Текст книги "Простые вопросы. Книга, похожая на энциклопедию"

Как пчелы находят медоносы?

Я понятия не имел, как же пчелы это делают, пока меня не спросили. Пришлось искать информацию. Удивительно, как много людей любит разводить пчел. Настоящий пчеловод очень много знает про своих питомцев, охотно делится секретами, и это производит впечатление. По тщательности отношения пчеловодов к делу их, пожалуй, можно отнести к научному сословию.

Существует два основных механизма, с помощью которых пчелы находят медоносы. Для этого, грубо говоря, их надо унюхать. Обонятельные органы пчел удивительно чувствительны. Они могут уловить присутствие буквально нескольких молекул вещества. Запах, так же как и вкус, определяется молекулярным составом. Но важно не только уловить его, но и проанализировать, как он усиливается, потому что без этого невозможно определить направление. Так вот, их чувствительность велика не только к абсолютной концентрации пахучих веществ, но и к малым ее изменениям. Направляя полет в сторону усиления запаха, то есть повышения концентрации, пчелы умеют прилететь, куда надо.

Но все-таки уловить эти молекулы – дело довольно трудное, это отчасти и вопрос везения. И уж если пчела уловила нужный запах, она должна рассказать другим пчелам, где же находится медонос. Это второй способ найти нужное место – по «донесению» разведчика. Для этого разведчик сам должен его запомнить. В этом деле пчелы ориентируются на солнце. В пасмурную погоду, кстати, справляются с этим плохо. И кроме того, они используют такую особенность света, которая называется поляризацией.

Мы глазами не ощущаем поляризацию света, но с помощью приборов (поляриметров) можем ее измерить. Такие поляриметры есть в глазах у пчел. В отличие от людей они умеют определять поляризацию световой волны. Предполагается, что эти свойства могут быть использованы пчелами для ориентации.

Итак, как получается, что эти насекомые находят медоносные поля? Разведчик унюхал, по нарастанию запаха попал на это поле, сориентировался по солнцу и поляризации и прилетел обратно в рой. Теперь надо передать информацию другим пчелам, а для этого есть специальный язык танцев. Это целая наука. Пчелы совершают определенные движения, в основном шевелят брюшком. В танце имеет значение, какие это движения – круговые, колебательные или восьмерочные. Я этого языка не знаю, но уверен, что он есть. Пчелам удается так точно это сделать, что компаньоны по улью прекрасно понимают, куда лететь.

Так что, как говаривал Винни Пух, это «ж-ж-ж» – неспроста.

Как работает детектор лжи?

Вопрос о том, лжет человек или нет, волнует людей столько времени, сколько они существуют. Люди с развитой интуицией умеют распознавать, правду им говорят или обманывают. Иногда они могут даже научить других определять ложь. А можно ли это сделать с помощью прибора?

К концу XVIII века, когда развилась физиология, было установлено, что у человека в зависимости от состояния проявляются разные физиологические реакции: меняются частота пульса, давление, темп и характер дыхания, ладони потеют и т. д. Таким образом, были созданы научные предпосылки для создания инструментария по определению лжи.

Первый инструмент для диагностики лжи в 1875 году создал итальянский физиолог Моссе. Он продемонстрировал, что такие физиологические показатели, как давление крови и частота пульса, изменяются при эмоциональном напряжении, а эмоции в том случае, когда человек должен скрыть ложь, обязательно проявляются. С этого момента направление начало довольно быстро развиваться. И уже в 30-х годах XX века проверка на детекторе лжи стала вполне официальной процедурой, когда надо было определить, «виновен» или «не виновен», «достоин доверия» или «не достоин». В наши дни применение этой процедуры расширяется, а детекторы лжи совершенствуются. Самым важным оказывается подбор физиологических параметров, которые нужно измерить, чтобы установить, что человек лжет. Сейчас такие приборы принято называть полиграфами. Один из лучших полиграфов был разработан в России в 70-х годах прошлого века. Его изобрел физиолог Валерий Варламов. Кстати, я был с ним знаком. Когда он подбирал удобные для измерения параметры, интересовался у меня, можно ли измерить сердцебиение человека, разместив датчики в стуле, на котором этот человек сидит. Это смешной вопрос, потому что если даже поместить человека в грузовик, то по колебаниям грузовика можно обнаружить, как бьется сердце.

Словом, такой полиграф был им создан. Измерения важно проводить в уверенности, что изменение физиологических параметров происходит именно вследствие эмоций, вызванных попыткой скрыть ложь, а не какими-то иными причинами, например волнением от самой процедуры проверки. Это специалисты также научились довольно хорошо делать.

Но оказывается, когда человек лжет, это проявляется и в других вещах. Советский психолог Александр Лурия ставил такие опыты. Он задавал вопросы и предлагал несколько вариантов ответов. Желаемый ответ испытуемый выбирал нажатием соответствующей кнопки. Выяснилось, что на подбор ложного ответа требуется на 25 % больше времени, чем в случае, когда лгать нет нужды.

Темп речи, лексика, построение фразы также дают сведения о том, лжет человек или нет. Постарался человек солгать или нет, видно по тексту, который он написал. Такие детекторы лжи – анализаторы письменных текстов – тоже есть. А сейчас можно купить детекторы лжи, присоединяющиеся к мобильному телефону. Их действие основано на том, что ложь влияет и на акустический характер речи.

Но самое удивительное в том, что люди не могут не врать. Те, кто всегда говорит одну только правду, оказывается, теряют контакты с окружающими. И обычно ложь возникает в тех случаях, если вы не хотите кого-то обидеть или нарушить чужих ожиданий. Возможно, это вполне конструктивный выход из положения.

Итак, если возвратиться к тому, как работает детектор лжи, можно сказать, что его работа основана на регистрации изменений любых форм реакции – физиологической, психологической, двигательной и речевой, неизбежно возникающей в ответ на эмоциональное напряжение, которое вызвано необходимостью говорить неправду. В общем, обманывать трудно.

Как работает телефон?

«Телефон» был еще у персидского царя Кира в VI веке до н. э. У него на службе состояли 30 000 человек, именуемых «царскими ушами». Располагаясь на вершинах холмов и сторожевых башен в пределах слышимости, они передавали сообщения, предназначенные царю, и его приказания. Юлий Цезарь упоминает, что и у галлов была похожая система связи: сообщения по ней передавались со скоростью 100 км/ч.

Сегодня, когда мы задумываемся о принципах работы телефона, обычно возникает вопрос: как звук преобразуется в электрический сигнал, который передается и потом преобразуется обратно в звук? На то, чтобы это осуществить, ушло очень много труда. И если уж быть честным, нельзя сказать совершенно достоверно, кто первый изобрел телефон, потому что преобразование речи в электрический сигнал и обратно – это одно дело, и значительная часть телефона, но сам телефон – совершенно другое. Телефон – это еще и вещь, которой кто-то пользуется. И ввести его в оборот – это самое главное для изобретения. В этом смысле первым, кто изобрел телефон, то есть предъявил людям как средство для дистанционного общения, был Александр Белл. Это случилось в 1876 году. И даже при этом он сильно заблуждался относительно того, кому телефон нужен. Белл никак не ожидал, что этот прибор пригодится такому количеству людей. Он сказал примерно следующее: такой телефон нужен двум старушкам-подружкам, которым трудно ходить и из-за этого встречаться.

На самом деле телефон произвел колоссальную информационную революцию. И как только люди привыкли к телефону, он начал совершенствоваться, и вот стал мобильным.

В 2006 году в России число мобильных телефонов превысило число жителей. И тот прибор, который мы видим, – это настоящее чудо. Во-первых, это чудо техники – очень сложная миниатюрная электроника. Первый мобильный телефон нужно было возить на специальной тележке. Но важен был сам принцип мобильности, а уж компактность – это, как мы видим, дело технического прогресса.

Во-вторых, это информационное чудо. Проблема мобильной телефонии не столько в том, чтобы сделать аппарат миниатюрным, сколько в том, чтобы быстро передать огромное количество информации, потому что разговаривают и передают другую информацию огромное количество людей. Эту задачу можно решить только с помощью кодирования. Интересно, что кодирование здесь применяется двойное. Сначала из нашей речи выделяют признаки, по которым ее можно потом надежно восстановить. Для этого используют научные знания о механизмах речевоспроизведения.

Сама идея принадлежит великому ученому Леонарду Эйлеру и сформулирована им лет за сто до изобретения телефона. Признаков нашей речи, оказывается, сравнительно немного. Эти признаки и считаются кодом речи. По мобильному телефону, таким образом, передается не речь, а лишь сообщение о ее признаках, то есть коды. На приемном конце наш мобильный аппарат – а по сути, специализированный компьютер – из кодов восстановит речь со всеми ее индивидуальными особенностями. Передача сообщения о кодах производится по радиоканалу, то есть с помощью электромагнитных волн. Чтобы электромагнитные волны переносили по эфиру сообщение, их параметры должны непрерывно подвергаться закономерному изменению. Это называется модуляцией. Способы, или алгоритмы модуляции могут быть самыми разнообразными, и надо выбрать такой, который обеспечит и передачу большого объема данных, и защиту от помех. Интересно, что основы алгоритмов помехоустойчивого кодирования CDMA, используемых в мобильной телефонии, были разработаны еще в 1939 году выдающимся специалистом в области радиотехники Дмитрием Агеевым в кандидатской диссертации «Линейные методы селекции и проблема пропускной способности эфира».

Интересно, что огромный вклад в развитие этих методов внесла знаменитая актриса Хеди Ламарр, занимавшаяся еще и научной деятельностью. В августе 1942 года ею и соавтором был получен патент США № 2 292 387 «Секретная система связи». Однако применение метода было отвергнуто из-за сложности в реализации, и лишь через 50 лет он стал основой для широкополосной связи, которая сегодня используется повсюду – от мобильных телефонов до Wi-Fi.

И теперь, когда мы идем на работу и берем с собой телефон, конечно, должны удивляться, какой он маленький и сколько в нем функций, но мы должны также помнить, какую концентрацию человеческой мысли держим в руках.

Как работает холодильник?

В 2000 году в мире было произведено более 135 млн различных холодильников.

Когда говорят о холодильниках, обычно на ум приходят те, что стоят на кухне. А между тем холодильники – это большой класс приборов, применяющихся для совершенно разных практических и научных целей. Холодильники служат не только для хранения продуктов и лекарств. Они нужны для хранения генетических материалов при сверхнизких температурах. Холодильники используют электронных элементов в компьютерах, для охлаждения приемников электромагнитных волн, когда надо принять слабые сигналы из космоса или слабое электромагнитное излучение человеческого тела при тепловизионном обследовании. Холодильники нужны и для охлаждения частей тела, включая мозг, при хирургических операциях. Даже кондиционер – это тоже холодильник.

Общий принцип работы холодильников очень прост. Так как теплота обусловлена движением молекул, для охлаждения тела нужно просто это движение замедлить, то есть отнять у молекул кинетическую энергию. Сложность, однако, в том, что существует более десятка различных способов этого отъема, и для каждой практической цели применяется свой. Например, в классическом учебнике Генриха Польманна по холодильной технике почти полторы тысячи страниц, хотя там описаны далеко не все способы охлаждения.

В бытовых холодильниках и кондиционерах чаще всего применяется радиатор с хладагентом, имеющим низкую температуру кипения, то есть перехода из жидкого состояния в газообразное. Для испарения хладагента требуется энергия, которую он забирает у воздуха холодильной камеры или кондиционера, отчего воздух и остывает.

Чтобы отнять тепло, можно применять полупроводниковые системы, в которых охлаждение происходит при пропускании электрического тока. Такие системы используются для охлаждения электронных чипов. Можно охладить объект, заставив его излучать энергию в виде звуковых волн.

Удивительное открытие, удостоенное Нобелевской премии, сделано в последние годы. Оказалось, что вещество можно охлаждать с помощью света. Если правильно подобрать длину волны лазерного излучения, то можно добиться, чтобы помещенные в магнитную ловушку атомы, движущиеся навстречу световой волне, поглощали фотоны. Импульс этих фотонов направлен навстречу движению атомов, и поэтому атомы при поглощении затормаживаются, то есть происходит охлаждение. Обездвиженные атомы гораздо легче исследовать. В обычных условиях в газе они движутся со скоростью до нескольких километров в секунду.

Большой прогресс ожидает и наши традиционные холодильники. За счет применения новых материалов и технологий можно будет использовать способы охлаждения, которые раньше были невыгодны. Новые холодильники будут потреблять в два раза меньше энергии, а сам агрегат будет раза в полтора компактнее.

Как узнать время?

Вопрос о том, как узнать время, сейчас кажется тривиальным, потому что у всех есть часы. Посмотрел на часы – узнал время. Нет часов – посмотрел на экран телевизора или послушал радио. Но в действительности вы не определили время, а лишь узнали его. А между тем кто-то это время нам установил, кто-то эту услугу нам оказал.

Измерением времени человечество интересуется с момента своего возникновения. Если бы люди не научились определять сезонные времена, не смогли бы выжить. Оседлая жизнь была бы невозможна. Интересно, что существовали календари, в которых указывалось не четыре, а лишь три сезона. Например, в Древнем Египте были сезоны половодья, сева и сбора урожая. Многие народы Европы знали только зиму, весну и лето. И естественно, что это время измерялось по положению астрономических тел – звезд, Солнца, Луны.

Существовало несколько очевидных масштабов: видимое годовое движение Солнца, Луны и изменение ее фаз, а также суточные движения небесных тел. Поэтому у разных народов возникали различные календари в зависимости от того, наблюдение за движением какого светила бралось за основу. Сразу же появилась и остается актуальной до сих пор проблема синхронизации разных календарей, поскольку периоды движений светил и Земли не кратны друг другу. Например, период обращения Земли вокруг Солнца содержит нецелое число периодов вращения Земли вокруг своей оси. Поэтому для удобства пользования по результатам астрономических наблюдений в календари надо вносить регулярные поправки, например високосные дни, что оказалось серьезной научной задачей. Человечество обходилось такими наблюдениями буквально всю свою историю.

В XVII веке после открытия Галилеем постоянства периода колебаний маятника были изобретены современные механические часы. В то время люди, по-видимому, никуда не торопились и у часов была только одна стрелка – часовая. Механические часы быстро достигли точности, превышающей точность хода небесных светил, и стали эталоном продолжительности интервалов времени. Однако начало отсчета интервалов все равно необходимо согласовывать с небесными событиями, чтобы у всех людей было единое время.

В 50-е годы XX века возникли кварцевые эталоны времени, точность которых составляет несколько миллионных долей секунды в сутки. Но и их качество перестало удовлетворять людей. Сейчас, когда человечество занимается очень тонкими задачами, требования к измерению времени возрастают необычайно. Мы даже не представляем, что живем в системе, где существует мировое время, которое регулярно отслеживается, и поддерживается, и вводится во все наши информационные составляющие – телевидение, радио, компьютерные сети. И уже не хватает точности не только механических часов, но и кварцевых. Для дальнейшего улучшения измерения времени используют атомные эталоны частоты, стабильность которых в миллион раз выше стабильности вращения Земли.

Главный эталон времени России входит в группу лучших мировых эталонов. Он находится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) в Зеленограде. Это очень сложный комплекс аппаратуры. Его погрешность не превышает одной секунды за полмиллиона лет.

Таким образом, время узнать очень трудно, потому что есть несколько физических механизмов измерения промежутков времени и нужда в синхронизации разных времен. А уж мы с вами только смотрим на отображение того времени, которое добыто для нас его хранителями.

Как узнают о родстве и переселениях народов?

Интерес к этому вопросу велик и зафиксирован еще в книгах Ветхого Завета. Согласно последним научным данным, современный вид человека появился в Африке. Это произошло около 40 000 лет назад. Потом он мигрировал на Ближний Восток, а затем на запад – в Европу и на восток – в Азию. Существовавшие в то время другие группы людей, например европейские неандертальцы, исчезли.

Далее по суше люди достигли Юго-Восточной Азии. По суше же, когда еще не было Берингова пролива, они достигли и Америки, а на лодках добрались до Австралии и островов Океании. Как все это удалось узнать?

Для понимания происхождения народов или этносов привлекаются методы самых разных наук, но прежде всего истории, археологии и языкознания. В наследовании и изменениях культурных ценностей и языка есть некоторые общие закономерности и связи. С середины XX века началось применение популяционной генетики.

В основу этой науки легла работа русского генетика Сергея Четверикова «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики», опубликованная в 1926 году. Она позволяет изучать изменение генотипа, в том числе и под действием миграции.

Миграция генов, то есть их распространение на новые территории, имеет два основных механизма. Один, постоянно существующий, но не очень сильный, – браки между представителями разных народов. Другой – физическое переселение народов.

Генетические изменения происходят не очень быстро, поэтому, сопоставляя генофонд различных народов или отдельных его групп по устойчивым маркерным генам и их сочетаниям, можно пытаться оценить наличие или отсутствие общих предков.

Сейчас считается, что наиболее авторитетные данные о расовой и этнографической структуре населения Земли представлены одним из ведущих мировых специалистов по популяционной генетике, итальянским ученым Луиджи Кавалли-Сфорца. В книгах «История и география генов человека» и «Гены, народы и языки» ему с коллегами удалось обобщить и сопоставить разнородную генетическую, культурную, археологическую и лингвистическую информацию о разных народах мира. Им выдвинута теория о происхождении отдельных рас и народов и развитии человечества в целом.

Кавалли-Сфорца разделяет человечество на десять основных генетических групп: восточные азиаты, европейцы, эскимосы, юго-восточные азиаты, коренное население Америки, жители Тихоокеанских островов, южные азиаты и северные африканцы, субсахарские африканцы, аборигены Австралии, народы койсанской группы и центральноафриканские пигмеи.

Это общая картина, но исследования происхождения народов ведутся очень активно, в том числе и в России. Нередко научные результаты разрушают сложившиеся мифы. Однако не подлежит сомнению, что знать истину о своем происхождении и родстве важно для любого народа.

Когда наступает новый год?

Единой для всей Земли даты нового года нет. И проблема не столько в том, что невозможно эту дату установить, сколько в том, что трудно договориться, какой промежуток времени считать годом и от какого события вести отсчет.

В нашем представлении год связан с движением Солнца. Главной единицей считается тропический год. Он равен промежутку времени от одного фиксированного момента – солнцестояния или равноденствия – до следующего. Его продолжительность примерно 365,24 суток.

Наше представление о месяце связано с движением Луны. Промежуток времени от полнолуния до полнолуния называется синодическим месяцем. Его продолжительность составляет приблизительно 29,5 суток.

Как видно, все значимые для людей промежутки времени – сутки, месяц и год – не кратны друг другу. Поэтому постоянные соотношения между годом и 12 месяцами, между годом и 365 днями не могут поддерживаться. Приходится принимать какие-то компромиссные решения.

Скажем, мусульманский календарь – лунный. В нем год никак не связан с движением Земли вокруг Солнца. Поэтому один и тот же месяц может приходиться на разные сезоны.

Христианский календарь основан как раз на движении Земли вокруг Солнца, а введенные 12 месяцев никак не связаны с движением Луны. Но так как еще и продолжительность года равна нецелому числу суток, приходится вводить високосные годы, чтобы расхождение с астрономическими данными не нарастало.

Еврейский календарь учитывает и движение Луны, и видимое движение Солнца. Расчеты времени в нем довольно сложны по логике. В еврейском календаре в високосные годы бывают не только дополнительные дни, но и дополнительные месяцы.

Теперь, когда понятна проблема отсчета промежутков времени, надо договориться, какое событие будет считаться началом нового года. Разные народы делали это по-разному. Персидский год начинается в день весеннего равноденствия. В Древнем Египте начало нового года связывали с разливами Нила, то есть фактически с началом сельскохозяйственного сезона. Такая привязка использовалась и другими народами. Иногда поступали наоборот. Новый год праздновался по окончании сельскохозяйственных работ. Древние греки считали время от Олимпиады до Олимпиады. В еврейском календаре было целых четыре новых года. Иногда началом отсчета служила дата рождения правителя. В календаре Великой французской революции первым днем первого года стал день провозглашения республики. По нынешнему календарю это было 22 сентября 1792 года.

На Руси в разные времена новый год начинался и весной, и в сентябре. С 1700 года по указу Петра I в России было введено новое летоисчисление. В нем новый год приходится на 1 января, как это было установлено в 45 году до н. э. Юлием Цезарем.

Официально новый год в России начинается с первого удара кремлевских курантов.