Текст книги "А что, если?.. Научные ответы на абсурдные гипотетические вопросы"

Все, что вы хотели знать про молнию…

Прежде чем продолжить, я хочу еще раз напомнить: я не эксперт по безопасности во время грозы.

Я рисую картинки в интернете. Я люблю смотреть, когда что-нибудь горит или взрывается, а значит, не всегда могу действовать в ваших интересах. Настоящие специалисты по безопасности во время грозы – это ребята из Национальной погодной службы США.

Ладно. С этим разобрались…

Чтобы ответить на нижеследующие вопросы, нам нужно понять, куда с наибольшей вероятностью ударит молния. Чтобы узнать это, есть отличный способ, и я вам прежде всего о нем расскажу: прикатите откуда-нибудь воображаемый[41]41
  Или настоящий, раз уж на то пошло.


[Закрыть] шар диаметром 60 м, установите его на местности и обратите особое внимание на точку, в которой он касается земли.

В этом разделе я отвечу на несколько разных вопросов, касающихся молнии. Говорят, что молния бьет в самую высокую точку на местности. Это одно из тех раздражающих своей неточностью утверждений, которые сразу вызывают массу вопросов. Самую высокую – в пределах какого радиуса? Я хочу сказать, что не все же молнии бьют в Эверест. Но будет ли молния выбирать самого высокого человека в толпе? Самый высокий человек, которого я знаю, это, вероятно, канадский писатель, программист и автор комиксов Райан Норт. Стоит ли мне стоять рядом с ним во время грозы, или это небезопасно? И вообще, стоит ли мне стоять рядом с Райаном из каких бы то ни было соображений?…

Наверное, мне все-таки стоит отвечать на вопросы, а не задавать их.

Так как же молния выбирает цель?

Удар молнии начинается с ветвящегося электрического заряда – «лидера молнии», который спускается с тучи. Он идет вниз со скоростью, составляющей десятки или даже сотни километров в секунду, и преодолевает несколько километров до земли за несколько десятков миллисекунд.

У лидера довольно низкая сила тока – порядка 200 А. Этого достаточно, чтобы вас убить, но это ничто по сравнению с тем, что будет дальше. После того как лидер достигает земли, электрический заряд облака и земли выравнивается, высвобождая где-то около 20 000 А. Это и есть та ослепляющая вспышка, которую мы видим. Она поднимается обратно со скоростью, сопоставимой со скоростью света, преодолевая расстояние меньше чем за миллисекунду.[42]42
  Несмотря на название («обратный разряд молнии»), электричество все еще идет сверху вниз. Однако разряд выглядит так, словно направлен вверх. Похожий эффект можно наблюдать, когда светофор переключается на зеленый: сначала машины в первых рядах трогаются с места, затем машины, стоящие за ними, так что кажется, что движение распространяется от первых рядов назад.


[Закрыть]

То место на земле, куда, как мы видим, «бьет» молния, – это та точка, где лидер впервые коснулся поверхности. Лидер спускается через атмосферу маленькими скачками, прокладывая себе путь к (обычно) положительно заряженной поверхности земли. Однако в момент, когда лидер «решает», куда ему устремиться дальше, он «чувствует» этот заряд только в радиусе нескольких десятков метров от себя. Если в этом радиусе имеется что-то, соединенное с положительно заряженной землей, заряд устремляется туда, в остальных случаях он перемещается в случайном направлении, и процесс повторяется.

Вот тут мы и используем 60-метровую воображаемую сферу. Это способ определить, какие точки лидер почувствует в первую очередь – точки, на которые он может перепрыгнуть в следующий (последний) шаг.

Чтобы разобраться, куда может ударить молния, давайте покатим по земле нашу воображаемую сферу диаметром 60 м[43]43
  Я бы все же не стал использовать настоящий шар – это может быть небезопасно.


[Закрыть]. Огромный шар перекатывается через деревья и здания, однако не проходит сквозь них (и не подминает их). Места, где поверхность шара соприкасается с чем-либо – с верхушкой дерева или столбом изгороди, – и есть вероятные мишени молнии.

Это значит, что можно рассчитать «тень» молнии вокруг объекта высотой h на плоской поверхности.

Тень – это зона, в которой лидер ударит в самый высокий объект, а не в землю вокруг него:

Учтите, это не значит, что в тени вы в безопасности – часто даже наоборот. После того как заряд ударил в высокий объект, он уходит в землю. Если вы касаетесь земли рядом, он может пройти через ваше тело. Из 28 человек, убитых молнией в США в 2012 году, 13 стояли под деревом или рядом с ним.

А теперь давайте посмотрим, каковы будут возможные пути молнии в сценариях, которые описаны нижеследующими вопросами.

ВОПРОС: А что, если искупаться в бассейне в грозу? Опасно ли это?

ОТВЕТ: Достаточно опасно. Вода представляет собой проводник, но это не самая большая проблема: хуже то, что, когда вы плаваете, ваша голова выступает над большой плоской поверхностью. Но даже если молния ударит в воду рядом с вами, это все равно плохо. 20 000 А распространятся по воде во все стороны, в основном по ее поверхности, но какой именно разряд вы получите в той или иной точке бассейна, рассчитать сложно.

Я предполагаю, что вы будете в довольно серьезной опасности, если находитесь не дальше десятка метров от места удара – и даже дальше, если вода в бассейне пресная, поскольку разряд будет просто счастлив «срезать» путь через вас.

А что произойдет, если вы будете принимать душ в тот момент, когда в вас ударит молния? Или стоять под водопадом?

Брызги не будут представлять опасности – это просто капли воды, висящие в воздухе. Ванна у вас под ногами и лужица воды в ней, имеющая прямой контакт с металлической выпускной трубой, – вот где настоящая опасность.

ВОПРОС: А что, если в лодку или в самолет, в которых вы находитесь, попала молния? А в подводную лодку?

ОТВЕТ: Лодка без кабины опасна примерно в той же степени, что и поле для гольфа. Лодка, оборудованная закрытой кабиной и системой защиты от молнии, примерно так же безопасна, как автомобиль. Подлодка безопасна примерно так же, как подводный сейф (не стоит путать подводный сейф с сейфом на подводной лодке – сейф на подводной лодке куда безопаснее, чем подводный сейф). Современные авиалайнеры, как правило, более или менее нормально переживают удар молнии – они сконструированы так, чтобы молния не повредила ни пассажирам, ни электронике самолета.

ВОПРОС: А что, если бы вы меняли лампочку на вершине радиовышки в тот момент, когда ударила молния? Или делали обратное сальто? Или стояли на графитовом поле? Или смотрели прямо на молнию?

ОТВЕТ:

ВОПРОС: А что, если бы молния попала в летящую пулю?

ОТВЕТ: Пуля не повлияет на траекторию молнии. Пришлось бы как-то рассчитать момент выстрела так, чтобы пуля оказалась в середине разряда молнии, когда случится обратный разряд.

Центр разряда молнии не больше нескольких см в диаметре. Пуля, выпущенная из АК‐47, имеет длину примерно в 26 мм и движется со скоростью 700 мм в миллисекунду.

Пуля сделана из свинца в медной оболочке. Медь – замечательный проводник электричества, и немалая часть 20 000 А могла бы пройти через нее.

Как ни странно, пуля перенесла бы это довольно хорошо. Если бы она не двигалась, поток быстро нагрел бы металл и расплавил его. Но поскольку она будет быстро двигаться, то выйдет из потока прежде, чем тот нагреет ее больше чем на несколько градусов. Пуля продолжила бы лететь в цель, практически не изменив траекторию. Возникнут довольно любопытные электромагнитные силы, созданные магнитным полем вокруг разряда и его прохождением через пулю, но ни одна из них, согласно моим расчетам, сильно не изменит картины.

ВОПРОС: А что, если бы вы обновляли BIOS на своем компьютере во время грозы и в вас бы ударила молния?

ОТВЕТ:

Странные (и тревожные) вопросы из папки «Входящие» сайта «А что, если?» (четвертая порция)

ВОПРОС: Можно ли остановить извержение вулкана, разместив под ним ядерную бомбу?

– Томаш Грушка

ВОПРОС: Мой друг уверен, что звук распространяется в космосе. Это ведь не так, правда?

– Аарон Смит

Мозг и компьютер

ВОПРОС: А что, если бы все человечество бросило заниматься текущими делами и занялось вычислениями? Какой вычислительной мощности можно было бы достичь? Можно ли сравнить ее с производительностью современных компьютеров и смартфонов?

– Матеуш Кнорпс

ОТВЕТ: С одной стороны, люди и компьютеры думают совершенно по-разному, так что сравнивать их – все равно что сравнивать яблоки с апельсинами.

Но с другой стороны, яблоки, конечно, лучше[44]44
  Кроме сорта «ред делишес», название которого («красный вкусный») возмутительно обманчиво.


[Закрыть]. Давайте попробуем напрямую сравнить человека и компьютер, выполняющих одно и то же задание.

Несложно придумать задачу, которую один-единственный человек решит быстрее, чем все компьютеры мира (хотя с каждым днем это становится все труднее). Например, люди все еще лучше, чем компьютеры, угадывают, что именно произошло на картинке:

Чтобы проверить эту теорию, я послал эту картинку моей матери и спросил, что, по ее мнению, произошло. Она немедленно ответила: «Ребенок разбил вазу, а кот изучает обстановку».[45]45
  Когда я был маленьким, у нас дома было довольно много ваз.


[Закрыть]

Она мудро отвергла альтернативные версии, включая следующие:

• вазу разбил кот;

• кот выпрыгнул из вазы на ребенка;

• кот гнался за ребенком, а тот попытался взобраться на комод при помощи веревки;

• в дом забрался дикий кот, и кто-то кинул в него вазу;

• в вазе была спрятана мумия кота, но она ожила, когда ребенок коснулся ее волшебной веревкой;

• веревка, на которой висела ваза, оборвалась, и кот пытается собрать осколки;

• ваза взорвалась, и на звук прибежали ребенок и кот. Ребенок надел шляпу для защиты от последующих взрывов;

• ребенок и кот ловили змею. Ребенок наконец поймал ее и завязал узлом.

Все компьютеры мира не смогли бы вычислить верный ответ быстрее, чем одна моя мать. Но это потому, что компьютеры не запрограммированы определять подобные вещи[46]46
  По крайней мере, пока что.


[Закрыть], тогда как наш мозг в течение миллионов лет эволюции тренировался, пытаясь определить, что делают другие мозги неподалеку (и зачем они это делают).

Так что мы могли бы легко выбрать задачку, которая создаст преимущество для человека, но это не очень честно: компьютеры ограничены тем, как мы их программируем, так что мы по определению уже обладаем преимуществом.

Давайте лучше посмотрим, как мы можем потягаться с ними на их территории.

Сложность микрочипов

Вместо того чтобы придумывать новое задание, мы просто применим к людям те же тесты на производительность, которые применяем к компьютерам. Обычно это операции с числами с плавающей запятой, сохранение и вызов чисел, манипулирование буквенными последовательностями и базовые логические построения.

Специалист по искусственному интеллекту Ханс Моравек утверждает, что человек, выполняющий тесты на производительность для компьютерных чипов вручную, используя карандаш и бумагу, может выполнить одно задание в полторы минуты.[47]47
  Moravec Hans. Robot: Mere Machine to Transcendent Mind. Oxford University Press, 2000.


[Закрыть]

Тогда получается, что процессор в смартфоне средней мощности может производить вычисления в 70 раз быстрее, чем все население Земли. Для современного чипа персонального компьютера эта цифра равняется 1500.

Итак, в каком году обычный персональный компьютер обошел совокупную вычислительную способность человечества?

1994

В 1992 году численность населения Земли составляла 5,5 миллиарда человек, то есть их общая вычислительная способность, согласно нашему тесту, составляла бы около 65 MIPS (миллионов инструкций в секунду).

В том же году корпорация «Интел» выпустила популярный процессор 486DX, который в своей базовой конфигурации имел производительность в 55–60 MIPS. К 1994 году новые «пентиумы» производства «Интел» достигали значений 70 и 80 MIPS, оставив человечество далеко позади.

Вы можете возразить, что мы несправедливы по отношению к компьютерам. В конце концов, мы все время выставляем один компьютер против всего человечества. А как насчет всего человечества против всех компьютеров?

Это сложно рассчитать. Мы можем легко найти результаты тестов производительности для разных компьютеров, но как рассчитать количество инструкций в секунду для, скажем, чипа, установленного в игрушке Furby?

Большая часть компьютеров в мире построена на микрочипах, которые не предназначены для подобных тестов. Если предположить, что все люди на земле обучены делать вычисления для тестов производительности, сколько усилий нам нужно будет потратить, чтобы модифицировать каждый чип для выполнения этих тестов?

Вместо этого можно оценить общую мощность всех вычислительных машин мира, подсчитав количество транзисторов. Оказывается, процессоры 1980-х и современные процессоры имеют близкое соотношение транзисторов к MIPS – примерно 30 транзисторов на инструкцию в секунду.

Статья Гордона Мура (автора «закона Мура») дает оценку общей численности транзисторов, производимых ежегодно с 1950-х. График выглядит примерно так:

Используя наше соотношение, мы можем перевести число транзисторов в общую вычислительную мощность. Получается, что современный ноутбук, тест производительности которого дает результаты в десятки тысяч MIPS, обладает большей вычислительной мощностью, чем все компьютеры мира в 1965-м. Исходя из этой оценки, год, в котором общая вычислительная сила компьютеров превзошла общую вычислительную силу человечества, – это 1977-й.

Сложность нейронов

Конечно же, заставлять людей выполнять тесты на производительность при помощи бумаги и карандаша – невероятно глупый способ определять их вычислительную мощность. Если измерять сложность, наши мозги гораздо изощреннее, чем любой суперкомпьютер, правда же?

Правда. По большей части.

Существуют проекты, в которых пытаются использовать суперкомпьютеры, чтобы полностью симулировать мозг на уровне отдельных синапсов[48]48
  Хотя даже этого может оказаться недостаточно, чтобы полностью охватить все, что происходит в мозгу. Биология – хитрая штука.


[Закрыть]. Если посмотреть, сколько процессоров и времени требуют эти симуляции, можно получить количество транзисторов, требующихся для того, чтобы сравняться в сложности с человеческим мозгом.

Результаты тестирования японского суперкомпьютера Kcomputer в 2013 году показывают, что для «создания» одного мозга понадобится 10¹⁵ транзисторов[49]49
  Используя 82 944 процессора, каждый с 750 млн транзисторов, Kcomputer понадобилось 40 минут, чтобы симулировать одну секунду деятельности виртуального мозга, обладавшего всего 1 % связей от числа имеющихся в настоящем человеческом мозгу.


[Закрыть]. По этой оценке, только в 1988 году общее количество логических цепей в мире сравнялось со сложностью одного мозга… и общая сложность всех цепей все еще ничтожна по сравнению с общей сложностью всех мозгов. По оценкам, основанным на законе Мура, и исходя из наших расчетов, компьютеры не обойдут человечество раньше 2036 года.[50]50
  Если вы читаете это уже после 2036 года, привет из далекого прошлого! Надеюсь, в будущем дела обстоят лучше. P. S. Пожалуйста, придумайте, как забрать нас к себе.


[Закрыть]

Почему эти тесты нелепы

Два описанных способа оценки мозга представляют собой две крайности.

Первый, тест Dhrystone, сделанный на бумаге, требует, чтобы человек вручную симулировал отдельные операции, которые выполняет компьютерный чип, после чего выясняется, что быстродействие человека составляет примерно 0,01 MIPS.

Второй тест, в котором деятельность нейронов человеческого мозга симулируется при помощи суперкомпьютера, показывает, что быстродействие человека составляет примерно 50 000 000 000 MIPS.

Тогда уж лучше совместить эти способы. Это некоторым странным образом даже логично. Если мы предполагаем, что наши компьютерные программы столь же неэффективно симулируют деятельность человеческого мозга, как и человеческий мозг симулирует работу компьютерных чипов, тогда, возможно, более точной оценкой производительности мозга будет среднее геометрическое этих двух чисел.

Итоговый результат показывает, что быстродействие человеческого мозга составляет порядка 30 000 MIPS – примерно вровень с компьютером, на котором я сейчас печатаю эти слова. А еще это значит, что уровень сложности всех компьютеров мира превысил общую неврологическую сложность человечества в 2004 году.

Муравьи

В своей статье «Закону Мура – 40 лет» Гордон Мур делает интересное наблюдение. Он указывает, что, согласно данным биолога Э. Уилсона, в мире от 10¹⁵ до 10¹⁶ муравьев. Для сравнения, в 2014 году в мире было примерно 10²⁰ транзисторов, или десять тысяч транзисторов на одного муравья.

Мозг муравья может содержать четверть миллиона нейронов и тысячи синапсов на каждый нейрон, из чего следует, что общая сложность мозгов всех муравьев аналогична общей сложности мо́згов всего человечества.

Так что не стоит слишком волноваться, что компьютеры догонят нас по сложности. В конце концов, мы догнали муравьев, а их это мало беспокоит. Конечно, все выглядит так, словно мы захватили власть на планете, но если бы мне пришлось делать ставки, кто из нас все еще будет существовать спустя миллион лет – приматы, компьютеры или муравьи, я знаю, на кого бы поставил.

Планета Маленького принца

ВОПРОС: А что, если бы какой-нибудь астероид был очень маленьким, но сверхмассивным – можно ли было бы на нем и в самом деле жить, как Маленький принц?

– Саманта Харпер

Ты съела мою розу? Может быть.

ОТВЕТ: «Маленький принц» Антуана де Сент-Экзюпери – это история о страннике с дальнего астероида. Это простая, грустная, проникновенная и запоминающаяся история. Принято думать, что это детская книжка, но сейчас сложно определить, для какой аудитории она на самом деле предназначалась. В любом случае свою аудиторию она нашла – это одна из самых продающихся книг в истории.

«Маленький принц» был опубликован в 1943 году. В то время мы еще не знали точно, как выглядят астероиды, так что про них было особенно интересно писать. Даже лучшие телескопы позволяли увидеть самые крупные астероиды только в виде светящихся точек. Отсюда, собственно, их название – слово «астероид» означает «подобный звезде».

Наше первое представление о том, как выглядят астероиды, сформировалось в 1971 году, когда космический зонд «Маринер‐9» слетал на Марс и сфотографировал по дороге спутники Марса Фобос и Деймос. Наше современное представление об астероиде как о картофелине, усеянной кратерами, основано именно на этих фотографиях, ведь Фобос и Деймос считаются застрявшими на орбите Марса астероидами.

До 1970-х годов в научной фантастике обычно предполагалось, что маленькие астероиды должны быть круглыми, как планеты. Экзюпери в «Маленьком принце» пошел еще дальше, представив астероид маленькой планетой с гравитацией, воздухом и розой. Нет смысла пытаться критиковать это с научной точки зрения, потому что 1) это история не про астероиды и 2) она начинается с притчи о том, как глупы взрослые, воспринимающие все слишком буквально.

Вместо того чтобы с помощью науки критиковать сказку, задумаемся, какие любопытные подробности мы могли бы добавить. Если бы действительно существовал сверхплотный астероид с достаточной поверхностной гравитацией, чтобы по нему можно было ходить, у него были бы весьма интересные свойства.

Если бы астероид имел радиус 1,75 м, то для того, чтобы гравитация у его поверхности была приближена к земной, ему нужно было бы иметь массу около 500 миллионов тонн. Это примерно равно общей массе всех людей на Земле.

Стоя на поверхности астероида, мы испытывали бы влияние приливных сил. Ноги ощущались бы более тяжелыми, чем голова, и все это создавало ощущение, словно нас слегка вытягивают: как будто вы растягиваетесь на резиновом гимнастическом шаре или лежите на карусели головой к центру.

Вторая космическая скорость на поверхности будет составлять примерно 5 м в секунду. Это медленнее, чем спринтерский забег, но все же довольно быстро. В принципе, если вы не способны забросить мяч в баскетбольную корзину, вы не сможете выбраться с этого астероида, просто подпрыгнув.

Однако странность второй космической скорости (скорости освобождения) заключается в том, что неважно, в какую сторону вы направляетесь. Если вы разгонитесь быстрее второй космической, то, направляясь в любую сторону (не считая направления к центру планеты), вы выйдете за пределы гравитации. Это значит, что вы сможете покинуть астероид, разбежавшись горизонтально и продолжая бежать по прямой, когда закругляющаяся поверхность планеты уйдет у вас из-под ног.

Если вы не будете двигаться достаточно быстро, чтобы выбраться за пределы действия гравитации астероида, вы выйдете на орбиту вокруг него. Ваша скорость составит примерно 3 метра в секунду – типичная скорость утренней пробежки.

Однако это будет очень странная орбита.

Действие приливных сил будет весьма разнообразным. Если вы протянете руку к поверхности планеты, ее начнет притягивать с гораздо большей силой, чем остальные части вашего тела. А если вы коснетесь поверхности одной рукой, то все остальные части тела гравитация будет толкать вверх, и вам будет казаться, что они теперь весят меньше. По сути дела, каждая часть вашего тела будет пытаться выйти на свою собственную орбиту.

Крупный объект на орбите под влиянием подобных сил – например, спутник – обычно распадается на кольца. С вами этого не произойдет, но ваша орбита будет весьма сложной.

Подобные орбиты были описаны в одной статье Раду Руджеску и Даниеле Мортари. Расчеты этих ученых показали, что крупные, удлиненные спутники вращаются вокруг центрального объекта по необычным маршрутам. Даже их центр тяжести движется не по традиционной эллиптической орбите – некоторые из них выходят на пятиугольную орбиту, другие вращаются хаотично и в конце концов врезаются в свою планету.[51]51
  Это касается тех случаев, когда размеры спутника сопоставимы с расстоянием до центра притягивающего тела. В случае с планетой Маленького принца такая орбита будет находиться в нескольких метрах над поверхностью астероида. – Примеч. науч. ред.


[Закрыть]

Подобный анализ мог бы на самом деле иметь практическое применение. В течение многих лет поступали предложения использовать длинные вращающиеся тросы для того, чтобы перемещать грузы в гравитационное поле или из него, что-то вроде свободно плавающего в пространстве космического лифта. Подобные тросы могли бы доставлять грузы на поверхность Луны, или поднимать их с нее, или подхватывать космические корабли с границы атмосферы Земли. Нестабильность орбит многих тросов – главная проблема такого проекта.

Что касается обитателей нашего сверхплотного астероида, им пришлось бы быть осторожными – при слишком быстром беге возникает серьезный риск выйти на орбиту, где вы сделаете сальто и вас укачает.

К счастью, вертикальные прыжки не представляли бы сложности.

Болельщики баскетбольной команды «Кливленд кавальерс» с уважением относятся к французской детской литературе, однако разочарованы решением Маленького принца подписать контракт с клубом «Майами Хит».