Однообразные пустые области не слишком интересны. То же касается равных интервалов времени: все они одинаково заполняются тиканьем часов, но не все одинаково важны. Большинство из нас сосредоточено в основном на ближайших событиях. Это закладывается с детства: так мы приспосабливаемся к окружающей реальности.
Однако Рамсей, отстаивая подобную точку зрения, заходит слишком далеко. Когда он говорит, что не верит в астрономию, я не верю ему. Напротив, его утверждение наводит меня на мысль, что необозримость космического пространства и времени волнует его так же глубоко, как и Паскаля. К сожалению, отрицая их значимость, он лишил себя источника вдохновения, пренебрег возможностью стать не только великим математиком, экономистом и философом, но еще и великим космологом.
Мы способны воспринять как то, сколь много всего «снаружи», так и то, сколь много всего «внутри». Одно не противоречит другому, и нам не надо выбирать что-то одно. Если оценивать нас с разных сторон, получается, что мы и малы и велики. Обе точки зрения открывают важные истины о нашем месте в мироустройстве. И, приняв их, мы научимся всесторонне и реалистично воспринимать реальность.
ИЗБЫТОК ВРЕМЕНИ
О времени можно сказать то же, что и о пространстве: его много как снаружи, так и внутри. Хотя необъятность космического времени подчеркивает нашу незначительность, бездна времени – и внутри нас.
В романе «Создатель звезд» гениальный родоначальник научной фантастики Олаф Стэплдон пишет: «И вся его [человечества] история с ее миграциями, империями, философскими теориями, гордыми науками, социальными революциями, растущим стремлением к единению была не более чем искоркой в жизни звезд»[28]28
Перевод О. Колесникова по изданию 1937 года; см. сайт Avidreaders.ru. Прим. пер.
[Закрыть]. Римский философ Сенека в сочинении «О скоротечности жизни» высказывает противоположную точку зрения. «Большинство смертных жалуется… на коварство природы, – пишет он. – ‹…› Жизнь дана нам достаточно долгая, и ее с избытком хватит на свершение величайших дел, если распределить ее с умом»[29]29
Луций Анней Сенека. Философские трактаты / пер. с лат. и коммент. Т. Ю. Бородай. 2-е издание. СПб.: Алетейя, 2001. Прим. пер.
[Закрыть].
Как мы увидим, правы оба – и Стэплдон, и Сенека.
ЧТО ТАКОЕ ВРЕМЯ?
Чтобы не погрязнуть в неясностях и бессмыслице, остановимся на минутку, вдохнем поглубже и зададим себе принципиальный вопрос: «Что такое время?» Как философское понятие, время представляется менее осязаемым, чем пространство. Мы не можем свободно в нем перемещаться, не можем даже вернуться в какой-либо выбранный момент. Время, которое прошло, – прошло навсегда. То самое мгновение не поймать: вот оно есть, а вот его нет – и оно никогда не повторится.
Христианский философ Аврелий Августин так сформулировал это свойственное всем чувство замешательства: «Что же такое время? Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю, что такое время; но если бы я захотел объяснить кому-либо – нет, я не знаю, что это»[30]30
Блаженный Августин. Исповедь / пер. М. Е. Сергеева. СПб.: Наука, 2013. Прим. пер.
[Закрыть].
На наш вопрос есть остроумный, но несерьезный ответ: «Время – это то, что не дает всему случиться одновременно». Эти слова часто приписывают Эйнштейну, но на самом деле они принадлежат автору научно-фантастических романов Рэю Каммингсу.
Другой многозначительный ответ гласит: «Время – это то, что измеряется часами». Хотя сначала он кажется столь же несерьезным, зерно правды здесь есть. Эта мысль и станет нашей отправной точкой.
В природе много регулярно повторяющихся явлений. О циклической смене дня и ночи, фазах Луны, временах года и биении сердца знают все по собственному опыту. Например, если в состоянии покоя сравнить пульс двух человек, то (при достаточном числе биений) мы получим примерно равное соотношение. А в каждом лунном цикле – почти одинаковое количество дней.
На первый взгляд цикличность времен года в контексте капризов погоды представляется не столь четкой. Чтобы предсказывать смену сезонов точнее, некоторые цивилизации разработали методику астрономического хронометража. Люди пришли к мысли день за днем следить за движением Солнца на небосводе: где оно восходит, где садится, как высоко поднимается. Подобные изменения гораздо более предсказуемы, чем колебания погоды. Наблюдая за траекторией Солнца, люди смогли гораздо точнее определить такие понятия, как год и времена года, что оказалось очень полезно. Астрономические времена года отсчитываются от точек солнцестояний (зимнего и летнего), отмечающих экстремальные склонения Солнца к северу или югу относительно экватора Земли, и равноденствий (весеннего и осеннего), когда положение Солнца меняется наиболее быстро. В периоды солнцестояния разница между продолжительностью дня и ночи максимальная, тогда как в периоды равноденствия она практически отсутствует. Год – это интервал, проходящий между полными циклами изменений.
Наметив эти ориентиры, люди обратили внимание, что год за годом на каждый сезон приходится одно и то же количество дней или лунных месяцев. Они сконструировали календари, значительно облегчившие им жизнь. Так, календари помогали земледельцам принять решение о начале посевов и оценить сроки уборки урожая, а охотникам – понять, когда ожидать миграции животных.
Подобным образом синхронизировано множество разных циклических процессов, психологических и астрономических. Они маршируют под звуки одного и того же барабана. Любой из процессов можно использовать, чтобы измерить другой[31]31
Несомненно, требуется большое терпение, чтобы измерять дни в ударах пульса. Но, чтобы точнее определять время днем, можно использовать изменение длины тени. Прим. авт.
[Закрыть]. Осознание существования общей скорости изменений, универсального темпа позволяет далеко продвинуться в понимании физического мира. Чтобы как-то описать этот темп, мы говорим, что нечто устанавливает связь между всеми циклическими процессами, указывает им, когда повторяться. По определению это нечто и есть время – барабанщик, определяющий развитие событий.
Есть еще два свидетельства реальности времени, ключевых для человека. Одно можно объяснить на примере музыки. При совместном исполнении произведения, танца или песни мы полагаемся на синхронность действий участников. Хотя это так привычно, что воспринимается как нечто само собой разумеющееся, подобная синхронность убедительно свидетельствует, что с высокой степенью точности представление о течении времени у нас общее.
Еще одно, возможно самое важное для нас, проявление времени относится к циклу человеческой жизни. Почти все новорожденные развиваются по одному графику: начинают ходить, говорить, проходят другие важные этапы развития по прошествии определенного числа месяцев (или дней, или недель). Рост людей увеличивается, они достигают пубертатного возраста, мужают и стареют – все происходит закономерно и тесно связано с количеством прожитых лет. Каждый из нас словно часы, хотя определить по ним точное время трудно.
Как видно из истории человечества, время контролирует нециклические процессы точно так же, как и циклические. По мере развития науки, систематического изучения движения и других изменений физического мира люди снова и снова (во всяком случае, до сих пор) обнаруживали некие общие ритмы. Изменение положения астрономических тел, изменение положения тела под действием силы, протекание химических реакций, распространение световых лучей – все это и многое другое разворачивается в темпе[32]32
Здесь слово «темп» следует понимать в его основном значении – как временную определенность какого-либо процесса. Прим. пер.
[Закрыть] единого времени.
Сформулируем это по-другому: есть величина, которую обычно обозначают буквой t. Она входит в фундаментальные уравнения, описывающие изменения в физическом мире. Ее же люди имеют в виду, спрашивая: «Который час?» Вот это и есть время. Время – это то, что измеряют часы, а все, что меняется, может быть часами.
ИСТОРИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ: ЧТО МЫ ЗНАЕМ И ОТКУДА
В предыдущей главе, оглядываясь на Большой взрыв, мы уже измеряли космическое время. С тех пор прошло 13,8 миллиарда лет. Это и в самом деле очень много; в такой невообразимый срок вместились бы сотни миллионов человеческих жизней. Но Большой взрыв мало соотносится с нашим опытом. Чтобы почувствовать, насколько огромно это время, рассмотрим несколько более близкую к нам историю.
Есть два способа измерения больших временных интервалов: датирование с помощью радиоизотопов и звездная астрофизика – оценка по времени жизни звезд. Обсудим их по очереди.
Радиоактивное датирование основано на существовании изотопов, то есть атомов одного вещества, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Атомы с такими ядрами обладают почти одинаковыми химическими свойствами, но многие из них нестабильны. Их ядра распадаются, причем каждое имеет характерное время жизни – и нередко у разных изотопов одного вещества оно различается очень существенно. Эти две характеристики – одинаковые химические свойства и разное время жизни – используют для радиоактивного датирования.
Остановимся на одном важном примере радиоактивного датирования – с использованием углерода. Наиболее распространенный изотоп углерода 12C («углерод-12») содержит шесть протонов и шесть нейтронов; его ядра очень стабильны. А вот другой важный изотоп – 14C («углерод-14») – нестабилен, или «радиоактивен».
Время полураспада изотопа 14C составляет примерно 5730 лет. Это значит, что, если образец материала содержит атомы 14C, через 5730 лет половина из них исчезнет. Распадаясь, ядра 14C испускают электроны и антинейтрино и превращаются в ядра азота (14N). Процессы такого типа – радиоактивность и слабое взаимодействие – мы обсудим подробнее ниже.
Конечно, мы не должны ждать 5730 лет, чтобы свериться с этой картиной. Даже очень маленькие органические образцы содержат много атомов углерода, и за малые интервалы времени можно зафиксировать много радиоактивных распадов. Изучая выход электронов, мы видим, что за равные промежутки времени распадается равная доля имеющихся в образце ядер 14C.
Поскольку возраст Вселенной гораздо больше 5730 лет, возникает вопрос: почему этот изотоп вообще еще существует? Ответ таков: под действием космических лучей в атмосфере образуются новые ядра 14C. Так компенсируется его распад и поддерживается определенный баланс между изотопами 14C и 12C[33]33
Который, вообще говоря, может изменяться в разные периоды истории. Так, относительное количество изотопов 14C к 1963 году (подписанию Московского договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере) выросло по сравнению с 1945 годом практически в два раза из-за огромного количества испытаний атомного оружия и, как следствие, радиоактивного загрязнения окружающей среды. Прим. ред.
[Закрыть].
Живые существа поглощают углерод либо непосредственно из атмосферы, либо вскоре после того, как он растворился в воде. Усвоенный ими углерод отражает текущее соотношение 14C/12C в атмосфере. Но после того как углерод встраивается в тела живых существ, количество распадающегося изотопа 14C больше не пополняется, и со временем его доля предсказуемо уменьшается. Таким образом, измеряя в биологическом образце соотношение 14C и 12C, можно определить, когда существо, «поставившее» данный образец, было живым и могло усваивать углерод.
Есть два способа измерить это соотношение на практике. Поскольку изотопа 12C всегда гораздо больше, чем 14C, хорошую оценку количества 12C можно получить, просто взвесив весь углерод. Чтобы оценить имеющееся количество 14C, можно измерить радиоактивность, то есть скорость испускания электронов. Поскольку относительное количество распадов ядер 14C за конкретный интервал времени известно, это измерение позволяет сделать вывод о содержании изотопа 14C.
Более современный метод – поместить образец в ускоритель, где, используя разницу в движении изотопов 14C и 12C в сильных электрических и магнитных полях, их можно разделить механически. Оба метода дают согласующиеся результаты.
Датирование с использованием углерода широко применяется в археологии и палеобиологии. Так удалось определить возраст египетских и неандертальских артефактов, в том числе мумий. Время создания некоторых египетских памятников можно проверить по историческим источникам, и такая проверка согласуется с датировкой углеродным методом. Неандертальцы не оставили исторических документов, но благодаря углеродному методу датирования мы знаем, что они населяли Европу в течение нескольких сотен тысяч лет и жили там еще совсем недавно, всего около сорока тысяч лет назад.
Мы также можем датировать кости и артефакты, оставленные нашими далекими предками – Homo sapiens. По ним мы узнаём, что человек разумный существует уже около трехсот тысяч лет. Самые ранние свидетельства очень редки, что указывает на малочисленность Homo sapiens: поначалу наш вид был не слишком успешным.
Есть много способов проверить такую датировку. Можно построить лестницу времени, сходную с лестницей расстояний, о которой речь шла выше. Простой, классический и очень красивый пример – старые деревья. Поскольку в разные сезоны клетки непосредственно вблизи коры функционируют по-разному, у деревьев каждый год образуются новые, хорошо заметные кольца. По ним можно убедиться, что с помощью углеродного метода мы правильно определяем как относительный возраст каждого кольца, так и возраст дерева.
Кроме углерода 14C и 12C есть много других пар изотопов с сильно различающимся временем полураспада – и они позволяют измерять гораздо большие периоды. Например, изотопы урана и свинца помогли определить возраст минерала (гнейса) в образцах из Западной Гренландии. Оба изотопа показали, что возраст этих образцов порядка 3,6 миллиарда лет. Отсюда вывод, что горная порода образовалась около 3,6 миллиарда лет назад и с тех пор ее химический состав практически не менялся. Так мы узнали, что возраст Земли как твердой планеты составляет значительную часть – более четверти – возраста Вселенной.
В астрофизической теории есть метод, позволяющий определять возраст звезд. При сжигании ядерного топлива звезды генерируют энергию. По мере расходования топлива они меняют размер, форму и цвет. Например, приблизительно через пять миллиардов лет наше Солнце должно превратиться в красного гиганта. Оно захватит Меркурий и Венеру, и жить на Земле станет довольно неприятно. Еще примерно через миллиард лет Солнце сбросит внешнюю оболочку и превратится в горячий, размером с Землю белый карлик. Затем белый карлик начнет медленно остывать и постепенно, за несколько миллиардов лет, погаснет.
Есть много способов проверить теорию эволюции звезд. Рассмотрим, например, какое-нибудь их плотное скопление. Разумно предположить, что многие из этих звезд образовались примерно в одно время (в космическом масштабе). Если так, их возраст должен быть одинаков. Старея, звезды предсказуемо меняют цвет и яркость. С помощью теории эволюции звезд можно рассчитать отдельно возраст каждой. Астрономы показали, что во многих случаях рассчитанные возрасты звезд действительно согласуются, одновременно и подтверждая теорию, и датируя образование того или иного скопления.
Так, выяснилось, что возраст самых старых звезд почти совпадает с возрастом видимой Вселенной. Иными словами, звезды начали рождаться через один или два миллиарда лет после Большого взрыва. С другой стороны, некоторые звезды довольно молоды и мы также видим области, где они все еще образуются.
Подводя итог, можно сказать, что:
• формирование звезд и планет началось на ранней стадии истории Вселенной, примерно тринадцать миллиардов лет назад; новые звезды продолжают рождаться, хотя и медленнее;
• Солнце и Земля существуют в состоянии, близком к сегодняшнему, около пяти миллиардов лет;
• время существования людей, похожих на нас, гораздо короче – около трехсот тысяч лет. Это соответствует примерно десяти тысячам поколений или пяти тысячам человеческих жизней.
ВНУТРЕННЕЕ ВРЕМЯ: ЧТО МЫ ЗНАЕМ И ОТКУДА
Изобилие внутреннего времени можно осознать, сравнивая продолжительность жизни человека со скоростью основных электрических и химических процессов, позволяющих ему мыслить. Такое сравнение показывает, что за время жизни человек накапливает огромный опыт и невероятное количество представлений и идей.
Скорость мысли
Вольфганг Амадей Моцарт умер, когда ему было тридцать пять лет, Франц Шуберт – в возрасте тридцати одного года, великий математик Эварист Галуа – в двадцать лет, а физик Джеймс Клерк Максвелл – в сорок восемь. Их достижения говорят о том, что за время жизни человек может оставить миру много гениальных идей и творений. Сколько же?
Вопрос поставлен не слишком четко: нет меры скорости, применимой к нашим невероятно разнообразным мыслительным процессам. И все же, я думаю, на него можно дать приблизительный ответ.
Один из фундаментальных факторов, ограничивающих нашу способность обрабатывать сигналы, – время задержки (латентность) импульсов электрической активности (потенциалов действия), с помощью которых нейроны связываются друг с другом. Этот восстановительный период ограничивает число импульсов до нескольких десятков или сотен за секунду. Не случайно частота кадров, при которой мы замечаем, что на самом деле фильм – просто последовательность фотографий, – порядка сорока за секунду. Такова объективная скорость, с которой мы можем обрабатывать визуальные сигналы, превращая их в образы, воспринимаемые мозгом. За жизнь мы обрабатываем около ста миллиардов образов.
Правообладателям!
Данное произведение размещено по согласованию с ООО "ЛитРес" (20% исходного текста). Если размещение книги нарушает чьи-либо права, то сообщите об этом.Читателям!
Оплатили, но не знаете что делать дальше?
