Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

И что, вот это кругленькое — письмо?

Итак, внимание: пророчество. Через сорок тысяч лет в одной соседней планетной системе у граммофона (звуковоспроизводящего устройства, которое мы смутно помним благодаря фильмам середины XX столетия) соберется компания пришельцев. Они поднимут рычажок, и игла мягко опустится на пластинку, кружащуюся со скоростью 33 оборота в минуту. И тогда они услышат (если, конечно, у них будут уши, чтобы слышать) приветствие на аккадском языке, на котором говорили в Месопотамии примерно шесть тысяч лет назад.

Как и многие пророчества, оно звучит довольно странно. Но при этом имеет вполне логичное обоснование. В 1977 году НАСА[1] отправило в космос два космических аппарата: «Вояджер-1» и «Вояджер-2». В их задачи в основном входил сбор данных (включая фотографии) о Юпитере, Сатурне и их спутниках. Затем аппараты должны были продолжить путешествие и преодолеть гигантское расстояние, отделяющее нашу Солнечную систему от ближайших к ней звезд.

Каждый «Вояджер» был размером с небольшой автомобиль, и на борту его помимо прочего имелась так называемая фонографическая запись — ученые рассчитывали (или, во всяком случае, надеялись), что когда-нибудь в далеком будущем представители внеземной цивилизации наткнутся на один из «Вояджеров», отыщут необычный на вид диск и включат воспроизводящее устройство. Если они догадаются это сделать, то прослушают запись длительностью примерно один час, содержащую приветствия на многих языках Земли и разнообразные земные звуки, например шум автобуса и трактора, ржание лошади. На пластинке также были записаны 115 фотографий, среди которых есть портрет женщины с рожком мороженого и мужчины, поедающего кусок пиццы.

В 1977 году самой передовой технологией записи и воспроизведения звука была долгоиграющая пластинка. Первый патент на предшественника современных компакт-дисков будет выдан компании «Сони» лишь в 1980 году. Так что же станут делать инопланетяне через 40 000 лет — как минимум столько времени потребуется, чтобы «Вояджер» достиг ближайших звездных систем, — увидев круглую пластину с тончайшей резьбой, идущей по спирали от наружного края вовнутрь? Как они догадаются, что там записана информация о далекой планете и о том, чем занимались ее жители в 1977 году?

В качестве подсказки для пришельцев сотрудники НАСА изобразили на обложке пластинки граммофонный иглодержатель — вид сверху и сбоку. Снабдить инопланетян письменными инструкциями, понятное дело, невозможно, поэтому специалисты НАСА попытались изобразить всё при помощи схем: как работает иглодержатель, почему нужно, чтобы пластинка вращалась, какая нужна скорость вращения и как преобразовать черточки, считываемые иглой, в звуки или картинки. А чтобы инопланетяне не сомневались, откуда прибыл «Вояджер», умельцы из НАСА выгравировали карту, показывающую расположение Солнечной системы по отношению к 14 пульсарам, звездам со строго определенным периодом вращения, которые, скорее всего, должны быть известны пришельцам.

Весь этот проект являет собой победу надежды над научными прогнозами. Что уж говорить об инопланетянах, если даже реакцию людей из далекого будущего на такую пластинку предсказать сложно. Технический прогресс движется вперед семимильными шагами, так что невозможно даже вообразить, насколько мир 42 000 года будет отличаться от того, каким он был в 1977-м. Может быть, люди разберутся, для чего нужен иглодержатель (как и рассчитывало НАСА), а может, решат, что это какой-то поезд, движущийся по закрученным спиралью рельсам. Или просто вытащат пластинку из конверта и начнут кидать ее друг другу на манер фрисби (популярное в середине XX века, а ныне почти забытое развлечение). Да и то лишь в случае, если у людей к тому времени останутся глаза и способность разбираться в схемах. Но кто знает, какими органами чувств будут обладать разумные формы жизни где-то там во Вселенной и смогут ли они понять, для чего нужна эта пластинка? На каком уровне будут находиться их технологии и инженерная мысль и будут ли они в состоянии изготовить иглодержатель, вращающий механизм, регулятор скорости и динамик? И будут ли у них глаза, чтобы видеть, и уши, чтобы слышать, когда они запустят свой небесный проигрыватель?

Идея послать в космос набор с инструкциями «как собрать воспроизводящее устройство» кажется смешной уже сейчас, в эпоху, когда звуки и изображения хранятся на жестких дисках, чья вместительность с каждым годом возрастает в десять раз, а айподы способны хранить звуковую запись длительностью не один час, как пластинка на «Вояджере», а 80 суток. Эти новейшие технологии легли в основу более «свежего» космического проекта — спутника под названием «КЕО», который планируется запустить на орбиту в 2011 году[2]. «КЕО» сможет нести на борту любое количество посланий от каждого жителя Земли, который пожелает принять участие в проекте. Послания эти будут записаны на специальные стеклянные DVD, защищенные от радиации. Стоит ли говорить, что на борту также будут находиться инструкции, как соорудить DVD-плеер? Не менее очевидно, что всего через несколько лет такая система записи и считывания информации может устареть, как сейчас выглядит устаревшей пластинка, улетевшая на «Вояджере». Но, в отличие от небольшого объема информации на пластинке с «Вояджера», емкость дисков на «КЕО» позволит записать и сохранить в сжатом виде послание длиной до четырех страниц от каждого жителя Земли.

Однако не все полагают этот способ установить контакт с внеземными формами жизни таким уж удачным. Еще во времена запуска «Вояджера» ведущий британский радиоастроном профессор сэр Мартин Райл выступил с протестом против программы НАСА, заявив, что, дав о себе знать и обозначив свое точное местонахождение во Вселенной, мы предоставим инопланетянам (в случае, если они вынашивают коварные намерения или просто проголодались) шанс на уничтожение человечества — разумеется, при условии, что к тому времени, как они прилетят, будет кого уничтожать. Но уже в 1977 году подобные опасения казались анахронизмом. Любая внеземная цивилизация, будь она хоть сколько-нибудь разумной, узнает все необходимое о быте землян, просто посмотрев научно-популярные программы Дэвида Аттенборо[3] и прочую продукцию земного телевидения. Решат ли они в итоге заглянуть в гости или сочтут, что Землю лучше облетать стороной, — это еще вопрос.

Вселенная — это вам не сарай

В 1991 году британская художница Корнелия Паркер создала инсталляцию под названием «Холодное темное вещество: картина взрыва». Способ создания был такой: она забила садовый сарай всяким барахлом, найденным у себя, а также в сараях ее друзей, а потом договорилась с британскими военными, чтобы те все это взорвали. Паркер собрала обломки и соединила в инсталляцию, изображающую сарай через миг после взрыва, когда стены и содержимое разлетаются в разные стороны.

Ученые обожают так называемые мысленные эксперименты, когда новые идеи могут возникнуть в процессе проведения воображаемого опыта, который было бы очень сложно или вовсе невозможно осуществить в реальности. Один из вариантов мысленного эксперимента с сараем Паркер — представить, как обломки разлетаются, а потом заставить их двигаться обратно, чтобы они вернулись на свои исходные места, снова соединившись в сарай и его содержимое. Подобного рода воображаемые процессы ученые-космологи устраивают со Вселенной и получают при этом удивительные результаты.

Вселенная расширяется, звезды и галактики постепенно отдаляются друг от друга, как обломки сарая Корнелии Паркер. Ученые восстановили историю Вселенной, представив себе, как ее составные части возвращаются на свои места. Использовав знания о массах и скоростях и кучу других данных из области физики, они проследили ход истории на 12–15 миллиардов лет назад, к той точке во времени и пространстве, с которой, можно сказать, и началась наша Вселенная, к событию, получившему название Большой взрыв. Большую часть этого огромного рассмотренного периода времени Вселенная вела себя как сарай Паркер, если прокрутить происходящее обратно: любой желающий, даже если он не имеет никакого отношения к науке, может представить себе звезды и галактики (в том числе и некую материю, получившую название «холодное темное вещество»), сходящиеся на большой скорости к некой центральной точке. Но когда мы окажемся в прошлом примерно за 300 000 лет до Большого взрыва, картинка полностью изменится. Благодаря законам атомной физики в условиях высоких температур и давления возникнет картина первых мгновений жизни Вселенной, и она будет столь же странной и невообразимой, как любое из полотен Дали или Магритта. Это будет столь же причудливая картина, как если бы сарай Паркер, достигнув изначального состояния, продолжал сжиматься, по мере уменьшения его форма менялась бы, а дерево, металл и ткань в нем трансформировались бы в сыр, неон, бриллианты, одеколон и наконец превратились бы в крошечную точку размером с атом и с температурой, как в самом центре Солнца.

«Если история физики чему-то нас и научила, — написали недавно в своей статье два неких физика, — так это тому, что истинная природа Вселенной может лежать далеко за пределами нашей способности представлять себе что-либо». Это все, конечно, хорошо, но люди так уж устроены, что, когда им нужно понять сложные научные объяснения, они в первую очередь пытаются представить себе картинку. И чем дальше наука отходит от непосредственных наблюдений, углубляясь в теории, тем сложнее не-ученым разобраться, что же ученые имеют в виду.

Теория, претендующая на описание первых лет, дней и секунд существования Вселенной, имеет под собой серьезные основания. Она успешно объясняет наблюдения, которые раньше ставили астрономов и космологов в тупик, а сделанные на ее основе предсказания подтверждаются в ходе все новых экспериментов с использованием спутников. В прошлом те, кто верил, что Земля круглая, подкрепляли свое мнение общеизвестным наблюдением: когда корабль отплывает, с берега кажется, будто он исчезает, словно бы тонет, хотя вроде бы с такого расстояния он все еще должен быть виден. Сторонники все той же теории о «круглой Земле» предсказали, что если корабль будет плыть с востока на запад, не меняя направления, то рано или поздно он окажется в исходной точке. Многочисленные наблюдения и сбывшиеся прогнозы подтвердили теорию, и теперь о том, что Земля круглая, известно всем. Сходное сочетание наблюдений и прогнозов лежит и в основе версии о рождении Вселенной.

Вот что, по мнению ученых, тогда происходило.

В первую секунду, самый короткий отрезок времени, который каждый из нас способен реально представить, Вселенная расширилась из бесконечно горячего объекта с практически нулевым радиусом до сферы радиусом четыре световых года (около 40 000 000 000 000 километров). Одновременно она остыла до 10 000 000 000 градусов (для сравнения — температура в центре Солнца составляет всего 15 000 000 градусов). В эту же первую секунду одно за другим произошли несколько событий, которые я сейчас перечислю — не потому что надеюсь, будто вы поймете их смысл (я лично и сам не понимаю), а просто чтобы продемонстрировать, как работает научное воображение, свободное от необходимости соотносить свои идеи с реальным миром:

— Квантовая длина волны Вселенной была больше, чем размеры самой Вселенной.

— В планковском времени законы симметрии рушатся. Возникает сила тяжести. Мы вступили в эру Теории Великого объединения. Здесь проходит квантовая граница общей теории относительности.

— Предел возмущающего взаимодействия — термализация Вселенной (замедление до тепловой энергии).

— Великое объединение и разрушение спонтанной симметрии.

— Вселенная приходит в состояние, называемое «ложным вакуумом».

— Начало эры электрослабых взаимодействий.

— Конец эры электрослабых взаимодействий. Электрослабое взаимодействие распадается на две отдельных составляющих: слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие.

(Отрезок времени, в который уложились два последних события, ничтожно мал. Электрослабая «эра» длилась с 1/100000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 секунды после возникновения Вселенной по 1/100 000 000 000 секунды.) К тому моменту, как после Большого взрыва прошло 2/10000 000 секунды, Вселенная достигла размеров Солнечной системы и остыла до 10 000 000 000 000 градусов.

Я мог бы и дальше описывать подобные ошеломляющие серии событий, имевших место между первой секундой и первой минутой, первой минутой и первым часом и так далее, пока не дошел бы до примерно миллиарда лет со времени Большого взрыва, когда Вселенная наконец приобрела сходство с тем местом, где живем мы с вами.

Но в данном случае никто не ожидает, чтобы мы разобрались во всех этих стадиях и запомнили их назубок, — важно осознать, что математики и физики взывают к иному, параллельному типу понимания, нежели тот, к которому большинство из нас прибегает в повседневной жизни. Как часто мы, пытаясь понять ученых, заставляем их переводить свои слова на «простой язык». Но если бы научные истины поддавались изложению на простом языке, ученые, безусловно, им бы и пользовались. Вот как можно выразить события «простым языком»: Вселенная образовалась из бесконечно малой точки с бесконечно высокой температурой, — звучит туманно или даже бессмысленно. Лучшая из известных мне попыток объяснить суть этого процесса такова: предположительно в начале времен все пространство было наполнено энергией и благодаря расширению бесконечно малой, бесконечно плотной и бесконечно горячей точки произошла наша, наблюдаемая Вселенная, однако это была всего лишь одна точка в огромном количестве энергии, и мы не знаем и не в состоянии определить, что произошло со всем остальным пространством, — быть может, каждая точка в нем точно так же расширилась, приведя к образованию других Вселенных, недоступных нашему восприятию.

Подведем итог: единственные термины, адекватно передающие то, что происходило при возникновении Вселенной, — это математические категории, и, чтобы понять этот процесс, мы должны выучить иной язык — математический. Или можно обратиться за помощью к «переводчику», то есть к ученому, чем мы зачастую с радостью и пользуемся.

Космическая соразмерность

Полное солнечное затмение — одно из самых красивых зрелищ. Большинство очевидцев никогда не забудет тот миг, когда темный диск Луны оказывается точнехонько поверх светящегося диска Солнца и на минуту или две становится видна окружающая Солнце газообразная оболочка, которую в обычных условиях затмевает гораздо более яркая солнечная поверхность. Этот небесный спектакль можно наблюдать раз или два в год то в одной точке Земли, то в другой. А вот чтобы увидеть его в том же месте во второй раз, придется ждать около 400 лет. Тем не менее это явление было известно еще представителям самых разных древних цивилизаций: от древних греков до индейцев Центральной Америки — и входило в их картину мира как редкое, волнующее и значительное событие.

А ведь ничего этого не было бы, если бы не космическая соразмерность. Если бы Луна была чуть поменьше или располагалась бы чуть подальше, никто не смог бы насладиться красотой затмения. (А если бы Солнце было крупнее или ближе, мы, скорее всего, вообще не смогли бы ничем наслаждаться.) Точное наложение Луны на Солнце целиком завязано на число 400. Диаметр Солнца в 400 раз больше диаметра Луны, однако наше светило находится от Земли в 400 раз дальше, чем Луна, то есть видимые нам диаметры этих двух небесных тел — Солнца и Луны — одинаковы, хотя к тому нет никаких физических или астрономических предпосылок. Луна, вероятнее всего, возникла в результате грандиозного столкновения Земли и другого небесного тела, и ее формирование никак не связано с расстоянием до Солнца и его размерами, а окончательные габариты Луны сложились под влиянием силы тяжести и движения в околоземном пространстве обломков, оставшихся после столкновения.

Один американский астроном по имени Гильермо Гонсалес (р. 1963), исповедующий антропный принцип[4] (см. главу «Могли разум породить Вселенную?»), не побоявшись насмешек со стороны коллег, заявил, что возникновение на Земле разумной формы жизни и феномен полного затмения тесно связаны, и указал на тот факт, что Луна за миллионы лет постепенно отдалялась от Земли и достигла той точки, которая обеспечила полные затмения, одновременно с зарождением разумной жизни. Затем он пришел к еще более поразительному умозаключению: по его мнению, при всем множестве солнечных систем и планет разумные формы жизни могут появиться только там, где происходят полные солнечные затмения.

Кстати, это совпадение размеров — штука не вечная. Наши потомки, которые будут жить на Земле через 200 миллионов лет, не смогут наблюдать полное затмение во всем его великолепии, поскольку Луна отодвинется от Земли слишком далеко. Максимум, на что им придется рассчитывать, — это кольцеобразное затмение, которое выглядит как яркий бублик солнечного цвета с темным кругом в центре. Если бы Марс был обитаем, его жители тоже лицезрели бы лишь кольцеобразные затмения. Одна из марсианских лун, Фобос, по своим размерам на четверть меньше, чем видимый с Марса диск Солнца.

И вот вам напоследок одна интересная особенность наших суждений о видимых размерах небесных тел. Спросите своих знакомых, какая часть Солнца окажется скрыта, если заслонить его большим пальцем вытянутой руки. Большинство без колебаний ответит, что диаметр Солнца примерно равен ширине пальца. На самом деле видимый размер Солнца раза в четыре меньше, и вы можете с легкостью убедиться в этом сами. (Если у вас миниатюрные пальчики, не бойтесь, что ваш результат получится другим, нежели у приятеля с крупными ладонями: у вас ведь и рука короче, чем у него.)

Наследие Большого взрыва

Во времена аналогового телевидения, которое сейчас стремительно исчезает, уступая место своему цифровому преемнику, у некоторых моделей телевизоров (тех, что постарше) не было ни пультов дистанционного управления, ни даже кнопок переключения каналов, а только вращающаяся ручка, которую надо было крутить, настраиваясь на разные ультравысокие частоты, пока не найдешь искомый канал. Если прервешь настройку до того, как попадется какой-нибудь канал, то увидишь на экране «снег» — хаотично движущиеся белые точки. Некоторые из этих «снежинок» — следы Большого взрыва (см. главу «Вселенная — это вам не сарай»), однако до 1960-х годов об этом никто не догадывался. Да и тогда одному из самых важных научных открытий XX века чуть было не помешала кучка птичьего помета.

Когда два физика, работавшие в американской компании «Лаборатории Белла», попытались найти применение списанной рупорной антенне для приема радиосигналов, они засекли помехи, которые возникали всякий раз, когда антенну направляли в небо. Ученые надеялись при помощи этой антенны поймать радиоволны далеких звезд, но, ясное дело, прежде чем начать измерения межзвездного радиоизлучения, уровень которого очень низок, им нужно было избавиться от всех источников помех.

Эти самые ученые, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, забрались на крышу, где располагалась антенна, и, как им казалось, выяснили, в чем проблема, — в рупоре антенны поселились голуби, а сама антенна была покрыта слоем птичьих испражнений. Помет был теплым, а поскольку при определенной температуре возникает излучение, вызывающее помехи, Пензиас и Вильсон решили, что нашли корень всех бед.

Тщательно отдраив антенну и разбросав вокруг нее пестициды, ученые вернулись к измерениям. Безусловно, помет действительно мешал, и после его уборки уровень помех немного снизился. Но помехи все-таки оставались!

Пока Пензиас и Вильсон боролись с этой маленькой технической загвоздкой, другой физик, Роберт Дикке, разрабатывал новую идею происхождения Вселенной, названную теорией Большого взрыва. Эта теория гласила, что Вселенная возникла во время сильнейшего всплеска излучения при крайне высокой температуре. В ходе последующих миллиардов лет это излучение распространялось во всех направлениях, одновременно остывая. Если теория не врала, то сейчас, спустя примерно 15 миллиардов лет после Большого взрыва, Вселенная должна была купаться в излучении, куда более прохладном, чем изначальное, и частота его должна была быть в точности как у помех, зафиксированных Пензиасом и Вильсоном — после того как они вычистили антенну.

Когда Дикке узнал о проблемах Пензиаса и Вильсона, трое ученых договорились встретиться, и стало ясно, что антенна «Лабораторий Белла» зафиксировала первое убедительное доказательство теории Большого взрыва. В 1978 году Пензиас и Вильсон (уже без Дикке) разделили между собой Нобелевскую премию по физике. Хотя Вильсон ранее придерживался конкурирующей теории происхождения нашего мира — теории стационарной Вселенной, — ему пришлось признать, что аргументация Дикке вкупе с данными, полученными им и Пензиасом, убедительно доказывают правоту теории Большого взрыва.

В этой истории имеется и другой неожиданный поворот. Оказывается, еще в 1964 году, незадолго до того, как Пензиас и Вильсон распознали источник помех, в одном из советских журналов была опубликована статья[5], предсказывавшая, что если теория Большого взрыва верна, то Вселенная должна быть наполнена остаточным микроволновым излучением, для обнаружения которого лучше всего подошла бы антенна из «Лабораторий Белла», обладающая подходящей формой и размерами. К несчастью, как выразился Пензиас в своей нобелевской лекции, «статья не попала в поле зрения других специалистов в этой области», включая, надо полагать, и его самого.

Как Генриетта раздвинула Вселенную

В ясную безлунную ночь на небе особенно хорошо заметна полоса рассеянного света, перекинувшаяся с одного края горизонта до другого. Помимо этой полосы невооруженный глаз может различить на небе звезды разной степени яркости и маленькие затуманенные участки, которые, если посмотреть в телескоп, окажутся галактиками и туманностями. Полоса света, которая именуется Млечным Путем, — это вообще-то «наша Галактика»[6] — вихрь звезд, по форме напоминающий диск, который мы видим как бы со стороны, потому что в этот вихрь входит наше Солнце. Еще сто с небольшим лет назад астрономы считали, что наша Галактика являет собой всю Вселенную и что звезды и туманности, которые мы видим на небе, — тоже части нашей Галактики. И только открытие одной женщины, Генриетты Левитт, позволило ниспровергнуть привычную картину мира, который благодаря ей превратился в огромную и постоянно расширяющуюся Вселенную, где наша Галактика — всего лишь крохотная частичка гораздо более масштабной и сложной системы, содержащей миллионы таких «млечных путей», которые еще не могла обнаружить существовавшая на тот момент технология.

Суть открытия Левитт заключалась в методе измерения расстояний до разных звезд и галактик. Это было все равно как если бы на каждом отдаленном астрономическом объекте вдруг обнаружилась табличка с надписью: «До меня 56 миллионов световых лет» (и это действительно истинное расстояние).

Если бы все звезды, в том числе наше Солнце, были одинаково яркими, мы без труда измеряли бы космические расстояния. Чем звезда тусклее, тем, получается, дальше она от нас. Воспользовавшись мощными телескопами, мы могли бы измерить яркость звезд, слишком тусклых и незаметных невооруженному взгляду, а при помощи математики — вычислить расстояние до них. В физике есть закон обратных квадратов, который гласит: если одну из двух одинаково ярких звезд отодвинуть от смотрящего в два раза дальше, чем первую, то она станет казаться в четыре раза более тусклой. Если расстояние до звезды увеличить в три раза, она будет вдевятеро менее яркой (1/22 = 1/4; 1/32 = 1/9). Таким образом, будь все звезды сами по себе одинаково яркими, нам достаточно было бы взять в качестве эталона какую-то одну звезду, расстояние до которой известно, например Солнце, а потом сравнивать ее по яркости со всеми звездами, которые нам видны.

Но звезды не одинаково яркие. Все они возникли в разное время и сейчас находятся на разных этапах эволюции, а значит, как следствие, обладают разной температурой. На раннем этапе современной астрономии ученые попытались выстроить их в некоторую последовательность, обозначив типы звезд буквами латинского алфавита: от А до S, от самых горячих до самых холодных, — но более поздние открытия спутали порядок следования, так что теперь классификация выглядит так: О, В, A, F, G, К, М, R, N, S. Об этом я упомянул не с целью загрузить вас лишней информацией, а исключительно затем, чтобы рассказать о мнемонической хитрости англоязычных астрономов. Для легкого и быстрого запоминания последовательности типов звезд в зависимости от их температур астрономы придумали фразу: «Oh, be a fine girl, kiss me right now, sweetie» («О, будь хорошей девочкой, поцелуй меня прямо сейчас, солнышко»). А в 1970-е годы некоторые американские астрономы использовали фразу: «On Bad Afternoons, Fermented Grapes Keep Mrs. Richard Nixon Smiling» («В плохие дни госпожа Ричард Никсон улыбается только благодаря сброженному винограду»).

Поскольку звезды отличаются друг от друга по яркости, то, прежде чем определить расстояние до каждой из них, нужно установить, насколько они ярки. Допустим, мы каким-то способом узнали, что звезда Альфа находится от нас в четырех световых годах. И, предположим, нам известно, что другая звезда, Бета, в абсолютных величинах в два раза тусклее Альфы. Иными словами, если бы звезды располагались от нас на одном расстоянии, то Альфа казалась бы в два раза ярче. Теперь представим, что Бета в действительности кажется в шестнадцать раз тусклее Альфы. Применив закон обратных квадратов, мы вычислим, что при одинаковой яркости Бета находилась бы от нас в четыре раза дальше Альфы. Но Бета в два раза тусклее Альфы, значит, на самом деле она ближе к нам и всего вдвое дальше, чем Альфа. Это я все к тому, что, если бы мы знали, насколько ярка та или иная звезда, мы могли бы понять, насколько она далеко.

В 1904 году Генриетта Левитт работала в обсерватории Гарвардского колледжа и получала 30 центов в час. Она трудилась в отделе фотометрии, проверяя сотни фотографических пластинок с целью оценить яркость звезд. Эта работа требовала зоркости, хорошей тренированной памяти, усидчивости и умения не раздражаться из-за монотонности процесса.

Хотя большинство звезд обладают неизменной звездной величиной — то есть яркостью, видимой с Земли, — есть также немало звезд с колеблющейся яркостью, так называемых переменных звезд. Генриетте Левитт, при ее способности запоминать увиденное с первого взгляда, достаточно было взглянуть на фотопластинку с изображением, полученным прошлой ночью, чтобы заметить, что, скажем, одна из звезд изменила яркость по сравнению со снимком, сделанным неделей раньше. Так она выявила более двух тысяч переменных звезд — то есть около половины от общего количества, известного на тот момент. Это было серьезное достижение, однако главное открытие Генриетты касалось одного из классов переменных звезд — цефеид, названных так, потому что вариабельность их светимости совпадает с вариабельностью звезды в созвездии Цефея.

Левитт заметила, что яркость этих звезд меняется с четкой периодичностью — чем выше их абсолютная звездная величина, тем длиннее цикл изменения светимости. Так, цефеида, чья яркость в 800 раз превышает яркость Солнца, проходит путь от максимума до минимума яркости и обратно за три дня (это и есть ее период), а цефеиде, которая в десять тысяч раз ярче Солнца, на это требуется тридцать дней. Итак, измерив цикл изменения светимости цефеиды, астрономы получили возможность вычислить ее абсолютную звездную величину, а исходя из этих данных, уже не составляло труда определить и расстояние.

Открытие Левитт дало ученым новые возможности оценить масштабы Вселенной. Используя мощные телескопы, астрономы открыли множество звезд со сходным типом изменения светимости в туманностях и галактиках, которые раньше считались частью Млечного Пути. Но, вычислив по циклам светимости абсолютную звездную величину этих звезд, ученые пришли к выводу, что они никак не могут находиться в пределах нашей галактики, иначе эти далекие солнца казались бы с Земли куда ярче. Тот факт, что они выглядели намного тусклее, чем могли бы, и при этом обладали большой абсолютной звездной величиной, свидетельствовал только об одном — они находились от нас намного дальше, чем звезды нашей Галактики.

Наша Галактика имеет протяженность 100 000 световых лет, то есть, чтобы пересечь ее из конца в конец лучу света понадобится 100 000 лет (см. главу «Сколько длится световой год?»). А первая галактика, расстояние до которой было измерено исходя из данных об имеющихся в ней цефеидах, находится от нас в двух с половиной миллионах световых лет. Таким образом, размеры разведанной нами Вселенной в одночасье увеличились в 25 раз!

Для человека, внесшего столь заметный вклад в развитие астрономии, Генриетта Левитт, по мнению многих, не получила того признания в научных кругах, которого заслуживала. В те времена, когда она работала в Гарварде, астрономия оставалась сугубо мужским занятием, и, поскольку Левитт не была дипломированным астрономом (а может, и из-за ее принадлежности к прекрасному полу), ей, при всей ее страстной увлеченности астрономией, так и не разрешили пользоваться профессиональным телескопом. Другая женщина-астроном, Сесилия Пейн-Гапошкина (1900–1979), говорила, что не дать Левитт использовать телескоп было «грубой ошибкой, обрекшей блестящего ученого на совершенно не подходящий для нее неквалифицированный труд и, возможно, задержавшей исследование переменных звезд на несколько десятилетий».

После смерти Левитт ее вклад в науку был наконец оценен по достоинству. Ее имя было присвоено кратеру диаметром 65 километров, расположенному на обратной стороне Луны.

Головокружение от нейтронов

Бывает, так начитаешься научных публикаций, что аж голова кругом идет. Новейшие исследования в физике — и в особенности в астрономии и космологии — имеют дело с такими вещами, о которых ученые рассуждают как о чем-то само собой разумеющемся, но человеку неподготовленному все это может показаться фантастикой.

Я сейчас не имею в виду настоящую астрономическую экзотику: черные дыры, червоточины[7], мультивселенную, раздувание Вселенной и прочее. Нет, даже куда более «обыденные» космические явления, описанные словами, для понимания которых не требуется никакого специального образования, часто поражают воображение.

Возьмем, к примеру, Крабовидную туманность. Это расплывчатое пятно, которое видно даже в плохонький телескоп, являет собой останки звезды, по данным исследователей взорвавшейся в 1054 году нашей эры. Сейчас (или, точнее, шесть тысяч лет назад — именно столько времени требуется свету, чтобы добраться из Крабовидной туманности до Земли) большая часть вещества погибшей звезды разлетается прочь от центра со скоростью около 1500 километров в секунду, а диаметр туманности достигает примерно 11 световых лет (100 000 000 000 000 километров). Но поразительно не это. Огромные размеры и расстояния я уж как-нибудь в состоянии переварить. Проблема в той штуке, которая находится в центре Крабовидной туманности.

А находится там то, что осталось от взорвавшейся звезды, — так называемая нейтронная звезда. Ее диаметр — примерно 20 километров. Это поперечник Лондона от пригородов и до пригородов или длина Манхэттена от его южной оконечности и до Бронкса.

Означенная звезда, представляющая собой сферу, «весит» примерно в два раза больше Солнца. А масса Солнца, в свою очередь, в 330 000 раз больше массы Земли. Получается, мы должны представить себе сферу размером с Лондон или Манхэттен, но по «весу» в сотни тысяч раз превосходящую нашу родную планету.

И это еще не все. Оказывается, эта небесная сфера вращается, причем довольно быстро. Только вдумайтесь: нейтронная звезда в сердце Крабовидной туманности совершает 30 полных оборотов в секунду. Если бы вы стояли, например, в Ричмонд-парке[8], а рядом вращалась поверхность нейтронной звезды, посаженной на место британской столицы, то эта поверхность неслась бы мимо вас со скоростью шесть с половиной миллионов километров в час. (Можете отнестись к этому факту как к парадоксу Ферми[9] — см. главу «Сколько в Чикаго фортепианных настройщиков?» — и поразмыслить над ним на досуге.) Это, разумеется, намного меньше скорости света (около миллиарда километров в час), но тоже весьма внушительная скорость, особенно для вращающегося объекта с такой массой.

Конечно, в действительности, если бы вас угораздило оказаться рядом с поверхностью этой нейтронной звезды и вы смогли бы выдержать исходящие от нее жар и рентгеновское излучение, вас втянуло бы силой тяжести в центр звезды, а каждую молекулу вашего тела разорвало бы на составляющие ее атомы. К счастью, вы не успели бы этого почувствовать, поскольку все произошло бы так быстро, что болевой сигнал не продвинулся бы по нервным волокнам и на миллиметр.

«Мы — звездная пыль»

Американская певица Джони Митчелл в свое время написала песню «Мы — звездная пыль», и это название, пожалуй, можно было бы счесть просто красивой метафорой, наподобие «Мы построим лестницу в рай»[10] или «Поймай упавшую звезду»[11], если бы не тот факт, что Митчелл также пела об «углероде возрастом в миллиард лет», давая понять, что знает, о чем говорит.

Химические элементы, образующие наше тело, в том числе железо в крови и кальций в составе костей, за одним-единственным исключением возникли совсем в другом теле — в бушующем теле звезды. А исключение — это водород, самый распространенный элемент во Вселенной, который запустил процесс формирования всех звезд и до сих пор подпитывает ближайшую к нам звезду — наше Солнце. Водород — простой по строению элемент; представьте себе ядро-протон, вокруг которого по орбите вращается другая частица — электрон, хотя современным ученым такая модель видится чересчур упрощенной. Водород — своего рода кирпичик, из которого строятся все остальные химические вещества, обладающие бо́льшими количествами ядерных частиц и большими количествами электронов.

В ходе событий, составляющих жизненный цикл некоторых звезд, атомы водорода под высоким давлением объединяются и образуют более тяжелые элементы, например гелий, а тот, в свою очередь, при высоких давлении и температуре образует углерод и кислород. К этой стадии изначальные атомы, состоящие из одного протона и одного электрона, объединяются в более крупные атомы: у некоторых по шесть протонов и электронов (углерод), у других — по восемь (кислород). По мере того как звезда становится все более и более плотной, сила тяжести спрессовывает эти атомы, соединяя их в единое целое и производя новые, еще более тяжелые химические элементы, и так происходит вплоть до образования железа. У атомов железа по 26 протонов и электронов, на этом процесс столкновения атомов и слияния их под давлением в атомы с более высокой атомной массой прекращается. Железо начинает накапливаться в ядре звезды, это ядро делается все тяжелее и тяжелее, пока звезда не разрушается под своим собственным весом.

На эволюцию звезды от газообразного состояния (водород) до образования «твердого» железного ядра уходит примерно 10 миллионов лет, но с гибелью звезды все результаты этой огромной работы идут насмарку менее чем за секунду. Ударная волна распространяется из центра звезды, взрывая наружные оболочки, содержащие целый ряд элементов, которые являют собой промежуточные стадии на пути от водорода к железу: само железо, кремний, кислород и углерод. При взрыве в течение нескольких дней выделяется невероятное количество света и других видов энергии; это явление можно увидеть с Земли в телескоп, оно получило название «сверхновой» — сначала наблюдаемая с Земли звезда становится во много раз ярче, а потом гаснет.

Химические элементы, образовавшиеся в недрах одной звезды, распространяются в космическом пространстве и формируют другие звезды, например наше Солнце, которое возникло из облака материи, притянутого силой тяжести к некой центральной точке. Некоторые элементы этого облака сгустились, образовав планеты, в том числе и Землю, таким образом, более тяжелые (имеется в виду все, что тяжелее водорода) элементы, которые прежде содержались в наружных оболочках звезды, обрели последнее пристанище на поверхности Земли и в ее атмосфере. А оттуда понадобился всего лишь один шажок, чтобы небольшое количество этой «звездной пыли» стало частью наших тел в следующих пропорциях: кислород (65 %), углерод (18 %), азот (3 %), кальций (1,5 %), фосфор (1 %), калий (0,35 %), сера (0,25 %), натрий (0,15 %), магний (0,05 %), а также медь, цинк, селен, молибден, фтор, хлор, йод, марганец и железо (все вместе 0,70 %).

А вот имеющийся в наших телах водород —10 % от общей массы — вряд ли произошел от взрыва далекой звезды, газообразного водорода хватает повсюду, он в большом количестве содержится в межзвездном пространстве. Так что, возможно, слова песни Джони Митчелл стоит слегка подкорректировать: «Мы на 90 % звездная пыль».

Расческа для Вселенной

Эффект Доплера (см. главу «Нечестно по отношению к Бёйс-Баллоту?») — один из главных инструментов в астрономии. Именно благодаря ему мы пришли к пониманию факта, что Вселенная расширяется: световые волны, доходящие до нас от отдельных звезд и галактик, ближе к красной части спектра, чем можно было ожидать, а происходит это из-за так называемого «красного смещения», когда источник света удаляется от наблюдателя. Красное смещение света сродни понижению частоты звуковых волн, когда источник звука удаляется от слушающего.

До недавнего времени скорости расширения Вселенной, поддающиеся измерению, были в области 30 000 километров в секунду. Когда галактика удаляется от нас на такой скорости, изменение цвета испускаемого ею света достаточно заметно и легко поддается измерению.

Методика измерения такова.

Большинству читателей наверняка известно, что свет, воспринимаемый нами как белый, на самом деле состоит из световых волн всех цветов радуги. Если пропустить свет через призму так, чтобы после преломления он падал на лист белой бумаги, вы увидите спектр цветов: от красного к желтому, зеленому и голубому. Все эти цвета обычно смешиваются в единый луч белого света, а треугольная стеклянная призма, преломляя его, раскладывает луч на цвета спектра. Если бы источник белого света очень быстро удалялся от призмы, цвета спектра изменились бы. Фиолетовый свет, который был на одной из границ спектра, превратился бы в синий, голубой сменился бы на зеленый, а зеленый свет казался бы желтым. Все цвета сместились бы к красной границе спектра. Если бы такое случилось с белым светом, исходящим, скажем, от Солнца, те световые волны, которые находились за пределами фиолетовой границы спектра (ультрафиолетовые волны), стали бы фиолетовыми, так что для невооруженного глаза ничего не изменилось бы. Но физики научились выявлять это смещение, используя так называемые эмиссионные линии.

Каждый химический элемент, если его нагреть жаром звезды, галактики или на горелке Бунзена, начнет испускать свет, в спектре которого — в определенной его части — будут различимы отчетливые яркие линии. Спектральные рисунки разных элементов хорошо узнаваемы по расстояниям между линиями и по яркости самих отдельных линий. Таким образом, когда астрономы видят, что линии какого-то конкретного элемента — к примеру, гелия, чьи волны обычно находятся в желтой части видимого спектра, — сместились в сторону красной границы спектра, они понимают, что источник света, содержащий гелий, удаляется от нас, и могут определить, как быстро он движется, измерив, насколько его волны отклонились в сторону красного.

Этот способ отлично подходит для астрономических тел, обладающих высокой скоростью, но в случае с объектами, которые движутся или изменяют скорость медленно, он не столь эффективен. А между тем в астрономии есть разделы, где незначительные изменения скорости очень важны. Один из таких подразделов астрономии исследует вероятность существования планет, вращающихся по орбитам вокруг далеких звезд. Эти планеты не видны в телескоп, но их можно выявить по влиянию на движение звезды, вокруг которой они вращаются.

Если вы полагаете, будто планета вращается вокруг центра неподвижной звезды, то ошибаетесь: и звезда, и планета вращаются вокруг точки, расположенной между центрами этих двух тел, но ближе к центру более массивного тела, то есть звезды. Больше всего это похоже на тамбурмажорский жезл с набалдашниками разной величины на концах, который крутят вокруг точки, расположенной близко к одному из концов. Это означает, что, пока планета описывает большой круг, звезда тоже движется, проявляя в своем спектре то синее, то красное смещение, в зависимости от того, приближается она к наблюдателю или удаляется от него.

Однако перемещения таких звездно-планетных систем, по сравнению с мощным красным смещением удаляющихся галактик, столь незначительны, что подобным способом можно обнаружить только самые большие планеты — такие, которые в триста раз крупнее Земли и возникновение жизни на которых крайне маловероятно из-за очень высокой силы тяжести.

Если астрономы ищут смещения спектральных линий при помощи обычного спектроскопа, их исследования зачастую не приносят желаемых плодов: изменения бывают столь незначительны, что спектроскоп их вообще не фиксирует. Но недавно группа ученых из немецкого Института астрофизики Общества Макса Планка изобрела метод наложения очень тонких калибровочных линий, напоминающих деления на металлической линейке, на спектр отдаленных астрономических объектов. Благодаря этому методу стало возможно засечь даже самое крохотное смещение, вызванное такой невысокой скоростью, как, допустим, один сантиметр в секунду.

Это новое приспособление называется «лазерный частотный гребень» и основывается на лазере, испускающем лучи разного спектрального состава под управлением атомных часов, которые измеряют время с точностью до одной миллиардной доли секунды; такие лазеры могут воспроизводить искусственные спектры с высочайшей точностью. Этот спектр служит аналогом делений на металлической линейке и позволяет устанавливать положение эмиссионной линии удаленного объекта с гораздо большей точностью, чем раньше.

С изобретением новых приборов для наблюдения и измерений астрономия стала двигаться вперед семимильными шагами. Пока лазерный частотный гребень находится в стадии разработки и почти не применяется для решения многочисленных астрономических вопросов, ожидающих ответа. Но как только его начнут использовать для обнаружения далеких планет размером с Землю, можно ожидать существенного скачка в поисках жизни во Вселенной.

Есть ли в космосе черные лебеди?

Способность науки доказать что-либо часто переоценивается. Дни сменяются днями, в очередной раз наступает рассвет, но гипотеза о том, что Земля не стоит на месте, а вращается, до сих пор не доказана, она просто получила подтверждение. Благодаря тем же самым наблюдениям можно подтвердить и совершенно противоположные предположения, например, что Солнце вращается вокруг Земли. Однако наука может найти наблюдениям и более достойное применение — они помогают опровергать те или иные гипотезы.

Скажем, гипотеза, гласящая, что все лебеди белые, подтверждается (хотя и не надежно) всякий раз, когда мы видим белого лебедя. Но одно-единственное наблюдение — когда мы своими глазами видим черного (а также красного или синего) лебедя — опровергает эту гипотезу.

Важный пример великой пользы, которую приносят науке наблюдения, дает относительно недавняя работа двух космологов: Мартина Риса и Пита Хата. Они выдвинули предположение, что Вселенная может находиться в опасном нестабильном состоянии, возникшем из-за процесса охлаждения, который сопровождает Вселенную на протяжении всех тринадцати миллиардов лет ее существования. Это состояние было названо метастабильным минимумом, поскольку выглядит Вселенная как будто бы стабильно (метастабильно), но на деле это может оказаться не так. У нее есть все шансы стать весьма нестабильной.

Для лучшего понимания представим себе две горы и ущелье между ними. Круглый валун, лежащий в самой низкой точке ущелья, стабилен, то есть в данном случае устойчив. Вы можете толкать его вверх, в сторону той или другой горы, однако, как бы вы ни старались, в конце концов он все равно скатится на свое место, на самое дно. Но если у одной из гор примерно на полпути к вершине есть уступ и площадка на нем слегка наклонена в сторону склона горы, вы можете представить себе валун, лежащий на этом уступе, и он тоже будет казаться довольно устойчивым. Если вы подтолкнете его к краю уступа, но в последний момент остановитесь, он откатится в изначальное положение. Однако если вы будете толкать с большим упорством, валун доберется до края и рухнет в ущелье. Он находился в метастабильном состоянии, которое перешло в нестабильное.

У Риса и Хата не было способа узнать, какого состояния достигла Вселенная за миллиарды лет остывания: стабильного или метастабильного. А кстати, почему это так важно?

Если Вселенная в действительности нестабильна и скорее напоминает валун на уступе горы, значит, ее можно «столкнуть» с края — в том случае, если в какой-то одной ее точке сконцентрируется достаточное количество энергии. Тогда будет запущена волна уничтожения, распространяющаяся со скоростью света, и в конце концов эта волна разрушит всю Вселенную. Физики исследуют структуру атомов, заставляя их сталкиваться на высокой скорости в громадном устройстве под названием «коллайдер», занимающем несколько квадратных километров. В результате рождаются новые типы частиц (см. главу «Что ускоряет ускоритель ядерных частиц?»). Чтобы это получилось, столкновение в одной точке пространства должно создать чрезвычайно высокую концентрации энергии.

Рис и Хат, проведя вычисления, установили, что никакой современный коллайдер не способен даже приблизиться к опасной концентрации энергии. Но чем мощнее такие устройства, тем больше информации они позволяют собрать — особенно по части того, что творилось в первые мгновения существования Вселенной. Значит, когда-нибудь, пришли к выводу Рис и Хат, ученые смогут построить коллайдер с такой высокой концентрацией энергии, что он поставит под угрозу всю Вселенную.

А дальше они рассуждали так: если мы сможем доказать, что когда-то в прошлом где-либо во Вселенной уже была достигнута подобная высочайшая концентрация энергии, то, поскольку Вселенная все еще на месте, она явно не пострадала от какой-то там волны уничтожения, а следовательно, ее состояние не метастабильно. Фактически Рис и Хат пытались найти черного лебедя — достигнутую где-то в прошлом высокую концентрацию энергии, которая не повлекла за собой никаких разрушительных последствий, — а значит, раз и навсегда отвергнуть гипотезу, что Вселенная пребывает в состоянии метастабильного минимума.

Они рассчитали, что программа тотального уничтожения оказалась бы запущена при концентрации свыше тысячи триллионов электронвольт, а затем принялись выяснять, была ли во Вселенной когда-нибудь достигнута такая концентрация. Ни один из «нормальных» источников энергии не мог подобраться к такой цифре: черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики, пульсары — все они просто пышут энергией, но не в таких огромных концентрациях. Затем Рис и Хат вспомнили о космических лучах — высокоэнергетических частицах, которые мчатся на огромных скоростях сквозь пространство и иногда сталкиваются со звездами и планетами. Однако подобные столкновения тоже не производят того количества энергии, которого хватило бы для полного уничтожения всего сущего.

Наконец, Рис и Хат решили рассмотреть одну крайне нетривиальную ситуацию: а что, если возьмут да и столкнутся две частицы космических лучей (обе крупные и обе движутся со скоростью, близкой к скорости света)? Они выяснили, что в этом случае желаемая (или, скорее, нежелательная) концентрация энергии все-таки может быть достигнута, и если Вселенная метастабильна, то она будет уничтожена. В качестве последнего, недостающего фрагмента мозаики им предстояло определить, каковы шансы, что столь редкое и исключительное событие уже происходило на протяжении истории Вселенной? Хотя частицы космических лучей постоянно сталкиваются с медленно движущимися частицами (например, при входе в земную атмосферу), вероятность, что одна «космолучевая» частица столкнется с другой такой же, очень мала. Тем не менее Вселенная возникла не вчера, и за время ее жизни подобные столкновения вполне могли бы и произойти. В итоге Рис и Хат выяснили, что за последние 13 миллиардов лет столкновения двух частиц космических лучей, сопровождавшиеся чрезвычайно мощным всплеском энергии, происходили около 100 000 раз, то есть каждые 130 000 лет. Вывод из всего этого можно сделать только один, и весьма убедительный: на самом деле Вселенная стабильна, следовательно, нет никакой угрозы, что какая бы то ни было концентрация энергии, возникшая в ходе работы коллайдера или при каких-то иных обстоятельствах, запустит процесс немедленного уничтожения Вселенной.

Мог ли разум породить Вселенную?

Не правда ли, этот вопрос звучит довольно странно, но за ним стоит сложная цепочка рассуждений ряда ученых, пришедших к умозаключению, что Вселенная может существовать только при наличии обладающих самосознанием наблюдателей. А до тех пор, полагают некоторые, это всего лишь математическая абстракция.

Большинство дискуссий ведется вокруг так называемого антропного принципа. Его возникновение больше ста лет назад предугадал видный британский натуралист Альфред Рассел Уоллес (1823–1913): «Человек — этот венец сознательной органической жизни — мог развиться здесь, на Земле, только при наличности всей этой, чудовищно обширной материальной Вселенной, которую мы видим вокруг нас»[12].

Впоследствии ученые узнали, сколь невероятной была та цепь событий, которая привела к зарождению жизни и, наконец, к появлению человека — единственного существа, способного рассуждать о своем собственном происхождении. Исследователи указывают на тот факт, что некоторые физические характеристики Вселенной обретают смысл и ценность только при условии, что в этой самой Вселенной изначально подразумевалось возникновение разумных живых существ. Возраст Вселенной, темпы ее расширения, количество электронов и протонов и даже, казалось бы, такая неизбежная данность, как количество измерений: три пространственных и одно временное, — все говорит о том, что человек просто обязан был появиться. Однако каким бы невероятным ни казалось такое стечение обстоятельств, невероятность эта довольно шаткая. Порой она напоминает высказывания типа: «Какова вероятность того, что сегодня ровно в 11.03 зазвонит телефон и агент по продаже стеклопакетов с инициалами А. Н. попытается всучить мне стеклопакеты по цене 3500 фунтов?» Вообще-то, если вы задаете этот вопрос до описанного события и без всяких к тому предпосылок, вероятность крайне невелика. Но если вы спросите об этом постфактум, тут все просто: событие уже произошло, так что вероятность стопроцентная.

Разумеется, мы задаем вопрос о людях и Вселенной в контексте знания о том, что мы существуем (почти по Декарту), а следовательно, нет особого смысла задаваться вопросами о вероятности или невероятности этапов, которые привели к нашему появлению здесь. Если бы исходные данные были немного другими, это был бы другой мир, без нас, и решительно некому было бы беспокоиться об этом. На мой взгляд, восхищаться тем фактом, что развитие человечества как нельзя лучше вписывается в физические характеристики Вселенной, столь же бессмысленно, сколь разглагольствовать о странном совпадении, благодаря которому наш скелет как нельзя лучше вписывается под кожу и кости не торчат наружу (за исключением каких-нибудь несчастных случаев).

Однако «антрописты» (с вашего позволения назову их так) хотят непременно доискаться причины, почему только в этой и никакой иной Вселенной могла возникнуть разумная жизнь. (А некоторые убеждены, что это произошло только на Земле и больше ни на одной другой планете.) Они убеждены, что Вселенная являет собой то, что она являет, не просто так, а с какой-то целью. И хотя «антрописты» необязательно упоминают Бога, в своих различных толкованиях антропного принципа они подходят к этому все ближе и ближе. Среди многочисленных вариаций и трактовок можно выделить так называемый Слабый антропный принцип (СлАП), который гласит, что разнообразные физические характеристики Вселенной сформировались именно в том виде, какие они есть, специально чтобы породить формы жизни на основе углерода и чтобы Вселенная существовала достаточно долго, чтобы это — рождение жизни — наконец произошло.

Есть также Сильный антропный принцип (СилАП), согласно которому основная задача Вселенной — привести к возникновению и расцвету разумной жизни. Это дерзкая и небезопасная отсылка к спору о разумном начале, подогреваемому американскими креационистами[13].

Еще одна трактовка принципа, позволяющая поставить вопрос, который стал названием этой главы моей книги, известна как Антропный принцип участия (АПУ). Ее выдвинул физик Джон Уилер, считающий, что никакая Вселенная не может существовать, если в ней нет наблюдателей, обладающих самосознанием. Наблюдая за Вселенной, мы даем ей возможность существовать.

Наконец, есть Конечный антропный принцип (КАП), проистекающий из предыдущего и утверждающий, что теперь, коль скоро жизнь уже возникла, ее невозможно уничтожить, иначе Вселенная лишится всех своих наблюдателей и исчезнет.

Американский писатель Мартин Гарднер[14], глядя на эти преподносимые с максимальной серьезностью, но большей частью недоказуемые цепочки умозаключений, предложил переименовать КАП в ХЛАМ — Хронически Липовую Антропную Модель[15].

Почему ночью небо темное?

Вот еще один из тех на первый взгляд простых вопросов, которыми ученые задавались издавна и которые привели к удивительным и довольно глубоким ответам. Выросши в мире, где естественный цвет ночного неба — темный (если только мы не живем за Полярным кругом), большинство из нас наверняка ответит вопросом на вопрос: а почему бы ночному небу не быть темным? Когда очевидный источник света — Солнце — скрывается за горизонтом, стоит ли удивляться, что, подняв глаза к небу, мы видим бездонную черноту, разбавленную лишь крупинками звезд и время от времени, конечно, Луной. (Обсуждение интересной подробности, что с Луны даже при наличии Солнца небо все равно кажется черным, оставим на другой раз.)

Когда этот вопрос был задан впервые, люди верили, что Вселенная бесконечно велика и содержит бесконечное количество звезд. Если бы дело было только в этом, то, откуда бы вы ни посмотрели в ночное небо, линия вашего взгляда — прямая, проведенная от вашего глаза далеко в космос, — обязательно уткнулась бы в поверхность какой-нибудь звезды. Это все равно что пытаться оглядеться в лесу с бесконечным количеством деревьев, понатыканных в случайном порядке. Куда бы вы ни посмотрели, линия обзора неминуемо окажется заслонена древесным стволом.

Итак, если из любой точки Земли линия вашего взгляда упирается в звезду, логично полагать, что все ночное небо должно быть столь же светлым и ярким, как поверхность звезды. Вы можете возразить на это наблюдением, что «чем звезды дальше, тем меньше света они дают». Общая светимость звезды действительно уменьшается с расстоянием, но это потому, что и диск звезды, который мы видим, намного меньше, чем он есть на самом деле. Любая точка на поверхности звезды, видимой с Земли, светится очень ярко, но, поскольку диск звезды очень мал, таких «точек» в сумме видно немного, и общая яркость звезды не так уж велика. Впрочем, будь Вселенная бесконечной, вы видели бы точки звездных поверхностей повсюду, куда ни глянь, и небо по ночам сияло бы ослепительным светом.

В XIX веке, в те времена, когда научные знания еще не стали вотчиной одних только ученых и фанатов самообразования, американский поэт и прозаик Эдгар Аллан По настолько заинтересовался парадоксом ночного неба, что выдвинул свое объяснение и включил его в произведение, которое он сам называл стихотворением в прозе:

«Будь череда звезд бесконечной, театральный задник небесных декораций являл бы собой сплошное свечение, словно бы Галактика решила перед нами похвастаться — не было бы ни единой точки на всем протяжении неба, где не нашлось бы звезды. Исходя из этого, единственный способ постичь при таком положении дел существование пустот, обнаруживаемых нашими телескопами в бесчисленных направлениях, это предположить, что толщина невидимого небесного задника столь невообразима, что ни один луч света не способен пробиться к нам сквозь него»[16].

И что в этих рассуждениях не так? Да нет, вообще-то все верно. В бесконечно большой Вселенной с бесконечно большим числом случайно разбросанных в пространстве звезд ночное небо ослепительно сверкало бы. Значит, нужно разобраться, какое из исходных допущений ошибочно. А может, свет многих далеких звезд приглушен встретившейся ему на пути звездной пылью? — спросите вы. Но пыль не в состоянии полностью затмить звездный свет. В межзвездном пространстве действительно есть пыль, однако на практике она нагревается от света звезд и частично отражает его, так что общее количество света не меняется. Что касается ученых, впервые затронувших эту тему, среди них наиболее известен английский астроном Эдмунд Галлей (1656–1742), чье имя получила комета, но лавры человека, первым сформулировавшего парадокс ночного неба, достались немецкому астроному и физику Генриху Вильгельму Ольберсу (1758–1840): «Вселенная бесконечно огромна и вместе с тем бесконечно стара. Любые попытки ограничить ее во времени и пространстве слишком сковывают это Божье творение. Возможно, нам стоит пожертвовать одним или обоими этими допущениями — бесконечностью размеров и бесконечностью возраста, и тогда мы сможем разгадать тайну черноты ночного неба».

Мы, как и современная наука, придерживаемся теории, что Вселенная возникла 13–15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва (см. главу «Вселенная — это вам не сарай»). Образовавшись из одной-единственной точки, Вселенная расширялась, сперва очень стремительно, а потом медленнее. Она продолжает расширяться и по сей день, и «граница» ее сейчас пролегает примерно в 13–15 миллиардах световых лет от нас. Возможно, ночная темнота объясняется тем, что там, за этой границей, нет звезд, которые могли бы добавить ночному небу света, как если бы частокол деревьев, о которых я упоминал чуть раньше, кончался в двадцати километрах от нас, и нам были бы видны пробивающиеся с той стороны леса узкие полоски света.

Что ж, неплохая попытка объяснить ночную тьму, но один английский математик доказал, что даже при ограниченных размерах нашей Вселенной в ней и до предполагаемой границы вполне достаточно звезд, чтобы обеспечить нам еженощную яркую иллюминацию. Так что придется искать другое объяснение.

Идея о расширении Вселенной получила признание только к концу первой трети XX века. Попутно с этим ученые пришли еще к целому ряду выводов: например, что звезды, удаляющиеся от наблюдателя, кажутся менее яркими благодаря эффекту Доплера (см. главу «Нечестно по отношению к Бёйс-Баллоту?»). Как и в случае со сменой частоты звука, издаваемого движущимся источником, спектр света звезды изменяется в зависимости от скорости движения, а свет от удаляющейся звезды смещается в сторону красной части спектра. Глаза млекопитающих в ходе эволюции стали максимально чувствительны к диапазону цветов, образующих в совокупности белый свет, а при смещении звездного света в сторону красного некоторые из цветов спектра выпадают, поэтому свет кажется менее ярким. Так что одна из причин того, что ночное небо не такое светлое, как могло бы быть, возможно, связана с эффектом Доплера: быстро движущиеся звезды, которые вроде бы должны быть столь же яркими, что и расположенные ближе и движущиеся медленнее, на деле смотрятся значительно тусклее.

Пожалуй, одного этого объяснения хватило бы, если бы новые данные о Большом взрыве и расширении Вселенной не добавили к общей картине еще один фактор. Большой взрыв явно был очень ярким благодаря огромной энергии, которая, как мы знаем, была сосредоточена в одной точке. Так разве в ночном небе по сей день не должны быть видны следы того свечения? Как выяснилось, обнаружить световое «эхо» Большого взрыва (см. главу «Вселенная — это вам не сарай») действительно возможно, но, как и в случае со звездным светом, эффект Доплера, вызванный стремительным расширением Вселенной, изменил оттенок отсветов той давней вспышки, в результате чего световые волны оказались далеко за красной границей спектра: они теперь не видны глазом и фиксируются только как микроволновое излучение.

Обманчиво простой вопрос, сформулированный в 1823 году Генрихом Вильгельмом Ольберсом, за два прошедших столетия привел ученых, жаждавших найти ответ, к целой череде новых открытий, да таких, о которых Ольберс не мог и мечтать.

Сколько длится световой год?

По мнению многих обывателей, такой вопрос звучит вполне нормально и осмысленно. Словосочетание «световой год» похоже на единицу измерения времени. Краткая прогулка по просторам Интернета приносит следующие перлы:

«Кажется, с тех пор, как Скотт Фицджеральд воспевал гибких и податливых девушек-подростков во взрослых нарядах, прошла уйма световых лет» (журнал «Пипл»).

«…в Америке это на протяжении долгих световых лет воспринималось как нечто само собой разумеющееся» («Крисчен сайенс монитор»).

«Ему чудилось, что после поездки в Севилью прошло несколько световых лет. Вспомнив Испанию, О’Нил понял, что настало время серьезных перемен…» («Дейли мейл»).

«101 световой год тому назад» (название альбома одной рок-группы).

«Звездный свет, который мы видим, можно сказать, уже устарел, ведь достигающий Земли свет покинул испускающее его небесное тело много световых лет назад» (из письма, опубликованного в газете «Таймс»).

И — ох, неловко же в этом признаваться! — я сам когда-то пропустил в телеэфир детскую передачу, в которой ведущий сказал группе детей: «Увидимся через пару световых лет!»

В действительности же в световых годах измеряется не время, а расстояние, поэтому единственно правильный ответ на вопрос, прозвучавший в заголовке этой главки, таков: «365 дней, 6 часов, 9 минут и 9,7676 секунд, иными словами столько же, сколько и любой другой год».

Это понятие, сбивающее многих с толку, приходится использовать по той причине, что расстояния до интересующих нас объектов во Вселенной очень велики: попробовав выразить их в любых земных единицах измерения, мы получим слишком громоздкие числа. Самая крупная единица измерения расстояния, используемая на Земле, а точнее, на суше, — это миля, и, поскольку до ближайшей к нам звезды (если не считать нашего Солнца) около 24 689 700 000 000 миль (39 734 220 000 000 километров), гораздо удобнее обозначить столь большое расстояние как 4,3 световых года: 4,3 года потребуется свету, чтобы проделать путь от этой звезды до Земли. Разумеется, можно было бы сказать: «25 триллионов миль», — это выглядит не так уж и устрашающе, но как быть, если речь зайдет о более отдаленных объектах, таких, как «далекая-далекая галактика» (как тут не вспомнить «Звездные войны»?!) под названием IOK-1? Расстояние до нее в милях — 75 715 квинтиллионов, это гораздо сложнее запомнить и выговорить, чем «12,88 миллиарда световых лет».

Все познается в сравнении. Если бы мы, говоря о земных расстояниях, оперировали бы только самыми мелкими единицами длины — если бы мы, скажем, были вирусами гриппа, чьи размеры измеряются микрометрами (1/1000000 метра), — тогда нам было бы сложновато обсуждать расстояние от Лондона до Нью-Йорка. (Впрочем, тут могли бы возникнуть и другие препятствия — например, отсутствие голосовых связок.) Если бы самой крупной нашей единицей длины был микрометр, что было бы в сто раз больше нашего роста, то расстояние до Нью-Йорка в 5 585 000 000 000 микрометров, мы могли бы выразить гораздо короче —1/5 световой секунды.

Если вы до сего дня заблуждались и считали световой год единицей времени, знайте, что вы, сами того не подозревая, оказались в хорошей компании. Даже профессиональные астрономы и люди, которые живо интересуются астрономией, порой допускают ту же ошибку. Вот вам еще одна подборка цитат из Интернета, на сей раз с сайтов, дающих консультации по вопросам астрономии или содержащих астрономическую информацию:

«До чего же удивительно, что мы можем заглянуть так далеко в прошлое… Эх, если бы мы только могли пообщаться там с кем-нибудь, мы бы тогда расспросили их, что происходило на этом месте 7 миллиардов световых лет назад» (из блога).

«Предположим, вы направите “Хаббл” (телескоп) в какую-нибудь сторону и станете наблюдать свет из галактики А, которая двинулась прочь от центра Вселенной 13,7 миллиарда световых лет назад, почти сразу после Большого взрыва. Если луч света покинет галактику А прямо сейчас, он доберется до вас лишь через 46,5 миллиарда световых лет» (сайт для любителей астрономии).

«Таким образом, 12 миллиардов световых лет назад эта масса, которую мы с вами сейчас видим, двигалась намного быстрее, потому что находилась на краю Большого взрыва, конечно, при условии, что Большой взрыв произошел примерно тогда» (форум, посвященный физике).

«До нашей ближайшей соседки Андромеды 2,5 миллиона световых лет. И опять-таки мы видим не ту Андромеду, которая существует сейчас, а ту, какой она была 2,5 миллиона световых лет назад» (www.scienceray.com, сайт о различных вопросах науки).

«Свет покинул проксиму Центавра 4,3 световых года назад, поскольку свет перемещается со скоростью света, а звезда расположена от нас на расстоянии 4,3 световых года» (сайт фирмы «Sky-Watcher», производящей телескопы).

«Если наша Галактика вращается, то можно ли будет, когда она окажется по другую сторону круга, в точке, противоположной нашему нынешнему местонахождению, увидеть Землю, какой она была миллионы световых лет назад?» (вопрос в разделе «Спросите у астронома»).

Хотя последний вопрос был задан дилетантом, отвечал на него профессиональный астроном, который даже не указал собеседнику на ошибку.

Самый древний в мире ядерный реактор

Построить атомную электростанцию стоит в среднем около 1,5 миллиарда фунтов стерлингов. Посреди станции располагается ядерный реактор — тонкое и сложное устройство, снабженное системами контроля, чтобы отслеживать события, занимающие всего лишь долю секунды, и обеспечивать постоянную выработку тепла, которое приводит в действие турбины, производящие электричество. В некоторых типах реакторов исходным веществом в процессе выработки электричества служит уран. Общеизвестно (ведь именно это многие считают существенным недостатком использования атомной энергии), что атомные электростанции производят радиоактивные отходы. В этих отходах содержится непереработанный уран, обладающий весьма характерными свойствами. В общем, если ученые наткнутся на это конкретное вещество, то не ошибутся, предположив, что где-то поблизости находится ядерный реактор, созданный человеком.

Единственным исключением из этого правила стало центрально-африканское государство Габон. Здесь геологи, работавшие на урановом месторождении в местечке Окло, обнаружили в 1972 году образцы урана, обладавшие явными чертами радиоактивных отходов. Но в те времена на всем африканском континенте не было ни одной атомной электростанции. Судя по всему, в этом месте произошло что-то очень странное.

Горные породы с естественным содержанием урана включают в себя атомы урана двух типов: U²³⁸ и U^235[17]. Преобладают атомы U²³⁸, а на долю U²³⁵ приходится всего 0,7 %. В ядерном реакторе атомы U²³⁵ бомбардируют ядерными частицами под названием «нейтроны». Один нейтрон, попавший в атом U²³⁵, выбивает из него еще два или три нейтрона, те бомбардируют другие атомы, из которых вылетают новые нейтроны, и так далее. При соблюдении всех условий запускается цепная реакция, в ходе которой все большее количество атомов распадается, выделяя тепло, которое перерабатывается в энергию. В числе этих необходимых условий — присутствие замедлителя нейтронов (чаще всего это обычная или тяжелая вода; последняя вместо водорода содержит его изотоп дейтерий), который действует как защитная оболочка: не дает излишкам нейтронов вылететь наружу из среды, где происходит реакция, что привело бы к остановке цепной реакции.

Отходы, образующиеся при работе ядерного реактора, содержат куда меньшую долю U²³⁵, чем изначальные 0,7 %, ведь большинство атомов было расщеплено в ходе цепной реакции. В горных породах из месторождения в Окло было найдено то же небольшое количество этого изотопа урана, как если бы на этом месте когда-то произошла цепная ядерная реакция. Большинство ученых отказывались в это верить, но, как выяснилось, американский химик японского происхождения Пол Курода (он же Кадзуо Курода, 1917–2001) еще в 1956 году высказал гипотезу о возможности при определенных обстоятельствах протекания цепной реакции с распадом урана в естественной среде. Среди упомянутых обстоятельств фигурировали более высокая доля U²³⁵, чем в большинстве ураносодержащих пород, и наличие воды в качестве замедлителя нейтронов.

Ученые, исследовавшие найденные в Окло породы, наконец пришли к заключению, что требуемые условия сложились примерно два миллиарда лет назад, когда доля урана U²³⁵ была значительно выше и доходила до 3 %. Сейчас уровень содержания этого вещества намного ниже, потому что, как и все радиоактивные элементы, уран со временем распадается на другие атомы (см. главу «Что ускоряет ускоритель ядерных частиц?»). Скорость распада урана зависит от параметра, получившего название «период полураспада», — это время, за которое данное количество того или иного радиоактивного элемента уменьшается вдвое по сравнению с первоначальной массой. Период полураспада U²³⁵ составляет 704 миллиона лет. Итак, несколько периодов полураспада назад, то есть примерно за 2 миллиарда лет до нас, в залежах горных пород содержалось намного больше U²³⁵ — а именно как раз то количество, которое вызывает устойчивую цепную реакцию. При этом поблизости была вода — естественный замедлитель, не позволявший беглым нейтронам вырываться на свободу. Вот такое стечение обстоятельств наблюдалось тогда в Окло. Более того, нынешние ученые, детально обследовав местность, установили, что ядерная активность происходила в интересном ритме: это был циклический процесс, который длился миллионы лет. Цепная реакция возникала в горных породах, окруженных водой, атомы при расщеплении выделяли тепло, вода под действием высокой температуры испарялась и лишалась свойств замедлителя, в результате нейтроны разлетались кто куда и цепная реакция прекращалась. Пар конденсировался и снова превращался в воду, та, словно одеяло, укрывала нейтроны, которые все еще выделял уран. Большая их часть теперь не улетучивалась, а оставалась в породе, расщепляя атомы урана и снова запуская цепную реакцию.

В 2004 году группа американских ученых, исследовав обломок скальной породы из Окло шириной всего несколько миллиметров, пришли к выводу, что природный реактор производил тепло примерно в течение получаса, потом «отключался» на два с половиной часа, после чего вновь начинал работать. В таком состоянии он находился в течение 150 миллионов лет, работая со средней мощностью 100 киловатт — примерно такова мощность двигателя обычного автомобиля.

Под конец этих изысканий всплыл один приятный сюрприз — приятный прежде всего для тех, кого беспокоит проблема захоронения радиоактивных отходов. Продукты распада, образовавшиеся в ходе естественной цепной реакции, не вызвали радиоактивного заражения окрестной природы, а спокойно лежали себе на месте, окруженные со всех сторон скальной породой, состоящей из гранита, песчаника и глины. За два миллиарда лет эти отходы, включая наиболее токсичный элемент плутоний, проникли в скалу не более чем на три метра. Взяв в Окло пробы пород, ученые укрепились во мнении, что отходы современных атомных электростанций можно будет точно так же держать под контролем, поместив их в подземные каменные хранилища, — именно подобным образом намереваются решать проблему отходов в будущем.

Озера-убийцы

Одной августовской ночью 1986 года в деревнях поблизости от озера Ниос, расположенного в гористой области африканского государства Камерун, во сне умерло сразу 1700 человек. Причиной их гибели стало озеро, даже при том, что некоторые несчастные жили в 25 километрах от его берегов. Однако этого расстояния оказалось недостаточно, чтобы уберечь их от огромного облака углекислого газа, который поднялся со дна озера и накрыл соседние холмы и долины, лишив кислорода все живые существа на этой территории и тем самым вызвав у них удушье.

В этой части Африки находятся три крайне необычных озера. Одно из них, Моноун, за два года до описанной трагедии привело к гибели 37 человек, но выброс газа со дна Ниоса оказался куда страшнее. Третье озеро, Киву, пока ни разу не выделяло в воздух двуокись углерода, хотя в его водах этого смертоносного газа растворено ничуть не меньше.

Опасный характер этих озер проистекает из их местоположения — все они образовались в кратерах вулканов, и на протяжении веков двуокись углерода просачивалась из жерла вулкана и скапливалась в придонных водах. В других, более мелких озерах газ в таких случаях благодаря естественному движению воды распространяется по поверхности, а потом испаряется. Но у этих трех камерунских озер стоячая вода и очень большая глубина, которая создает усиленное давление на подводные газы и не дает им подняться наружу, из-за чего возникает некое подобие сифона с газировкой. Собственно, газировка — это и есть углекислый газ, растворенный в воде. Время от времени — как правило, после грозы или схода оползня — неподвижный слой воды с растворенной в ней двуокисью углерода оказывается потревожен, и озеро с пугающей скоростью начинает выделять газ; образуется гигантский пузырь, который, добравшись до поверхности, превращается в облако. Сначала оно поднимается на несколько десятков метров над водой, а потом, будучи тяжелее воздуха, опускается до самой земли и расползается по окрестностям. Из озера Ниос в воздух было выброшено около кубического километра газа (этого хватило бы, чтобы наполнить 500 больших стадионов), а расползалось облако (скорее, разбегалось!) со скоростью 60 километров в час. Если бы по берегам озера стояли датчики, подающие сигнал тревоги, то у тех из погибших, кто жил дальше всего, оказалось бы в распоряжении около пятнадцати минут и кто-нибудь из них наверняка успел бы спастись.

Чтобы избежать повторения катастрофы, французские ученые опустили в озеро двухсотметровую полиэтиленовую трубу, которая доходит до самого дна и выводит двуокись углерода в атмосферу, не давая ей скапливаться до критической массы. Ученые из своей лаборатории в Париже следят за озером по спутниковой связи и в том случае, если, несмотря на меры предосторожности, количество газа приблизится к опасным показателям, могут открыть в трубе клапаны и стравить излишки газа.

К несчастью, детальное обследование этого странного озера выявило еще один потенциальный источник угрозы. На северном берегу водоема есть ветхая дамба, прорыв которой вызовет наводнение и выброс газа, от которого могут задохнуться до десяти тысяч человек.

Недавние новости тоже не радуют. Хотя газоотводная труба и сыграла свою роль, команда ученых, посетивших озеро Ниос в 2006 году, доложила, что в озере по-прежнему полно газа, представляющего для местного населения смертельную опасность, и он может вырваться наружу в любой момент.

Лед в бокале океана

Одним из последствий мощного глобального потепления станет подъем уровня моря по всему миру, поскольку повышение температуры растопит полярные шапки льда. Как известно, и Северный, и Южный полюса покрыты льдом, и за последние годы появились признаки уменьшения ледяного покрова, а это наводит на мысли, что процесс уже пошел. Арктическая ледяная шапка за последние тридцать лет уменьшилась на 20 %. Однако на деле проблема и вполовину не так страшна, как кажется, особенно в том, что касается изменения уровня моря. Если обе полярные шапки растают полностью, только таяние льдов Южного полюса повлияет на уровень моря.

Нет, по физическим свойствам лед на Северном полюсе ничем не отличается от своего южного собрата, и вода, в которую оба они превращаются при таянии, — тоже. Однако фундаментальное отличие заключается в том, что лежит под каждой из этих ледяных шапок. Северная шапка представляет собой огромную ледяную плиту, плавающую в воде, а южная — это огромная ледяная плита, которая покоится на суше. Чтобы разобраться, почему эта разница так важна, рассмотрим пример с айсбергом. Кусок льда, образовавшийся при замерзании воды, по плотности немного уступает исходной воде. В жидком агрегатном состоянии каждая молекула Н₂0 свободно крепится к трем-четырем другим молекулам. При понижении температуры вода становится льдом, теперь каждая молекула жестко сцеплена с четырьмя другими, образуя кристаллическую решетку, в которой между молекулами остается чуть больше пространства, чем в воде. Поэтому лед не тонет в воде, а плавает, ведь кусок льда менее плотен, в нем больше пространства, чем в аналогичном объеме воды. (По той же причине кусок свинца тонет в воде — он плотнее, чем аналогичный объем воды.)

Так что произойдет, если плавающая в море ледяная глыба начнет таять? Подводная часть айсберга станет растворяться, образующаяся при этом вода будет занимать меньший объем, чем занимал лед до таяния, но верхушка айсберга, растаяв, покроет разницу в объемах. Так что при таянии льда никакой лишней воды в море не прибавится. Все дрейфующие в океанских водах айсберги вместе с ледяной шапкой Северного полюса могут растаять за одну ночь, и это никак не скажется на уровне моря. (Вот вам простенький эксперимент: опустите кубики льда в стакан воды, наполненный до половины, а затем долейте воды доверху. По мере таяния льда стакан не переполнится.)

В случае же с Южным полюсом лед вовсе не плавает в море. Он неподвижно лежит на твердой земле материка Антарктиды. С началом таяния образовавшаяся вода потечет в Южный океан, окружающий сушу со всех сторон, и это повлечет за собой повышение уровня моря. Если ледяной щит Антарктиды растает целиком, уровень моря поднимется как минимум на 10 метров и вода затопит немало низменных участков суши.

Все сказанное вовсе не означает, что по поводу таяния шапки Северного полюса можно не волноваться, — процесс идет намного быстрее, чем прогнозировали ученые. К тому же таяние льдов, помимо прибывания воды, оказывает на хрупкое мировое экологическое равновесие и другое воздействие. Таяние арктической ледяной шапки хоть и не вызовет потопов, однако сократит количество отражаемого Землей солнечного света; планета вберет в себя этот свет и тепло и это приведет к повышению температуры.

Все эти соображения наверняка заставят вас добавить в свой коктейль лишний кубик льда и переключиться на просмотр очередного фильма-катастрофы.

Из праха восставшие

Прах матери, отца или какого другого любимого члена семьи — казалось бы, вещь безобидная, особенно если отвезти его куда-нибудь в горы или в любое иное живописное место, где усопшему нравилось бывать при жизни, и развеять там, устроив скромную поминальную церемонию. Однако сейчас кремируют до 70 % процентов всех умерших (во всяком случае, так обстоит дело в Великобритании), и большинство семей стремятся уважить желание покойного пребывать в виде праха не в урне на полочке в гостиной, а в каком-нибудь более приятном и спокойном месте. Поэтому живописные уголки Англии уже страдают от нарушения химического равновесия, вызванного не чем иным, как скоплением пепла, который образовался в ходе кремаций.

На самой высокой горе Великобритании, Бен-Невисе, ситуация обострилась настолько, что местные власти попросили граждан прекратить развеивать там прах. Высокое содержание в прахе кальция и фосфора влияет на химический состав грунта и ставит под угрозу высокогорные растения, которые очень чувствительны к кислотно-щелочному балансу почвы и уже оказались на грани выживания.

По иронии судьбы, убивая одни растения, пепел служит удобрением для других, которые благодаря ему расширяют свой ареал обитания. Сходного эффекта добиваются садоводы, удобряя овощи золой или костной мукой. На больших высотах пепел стимулирует рост мхов и дерна, которые ныне покрывают камни и почву, ранее вовсе лишенные растительности.

Один ученый назвал пепел пиршеством для отдельных видов растений и объявил, что на некой горе в Шотландии, за которой он наблюдал в ходе исследований, прах одного-единственного покойника за шестнадцать лет вызвал заметные и устойчивые изменения в жизни растений.

Глобальный катаклизм собственной персоной

Действие факторов риска, угрожающих окружающей среде, а именно глобального потепления, загрязнения природы и тому подобного, представляется нам столь значительным и широкомасштабным, что трудно даже вообразить, будто заметную роль в нынешнем плачевном состоянии природы мог сыграть всего один-единственный человек. Тем не менее ответственность за два нововведения, оказавших едва ли не самое губительное воздействие на окружающую среду, лежит на одном человеке, американском изобретателе, который придумал добавлять в бензин соединение свинца и ввел в обиход хладагент фреон.

Томас Миджли-младший предложил добавлять в бензин свинец, чтобы избавиться от «стука» в двигателе, — прежде топливо сгорало в двигателе внутреннего сгорания слишком быстро, что вызывало шум и повреждение мотора. Даже во времена внедрения этого изобретения было общеизвестно, что свинец ядовит, поэтому производители схитрили, назвав добавку «этил» (вместо полного наименования «тетраэтилсвинец»). За несколько лет работы над добавкой Миджли и сам пострадал от своего изобретения: у него обнаружились симптомы отравления свинцом. Однако Миджли это не остановило. Несмотря на собственный печальный опыт и смерть десяти рабочих на заводе-изготовителе (в то время как у других рабочих появились галлюцинации и симптомы психического расстройства), Миджли пытался успокоить общественность, плеская добавку себе на руки и вдыхая ее испарения из мензурки. При этом он заявлял, что может проделывать подобные экзерсисы ежедневно и без всякого вреда для здоровья, однако не похоже, чтобы это вошло у него в привычку.

Следующей медвежьей услугой, оказанной Миджли человечеству, стало изобретение хлорфторуглеродов (ХФУ) — соединений хлора, фтора и углерода — в качестве альтернативы существовавшим тогда охлаждающим жидкостям, крайне токсичным при утечках. Фреон, также известный под названием «дихлордифторметан», поначалу казался поистине чудесным соединением. Это было бесцветное, лишенное запаха, неогнеопасное, некорродирующее и на первый взгляд совершенно безвредное летучее вещество, которое спокойненько циркулировало себе в охлаждающей системе холодильника, переходя из жидкости в газ и обратно и сохраняя свежесть продуктов.

Прошло всего несколько лет, и фреон стал стандартным хладагентом, использовавшимся в большинстве домашних холодильников. Как и в случае с более вредоносными своими изобретениями, Миджли лично продемонстрировал публике низкую токсичность и исключительно благую сущность фреона, вдохнув полные легкие этого газа и выдохнув его на горящую свечу, отчего пламя сразу потухло.

Оба главных изобретения Миджли принесли производившим и распространявшим их фирмам целые состояния и на несколько десятилетий заняли лидирующие позиции на рынке. Однако настал час, когда сперва тетраэтилсвинец, а потом фреон и сходные с ним хладагенты были признаны соединениями, оказывающими катастрофическое воздействие на окружающую среду. Свинец, поступавший в атмосферу с автомобильными выхлопами, попадал в кровь и вызывал у детей неврологические заболевания; а химические реагенты из отслуживших свой срок холодильников внесли существенный вклад в образование дыры в озоновом слое Земли.

Но к тому времени, когда человечество осознало вред, нанесенный изобретениями Миджли, их автор давно уже умер. Можно сказать, что под конец жизни его настигло справедливое возмездие — причиной смерти изобретателя стало его же собственное детище. В 1940 году Миджли заболел полиомиелитом и оказался прикован к постели. Он придумал специальное приспособление, которое позволяло ему вставать, но, как всегда, Миджли не разглядел таящейся в нем опасности. 2 ноября 1944 года он запутался в тросах своего устройства и был ими задушен.

Самая важная машина, которой никогда не было

Одним из основоположников современной вычислительной техники стал британский математик Алан Тьюринг. А прославился он отчасти благодаря так называемой «машине Тьюринга», которая существовала исключительно умозрительно — в воображении ученого и его научных трудах. Тем не менее нынешние компьютеры работают во многом на базе гениальных догадок Тьюринга и небольшой группки его единомышленников, чьи главные открытия пришлись на 1930-е годы.

Тьюринг пытался найти ответ на вопрос, поставленный в 1928 году немецким математиком Давидом Гильбертом: возможно ли найти алгоритм, позволяющий в любой математической системе определять, верно ли в этой системе то или иное утверждение или нет. В итоге Тьюринг доказал, что существуют системы — и одна из них арифметика, — в которых невозможно, пользуясь единым методом, определить истинность утверждения.

В научной работе, посвященной этой проблеме, Тьюринг придумал воображаемую машину — это был отличный образец того, что ученые именуют «мысленным экспериментом». Машина состояла из бесконечной ленты, разделенной на ячейки, и головки, которая, действуя по принципу головки магнитофона, могла записывать в ячейки символы и стирать их.

В своей работе Тьюринг описывает изменения в ячейках, производимые так называемым компьютером, или вычислителем (в те времена слово «компьютер» означало человека, а не предмет):

«Вычисление обычно осуществляется путем записи неких символов на бумаге. Представим себе, что эта бумага поделена на клеточки, как тетрадка по арифметике… Поведение компьютера в любой момент времени определяется символами, которые он воспринимает, и его состоянием в данный конкретный момент»[18].

Простейший репертуар символов состоит из 0 и 1, и к этому репертуару прилагается таблица инструкций. Такая таблица может включать в себя, например, следующие правила:

Если головка находится над ячейкой, содержащей 0, то 0 стирается и на его место записывается 1, после чего лента сдвигается вправо.

Если головка находится над ячейкой с символом 1, то 1 стирается и на ее место записывается 1 (снова), после чего лента сдвигается влево.

Если головка находится над ячейкой с символом 0, то 0 стирается и на его место записывается 1, после чего лента сдвигается влево.

Если головка находится над ячейкой с символом 1, то 1 стирается и на ее место записывается 1 (снова), после чего лента сдвигается вправо.

Если головка находится над ячейкой с символом 1, то 1 стирается и на ее место записывается 1 (снова), после чего лента остается на месте.

Эти инструкции (всего лишь часть полной таблицы правил) можно коротко выразить так:

(0,1, П), (1,1, Л), (0,1, Л), (1,1, П) и (1,1, Н)

Таблица инструкций используется снова и снова, пока машина от некоего начального состояния (определенного набора символов) не перейдет к конечному состоянию. При должном применении правил начальное состояние ленты — скажем, двоичное отображение числа 27 — может прийти к конечному состоянию — 729, — нужно только воспользоваться набором инструкций для умножения чисел на самих себя.

Умозрительно изобретя «машину Тьюринга», которая способна решить некую одну задачу с помощью набора инструкций, предназначенного именно для этой задачи, ученый продемонстрировал, что можно изобрести «универсальную машину Тьюринга», способную имитировать все остальные «машины Тьюринга». Набор правил для такой машины эквивалентен программному обеспечению современных компьютеров, которое позволяет использовать их самыми различными способами.

Хотя эта «машина Тьюринга» так и не была создана в действительности, Тьюринг вовсю трудился над производством других, уже вполне реальных устройств для решения задач. Одна из важнейших задач, которую Тьюринг пытался решить и которая остается нерешенной по сей день, — это математическое выражение, названное «гипотезой Римана», оно касается распределения простых чисел среди натуральных.

В 1939 году Тьюринг получил грант на сборку машины, которая состояла из тридцати сцепленных между собой шестеренок с разными количествами зубцов, соответствующими определенным логарифмам. У каждой шестерни была своя гиря, подвешенная на том или ином расстоянии от центра, шестерни были взаимно соединены в группы и приводились в движение большим рычагом.

Биограф Тьюринга Эндрю Ходжес (р. 1949) писал:

Потерпев неудачу при создании машины Римана, Тьюринг, однако, внес существенный вклад в разработку одного из самых важных в истории вычислительной техники приборов — машины для расшифровки кода «Энигма», которым Германия пользовалась в ходе Второй мировой войны. Эта работа, как принято считать, помогла закончить войну на два года раньше и принесла Тьюрингу орден Британской империи.

π = 3

Все мы слышали о числе «пи», обозначаемом на письме греческой буквой π, но немногие из нас осведомлены о его занятных свойствах.

Происхождение этого числа лишено всякой загадочности. Еще самые первые математики, включая древних египтян, индийцев, шумеров и греков, открыли, что любые окружности имеют одно и то же соотношение длины и диаметра. Будь то окружность размером с мелкую монетку или с орбиту планеты Плутон, соотношение всегда одно и то же — примерно 3,14, то есть длина окружности всегда в три с небольшим раза превышает ее диаметр.

Знание этого соотношения может пригодиться, если вы вдруг решите начертить на земле окружность определенной длины, например 10 метров, а под рукой у вас будут только колышек, веревка и кусок мела. Длина веревки должна быть чуть меньше 1/6 от длины окружности, то есть в нашем случае 1,6 метра, поскольку радиус, как известно, равен половине диаметра.

По мере совершенствования методов измерения значение числа π становилось все более точным. Древние египтяне для его выражения использовали дробь 25/8, шумеры — 256/81, а сейчас, когда ученым больше не нужно ходить с рулеткой вокруг огромных кругов и можно воспользоваться компьютерными вычислениями, значение числа π определено с точностью до 1 240 000 000 000 знаков после запятой — на вид это случайная последовательность цифр от 0 до 9. Число π начинается с 3,1415 и продолжается еще на 1 239 999 999 996 знаков. И, как и в случае с Вавилонской библиотекой из одноименного рассказа Хорхе Борхеса, это число, если продлить его до бесконечности, содержит любую комбинацию цифр, какую бы вы ни задумали. Моя дата рождения, например, начинается с цифры с порядковым номером 36 764 575, а моя фамилия, если принять латинскую А за единицу, В — за двойку и так далее, начинается с цифры под номером 82 062 313.

А теперь о странностях. Обычно числа не длятся таким вот образом. Если измерить мой рост с максимально возможной точностью, получится число 180,236 128 639 сантиметра. То есть количество знаков после запятой в нем конечно. А если бы я попытался добавить еще цифр, они все были бы нулями. Если мы переведем египетские 25/8 в десятичную дробь, то получим 3,125, и все. Вы, конечно, можете записать его как 3,125 000 000 000 плюс еще триллион нулей, но этим не добьетесь ничего, только руку перетрудите. Даже и через миллиард знаков никаких новых цифр, кроме нулей, там не появится.

Наше загадочное π принадлежит к классу иррациональных чисел. Такое название этим числам дано не потому, что они ведут себя иррационально, а лишь потому, что их нельзя представить в виде ratio[19] — обыкновенной дроби, в которой и числитель, и знаменатель являются целыми числами. Замечательное π также входит в более узкую группу среди рациональных чисел, называемую трансцендентными числами, то есть оно не удовлетворяет никакому алгебраическому уравнению с целыми коэффициентами. И хотя нам пока известно не так много представителей этой группы чисел, на самом деле их больше, чем всех знакомых нам других чисел — целых чисел, дробей и прочего.

Для людей с нематематическим складом ума все это может показаться слишком сложным и потому отпугивающим, особенно когда дело касается таких привычных явлений реального мира, как окружности. Мысль о том, что число, которое невозможно записать с абсолютной точностью, присутствует повсюду: в монетах, которыми мы расплачиваемся, в Солнце, которым любуемся, в баранке руля, которую сжимаем в руках, — никак не укладывается в голове.

Вот почему в американском штате Индиана в 1897 году один член Генеральной ассамблеи штата решил наконец покончить с этой проблемой, официально приравняв значение числа — π к чему-то более разумному, можно сказать, рациональному. Тейлор Рекорд, представитель от округа Пози, внес законопроект с целым списком значений π, куда более простых и привычных, чем иррациональное. Документ гласил: «Поскольку существовавшее до сих пор правило не действует… его следует признать несостоятельным и ведущим к ошибкам при попытках применить его на практике». Жителям Индианы предоставлялось право выбрать значение. Два самых незамысловатых были 4 и 3,2, однако на фоне стремления к упрощению довольно странно было видеть в списке квадратный корень из 2×16/7, то есть около 3,23.

Учитывая, что преобладающее количество тогдашних обитателей Среднего Запада были глубоко верующими и находились в лоне протестантской церкви, возможно, член законодательного собрания Тейлор Рекорд, дабы придать своему решению пущую убедительность, сослался на Ветхий Завет. В Третьей книге царств написано:

Иными словами, Бог ясно дал понять: число π равняется трем.

Таксидерьмовая история

На рубеже XIX и XX столетий в английском городе Гастингсе жил продавец оружия и по совместительству таксидермист Джордж Бристоу. На протяжении примерно тридцати лет он многократно сообщал, будто видел на территории графства Суссекс птиц редких видов. По тогдашнему обыкновению, редакция «Справочника-определителя британских птиц» со слов Бристоу заносила данные его наблюдений в ежегодный список редких птиц, замеченных в Великобритании. От таксидермиста требовалось только представить на рассмотрение тушки или чучела убитых птиц с указанием места, где они были увидены и подстрелены.

Первым зафиксированным видом был красноголовый сорокопут в 1892 году, а последним — пегая трясогузка в 1919-м. В один из периодов, наиболее богатых случаями наблюдения редких птиц, к основному списку пернатых, встречающихся на Британских островах, добавилось 49 новых видов, из них только в окрестностях Гастингса были замечены 32 вида.

Улов просто невероятный, и тому есть три возможных объяснения. Либо Гастингс и его предместья были чем-то вроде птичьего Бермудского треугольника, только наоборот, и редкие виды птиц появлялись тут куда чаще, чем где бы то ни было на территории Британских островов; либо Бристоу был необычайно искусным и неутомимым наблюдателем; либо он докладывал о птицах, которых никогда не видел в Британии живьем и которых каким-то образом раздобывал в очень далеких краях.

К 1962 году эти птицы, известные как «редкие виды Гастингса», все еще входили в авторитетный список птиц, когда-либо встреченных на Британских островах. Однако подозрение, что отчеты Бристоу были фальшивками, высказывалось все чаще, и наконец было решено подкрепить или опровергнуть их, собрав реальные данные. В том же 1962 году двое орнитологов высказались в журнале «Британские птицы» — пожалуй, даже слишком дипломатично высказались, — что по крайней мере в случае одного «наблюдения» в Гастингсе редкого вида «мы обнаруживаем, что нас принуждают оказаться в опасной близости от грани скептицизма». Они также ссылались на «хроническое невезение, по-видимому преследующее экспертов-орнитологов: ведь им никак не удается увидеть ни одного живого представителя тех удивительных и редких видов, чьи тушки были когда-то столь грамотно и в большом количестве собраны охотниками из примерно двух десятков приходов».

Имелось немало фактов, косвенно доказывавших, что «редкие виды Гастингса» не более чем надувательство. Отчеты о замеченных птицах к концу 1920-х годов стали поступать все реже, а потом и вовсе иссякли, и, проанализировав зафиксированные случаи появления похожих птиц на остальной территории Британских островов, орнитологи выявили две вещи:

1. Сравнение списка редких птиц, замеченных в более поздние годы (то есть не из числа «редких видов Гастингса»), с зафиксированными случаями наблюдения тех же птиц в период «редких видов Гастингса» показало схожее распределение видов птиц, хотя и в больших количествах, — появилась новая удобная техника для наблюдения за птицами, а также возросло число наблюдателей.

2. Если же сравнивать случаи наблюдения редких видов, замеченных ранее, с более поздней картиной, разница получалась поразительная: многие виды, обнаруженные в период «редких видов Гастингса», впоследствии ни разу не встречались на всей территории Британских островов, не говоря уже об отдельно взятом Гастингсе.

Итак, Бристоу за время своих наблюдений сообщил о целом ряде видов, которых позднейшие наблюдатели не встречали больше ни разу, — довольно красноречивый признак того, что тут что-то нечисто.

Но окончательным аргументом против «редких видов Гастингса» стал простой математический тест под названием «хи-квадрат», используемый при любом элементарном статистическом анализе результатов научных экспериментов.

Вот как он работает. Допустим, вы взяли монету, сыграли в орлянку 100 раз и получили следующий расклад по выпавшим орлам и решкам:

Вы спросите, как трактовать этот расклад, слегка перекошенный в сторону орлов: вышло ли это случайно или монетка была жульническая?

Тест хи-квадрат заключается в вычитании ожидаемого результата, ОР, из фактического, ФР, возведения полученной разности в квадрат (умножения ее на себя) и деления на ОР. Такая операция проделывается и с орлами, и с решками, а результаты складываются. В нашем случае хи-квадрат таков: (53–50)²/50 + (47–50)²/50 = 9/50 + 9/50 = 0,36. Существует специальная таблица хи-квадратов. Используя ее, вы можете найти там это значение и определить, укладывается ли оно в рамки нормы, то есть понять, насколько оно согласуется с результатом, который мог бы получиться при случайном подбрасывании монетки. В данном случае согласуется. Таблица показывает нам, что такой результат получается примерно в 55 случаях из ста, что вполне обычно.

Теперь допустим, к примеру, что распределение бросков было следующим: 40 орлов и 60 решек. Соответственно хи-квадрат получится: 100/50 + 100/50 = 4,0. Заглянув в таблицу, мы найдем, что вероятность такого события при использовании обычной монеты около 4 %. Не то чтобы совсем невозможно, но, согласитесь, дает почву для подозрений.

Наблюдения в Гастингсе существенно отличаются от данных в целом по стране — главным образом, за счет того, что раньше на этой территории видели гораздо больше редких видов, чем сейчас. Но если все эти свидетельства подлинны и прежняя небывалая частота объясняется наличием чрезвычайно искусных наблюдателей, или охотников, или и тех и других, то общая картина открытий в Гастингсе — количество птиц каждого вида, времена года, в которые было замечено больше птиц и так далее, — должна напоминать раскладку по другим уголкам страны, несмотря на то что количество случаев в Гастингсе выше. И напротив, если свидетельства о редких птицах фальшивы и не имеют ничего общего с теми видами, которые на самом деле бороздят небо над Гастингсом, то картинка будет абсолютно другая. Статистик, работавший в сотрудничестве с орнитологами из журнала «Британские птицы», собрал информацию по трем районам и двум периодам. Он просмотрел отчеты о трех разновидностях редких птиц (класс 1, класс 2 и класс 3), виденных в каждом из районов, а затем внес в одну строку таблицы показатели по каждой разновидности в Гастингсе, а во вторую — совокупные показатели по двум остальным районам. Вот что у него получилось:

Одного взгляда на цифры достаточно, чтобы убедиться: картина странная. Видов класса 1 в Гастингсе почему-то замечено вдвое больше, чем во всей остальной Великобритании. И наоборот, видов класса 3 в Гастингсе намного меньше.

А окончательно все прояснил простой хи-квадрат. Как мы видели в примере с орлянкой, значение хи-квадрата, равное четырем, означает, что только в четырех случаях из ста такой результат мог выпасть случайным образом. Если обратиться к «редким видам Гастингса», то хи-квадратный тест выдает куда больший и, таким образом, куда менее вероятный результат — 57,40, исключая всякую возможность того, что поступившие к орнитологам отчеты были получены в ходе обычного процесса наблюдения. Итак, опасения орнитологов насчет «опасной близости от грани скептицизма» полностью подтвердились.

Джордж Бристоу брал всех на пушку — можно ведь выразиться и так — всю оставшуюся жизнь (он умер в 1947 году в возрасте 84 лет), но важно другое: как только британское орнитологическое сообщество поставило его отчеты под вопрос и перестало учитывать их в статистике, редких птиц, якобы порхавших в небе Гастингса в начале XX века, сильно поубавилось — примерно до тех показателей, которые отмечались в остальной части страны.

Так что же происходило на самом деле? Явных доказательств пока нет, однако в журнале «Британские птицы» промелькнула гипотеза, что Бристоу состоял в сговоре с моряками, которые регулярно наведывались в ближайший порт. Те по его заказу охотились на птиц в других странах, складывали тушки в самом холодном месте на корабле, а потом привозили их Бристоу. А он давал за птиц хорошую цену, изготавливал из них чучела, отправлял один экземпляр вместе с отчетом в «Справочник-определитель британских птиц», а остальные чучела сбывал коллекционерам редких птиц. Ясное дело, пернатая особь, типичная для Северной Африки, в небе над Гастингсом сразу превращается в чрезвычайно редкую птицу, таким образом Бристоу, сообщая о птицах, как якобы увиденных и подстреленных в Англии, мог впоследствии спокойно продавать их коллекционерам втридорога.

Веревка вокруг Земли

Если бы можно было опоясать всю Землю веревкой так, чтобы она проходила непосредственно по линии экватора, то насколько потребовалось бы удлинить веревку, пожелай мы приподнять ее на метр над поверхностью планеты?

Первое, что приходит в голову: чтобы приподнять веревку на всем протяжении на метр, нужно проделать кое-какие расчеты с использованием изначальной длины веревки, то есть длины окружности Земли. Но если вам скажут, что длина веревки, натянутой плотно по экватору, приблизительно равна 40 000 километрам, поможет ли вам эта информация? Конечно, так и тянет предположить, что для получения зазора на всем протяжении понадобится нарастить веревку на несколько километров. Но что, если я сообщу вам, что правильный ответ никак не связан с исходной длиной?

Поиск ответа сводится к нахождению разницы между длинами двух окружностей: окружности с диаметром как у Земли и окружности с диаметром на два метра больше, чем у Земли (по метру с каждой стороны). Назовем первую величину ОЗ, а вторую ОЗ+. Теперь осталось выяснить еще одну вещь. Длина любой окружности равна ее диаметру, умноженному на постоянное число π (см. главу «π = 3»), которое примерно составляет 3,14. Итак, можно сказать, что ОЗ = 3,14×ДЗ, а ОЗ+ = 3,14 × (ДЗ + 2), где ДЗ — диаметр Земли. Чтобы узнать дополнительную длину веревки, нужно вычесть ОЗ из ОЗ+. То есть вычесть 3,14 × ДЗ из 3,14 × (ДЗ + 2). Раскроем во втором выражении скобки и преобразуем его: 3,14 × ДЗ + 3,14 × 2. Из этой записи очевидно, что правильный ответ:

Дополнительная длина веревки = 3,14 × ДЗ + 3,14 × 2 − 3,14 × ДЗ.

Или, если переставить местами:3,14 ×ДЗ − 3,14 ×ДЗ + 3,14×2. Разумеется, эти вычисления далеки от тех, какими занимается Стивен Хокинг[20], но сделаем скидку на то, что большинству из нас не каждый день приходится жонглировать плюсами, минусами, скобками и знаками равенства. Даже из таких примитивных расчетов явно следует, что длина веревки вырастет не на сотни километров и даже не на один километр, а всего на два раза по 3,14 метра.

Поскольку реальная длина веревки в наших расчетах не фигурировала, можно сделать вывод: чтобы диаметр любого веревочного круга любого размера вырос на 1 м, надо удлинить веревку всего на 3,14 м. Возьмете ли вы веревку, натянутую вокруг основания купола лондонского собора Святого Павла (110 метров), или веревку, проходящую по орбите Юпитера (около 5 миллиардов километров), надставить ее придется на одни и те же 3,14 метра.

Моцарт. Вальс для двух игральных костей

Вы не поверите, но австрийский композитор и педагог Иоганн Гуммель и его учитель, великий Вольфганг Амадей Моцарт, сами того не зная, занимались теорией вероятности — они сочиняли музыкальные пьесы, чей окончательный вид определялся броском костей.

В 1793 году, спустя два года после смерти наставника, Гуммель издал таблицу музыкальных тактов, которую, по его словам, составил сам Моцарт с целью создать невероятно большое количество вариантов «Вальса для двух игральных костей» — причем с участием публики. Таблица состояла из 171 такта, разделенных на 16 групп по 11 тактов. Каждая из шестнадцати групп предусматривала 11 вариантов развития. Зрители должны были бросать две игральные кости и, в зависимости от выпавших чисел (от 2 до 12), составлять последовательность номеров, определявших, какой вариант каждого такта нужно играть. Скажем, если на костях последовательно выпадало 3, 8, 9, 6, 3, 4, 2, 7, 5, 8, 8,12,10, 4, 7, 6, то, вычтя из каждого числа по единице (потому что бросок двух костей никогда не даст в сумме номер 1), музыканты исполняли вальс, играя второй вариант такта 1, седьмой вариант такта 2 и далее по тому же принципу. Таким образом, каждое исполнение пьесы становилось уникальным и неповторимым. При бросках двух костей скомбинировать числа от 1 до 11 (или от 2 до 12) можно 759 499 667 966 482 способами, так что вероятность исполнить именно тот один из сотен триллионов вариант, который публика уже слышала, ничтожно мала. А на то, чтобы сыграть все возможные варианты, потребовалось бы более 500 миллионов лет.

Кстати, если вы полагаете, будто Моцарта звали просто Вольфганг Амадей, то, может быть, вы удивитесь, узнав, что это не совсем так. Когда о фантастическом таланте восьмилетнего Моцарта узнал весь мир, некий Дайне Баррингтон, эрудит и антиквар, человек строгий и требовательный, подверг мальчика серьезному экзамену в Лондоне, из которого юный гений вышел, конечно же, победителем. Баррингтон опубликовал результаты своих исследований — эта книга вышла в свет в Лондоне и была снабжена портретом мальчика с подписью: «Теофил Моцарт». Более того, найден лишь один прижизненный документ, где упоминалось бы имя Моцарта Амадей — латинизированная версия греческого Теофила. А при крещении ему дали имя Иоганн Хризостом Вольфганг Теофил, без всяких там Амадеев.

Дневник на века

В 1945 году в ежемесячном журнале «Атлантик мансли» вышла статья американского инженера и советника президента Рузвельта по науке Ванневара Буша. Буш приводил несколько идей мирного развития технологий, на которые ученым предстояло переключиться после пяти лет военных разработок, увенчавшихся созданием атомной бомбы, в котором, кстати, сам Буш принимал участие.

Одно «изобретение» являло собой особенно причудливую смесь точного пророчества и зыбкого тычка пальцем в небо. Предсказывать всегда непросто, а тем более предсказывать будущее, как говаривал Нильс Бор. На одной карикатуре конца XVIII века, изображавшей, насколько изменится жизнь к 2000 году, наиболее смелый прогноз был начертан на боку летающего грузового фургона (на весу его удерживали воздушные шары — единственный из известных тогда способов воздухоплавания): там размещалась реклама «чугунного», то есть небьющегося, стекла. Что уж там говорить, стекла в современных окнах по-прежнему бьются, но мы как-то с этим смирились. Зато пророчество Буша насчет одного принципиально нового устройства наконец начало сбываться, хотя и не совсем так, как предполагал автор идеи.

Буш предсказал появление прибора, который назвал «мемексом». «Мемекс, — писал он в статье, — это устройство, в котором человек сможет хранить все свои книги, записи и переговоры и которое будет настолько механизировано, что пользоваться им будет невероятно быстро и удобно. Это будет личное вместительное хранилище данных в дополнение к памяти».

Похоже на сочетание айпода, электронной книги и некоего цифрового записывающего устройства — довольно проницательно для идеи, родившейся более 60 лет назад. Хотя, прочитав еще немного, вы поймете, что предложенный Бушем способ достижения этой смелой цели весьма далек от реального развития ситуации.

«Он будет выглядеть как письменный стол, — продолжал Буш, — и, хотя им предположительно можно будет управлять на расстоянии, это прежде всего предмет мебели, за которым работают. На верхней панели разместятся наклонные полупрозрачные экраны, на которые можно будет проецировать информацию для удобства читающего. Прибор будет снабжен клавиатурой и комплектами кнопок и рычажков. В остальном он будет похож на обычный стол. В одном конце расположится хранилище информации. Сохранность основного ее массива будет обеспечена благодаря усовершенствованной микропленке. Лишь незначительная часть пространства внутри мемекса будет отведена под накопление информации, основное место займет механизм».

Буш описал области задач, которые сможет решать этот «стол», в том числе создание некоего подобия гиперссылок и поиск информации по запросу, — сейчас нам в этом помогает Всемирная паутина. Однако в представлении Буша задачи должны были решаться при помощи рычажков и микрофильмированных фотоснимков и текстов. А чтобы получить доступ к тысячам и тысячам страниц микрофильмов, содержащих «книги, записи и переговоры» пользователя, пришлось бы крутить специальные зубчатые колесики.

Сейчас большинство функций бушевского «мемекса» выполняется устройствами, гораздо более компактными, нежели письменный стол, и у многих из нас есть подобные устройства. Лишь один из прогнозов Буша пока не реализован; впрочем, все указывает на то, что и за ним дело не станет. Он писал о хранении и доступе к личным переговорам, однако большая часть общения, не считая электронной переписки, протекает устно, и никто пока не занялся хранением и обеспечением доступа к этой информации (естественно, за исключением спецслужб).

Но скорее всего, тот день, когда при желании все сказанное кому бы то ни было в любое время суток можно будет записать, сохранить, переработать и проанализировать при помощи портативного устройства, уже не за горами. Разумеется, чем больше информации мы накопим, тем важнее будет обеспечить к ней удобный доступ. В 2002 году ученые из университета Карнеги-Меллон сконструировали и испытали аппарат для записи каждого разговора, в котором участвует его обладатель, и дальнейшего доступа к этим данным, что стало бы хорошим подспорьем для тех, кто плохо запоминает лица или с трудом сопоставляет их с именами.

Устройство состоит из двух микрофонов и миниатюрной камеры, его закрепляют на лацкане и подсоединяют к ноутбуку, который носят за спиной. Один микрофон — направленный — улавливает голос владельца, другой охватывает более широкую область и может записывать голос второго участника беседы. (Но полностью записываются реплики только одной стороны, поскольку законы США запрещают записывать разговор, не заручившись согласием обеих сторон.) Самая интересная часть аппарата — камера. Она нужна не столько для фиксации беседы на видео, сколько для того, чтобы заполучить изображение лица собеседника.

Видео- и аудиоинформация о внешности и голосе собеседника вместе с репликами владельца записывается на ноутбук. Задача устройства, по замыслу ученых, — помочь памяти владельца при следующей встрече с этим собеседником. Компьютер запечатлевает изображение каждого нового собеседника и сравнивает его с лицами всех, с кем владелец общался прежде. Он также сравнивает пробную короткую запись голоса собеседника с голосами всех прошлых собеседников. Совокупность этих двух методов — запечатление лиц и запоминание голосов, — по мнению ученых, позволяет с очень высокой степенью достоверности установить, встречался ли новый собеседник владельцу до этого. Если да, то компьютер, восстановив и проанализировав прошлый разговор, быстро и, скорее всего, фрагментарно прокрутит его владельцу, что даст возможность «преодолеть возрастные и прочие границы способности к запоминанию и воскресит в памяти подробности, полезные для данного разговора».

Хотя с того момента, как ученые из университета Карнеги-Меллон опубликовали свой доклад, прошло немного лет, компьютерные технологии за это время существенно эволюционировали: физические размеры накопителей информации уменьшились, появились новые программы для распознавания внешности и голоса. И недалек тот день, когда (при желании) все проделанное нами за день сможет быть зафиксировано в виде изображения и звука и оставлено храниться на любой срок.

Разумеется, этот подход таит в себе некоторую опасность. Каждый, кто хоть раз терял ноутбук, мобильник или ежедневник, успел убедиться: чем больше данных о своей жизни мы держим в искусственных, внешних накопителях информации, тем меньше мы можем полагаться на собственную память.

Платон писал о подобной опасности задолго до изобретения компьютеров. В диалоге «Федр» один из его героев — Сократ — приводит слова египетского царя Тамуса, который высказывает опасения, связанные с появлением письменности: «В души научившихся им [письменам] они вселят забывчивость, так как будет лишена упражнения память: припоминать станут извне, доверяясь письму, по посторонним знакам, а не изнутри, сами собою»[21].

Правда ли, что 1 + 1 = 2?

Математики ничего не принимают на веру без доказательств. Прежде чем прийти в ходе сложных построений к тому или иному умозаключению, нужно убедиться, что каждый этап пути, начиная с самой вроде бы очевидной отправной точки, строго и тщательно обоснован. В случае с хитрым вопросом, дает ли 1 + 1 в сумме 2, нужно для начала разобраться, что такое 1, потом перейти к рассмотрению, что такое 2, и, наконец, установить, что сумма 1 и 1 идентична тому, что вы понимаете под числом 2.

Поводом к этим рассуждениям послужил важный и внушительный трехтомный труд Альфреда Норта Уайтхеда и Бертрана Рассела «Principia Mathematica» (1910–1913)[22], в котором на доказательство того, что один плюс один равно двум, отведено не менее половины страницы. («Полстраницы» — это еще очень консервативная оценка, один математик писал: «Книга Уайтхеда и Рассела “Principia Mathematica” известна тем, что на протяжении тысячи страниц доказывает, что 1 + 1 = 2».)

Рассел, которому часто возражали, что, мол, в доказательстве элементарных арифметических равенств нет никакой нужды, писал: «“Ничто не заставит меня усомниться, что 2 и 2 в сумме дают 4”, — скажете вы. И будете правы практически всегда, за исключением крайних случаев — ведь только в крайнем случае вы сомневаетесь, что вот это конкретное животное — собака, а вот эта конкретная длина — менее метра. Два — это не просто цифра, а количество, и заявление “2 и 2 будет 4” лишено смысла, если не применяется на практике. Две собаки и еще две собаки — всего несомненно четыре собаки, но бывает так, что вы не уверены, собаки ли две из них. “Ну, это в любом случае четыре животных”, — можете сказать вы. Однако существуют микроорганизмы, о которых нельзя с определенностью сказать, принадлежат ли они к царству животных или растений. “Ладно, четыре живых существа”, — скажете вы. Но опять же, иногда не так-то просто разобраться, идет ли речь о живых или неживых организмах. В итоге вы будете вынуждены сказать: “Две сущности и еще две сущности — всего четыре сущности”. Тогда растолкуйте мне, что вы подразумеваете под “сущностью”, и мы закончим этот спор».

Доказывая, что 1 + 1 = 2, основное место в своих рассуждениях Рассел и Уайтхед отводят попыткам дать определение понятию «сущность».

(Да и это доказательство применимо, только если «ввести определение, что такое арифметическое действие сложения», а это уже отдельный разговор.)

Один математик попытался переформулировать то, что пытались доказать Рассел и Уайтхед, воспользовавшись не символами, а словами: «Множества аир, каждое из которых состоит всего из одного элемента, считаются непересекающимися (то есть не имеющими общих элементов), если и только если их объединение дает ровно два элемента».

В таком виде доказательство выглядит несколько более доступным, хотя требует некоторых дополнений. Теория множеств как особый раздел математики возникла в конце XIX столетия. Эта теория базируется на понятии «множества» как совокупности предметов, рассматривает правила объединения предметов в множества и анализирует отношения между множествами. Например, выражение *11·54 (см. выше на рисунке) относится к высказыванию, помещенному в другом месте книги и гласящему: «Можно взять утверждение о том, что существуют две вещи, и разделить его на два утверждения — каждое о существовании одной из вещей». Простые числа и то, как мы ими оперируем в быту, — всего лишь слабая тень величественного здания математики, возведенного математиками-философами наподобие Рассела и Уайтхеда.

Однако чтобы понять, почему в математике важна точность, особых знаний не требуется. Иногда привычный нам способ смотреть на вещи может завести в тупик (даже на уровне школьного курса математики). Вот вам, к примеру, доказательство, что 3 = 4.

Допустим:

а + b = с

Это выражение также можно записать следующим способом:

4а − 3а + 4b − 3b = 4с − Зс

(Потому что 4а − 3а — это просто «а», 4b − 3b — просто «b», и так далее.)

Преобразуем получившееся равенство:

4а + 4b − 4с = 3а + 3b − Зс

(Переносить элементы из одной части равенства в другую разрешается, если при этом вы не забываете сменить знак на противоположный, то есть с минуса на плюс и наоборот. Так, например, 4х − 3 = 0 можно иначе выразить как 4х = 3, переместив -3 в другую часть равенства и сменив знак на плюс. Это то же самое, что добавить одно и то же число, +3, к обеим частям равенства. Если добавить к обеим частям равенства одинаковое число, равенство сохраняется.)

Теперь преобразуем пример следующим образом, то есть вынесем общий множитель за скобки:

4 (а + b − с) = 3 (а + b − с)

Разделим обе части на (а + b − с) и придем к выводу, что 4 = 3.

В основе этого ложного умозаключения лежит ошибка, которую может совершить каждый, кто не очень чуток к законам арифметики. Столкнувшись с подобной головоломкой, многие из нас предпочитают руководствоваться здравым смыслом, а не блестящими образцами доказательств, порожденных научной мыслью. Мы уподобляемся госпоже Ла Туш, даме, жившей в Викторианскую эпоху и известной лишь тем, что однажды она изрекла: «Ненавижу сложение. Нет большего заблуждения, чем называть арифметику точной наукой. Сплошные пермутации и аберрации, различимые лишь для таких благородных умов, как мой; неприметные вариации, которых простой бухгалтер и не увидит; скрытые законы чисел, которые требуют недюжинных умственных способностей, вроде моих. К примеру, если вы сложите слагаемые, расположенные столбиком, снизу вверх, а потом сверху вниз, — результат всегда получится разный»[23].

А все началось с обеда…

Математика имеет каверзное свойство очень быстро все усложнять и запутывать. Казалось бы, начали вы разбирать простую и всем понятную задачку, и вот — оглянуться не успели, как все вышло из-под контроля, а у вас от напряжения мозг свело.

Рассмотрим одну из таких задачек. На обеде, куда приглашены шестеро гостей, либо трое из них уже знакомы друг с другом, либо трое совершенно друг друга не знают. Докажите это.

Ситуация вполне правдоподобная, но, сколько ни думай, доказательство все время ускользает. В условии не говорится, что собравшиеся делятся на две группы: друзья и незнакомцы. Также нигде не сказано, что они все не могут быть друзьями или чужаками. Вроде бы очевидно: если среди собравшихся есть двое друзей, то остальные четверо должны быть чужаками, но это тоже неверно. Двое из этих самых «чужаков» могут быть знакомы между собой, но не знать ни одного из «друзей».

А вот математик враз покончит со всей этой неразберихой. Он возьмет карандаш, а лучше два карандаша, красный и синий, или даже три — красный, синий и черный, и нарисует круг из шести черных точек, каждая из которых обозначает гостя. Затем он соединит красными линиями все пары людей, которые знают друг друга, и синими линиями — пары незнакомцев. В этом узоре из пятнадцати линий обязательно окажется либо красный, либо синий треугольник: трое людей, знакомых друг с другом, либо трое, которые друг друга не знают.

Конечно, рисунок не доказывает изначальное высказывание, зато он переводит неясную ситуацию с людьми в четкое математическое выражение. Задача теперь рассматривает точки, соединенные линиями, то есть схему, а не людей и их взаимоотношения.

Область математики, имеющая дело с такими задачами, называется теорией Рамсея — в честь гениального кембриджского математика Фрэнка Пламптона Рамсея (1903–1930), умершего в 26-летнем возрасте, но успевшего внести существенный вклад в математику, экономику и философию. Задачка с обедом — одна из простейших в этой области, графы к более сложным задачам содержат больше точек, соединенных большим количеством линий. Граф, в котором каждая точка соединена со всеми остальными точками прямыми линиями, называется «полный граф». Граф, находящийся внутри этого множества линий, например красный или синий треугольник из вышеописанного примера, носит название «подграфа». Задачи в теории Рамсея обычно формулируются в виде вопросов типа: каково должно быть минимальное количество точек, чтобы образованный ими полный граф, случайным образом нарисованный красным или синим карандашами, содержал либо красный треугольник, либо синий четырехугольник?

Такие задачи на удивление трудно поддаются решению. Если в задачке про обед изменить условие и вместо трех сделать пятерых друзей или пятерых незнакомцев, то решить ее станет невозможно. Ответ можно будет выразить как R (5,5) — минимальное число гостей, необходимое, чтобы среди них оказалось либо пятеро друзей, либо пятеро человек, незнакомых друг с другом, но что это за число — никто не знает. Максимально близко к ответу ученые подошли, когда определили, что это R (5,5) находится где-то между 43 и 49. Венгерский математик Пал Эрдёш (1913–1996) однажды написал: «Представим себе, что некая инопланетная армия, куда более могущественная, чем наша, прилетит на Землю и потребует сообщить им точное значение R (5,5), а в противном случае пригрозит уничтожить нашу планету. Чтобы найти это значение, нам потребуется привлечь все имеющиеся компьютеры и математиков. А случись инопланетянам, допустим, потребовать значение R (6,6) — проще будет сразу попытаться уничтожить пришельцев».

Хотя считается, что математиков во всем интересует точность, иногда они согласны и на меньшее. Знать, что значение R (5,5) лежит между 43 и 39, почти так же хорошо, как, скажем, установить, что оно равняется 46. (Если вдруг впоследствии окажется, что это правильный ответ, обязательно потребую признать себя автором великого открытия!) Но в одной конкретной рамсеевской задаче эта терпимость к неточностям приводит к смехотворным результатам.

Наряду с подграфами, которые содержатся в полных графах, нарисованных на плоскости (как в вышеописанных примерах), теория Рамсея может задаваться вопросами касательно подграфов, находящихся в трехмерных полных графах. Например, нарисуйте восемь точек на плоскостях близ угла куба и соедините их все между собой — вы получите множество линий, среди которых будут попадаться разнообразные более простые фигуры. Теперь можно задавать вопросы касательно отдельных подграфов в этом полном графе, включая те, что лежат на плоскости. Все треугольники, разумеется, окажутся на плоскости, но подграфы из четырех и более точек — необязательно.

Для математиков, занимающихся теорией Рамсея, двух- и трехмерные фигуры — детский сад. Рамсеевская задача с самым неточным в мире ответом имеет дело с полными графами более высоких измерений. Обрисую вопрос в общих чертах, даже не пытаясь объяснить его. (Вам нужно только знать, что гиперкуб — это существующий в многомерном пространстве эквивалент двухмерного квадрата или трехмерного куба.) Итак, задача: каково минимальное количество измерений гиперкуба, чтобы получился полный граф с четырьмя точками, лежащими в одной плоскости, — при условии, что все линии, соединяющие все пары углов, двухцветные?

Еще никому не удалось ответить на этот вопрос, однако американский математик Рональд Льюис Грэм (р. 1935) нашел верхнюю границу ответа. Как 49 для R (5,5), верхняя граница — это число, для которого вы можете доказать, что оно больше правильного ответа либо равно ему.

Грэмовская верхняя граница являет собой столь огромное число, что для его записи потребовалась бы особая система счисления. И запись даже в такой системе счисления оказалась бы слишком длинной, чтобы включать ее в книгу. Достаточно лишь сказать следующее: число это столь огромно, что, если бы вся материя во Вселенной превратилась в перья и чернила, ее все равно не хватило бы, чтобы записать полученное значение в десятичной системе счисления.

И вот что самое забавное во всей этой истории: как было недавно подсчитано, правильный ответ может оказаться совсем не таким уж внушительным. Например, он вполне может равняться 11.

«Крибле, крабле, гугл!», или Как работают поисковые системы Интернета

Зачастую, пользуясь компьютерами, мы не задумываемся о принципах их работы, так же как, крутя баранку, предпочитаем не вникать в процессы, происходящие под капотом. На такие показатели, как скорость обработки информации или размеры памяти, мы если и обращаем внимание, то лишь при покупке нового компьютера, но редко отдаем себе отчет, какого уровня развития достигли технологии, ставшие столь привычной частью современного мира.

Лучшую иллюстрацию тех небывалых свершений, на которые способны компьютеры, я вижу всякий раз, как набираю в поисковой системе «Гугл» очередное слово или фразу. Например, напечатав по-английски слово «type» («печатать, печать, шрифт»), я всего за 0,16 секунды (это время отображается на экране) получаю первую страницу списка из приблизительно 2 780 000 000 страниц интернет-сайтов, где встречается это слово. Информация о почти трех миллиардах страниц найдена менее чем за пятую долю секунды. Если вы наберете «movable type» («шрифт из подвижных литер»), всего через 0,2 секунды вам сообщат, что существует около 15 100 000 страниц, содержащих это словосочетание. А если набрать «the phrase “movable type”» («словосочетание “шрифт из подвижных литер”»), через 0,08 секунды придет ответ, что страниц с этой фразой найдено ровно восемь. Точнее, найдено восемь разных страниц, поскольку «Гугл» указывает, что если учитывать копии этих восьми страниц, то общее их число достигнет сорока.

Как же это происходит? Неужели где-то стоит компьютер, который по моему запросу считывает все содержимое Интернета и за долю секунды выбирает из него нужные мне страницы?

Вообще-то, нет. «Гугл» действует гораздо умнее, хотя и не менее поразительно. Он постоянно, по мере создания новых интернет-сайтов, собирает их и добавляет в свою базу данных. Всякий раз, запрашивая ту или иную страницу, он создает список всех слов на этой странице и добавляет эти слова в алфавитный указатель, присвоив каждому слову уникальный адрес, в котором помечена страница, где находится слово. То есть, проще говоря, слово «type» в этом указателе закреплено за 2 780 000 000 или около того страниц. Список этих страниц существовал еще до того, как вы вбили запрос в строку поисковика, так что 0,16 секунды — это время, которое требуется компьютеру, чтобы сообщить вам то, что он и так уже «знал». Выше в этом алфавитном указателе будет и слово «movable» с примерно 25 миллионами ссылок на страницы. Если ввести в поисковик слова «movable» и «type» отдельно друг от друга, то есть без общих кавычек, «Гугл» сравнит два отдельных списка (2 780 000 000 и 25 000 000 адресов страниц) и составит новый список, где будут только страницы, присутствующие в обоих списках, то есть лишь те страницы, на которых содержатся оба слова. Но вот, скажем, я решил набрать слова «movable type» в кавычках, означающих, что мне нужны только те страницы, где эти два слова встречаются вместе, причем «type» следует сразу за «movable». Здесь начинает работать другой тип информации, собранной при составлении указателя. Помимо того факта, что слово «movable» содержится, скажем, в документе 12, указатель также знает, на какой позиции в этом документе находится искомое слово, — допустим, на позиции 31. Теперь вообразите себе, что в указателе содержится серия строк вида (Д12,31), соответствующих слову «movable» и содержащих номер документа и позицию слова. Строки, относящиеся к слову «type», тоже находятся в указателе и имеют несколько иной вид — допустим, (Д 12,32). Сравнивая строки в списках, «Гугл» определяет, что словосочетание «movable type» встречается в документе Д12, где искомые слова находятся на позициях 31 и 32, и включает адрес документа Д12 в список найденных по запросу страниц.

Люди с избытком свободного времени придумали целую игру с использованием поисковой системы «Гугл» — «гугл-вэкинг»[24]. Цель игры — найти комбинацию из двух слов, которая встречается в громадном архиве «Гугла» всего на одной странице. Найдя такую комбинацию, гугл-вэкеры сообщают о своем открытии на специальном гугл-вэкерском сайте. «Но в таком случае эта комбинация слов сразу перестанет быть уникальной, — возразите вы. — Ведь теперь она встречается уже на двух сайтах — изначальном и гугл-вэкерском». Однако «Гугл» милостиво исключил сайт гугл-вэкеров из своего поискового процесса, так что парадокса удалось избежать.

Моя бесконечность больше твоей!

Многим из нас не так-то просто свыкнуться с понятием бесконечности и особенно с мыслью о том, что бесконечности бывают разных размеров. Но факт остается фактом: математики имеют дело с бесконечностями нескольких размеров, каждая из которых «бесконечно» больше, чем предыдущая. Многим «бесконечность» представляется в виде числа, к которому стремишься, когда считаешь от единицы и дальше, — и так вечно. В таком ракурсе идея о существовании чисел, превышающих эту бесконечность, кажется абсурдной (разве что считать придется больше, чем вечно). Пытаясь продемонстрировать, что такие числа все-таки есть, математики использовали так называемую биекцию, то есть взаимно-однозначное соответствие.

Предположим, вы выстроили все числа в ряд (1,2,3…) и так до «бесконечности» (в дальнейшем я не буду пользоваться кавычками, но имейте в виду: даже если из моих слов покажется, что бесконечность являет собой некое конкретное число, на самом деле это не так). Если бы у вас был другой ряд чисел, скажем дробей, и вы бы могли соотнести эти два ряда так, чтобы каждому числу соответствовала парная ему дробь, а у каждой дроби была пара в виде целого числа, и так до бесконечности, то можно было бы сказать, что оба ряда содержат одинаковое количество чисел, следовательно, их бесконечности равны.

И напротив, если бы у вас был ряд чисел, которые нельзя попарно соотнести с целыми числами так, чтобы не осталось неохваченных, лишенных пары чисел, вы могли бы сказать, что бесконечность данного ряда чисел больше бесконечности целых чисел.

Рассмотрим для начала дроби. На первый взгляд не похоже, чтобы дробей существовало столько же, сколько целых чисел, а не больше. Ведь между каждыми двумя соседними целыми числами — скажем, 1 и 2 — окажется куча дробей: 3/2, 4/3, 6/5 и т. п. Но если можно расставить все дроби в единственно возможном порядке, создав из них бесконечно долгую последовательность, то что мешает, к примеру, поставить целое число 817 в пару к дроби с 817-м порядковым номером в списке дробей? Итак, у каждой дроби окажется единственно возможное парное ей целое число, и наоборот. (Причем целые числа окажутся и в списке дробей, ведь 4 можно выразить как 4/1.)

Теперь о том, как выстроить этот список. Сложите числитель и знаменатель каждой дроби и расположите их в порядке возрастания результата сложения, который мы обозначим как 5. (Если у дроби в числителе отрицательное число, просто не обращайте на знак «минус» внимания.) Итак, у дроби 1/2 s равняется 3; у 1/3 s равен 4; у 11/17 — 28 и так далее. У некоторых дробей будут одинаковые значения s, но поскольку наша единственная цель — выстроить длинную упорядоченную последовательность, мы можем ввести какое-нибудь правило, позволяющее однозначно определить, какая дробь должна стоять первой. Правило может быть таким: если несколько дробей дают одно и то же значение в, мы будем располагать их в порядке возрастания знаменателя. Так, у семи дробей: −4/1,1/4,2/3,3/2,4/1,-3/2,-2/3 — s равняется 5. Расположим их в порядке возрастания знаменателя: 4/1, -4/1, 3/2, -3/2, 2/3, -2/3, 1/4. А теперь пронумеруем каждый элемент этого длинного списка дробей так, чтобы каждая дробь попарно соотносилась с одним из ряда целых чисел, и так до бесконечности.

Итак, каждая дробь будет представлена в списке только один раз, и ей будет соответствовать целое число, равное номеру этой дроби в списке. Ни одна дробь не останется неохваченной, и ни одно целое число не окажется без соотнесенной с ним дроби, так что в обоих рядах будет одинаковое количество чисел.

Отлично! Так, может быть, признаем, что все бесконечные множества предметов имеют равное количество составляющих их элементов, даже если кажется, что это маловероятно, как в случае с дробями? Но как тогда могут возникнуть бесконечно большие множества предметов, которые больше, чем бесконечность порядковых номеров?

Немецкий математик Георг Кантор (1845–1918) обнаружил два ряда чисел, которые нельзя взаимно-одназначно соотнести друг с другом, как мы только что проделали с порядковыми номерами и дробями. Он оттолкнулся от посылки, что соотнести их можно, и нашел противоречие. Помните? — если вы придерживаетесь гипотезы, будто все лебеди белые, достаточно найти одного черного, и вся гипотеза пойдет насмарку (см. главу «Есть ли в космосе черные лебеди?»).

В одном из рядов чисел, рассматривавшихся Кантором, были натуральные, или целые, числа — такие же, как использованные нами. Другой совокупностью были так называемые вещественные (или действительные) числа. Вещественные числа эквивалентны точкам на линии от 0 до бесконечности, таким образом, их множество включает в себя целые числа и дроби, но также оно включает и иррациональные числа, которые не могут быть выражены в виде дробей с целыми числителями и знаменателями (см. главу «π = 3»), а могут выражаться лишь в виде десятичной дроби с длинным рядом знаков после запятой. Простые дроби тоже можно перевести в десятичные, но у них через несколько знаков после запятой начнутся сплошные нули. Так, 5/8 — это то же самое, что 0,62 500 000 000, тогда как в иррациональном числе 17,38279462900962835687648… знаки после запятой можно перечислять вечно.

Чтобы доказать, что вещественные числа нельзя взаимно-однозначно соотнести с целыми числами, Кантор продемонстрировал: как бы вы ни пытались выстроить вещественные числа в организованную последовательность, как мы проделывали с дробями, всегда есть шанс, что всплывет какое-нибудь вещественное число, которого в этой последовательности нет.

И вот как он это обосновал. Допустим, у нас есть совокупность всех вещественных чисел (которых бесконечное количество), и мы ввели некое правило, позволяющее выстроить их по порядку. Полученная нами в результате последовательность может выглядеть, например, так:

Какова бы ни была закономерность расположения чисел, она не очевидна, но речь сейчас не об этом. До тех пор, пока мы пребываем в уверенности, что можем соотнести любое вещественное число с привычным и милым нашему сердцу миром целых чисел, мы неизменно будем получать такую вот странноватую последовательность.

Итак, вы можете сунуть мне под нос этот список и похвастаться использованным правилом расположения чисел, благодаря которому любое взятое с потолка вещественное число вплоть до бесконечности обязательно где-нибудь в этом списке да найдется, а значит, бесконечность вещественных чисел равна бесконечности соответствующих им порядковых номеров, то есть целых чисел. Но как бы ни выглядел ваш список, я могу придумать вещественное число, которого там не будет.

Для простоты сосредоточимся только на знаках после запятой.

Я могу составить число, чей первый знак после запятой будет отличаться от первого знака в первом числе списка. Второй знак в моем числе не совпадает со вторым знаком второго числа. Третий знак моего числа будет отличаться от третьего знака после запятой в третьем числе списка, и так далее.

Взяв в качестве образца приведенный выше список, я могу составить число 0,3942501… Многоточие означает, что количество знаков после запятой бесконечно, как и у большинства вещественных чисел. А теперь я могу доказать, что, каким бы правилом при расположении чисел вы ни руководствовались, моего числа в вашем списке нет. Его не может там быть из-за самого метода, каким я его создавал, ведь от каждого вещественного числа в вашем списке оно отличается хотя бы на одну цифру. Это и есть тот «черный лебедь», доказывающий, что изначальное допущение, будто вы установили взаимно-однозначное соответствие между всеми вещественными и всеми целыми числами, неверно. Эти две бесконечности — бесконечность вещественных чисел и бесконечность целых чисел — существенно разнятся, на этой разнице Кантор основал целое новое направление теории чисел. Теперь, быть может, вас не удивит, что математики полагают, будто «размеров» бесконечностей не два, а гораздо больше. В действительности их бесконечно много, и, в довершение картины, данная бесконечность больше любой из бесконечностей, входящих в это количество.

Ползай с пользой!

За последние годы я оказывал компьютерную поддержку сразу нескольким научным проектам. Среди них были поиски внеземного разума, погоня за очень большими простыми числами и тестирование алгоритмов для построения трехмерного изображения белковых молекул исходя из их линейной формулы.

Причина, по которой меня попросили помочь в столь широком спектре важных научных исследований, к сожалению, почти не связана с присущими мне способностями и талантами и объясняется главным образом наличием у меня персонального компьютера.

Ученые, которые работали над этими проектами и десятками им подобных, привлекали скрытые ресурсы, таящиеся в недостаточном использовании домашними компьютерами вычислительного времени, которое в общей сложности составляет миллионы часов и позволяет добавить мощности собственным компьютерам ученых, когда требуется производить сложнейшие математические расчеты. Большую часть времени, даже когда мы работаем с домашними компьютерами, они загружены не на полную катушку. Один из первых проектов по использованию сэкономленного вычислительного времени назывался SETI — эта аббревиатура расшифровывается как Поиск Внеземного Разума — и требовал переработки огромных массивов информации, которая ежедневно поступает с устройства, закрепленного на гигантском радиотелескопе на острове Пуэрто-Рико. Поступающие данные являют собой разновидность «белого шума» — это радиоволны, хаотично испускаемые звездами и галактиками. Однако ученые надеются, что однажды среди этого шума попадется сигнал от представителей внеземной цивилизации, который будет выделяться некоторой регулярностью на фоне общей хаотичности. Скачав и установив простенькую программу, пользователи домашних компьютеров могут подключиться к анализу этой информации, которая поступает к каждому участнику программы регулярными порциями. Присоединившись к этому проекту, вы можете наблюдать, как программа на вашем компьютере анализирует полученные данные, и мечтать о том мгновении, когда ваш компьютер заметит регулярно поступающий сигнал и поставит весь мир на уши, отправив сообщение об этом в SETI.

Это была хорошая задумка, которую тут же подхватили другие ученые: им тоже требовалась обработка больших массивов данных, которая не требует сложнейшего программного обеспечения — достаточно обычного домашнего компьютера.

Такие проекты существуют по сей день, для участия в них вам всего лишь нужно подать заявку и скачать ту или иную специальную программу. Но я наткнулся на еще один хитроумный способ использования вашего и моего компьютеров, который даже не требует от нас согласия и контроля. Блуждая по Интернету, вы наверняка сталкивались с тем, что некоторые сайты просят вас распознать и ввести код из искаженных и не сразу узнаваемых цифр или букв. Это делается для того, чтобы удостовериться: сайтом пытается воспользоваться человек, а не компьютерная программа, ищущая, как бы обдурить он-лайновые сервисы — например, скупить билеты на концерт для перепродажи и взвинтить цены. Эти слова или буквенно-цифровые коды называются CAPTCHA [25].

Новые горизонты использования CAPTCHA открылись в ходе проектов по оцифровке книг, чтобы сделать их текст доступным в сети Интернет. Раньше процесс этот был весьма трудоемким и требовал, чтобы люди считывали текст и набирали его на компьютере. Позднее возникли менее затратные методы с использованием OCR (Optical Character Recognition) — программ для оптического распознавания текста, которые на высокой скорости считывают книгу и преобразуют ее в электронный документ. Однако чем старее книга, тем сложнее компьютеру распознать текст. Викторианский роман, отпечатанный мелким шрифтом на пожелтевшей и крошащейся бумаге, — твердый орешек для компьютера, в то время как у человека при чтении такой книги никаких проблем не возникает.

И тут снова на арене появляется CAPTCHA. Чтобы получить доступ к интернет-сервисам, люди вводят подобные коды более ста миллионов раз в сутки. Ученые-компьютерщики из питтсбургского университета Карнеги-Меллон показали, как можно использовать этот пустой труд, убедив владельцев некоторых сайтов использовать в качестве CAPTCHA слова, которые компьютеру не удалось распознать при оцифровке старых книг. Так, подстраховавшись, чтобы быть уверенными в правильном распознавании и использовав для этого на разных сайтах одно и то же слово, они создали систему для обработки неразборчивых слов, которые прежде требовали распознавания специалистом и введения в текст в ручном режиме. Эта система оптического распознавания текста, получившая название reCAPTCHA, во время испытаний показала точность 99,1 % (для сравнения: точность стандартной OCR — 83,5 %). За год работы этого проекта пользователи Интернета невольно расшифровали почти 500 миллионов слов, что равноценно количеству не поддающихся расшифровке слов из 17600 книг.

Так что, в следующий раз, блуждая, лазая, ползая по Интернету и столкнувшись там с кодом в виде деформированного и трудно различимого слова, изо всех сил постарайтесь разобрать его, ведь, возможно, вы не просто покупаете билет на выступление любимой группы, но еще и пополняете хранилище сокровищ мировой литературы в Интернете.

Завернутые на Моцарте

В 1890 году жителям Зальцбурга повезло — у них появилось новое лакомство, «Mozartkugeln» (в переводе на русский «шарики Моцарт»): сердцевина из фисташкового марципана под слоем нуги и темного шоколада. Традиционно эти круглые конфеты заворачивали в квадратные или прямоугольные фантики из серебристой фольги, и, конечно, часть фольги расходовалась впустую, образуя складки, неизбежные, если пытаешься обернуть шоколадный шарик плоским листком фольги.

Находясь, как все математики, в непрестанном поиске новых знаний, семейный тандем ученых из Нью-Йоркского университета — отец и сын[26] — решил установить минимальный размер кусочка фольги, необходимого, чтобы завернуть «Моцарткугель». Ведь заметное уменьшение размеров фантика позволило бы производителям конфет сэкономить на фольге.

В настоящее время используются два типа фантиков: один квадратный со стороной π ×√2, а другой прямоугольный со сторонами π и 2π. (Отрадно осознавать, что еще до того, как к «Моцарткугелям» потянулись руки американских математиков, в разработке фантиков использовался математический расчет.) В обоих случаях площадь обертки приблизительно на 60 % превышает площадь поверхности конфеты, из-за чего около трети идущей на фантики фольги пропадает впустую.

Не иначе как развернув (а возможно, и съев) немало «Моцарткугелей», математики наконец объявили, что нашли способ упаковывать конфеты в меньшее количество фольги. Они выяснили, что если взять фантик в виде равностороннего треугольника со стороной чуть меньше радиуса шарика, умноженного на пять, то можно завернуть в него конфету целиком и фольги на такой фантик уйдет на 0,1 % меньше, чем на нынешнюю обертку. А если найдутся критиканы, считающие, будто достигнутый результат яйца выеденного не стоит и замечательные математики с их несомненными талантами зря потратили силы, то ученые, надув щеки (а может, засунув туда по парочке ку-гелей), возразят, что их открытие может позволить фабрике, производящей «Моцарткугели», снизить углеродсодержащие выбросы в атмосферу, а значит, «хоть отчасти, но решить проблему глобального потепления».

А если я поведаю, что компания, производящая подлинные «Моцарткугели» (есть еще несколько имитаторов), выпускает в год 1,4 миллиона конфет, вам, может быть, удастся ответить на следующий вопрос Ферми (см. главу «Сколько в Чикаго фортепианных настройщиков?»): сколько килограммов фольги в год сэкономит фабрика, перейдя на фантики в виде равносторонних треугольников?

Гипотеза пожарного

Английский математик Годфри Харолд Харди (1877–1947), работавший в абстрактной сфере так называемой чистой, не прикладной математики, в своей книге «Апология математика» попытался оспорить популярное мнение, будто бы математика — удел избранных и интересоваться ею может лишь незначительная доля населения. Впрочем, попытки его выглядели не особенно убедительно — в одной из своих статей о математике он писал: «“Vorlesungen” [ «Лекции о теории чисел»] Ландау[27] или “История” Диксона[28] — шесть великих томов ошеломляющей эрудиции — куда лучше подходят для чтения за завтраком, нежели итоги футбольных матчей».

Харди указывал на тот факт, что многие с удовольствием играют в шахматы или бридж, а ведь обе эти игры требуют математического мышления, между тем как другие с неменьшим наслаждением решают публикуемые в газетах головоломки. Если бы Харди писал в наши дни, он наверняка отметил бы популярность математических головоломок судоку.

В 2007 году произошел трогательный случай, показавший, что необязательно быть математиком, чтобы увлечься цифрами. (Почему трогательный? Поймете чуть позже.) Нью-йоркский пожарный по имени Бобби Беддиа рассказал своему другу, что прошлый день рождения стал для него особенным — он достиг возраста, который сам называл своим «годом рождения». Он имел в виду год, когда его возраст сравнялся с двумя последними цифрами года рождения. Беддиа родился в 1953 году, следовательно, 53 года ему стукнуло в 2006-м. Каждый может вычислить свой собственный «год рождения» — мой был 1984-й[29]. А вот кого собственный «год рождения» наверняка разочарует, так это тех, кто родился в 1900 или 2000 годах.

Как выяснилось, какой бы ни был на дворе год (за исключением 2000-го), на празднование своего «года рождения» имеют право люди двух возрастов с разницей в полвека. Так, в 2006 году наряду с 53-летними ровесниками Беддиа свой «год рождения» отмечали трехлетки, рожденные в 2003 году, которым в 2006-м соответственно стукнуло три года.

Как и многие аспекты теории чисел, «беддианский год», как нарек его один математик, начался с простого наблюдения, но впоследствии породил несколько интересных вопросов, на которые не всегда легко ответить. Вычислить свой беддианский год, исходя из года рождения, проще простого, но как, например, определить, в каком году родились те, чей беддианский год придется, скажем, на 2014-й? Американский математик Барри Сипра решил копнуть еще глубже и попытался вычислить для каждого года, люди какого возрастного диапазона в этот год могут носит звание добеддианцев, то есть еще не достигших своего беддианского года. Сипра пришел к выводу, что в каждом случае речь идет не об одном, а о двух возрастных промежутках. Взяв для рассмотрения 2007 год, Сипра обнаружил, что к этому времени своего беддианского года еще не достигли малыши от 0 до 3 лет, а также возрастная группа постарше — те, чей возраст лежит в границах между 8 и 53 годами. Для всех остальных: тех, кому от 4 до 7 лет, и тех, кому от 53 до 99, — беддианские годы уже миновали. Сложных математических вычислений тут не требуется, однако нужен некий навык умственного жонглирования фактами, а именно — двумя видами чисел, годами и возрастами, и тем обстоятельством, что жизни многих людей «оседлали» рубеж столетий.

Досконально изучив скрытые возможности беддианской теории, Сипра и сам удивился, как столь простое наблюдение смогло подкинуть ученым несколько весьма непростых задачек. К сожалению, Бобби Беддиа так никогда и не узнал о выводах, сделанных математиком из его открытия. За месяц до окончания своего беддианского года он погиб при тушении пожара в пустующем офисном здании неподалеку от того места, где до 11 сентября 2001 года располагались башни-близнецы Всемирного торгового центра.

Вот так совпадение!

Математика Джека Литлвуда[30] однажды попросили припомнить самое поразительное совпадение в его жизни. В ответ он написал:

«Одна девушка шла по лондонской улице Уолтон в гости к своей сестре, Флоренс Роуз Далтон, служившей в доме номер 42. Она миновала дом номер 40 и подошла к дому номер 42, где действительно работала кухарка по имени Флоренс Роуз Далтон (однако она уехала в двухнедельный отпуск, и на это время кухарку подменила ее сестра). Но то был дом номер 42 на площади Овингтон (в конце эта площадь сужается до размеров улицы). А дом 42 по улице Уолтон находился чуть дальше. (Я гостил в доме на площади Овингтон и услышал об этом курьезном происшествии в тот же вечер.)».

Многие из нас попадали в подобные ситуации или хотя бы слышали о них — волей-неволей поверишь, что в таком, казалось бы, случайном стечении обстоятельств кроется некий глубинный смысл. Однако испытываемое нами изумление зачастую связано с тем, что мы услышали только часть истории или ничего не знаем о такой вещи, как теория вероятности.

Обратимся к первому варианту. Допустим, некто звонит вам по телефону и правильно называет имя лошади, которая победит в предстоящем заезде. Проходит неделя, и этот человек снова звонит вам и опять угадывает победителя. Вас так и подмывает принять его предложение и вложить деньги в лошадь, которая победит на следующей неделе. Но что, если я расскажу вам, что еще до первых скачек, где участвовало десять лошадей, этот человек обзвонил сто человек и назвал имя каждой лошади группе из десяти человек? Во второй раз он позвонил уже только тем десятерым, которым в прошлый раз досталась лошадь-победительница, и назвал каждому по одной лошади из второго заезда. Одному человеку из сотни — то есть в данном случае вам — повезло, ему уже дважды правильно указывали победителя. Ничего удивительного, что вам сложно справиться с искушением и не поставить в третий раз все деньги на кон, хотя в действительности шанс «вашей» лошади на победу всего лишь один к десяти.

Одно из самых широко обсуждаемых «пугающих» совпадений связано с написанным в 1898 году романом «Гибель “Титана”». Книга повествует о корабле под названием «Титан», который во время своего первого рейса, в апреле, столкнулся с айсбергом и затонул. Четырнадцать лет спустя, в апреле, во время первого своего плавания из-за столкновения с айсбергом затонул «Титаник». Погибло 1500 человек, причем многие — из-за нехватки спасательных шлюпок. В книге при крушении «Титана» погибло около 3000 пассажиров и членов экипажа.

Это совпадение на практике куда более вероятно, чем может показаться. Предположим, вы живете в 1898 году и хотите написать полный драматизма роман о кораблекрушении. Вам понадобятся название судна, маршрут, причина катастрофы и еще несколько факторов — наподобие огромного количества жертв и всеобщего внимания к происходящему, — добавляющих рядовой аварии на водах накал страстей. Почти все точные детали из этого списка, позволяющие вымышленному судну «совпасть» с реальным «Титаником», — результат логического выбора. Для начала корабль должен быть большим, а значит, носить имя, отражающее внушительные размеры. Названия «Гаргантюа», «Гигант», «Колосс» и «Громадина» не очень-то «корабельные», а вот что-то из области мифологии, ну, не знаю, допустим, «Титан», вполне может подойти. Если это крупное судно с английскими и американскими пассажирами (автор рассчитывал завоевать англоязычный книжный рынок), то вряд ли оно будет курсировать по Тихому или Индийскому океанам, а вот трансатлантический рейс — самое то. А какова самая распространенная причина кораблекрушений в Атлантике? Айсберги. И в какое время года айсберги представляют наибольшую опасность? В апреле.

Часто, когда мы слышим или читаем истории о поразительных совпадениях, нам преподносят такую версию событий, которая ради пущего эффекта (или для того, чтобы ввести в заблуждение) сдобрена вымышленными деталями. Вот вам пример из книги «Тайны необъяснимого», изданной под эгидой журнала «Ридерз дайджест»: «В 1930-е годы в Детройте мужчина по имени Джозеф Фиглок прогуливался по одной из жилых улиц, как вдруг на него из окна второго этажа выпал ребенок. Фиглок успел его поймать, и младенец отделался легким испугом. Ровно через год Фиглок снова шел по этой улице, и из того же окна прямо на него вывалился все тот же ребенок. Фиглок во второй раз вернул невредимого младенца матери и продолжил прогулку, сам он и на этот раз тоже не пострадал».

Весьма необычно, если, конечно, все вышеизложенное — правда. Но это не так. Найдя в библиотеке журнал «Тайм» за 17 октября 1938 года, мы узнаем следующее:

Не один и тот же ребенок и не из того же самого окна — а ведь именно эти две детали делали историю совершенно невероятной. Разумеется, описанный в «Тайм» случай все равно не укладывается в рамки рядового, однако даже профессия господина Фиглока сыграла в произошедшем свою роль: раз уж он целыми днями подметает чикагские улицы и переулки, то на кого же и падать выпавшим из окон младенцам, как не на него? Куда больше шансов, что ребенок приземлится на дворника, чем, скажем, на телефонистку, рабочий день которой протекает в помещении.

Пережитые на собственном опыте совпадения могут оказать на человека очень мощное влияние, особенно если он не знаком с данными статистики. Мартин Гарднер, американский математик и автор целого ряда научно-популярных книг, приводит яркий пример того, как возникают байки о вещих снах: «Предположим, некой даме снится, что ее тетушка Мэри погибает при пожаре. При этом мужу тетушки Мэри во сне удается спастись: он прыгает из окна и ломает ногу. Через несколько дней происходит одно из этих событий: тетушка Мэри умирает от болезни, ее муж, попав в аварию, ломает руку или в доме по соседству вспыхивает пожар. В случае смерти тетушки Мэри племянница сможет поведать подружками, что всего несколько дней назад видела во сне, что тетя умрет. Если дядя сломает руку, племянница, скорее всего, припомнит, что в ее сне он сломал какую-то кость, она не знает наверняка, какую именно, но думает, что это была рука. И само собой, если в соседнем доме случится пожар, она вспомнит именно этот аспект сна. Об остальных событиях того же сна, которых может оказаться великое множество, она так и не вспомнит».

Однажды в Кембридже, в библиотеке Тринити-Колледжа, я наугад взял с полки книгу, где была фотография актрисы, игравшей в водевилях, — некой госпожи Сенраб. Я показал снимок сопровождавшему меня коллеге и спросил, не замечает ли он в ее фамилии чего-нибудь странного. Он ответил «нет», и я указал ему, что если прочитать задом наперед, то получится «Барн(е)с»[31]. Может быть, она перевернула свою фамилию, чтобы получился эффектный сценический псевдоним, — трудно сказать наверняка. А потом я добавил:

— Это как с одной улицей в Вашингтоне. Она называется Танлоу, то есть Уолнат[32] наоборот.

Тут со стороны соседнего столика, за которым сидела, изучая что-то, молодая американка, раздалось изумленное «ах».

— Я живу как раз на Танлоу! — еле пискнула она.

А в довершение этой истории я, пожалуй, упомяну, что мой коллега жил в лондонском районе Барнс.

После подобных совпадений обычно возникают два вопроса. Во-первых, если совпадение — не просто итог целой вереницы случайных событий, то какой цели оно служит? Если бы сны о предстоящих несчастьях были вещими, они, по идее, должны были бы помогать предотвратить беду, но что-то я ни разу не встречал достоверной информации, чтобы из-за приснившейся кому-то авиакатастрофы самолет тщательно проверили бы и нашли бы неполадку в двигателе. В других, менее впечатляющих случаях, как тот, что произошел со мной в библиотеке, странное стечение обстоятельств не несет в себе никакой потенциальной пользы. К примеру, девушка с улицы Танлоу вовсе не оказалась моей давно потерянной родственницей (хотя, как потом выяснилось, мой дед по материнской линии одно время жил на улице Честнат[33] в городе Гаррисберге, штат Пенсильвания).

И второй вопрос: если бы мы жили в мире, где совпадений не бывает, заметили бы мы их отсутствие? Что ж, ответ будет: «Да». Ученые и математики[34] наверняка были бы крайне озадачены тем фактом, что, несмотря на расчеты вероятностей (исходя из которых можно предположить, что такое должно случаться сплошь и рядом), в мире, как ни странно, нет ни вещих снов, ни романов, обладающих смутным сходством с последующими событиями. И это отсутствие нуждалось бы в куда более серьезных объяснениях, чем нынешнее наличие подобных явлений.

Слова для счета, счет за слова

Мы настолько привыкли к словам, обозначающим те или иные числа, что даже трудно вообразить, каково это было, когда человечество только-только приблизилось к идее счета. Британский социальный антрополог Альфред Гелл (1945–1997) описал реакцию детей из клана умеда, обитающего на Новой Гвинее, когда их начали обучать счету:

Используемые нами числительные основаны на десятичной системе счисления. Все мы помним, как изменяются количественные числительные при переходе от первого десятка ко второму, как образуются числительные после ста и как это все соотносится с основанием системы — числом «десять». Занимаясь изучением умственных способностей и навыков жителей разных уголков планеты, антропологи обнаружили, что, хотя в основе большинства систем счета лежит 10, существуют и весьма причудливые альтернативные системы счисления, разработанные самостоятельно, а не перенятые у более продвинутых народов.

Некоторые народы используют двоичную систему. У австралийских гумулгалов[35], южноамериканских бакаири и южноафариканских бушменов есть слово, означающее цифру 1, и слово, означающее 2, и весь счет строится на их основе. Так, например, гумулгал, начав с единицы, считает следующим образом: «Один, два, один-два, два-два, два-два-один…» и так далее.

Вслед за двоичной системой по популярности следует пятеричная. Североамериканские зуни[36] разработали красивую систему чисел, основанную на количестве пальцев одной руки. Если перевести названия их числительных, то получится следующее:

Однако не все пятеричные системы ориентируются на пальцы руки. Южноамериканские индейцы абипоны для обозначения числа 4 применяют слово «гейенкнате» — «пальцы на лапах эму», а 5 на их языке звучит как «неенхалек» — «прекрасная шкура пяти цветов».

В системе счисления на основе небольших чисел (двух, пяти или десяти) числительные могут выглядеть довольно неуклюже, зато можно легко догадаться, по какому принципу они образуются, и считать хоть до бесконечности. Другая популярная система счисления — двадцатеричная, по количеству пальцев на руках и ногах. У проживающего на территории Бразилии галиби[37] числительное 20 звучит как «поупоу паторет оупоуми» и означает «ноги и руки». Но порой антропологи сталкиваются с более замысловатыми и громоздкими системами счета. Народ кева на Новой Гвинее выстроил свои расчеты на базе числа 47. К этому числу они пришли, считая части тела по кругу: сначала пальцы руки, бугорок большого пальца, ладонь и так далее на одной стороне тела, включая предплечье, плечо, шею, глаз, переносицу, а затем все то же самое на второй половине тела. Преимущество этой системы счисления в том, что, указав на ту или иную часть тела, вы тем самым можете быстро сообщить собеседнику любое число от 1 до 47.

Довольно сложно представить, как собиравших эту интереснейшую информацию антропологов воспринимали опрашиваемые аборигены. Однако некоторые свидетельства до нас все же дошли.

Французский антрополог Уту Лабилльярдиер[38] направлялся в Тонга, экспедиционное судно потерпело крушение, и ученому пришлось прожить среди местных жителей немало времени. Он распорядился этим временем с пользой. Заинтересовавшись словами, которыми жители Тонга обозначают большие числа, он обнаружил, что у тонганцев весьма обширный словарный запас. Узнав новое слово, антрополог аккуратно его записывал. Де Лабилльярдиер с удивлением выяснил, что у местных жителей есть отдельные слова для крупных круглых чисел: скажем, 10 000 000 они называли «лаоалаи», а 10 000 000 000 — «толо тафаи». Подобную легкость в обращении с огромными числами он объяснял так: «Нужно отдавать себе отчет, что люди, которым постоянно приходится считать батат, будь то один-два клубня или три тысячи, неизбежно должны были стать неплохими изобретателями числительных и найти способ упростить процесс счета».

Однако впоследствии антропологи, лучше понимавшие язык тонганцев, пришли к выводу, что местные жители просто подшутили над де Лабилльярдиером. Слово, которое они выдавали за 10 000 000, на самом деле означало «крайнюю плоть», вместо 10 000 000 000 они научили его произносить по-тонгански «пенис»; остальные мнимые числительные обладали столь же игривыми значениями. А самое большое число, какое де Лабилльярдиер мог себе вообразить, со слов тонганцев называлось «кы ма оу». Как потом выяснилось, эта фраза означает: «Нажрись всеми вещами, о которых мы тебе только что рассказали».

Ох и смеялись же они, наверное, в тот вечер за ужином, сидя вокруг котелка с варевом и вспоминая незадачливого чужеземца.

Один лист или два?

В церкви английского городка Грантчестер, что неподалеку от Кембриджа, пол вокруг алтаря украшен мозаикой. На пол этот равномерно нанесены повторяющиеся цветочные узоры. Один узор — лилия с шестью лепестками, а другой — роза с пятью лепестками, и оба они — символы кембриджского колледжа Тела Христова, покровителя грантчестерской церкви. Вы запросто можете пройти мимо, не обратив на узоры внимания, — подумаешь, всего лишь два цветка, выбранных художником без всякой видимой причины. Но — вот ведь совпадение! — эти два цветка и количество их лепестков отображают основное фундаментальное различие между цветковыми растениями, различие, на котором строится вся классификация растений.

В отличие от многих других способов систематизации мира природы, это различие было обнаружено удивительно поздно. Люди на протяжении нескольких тысяч лет выращивали, потребляли и исследовали растения, а сия существенная разница была обнаружена только в XVII веке натуралистом Джоном Рэем[39]. Он заметил, что ростки цветковых растений чуть-чуть отличаются друг от друга и что значение этого отличия весьма велико. В докладе, адресованном только-только рождающемуся Лондонскому королевскому обществу по развитию знаний о природе, он писал: «Великое множество растений появляются из земли с двумя листьями, которые в большинстве случаев не похожи на листья, появляющиеся впоследствии… эти два листка есть не что иное, как две доли семени». Затем он переходит к описанию более малочисленной группы растений, чьи «семена всходят с такими же листьями, как и все последующие, и чье семя не разделено на доли».

Два разных класса ростков, выявленных Рэем, получили названия «однодольные» (те, которые появляются с одним листом) и «двудольные», которые всходят с парными листьями, образовавшимися из двух семядолей. Те, у кого есть дача с приусадебным участком, наверняка видели, что всходящий лук выпускает один длинный лист, а капуста — два листка, таким образом, лук — однодольное растение, а капуста — двудольное.

В определенном смысле тот факт, что это фундаментальное различие так долго оставалось незамеченным, не кажется таким уж странным. В мире существует около 350 семейств двудольных и чуть более 50 семейств однодольных, и, если вы взглянете на взрослые растения одного и того же класса (каждого из этих классов), вам может показаться, что они совершенно не похожи друг на друга. Класс однодольных включает в себя лилии, тростник, осоку, злаки, ирисы, орхидеи и пальмы. Среди двудольных мы найдем жимолость, подсолнух, лютики, розы, горчицу, мальву, примулу, флоксы, львиный зев, мяту и герань. Разницу между представителями этих двух классов можно заметить, только присев на корточки и вглядевшись в совсем иные части растений, причем желательно через лупу.

Однако эти два класса растений играют совершенно разные роли в жизни человека. Один ботаник заметил, что «опыляемые ветром однодольные дают нам то, благодаря чему мы живы». Хлеб и каши, которые мы едим, а также пиво, которое мы пьем, — все это дают нам однодольные. Но опыляемые ветром злаки, из которых вырабатывают все эти продукты, производят на нас куда меньшее впечатление, чем растения с драматически яркими цветками (см. следующую главу «Цветок — молоток!») — те, которым для размножения нужно приманивать к себе насекомых-опылителей.

Корни, листья, части цветка и даже совокупность крошечных трубочек, составляющих сосудистую систему растения, — все это в конечном счете сводится к самому первому отличительному признаку — одному или двум листкам на стадии всходов. И есть еще одна столь же простая и не менее долго остававшаяся незамеченной черта, различающая эти два класса: у цветков однодольных растений бывает три или шесть лепестков, а у цветков двудольных — четыре или пять. Как видим, шестилепестковая лилия с грантчестерской мозаики — однодольное растение, а роза с ее пятью лепестками — двудольное.

Цветок — молоток!

Все мы в общих чертах представляем себе отношения между цветами и некоторыми видами насекомых и птиц. Функция цветка — приманивать насекомых и мелких птиц, чтобы те опустились на него, и на их лапки и тельце попала пыльца, содержащая мужские половые клетки для оплодотворения прочих цветков. Таким образом насекомые и птицы доставляют эти клетки к женским органам других растений. Задача цветка — привлечь внимание, и решается она обычно благодаря сочетанию ярких лепестков и соблазнительного запаха, источаемого нектаром. Но у разных растений различаются и стратегии.

Результаты исследования, проведенного в 2007 году, продемонстрировали, на какие хитрые уловки пускаются различные растения ради того, чтобы добиться наилучшего опыления. Группа ученых из Корнелльского университета задалась вопросом, почему в состав нектара одного растения семейства пасленовых, а именно табака оттянутого (Nicotiana attenuata), входит никотин — химическое вещество, которое отпугивает как раз тех существ, которых растению нужно привлечь. Главные опылители табака оттянутого — бабочка бражник и птица колибри, и оба этих вида не любят запах и вкус никотина.

Ученые догадались, что, помимо привлечения определенных существ, табак оттянутый должен еще и отпугивать других. Некоторые гусеницы питаются цветками — неплохо, чтобы такие держались подальше, как и отдельные виды пчел, которые подлетают к цветку сбоку и высасывают нектар, не перенося при этом пыльцу на другие цветки.

И наконец, недостающий фрагмент мозаики: цветки должны привлекать внимание, но в меру. Например, у некоторых орхидей вообще нет нектара, они полагаются только на свою замысловатую красоту. Когда ученые добавили в чашечки орхидей нектар, насекомые стали подолгу задерживаться в цветке и в итоге успевали облететь и опылить гораздо меньшее количество растений. Так что чрезмерная привлекательность может уменьшить эффективность опыления. Чем больше времени отдельное насекомое (или птица) посвящает одному цветку, тем меньше других цветков оно посетит, оставив там часть собранной пыльцы.

И как же вышеперечисленные факторы объясняют свойства цветков табака оттянутого? Ученые решили сыграть на пропорциях двух главных составляющих: отталкивающего никотина и привлекательного запаха нектара. Они вывели несколько генномодифицированных разновидностей табака оттянутого: от варианта с цветками без запаха и огромным количеством никотина до растения с очень душистыми цветками без всякого никотина. Затем к растениям допустили опылителей и стали наблюдать, какие насекомые и птицы направятся к каким цветкам и надолго ли задержатся.

Было обнаружено, что для достижения цели оптимальна естественная, существующая в природе комбинация аромата и никотина. Растение использует стратегию кнута и пряника, привлекая опылителей и заставляя естественных врагов держаться подальше. А никотин, помимо отпугивания врагов, еще и ограничивает время пребывания опылителей в чашечке цветка, благодаря чему за день те успевают посетить большее количество растений.

Старейшее живое существо на Земле

Один геолог в 1964 году вел исследования в калифорнийских Белых горах. Он извлекал образцы сердцевины стволов у нескольких очень старых деревьев вида сосна остистая межгорная. Считалось, что этим деревьям несколько тысяч лет, сердцевина стволов у них уже давно отмерла, а наружные слои древесины и кора до сих пор живы. Добытые образцы позволяли установить возраст дерева и климатические условия, сопутствовавшие формированию того или иного слоя древесины. Исходя из этих данных геолог планировал вычислить размеры ледников, покрывавших эту местность в былые времена.

К несчастью, инструмент, с помощью которого он добывал образцы, сломался, и геолог запросил у Федерального лесного управления США разрешение спилить одно дерево, чтобы получить необходимые сведения по годовым кольцам на срезе. Лесное управление ответило согласием и тем самым подписало смертный приговор самому старому живому организму на планете. Выяснилось, что дереву было 4950 лет. Это все равно как если бы врач хотел сделать пункцию, чтобы узнать, в каком состоянии здоровье пациента, но из-за поломки иглы для пункций запросил разрешение на убийство — мол, вскрытие покажет все как нельзя лучше.

У срубленного дерева есть младший сосед, найденный в 1950-е годы и до сих пор живой. Согласно расчетам, в 2012 году дерево должно справить свой 4800-й день рождения[40]. Эти деревья живут так долго из-за медленного обмена веществ. За сто лет слой их древесины становится толще всего на два с половиной сантиметра. Одни и те же иголки остаются на дереве по тридцать — сорок лет, а семена из шишек даже самого древнего дерева до сих пор всхожи.

Остистая межгорная сосна считалась старейшим живым организмом на Земле вплоть до 2008 года. Затем некий ученый-дендролог сообщил, что в горах Швеции найдено несколько елей, одна из которых насчитывает аж 9 550 лет. Вот так в одночасье возраст старейшего живого обитателя планеты увеличился вдвое.

Юность этого дерева пришлась на те времена, когда земледелие находилось еще в зачаточном состоянии, только-только начали возникать первые города и было изобретено колесо, — за тысячи лет до расцвета главных древних цивилизаций Востока и Средиземноморья.

Как и в случае с самым крупным живым организмом, грибом опенком Armillaria из Орегона, занимающим площадь 890 гектаров (см. следующую главу «Полуживотное, полурастение и прекрасно на вкус»), для подтверждения уникальности шведской сосны потребовался анализ ДНК. В отличие от большинства известных нам деревьев у этой породы несколько стволов. Один ствол может прожить до шестисот лет, но как только он отомрет, рядом вырастет новый — с точно такой же ДНК, а следовательно, являющийся частью все того же организма.

Кстати, имя у ученого, сделавшего этого открытие, самое что ни на есть подходящее — Лейф: профессор Лейф Куллман[41].

Полуживотное, полурастение и прекрасно на вкус

Когда вы едите шампиньоны по-гречески или омлет с трюфелями, вам может показаться, что это овощное блюдо. Ничего подобного! Много лет считалось, что грибы — это растения, представители растительного царства, хотя и с некоторыми особенностями. Но современная наука доказала, что дело обстоит иначе.

На сегодняшний день найдено и описано более 56 000 видов грибов[42]: от неприятного кожного заболевания, возникающего между пальцев ног, до роскошных деликатесов. С появлением человечества грибы влияли на нашу историю всевозможными способами. Некоторые до сих пор верят, будто легендарное «проклятие фараона» — это исключительно живучий грибок, который дремал в египетских гробницах, пока их не вскрыли археологи. Спорынья, грибок, поражающий колосья ржи, в Средние века вызывала вспышки массового безумия. А фитофторозная гниль картофеля, спровоцированная еще одним грибком, разрушила в XIX веке жизни тысяч ирландцев, которые умерли от голода или вынуждены были эмигрировать. Филоксера, грибок, паразитирующий на винограде, нанесла в свое время серьезный удар по французскому виноделию.

Впрочем, грибы принесли человечеству и много новых удовольствий. Без них не поднималось бы тесто для хлеба; многие грибы съедобны сами по себе; другие превращают овечье молоко в сыр рокфор, а творог — в камамбер. А еще один грибок, Penicillium notatum, дал миру первый и самый широко используемый антибиотик.

Эти живые организмы развивались в той же самой среде, что и растения с животными, и часто помогали выживать своим соседям. Один гриб, например, соседствует с некоторыми видами трав и следит за здоровьем каждой отдельной травинки. Если одна из травинок страдает от нехватки воды или питательных веществ, гриб выстраивает мостик между этой и ближайшей к ней здоровой травинкой и перекачивает свежую порцию воды и пищи. Другой гриб выстроил своеобразный треугольник отношений с некоторыми видами деревьев и белками. Грибница поселяется в корнях дерева и помогает ему добывать питательные вещества из почвы. Грибными телами[43], образуемыми грибницей, питаются белки и вместе с пометом разносят споры к новым деревьям.

Пытаясь классифицировать те или иные формы жизни, ученые уже давно не полагаются на внешний вид. Изобретение сложной технологии анализа ДНК позволило наконец отыскать различия между грибами и растениями. В клеточных мембранах грибов, в отличие от мембран растительных клеток, не содержится клетчатки, и химические вещества, участвующие в метаболизме грибов, совсем не такие, как у растений.

Результаты анализов ДНК показали, что существуют три царства живых существ: животные, растения и грибы, — которые отделились от общего биологического предка около миллиарда лет назад. Царство грибов, в свою очередь, разделено как минимум на восемь различных подгрупп: от живущих в воде хитридиомицетов до дрожжей и пенициллина, от паразитирующих на растениях пукциниомицетов до съедобных грибов и поганок. Как и в случае с растениями и животными, разнообразие видов грибов поражает: от микроскопических (те же дрожжи) до очень крупных. Самый крупный из найденных съедобный дождевик (эти грибы необычайно вкусны, если порезать их дольками и обжарить на сливочном масле) был в обхвате 2,6 метра и мог выпустить несколько миллиардов миллиардов спор — генетического материала, дающего жизнь другим дождевикам. На этом примере было подсчитано, что спор одного крупного дождевика хватит на то, чтобы заселить этими грибами несколько галактик.

Один из видов грибов, опенок, или армиллярия (Armillaria ostoyae), может разрастись аж до сотен гектаров и весить не одну сотню тонн. В американском штате Орегон найден опенок, которому, судя по всему, полторы тысячи лет, и каждая клетка этого гигантского гриба имеет одну и ту же ДНК. Таким образом, этот гриб — единый организм, который куда крупнее синего кита или секвойи. Он признан самым крупным живым существом на Земле.

Кто же изобрел колесо?

Колесо — сугубо человеческое изобретение. Ни одно другое существо в процессе эволюции так и не обзавелось комплектом колес, чтобы облегчить себе перемещение. Иногда, правда, ученые вспоминают саламандр, которые сами образуют нечто вроде естественной шины, сворачиваясь в круг и скатываясь с горки. Подобным же образом поступают и некоторые гусеницы. Если рассматривать вопрос в этом ракурсе, то изобретателями колеса можно счесть первобытных людей — еще много тысяч лет назад они подкладывали под особенно тяжелые камни бревна и катили камни по ним. Однако подлинным открытием стало появление оси, чтобы объект мог перемещаться на значительные расстояния и при этом не приходилось через каждые два-три шага менять и перекладывать бревна-катки.

Трудно себе представить, чтобы в живой природе мог возникнуть полный аналог колеса, ведь органы человека и животных требуют кровоснабжения. Даже ногти и волосы — самые безжизненные на вид части тела — требуют постоянного питания, и даже самая развитая кровеносная система, будь она частью живого колеса из мяса и костей, при вращении завязалась бы в узел.

Но если мы обратим свой взгляд на более мелкие формы жизни, нежели люди, саламандры или гусеницы, то все-таки найдем существо, изобретшее или, скорее, превратившееся в ходе эволюции в нечто вроде колеса. Некоторые бактерии научились при помощи длинных волокон передвигаться в жидкой среде. Но они не просто совершают волоконцами, как веслами, круговые взмахи. Они крутятся сами, делая обороты вокруг волоконца, свободно крепящегося в углублении на поверхности бактерии. Получается, что волоконце, или жгутик (так этот орган бактерий называется в биологии), заменяет собой ось, а тело бактерии — колесо. У основания жгутика сосредотачиваются молекулы, которые в совокупности действуют как мотор и побуждают жгутик совершать до нескольких сотен оборотов в секунду. В 2008 году ученые из Оксфордского университета установили, что эти «моторы» даже снабжены сцеплением — молекулой, которая соединяется со жгутиком и отделяется от него, чтобы жгутик не крутился в те моменты, когда бактерии не нужно двигаться.

Рак-попрыгун

Действия наподобие почти моментального отдергивания руки от пламени являют собой жизненно необходимый защитный механизм. Те животные, которые не обладают быстротой реакции, позволяющей избежать опасности, неизбежно вымерли бы, предоставив выживать существам вроде нас, у которых такая способность есть и которые передают ее по наследству своим потомкам. Такие действия называются рефлекторными и сильно отличаются от большинства наших повседневных занятий.

Рассмотрим последовательность событий, из которых складывается наша реакция на увиденный стакан лимонада:

1. «Ага, я вижу стакан лимонада»;

2. «Хочу ли я пить?»;

3. «Да, хочу»;

4. «Сейчас мне надо бы отдать команду мышцам руки и пальцам поднести стакан ко рту»;

5. «А теперь не помешало бы открыть рот и выполнить сосательное движение, чтобы лимонад попал в полость рта», и так далее и тому подобное.

Хотя чисто теоретически информация от органов чувств, поступающая в мозг при соприкосновении с огнем, отчасти схожа со зрительной информацией о стакане лимонада, наши реакции при этом существенно различаются. Мы не говорим про себя:

1. «Ага, обжигающе горячее пламя»;

2. «Хочу ли я избежать соприкосновения с ним?»;

3. «Да, хочу»;

4. «Тогда надо бы отдать команду мышцам руки и убрать ладонь подальше от пламени».

Если бы мы каждый раз проходили через все эти стадии, у нас сейчас были бы обугленные культи вместо пальцев.

Мы и другие существа выработали некоторые действия, которые ради экономии времени происходят, минуя процесс принятия решений. Когда речь идет о рефлекторных действиях, путь от внешнего импульса (пламя) до реакции (движение мышц) проходит не через головной мозг, а по гораздо более короткому, «бессознательному» маршруту — через соответствующие отделы спинного мозга. На деле это вовсе не означает, что мы не осознаем происходящего, просто к тому времени, когда мы отмечаем болезненные ощущения от пламени, рука уже оказывается отдернута.

Нервную деятельность живых организмов часто изучают на примере пресноводных раков. В случае неминуемой угрозы у рака срабатывает очень важный рефлекс, который можно было бы назвать «прыжок на хвосте назад», — рак делает мощный гребок хвостом и, отскочив назад, избегает опасности. Мускулы, позволяющие сделать такой прыжок, срабатывают при получении сигнала от гигантского нервного волокна, расположенного у рака в брюшке. Отдельные предостережения от органов чувств об угрозе — будь то всплеск воды или тычок хищника — поступают по разным нервным волокнам к этому огромному волокну (оно называется брюшной нервной цепочкой), а места соприкосновения нервных волокон называются синапсами. Брюшная нервная цепочка, в свою очередь, пересылает информацию мышцам, когда количество импульсов от органов чувств, поступающих одновременно, достигнет критической массы — примерно так внезапный шквал звонков в службу спасения заставляет предположить, что случилось нечто действительно неприятное.

Ученые много лет бились над одним из аспектов этого рефлекса: как все эти сообщения от органов чувств попадают к гигантскому нервному волокну в одно и то же время, если воздействие происходило в самых разных уголках тела рака? Если бы сигналы о раздражении поступали с разными интервалами, брюшная нервная цепочка так никогда и не среагировала бы, поскольку отдельные части тела рака постоянно подвергаются некоему воздействию извне, и только когда все тело испытывает раздражение одновременно, это расценивается как угроза.

Почему это воспринимается как загадка? А потому, что органы чувств у рака очень разной длины. Две его антенны, шевелящиеся в воде, длиннее всего тела, а микроскопические усики, растущие из головы, намного короче. К тому же импульс о раздражении может возникнуть на любом участке антенны, а иногда и на нескольких участках сразу. И если бы все эти сигналы тревоги достигали синапсов в разное время, механизм реакции на раздражитель не был бы запущен. Хотя расстояния, преодолеваемые импульсами, чрезвычайно малы, рефлекс срабатывает за пятидесятую долю секунды, и, если бы одним импульсам пришлось проходить путь вдвое длиннее, чем другим, и тратить на это вдвое больше времени, рак никуда и не отпрыгнул бы.

Так или иначе, ученым все же удалось установить, что импульсы в организме рака синхронизируются и поступают в брюшную нервную цепочку одновременно. Но как это происходит?

Загадка была разгадана в 2008 году. Измерение скорости передачи нервных импульсов показало, что импульсы от кончиков антенн движутся быстрее, чем импульсы, возникшие ближе к месту соединения антенны с телом. То есть если один и тот же всплеск воды одновременно запускает импульсы в разных точках антенны, то сигнал от сенсоров, расположенных ближе к телу рака, плетется медленнее и поджидает, когда его догонят сигналы из более отдаленных участков, с тем чтобы они все смогли достигнуть пункта назначения одновременно.

Из такого объяснения может показаться, будто это сложный процесс, однако на практике синхронизация достигается довольно просто. Скорость движения импульса по нервному волокну связана с диаметром волокна. Нервные волокна в антеннах рака по мере приближения к телу увеличиваются в диаметре, в результате импульсы, подобно застенчивым подросткам, приходящим на вечеринку не по одному, а сразу кучей, прибывают к гигантскому волокну одновременно и приводят в действие рефлекс.

Мой сосед — липкая волосатая тарелка

Еще лет двадцать — тридцать назад выводы о том, какие виды в царстве животных родственны друг другу, делались на основе сравнения форм, размеров и других внешних характеристик особей, их костей и внутренних органов, то есть их морфологии. Но революция в области генетики, обогатившая нас знанием о том, что все в живом организме обусловлено генами в его ДНК, привела к удивительным открытиям, касающимся взаимоотношений между разными существами. Под «взаимоотношениями» мы в данном контексте подразумеваем следующее: находятся ли животные на одной и той же ветви или располагаются на соседних ветвях древа жизни — схемы в виде ствола с крупными ветвями и более мелкими веточками, составленной на основе наших познаний в области биологии и палеонтологии.

Чарльз Дарвин писал: «Зеленые ветви с распускающимися почками представляют существующие виды, а ветви предшествующих лет соответствуют длинному ряду вымерших видов. В каждый период роста все растущие ветви образуют побеги по всем направлениям, пытаясь обогнать и заглушить соседние побеги и ветви точно так же, как виды и группы видов во все времена одолевали другие виды в продолжительном жизненном столкновении»[44].

Побеги на древе жизни отображают те виды, которые существуют на Земле в наши дни. Два соседних побега являют собой два более близких друг к другу (и, как правило, более похожих) вида, чем два побега, расположенных по разные стороны ствола.

В последние двадцать или чуть больше лет при попытках разместить тот или иной вид в нужной части древа ученые все чаще прибегают к генетическому анализу. Грубо говоря, чем более схожи у двух видов наборы генов, тем ближе эти виды друг к другу на древе жизни. В ряде случаев результаты анализа целиком переворачивают привычные представления о взаимоотношениях видов. Возьмем, к примеру, птиц: поганки, которых традиционно считали родственниками гагар, по последним данным оказались ближе к фламинго; козодой, неприметная бурая птичка, как выяснилось, приходится родней разноцветным колибри, а попугаи и певчие птицы не так далеки друг от друга, как принято было полагать ранее.

Некоторые исследователи, прибегнув к этой технологии, попытались установить, кем приходится человек по отношению к другим животным. Количество общих у человека и шимпанзе генов оценивается по-разному, на заслуживающих наибольшего доверия сайтах, посвященных генетике, указывается цифра 99,4 %. Близость человека к человекообразным обезьянам вряд ли покажется кому-то странной. Их родство было очевидно уже давно, еще в те времена, когда ученые исходили из сходных морфологических признаков. Однако недавнее открытие, сделанное при помощи генетического анализа, явило миру нашего гораздо более неожиданного близкого родича — и вот его-то уж точно ни за что бы не выявили путем простого сравнения внешности, телосложения, анатомии или физиологии.

Трихоплакс (научное название — Trichoplax adhaerens) — вот он, тот представитель животного царства, чей геном, то есть вся совокупность наследственного материала, заключенного в полном наборе хромосом, выглядит, если верить Дэниэлу Роксару, биологу-эволюционисту из Калифорнийского университета в Беркли, «на удивление как наш». Удивление Роксара можно понять, ведь более непохожее на человека существо, чем примитивное морское многоклеточное трихоплакс, даже трудно себе представить. С греческого и латыни его название переводится как «липкая волосатая тарелка» (trichoplax (греч.) — «волосатая тарелка»; adhaerens (лат.) — «липкий, липучий»), и если вы окажетесь рядом с ним в зоопарке или океанариуме, то вы не только не признаете в нем родственника, но и, скорее всего, просто не разглядите.

Во-первых, в длину трихоплакс достигает только лишь миллиметра. Его тело состоит из клеток всего четырех типов и не обладает ни одним из органов или систем, которые формируются в человеческом эмбрионе благодаря нашим генам, — ни желудком, ни мускулами, ни нервами, ни половыми железами. У него нет даже головы. Он ползает, как амеба, по камням, раковинам моллюсков или какому-либо иному субстрату и добывает пищу, выпуская поверхностными клетками пищеварительные ферменты, которые расщепляют водоросли, попадающиеся трихоплаксу на пути.

Так чем же он так похож на человека?

Роксар и его коллеги выяснили, что ДНК «липкой волосатой тарелки» состоит из 11 514 генов, многие из которых являются аналогами генов гораздо более сложно организованных существ типа человека, — генов, необходимых для формирования таких частей тела, каких у трихоплакса… попросту нет! Например, трихоплакс располагает наследственным аппаратом для производства белков, которые в организме млекопитающих отвечают за управление отдельными функциями тех или иных клеток, — однако подобными клетками трихоплакс также не обладает. Получается, что генетическая информация, необходимая для формирования гораздо более сложных организмов, почему-то оказалась воплощена еще в таких древних и примитивных созданиях, как трихоплакс.

Тот же генетический анализ позволил прояснить еще один вопрос. Часть биологов полагала, что трихоплакс является представителем старейшей ветви своего «семейного древа», но, как оказалось, он все-таки моложе, чем другой кандидат на эту почетную должность — гребневик (ктенофора). Представители этого типа морских многоклеточных выглядят куда интереснее, чем «липкие волосатые тарелки», в их число входят, например, крохотная черноморская плевробрахия и поразительный венерин пояс — переливающееся всеми цветами радуги прозрачное существо, достигающее порой в длину полутора метров.

Пока фитогеномика (так назвали эту технику) только начала развиваться, так что вполне можно ожидать, что в ближайшем будущем древо жизни еще не раз подвергнется «обрезке» и «пересадке» ветвей.

Животный магнетизм

Уже давно экспериментальным путем установлено, что птицы для навигации используют магнитное поле Земли. В Северном полушарии они летом летят на север, вплоть до Арктики, чтобы вывести потомство, а зимой перебираются на юг, туда, где потеплее. Но долгое время ученые не знали, как именно работает эта способность. В черепах птиц были обнаружены скопления магнитных частиц, однако при отсутствии видимой связи между наличием частиц и органами чувств было трудно разобраться, являются ли эти скопления частью навигационной системы.

Группа ученых из Оксфордского университета, а также из США недавно выдвинула теорию, демонстрирующую, на какие хитроумные уловки пускается природа, чтобы облегчить некоторым видам выживание. Ученые предложили систему, которая никак не связана с магнитными частицами в головах птиц и основывается на существовании недолговечных молекул, чья продолжительность жизни зависит от окружающего магнитного поля.

Они предположили, что в световых рецепторах в сетчатке птичьего глаза содержатся молекулы, которые, поглощая свет, подвергаются химической реакции. В ходе реакции возникает поток частиц, живущих всего около миллионной доли секунды. Но точная продолжительность жизни молекул и, следовательно, их количество, сохраняющееся по истечении некоего временного интервала, определяются магнитным полем Земли. Сенсорная система в сетчатке птицы, по мнению ученых, каким-то образом отслеживает эти молекулы и срок их жизни и, исходя из полученных результатов, задает направление полета.

В этой теории есть только две загвоздки. Во-первых, существование такой системы в физиологии зрения птиц пока так и не доказано. И во-вторых, никто никогда не видел молекул, которые вели бы себя подобным образом. В 2008 году вторая проблема разрешилась — ученые заявили, что синтезировали в лабораторных условиях молекулы, подобные тем, что используются в птичьем зрении, и в магнитном поле они ведут себя именно таким образом.

В том же году было объявлено еще об одном странном открытии из области животного магнетизма. На этот раз не потребовалось никакого сложного лабораторного оборудования. Более того, это открытие мог совершить любой — требовалось всего лишь просмотреть картинки на сайте «Google Earth».

Немецкие ученые, доказавшие, что некоторые мелкие грызуны чувствительны к магнитному полю Земли, задались вопросом: не могут ли и более крупные животные обнаруживать эти поля? Они задумались о путях миграции стад крупного рогатого скота и оленей (в лабораторных условиях сымитировать такие процессы было бы затруднительно) и догадались для отслеживания этих путей использовать спутниковые снимки, свободно выложенные в Интернете.

Они изучили изображения более чем десяти тысяч стад по всей Земле и пришли к выводу, что животные обычно двигаются на север или на юг. Более того, это магнитные север и юг, слегка отличающиеся от географических, которые в свою очередь определяются по местонахождению Северного и Южного полюсов. Одна из распространенных проблем, сопутствующих научным опытам (особенно когда знаешь, что ищешь), — это так называемая исследовательская предвзятость. Как бы вы ни пытались сохранять объективность, очень легко впасть в соблазн и интерпретировать данные в свою пользу: например, когда вы пытаетесь определить, в каком направлении движется то или иное стадо, зная при этом, какое направление их движения выгодно для вас. Чтобы исключить этот фактор, ученые попросили студентов университета проанализировать те же снимки. Мнения обеих групп совпали.

Пока не известно, почему рогатый скот и олени предпочитают перемещаться на север либо на юг, но ученые высказали следующее соображение: если это действительно общая тенденция, то, может быть, ее стоит учитывать при строительстве коровников. Довольные коровы дают больше молока, а если корова вынуждена постоянно находиться в стойле головой на запад или восток и это причиняет ей дискомфорт, надои ее могут и упасть.

Птица, которая отлично знает физику

Жизнь на нашей планете по определению вращается вокруг биологии. Механизмы и процессы, поддерживающие жизнь в организмах, все это — предмет изучения биологических наук. Но помимо этого мы все живем в физическом мире. Наша биологическая составляющая призвана распознавать и находить способы взаимодействия с законами физического мира. Ноги слона толще человеческих, потому что их задача — не дать чрезвычайно тяжелой слоновьей туше обрушиться на землю под действием силы тяжести. У мухи-однодневки таких проблем нет. Ей не приходится думать о силе тяжести, для нее важнее стихия воздуха и сила ветра, именно от них зависит передвижение этого насекомого.

Эти факты из мира физики зачастую диктуют внешний вид животного, сформировавшийся в ходе эволюции так, чтобы наилучшим образом использовать возможности, предоставляемые окружающей средой. Те же факты могут влиять и на поведение существа и отражать «понимание» существом физических процессов повседневной жизни.

Болотная птица круглоносый плавунчик обладает очень длинным и тонким клювом и питается крошечными ракообразными. Чтобы добыть пищу, она использует физические свойства своего богатого водой ареала обитания двумя крайне интересными способами.

Нередко можно наблюдать, как эти птицы плавают четкими кругами, ежесекундно погружая клюв в воду. Так они создают под поверхностью водоворот: круговые потоки воды взбаламучивают речное или озерное дно и поднимают пищу ближе к поверхности, после чего птице не составляет труда ее подцепить.

Некоторые другие водоплавающие птицы набирают воду, в которой содержится добыча, и фильтруют ее, пропуская через некое органическое подобие сита, задерживающего пищу. Но плавунчики предпочитают «выклевывать» пищу, выхватывая ее вместе с капелькой воды кончиками длинного клюва, напоминающего пинцет. Некоторое время ученые недоумевали, как птица продвигает добычу по всей длине клюва к горлу, чтобы проглотить ее. Есть птицы, которые запрокидывают голову и используют инерцию, — добыча как бы сама падает в горло. Но пища плавунчика для такого способа слишком мало весит. Похоже даже, что птица нарочно выбирает ракообразных, не превышающих определенного размера, хотя, казалось бы, чем крупнее добыча, тем быстрее можно насытиться.

Так или иначе, капелька воды, в которой содержится ракообразное, попадает с кончика клюва в горло и там оказывается проглоченной. Некоторые длинноклювые птицы при этом всасывают пищу или подталкивают ее языком. Но только не плавунчик. Вместо этого он полагается на поверхностное натяжение — силу, которая возникает на поверхности жидкости и при попадании жидкости на твердую поверхность заставляет ее принимать форму капли.

Поверхностное натяжение между каплей дождя и оконным стеклом выглядит так: если капля не слишком крупная, то, сила, возникающая по ее краям, удерживает ее на стекле. Точно так же капля воды, в которой содержится ракообразное, в клюве плавунчика оказывается «зажата» между верхней и нижней частями клюва (если, конечно, не раскрывать клюв слишком широко). Для продвижения пищи к горлу птица быстро приоткрывает и снова закрывает клюв. Сначала капля растекается — клюв приоткрывается, и ближайший к горлу краешек капли оказывается еще чуть дальше, а краешек, который ближе к кончику клюва, сначала движется следом, но с закрытием клюва возвращается на место. Получается прерывисто-поступательное движение, и в итоге капля вместе с добычей стремительно перемещается по клюву со скоростью до одного метра в секунду.

В тесном взаимодействии между эволюционным развитием плавунчика и физическими процессами, протекающими при соприкосновении воды с разными поверхностями, выработались механизмы, позволяющие усовершенствовать процесс питания. Форма верхней и нижней частей клюва; физическая природа их поверхностей с нужной степенью «мокрости» или смачиваемости, необходимой для скольжения капли; движения клюва, обеспечивающие перемещения капли; чутье птицы, позволяющее ей выбирать достаточно легкую добычу, чтобы она двигалась за счет поверхностного натяжения, — все это складывалось на протяжении тысячелетий, чтобы показать нам, как эволюция путем естественного отбора обеспечивает организмам наибольшую выживаемость в той или иной среде.

Как развивались глаза

Противники дарвиновской теории эволюции часто в качестве аргумента приводят глаз — как слишком сложную систему, которая вряд ли могла возникнуть в результате ряда небольших усовершенствований, передававшихся по наследству в течение миллионов лет. Сложно сказать, почему они остановили свой выбор именно на глазе, ведь каждый аспект человеческой анатомии и физиологии, любой орган или система идеально сконструированы для повседневного выполнения специфических задач на протяжении семидесяти — восьмидесяти лет; они растут, приспосабливаются к окружающим условиям и восстанавливаются в случае повреждения. Почки, печень, головной мозг, пищеварение и кровеносная система — все они одинаково сложно устроены и одинаково труднообъяснимы, особенно если научных знаний у тебя кот наплакал (как часто бывает с противниками эволюционной теории).

Вероятнее всего, на глазе они (простите за каламбур) сфокусировались потому, что человеку, далекому от науки, чуть легче, чем в случае с другими органами, понять, как он работает, и сравнить его с творениями рук человеческих: фотоаппаратами, телескопами, микроскопами и прочими оптическими приборами. Все мы знаем, что за этими приборами стоят замысловатый процесс разработки и производства, аккуратное и точное изготовление деталей, в том числе линз, исследования в области светочувствительных материалов, конструирование сервомеханизмов для фокусировки, и так далее и тому подобное. И как же, спрашивают некоторые, биологические аналоги всех этих процессов и устройств могли возникнуть без вмешательства некой разумной силой, ставившей перед собой определенные цели?

Однако у современных биологов есть масса свидетельств, позволяющих без особого труда разобраться, как происходил каждый этап эволюции глаза, причем происходил он не когда-нибудь, а в тот самый, единственно необходимый момент развития человечества. Ведь человеческий глаз, разумеется, не был создан с нуля при возникновении первобытных людей. Нынешним своим видом он обязан череде более ранних версий светочувствительных органов, которыми обладали разные существа, начиная с эволюции рыбы или еще более древней живности, обитавшей на Земле более 500 миллионов лет назад.

Самая ранняя стадия могла быть случайной мутацией кожных клеток, в результате которой существо обрело способность различать свет и тень. Потомок этого существа оказался в более выигрышном положении, нежели его слепые сородичи: если на светочувствительные клетки падала тень хищника, животное было предупреждено и могло попытаться скрыться, в то время как остальные представители того же вида оказывались сожранными. В следующем, улучшенном поколении количество светочувствительных особей возросло, они снова выжили, а их потомки, в свою очередь, тоже имели больше шансов на выживание. И так далее. Однако новые мутации возникают постоянно, и вот однажды одно из этих светочувствительных животных могло родиться с небольшим углублением на коже, в котором и сосредоточились чувствительные клетки. Это давало существу новые преимущества. Оно не только чувствовало возможную близость хищника, теперь оно еще знало и примерное направление, в котором перемещается враг. Вместо простых световых рецепторов, работающих по принципу «вкл./выкл.», когда на них попадает тень хищника, существо обзавелось новым типом рецепторов, сообщающих, с какой стороны приближается хищник, и дающих существу возможность скрыться в противоположном направлении. Существа со световыми рецепторами и углублением имели преимущество при выживании, соответственно любая мутация, которая увеличивала углубление, усиливала зоркость этого рудиментарного глаза и предоставляла новые преимущества. Реальные примеры такого типа глаз мы можем наблюдать на окаменелостях, а также у некоторых видов ныне живущих организмов, например у плоских червей и моллюсков.

Дальнейшее совершенствование могло выражаться в том, что отверстие над центром углубления стало меньше, создавая эффект камеры-обскуры, а это уже начало пути от простого различения света и тени к восприятию изображения.

Многие люди, услышав подобный рассказ о первых этапах эволюции глаза, а также о дальнейшем его развитии, появлении хрусталика и сетчатки, способны допустить вероятность возникновения такого механизма, но не могут понять, как несколько разных компонентов могут последовательно эволюционировать таким образом, чтобы достичь соотношения, оптимального для совместной работы. «Кому нужен наполовину сформированный глаз?» — недоумевают они. Но как писал биолог и популяризатор науки Колин Тадж (р. 1943):

Другой популярный довод не верящих в теорию эволюции — это огромное количество времени, которое потребовалось бы, по их мнению, на столь длинную цепь последовательных мутаций. Но уж чего-чего у эволюции в достаточном количестве, так это времени.

Двое шведских ученых, Дан Нильсон и Сюзанна Пелер, разработали потрясающую компьютерную программу, позволяющую воспроизводить эффект случайных мутаций в слое светочувствительных рецепторов, сгенерированном при помощи компьютера. В каждом новом поколении сохранялись только те экземпляры, у которых было хотя бы минимальное преимущество по части восприятия и анализа поступающих световых лучей. Вызывая у этих потомков случайные мутации и отбирая для продолжения рода только особи, обладающие хоть малейшим преимуществом, ученые смогли смоделировать процессы, происходившие с глазами на протяжении многих поколений, и подсчитать, сколько поколений потребовалось бы, чтобы глаз обрел сферическую форму и у него появились хрусталик и сетчатка.

Результаты получились поразительные. Сделав некоторое количество осторожных допущений, основанных на данных биологии и генетики, ученые пришли к выводу, что эволюция глаза от гладкого участка кожи до вполне функционирующего органа заняла бы около 400 000 поколений. Учитывая, что средняя продолжительности жизни мелких существ, у которых как раз и формировалось зрение, не превышает года, можно предположить, что на развитие полностью функционирующего глаза ушло менее полумиллиона лет. Сложные по строению организмы существуют на Земле вот уже около 500 миллионов лет, так что в каждом биологическом семействе глаза уже могли пройти весь эволюционный путь не по одному разу. И лишнее подтверждение тому — следующий факт: биологи независимо друг от друга уже более сорока раз доказали, что глаза животных претерпевали эволюционные изменения.

В отличие от противников дарвиновской теории, удивляющихся, как это сложные органы и организмы неким загадочным образом развиваются в еще более сложные, ученые-биологи сильно удивились бы, если бы уровень сложности со временем не нарастал. Особенно учитывая количество постоянно возникающих мутаций и то, как давно на Земле появилась жизнь.

Оживут ли кости сии?[45]

Наши с вами познания о динозаврах строятся отчасти на творческой реконструкции древних форм жизни в художественных и документальных фильмах и в меньшей степени (зато это более достоверные сведения!) на музейных экспозициях. Очень часто в музеях наряду с выставленными экспонатами нас ожидают рассказы о жизни и повадках древних ящеров; они дают нам весьма достоверный портрет существ, от которых ныне остались только отдельные кости или целые скелеты. Как же палеонтологам удается узнать подробности из жизни динозавров, имея под рукой только кучку костей?

Одна из загадок динозавров — это их размер. Некоторые виды динозавров, известные под общим названием «зауроподы», были самыми крупными существами из всех, когда-либо населявших нашу планету. Их масса достигала 50 и даже 80 тонн, что в десять раз больше, чем у самых крупных млекопитающих и других динозавров. Питались зауроподы исключительно растениями и при этом царили на Земле 100 миллионов лет — намного дольше, чем любой другой отряд травоядных.

Каким образом эти животные длиной до 40 метров и до 17 метров ростом умудрились обрести столь гигантские размеры, особенно если учесть, что все остальные виды вырастали максимум до одной десятой от этих величин? И главное, как современным ученым ответить на этот вопрос, если все, чем они располагают, — кучка костей или в лучшем случае целый скелет зауропода?

Недавно двое ученых из Германии и Швейцарии представили вниманию научного сообщества цепочку умозаключений, начинающуюся с нескольких фактов о пищевых привычках зауроподов и заканчивающуюся убедительным объяснением динозавровых габаритов.

Исходной точкой послужило следующее: изучив диету зауроподов и проанализировав строение их головы и шеи, ученые заключили, что эти динозавры не пережевывали пищу и не перемалывали ее в так называемой желудочной мельнице, используемой потомками динозавров — птицами: проглоченная птицами пища измельчается при помощи камешков, заменяющих собой жернова. Но ведь огромное количество растительной пищи, необходимое для снабжения динозавра достаточным количеством энергии, требовало длительного переваривания, вот тут-то и срабатывали размеры: ведь чем больше тело, тем больше и кишечник.

Поскольку динозавры не пережевывали пищу, им не нужна была крупная голова — надобности в огромных челюстях и мощных челюстных мышцах просто не возникало. У животных с крупной и тяжелой головой не могло быть длинной и тонкой шеи, но перед мелкоголовыми зауроподами такой проблемы не стояло. Чрезвычайно длинная шея позволяла им доставать пищу с большой высоты, куда не добирались другие животные.

Еще одна подсказка относительно того, как зауроподы управлялись с такими огромными телами, была получена благодаря ряду открытий в области дыхательной системы динозавров. В отличие от животных, у которых вдыхаемый и выдыхаемый воздух содержится в специальных емкостях — легких, — дыхательная система динозавров была устроена иначе и походила на птичью. Это называется «проточная дыхательная система»: она позволяет кислороду, вдыхаемому с воздухом, входить в контакт с различными частями тела и поступать в кровь в разных местах, в том числе и в длинной шее. Более того, воздух мог использоваться сразу по поступлении его в организм, еще до того, как он пройдет весь путь по шее и достигнет легких. Многие кости, включая позвонки размером в полтора метра, при дыхании наполнялись воздухом, соответственно существо с таким типом дыхания неизбежно весило меньше, чем весило бы существо аналогичных габаритов, но дышащее как млекопитающие.

Опираясь на эти факты, можно сделать еще несколько выводов о жизни и повадках зауроподов. Чтобы получить преимущество при размножении, динозаврам нужно было достичь репродуктивного возраста как можно быстрее, а это означает, что примерно за двадцать лет они из десятикилограммовых детенышей превращались в стотонных гигантов, а размеры их при этом увеличивались пятидесятикратно. Однако у остальных существ, растущих столь быстро, обычно велика и скорость обмена веществ — скорость переработки пищи в мышечную и другие ткани. Если бы у взрослых зауроподов был ускоренный обмен веществ, им ежедневно требовалось бы фантастическое количество пищи, а тело, скорее всего, перегревалось бы. Однако этого не происходило, так что, судя по всему, скорость обмена веществ у динозавров была переменной: достигая своего пика во время роста, впоследствии, по достижении динозавром окончательных размеров, она замедлялась.

Последний недостающий элемент головоломки был найден с обнаружением яиц динозавров: такой способ выведения потомства — весьма необычная форма воспроизводства для огромных травоядных. Все самые крупные млекопитающие — живородящие, они вынашивают единственного детеныша в матке до самого его рождения. Это увеличивает вероятность их вымирания в случае резкого падения численности популяции, ведь для восстановления популяции потребовалось бы слишком много времени. Откладывая яйца, зауроподы могли произвести на свет одновременно целый выводок маленьких динозавриков, так что их шансы на вымирание были значительно ниже, чем у других крупных животных.

Пытаясь объяснить, почему динозавры все-таки вымерли, ученые зачастую ищут какие-то внешние факторы. Метеориты, извержения вулканов, изменения размеров суши, колебания температуры воздуха или содержания углекислого газа в атмосфере — все это называют среди возможных причин. Но вообще-то, учитывая количество всех этих опасностей, можно сказать, что динозавры сопротивлялись вымиранию, и еще как сопротивлялись. Вместо вопроса: «Почему динозавры вымерли?» — многие ученые задаются теперь вопросом: «Как им удалось продержаться так долго?» Возможно, ответ должен начинаться все с той же логической посылки: они не пережевывали пищу.

Любопытные Варвары слону жизнь оборвали

Карликовая белозубка, которая весит всего около двух граммов, — наверное, самое легкое млекопитающее, какое только могло появиться на Земле. Четырехтонный слон тяжелее белозубки в два миллиона раз, а голубой кит в двадцать пять раз тяжелее слона.

Изучая разные виды млекопитающих, ученые иногда проводят сравнительный анализ и экстраполируют результаты опытов, проведенных с одним видом, на другие виды, которые крупнее или мельче исходного. В 1962 году одна такая попытка применить результаты, полученные у кошек и людей, к слонам окончилась полным провалом: при сравнении мелких животных с более крупными не только размер имеет значение.

Индийский слон по кличке Туско содержался в зоопарке города Оклахомы. Два местных психиатра заинтересовались феноменом из области слоновьего поведения, получившим название «муст». На период, длящийся от нескольких дней до нескольких недель, слон-самец впадает в неистовство, становясь настолько агрессивным, что приближаться к нему для человека смертельно опасно. Муст сопровождается (а возможно, и вызван) выделениями желез, расположенных в голове слона, которые распухают и давят на глаза, причиняя животному нестерпимую боль. Говорят, что эти выделения «невероятно мерзопакостны» на вкус, но это скорее из области слухов, вряд ли кто-то решился бы попробовать такое.

Никто до конца не разобрался в этом феномене и по сей день, но в 1962 году оклахомские ученые вдруг решили, что им удастся разгадать природу явления при помощи ЛСД, модного тогда психоактивного вещества. Они надеялись, что это вещество приведет к выделению из височных желез слона той самой «мерзопакости», и таким образом можно будет подтвердить сходство муста и психического расстройства, вызываемого ЛСД.

Проблема заключалась в том, что ученые, видимо, обладали довольно шаткими познаниями в области биологии, и, хотя один из соавторов доклада, в котором излагались итоги исследования, вроде как работал в зоопарке, он, кажется, пропустил столь важный этап, как определение дозы ЛСД, которую следовало дать слону.

Если ввести некую субстанцию путем инъекции в кровь животного или человека, то чем больше в теле крови, тем меньше получится концентрация вещества в крови. Так, если для кошки массой 2,6 кг допустима доза в 0,1 миллиграмма, то, определив, во сколько раз слон крупнее кошки, ученые подсчитали, что для слона будет безопасной доза около 300 миллиграммов, что в 3000 раз превышает безопасную дозу для кошки.

Результат оказался катастрофическим. Туско начал трубить и метаться по вольеру, потом закачался, упал и через пять минут умер.

Что же пошло не так? А то, что ученые пренебрегли другими важными факторами, без которых невозможно понять, как тело млекопитающих взаимодействует с наркотическими веществами. У разных животных различные скорости обмена веществ, в состоянии покоя они расходуют разное количество энергии. Чем выше скорость обмена веществ, тем быстрее распадаются в организме химические вещества. Кроме того, размеры мозга относительно всего тела у разных животных существенно различаются. Так что, вводя препарат, воздействующий на мозг, нужно обращать внимание и на это соотношение. На деле же, тщательно рассмотрев, как различные организмы перерабатывают введенные в кровь химические вещества, и изучив эффект, производимый веществом на других животных, можно найти как минимум пять различных способов расчета безопасной для слона дозы ЛСД. Разброс вариантов будет огромен: это и 0,4 миллиграмма (всего в четыре раза больше, чем давали коту), и 3 миллиграмма, и 8, и 80, и самая большая и фатальная доза — 297 миллиграммов.

Даже если не принимать во внимание связанные с этим опытом этические проблемы (сейчас его проведение наверняка контролировалось бы куда строже), печальная история со слоном Туско наглядно иллюстрирует, чем чревата в науке излишняя самоуверенность. В заключительной части доклада об этом опыте ученые написали: «Как выяснилось, слоны крайне чувствительны к действию ЛСД». На самом деле правильнее было бы сказать, что «этот конкретный слон оказался крайне чувствителен к некомпетентности ученых».

«Кар-кар, у меня на лица дар»

Мы все, несмотря на очевидное сходство между отдельными человеческими лицами (одинаковое количество глаз, носов и ртов), способны различить и запомнить несколько тысяч лиц людей, с которыми сталкиваемся на протяжении жизни. В мозгу даже есть небольшой участок, отвечающий за эту способность, и если этот участок поврежден в результате инсульта или черепно-мозговой травмы, то человек оказывается в плачевной ситуации — он не способен узнать в лицо даже тех, кого видел несколько минут назад.

Что удивительно, некоторые животные тоже обладают способностью узнавать и надолго запоминать человеческие лица. В подтверждение этому был произведен опыт на воронах. Как и всем птицам, воронам важно уметь распознавать членов своей стаи, поэтому они хорошо запоминают наружность других птиц. Но с чего бы им запоминать человеческие лица? Ведь я, например, не очень-то различаю ворон, рассевшихся на ветках за моим окном.

Тем не менее когда биолог из Вашингтонского университета Джон Марцлаф занялся американскими воронами, он обнаружил, что птицы узнают его, причем даже после некоторого отсутствия. Ученый решил как следует изучить эту их способность.

Он смастерил два вида масок, изначально задуманных как «опасные» и «нейтральные». Надевая «опасные» маски, изображающие первобытного человека, он и его коллеги ловили, связывали или иными способами удерживали воронов. А преследуя безобидные цели, например прогуливаясь по кампусу, они надевали «нейтральные» маски, изображавшие тогдашнего вице-президента США Дика Чейни (давайте только не будем вступать в дискуссию о том, представлял ли Дик Чейни на протяжении своей правительственной службы бо́льшую опасность, нежели среднестатистический троглодит).

Используя маски, ученые могли быть уверены, что птицы привыкают именно к их лицам, а не к походке или одежде.

В последующие месяцы ученые оставили птиц в покое и лишь время от время заглядывали в кампус, надевая то маски первобытных людей, то Дика Чейни. Вороны их не забыли. При появлении пещерных людей птицы шумели, суетились и нападали, даже если маска была надета вверх тормашками. На Дика Чейни они реагировали гораздо слабее или вовсе не обращали на него внимания.

Результат получился впечатляющий, и Марцлаф решил ужесточить условия эксперимента, дабы удостовериться, что эффект был не случаен. На этот раз он использовал более реалистичные маски, обозначив один их вид как опасный, а другой как нейтральный. Только на этот раз в эксперименте участвовали новые добровольцы, они не знали, какая маска что означает, и были призваны только фиксировать, как на них реагируют птицы.

Снова были получены данные, не допускавшие разночтений. Один доброволец сказал: «Птицы шумели, непрестанно верещали, и было ясно, что их беспокоит не что-то абстрактное. Их беспокою я».

В прошлом исследователи уже отмечали сходное поведение у воронов, чаек и других видов. Один из основоположников этологии Конрад Лоренц, экспериментируя с воронами, надевал костюм черта, чтобы во всех остальных случаях можно было заходить к птицам в своей обычной одежде, не вызывая излишнего шума. Но до доктора Марцлафа никто не пытался привести данные подобных опытов в систему.

Птицы в силу необходимости обладают очень острым зрением и способностью различать и надолго запоминать изображения во всех подробностях. Предположительно их умение запоминать черты лиц, рельефа местности и других птиц со временем переросло в способность различать черты любого существа, которое может представлять угрозу. Зрение птиц в восемь раз острее, чем у человека. И хотя глаза у них меньше человеческих, в соотношении с общей массой головы они даже больше —15 % по сравнению с 2 % у человека. Голубь может различить семечко размером 0,3 миллиметра на расстоянии полуметра, это все равно как если бы мы могли рассмотреть 60-сантиметровый столбик с километрового расстояния.

Так что если вам на голову нагадила птичка, есть шансы, что в следующий раз это повторится. Учитывая отличную память птиц, подобные казусы могут оказаться не такими случайными, как кажется. А если на вас гадят слишком часто, попробуйте ходить в маске Дика Чейни…

Бумажный тигр, затаившийся фармазон

Когда в научной сфере всплывает факт мошенничества, разоблачителям зачастую требуется немало времени, чтобы вывести аферистов на чистую воду, ведь эти самые аферисты, хорошо владея предметом, могут разработать множество способов скрыть свои махинации. А вот способ разоблачения может оказаться обезоруживающе прост. Взять, к примеру, нашумевший в 1970-е годы скандал по поводу открытия, что лоскут черной кожи, приживленный белой мыши, не отторгается. Вскоре выплыло наружу, что это была не пересаженная кожа, а чернильная клякса.

Когда речь идет о научных фальсификациях, результаты так называемого открытия могут вызывать удивление, но обычно это нечто такое, чего ученым хотелось бы услышать и во что, соответственно, они готовы поверить. Так что поначалу эйфория, сопутствующая новому открытию, может заглушать голоса скептиков.

Когда китайский охотник Чжоу Чжэнлун объявил, что ему удалось сфотографировать в природе живого южнокитайского тигра (к тому времени этот вид уже считался вымершим), зоологи возликовали. Местные власти предложили вознаграждение любому, кто предоставит фотографическое подтверждение, что вид все еще существует. «Это необычайно волнующая новость!» — высказался американский специалист по сохранению вымирающих видов, а лесное хозяйство провинции Шэньси тут же стало планировать, как сберечь чудом выживших тигров, чтобы они не вымерли уже окончательно.

В ходе пресс-конференции Чжоу поведал, как он выследил тигра и запечатлел его на снимках, за которые ему заплатили более полутора тысяч фунтов. «Головой клянусь, что фотографии подлинные», — сказал Чжоу, и ту же китайскую клятву повторили специалист из Министерства лесного хозяйства и член Китайской академии наук.

В наши дни подделать фотографии при помощи компьютера очень легко, но снимки Чжоу, по общему мнению, были подлинными и не претерпели никаких вмешательств. Они в самом деле были сделаны в джунглях, и на них действительно был запечатлен тигр, смотрящий сквозь листву. Единственная проблема (и это отметили многие пользователи Интернета, рассматривавшие снимки в Сети) — тигр на фотографиях был бумажный, вырезанный из плаката или журнала и поставленный на подпорке среди листьев. Когда ботаники пригляделись к этим листьям, находившимся на том же расстоянии от объектива, что и тигр, они обнаружили интересную вещь: то ли голова тигра была совсем крошечной, то ли сами листья, обычно достигающие в ширину нескольких миллиметров, разрослись до размеров тарелок. Более того — на нескольких снимках, изображавших тигра в разных позах, один и тот же лист (который, как оказалось, был частью фотографии с тигром) отбрасывал на лоб животного совершенно одинаковую тень.

Закончилась эта история внезапно и нерадужно. В июне 2008 года Чжоу арестовали, семеро министерских чиновников были уволены, и еще шестеро подверглись дисциплинарному взысканию. А в доме Чжоу полиция обнаружила плакат, посвященный наступлению китайского Нового 2002 года, с аналогичным изображением южнокитайского тигра и деревянную модель тигриной лапы, которая использовалась для подделки отпечатков.

Собачья несправедливость!

Многие владельцы собак верят, что их питомцы — почти как люди. (Кошатники же и вовсе уверены, что насчет кошек это чистая правда.) Но придумать и осуществить такие эксперименты, которые помогли бы сравнить восприятие и суждения животных с человеческими, на практике не так-то просто. Ведь собакам, в отличие от большинства студентов-психологов, не объяснишь, какова цель исследования.

Группа исследователей из Вены заинтересовалась, знакомы ли собакам понятия честности и справедливости. Было доказано, что некоторые приматы демонстрируют поведенческие модели, предполагающие наличие у них своеобразной этической системы. Приматы уверены, что одинаковая работа должна и вознаграждаться одинаково, и возмущаются, если их собрат за выполнение сходной задачи получает более значительное вознаграждение. Макак-резус отказывается принимать пищу, если вследствие этого действия другую обезьяну ударит током. Но есть ли представления о честной игре у неприматов, до поры до времени не знал никто.

Исследователи собрали сорока трех псов разных пород и научили их по команде подавать человеку лапу. Все собаки быстро освоили этот трюк и почти всегда успешно выполняли его по первому требованию, независимо от того, получали они за это какую-то награду или нет. Затем исследователи разбили собак на пары и провели серию тестов: обеих собак просили выполнить трюк, но награждали только одну, причем всякий раз одну и ту же. Довольно скоро стало ясно, что пес, не получающий вознаграждения, недоволен. Его требовалось подолгу уговаривать, прежде чем он протягивал лапу, пес часто отводил взгляд и чесался. «Создается ощущение, что они не слишком рады» — так прокомментировал ученый, проводивший эксперимент, поведение собак, лишенных награды. Когда дело дошло до обработки результатов, выяснилось, что, в то время как награждаемые собаки выполняли трюк каждый раз, лишенные награды особи протягивали лапу только в тринадцати случаях из тридцати. Очевидно, псу не слишком нравилось, когда его товарищ с аппетитом набрасывается на угощение, а самого его оставляют в сторонке. Иными словами, поступают крайне нечестно.

Но действительно ли это означает, что собаки чувствуют несправедливость? Чтобы убедиться в правильности такой интерпретации полученных данных, нужен еще один эксперимент. А вдруг не получавшая вознаграждения собака отказывалась выполнять трюк просто от скуки — все равно ведь лакомства не дадут? В таком случае ее поведение не имеет ничего общего с уверенностью, будто с ней обходятся нечестно. Но по сравнению с собакой, которая выполняла трюк в одиночку и не получала награды, собака, работавшая в паре, халтурила чаще.

Давно известно, что собаки и волки в стае действуют сообща и успех их совместных действий зависит от равномерного распределения нагрузки. В условиях дикой природы несправедливость может поставить под угрозу выживание целой стаи, поэтому забота не о личном благополучии, а о том, чтобы все было честно, заложена самой природой и обеспечивает максимальную эффективность действий стаи.

Однако если собаки и в самом деле чувствуют, когда их игнорируют, уделяя все внимание другим, это может объяснять наблюдаемое многими собачниками явление: когда в семье рождается ребенок, собака часто выглядит обиженной. Сейчас мы знаем только одно: нам кажется, будто животные чувствуют несправедливое отношение, потому что они, возможно, действительно его чувствуют.

Умножение видов

Над бывшим американским министром обороны Дональдом Рамсфельдом часто подшучивали (а почему бы, собственно, и нет?) из-за его любимого высказывания: «Есть то, о чем мы знаем, что мы это знаем. Есть то, о чем мы знаем, что мы этого не знаем. Но есть также и то, про что мы не знаем, что мы этого не знаем». Однако на деле концепция «мы не знаем, что мы этого не знаем» за долгие годы доказала свою полезность во многих областях науки. В аэронавтике даже укоренился сокращенный термин «unk-unks»[46], обозначающий проблемы, которые нельзя предусмотреть, потому что не известно о возможности их возникновения.

Концепция «мы не знаем, что мы этого не знаем» может пригодиться и при попытках ответить на вопрос: «Сколько всего существует видов живых организмов?» Говоря о живых организмах, мы обычно включаем в это понятие растения, животных и микроорганизмы, например бактерии. Чтобы найти ответ, можно начать с составления списка всех существ, известных специалистам каждой из областей биологии — ботаникам, зоологам, микробиологам и так далее. Всего получается около 1,7 миллионов — довольно внушительное число, особенно если учесть, сколь небольшую часть от общего количества способен вспомнить каждый из нас. Но разумеется, в это число входят только известные человеку виды. А уверены ли мы, что знаем все виды, существующие в природе? Конечно, нет. Каждый день мы слышим очередные истории об ученых, исследующих новые, не изученные ранее районы (от дождевых лесов до океанских глубин) и сталкивающихся с видами, о существовании которых прежде никто не знал. Так как же быть с тем, что «мы не знаем, что мы этого не знаем»? Или хотя бы как перевести данное суждение в категорию «мы знаем, что мы этого не знаем»?

Тридцать лет назад американский энтомолог Терри Эрвин (р. 1940), изучая насекомых Панамы, провел интересное исследование местных жуков. Он выбрал одно-единственное дерево и собрал всех жуков, которых сумел на этом дереве найти. Лишь небольшая часть пойманных жуков была описана прежде. Экстраполировав результаты на других живых существ, Эрвин пришел к выводу, что общее количество видов на Земле может приближаться к тридцати миллионам.

И ведь Эрвин интересовался только существами, которых видно невооруженным глазом. (Более того, он изучал только жуков, а их в мире больше, чем каких-либо других живых существ, — британский ученый Дж. Б. С. Холдейн[47] по этому поводу заметил, что Бог, судя по всему, «чрезвычайно неравнодушен к жукам».) Так что стоит добавить к его приблизительным оценкам не видимые глазу микроорганизмы, которых сейчас известно примерно 40 000 видов. Используя сходную технику экстраполяции от известного к неизвестному, ученые вывели, что на Земле может существовать до 400 миллионов видов микроорганизмов, и это не считая вирусов, которых относят к отдельному классу существ — частично живых, а частично принадлежащих к неживой природе.

Итак, используя эффективные, хотя и не слишком точные, статистические методики, мы увеличили количество видов живых существ на Земле примерно раз в двести.

Писатель Колин Тадж описал этот процесс в своей книге «Многообразие жизни» — мастерски составленном путеводителе по всем известным видам живых существ. Он пошел и дальше, задавшись вопросом: как количество видов, живущих на Земле в данный момент, относится к общему числу когда-либо существовавших видов? — и привел поражающие воображение цифры. Взяв в качестве примера более интересное, чем жуки (если, конечно, вы не Терри Эрвин), существо, а именно слона, он сравнил два ныне живущих вида с тем количеством видов слонов, которое зафиксировано за последние 50 миллионов лет. Анализ окаменелостей показывает, что за этот период на Земле существовало около 150 разных видов слонов. Примерно та же картина и с носорогами: сейчас на планете живет всего пять видов, а за истекшие 50 миллионов лет их насчитывалось аж двести. Исходя из этого, можно заключить, что за последние 50 миллионов лет на нашей планете проживало в сто раз больше видов, чем сейчас. Но зачем ограничиваться 50 миллионами, если жизнь на Земле существует уже три с половиной миллиарда лет? «Было бы удивительно, — пишет Тадж, — если бы общее количество видов, существовавших в прошлом, не превышало бы нынешнее как минимум в 10 000 раз». Следовательно, общее количество видов за всю историю планеты достигает примерно 4 триллионов. Видов! Не особей! Всем этим богатством мы обязаны изменчивости ДНК, длинной цепочки генов, которая определяет формирование каждого живого существа. И в ней может возникать столько вариаций, что за последующие три с половиной миллиарда лет, несомненно, следует ожидать возникновения еще четырех триллионов новых видов.

Могут ли деньги принести счастье?

…Да, если вы их отдаете.

Психологов и представителей прочих научных дисциплин, изучающих общество, часто винят в том, что, объявляя о результатах своих исследований, они лишь повторяют прописные истины. Поэтому когда группа канадских психологов решила выяснить, как доходы влияют на ощущение счастья, их наверняка принялись критиковать за расходование средств на изучение вопроса, который «и так всем понятен». Никто в поисках счастья не требует, чтобы ему понизили зарплату, и, наоборот, снижение налогов или процентов, выплачиваемых по ипотеке, обычно вызывает у людей радость.

Психологи слегка конкретизировали вопрос. Собранные по всему миру данные говорят: несмотря на весьма заметный рост доходов в развитых странах в течение нескольких последних десятилетий, среди граждан этих стран не наблюдается соответствующего эмоционального подъема. Как будто люди тратят новообретенные деньги на покупки и развлечения, которые на самом деле не делают их счастливее. Доктор Элизабет Данн и ее коллеги решили повнимательнее присмотреться, как люди тратят заработанное, и понять, влияют ли разные способы расходования денег на уровень удовлетворения. Первое же сделанное в ходе исследования наблюдение сильно их удивило: радость человека скорее соотносится не с тем, сколько денег он потратил, а с тем, сколько денег он пожертвовал на благие дела.

Есть известная ловушка, в которую нередко попадают ученые: они уверены, что если два явления выглядят взаимосвязанными (два показателя одновременно растут или падают), значит, тому есть общая причина. Например, результаты одного исследования гласили, что у детей, которые спят при включенном свете, чаще развивается близорукость. Однако дальнейшее изучение вопроса показало: у близоруких детей, скорее всего, и родители близорукие, а родители с плохим зрением чаще других оставляют свет в детской включенным.

Итак, доктор Данн решила провести еще один эксперимент, дабы убедиться, что счастливыми людей делает именно факт пожертвования денег. В исследовании принимали участие около пятидесяти человек. Утром подопытных просили оценить свое ощущение счастья, а потом им выдавали по пять либо по двадцать долларов с просьбой потратить эти деньги до пяти часов вечера. Половину участников просили потратить деньги на себя, а вторую половину — на кого-то еще или на благотворительность. После пяти часов их снова просили оценить, насколько они счастливы. Результаты не допускали разночтений — те, кому велели тратить деньги на других, вечером чувствовали себя счастливее, чем утром, причем ощущение счастья возрастало у них заметнее, чем у тех, кто тратился на себя.

Пытаясь объяснить, почему рост доходов сам по себе не приносит радости, психологи отмечают, что на ощущение счастья влияют не условия нашего существования (доходы, пол, религиозная принадлежность), а совершаемый нами выбор и те занятия, в которые мы оказываемся вовлечены в результате этого выбора. Так что избранный нами способ потратить средства ничуть не менее важен, чем количество денежных единиц в кошельке.

И наконец, еще одно наблюдение, сделанное благодаря этому опыту: пожертвовав на благотворительность сравнительно небольшую сумму (например, всего 5 долларов), человек может получить совершенно непропорциональную этой сумме эмоциональную отдачу. Подводя итоги своего исследования, ученые предположили: если политики на государственном уровне начнут призывать народ больше тратить на других, а не на себя, то общество станет счастливее.

Кто водит моим пальцем?

Многие из нас хотели бы верить, что, решив совершить простое действие, например поднять палец, мы принимаем решение одним из участков головного мозга, потом посылаем приказ мышцам, а затем палец поднимается. Все это основывается на наших представлениях о том, что делается у нас в мозгу: мы рассматриваем возможности, выбираем одну из них — движение пальца, — после чего наблюдаем, как этот палец шевелится.

И нам кажется странным — даже невероятным, — что можно рассмотреть и другой вариант: мозг принимает решение еще до того, как мы это осознаем. Почему-то нам сложно свыкнуться с мыслью, что принятие решений происходит на бессознательном уровне и мы узнаем о событии только после того, как оно уже произойдет, словно какой-то неизвестный нам специалист по принятию решений прислал нам копию имейла, приказывающего поднять палец. Это ставит под вопрос саму идею свободы воли.

Тем не менее существуют поразительные научные свидетельства (которые трудно опровергнуть) в пользу того, что наша осведомленность о том, как мы принимаем решения, дает нам ложное ощущение, будто решение принимаем мы сами.

Мысль о том, что значительная часть активности нашего мозга/разума протекает на бессознательном уровне, не нова. Теория Фрейда гласит, что большинство ментальных процессов, руководящих нашим поведением, не контролируются сознанием. На практике мы еще можем смириться с мыслью, что причина, по которой мы решили поднять палец (чтобы выразить гнев или подчеркнуть удовольствие), нами не осознавалась, но уж, мол, само-то решение мы точно приняли осознанно!

Более двадцати лет назад американский физиолог Бенджамен Либет (1916–2007), пионер в области изучения сознания, разработал следующий эксперимент.

Он подсоединил к пальцам добровольцев датчики движения, а к коже головы — электроды. Перед каждым добровольцем разместили электронно-лучевую трубку с вращающейся по кругу точкой. Испытуемого просили выбрать любой удобный момент, пошевелить пальцем и отметить положение точки на экране в тот момент, когда он принимает решение. В ходе опыта Либет также вел хронометраж активности мозга испытуемого.

Эксперимент продемонстрировал следующую последовательность событий:

1. За полсекунды до движения пальца фиксируется активность в той части мозга, которая отдает инструкции мышцам.

2. За пятую долю секунды до движения пальца субъект узнает о принятии решения.

3. Палец двигается.

Исследование Либета фактически продемонстрировало, что человек принимал решение еще до того, как сам это осознавал.

При повторении опыта из раза в раз получались все те же результаты, но, возможно, все это не так важно, как может показаться. Разница в 0,3 секунды между принятием решения и его осознанием все же слишком мала и может иметь под собой научные объяснения, которые не противоречат идее свободной воли. Но если бы, допустим, решение принималось секунд за семь до его осознания, это ведь действительно означало бы, что нашими решениями руководит кто-то «другой» и никакой свободной воли у нас нет, правильно?

В 2008 году команда немецких ученых, анализировавших активность мозга при помощи сложных компьютерных программ, в сущности, подтвердила эту правильность. Они просили испытуемого нажимать на кнопку правой или левой рукой, а сами в это время наблюдали за деятельностью его мозга. Выбор, какой рукой нажимать, оставался за испытуемым, равно как и выбор момента для нажатия. Ученые заметили специфический тип мозговой активности, возникавший чуть ли не за семь секунд до того, как испытуемый, по его словам, принимал решение, какую руку использовать в данном случае. Со временем ученые настолько наловчились распознавать эту активность, что могли предсказать выбор испытуемого еще до того, как он определится сам.

Правда, до предположений, будто решения за нас принимает кто-то «другой», ученые не дошли. «Наше исследование показывает, что решение подсознательно вынашивается намного дольше, чем было принято думать», — написали они, подводя итог.

А вот американского математика и метеоролога Эдварда Нортона Лоренца (1917–2008), отца теории хаоса, результаты исследования оставили совершенно равнодушным. «Мы должны всем сердцем верить в свободу воли, — писал он. — Если мы действительно обладаем свободой воли, то можем совершить правильный выбор. Если свободы воли у нас нет, то мы все равно не сделаем неправильного выбора — мы вообще никакого выбора не сделаем, не имея на то воли».

Сейчас видим, а сейчас — нет

В 2004 году пародийную Шнобелевскую премию в области психологии получили двое психологов из США. По их собственным словам, они были награждены званием, призом, а также получили «немножко наличных и большое внимание со стороны прессы», «продемонстрировав, что, сосредоточившись на чем-то одном, человек может запросто упустить из виду что-то другое».

Ученых часто высмеивают за кажущуюся банальность их исследований и за то, кто они концентрируются на мелочах, не имеющих никакой практической пользы для общества. Американский сенатор Уильям Проксмайр прославился (если это можно так назвать) тем, что от души потешался над проектами, которые считал пустой тратой денег, как, например, обошедшееся в 84 тысячи долларов исследование, почему люди влюбляются, или SETI — Поиск внеземного разума (см. главу «Ползай с пользой!»). Среди осмеянных им проектов был «Aspen Movie Мар» — одна из первых попыток создания интерактивной компьютерной технологии, которая сейчас весьма активно применяется в Интернете.

Оргкомитет Шнобелевской премии тоже нередко выбирает проекты, полезность которых неочевидна, если судить только по краткому описанию. Среди недавних лауреатов, к примеру: группа ихтиологов, доказавших, что сельдь общается посредством испускания газов; Ватикан — за «аутсорсинг молитв» в Индию; два американских врача — за их доклад «Влияние музыки кантри на самоубийства» и мой школьный товарищ профессор Майкл Терви — за изучение и объяснение динамических процессов при вращении хула-хупа. Но ведь цель Шнобелевской премии, выраженная самым кратким образом, — это «сначала рассмешить, а затем заставить задуматься».

Психологи, получившие Шнобелевскую премию за исследование человеческого внимания, как раз и достигли результатов, которые заставляют задуматься. Однако проблема в том, что, если я, пытаясь рассказать о них, напишу слишком много, это сведет на нет действенность лучшего наглядного примера, подтверждающего их открытия. А ведь это один из самых необычных визуальных опытов в психологии.

Но что я могу сказать, так это то, что в ходе серии экспериментов они продемонстрировали феномен, получивший название «слепота к переменам». Вот один пример: видеоролик, запечатлевший человека, который сидит за письменным столом, а где-то за пределами его кабинета звонит телефон. Человек встает, выходит из комнаты, камера перемещается в коридор, где человек снимает трубку висящего на стене телефонного аппарата. Только во втором кадре это уже другой человек, но мало кто из зрителей замечает подмену, поскольку их внимание «слепо» по отношению к этому конкретному изменению. Другой пример — изображение некой обстановки, которая в течение нескольких секунд лишается определенного присущего ей предмета или обретает какой-то иной. При постепенном переходе от прежнего состояния картинки к новому отследить изменение очень трудно. Если переключение с одной версии на другую происходит мгновенно, перемена обычно видна сразу, но, когда экспериментаторы вставили между двумя картинками кадр с пустым экраном, понять, что изменилось, стало практически невозможно. Хотя, если на изменения указать, кажется, будто не заметить их трудно.

Самая яркая демонстрация «слепоты от невнимания» — это ролик на следующем сайте: http://viscog.beckman.uiuc.edu/grafs/demos/15.html.

Две команды студентов — одна в белых майках, другая в черных — перебрасываются баскетбольными мячами. Задача зрителя заключается в том, чтобы сосчитать, сколько бросков сделала каждая из команд. Эта демонстрация была недавно использована в британской социальной рекламе, призывающей автомобилистов обращать больше внимания на велосипедистов. Чтобы понять, почему этот ролик так важен, вам придется прочитать сноску[48]. Однако если вы прочитаете объяснение до того, как посмотрите ролик, весь эффект будет испорчен.

Опыты в области неврологии показывают, что в краткосрочной памяти трудно удерживать картинку, где присутствует более четырех-пяти отдельных предметов. Если вы пытаетесь сосредоточиться на этих предметах, появление новых останется для вас незамеченным.

Подобные исследования подводят нас к пониманию того, почему люди иногда, скажем после аварии, говорят: «Я не заметил приближения машины», — хотя, казалось бы, все условия были благоприятны, дело происходило среди бела дня и ничто не заслоняло обзор. Если забраться в недра сознания, то где-то там, на глубинном неврологическом уровне, мозг продемонстрирует, что человек действительно не видел движущейся на него машины, в том смысле, что он просто не осознал ее.

Хорошая мина при плохой… мине

Студент-психолог принимает участие в лабораторном эксперименте по изучению привлекательности. Ему показывают две картинки с лицами женщин и просят сказать, какая из них кажется ему более привлекательной. Он выбирает лицо А. Затем картинки кладут на стол изображением вниз, и студент берет в руки ту, которую он выбрал. Его просят объяснить причину своего выбора. Он смотрит на картинку и говорит: «Я выбрал ее, потому что она брюнетка». Или: «Я выбрал ее, потому что она улыбается».

В чем же подвох? А в том, что в ходе этого эксперимента, проводившегося в Швеции, студенту в тот момент, когда он брал перевернутую картинку, чтобы описать, почему именно это лицо кажется ему более привлекательным, подсовывали другую картинку, лицо Б. Ученый, проводивший эксперимент, незаметно менял картинки. Затем студент начинал приводить доводы в пользу выбранной картинки, часто называя факторы, которые действуют в отношении лица А, но никак не лица Б. Испытуемый, выбравший картинку, потому что на ней брюнетка, во время своих рассуждений глядел на картинку с блондинкой. Тот, кому понравилась девушка, которая улыбалась, говорил об этом, глядя на картинку с неулыбчивой особой. Один испытуемый даже заявил, что ему нравятся женщины с сережками, указывая на сережки не той девушки, которую он выбрал изначально.

Эксперимент продемонстрировал явление, которое психологи называют «слепота выбора». Ученые собрали 120 участников (70 женщин и 50 мужчин), показали им пятнадцать пар фотографий и попросили испытуемых выбрать в каждой паре более привлекательную. Однако в трех парах из пятнадцати ученый незаметно поменял фотографии местами, так что, перечисляя причины выбора, испытуемый на самом деле пытался обосновать выбор, которого не делал.

В результате выявилось несколько примечательных моментов. Во-первых, всего 13 % испытуемых заметили подмену. Другие 87 % были уверены, что именно это лицо, привлекательность которого они «доказывали» (описывая при этом другое лицо), они и выбрали.

Во-вторых, используемые в опыте пары фотографий исходно подбирались так, чтобы они хотя бы отчасти перекрывали диапазон подобия. Некоторые пары были довольно похожи, другие — скорее непохожи (как в случае с вышеупомянутой парой «блондинка/брюнетка»). Однако вне зависимости от того, были фотографии в паре похожи или нет, объяснения все равно в подавляющем большинстве случаев строились однотипно.

В-третьих, даже когда испытуемым сообщали, что в задании содержался подвох, и разоблачали его, многие отказывались верить в подмену. Ученые назвали это явление «слепотой слепоты выбора».

Для психологов итоги опыта оказались интересны тем, что они продемонстрировали, насколько зыбка связь между намерением и результатом. Мы идем по жизни с определенными намерениями, делаем выбор и принимаем решения, которые, как мы полагаем, проистекают из наших намерений, но при этом то, как мы объясняем сделанный выбор, может не иметь ничего общего с реальными причинами. Другой вывод, напрашивающийся по итогам опыта: приняв неверное решение, мы пытаемся оптимизировать ситуацию, приводя мнимые доводы, оправдывающие неправильный выбор.

Делай, как я

В 1983 году двое американских ученых, Эндрю Мельцофф (р. 1950) и Кит Мур (р. 1925), провели эксперимент, призванный проверить способность человека имитировать чужую мимику. Они взяли 40 здоровых испытуемых (18 лиц мужского пола и 22 женского), в задачу которых входило наблюдать за ведущими и копировать их гримасы — те высовывали язык и разевали рот. Оказалось, что осуществить этот эксперимент не так-то просто. Сначала участников было более сотни, но, как сообщается в докладе, сделанном по итогам исследования, 67 из них выбыли по следующим причинам: «уснули (30 %), расплакались (27 %), неконтролируемо плевались или давились (24 %), начали икать (15 %), в ходе эксперимента опорожнили кишечник (4 %)».

Столь асоциальное поведение объясняется тем, что все испытуемые были очень малы. Самому младшему была всего 41 минута от роду, а самому старшему — 72 часа, так что во внезапном опорожнении кишечника, в общем-то, нет ничего удивительного. Экспериментаторы поставили перед собой задачу разобраться в феномене, который многие подмечали у младенцев, — в их странной способности копировать мимику склонившегося над ними взрослого. Странность заключается в том, что новорожденный младенец с его минимальным или даже вовсе никаким опытом жизни в большом мире способен установить концептуальную связь между розовым кусочком плоти, шевелящимся в дыре на лице взрослого (движения языка), и мышцами, управляющими его, младенца, собственным языком, которого он и не видел-то никогда.

Прежде для изучения этой способности брали детей постарше. Психологи предполагали, что у них вырабатывается нечто вроде условного рефлекса. Якобы ребенок сначала совершает целый ряд случайных движений, и наконец его движение произвольным образом совпадает с движением взрослого, после чего взрослый сразу начинает улыбаться, смеется и спешит позвонить бабушке — поделиться новостью. Такой результат служит для младенца поощрением, и, когда взрослый в следующий раз высунет язык, ребенок с большей охотой скопирует его действия. Мельцофф и его коллега решили, что в действительности все не так просто. Они задумались, не врожденная ли это способность. Чтобы докопаться до истины, им нужно было поставить эксперимент на младенцах, у которых почти или совсем не было возможности выработать какие-либо условные рефлексы, а также любые другие стили поведения, то есть дети должны быть как можно моложе. А значит, испытуемых нужно было брать прямо из родильной палаты или из отделения для новорожденных — разумеется, с разрешения родителей.

Этот эксперимент положил начало длительной программе исследований, подразумевавших наблюдения за маленькими детьми разных возрастов и их способами подражания взрослым. Со всей серьезностью и максимальной осторожностью, положенными хорошим исследователям, ученые часами корчили перед малышами забавные рожи и играли в игрушки, при этом тщательно контролируя ситуацию, чтобы получить надежные и не вызывающие разночтений данные. Например, двое ученых садились рядышком напротив младенца, а за ребенком висели два видеомонитора. Один монитор показывал малыша и его действия в процессе возни с игрушкой, а другой демонстрировал запись предыдущего испытуемого — другого ребенка, игравшего с той же игрушкой. Один ученый повторял действия нынешнего испытуемого, а второй — предыдущего. Ребенок неизменно проявлял больше интереса к ученому, имитировавшему его собственные действия, а не движения предыдущего испытуемого. Однако без второго ученого мы так и не узнали бы, что ребенка привлекает сам факт имитации.

Ученые уверены: результаты их опытов показывают, что на базовом уровне способность воспринимать других как «похожих на меня» дается ребенку с рождения и играет важную роль в развитии личности и восприятии ребенком самого себя. Эта способность нужна человечеству, поскольку делает возможным сопереживание и позволяет представлять себя на месте другого.

Ученые подытожили полученные результаты следующим образом: «Наши опыты дают возможность предположить, что дети уже в раннем младенчестве регистрируют эквивалентность своих действий действиям другого. Они умеют делать это еще до того, как научатся говорить или сравнивать себя и других в зеркале. Эта базовая эквивалентность окрашивает первичное восприятие младенцами мира и позволяет им наделять поведение других людей смыслом, хотя бы на уровне ощущений».

Параллельно с этими опытами в области поведения специалисты из совсем другой отрасли науки обнаружили особый тип клеток мозга, которые могут отвечать за эту способность. Открытие произошло случайно. Ученые, изучавшие мозговую активность обезьян, нашли в мозге особый участок, возбуждавшийся в тот момент, когда обезьяна совершала определенное движение рукой, чтобы достать порцию еды. В один прекрасный день ученые, к своему удивлению, зафиксировали сигнал в мозге обезьяны, когда она не совершала нужного движения, зато его поблизости совершала другая обезьяна. Выходит, даже наблюдение за определенными действиями вызывало сигнал в том участке мозга, который обычно был активен, если обезьяна совершала действие сама. Мозговые клетки, отвечавшие за эту функцию, были названы «зеркальными нейронами», а их открытие сочли одним из самых значительных достижений неврологии за последнее десятилетие. Хотя за работой зеркальных нейронов в человеческом мозге нельзя следить напрямую, исследования мозговой активности посредством функциональной магнитно-резонансной томографии выявили участки мозга, отвечающие одновременно за активность самого испытуемого и за наблюдения за сходной активностью у других. Это дало благодатную почву для исследований, и теперь неврологи и психологи пытаются установить связь между зеркальными нейронами и речью, сопереживанием и даже аутизмом.

В археологии и антропологии понимание механизма работы зеркальных нейронов поможет разобраться в вопросе передачи культуры — того, как люди перенимают друг у друга навыки и поведенческие модели. Не исключено, что зеркальные нейроны не просто облегчают подражание, но могут также помочь нам проникать в намерения других людей и даже в их умонастроения, — а ведь это ключевой аспект того, что отделяет нас от животных.

Могут ли слепые видеть?

За последние 150 лет благодаря развитию медицины мы стали понимать, каким образом разные участки мозга отвечают за различные задачи в работе нашего тела. Есть отдельные мозговые центры, руководящие памятью, движением, зрением и слухом, осязанием и обонянием, речью и так далее.

Посередине задней части мозга расположена зона, получившая название зрительной коры, — уже давно известно, что именно здесь сосредоточены клетки, отвечающие за зрительные ощущения. Значительная часть сведений о том, как функционирует та или иная часть мозга, была получена в ходе изучения травм и повреждений. Когда в результате несчастного случая страдает некий участок мозга, врачи по изменениям в поведении или способностях человека могут судить о том, за что отвечает этот участок в нормальном, неповрежденном состоянии. Хотя это не столь совершенный, как хотелось бы, инструмент получения знаний. Повреждения не так уж часто затрагивают только один участок мозга, так что полученной в ходе исследования информации зачастую недостает точности. Если в машине после аварии не работают фары, это может объясняться целым рядом причин: например, вышел из строя аккумулятор, или генератор переменного тока, или лампы, или переключатели, — тут нужно быть осторожным и не делать скоропалительных выводов.

Впрочем, при всех этих «но» в одном ученые уверены на сто процентов: если зрительную кору головного мозга серьезно повредить или удалить, пациент ослепнет.

Но как узнать, что человек действительно слеп? Вопрос может показаться глупым, тем не менее одно исследование, начатое в 1970-х годах, продемонстрировало, что слепота — не совсем то, чем она кажется. Очевидный способ проверить, слеп человек или нет, — спросить у него об этом. Большинство людей не станет врать в столь серьезном деле, именно поэтому связь зрительной коры со зрением не вызывает сомнений. Все те, чья зрительная кора была сильно повреждена, не могли видеть — в том смысле, который мы обычно вкладываем в это слово. Они были неспособны делать все то, что делают зрячие, с трудом ориентировались в пространстве и, естественно, не воспринимали никаких визуальных образов.

Но в 1974 году человек, оставшийся в науке под инициалами Д. Б., перенес операцию по удалению опухоли мозга, которая затрагивала его зрительную кору, и в результате ослеп на одну половину поля зрения. Это означало, что он мог видеть только половину окружающего его пространства, ту, что находилась слева, но понятия не имел, что происходит справа. Также были случаи, когда животные с поврежденными или отсутствующими зрительными центрами по-прежнему могли выполнять задачи, требовавшие использования зрения. Они, например, поворачивали голову в сторону вспышки света. Поскольку животные не в состоянии сообщить, видят они что-нибудь или нет, долгое время было непонятно, в чем дело. Но, столкнувшись с пациентом, который заверял докторов, что ничего не видит, группа ученых из Оксфорда во главе с профессором Ларри Вайскранцем решила выяснить, может ли пациент, несмотря на слепоту, выполнять те же задачи, что и животные.

К удивлению ученых (а также самого пациента), Д. Б. мог проделывать такие вещи, каких от слепого не ожидают. Он различал местонахождение внешнего раздражителя, например яркого света, и указывал в верном направлении. Он также мог сказать, движется источник света или стоит на месте, а еще был способен определить, направлен световой луч горизонтально или вертикально. Но самое удивительное: когда ему последовательно демонстрировали два цветных световых луча, он мог определить, одинаковы цвета или различны. И все это, между прочим, пациент проделывал, не осознавая, что может видеть свет, направление луча и цвета. Напротив, как вы, наверное, догадались, когда пациенту предложили выполнить все эти задания, он решил, что врачи сошли с ума. Как можно ожидать, что человек различит свет и цвета в той части своего поля зрения, в которой он ничего не видит? Всякий раз, когда Д. Б. указывал в определенном направлении или отвечал на серии вопросов, ему казалось, что он просто угадывает. И каково же было его изумление, когда ему сообщили: все его действия и ответы доказывали, что он по-прежнему в некотором роде может «видеть».

Так что же происходит с пациентами, обладающими подобной способностью «слепозрения» (термин введен все тем же профессором Вайскранцем)? Хотя за субъективное ощущение зрения отвечает зрительная кора, в мозгу есть и другие области, вовлеченные в обработку визуальных сообщений, полученных глазами и передаваемых в мозг. Прежде чем визуальная информация поступит в зрительную кору, она проходит через другие участки мозга и даже ветвится, чтобы добраться сразу до нескольких областей. Ученые обнаружили, что визуальная информация активизирует — ни много ни мало — целых девять участков мозга. Судя по всему, один из этих вспомогательных участков, получив информацию о точке света, способен дать руке сигнал, чтобы она поднялась и указала в нужном направлении, — даже при полностью разрушенной зрительной коре. Это как если бы пассажир, едущий на поезде к конечной станции, сошел бы на предыдущей остановке и передал посылку с обозначенным на ней адресом другому пассажиру, едущему в противоположном направлении, от конечной станции. Тот, кто находится на конечной станции и ожидает, что ему передадут посылку, дабы он отправил ее дальше, так и не узнает, что передача посылки все же произошла, при этом посылка благополучно доберется до места назначения, указанного в адресе.

В ходе дальнейшего изучения этого феномена, которое (некоторые наверняка скажут: к счастью) сильно тормозилось из-за того, что серьезные травмы, задевшие нужные участки мозга, встречались довольно редко, выяснилось, что и с прочими чувствами, локализованными в других частях мозга, происходит нечто подобное. Существует, например, «слепокасание»: когда некто с мозговой травмой, лишившей человека осязательных ощущений в руке, может тем не менее с завязанными глазами правильно указать, к какому месту руки прикасается датчик. Есть также свидетельства «глухослышания»: человек, утративший всякую способность к пониманию речи (у него был поврежден участок мозга, отвечающий за распознавание слов), несмотря ни на что, мог отличать звучание знакомых слов, которые он когда-то читал, от незнакомых.

Как и в случае с человеком, у которого в голове наличествовало всего пять процентов мозговых тканей (см. следующую главу), ученые выявили, что мозг обладает невероятной способностью к самостоятельному выполнению необходимых действий, иногда даже без нашего на то ведома.

Нужен ли нам мозг?

Британский невролог Джон Лорбер в 1980-е годы объявил, что существует некоторое количество людей, чья голова не содержит ничего, кроме спинномозговой жидкости — прозрачной субстанции, в которой у обычного человека плавает мозг. Эта жидкость — нечто вроде амортизатора, защищающего мозг в случае удара по голове. Лорбер сделал это заявление после того, как к нему направили студента из того же университета, где он работал, чья голова по размерам слегка превосходила норму. Использовав существовавшую тогда одну из ранних моделей томографа, невролог обнаружил, что там, где при сканировании обычно отображается мозговая ткань, заполняющая почти весь объем черепа, у этого юноши, по словам Лорбера, «фактически не было мозга». Это было самое фантастическое открытие из всех совершенных Лорбером. В процессе дальнейших исследований он нашел еще несколько подобных примеров: у людей был лишь тоненький слой мозговых клеток прямо под крышкой черепа, а все остальное пространство заполняла жидкость. Их мозг занимал всего пять процентов от объема нормального человеческого мозга.

Конечно, в историях болезней и описаниях патологий встречается немало грустных историй о существенном недостатке мозговых тканей, обычно ведущем к полной инвалидности. Но вот что удивительно: многие из тех людей, которых изучал Лорбер, вели совершенно нормальный образ жизни, обзаводились семьей, находили работу и знать не знали, что мозгов у них в голове совсем чуть-чуть. Некоторые даже были дипломированными бухгалтерами.

Как выяснилось, все участники исследования в детстве страдали гидроцефалией, или водянкой головного мозга. Так называется заболевание, при котором нарушается циркуляция спинномозговой жидкости в мозге и позвоночнике, что вызывает медленный рост внутричерепного давления — это давление, словно наполняемый воздухом воздушный шар, расталкивает мозговые клетки, прижимая их изнутри к черепу.

Часть людей с таким диагнозом полностью утрачивают трудоспособность, но по каким-то необъяснимым причинам примерно половина детей, страдавших водянкой головного мозга, вырастают в нормально развитых взрослых с коэффициентом интеллекта от 100 (средний показатель для всего человечества) и выше. Результаты исследования Лорбера, опубликованные в 1980-х годы, вызвали в научном сообществе неоднозначную реакцию. «Остальные неврологи не бегут к томографу, стоит им только увидеть студента в большой шляпе», — обмолвился один злопыхатель. Но годы шли, и ученые сталкивались с новыми подобными случаями. В 2007 году в журнале «Wired» появился заголовок: «Для французских госслужащих мозг необязателен», — а под ним была статья про 44-летнего француза, который обратился к врачу со слабыми болями в ноге; впоследствии выяснилось, что у него значительно сокращено количество мозговой ткани (25 % от нормы) в результате перенесенной в детстве водянки головного мозга. Тем не менее этот человек был женат, стал отцом двоих детей и успешно трудился на государственной службе.

Почему же мозг продолжает функционировать даже в столь неблагоприятных условиях? Дело в том, что давление спинномозговой жидкости меняет размер и структуру мозга очень-очень медленно. Никто ведь не утверждает, что мы все сможем приспособиться, если объем нашего мозга в одночасье сократится на три четверти, а то и больше. Но мозг этих необычных людей как-то сумел постепенно адаптироваться к постоянно возрастающему давлению, и, пока отдельные участки мозга расплющивались о черепную коробку, их функции брали на себя другие отделы.

Что забавно, при всем при том ответ на вопрос: «Действительно ли мозг необходим для жизни?» — по-прежнему звучит как: «Да». Даже если у человека сохранилось всего 10 % от изначальной массы мозга, он все равно обладает примерно десятью миллиардами мозговых клеток. Впрочем, помимо некоего количества мозговых клеток, необходимых, чтобы вести нормальную, разумную, стабильную жизнь, в мозге также заложено множество функций, наличие которых мы зачастую не осознаем. Возможно, большую часть нашей жизни эти функции остаются не востребованными, однако они могут выходить на первый план в экстренных случаях, в быстро меняющихся обстоятельствах или для получения доступа к информации, которая может понадобиться, допустим, раз в десять лет. Если человек может вести нормальную семейную жизнь и справляться с рабочими обязанностями — это свидетельствует только о том, что ему доступны некоторые виды мозговой активности, но оптимального выполнения задач может достичь только полностью развитый и функционирующий мозг.

Так ли мы умны, как считаем сами?

Вся наука основывается на убеждении, что объяснения, которые мы ищем — откуда взялась Вселенная, как функционируют механизмы наследственности, какова природа гравитации или структура молекул белка, — доступны для понимания и могут быть обработаны человеческим мозгом. Но что, если это не так?

Мы все время от времени сталкиваемся с вещами, которых не понимаем, сколько бы ни пытались разобраться. Иногда это информация из мира науки, как, например, практически любое описание теории струн (физика); иногда это литературные пассажи — скажем, поэзия Уоллеса Стивенса[49], а иногда рассуждения на темы экономики — допустим, теории Давида Рикардо. Но мы обычно списываем свое непонимание на счет неразвитости собственного интеллектуального аппарата или отсутствия интереса. Но что, если никакой человеческий мозг не в состоянии разобраться в устройстве Вселенной и мы лишь обманываем себя, рассчитывая, что если человечество объединит усилия и как следует подумает, то все поймет?

Хотя человеческий мозг сложно устроен и в нем заложена масса удивительных способностей, его сложность еще не подразумевает, что он непременно способен постичь сложное устройство Вселенной. Равно как мозг собаки не обязан во всех тонкостях понимать мир кошек и костей, а также динамику и траекторию полета брошенной палки. Собаки как-то обходятся без этого. И мы тоже. Но можем ли мы рассчитывать, что чем сильнее мы ломаем голову над подобными вопросами, тем ближе подходим к разгадке?

Недавно, стоя перед трехметровой птолемеевской моделью Вселенной в Музее истории науки во Флоренции, я подумал: как же здорово эта штука отображала движение планет, пока не явились Коперник и Кеплер. Этот механизм представляет собой набор соединенных друг с другом гигантских зубчатых колес и демонстрирует движение планет, исходя из их перемещения по ночному небу. Модель отражает идею древнегреческого астронома Клавдия Птолемея, жившего во II веке нашей эры. Птолемей пытался согласовать представление о том, что небесные тела движутся по кругу, с фактическими наблюдениями за перемещением планет по небу.

В наши дни теория о гигантских соединенных шестеренках отправлена на свалку истории — она не приближает нас к пониманию законов перемещения звезд и планет. Вместо нее мы используем простую и элегантную теорию, где фигурируют не круги, а эллипсы, подтвержденную ньютоновскими теориями движения небесных тел и тяготения, которые объясняют, почему небесные тела перемещаются так, а не иначе.

История науки изобилует прорывами двух типов. Иногда мы обладаем неполным знанием, которое «вроде как» что-то объясняет, а потом дополняем его или заменяем новой теорией, которая работает лучше, не отменяя при этом ценности прошлой теории. Так ньютоновская теория тяготения сменилась теорией Эйнштейна. А иногда неполное знание сменяется совершенно новой идеей, никак не связанной с предыдущими. Например, когда-то считалось, что горение вызывается особой мифической субстанцией — флогистоном, а чтобы объяснить, как световые волны перемещаются в вакууме, придумали идею всепроникающей среды — эфира. Позже они сменились идеями, которые объясняли все те же явления, но при этом не возникало сомнений, что они ближе к истине. К какому из этих типов ближе нынешнее состояние науки? Может быть, мы обманываем себя, носясь с современным подобием флогистона? Может, теория струн — современный эквивалент птолемеевской Вселенной, движущейся как часовой механизм?

И даже если в определенных областях науки мы на верном пути, то какую часть из того, что нам следует знать об устройстве Вселенной, мы уже знаем? Пятьдесят процентов? А может, пять? А вдруг мы знаем всего полпроцента и все мозговые ресурсы, которые мы можем привлечь за все время существования человеческой расы, способны постичь лишь один или два процента?

Конечно, кто-то из ученых может спросить: а зачем вообще брать в расчет вместительность человеческого мозга, если у нас есть компьютеры? В 2008 году компьютер под названием «Марафонец» (Roadrunner), разработанный американским Министерством обороны, был назван самым быстрым компьютером в мире с производительностью, превышающей один петафлопс[50]. Один британский ученый-компьютерщик подсчитал, что «Марафонец», возможно, всего в пять или в пятьдесят раз проигрывает в мощности человеческому мозгу. «Подождите еще три — пять лет, и они сравняются», — сказал он. А у компьютеров будущего, которые станут нам подспорьем в развитии науки, скорость и объем памяти будут практически безграничны. Но каким образом компьютеры помогут нам понять устройство Вселенной? В конце концов, компьютер как был, так и остается только инструментом. Насколько нам известно, единственный объект во Вселенной, обладающий способностью понимать, — это разумное существо, а единственные разумные существа, максимально развившие эту способность, — это, видимо, мы с вами.

Итак, возвращаемся к мысли, что наши попытки научно объяснить устройство Вселенной могут оказаться бесплодными. Наверняка известно лишь одно — в ходе этих попыток нас ждет неисчислимое количество сюрпризов, многие из которых — как это всегда бывало — приведут к новым открытиям и полезным изобретениям.

Пятый вкус

Многие из нас помнят картинку из школьного курса анатомии, изображающую человеческий язык в виде фрагмента карты, разделенной на четыре зоны, которые отвечают за разные вкусовые ощущения: сладкое, кислое, горькое и соленое. Горькое — в задней части языка, сладкое — в передней, а кислое и соленое — по бокам. Как выясняется, это не совсем правда. Рецепторы, отвечающие за те или иные вкусовые ощущения, действительно могут концентрироваться на определенных участках языка, но эти участки сильно различаются от человека к человеку, да и разницу между восприятием разных участков уловить не так легко. Это один из тех научных «фактов», которые за последнюю сотню лет были опровергнуты людьми на собственном опыте.

Однако ложная вкусовая карта языка — еще не самое удивительное. Куда интереснее, что вплоть до самого конца XX века люди были убеждены, будто способны различить всего четыре вкуса. Никто — кроме, может быть, японцев — не знал, что наши вкусовые сосочки могут чувствовать еще и пятый вкус, столь же простой, как сладкое или соленое, но никогда не воспринимаемый отдельно от четырех других. Это как если бы в спектре был еще один дополнительный цвет, скажем, между зеленым и голубым, который никто раньше не замечал.

Что самое странное, этот вкус оставался для людей настолько незаметным, что в большинстве языков для него не нашлось наименования. Пришлось назвать его японским словом «юмами». Самое близкое к нему по значению слово — это «вкусность», правда, такая характеристика не похожа на чувство, поддающееся измерению. Это все равно как если бы у нас в сетчатке обнаружился зрительный рецептор, оценивающий «симпатичность». Однако на деле целый ряд продуктов, которые можно охарактеризовать, как очень вкусные, например картофельные чипсы, содержит в своем составе химическое вещество под названием «глутамат натрия» — основной источник ощущения юмами. Многие легкие закуски содержат ингредиент «вкусности» — гидролизованный белок, который, как мы теперь знаем, стимулирует юмами-рецепторы.

Как же такие рецепторы смогли возникнуть, не войдя при этом в словарик ежедневно упоминаемых ощущений? Одна из теорий гласит, что вкус юмами указывает на высокое содержание в пище белка, необходимого для выживания. Так что, хоть мы и не анализируем свои ощущения от еды как-нибудь вроде: «Ага, тут много белка», тем не менее мы инстинктивно стремимся съесть этого блюда побольше, а значит, цель эволюции достигнута.

Пещерные примитивисты или пещерные аутисты?

Прекрасные образцы наскальной живописи, найденные в течение XX столетия на территории Франции, похоже, выставляют первобытную цивилизацию Европы в новом свете. Сначала были обнаружены рисунки в пещере Ласко, (департамент Дордонь), а потом в пещере Шове (департамент Ардеш). Живые, яркие, выразительные изображения животных на каменных стенах заставили археологов и историков культуры внести поправки в культурный портрет так называемого «примитивного» человека.

«Каждое из этих нарисованных животных, — пишет один ученый, — являет собой олицетворение и сущность данного биологического вида. Например, бизон — это духовный символ; он в некотором смысле “отец бизонов”, идея бизона в чистом виде, бизон как он есть».

А вот что пишет другой эксперт: «Первые наскальные рисунки — неопровержимое свидетельство символического процесса, обеспечивавшего передачу богатого культурного наследия в виде изображений, а возможно, и устных рассказов от поколения к поколению».

Третий добавляет: «Здесь можно заметить намеренную и запланированную акцентировку, выделение одной из частей тела или типичного занятия животных… поскольку именно они представляют интерес [для охотника]».

Делать какие-либо выводы о прошлом человечества всегда сложно. Историк Роберт Дарнтон (р. 1939) писал: «Нет ничего проще, чем перескочить на удобную позицию, что европейцы [в прошлые века] думали и чувствовали точно так же, как мы сейчас, а все различие только в том, что они носили парики и деревянную обувь». Но процитированные выше мнения о значимости наскальной живописи достаточно абстрактны и умозрительны и касаются людей, живших тридцать тысяч лет назад, а вовсе не двести и не триста.

Британский психолог, профессор Николас Хамфри (р. 1943) обратил внимание на заметное сходство между древней наскальной живописью и рисунками английской девочки-аутистки по имени Надя, с которой психологи работали в 1970-е годы. Сравнивая работы Нади с наскальными картинками, Хамфри даже высказал предположение, будто они настолько близки, что, возможно, древние художники тоже страдали аутизмом.

При детальном анализе рисунков Нади в сравнении с наскальными картинами, которых она не видела и видеть не могла (во всяком случае, когда она рисовала, рисунки в пещере Шове еще не были обнаружены), было выявлено поразительное и необъяснимое сходство. На картинке с лошадьми, нарисованной Надей в возрасте трех лет, мы видим те же импрессионистские, накладывающиеся друг на друга движения лошадей, идущих табуном, что и в пещере Шове. А Надин портрет приближающейся коровы неуловимо напоминает бизона со стен Шове.

Как и любой хороший ученый, Хамфри провел подробное исследование, а его заключения были сформулированы осторожно. Хамфри не заявлял напрямую, что первобытные художники были аутистами, он лишь отмечал, что трехлетний аутичный ребенок может рисовать животных с той же яркостью, экспрессией и реализмом, что и первобытные художники; так не мог ли и ими руководить тот же дефект умственного развития? Теория Хамфри базируется на следующем научном наблюдении: как и многие дети с сильной степенью аутизма, Надя в тот период, когда она рисовала серию своих великолепных работ, не могла говорить. Когда она наконец научилась разговаривать, ее рано проявившийся талант художника куда-то улетучился, и она перестала рисовать столь эмоционально сильные картины. А что, если — задается вопросом Хамфри — общество, в котором зародилась наскальная живопись, еще не обрело речи или, по крайней мере, не пользовалось ею столь активно, как делает это «современный» человек, не нагружало ее символизмом, не пользовалось обобщениями и не могло описать словами любое физическое или эмоциональное состояние? Возможно, как в случае с Надей, появление более сложных способов использования речи каким-то образом вытеснило умение рисовать в этой импульсивной и энергичной манере, и в интеллектуальной жизни первобытных людей рисунки сменились словами.

Если Хамфри прав, наскальная живопись возрастом в тридцать тысяч лет не утрачивает своей красоты и драматизма, но она уж точно не представляет собой «духовный символ» или «символический процесс, обеспечивавший передачу богатого культурного наследия в виде изображений, а возможно, и устных рассказов от поколения к поколению». Это всего лишь торопливые записи наблюдательного и импульсивного первобытного мужчины или женщины, которые вовсе не свидетельствуют о широком распространении в древнем обществе искусства живописи.

Почему мир не движется, когда мы двигаем глазами?

Вот еще один из тех вопросов, на которые часто отвечают: «А разве он должен?» Но если вы подумаете как следует, то вспомните: когда во внешнем мире что-то движется, изображение этого предмета перемещается по сетчатке, своеобразному экрану, расположенному в задней части глаза. Именно так мы и узнаем о движении предмета. Однако если какой-то объект внешнего мира неподвижен, а мы проводим мимо него взглядом, его изображение опять-таки будет перемещаться по сетчатке. Например, если бы вдруг закачался весь внешний мир, например, в результате землетрясения, его визуальное воздействие на сетчатку ничем не отличалось бы от того, как если бы наш взгляд стал быстро двигаться из стороны в сторону. Как же мы все-таки различаем эти процессы?

Возможно, в ходе эволюции мы научились прикидывать, какой из вариантов более вероятен: тот, при котором движется мир и все вокруг (это случается редко), или тот, при котором движутся наша голова или взгляд (а это происходит постоянно). Но ведь когда мир действительно движется, даже совсем чуть-чуть, во время землетрясения, у нас не возникает сомнений в происходящем, то есть мы сразу видим разницу.

Правильный ответ кроется в системе обратной связи, которой обладает наше тело. Эту систему можно сравнить с сетью передачи данных, посылающей сообщение мозгу всякий раз, когда наша голова или взгляд приходят в движение. В сообщении как бы говорится: «Не волнуйся, этот резкий скачок — не настоящий. Это не мир движется, а всего лишь я».

Тут прямая аналогия с учебной тревогой — ревут сирены, а радио в это время передает: «Без паники, опасности нет, это учения». Но если однажды вы услышите сирену без этого сообщения — значит, пора начинать беспокоиться.

Однако же какая часть головы или глаза посылает эти самые сообщения, заверяющие нас, что это мы двигаемся, а не мир вокруг нас? Может, где-то в голове или глазах имеются датчики движения, которые активируются при движении глаза? Или может, у нас есть индикаторы местоположения — что-то вроде тех сенсоров, которые сообщают нам, где приблизительно находится наша рука, когда мы пытаемся дотронуться ею до носа, зажмурившись.

Что ж, докопаться до истины можно при помощи простого эксперимента. Если закрыть один глаз, а другой дергать пальцем вверх-вниз, то будет казаться, что мир перемещается синхронно с движениями пальца, который, в свою очередь, двигает глазом. Если бы сообщение, говорящее, что мир на самом деле не двигается, исходило из датчиков движения в глазу, то мозг решил бы, что мир и впрямь неподвижен, поскольку ваш глаз двигался бы точно так же, как если бы вы приказали ему двигаться при помощи глазных мышц. Аналогичным образом, поскольку ваш глаз меняет свое положение в ответ на движения пальца точно так же, как если бы вы двигали его силой глазных мышц, вы опять увидите мир неподвижным, а себя — двигающимся.

Единственная разница между движениями вашего глаза в этих двух ситуациях заключается вот в чем: когда вы двигаете глазом при помощи пальца, глаз движется пассивно; если вы двигаете им силой глазных мышц, он движется активно. Именно решение пошевелить головой или взглядом запускает сигнал, который поступает в мозг и сообщает: «Спокойно, окружающий мир не двигается». Когда вы дергаете глаз пальцем, этот сигнал «отбоя» не отправляется, поскольку мозг не приказывал глазу двигаться.

Ослепительное наукообразие

Создатели телевизионных роликов, рекламирующих лекарства или моющие средства, часто прибегают к псевдонаучным деталям. Неправдоподобно красивые и опрятные ученые в белых халатах и с аккуратными папочками в руках глубокомысленно вглядываются в стойки с пробирками (в современных, оборудованных по последнему слову техники лабораториях такую сцену увидишь нечасто). Мультипликационная реклама демонстрирует нам унитазы или пищеварительный тракт, осаждаемые злобными кляксами-микробами и гаденышами-бактериями, с которыми бьются симпатично выглядящие частички моющего средства или обезболивающего. Косметика содержит компоненты с научно звучащими названиями типа «пантенол» или «миконазол» либо же сама называется как-нибудь псевдонаучно, например «Юведерм» или «Целсинк». Шампунь, содержащий «провитамин В₁₂ и экстракт гинкго билобы», кажется потребителю, слышащему эти «умные» слова, куда эффективнее, чем тот, в котором ничего такого нет.

Руководители рекламных служб верят в силу «наукообразия» — то есть внешнего подобия науке, — убеждающего потребителей покупать именно их продукцию. В ходе одного интересного эксперимента двое психологов доказали, что вера человека в научные объяснения возрастает при использовании незнакомых, но впечатляющих научных картинок и схем.

Ученые пригласили 156 студентов и выдали им для чтения некоторое количество статей о новостях науки, касавшихся технологии под названием «функциональная магнитно-резонансная томография», или фМРТ. Эта технология предназначена для получения картинок мозговой активности в ходе выполнения пациентом различных задач. Исследователей беспокоило, что подобные картинки часто вводят людей в заблуждение: средства массовой информации то и дело публикуют их как свидетельство того, что некие участки мозга якобы связаны с определенными функциями, такими, как ложь, влюбленность, вера в Бога, тогда как на самом деле эти картинки с абсолютной точностью выявляют лишь одно — увеличенное содержание кислорода в крови, направляющейся в те или иные участки мозга.

Чтобы проверить, возрастает ли вера читателей в научные объяснения, если те подкрепляются подобными изображениями, ученые сфабриковали несколько новостных статей, описав результаты различных экспериментов с использованием фМРТ. Студентов разделили на три группы. Одной группе выдали статьи о данных исследований, где был только текст; другой группе дали тот же текст с добавлением гистограммы или диаграммы мозга, резюмировавшей данные, ранее уже изложенные в тексте; а третьей предложили текст, сопровождаемый изображением мозга, где были выделены области, якобы высвечивающиеся при фМРТ, что должно было подтвердить сведения, содержавшиеся в статье. В статьях читателям преподносились три разных умозаключения: «Просмотр телевизора напрямую влияет на математические способности», «Медитации развивают творческое мышление» и «Видеоигры улучшают внимание».

Результаты экспериментов, изложенные в фальшивых статьях, необязательно подтверждали эти умозаключения. Однако там были заложены другие возможные объяснения, которые студенты могли выловить из текста. Ученых интересовало, будут ли те же самые результаты расцениваться как более правдоподобные, если сопровождать их ложными научными иллюстрациями.

В результате использование гистограмм и диаграмм никак не повлияло на оценку студентами научной состоятельности умозаключений, а вот изображения мозга — повлияли. Читатели чаще соглашались со сделанными в статье выводами, если к статье прилагалось изображение мозга. Картинка расценивалась как «доказательство», и исследователи предположили, что «настоящие» снимки процессов, происходящих в чьей-то голове, воспринимаются особым образом и отношение к ним совсем иное, нежели к диаграммам.

В конце своего доклада, доказав, что сканы мозга, сделанные при помощи фМРТ, заставляют людей верить в результаты опыта, экспериментаторы как бы исподволь намекнули: излагая данные своих исследований или составляя заявки на гранты, ученым, занимающимся изучением процессов познания, стоит использовать как можно больше изображений мозга, независимо от того, есть ли в них реальная необходимость. Это увеличит шансы быть услышанными и получить повышенное финансирование.

Гилберт был прав

Многие полагают, будто их политические взгляды сформировались в результате размышлений об обществе и о том, как оно должно быть организовано, вкупе с тщательным разбором достоинств и недостатков оппозиционных сил. И все это, в свою очередь, связано с нашими представлениями о путях создания справедливого и сплоченного человеческого сообщества.

Но когда Уильям Гилберт (известный английский драматург, создававший оперы в соавторстве с композитором Артуром Салливаном) писал, что «каждый мальчик и каждая девочка, рожденные в этом мире, уже либо маленький либерал, либо маленький консерватор», он, как недавно выяснили две команды ученых, был куда ближе к истине.

Группа канадских психологов в 2001 году обнаружила, что у их испытуемых была генетическая предрасположенность к той или иной политической позиции. Для своего исследования ученые собрали 88 пар близнецов, как однояйцевых, так и разнояйцевых. Однояйцевые близнецы обладают идентичным набором генов, поскольку они произошли из одной разделившейся оплодотворенной яйцеклетки. Разнояйцевые близнецы происходят из двух отдельных оплодотворенных яйцеклеток, одновременно развивавшихся в одной матке.

Близнецам предоставили список из тридцати высказываний, относившихся к различным аспектам жизни, и попросили ответить, согласны они с высказываниями или нет. Фразы варьировались от отношения к кроссвордам и шахматам до взглядов на неприкосновенность человеческой жизни и важность равенства в обществе. Результаты четко показали: однояйцевые близнецы гораздо чаще придерживались одних и тех же взглядов, чем разнояйцевые. Более того, крепче всего с генетикой были связаны типично консервативные воззрения, такие, как отношение к смертной казни, абортам, расовой дискриминации и иммиграции.

Иное объяснение, гласившее, что люди перенимают свое отношение от окружения и в особенности от родителей, можно было сразу исключить: ведь оба типа близнецов, и однояйцевые, и разнояйцевые, росли вместе примерно в одних и тех же условиях.

Впоследствии еще одна группа ученых, на этот раз из университета штата Небраска, провела исследование, продемонстрировавшее, как может возникать подобная генетическая предрасположенность. Их внимание привлекли различия в физиологическом устройстве мозга, определяющем, как человек реагирует на угрозу. Ученые собрали группу из сорока шести жителей Небраски, отличавшихся твердыми политическими убеждениями, либо либеральными, либо консервативными, измеренными по стандартной шкале. Затем с ними провели ряд физиологических тестов, выявляющих, как испытуемый отвечает на угрозу. К коже каждого участника подсоединили электроды, измеряющие уровень страха, а потом показали 33 картинки. Большинство изображений были эмоционально нейтральными, но среди них были и три устрашающих картинки: огромный паук на лице перепуганного человека, оцепенелый субъект с окровавленным лицом и открытая рана с копошащимися в ней червями. Чтобы убедиться, что измеряемый отклик на эти картинки связан исключительно с отрицательными эмоциями, ученые показали испытуемым вторую серию картинок, среди которых тоже было три возбудителя, но на этот раз не представляющих угрозы (один из этих возбудителей именовался в их сухом научном отчете как «зайка»).

Результаты не допускали разночтений. Люди, придерживавшиеся взглядов, которые принято именовать консервативными, и ратовавшие, скажем, за рост расходов на оборону, за смертную казнь, патриотизм, войну в Ираке, а также выступавшие против пацифизма, иммигрантов, контроля за ношением оружия, помощи иностранным государствам и так далее, продемонстрировали более заметную физиологическую реакцию на угрозу. Похожие различия между двумя группами испытуемых обнаружились и при измерении другого физиологического параметра — моргания в ответ на громкие звуки. Консервативно настроенные субъекты моргали активнее.

Физиологическая реакция на угрозу зарождается в маленьком участке мозга, именуемом «миндалевидное тело», или «миндалина» (название появилось благодаря его форме). Активность клеток этой области мозга определяется генами, а значит, именно они влияют на то, как тело реагирует на опасность, что, в свою очередь, имеет непосредственное отношение к тому, как формируются наши политические воззрения.

Подобные результаты могут объяснять, почему так сложно заставить человека сменить свое политическое кредо в ходе спора. В странах наподобие Великобритании или США, где главенствуют два крупных политических блока, сменяющих друг друга у государственного руля, доля голосов, ведущая к смене власти, довольно мала; обычно соотношение голосов располагается в диапазоне от 45:55 до 55:45. И очень мало где в обществе явно преобладают консерваторы или либералы — во всяком случае, если в стране проводятся свободные выборы.

Проанализировав, как 46 испытуемых жителей Небраски моргали и реагировали на страшные картинки, американские ученые пришли к весьма интересному обобщению, заставляющему серьезно задуматься: «Наше исследование дает одно из возможных объяснений недостаточной гибкости взглядов у людей с твердыми политическими убеждениями и, как следствие, вызванных этим повсеместных политических конфликтов».

Хоть Уильям Гилберт и додумался до генетической природы политических воззрений раньше других, его научные знания оставляли желать лучшего. В пассаже, следующем за рассуждениями о маленьких либералах и консерваторах, говорится: «А когда к ним в дом явятся члены парламента и начнут разбираться, есть ли у них мозг и мозжечок в придачу, им придется отбросить мозг в сторонку и голосовать, как им скажет их руководство». Вообще-то мозжечок не имеет ничего общего с интеллектуальными способностями и отвечает за координацию движений и контроль над телом. Однако из песни слова не выкинешь.

Самое маленькое в мире трио

Ксилофон, гитара и барабан — каждый инструмент по размеру не больше клетки-эритроцита — стали результатом исследований в бурно развивающейся отрасли науки — нанотехнологии. Эта технология, предсказанная почти тридцать лет назад американским инженером-провидцем Эриком Дрекслером, а еще раньше — физиком-теоретиком, лауреатом Нобелевской премии (и по совместительству барабанщиком) Ричардом Фейнманом, стремительно развивается, и вот уже благодаря ей ученые могут, управляя атомами и молекулами, создавать геометрические фигуры, конструкции и даже маленькие устройства — настолько крошечные, что их не разглядеть не только невооруженным глазом, но даже порой и в оптический микроскоп.

Возможности нанотехнологии безграничны. Все, что имеет для человека хоть какое-то значение, состоит из молекул — от генов до микрочипов, от медикаментов до вредных примесей в воде и в воздухе. До возникновения нанотехнологии попытки видоизменить или «отремонтировать» атомы и молекулы всегда осуществлялись не напрямую, поскольку мы не могли видеть объекты воздействия, а тем более манипулировать ими. Между тем структура этих молекул порой была известна досконально, и ученые видели, какие изменения могут потребоваться, чтобы создать более эффективное лекарство, вывести более урожайную сельскохозяйственную культуру или изготовить более миниатюрную микросхему, но, образно говоря, их пальцы были слишком велики и неуклюжи, чтобы воплотить эти изменения в жизнь.

Сейчас техника шагнула вперед настолько, что ученые получили возможность воздействовать на молекулы напрямую и создавать новые структуры, обладающие инновационными биологическими функциями.

Ища способы взаимодействия с этими микроскопическими объектами, ученые нацелили свое внимание на очень точно сфокусированные световые волны, позволяющие нагревать объекты и таким образом воздействовать на их структуру. В случае с «музыкальными инструментами» ученые сконструировали каркасы, содержавшие цепочки атомов кремния разной длины, вследствие чего они вибрировали на разных частотах, как гитарные струны. Эти кремниевые струны были зафиксированы с обоих концов, и, когда луч света нагревал их, создавалось напряжение, заставлявшее струны вибрировать на частоте, зависевшей от длины. Конечная цель этого исследования заключалась в том, чтобы отыскать менее энергоемкие способы управления электронными схемами и найти альтернативу нынешним проводам, чтобы они в наномасштабах перещеголяли струны наногитары. Подобными устройствами можно будет заменить преобразователи из кварцевых кристаллов, которые сейчас используются в сотовых телефонах. Наноустройства смогут выполнять ту же работу с гораздо меньшими затратами энергии.

У крошечных музыкальных инструментов, если все-таки заняться игрой на них, есть лишь один небольшой недостаток. Они не только столь малы, что их не увидишь без микроскопа (пятнадцать тысяч их уложатся в ряд длиной менее сантиметра), но эти инструменты еще и издают звуки такой высокой частоты, которая недоступна человеческому уху. Их диапазон на 17 000 октав выше, чем у нормальной гитары.

Нечестно по отношению к Бёйс-Баллоту?

Бедный старый голландский метеоролог Христофор Хенрик Дидерик Бёйс-Баллот (1817–1890) упустил свою порцию славы, и та досталась Кристиану Иоганну Доплеру, — а все благодаря эффекту, с которым в наши дни сталкивался каждый, кому довелось на большой скорости проехать мимо «скорой помощи» или полицейской машины, в которой включена сирена.

Любопытная деталь: до появления железных дорог никто даже и не замечал, что высота звука по мере приближения источника звука к слушающему, а также по мере последующего удаления от него изменяется. Может, до этого какой-нибудь обладатель отличного слуха и обращал внимание на подобные изменения, когда мимо него проносился всадник, играющий на трубе одну-единственную ноту, но, видимо, такие случаи происходили нечасто, да и откуда человеку было знать, что всадник, проезжая, не затрубил на другой высоте нарочно?

Эффект был назван в честь Доплера, поскольку именно этот австрийский физик первым заявил о его существовании, хотя и применительно к световым волнам. Он предположил, что, если бы звезды приближались к Земле, их свет казался бы более голубым, чем обычно, а если бы они удалялись, то более красным. Его открытие оказалось чрезвычайно ценным в последующие годы, когда астрономы, назвав это явление «спектральным смещением», стали использовать его для вычисления скорости, с которой звезды движутся по линии прямой видимости, а также для подтверждения идеи о расширении Вселенной (см. главу «Вселенная — это вам не сарай»).

Однако в нашей повседневной жизни гораздо большее значение имеет идея Бёйс-Баллота, предположившего, что тот же самый эффект может распространяться и на звуковые волны. В науке часто случается, что необычное наблюдение влечет за собой поиски его объяснения. Но здесь, наоборот, первым появилось объяснение, и Бёйс-Баллоту требовалось найти лишь способ проверить, применим ли этот эффект к звуку, и подкрепить идею объективными наблюдениями.

Железная дорога на паровой тяге тогда находилась еще на этапе становления, но это был самый быстрый способ перемещения, позволяющий проверить теорию. В 1845 году голландцы, жившие вдоль железной дороги, соединявшей Утрехт и Маарсен, в течение двух дней наблюдали странную картину: вагон-платформа с компанией трубачей, оглушительно и душераздирающе (ну, во всяком случае, немелодично) дующих в трубы, катался по путям туда-сюда мимо группы музыкантов — обладателей превосходного слуха, а те записывали ноты, которые они слышали, пока платформа приближалась и проезжала мимо. Собранные данные подтвердили, что теория Доплера применима и к звуку: когда платформа проезжала мимо и удалялась, высокие ноты сменялись более низкими, а сила звука зависела от скорости поезда.

Объясняется это явление просто. Высота звука напрямую связана с количеством звуковых волн, достигающих уха за секунду. Если источник звука приближается к слушателю, за секунду прибывает больше волн, чем если бы он стоял без движения; а если источник удаляется, волн долетает все меньше. Кстати, то же правило действует и когда слушатель движется навстречу неподвижному источнику звука или удаляется от него, хотя это менее распространенная в реальных условиях ситуация. Представьте, что вы плывете на лодке по озеру с регулярно пробегающими волнами, вызванными ветром. Вы минуете больше волн в минуту, если плывете против ветра, и меньше — если ветер попутный. Пока в один прекрасный момент, когда ваша скорость сравняется со скоростью волн, вам не начнет казаться, что они стоят на месте.

Хоть эффект Доплера применительно к звуку так и не был назван в честь Бёйс-Баллота, имя этого ученого все-таки было увековечено, причем в главной области его деятельности — в метеорологии. Его имя присвоили закону. Закон Бёйс-Баллота гласит, что если вы стоите спиной к ветру в Северном полушарии, то зона пониженного давления будет находиться от вас слева. Это потому, что ветер движется по кругу против часовой стрелки, а в центре круга располагается зона пониженного давления. В Южном полушарии все наоборот.

И от атомной бомбы бывает польза

На заре эры покорения атома изобретение новой и чрезвычайно мощной атомной бомбы вызвало в мире такой энтузиазм, что многие страны занялись созданием собственного страшного оружия и, расценивая это как укрепление своих стратегических позиций, принялись испытывать его в удаленных от человеческого жилья уголках Земли, к примеру на островах Тихоокеанского бассейна. В 1950-е и 1960-е годы после испытаний водородной бомбы в местах взрывов наблюдался чрезвычайно высокий уровень радиации, от которой пострадали многие местные жители, а также проводивший испытания персонал, — создателям бомбы пока еще не хватало знаний о возможных последствиях. Но радиоактивность, возникавшая в ходе взрывов, затронула не только непосредственно места испытаний — она охватила гораздо большую площадь: радиоактивные частицы попали в атмосферу и были подхвачены потоками воздуха, перемещающимися вокруг земного шара. Некоторые частицы оказались в пище, особенно опасны были атомы стронция-90 и цезия-137, продолжающие излучать радиацию на протяжении весьма длительного времени. Даже сейчас, когда испытания атомного оружия в слоях атмосферы остались в далеком прошлом, в организмах новорожденных находят следы стронция-90 — об этом свидетельствуют ученые, собирающие молочные зубы. Поскольку в природе стронций-90 не встречается, значит, эти атомы остались после испытаний ядерного оружия.

Но внимание ученых привлек другой изотоп, углерод-14, также образовавшийся в процессе испытаний атомной бомбы в атмосфере. После осуществления серии исследовательских проектов стало ясно: в грибовидном облаке от ядерного взрыва была и своя «ложка меда».

В 1992 году некий австрийский ученый-криминалист столкнулся с необычной проблемой. В одной венской квартире были найдены трупы двух престарелых сестер. Тела успели мумифицироваться, выходит, старушки умерли еще несколько лет назад, но никто из соседей этого не заметил. При других обстоятельствах эта печальная история, в которой вроде не содержалось никакого состава преступления, не привлекла бы внимания полиции и судмедэкспертов. Но у каждой из женщин имелись пенсионные накопления и страховые полисы, оформленные в разных фирмах. Так что, если бы одна старушка пережила другую (а было не похоже, чтобы они обе умерли в одночасье), она бы унаследовала пенсию и страховку сестры, и эти значительные суммы перекочевали бы на счета в ее собственной страховой компании.

Археологи, датируя свои находки, используют изотоп углерод-14, хотя этот метод работает без погрешностей, только если найденным предметам не более нескольких сотен лет. Но двоим венским физикам-дозиметристам пришла в голову другая идея. Уровень углерода-14 в атмосфере из года в год меняется. В период между 1950 годом и концом 1960-х из-за испытаний ядерного оружия этот показатель достиг пика, а потом стал потихоньку снижаться. Впрочем, он до сих пор выше, чем был до 1950 года.

Атмосферный углерод-14 попадает в клетки человеческого организма, и его количество отражает содержание углерода-14 в атмосфере в те времена, когда клетки только формировались. Некоторые клетки тела остаются неизменными на протяжении всей жизни, так что по содержанию в них углерода-14 можно вычислить дату рождения. А другие клетки делятся и делятся, так что количество искомого изотопа в них должно соответствовать году, когда эти клетки образовались.

В случае с венскими старушками дозиметристы исследовали жировые клетки, найденные в костях и сформировавшиеся незадолго до смерти сестер. Так ученые смогли установить, что одна сестра умерла в 1988 году, а вторая — в 1989-м, и тем самым разобраться, кто кому наследовал.

Что ж, любопытная история без каких бы то ни было сногсшибательных последствий. Но теперь, спустя два десятилетия, техника датировки по содержанию в телах углерода-14, сохранившегося в атмосфере после ядерных испытаний, живет и процветает. Одна группа ученых открыла, что, когда молекула ДНК делится, она как бы запечатлевает в себе мгновенный снимок уровня углерода-14 на момент деления. С помощью этого свежеобретенного знания удалось доказать, что в некоторых участках мозга с момента рождения не появляется ни одной новой клетки. Многие ученые и раньше исповедовали эту идею, но никому не удавалось ее доказать. Дату рождения человека можно определить по содержанию углерода-14 в зубах — это еще одна часть человеческого тела, не воспроизводящая новых клеток.

А ученые-энологи из университета австралийского города Аделаида (энология — это наука о вине) используют ту же технологию как надежный способ установить возраст вина. Стоит лишь проверить напиток на содержание углерода-14, который попадает в вино вместе с виноградным сахаром, а в виноград — из атмосферы. По количеству изотопа можно узнать год, когда был собран виноград.

Туманное будущее

Наверняка многие слышали о принципе неопределенности Гейзенберга. Он гласит, что, наблюдая за элементарными частицами, невозможно определить одновременно и положение частицы, и ее скорость. Для того чтобы наблюдать вообще что бы то ни было, нужно соблюдать определенные правила, а их соблюдение влияет на то, за чем вы наблюдаете. Представьте себе мир, в котором можно воспринимать объекты лишь с помощью осязания: если ткнуть в объект пальцем, чтобы определить его местонахождение, он сместится от тычка. А если объект при этом двигался, тычок также изменит его скорость или направление движения.

Вот и с атомными частицами примерно то же самое. Если мы попытаемся направить на частицу луч света или иной энергии, чтобы «разглядеть» ее, то в тот самый миг, когда луч достигнет частицы, она изменит свои характеристики — положение или скорость, — и они станут совсем иными, чем в том случае, если бы мы не старались эту частицу рассмотреть.

Конечно, я подал идею в чрезмерно упрощенном виде. Из моего объяснения может показаться, что во всем виноваты измерительные приборы, на деле же, согласно Гейзенбергу, принцип неопределенности отражает основное свойство атомных частиц, которые просто физически не могут существовать в определенной точке и с определенной кинетической энергией. Как только вы измеряете один показатель, второй становится неизвестен.

Это наблюдение считается чрезвычайно важным для физики частиц, однако же, когда речь заходит о мире больших объектов (например, столов, теннисных мячей, собак и так далее), дело обычно преподносят так, что принцип неопределенности имеет ко всему этому весьма малое отношение. Большие объекты сделаны из такого немыслимого количества миллиардов атомов, а измерение неопределенности каждого из них дает такую ничтожную величину, что при тех скоростях и расстояниях, которые интересуют нас в макромире, всякое проявление принципа неопределенности будет практически неразличимо.

Еще в начале девятнадцатого века, когда о физике атомов ничего не было известно, французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас предположил, что, если бы какое-нибудь гипотетическое разумное существо, так называемый «демон», смогло узнать положения и скорости всех частиц в мире в некий момент, ему удалось бы, при соответствующем объеме расчетов и с использованием законов Ньютона, совершенно точно предсказать все мировые события. И поныне, даже после открытия Гейзенберга, некоторые продолжают верить, что, рассматривая простую физическую систему, такую, как бильярдный стол и шары, можно высчитать будущие перемещения шаров на сколько угодно ходов вперед, достаточно только точно знать их исходные позиции и скорость и применить ньютоновские законы движения.

На самом деле это не так. Американский физик Дэвид Рэймонд еще сорок пять лет назад подсчитал, что правильно предсказать траектории и скорости перемещения шаров на бильярдном столе можно только до одиннадцатого столкновения. И как бы точно вы ни считали и ни измеряли, совокупная неопределенность в сочетании с тем, что каждое столкновение влияет на любое другое, приводит к решительной невозможности рассчитать заранее то, что произойдет на столе после одиннадцатого столкновения.

Приведу пример его аргументации: как бы аккуратно мы ни целились шаром-битком в первый шар, который хотим отправить в лузу, мы не можем определить положение этого шара с абсолютной точностью, так что в наших прикидках, куда шар покатится после удара, уже заложена крошечная ошибка. Эта очень маленькая погрешность породит непропорционально большую неточность в оценке движения следующего шара и так далее. С каждым новым столкновением эта неопределенность, начавшаяся с крошечной цифры, станет разрастаться до неимоверных размеров. Рэймонд учел массу и радиус каждого шара, сделал поправки на расстояния между отдельными столкновениями, принял во внимание прочие факторы, а затем рассчитал, сколько столкновений должно произойти, прежде чем ошибки достигнут критической массы и станет невозможно хоть с какой-то долей уверенности сказать, где окажется хотя бы один из шаров. Вот так он и пришел к заключению, что после одиннадцати столкновений предсказать дальнейшее перемещение шаров и не попасть пальцем в небо станет уже невозможно.

Конечно, в реальном мире источников погрешностей намного больше, чем те, которые рассмотрел Рэймонд: тут вам и неровности стола и отдельных шаров, и дрогнувшая рука игрока, и даже эффект незначительных изменений температуры, — так что реалистичное предсказание затрещит по швам еще задолго до одиннадцатого столкновения. А Лаплас, наверное, пришел бы в крайнее изумление, обнаружив, что его хваленый «демон» не только не сможет точно предсказать все мировые события, исходя из глубокого познаний о нынешнем положении вещей, — у него не получится даже предугадать поведение кучки бильярдных шаров в следующие десять секунд!

А почему это мы должны провалиться сквозь пол?

Ученые имеют привычку задаваться вопросами, которые людям, далеким от науки, кажутся глупыми. Один из таких вопросов: «Почему мы не проваливаемся сквозь пол?» Есть даже книга с подобным названием. Но ведь житейский опыт говорит нам: пол — это твердая поверхность, чья единственная задача — не дать нам провалиться сквозь нее. Это то минимальное требование, которое мы предъявляем к любому полу. Однако за дурацким, казалось бы, вопросом кроются наши знания о полах и о том, как они устроены, а эти знания, вообще говоря, противоречат здравому смыслу.

Поскольку полы состоят из атомов, именно знание природы атомов заставляет нас задавать этот вопрос.

Идея об атомах как о простейших составляющих материи насчитывает уже около двух с половиной тысяч лет, но большую часть этого времени человечество скорее воображало, чем реально понимало, что такое атомы. Они представлялись людям твердыми, плотными шариками. И только в XX столетии сформировалась более точная картина устройства атомов, которая, впрочем, пока полна загадок и наглядно демонстрирует, чем плохи попытки представить себе физические или математические понятия в виде картинок.

Нынешняя «картина» атома, возникшая после целого столетия исследований и опытов, представляет собой следующее: в центре твердое ядро шириной в одну единицу (о том, что я понимаю под единицей, мы поговорим чуть позже), а вокруг — облако куда более легких частиц, электронов. Радиус этого облака — до 30 000 единиц и больше. Более 99,9 % массы атома приходится на ядро, так что между ядром и наружной «поверхностью» атома почти ничего нет. Даже об электронах нельзя сказать, что они на самом деле находятся в этом пространстве. Хотя они порой могут вести себя как крошечные твердые шарики, в реальности электроны, как понимают это ученые, являют собой облако неравномерной плотности: где облако поплотнее — там, вероятнее всего, и пребывает электрон. Он «существует» лишь в тот кратчайший момент, когда ученому, использующему какое-нибудь точнейшее устройство, удается добиться того, чтобы от этого электрона «отскочил» какой-нибудь другой или чтобы от него отразилась волна некоего излучения: тогда и только тогда наш электрон не только объявит о своем местонахождении — он словно бы материализуется в результате наблюдения, прежде чем снова исчезнуть в облаке вероятностей.

Это как если бы некая дама, член английского парламента, существовала в виде облака — очень плотного в районе ее дома и палаты общин, чуть менее плотного в торговом центре рядом с ее домом, еще менее плотного в ее фитнес-клубе и уж совсем жиденького где-нибудь в трущобах Глазго или в высочайшей точке Великобритании, на горе Бен-Невис. Но самой ее не было бы нигде, пока вдруг кто-то не налетел бы на нее, и тогда облако немедленно уплотнилось бы, и мы увидели бы сорокалетнюю женщину в стильном костюме.

Но вернемся к атому. Если бы его ядро было размером с апельсин диаметром десять сантиметров, то край электронного облака — точка, за которой возможность обнаружить электрон становится исчезающее мала, — будет находиться где-то на расстоянии от трех до тридцати километров. Получается, в любом твердом теле, состоящем из атомов (например, в полу), 99 % объема пустует, и это тело — словно обширная равнина, на которой на расстоянии многих километров друг от друга разбросаны апельсины, а вокруг витают облачка почти ничего не весящих электронов.

В реальности, если отвлечься от апельсинов и километров, единица, которой пользуются для измерения атомов, называется «фемтометр», это 10 в минус пятнадцатой степени метра. Диаметр ядра составляет около фемтометра, а радиус атома — около 100 000 фемтометров, то есть чтобы выложить линию длиной в один метр, потребуется десять миллиардов атомов.

Теперь мы с вами пониманием, как вообще возник вопрос: «Почему мы не проваливаемся сквозь пол?» Возможно, в нем гораздо больше смысла, чем вам казалось сначала. Ведь не только «твердый» пол по большей части состоит из пустоты: в туфлях, которые на нем стоят, и в ногах, обутых в эти туфли, и в самом человеке — то же самое соотношение пустоты и массы. Так почему два этих объекта, в основном состоящие из пустого пространства, не проходят друг сквозь друга, как два флота, корабли которых разделяют километры, идущие навстречу друг другу по Ла-Маншу?

Ответ кроется в привычном — но зачастую превратно трактуемом — определении понятия «твердый». Если мы будем понимать под этим словом пространство, целиком заполненное плотным веществом, то наш пол покажется нам чем-то очень уж эфемерным. Однако тут нам пригодится еще одна характеристика атомов — силовые поля, окружающие ядро. Когда два атома оказываются рядом, на них воздействуют сразу две силы: одна притягивает, а другая отталкивает. Приближаясь к другому атому, первый в какой-то момент достигает точки, где обе эти силы уравновешиваются, и дальше неколебимо держится на этой позиции. В группе атомов, прочно соединенных этими силами в нечто единое и твердое (например, пол), любой другой атом, который попытается их разъединить, в определенный момент тоже достигнет точки равновесия, и, чтобы двигаться дальше, ему придется преодолеть огромную силу сопротивления, намного превышающую силу тяжести, прижимающую ногу к полу.

Так что в следующий раз, когда вы захотите пройтись по своей комнате, вообразите, что ваши ноги и пол расталкиваются на крошечное расстояние мощной силой атомов. Именно поэтому вы не проваливаетесь сквозь пол.

Луис Слотин и критическая масса

Талантливые ученые часто обладают авантюрным и безрассудным складом характера, и это иногда влечет за собой печальные последствия (более серьезные, чем имидж чудака и возмутителя спокойствия). А порой безрассудство приводит к настоящей катастрофе — в этом на собственном примере убедился молодой канадский физик Луис Слотин, работавший в 1940-е годы в Лос-Аламосе над проектом атомной бомбы. Он пострадал от процесса, который сам же вместе с коллегами пытался понять.

Для создания нормальной, действующей атомной бомбы нужно выяснить такой важнейший параметр, как «критическая масса» обогащенного урана или плутония — вещества, в котором при определенных условиях запускается цепная реакция (см. главу «Самый древний в мире ядерный реактор»). Конечно, критическую массу можно было вычислить теоретически, но потом все равно потребовалось бы проверить вычисления экспериментально. Слотин провел кучу экспериментов, чтобы найти точную цифру. Он брал два кусочка плутония размером с половинки разрезанного крикетного мяча и медленно подносил их друг к другу.

При цепной реакции радиоактивные химические элементы, такие, как уран и плутоний, начинают испускать атомные частицы под названием «нейтроны». Обычно, если радиоактивного вещества немного, большинство нейтронов улетучивается, но некоторые из них сталкиваются с другими атомами, и выделяется еще больше нейтронов. Львиная доля этих нейтронов снова улетучивается, но часть провоцирует новый выброс. Пока масса плутония не превышает определенной величины, выброс нарастающих волн нейтронов вызывает только выделение тепла и небольшую радиоактивность, а потом скорость выделения нейтронов спадает. Однако если масса урана и плутония достаточно велика, скорость, с которой нейтроны «выбивают» из атомов новые нейтроны, возрастает, и реакция становится самоподдерживающейся. Количество нейтронов, сталкивающихся с атомами, будет расти и расти, пока всю массу радиоактивного вещества не поглотит ядерный взрыв.

Физики-ядерщики назвали процесс определения критической массы радиоактивных элементов «щекотанием хвоста спящего дракона», и Слотин был опытным специалистом по этому щекотанию. Он проделал более пятидесяти экспериментов, в ходе которых медленно сдвигал два кусочка вещества с массами ниже критической, а потом наблюдал за ростом выделения нейтронов, слушая щелчки нейтронного счетчика. Он приближал кусочки все ближе друг к другу, щелчки звучали все чаще и чаще, и ему нужно было выбрать правильный момент и прекратить сближение, прежде чем запустится цепная реакция. Потом следовало измерить расстояние между кусочками, что позволило бы физикам рассчитать общую массу плутония, которая неизбежно вызовет цепную реакцию.

21 мая 1946 года Слотин провел этот опыт в последний раз, взяв кусок плутония, пока тот не отдали другим ученым для взрывов. В лаборатории также присутствовали несколько его коллег. Слотин манипулировал крышкой, прикрывавшей две полусферы плутония, — она должна была отражать нейтроны, возвращая их в зону цепной реакции, чтобы увеличить ее скорость. При этом одной рукой Слотин с помощью отвертки удерживал полусферы на расстоянии, а другой рукой боролся с крышкой. (До этого он удалил две прокладки, не позволявшие кускам плутония соединиться.) Вдруг отвертка выскользнула, и Слотин уронил крышку. Два кусочка плутония схлопнулись, была достигнута критическая масса, и произошел выброс смертельно опасного количества радиации. Ученые, присутствовавшие в комнате, увидели голубое сияние, а Слотин, стоявший к месту реакции ближе всего, ощутил кислый привкус во рту и сильное жжение в руке. Бросившись к плутонию, Слотин сумел разъединить кусочки радиоактивного материала, и в тот же миг понял, что обречен. Он получил такую дозу облучения, как если бы стоял в полутора километрах от взрыва атомной бомбы. Слотин также понимал, что и его коллеги получили немалые дозы. Быстро зарисовав схему расположения людей в комнате в момент реакции, он велел коллегам погрузиться в два джипа, и они все направились в больницу.

Девять дней спустя после бесплодных попыток врачей спасти Слотина, перелив ему кровь от нескольких не пораженных радиацией коллег, он все-таки скончался. Остальные присутствовавшие при неудачном опыте в той или иной мере пострадали от облучения, но все остались живы.

Происшествие сразу было засекречено, однако впоследствии, когда история выплыла наружу, друзья Слотина все как один постарались представить его героем, пожертвовавшим своей жизнью ради спасения коллег. Посвященная этому случаю статья, увидевшая свет в 1995 году, была озаглавлена так: «Молодой канадский ученый отдал свою жизнь ради спасения друзей, когда эксперимент вышел из-под контроля». В отчете, написанном другом Слотина в 1956 году, говорилось: «Слотин, словно бы повинуясь рефлексу, бросился вперед и голыми руками оторвал половинки реагирующей массы друг от друга. Остальные разинули рты, а Слотин, повернувшись, — его побелевшее лицо выражало ужас — жестом велел всем покинуть комнату. Молодой ученый отдал свою жизнь, как делали многие его ровесники во время войны».

Позже выяснилась одна интересная подробность: когда коллеги советовали Слотину во избежание неприятностей использовать какое-нибудь защитное устройство, которое не давало бы полушариям сомкнуться, тот только отмахивался: «Если я буду доверять свою безопасность защитным устройствам, вот тогда-то уж точно жди неприятностей». Уже после его смерти стало известно, что Слотин был фантазером, рассказывавшим небылицы о своем прошлом, а также неисправимым любителем риска. Был случай — как поведал один его бывший коллега в 1993 году, — когда Слотин попросил остановить реактор, чтобы он мог подрегулировать для предстоящего эксперимента что-то там на дне цистерны с водой, которая поглощала радиацию. Ему было отказано, тогда он пришел в выходной, разделся до трусов и нырнул на дно цистерны, хотя реактор не был выведен из рабочего режима.

Судя по всему, то, что произошло со Слотином, было случайной смертью безрассудно смелого ученого.

Высшая мера

Если вы когда-нибудь наблюдали за ранней стадией строительства небоскреба или любого высокого здания, вы знаете, что, после того как фундамент заложен, конструкция начинает напоминать структурный скелет, на который впоследствии будут навешены полы, стены и потолки. Если этот остов делают из стали (а не из железобетона), то строители начнут с того, что возведут раму из стальных колонн высотой в несколько этажей, соединенных балками. Чем ближе к фундаменту, тем колонны толще и тяжелее, ведь им в конце концов придется выдерживать вес целого здания. По окончании строительства нижней части каркаса, сверху надстраиваются новые колонны, и скелет обретает следующий уровень. Здесь колонны уже не такие массивные, потому что им нужно поддерживать уже не все здание, а только верхние этажи. И так далее, вплоть до самой крыши: чем выше, тем тоньше и легче становятся колонны.

Прогресс не стоит на месте, в мире строятся все более и более высокие дома (в Дубае запланировано возведение здания высотой в километр![51]), а колонны в основании таких домов становятся все массивнее и массивнее, ведь вес конструкции тоже нарастает. Но когда речь идет о самых высоких постройках, таких, как Башня Свободы, небоскреб, который строится на месте Всемирного торгового центра в Нью-Йорке, к работе инженеров, конструирующих этих гигантов, добавляется еще одна неожиданная и интересная деталь. Помимо того что колонны должны сопротивляться огромному давлению сверху, их следует конструировать так, чтобы они выдерживали действие сил, направленных в противоположном направлении, то есть вверх. Считается, что возможны ситуации, когда колонны в основании таких зданий вообще не будут испытывать никакой нагрузки сверху — даже наоборот: они станут притягивать дом к земле, не давая ему улететь.

Как такое возможно? Чем выше здание, тем больше шансов, что его будет раскачивать ветром. Когда сильный ветер встречает на своем пути дом, он разделяется и огибает дом слева и справа. При этом поток воздуха создает завихрения, которые толкают здание туда-сюда, заставляя его раскачиваться как камертон. На деле даже лучше, если здание слегка покачивается, — это позволяет погасить часть силы ветра. Но когда дом наклоняется в одну сторону, он тянет вверх колонны-опоры по другую сторону. И если ветер достаточно силен, он не только уменьшает нагрузку на колонны, но даже немного вытягивает их из земли. Кроме того, у инженеров-конструкторов есть еще один повод для раздумий: колонны в той части дома, которая клонится к земле, должны быть рассчитаны на большую нагрузку, нежели вес здания. Это как с качелями: когда один конец поднимается вверх, вся нагрузка приходится на другой конец.

Направление, в котором раскачивается дом, тоже порой удивляет. Возможно, вы полагаете, что при сильном ветре, дующем в северную сторону здания, оно будет клониться к югу? На деле при образовании воздушных завихрений здание может раскачиваться из стороны в сторону под прямым углом к ветру. А если ветер и завихрения будут настолько сильны, чтобы повалить постройку, она упадет на восток или на запад.

Богатства Иттербю

Химические элементы — это те кирпичики, из которых строится материя. К началу восемнадцатого века было открыто около 15 элементов, некоторые из них были хорошо известны — в основном это металлы (железо, медь) или вещества, использовавшиеся в тогдашнем кустарном производстве (сера, фосфор). Начиная с 1700 года и далее химия постепенно усложнялась и становилась более рациональной, полностью вытесняя алхимию. Ученые открывали все новые и новые элементы. Химические элементы в силу самой своей природы щедро рассеяны по всей нашей планете, они содержатся в почве, воздухе и воде. Но впервые обнаружить тот или иной элемент можно где угодно — это дело случая. В 1825–1826 годах французский химик Антуан Жером Балар (1802–1876) нашел элемент бром в морской воде — в своей лаборатории в Монпелье. Примерно в то же время немец Карл Якоб Лёвиг (1803–1890) нашел тот же элемент в минеральных солях.

Но есть на Земле один маленький уголок, который породил сразу семь химических элементов. В 1794 году финский ученый Юхан Гадолин (1760–1852) обнаружил в каменоломне на шведском острове Ресарё химический элемент, который он назвал иттрий — в честь расположенной рядом деревни Иттербю. За последующие сто лет в той же самой каменоломне были найдены еще шесть элементов. Видимо, от недостатка воображения и давая тем самым повод для путаницы три из них назвали в честь все того же населенного пункта — тербий, эрбий и иттербий. Когда в конце XIX века в тех краях нашли новые элементы, химики наконец напрягли фантазию и назвали их гадолиний (в честь Юхана Гадолина), гольмий (от Holmia, латинского названия Стокгольма) и, наконец, тулий — от Туле, старинного латинского обозначения скандинавских стран.

Что ускоряет ускоритель частиц?

В английском языке ускоритель частиц называется «atom-smasher» — от слова «smash», что означает «крушение, столкновение». Многие обыватели, слыша это слово, представляют себе устройство, которое с огромной силой сталкивает атомы друг с другом, в результате чего они разваливаются и мы видим, что у них внутри. Во время экспериментов с ускорителем частиц и впрямь происходит нечто подобное. Атомы, а точнее, входящие в их состав частицы — электроны и протоны — в самом деле движутся друг навстречу другу на необычайно высокой скорости; они действительно сталкиваются; и эти столкновения, что греха таить, приводят к появлению целого ряда новых частиц, которых прежде в ускорителе не было и которые выделились «изнутри» атомов.

Представьте себе два двухэтажных автобуса, мчащихся навстречу друг другу на большой скорости. Столкнувшись, они рассыпаются на отдельные сиденья, двигатели, колеса, окна и — придется признать — пассажиров и водителей. Но в случае с ускорителями все выглядит совсем не так. Физики строят ускорители, чтобы получить столкновения частиц все больших и больших энергий и при этом создать частицы, которых раньше никто никогда не «видел». Результаты таких столкновений могут оказаться столь же поразительными, как если бы при аварии двух двухэтажных автобусов образовались бы белый «Форд Мондео», черный мотоцикл «Харлей Дэвидсон», электрическая кухонная плита, три деревянных обеденных стола, сотня чашек, шесть корзин с продуктами из супермаркета и тонна мела.

Вы спросите: почему так происходит? Если эксперимент проходит благополучно, столкновения происходят на такой скорости, что вся масса частиц преобразуется в энергию. Одно из важнейших открытий Эйнштейна заключается в том, что масса и энергия эквивалентны и, таким образом, одно можно «обменять» на другое. Его уравнение е=тс² — это, вообще говоря, обменный курс, ну как обменный курс фунта стерлингов и доллара, который можно выразить формулой £=$с², где с — это 1,25, и соответственно с² — это 1,56, то есть вы можете обменять фунт стерлингов на 1,56 доллара. Обменяв на доллары 100 фунтов, вы можете затем обменять полученные 156 долларов на любую другую валюту, и уже совершенно не важно, что начинали вы с фунтов.

Так, первым результатом столкновения частиц становится исчезновение самих частиц, точно так же, как исчезают ваши фунты. Они заменяются всплеском энергии — или пачкой долларов. За этим событием немедленно следует преобразование энергии в частицы. Поскольку всплеск энергии не обладает «памятью» о частицах, изначально участвовавших в столкновении, он волен преобразовываться в абсолютно любые частицы, лишь бы только соблюдался «обменный курс» между энергией и массой. Если проводить этот эксперимент достаточно часто, то среди частиц, образовавшихся в результате столкновений и всплесков энергии, могут появляться новые типы частиц, которых вообще не существует в нашей с вами сегодняшней Вселенной. Вооруженные этим знанием, физики пытаются при помощи ускорителей частиц воссоздать условия, существовавшие в первые мгновения жизни Вселенной (см. главу «Вселенная — это вам не сарай»), когда, по их мнению, происходило то же самое: самые разнообразные частицы создавались и разрушались в результате колоссального всплеска энергии.

Увидеть нейтрино

Когда задумываешься, сколько денег и интеллектуальных усилий тратится на постройку ускорителей частиц (см. главу «Что ускоряет ускоритель частиц?»), чья единственная цель — выявлять мельчайшие частицы материи, может показаться удивительным, что одну из самых крошечных и легких частиц — нейтрино — может наблюдать каждый, у кого есть глаза. Да и одного глаза, в принципе, достаточно.

Нейтрино — странные частицы, гораздо более загадочные, чем заурядные составляющие материи, такие, как протоны, нейтроны и электроны. У этих трех типов частиц есть какая-никакая масса. Хотя электрон в две тысячи раз легче протона или нейтрона, все равно его масса поддается измерению. Однако нейтрино настолько легче даже электронов, что долгие годы никому не удавалось их обнаружить. Ученые верили, что эти частицы существуют, поскольку без них не сходились некоторые физические уравнения, вот только никак не находилось способа продемонстрировать их существование. Отчасти проблема заключалась в слишком маленькой массе нейтрино. Грубо говоря, у них вообще нет массы. Вспомните, насколько ничтожны массы «нормальных» атомных частиц, — так вот, нейтрино «весит» как минимум в 10000 раз меньше, чем электрон.

И что же в результате? А в результате вот что: если нейтрино встретится с обычной материей, оно пройдет сквозь нее и окажется по другую сторону. Удивительно, не правда ли? Разве такого вы ожидали? Представьте себе, что в один пистолет зарядили пулю, а в другой — зернышко арахиса и потом выстрелили из обоих стволов в бетонный блок. Наверняка вы рассчитываете, что более тяжелый объект, пуля, пройдет насквозь, а арахис — нет. А в мире элементарных частиц сквозь стенку проходит именно арахис! В чем же ключ к разгадке поведения нейтрино? В том, что так называемое «твердое» вещество, по сути, представляет собой пустоту (см. главу «А почему это мы должны проваливаться сквозь пол?»). Однако некоторые компоненты этих «пустых» атомов обладают электрическим зарядом, так что, если вы, допустим, выстрелите протоном, представляющим собой заряженную частицу, в скопление атомов, рано или поздно он сблизится с этими компонентами настолько, что их электрические заряды заставят протон отклониться от траектории, а то и вовсе захватят его. Нейтрино же не только фактически лишено массы, оно еще и обладает очень малым электрическим зарядом — возможно, в тысячу раз слабее, чем электромагнитные силы, которые влияют на более массивные и сильнее заряженные атомные частицы. Нейтрино хоть и «дефективно» в смысле массы и заряда, зато оно способно пройти сквозь слой свинца толщиной в световой год и вынырнуть с той стороны целым и невредимым.

Хотя нейтрино крайне редко вступают во взаимодействие с другими частицами, поверхности Земли постоянно достигают все новые нейтрино с Солнца. На каждый квадратный сантиметр освещенной Солнцем поверхности Земли каждую секунду прибывают 70 миллиардов нейтрино. Львиная их доля проходит сквозь толщу нашей планеты и оказывается с другой стороны, однако при определенных обстоятельствах нейтрино вступают во взаимодействие с веществом Земли, и в результате образуется электрон, движущийся быстрее скорости света.

Так, кажется, пора остановиться и сделать необходимые пояснения. Какое право имеет нечто — пусть даже столь крохотное, как электрон, — двигаться быстрее скорости света? Если вы хоть немного разбираетесь в физике, то знаете: двигаться быстрее скорости света вообще нельзя. Но это в вакууме. Скорость света в некоторых других средах, например в воде, значительно меньше скорости в вакууме (может быть, в два раза меньше максимального показателя), поэтому у частиц появляется возможность превысить эту замедленную скорость. Если они действительно ее превысят, будет видна вспышка голубого излучения, — если использовать аналогию со звуком, то примерно так же при прохождении телом звукового барьера слышится сверхзвуковой хлопок. Чтобы засечь нейтрино, ученые используют очень вместительный контейнер, наполненный некой плотной прозрачной субстанцией, например тяжелой водой или, в некоторых случаях, жидкостью для химической чистки одежды. Поскольку Земля в любой ее точке буквально купается в нейтрино, стоит ученым проявить немножко терпения и дождаться нужного сочетания условий, как они увидят вспышку голубого излучения — это выдал себя нейтрино, вступивший в контакт с прозрачной субстанцией.

Ну, а как там насчет высказанной выше идеи, будто нейтрино можно обнаружить невооруженным глазом? Что ж, это лишь вопрос вероятности. Человеческий глаз может заменить цистерну с прозрачной субстанцией и увидеть точно такую же голубую вспышку, для этого нужно только, чтобы один из 70 миллиардов нейтрино, проходящих сквозь глаз за секунду, запустил необходимый для этого эффекта механизм. Кстати, потоки нейтрино, бомбардирующие Землю, прибывают не только с Солнца, но и из более далеких мест, например, они долетают до нас от взрывающихся звезд, которые носят название сверхновых (см. главу «Мы — звездная пыль»). По приблизительным оценкам, после одного такого взрыва, зафиксированного в 1987 году, пережить «контакт» с нейтрино могли от одной до пяти тысяч человек, и, если местом «контакта» был глаз, небольшая часть этих людей могла увидеть голубую вспышку, сопутствующую прохождению нейтрино. Следовательно, всегда есть вероятность того, что потоки нейтрино, ежедневно обрушивающиеся на Землю, снова когда-нибудь где-нибудь у кого-нибудь вызовут сходную вспышку. Однако шансов увидеть это, заметить и потом сообщить человечеству у каждого из нас ничтожно мало — их куда меньше, чем шансов дожить до глубокой старости у некоего субъекта, посаженного на строгую диету из одних лишь нейтрино.

Каменный хронометр

«Возраст этой породы — четыре миллиарда четыреста миллионов лет, — объявил австралийский ученый профессор Саймон Уайлд вместе со своими коллегами-геологами в 2001 году. — С днем рождения!» (Вообще-то последнюю часть реплики я придумал.) Он говорил об одном из старейших сформировавшихся участков земного рельефа. Но как ученый узнал точный возраст?

Наиболее достоверные результаты дает способ датировки при помощи циркона. Этот полудрагоценный камень бывает самых разных оттенков, встречается и прозрачный циркон, внешне напоминающий алмаз. Его физические свойства легли в основу широко применяемого в последние годы способа датировки горных пород. Циркон вездесущ — его мелкие вкрапления встречаются в горах практически повсеместно.

В начальный период формирования земной коры, примерно четыре с половиной миллиарда лет назад, Земля подвергалась интенсивной бомбардировке метеоритами, в результате выделялось огромное количество тепла, плавившего поверхность планеты. Когда расплавленный камень остывал, некоторые скопления атомов, включая циркон, образовывали кристаллы, которые сохранились в неизменном виде до наших дней. В неизменном — за исключением одной важной характеристики. В пространственной решетке циркона атомы этого элемента иногда замещаются атомами урана, поэтому в кристалле циркона в момент его формирования оказываются вкрапленными — в том или ином количестве — атомы урана. Но атомы урана, распадаясь с известной скоростью, превращаются в атомы свинца. Более того, при формировании кристаллов циркона в них не содержится никаких атомов свинца. А с момента кристаллизации количество атомов свинца в кристалле циркона по мере распада атомов урана постепенно возрастает.

То есть только что возникший кристалл циркона напоминает часы, в которых запущен обратный отсчет. С каждым «тиканьем» атомы урана, содержащиеся в кристалле, превращаются в атомы свинца. Интервалы между этими превращениями разные, но в целом все протекает в статистически предсказуемом порядке. Уран, как и все радиоактивные элементы, обладает периодом полураспада (см. главу «Самый древний в мире ядерный реактор») — это время, которое требуется, чтобы половина атомов урана в образце породы превратилась в свинец.

У одного изотопа урана, урана-235, период полураспада составляет 713 миллионов лет, а у другого, урана-238,— 4,47 миллиарда лет.

Так, если в зернышке циркона изначально было 100 атомов U²³⁵ и они один за другим превращались в атомы свинца, то через 713 миллионов лет соотношение атомов свинца к атомам урана будет 50 на 50. А еще через 713 миллионов лет половина из 50 атомов урана тоже превратится в свинец, соотношение станет 75 % свинца к 25 % урана, и ученые смогут установить, что камень сформировался более миллиарда лет назад. Изучив оба изотопа урана и соотношения между их атомами и атомами свинца, геологи в состоянии определить, как давно начался процесс распада и соответственно сколько лет кристаллу.

В 2000 году в Западной Австралии в местечке под названием Джек-Хиллс был обнаружен темно-фиолетовый кристалл циркона толщиной менее четверти миллиметра. Ему присвоили прозаическое название W74/2-36, а соотношение урана и свинца продемонстрировало, что эта порода на 90 миллионов лет старше, чем любая из ранее датированных, и возраст ее составляет 4,404 миллиарда лет. Хотя кристалл был совсем крошечный, ученые подвергли его множеству других опытов, включая изотоп-кислородное исследование и анализ на содержание редкоземельных элементов. В итоге они получили информацию о физических процессах формирования этих древних гор и даже выяснили, что в образовании земной коры участвовала вода, а следовательно, уже на этом раннем этапе истории Земли на планете наряду с сушей существовали и океаны.

Галочка спасает жизнь

В газетных статьях о новых достижениях в медицине часто мелькает слово «прорыв». Если слово «прорыв» дает журналисту возможность осветить в прессе «чудесные лекарства», «сканеры стоимостью в миллион фунтов», «спасающие жизнь операции» — что ж, оно и к лучшему. Без этого лексикона гламурных журналов важные открытия, возможно, так и остались бы не замеченными широкой общественностью. В 2001 году ученым-медикам пришла в голову очередная прогрессивная идея, не касающаяся новых препаратов, нового дорогостоящего оборудования или усовершенствований в хирургии и тем не менее позволяющая добиться значительных улучшений в состоянии пациента за очень короткий срок.

Доктору Питеру Проновосту из больницы Джона Хопкинса в Балтиморе пришла в голову идея, которая за год в одной отдельно взятой больнице спасла 21 жизнь и сэкономила миллионы долларов. Она же принесла ему славу — журнал «Тайм» назвал его в числе «100 самых влиятельных людей в 2008 году». Его размышления отталкивались от того факта, что пациенты порой заболевают, а иногда и умирают от инфекций, занесенных при внутривенном введении лекарств или физраствора. А значит, подумал он, если доктора и медсестры будут тщательно мыть руки, обрабатывать кожу пациента антисептиком и надевать стерильные маски, костюмы и халаты, возможно, случаев заражения станет меньше.

Сейчас, через 140 лет после того как английский хирург Джозеф Листер (1827–1912) доказал огромную значимость использования антисептиков при проведении медицинских процедур в больницах, наблюдение доктора Проновоста может показаться слегка запоздалым. Однако ключевым элементом в его работе были не сведения о том, что инфекция проникает в тело при несоблюдении санитарных норм, а наблюдение, что доктора и медсестры на практике регулярно пренебрегают такими простыми процедурами, как мытье рук, использование стерильной одежды и так далее. Сам факт вызывал удивление, но в ходе исследования, длившегося месяц, он полностью подтвердился: медсестры, начав присматриваться к докторам, заметили, что примерно треть врачей игнорирует какую-либо из вышеупомянутых гигиенических процедур.

Больница Джона Хопкинса — один из ведущих образовательных и исследовательских медицинских центров в США, так что можно себе представить, что творится в остальных заведениях.

Итак, доктор Проновост убедился в важности гигиенических мероприятий, о которых должен помнить каждый врач, а также в том, как часто его коллеги о них забывают. И что же он предложил? Он разработал перечень, который должен использоваться всякий раз, когда врач ставит пациенту капельницу. По выполнении каждого из пяти пунктов напротив него нужно поставить галочку. Медик должен:

1) помыть руки с мылом;

2) протереть кожу пациента раствором хлоргексидина;

3) накрыть пациента стерильной тканью;

4) быть одетым в стерильную маску, шапочку, халат, перчатки;

5) поставив капельницу, накрыть место введения иглы стерильной салфеткой.

Когда Проновост опубликовал свой перечень в «Американском медицинском журнале», отделения интенсивной терапии больниц штата Мичиган решили в качестве эксперимента взять его на вооружение. Через три месяца количество заражений в реанимационных палатах снизилось на две трети, а по истечении года уровень заражений в реанимации некоторых больниц упал до нуля (в то время как 90 % больниц Америки, к сожалению, не могли похвастаться подобными показателями). Через полтора года после начала применения перечня Проновоста смертность от заражений в больницах страны стала на 1500 случаев меньше, а больницы по приблизительным оценкам сэкономили 175 миллионов долларов.

Обратите внимание: эти поразительные результаты были получены благодаря одному-единственному простому списку из пяти пунктов при проведении типовой медицинской процедуры. Сейчас Проновост и его коллеги составляют новые перечни: для использования в хирургии, при лечении инсультов, инфарктов — да вообще при любом медицинском вмешательстве, где доктор или медсестра по причине плохой памяти или просто отвлекшись могут пропустить какой-нибудь важный этап в длинном и иногда раздражающе-занудном списке задач, важных для обеспечения качественного медицинского ухода.

И все бы хорошо, если бы не одно «но». Успешному внедрению списков Проновоста во все сферы медицины мешает высокомерие многих врачей. Некоторые медики считают, что раз их заставляют выполнять столь нехитрую процедуру, значит, подразумевается, будто без списка они даже простейших шагов предпринять не могут, а это удар по их репутации. Разумеется, наблюдения доказывают, что многие врачи действительно упускают элементарные вещи, но ведь каждый уверен, что ошибки допускают только другие, а не он сам.

На деле же главная заслуга Проновоста в том, что он привнес в медицину подход, который был опробован в авиации и встретил схожее сопротивление со стороны пилотов. На заре воздухоплавания многие катастрофы были связаны с чрезмерной самоуверенностью пилотов, штурманов и инженеров. Любое предположение, что они могут случайно пренебречь или позабыть о важных, обеспечивающих безопасность процедурах, воспринималось экипажем как клевета и сомнения в их компетентности. Однако гордость пилотов все-таки стоит меньше, чем безопасность пассажиров, и теперь заполнение полетного перечня в кабине экипажа — обязательная часть каждого рейса.

Тем временем слава о нововведении Проновоста продолжает расходиться все шире, и, если врачи и медсестры наконец официально признают, что и им иногда свойственны досадные промахи, сотни тысяч жизней и миллионы долларов будут спасены простым заполнением пустых клеточек.

«Я люблю тебя, раздели со мной мой ГКГ!»

Противники сугубо научного подхода к пониманию окружающего мира часто указывают на существование вещей, объяснить которые наука не в силах. Например, любовь. Но, как выясняется, на выбор партнера влияют не только привлекательность и любовь — науке тоже есть что сказать.

Природа тщательно избегает близкородственного скрещивания. Когда в интимные отношения вступают две родственные особи, их генетическая близость повышает риск передачи наследственных заболеваний. Действие генов, вызывающих болезни или аномалии развития, может усилиться, если малыш получает эти гены сразу в двух экземплярах, по одному от каждого родителя. Также при скрещивании родственных особей у потомства возникает меньше вариаций в генетическом коде, а значит, ему труднее приспосабливаться к постоянно меняющемуся окружающему миру. К тому же отпрыски родственников больше похожи друг на друга, чем другие братья и сестры, а значит, соревнование между ними за выживание будет более напряженным.

С другой стороны, спаривание с совершенно посторонним партнером тоже имеет свои недостатки. При полном или почти полном отсутствии генетических точек соприкосновения часть полезных генов и сочетаний генов, сформировавшихся в рамках одной семьи, рассеивается, и приобретенное в предыдущем поколении преимущество теряется. Посторонние партнеры привносят с собой новых возбудителей заболеваний, способных вызвать инфекцию. Так что выход за пределы привычного ареала обитания вашей семьи порой бывает опасен и может дорого вам обойтись. Совместное с таким партнером воспитание потомства тоже может оказаться менее успешным: ведь у вашего партнера совсем другие привычки, развившиеся в другом окружении.

На практике оптимальная для представителей растительного и животного мира стратегия создания семьи заключается в поисках партнера, который генетически отличается от вас, но не слишком сильно. Интересно, что тот же самый подход применим к суждениям из области эстетики: наиболее привлекательными нам кажутся те объекты, которые отличаются от привычного стандарта, но не разительно. В ходе недавнего исследования взаимосвязи между родством и плодовитостью у человеческих пар выяснилось, что наибольшими репродуктивными способностями обладают пары, приходящиеся друг другу троюродными или четвероюродными братьями и сестрами, а не более близкие родственники или партнеры, вовсе не связанные узами родства.

На чем же основаны эти наши суждения о генетическом сходстве? Конечно, на внешности — другое недавнее исследование пар, состоящих в близких отношениях, выявило, что мужчины с большей вероятностью выбирают женщин, по конституции напоминающих их матерей, а женщины точно так же выбирают партнеров, напоминающих им отца. Некоторые пары производят впечатление брата и сестры, хотя на самом деле между ними нет кровного родства. Но дело не только во внешнем виде. Оказывается, мы обладаем удивительной способностью, о которой даже сами не подозреваем, — способностью улавливать по запаху специфический молекулярный маркер, который указывает на генетическое сходство или различие.

На поверхности белых кровяных телец есть молекулы, которые позволяют иммунной системе организма распознавать «чужаков» — бактерии или вирусы. Чем многообразнее эти молекулы, тем прочнее защита от возбудителей болезней. Приказ о создании этих молекул исходит от группы генов, носящих название «главный комплекс гистосовместимости», или ГКГ.

Итак, одно из последствий связи с партнером, чей ГКГ сильно отличается от вашего, — появление потомства с более разнообразными генами ГКГ и, как следствие, с более крепким иммунитетом. Также, выбрав партнера с совершенно другим ГКГ, вы уж точно избежите близкородственного скрещивания. Изучение пар, существующих в условиях изолированных религиозных сообществ, показало, что пар со сходным ГКГ на деле гораздо меньше, чем можно было бы ожидать. И последним недостающим фрагментом мозаики, объясняющим законы любви и привлекательности, пожалуй, стал тот факт, что маркер ГКГ содержится еще и в слюне, то есть поцелуй есть не что иное, как выяснение статуса ГКГ партнера, прежде чем предпринять решительный шаг.

Население внутренней стороны локтя

Думаю, мало найдется более скучных тем для изучения, чем сгиб человеческого локтя. Эта часть тела не подвержена каким-то особым, свойственным только ей заболеваниям, редко травмируется, и никто никогда не просил сделать ему пластическую операцию на локте, чтобы тот стал еще краше. Однако группа ученых из Национального научно-исследовательского института генома человека (США) посвятили аж несколько лет доскональному изучению этой части тела, — надо думать, исследования они проводили друг на друге, потому что изучать сгиб собственного локтя довольно проблематично. В особенности их интересовали бактерии, живущие в этом труднодоступном месте и являющиеся участниками более масштабного процесса, охватывающего все человеческое тело.

Ученые обнаружили, что на внутренней стороне локтя живут шесть отдельных сообществ бактерий, которые существенно отличаются от других сообществ, обитающих всего в нескольких сантиметрах — на внутренней стороне предплечья (этими бактериями, в свою очередь, занималась совсем другая команда исследователей). Сколько бы вы ни пытались, совсем избавиться от этих бактерий вам не удастся. Даже после тщательного мытья на каждом квадратном сантиметре внутренней стороны локтя остается миллион крепко держащихся за кожу бактерий.

Эти бактерии выполняют определенную работу и не готовы от нее отказаться только потому, что мы захотели принять душ. Их задача — действовать в роли увлажнителей кожи, перерабатывая потребляемые нами жиры и выводя их через кожу. Это яркий пример того, насколько важную роль в жизни человека играют бактерии. Мы привыкли слышать о них только как о причинах заболеваний и мишени для антибиотиков, но, как подчеркивают результаты исследований Национального института генома человека, без них мы попросту не выживем.

Представление о том, сколь много функций они выполняют, возникло благодаря открытию: все бактерии, живущие на человеческом теле, в совокупности имеют в сто раз больше активных генов, чем человек. Поскольку каждый ген отвечает за какую-то биологическую функцию, а бактериям для поддержания собственной жизнедеятельности нужно совсем немного генов, остается предположить, что остальные гены связаны с задачами, которые бактерии ежедневно выполняют для нас.

Как выяснилось, на разных участках тела встречаются специализированные группы бактерий, которых нигде больше не найдешь. Внутри человеческого организма обитают семьдесят «племен» бактерий. Вы наверняка решите, что значительная их часть населяет пищеварительный тракт — ведь бактерии играют жизненно важную роль в пищеварении, однако на самом деле сообществ пищеварительных бактерий всего два. Остальные шестьдесят восемь или около того населяют другие органы и выполняют специфические биохимические задачи.

И вот вам еще пища для размышлений: в каждом из нас (внутри и снаружи) столько бактерий, что их общее число в 20 раз превышает количество клеток в нашем теле. Это не бактерии живут за счет нас, это мы живем за счет наших бактерий.

Почему ДНК похожа на схему для вязания?

Вот отрывок схемы для вязания:

Любой, кто хоть раз брался за вязальные спицы, сталкивался с подобными инструкциями. Если правильно им следовать, моток шерсти превратится в замысловатое узорчатое трехмерное изделие. По схеме можно связать практически любой предмет одежды, мягкую игрушку, грелку для чайника или шарф, причем все схемы устроены одинаково: вяжущий должен следовать инструкциям шаг за шагом, ряд за рядом, пока у него (точнее, у нее) в руках не окажется законченный предмет.

ДНК — субстанция, содержащаяся в каждой живой клетке; это очень длинная молекула, состоящая из серии «инструкций», которые считываются из конца в конец, прямо как схема для вязания. Ниже вы видите строчку «инструкций» из молекулы ДНК. Она состоит из трехбуквенных сочетаний (триплетов), каждое из которых «притягивает» одну из маленьких молекул в нижней строчке (здесь даны сокращенные названия этих веществ латиницей). Так, триплет GCG, вытянутый вдоль спирали ДНК, притягивает молекулу аланина, GTG — лейцина и так далее. (Рассматривая строчки, вы заметите также, что аланин притягивается еще и к GCA, а лейцин — к СТА, но об этом как-нибудь в другой раз.)

GCG-CTG-GGG-ACG-GGC-GGT-GTT-GGA-GCA-GAG-CTC-TGC-AAT-TTC-TGC–CAA —

Ala-Leu-Gly-Thr-Gly-Gly-Val-Gly-Ala-Glu-Leu-Cys-Asn-Phe-Cys-Gln —

Если инструкции на одной из двух нитей ДНК выполняются по порядку, то в результате образуется последовательность крошечных молекул, называемых аминокислотами, соединенная в одно целое, как во второй из вышеприведенных строк. Эта последовательность подобна вязаной одежде, возникающей из клубков шерсти, если вяжущий точно следует схеме. Объект, описываемый ДНК, становится одним из трехмерных компонентов, участвующих в процессах жизнедеятельности организма, — гормоном, антителом, ферментом или одной из миллионов других молекул, на которые возложена функция каждодневного поддержания жизни.

Как и в случае со схемой для вязания, при одном взгляде на последовательность аминокислот неясно, что получится, если точно следовать инструкциям. Чтобы это узнать, требуется выполнить все указания. На деле, конечно, все обстоит несколько сложнее, чем может показаться из моих объяснений. Информация, заложенная в ДНК, позволяет образовать очень длинную молекулу, именуемую белком и состоящую из цепочки соединенных аминокислот. В зависимости от схемы ДНК, лежащей в его основе, этот белок приобретает ту или иную трехмерную форму, — но как именно это происходит, для ученых по-прежнему остается загадкой. Продолжая аналогию с вязанием, это как если бы при работе спиц петли образовывали длинную шерстяную нить, которая по собственной воле прямо у вас на глазах превращалась бы в пару перчаток, шапку с помпоном, разноцветный шарф или даже в младенца.

Простая молекула белка, состоящая из примерно сотни аминокислот, может приобрести великое множество форм, только одна из которых позволяет выполнять работу, необходимую нашему телу. Если эта простая молекула перепробует все возможные формы, потратив на каждую одну десятитриллионную долю секунды, то весь процесс проб займет больше времени, чем история существования Вселенной. И ученые пока не знают, каким образом молекуле удается мгновенно принимать единственно правильную форму.

Что же за схему вязания я привел в качестве примера в начале этого раздела, спросите вы? Вообще-то это рисунок, созданный изобретательной американской вязальщицей Кимберли Чапмен и названный ею «Первая молекула ДНК ребенка», — яркий пример того, как искусство подражает жизни.

Вредные слова

Допустим, вы оказались в городке — назовем его Слагторп, — где буйствует эпидемия чумы. Что бы вы предпочли: чтобы распространенность заболевания была высокой, а заболеваемость — низкой, или наоборот? (Разумеется, будь ваша воля, вы бы выбрали, чтобы оба показателя равнялись нулю.) Порой мы используем научные термины совершенно ненаучно, но с этими двумя понятиями из сферы эпидемиологии путаница возникает особенно часто.

Распространенность, или число всех наблюдаемых на данный момент случаев, — это доля населения, у которой в данное время наблюдаются симптомы заболевания. То есть если болезнь распространенная, то кругом много тех, кто ею болеет.

Заболеваемость — это отношение числа вновь возникших заболеваний к средней численности населения. Зачастую исчисляется количеством заболеваний на 10 000 жителей в год.

Так, если вам скажут, что распространенность чумы в Слагторпе — 1 %, это может показаться не столь уж пугающим, пока вы не обнаружите, что заболеваемость выражается отношением 5000/10 000 в год. Если бы эта искусственно смоделированная ситуация существовала в реальности, приведенные здесь цифры означали бы, что эпидемия чумы только началась, но болезнь распространяется как лесной пожар.

Если вы слышите, что распространенность некоего заболевания в каком-нибудь городке составляет 90 %, а заболеваемость — 1/10000 в год, это, возможно, означает, что в течение очень длительного периода болезнь постепенно охватила почти все население, но при этом она не слишком заразна. Так что съездить туда сравнительно безопасно, если, конечно, вы не планируете там просто отдохнуть, выпить пивка и отведать пирога со свининой — в этом случае вам имеет смысл отправиться в соседний городок, где риска заразиться нет вообще (кроме разве что возможности подхватить ботулизм, поев мяса).

Если вы вдруг окажетесь в Слагторпе, то какие симптомы чумы вы будете выискивать? И какие ее объективные признаки? Люди часто путают значения этих терминов. Толковый словарь определяет «симптом» неверно, как «внешний признак какой-либо болезни». Вы можете ощущать множество симптомов, включая высокую температуру или припухлости под мышками, но при этом можете и не подозревать об объективных признаках болезни, потому что это факты и признаки, которые обычно выявляет врач: например, повышенное давление, аритмия или отложения холестерина в стекловидном теле глаза. Есть еще такое слово, как «показания». Его, как правило, используют врачи, и оно не означает ни объективных признаков, ни симптомов, а только достаточную причину для применения того или иного варианта лечения.

Одна только мысль о заражении чумой может вызвать гипертензию (повышенное давление)… или все-таки гипотензию? Приставки «гипер-» и «гипо-» имеют противоположное значение. «Гипер» означает выше нормы, а «гипо» — ниже. Если вы их путаете, то всегда можете проглотить конец приставки, понадеявшись, что ваш собеседник сам разберется, что вы имели в виду. Но вообще-то понимать разницу между ними крайне важно.

Гипертензия — повышенное кровяное давление — ведет к инфарктам и инсультам; при гипотензии вы можете всего лишь упасть в обморок.

Гипердермический шприц был бы крайне неэффективен — он только разбрызгал бы содержимое по коже, а вот гиподермическая игла проникает сквозь кожу и доставляет лекарство куда следует.

А как насчет «-ит» и «-оз/ёз»? Как правильно: «дивертикулит» или «дивертикулёз»? Если слово, обозначающее заболевание, заканчивается на «-ит», это обычно воспаление какого-либо органа, а на «-оз/ёз» заканчиваются слова, означающие более общие болезненные состояния.

Видно по глазам

Если бы вам сообщили, что некоторый прибор для медицинской диагностики в 88 % случаев правильно диагностировал у пациентов заболевания почек, вы наверняка согласились бы, что его стоит включить в оборудование любой среднестатистической больницы или кабинета врача-уролога. А если бы вам сказали, что такой метод диагностики совершенно ничего не стоит, вы удивились бы, почему его до сих пор не взяли на вооружение все врачи.

Между тем такой метод действительно существует. Он называется «иридодиагностика» и был открыт в 1836 году, когда десятилетний венгерский мальчик Игнац фон Пецей случайно сломал лапу своей ручной сове, а потом заметил, что это вызвало появление черной полосы на радужке птицы. Он предположил, что радужка являет собой миниатюрную модель тела, а следовательно, можно диагностировать заболевание, всего лишь заглянув человеку в глаза. Когда Пецей вырос, то стал доктором и занимался совершенствованием изобретенной им технологии.

Как многие альтернативные медицинские процедуры, иридотерапия обычно не подвергалась двойному слепому методу[52], в отличие от большинства традиционных процедур. Но внушительные цифры результатов (такие, как 88 % правильных диагнозов в случае с почками) подтолкнули американских медиков к дальнейшим исследованиям. Они передали фотоснимки радужных оболочек 143 пациентов, 48 из которых страдали заболеваниями почек, трем офтальмологам и трем иридодиагностам и попросили их выявить «почечников». Показатели были не выше, чем при случайном угадывании.

Так откуда же взялась цифра 88 %? Она ошибочна? Да нет, она абсолютно точна — в том смысле, что иридодиагност, опубликовавший результаты своего исследования, рассмотрел радужки определенного количества пациентов, среди которых были и почечные больные, и правильно диагностировал 88 % случаев заболевания. Слабое место этого исследования заключается в том, что и у 88 % оставшихся, здоровых пациентов якобы было обнаружено заболевание почек, которым они на самом деле не страдали. Удивительно даже, что иридодиагност не добился стопроцентного успеха, приписав заболевание абсолютно всем пациентам, как здоровым, так и больным, — уж тогда он точно выявил бы 100 % больных с проблемами почек.

Это напоминает мне расхожую мудрость: даже часы, которые стоят, дважды в день показывают точное время.

Как дожить до 110 лет (грань «100 лет» уже устарела)

Представьте себе, каково это, когда у вас двое-трое столетних детей, восьмидесятилетние внуки и шестидесятилетние правнуки. Такая перспектива ждет очень небольшое, но тем не менее реальное количество наших с вами современников, которые доживут до 120 лет. Становится все больше и больше людей, перешагнувших столетний рубеж, — в наши дни это семь человек на тысячу, — а все потому, что здоровье у людей сейчас в среднем лучше, чем раньше, стало меньше несчастных случаев, да и уровень медицинского обслуживания продолжает расти. Но среди тех, кому перевалило за сто, лишь немногие доживают до ста десяти, а уж до ста двадцати и подавно. Как считают ученые, занимающиеся процессами старения, дело не в том, что долгожители — это просто везунчики, которые сумели избежать болезней и аварий, убивающих основную массу населения, вовсе нет, причина тут вот какая: эти люди обладают особым генетическим защитным механизмом.

В 2006 году врачи обследовали 32 старика в возрасте от 110 до 119 лет. Хотя у них был обнаружен ряд типично старческих заболеваний вроде остеопороза и катаракты, более 40 % обследованных по-прежнему продолжали обслуживать себя сами и нуждались в минимальной помощи и заботе со стороны окружающих. Что примечательно, у них была отмечена пониженная подверженность болезням-убийцам, обычно сопутствующим пожилому возрасту, — инсультам, сердечным заболеваниям, диабету и болезни Паркинсона. Более того, когда супердолгожители, как их называют, все-таки умирают, вскрытие показывает, что причиной смерти был не рак, инфаркт, инсульт или Альцгеймер, а болезнь, которая крайне редко встречается у более молодых людей (тех, кому девяносто или сто). Эта болезнь носит название «старческий ТТР-амилоидоз сердца». Она сродни закупорке артерий (атеросклерозу), но вызывается совершенно другими причинами. Артерии забиваются белком транстиретином (ТТР), который связан с тироксином, гормоном, вырабатываемым щитовидной железой.

Генетические причины долгожительства становятся понятнее, если обратить внимание на родственников супердолгожителей. При сравнении продолжительности жизни близкой родни долгожителей с данными статистики выясняется, что братья долгожителей живут на 12–14 лет дольше, чем другие мужчины, рожденные в том же году, а сестры выигрывают у своих сверстниц от 8 до 10 лет.

Со старением связан один непростой вопрос, над которым ученые продолжают биться до сих пор: правда ли, что вероятность умереть в данном конкретном году — которая безжалостно растет по мере того, как мы становимся старше, — при достижении очень пожилого возраста перестает расти и держится на одном уровне? Это означало бы, что начиная с какого-то прекрасного момента шансы умереть в следующем году не только не увеличиваются, но даже, может быть, понижаются. Как знать, не исключено, что с изобретением лекарства от амилоидоза мы получим целое новое поколение людей, у которых не будет ни одной реальной причины для смерти.

Преждевременные роды неонатологии

В 1897 году германский терапевт по имени Мартин Коуни ехал из Парижа в Лондон с тремя ивовыми корзинами, полными недоношенных младенцев из Франции, чтобы принять участие в «Выставке Викторианской эпохи», которая проходила в лондонском выставочном центре «Эрлс Корт». Коуни демонстрировал инкубатор для недоношенных детей, выставлявшийся в рамках экспозиции, посвященной новым медицинским технологиям, и считал, что инкубатор с живыми младенцами будет смотреться эффектнее. Он уже проделывал это без всякого вреда для младенцев на выставке в Германии; экспозиция так и называлась: «Детский инкубатор». Но английские врачи по вполне понятным причинам отказались предоставить для выставки местных детей, поэтому длительной и утомительной процедуре железнодорожной перевозки пришлось подвергнуть парижских младенцев.

Выставка пользовалась огромным успехом, за один только день ее посетили 3600 человек, но в редакционной статье медицинского журнала «Ланцет» экспозиции были посвящены следующие строки:

«Успех… оказался палкой о двух концах. Он привлек внимание алчных устроителей публичных зрелищ и прочих проходимцев, которые, не имея ни малейшего представления о сложной научной подоплеке вопроса, выставляют инкубаторы с детьми на всеобщее обозрение, как до этого они показывали марионеток, жирных женщин или каких-нибудь уродцев, приносящих звонкую монету».

Появилась волна подражателей, которые пытались одолжить недоношенных младенцев в больницах по всей стране, и Коуни пришлось написать в «Ланцет» письмо с предупреждением, что он — владелец единственного подлинного инкубатора для младенцев. Тем не менее, как писал все тот же «Ланцет», «на Всемирной выставке в Королевском сельскохозяйственном павильоне в Излингтоне был выставлен инкубатор, входная плата — всего 2 пенса. Трудно себе представить, как такая ничтожная сумма может окупить расходы на тщательно подготовленный персонал и кормилиц… Младенцы вдыхают атмосферу выставочного центра, где не только очень много посетителей, но еще и содержится весь зверинец Вумвелла[53]. Прямо напротив инкубатора живут леопарды, а всем известно, какая невыносимая вонь исходит от клеток, в которых заперты подобные животные… В “Цирке Барнума и Бейли” тоже есть номер с инкубатором… но какая связь между серьезным делом спасения человеческих жизней и бородатой женщиной, мужчиной с собачьим лицом, слонами, дрессированными лошадьми и свиньями, клоунами и акробатами?..»

Впрочем, эта критика никак не повлияла на деятельность Коуни, он продолжал колесить по всему свету и демонстрировать свое изобретение на выставках и ярмарках. В 1901 году его стенд на Панамериканской выставке в Буффало, что неподалеку от Ниагарского водопада, привлек повышенное внимание публики и прессы. Один склонный к преувеличениям журналист так выразил свои впечатления:

«Две крайности. Ниагарский водопад, за которым стоит огромная система рек и озер; и крошечный малыш в своем наполненном теплым воздухом коконе, еще слепой, глухой, слабенький, — но за ним стоит величие человеческой расы, бескрайние глубины научной мысли… Что такое сила водопада по сравнению с силой, которая может зародиться в малюсеньком мозгу инкубаторного младенца? Этот мозг сейчас меньше половинки яблока. Но он способен положить начало работе, которая переживет его на много веков и будет влиять на судьбы человечества, в то время как водопад обмелеет и превратится в безмятежный поток…»

Однако через три года популярность выставляемых на обозрение толпы инкубаторов пошла на убыль: в инкубаторе, помещенном одним из конкурентов Коуни на Луизианской торговой выставке в Сент-Луисе, вспыхнула эпидемия диареи и половина младенцев погибла.

Больше никому из конкурентов не хватило смелости рисковать, тем более что расходы составляли 15 долларов в день на одного младенца, и Коуни наконец остался единственным специалистом по инкубаторам. Теперь он жил в Америке и устраивал ежегодную выставку инкубаторов на Кони-Айленде (по странному совпадению фамилия Коуни изначально была Кони, и его братья так и пользовались этим написанием). Знания Коуни об инкубаторах наконец принесли практическую пользу, когда его жена, инкубаторская медсестра, сама родила недоношенную дочь и та провела первые три месяца своей жизни в одном из выставочных инкубаторов.

Коуни продемонстрировал свои инкубаторы на нескольких крупных мировых выставках, включая Всемирную выставку в Нью-Йорке в 1939 году. Сорокалетний опыт позволил ему усовершенствовать и модернизировать как сами инкубаторы, так и технологию ежедневного ухода за малышами, и сейчас эти нововведения нашли воплощение в большинстве родильных домов. Но если о физическом здоровье новорожденных заботились как следует, то о психологическом состоянии крошечных недоношенных детей и их родителей, разлученных друг с другом на несколько недель, не задумывались ни сам Коуни, ни кто-либо из его коллег. Родителям разве что дозволялось заходить к младенцам бесплатно, тогда как обычные посетители платили по 25 центов, но, поскольку детей можно было увидеть лишь на расстоянии, родители навещали своих отпрысков нечасто. Коуни был весьма озадачен тем фактом, что, когда приходил черед вернуть ребенка родителям, те порой приступали к своим родительским обязанностям с заметной неохотой.

Этот странный союз шоу-бизнеса и медицинских изысканий в целом скорее помог зарождавшейся науке неонатологии, чем навредил ей, и Коуни теперь считается первопроходцем в этой области. В гостинице «Холидей Инн» в Атлантик-Сити до сих пор висит памятная табличка — здесь когда-то был выставлен один из его инкубаторов.

Полная и безоговорочная коагуляция

У многих из нас на теле есть шрамы — напоминания о случаях, когда кожа была повреждена чем-то острым. Если тело функционирует нормально, то сначала из раны недолго течет кровь, а потом образуется кровяной сгусток, который закрывает поверхность раны и сохраняется до тех пор, пока под ним не нарастет новая кожа. Когда кожные покровы снова становятся единым целым, сгусток — теперь уже корочка — отваливается, и на ее месте обнаруживается участок новой, более светлой кожи, которая, возможно, останется с нами уже до конца жизни.

То, как тело справляется с повреждениями, — один из множества физиологических процессов, который одновременно знаком всем и каждому — нам всем случалось порезаться и ждать, пока ранка заживет, — и невероятно сложен. За долгие тысячелетия эволюции, после множества проб и ошибок в телах животных выработались специальные механизмы залечивания повреждений, которые сейчас представляются нам отменно подходящими для решения поставленных задач, но, как и все процессы, основанные на естественном отборе, их выработка изначально сопровождалась преждевременной гибелью существ, не обладавших свертываемостью крови и способностью наращивать новую кожу взамен поврежденной.

Процесс, не позволяющий всей крови вытечь наружу при повреждении кровеносного сосуда, проходит в четыре этапа. Во-первых, наш организм пытается сократить сосуд насколько это возможно, чтобы уменьшить размер «пробоины», через которую вытекает кровь. Во-вторых, часть компонентов крови под названием «тромбоциты», которые по размерам меньше красных кровяных телец, собираются возле поврежденного участка сосуда и формируют нечто вроде гибкой затычки. Этот процесс запускается наружной оболочкой кровеносных сосудов, обнажившейся при травме, — в обычных условиях она не вступает в контакт с кровотоком. В-третьих, поскольку затычка из тромбоцитов — штука временная, организм начинает формировать волокнистый сгусток, который охватит затычку и будет удерживать ее на месте. В-четвертых, в определенный момент, пока ткань вокруг раны восстанавливается, сгусток должен рассосаться, чтобы кровь продолжала свободно двигаться по артерии или вене.

Каждый из этих этапов, в свою очередь, состоит из серии более мелких этапов, в ходе которых наш организм использует молекулы, уже имеющиеся в крови, или призывает на помощь специальные молекулы, необходимые для решения задачи. У этих молекул сложные химические названия, которые у биологов отскакивают от зубов, однако большинству из нас они покажутся громоздкими и неинформативными. Чтобы вы имели представление о сложности всего лишь одного отдельного этапа — начального формирования сгустка, — я обозначу эти молекулы буквами.

Как я уже упоминал, процесс образования сгустка начинается, когда пробита стенка сосуда. Поврежденные клетки выделяют в кровь вещество А. Вещество А соединяется с другим веществом — ВС, которое на самом деле являет собой комбинацию двух белков — В и С. В активирует вещество Б, которое в свою очередь превращает вещество Е в F. F выполняет несколько разных функций, в том числе разделяет G на два типа молекул: Н и I — и активирует J, которое превращает растворимые волокна, содержащиеся в крови, в нерастворимую решетку, удерживающую затычку на месте. Тем временем вещество С осталось без дела, но это ненадолго. Задача С — усиливать некоторые из вышеописанных процессов, чтобы сгусток формировался быстрее. Так, С объединяется с К, стабилизатором которого служит другое вещество — L. С и К вместе активируют еще больше В (таким образом, это вещество сможет активировать еще больше D). Одновременно F тоже активирует еще больше D, плюс ко всему оно же, вещество F, активирует двух новых игроков — вещества М и N, причем N увеличивает выработку С.

Эта схема может показаться запутанной и непонятной, но все же не столь запутанной, чем в том случае, если бы я называл компоненты своими именами:

Все эти факторы необходимы для успешного залечивания ран, и, если хотя бы одного из них не хватает (например, по генетическим причинам), это может привести к нарушениям свертываемости крови. Одно из наиболее распространенных нарушений — болезнь фон Виллебранда, связанная с отсутствием вещества, которое я обозначил как L, фактора фон Виллебранда. Недостаток веществ, которые я поименовал К, С и N. вызывает иные типы гемофилии, когда любой незначительный порез может вызвать серьезную, а иногда и фатальную потерю крови.

Если и есть на свете нечто столь же удивительное, как приведенная мною последовательность событий, вызываемая обычной травмой, так это научный гений биологов, которые на протяжении долгих лет в ходе старательно проводимых экспериментов и химических анализов выясняли мельчайшие подробности процесса заживления.

«Пропишу-ка я вам… радиацию!»

Вряд ли можно представить себе более радикальное испытание воздействия радиации на человека, чем взрыв атомной бомбы в крупном городе. Рассуждая о возможном действии радиации в случае аварии на атомной электростанции или утечки радиоактивных отходов, люди снова и снова вспоминают о разрушительном эффекте атомных бомб, сброшенных союзными войсками на Японию в 1945 году, как о главном — случайном — источнике информации о том, как человеческое тело реагирует на те или иные дозы радиации.

Никто уже не сомневается в губительном действии радиации на человека, оказавшегося в радиусе нескольких километров от взрыва. Но по-прежнему остается без ответа вопрос о возможном влиянии радиации на будущие поколения, если один из родителей получил высокую дозу облучения. Как подозревали ученые, мужские и женские половые клетки могли получить такие дозы радиации, что это повлекло бы за собой мутации, ведущие к возникновению у потомства пороков развития.

Чтобы проверить эту идею, комиссия американских ученых отправилась на место одного из взрывов — в Хиросиму: они собирались понаблюдать за детьми выживших и выяснить, выше ли у них процент отклонений по сравнению с населением других районов Японии, которые не подвергались действию радиации. На протяжении сорока лет, пока все выжившие не вышли за пределы детородного возраста, ученые тщательно собирали данные о здоровье их детей и внуков. Были прослежены судьбы (детство и зрелость) приблизительно 75 тысяч человек, причем ученые обращали внимание не только на явные физические отклонения и деформации, они рассматривали также болезни типа лейкемии, о которых известно, что они могут быть так или иначе связаны с радиацией.

Ученые полагали, что количество больных среди потомков облученных будет значительно выше, чем в других группах. Возьмем такой врожденный порок, как расщелина позвоночника. Ученые обладали подтвержденной информацией, что в обычных условиях доля людей, страдающих этим дефектом, составляет не более одного процента. Если бы радиация вызывала подобную аномалию, то среди детей тех, кто пережил атомный взрыв, процент был бы выше.

Однако ученые не нашли никакой разницы: среди потомков облученных этот порок встречался не чаще, чем у других. То же самое и с любыми другими дефектами, которые, по мнению ученых, могли бы возникнуть в результате воздействия радиации на репродуктивную систему родителей: никакой зависимости.

Так что же, неужели цифры свидетельствуют, будто радиация не вредна? Как ни странно, исследователи пришли к еще более поразительным выводам. Проведенный ими анализ продемонстрировал: дети тех, кто пережил взрыв атомной бомбы, казались даже здоровее своих сверстников из других уголков Японии. Среди них было меньше мертворожденных, они реже умирали от рака, да и вообще уровень смертности был ниже.

Но, как и в случае со многими другими научными загадками, ученым, пытающимся найти простой и ясный ответ на интересующий их вопрос, это удается не всегда. Никто до сих пор не понимает, почему исследование дало именно такие результаты. Некоторые специалисты вообще не верят в полученные цифры, другие пытаются придумать альтернативные объяснения этим данным. Однако, хотя мы и не можем утверждать, что радиация однозначно полезна, следует с осторожностью отметить, что в данной конкретной области — когда речь идет о воздействии на потомков больших доз радиации, полученных родителями, — нет никаких доказательств пагубного влияния облучения.

Собачья шерсть

Один из наиболее неприятных симптомов похмелья (м-м-м, как я слышал…) — это головокружение, которое возникает, когда вы пытаетесь встать и пройтись. Чувство равновесия напрямую зависит от вестибулярного аппарата, расположенного во внутреннем ухе, а при повышении уровня алкоголя в крови вестибулярный аппарат временно выходит из строя. То, как меняются эти неприятные ощущения в течение нескольких часов после возлияния, — это результат взаимодействия множества факторов. Не исключено, что впервые это явление испытали на себе еще жители Древнего Вавилона, изготовив первое в мире финиковое вино.

Вестибулярный аппарат состоит из трех полукруглых «каналов», расположенных примерно под прямым углом друг к другу и заполненных жидкостью. Один канал распознает вращения головы вокруг вертикальной оси, другой улавливает «кивающие» движения, а третий реагирует на вращение головы вокруг оси, проходящей от носа к затылку, такие движения, я уверен, мы все совершали, кувыркаясь колесом.

Если человек трезв, плотность жидкости в каналах близка к плотности крови. При движениях головы поверхность жидкости в каналах колеблется, воздействуя на датчики давления, которые посылают сигналы в мозг. Сочетание сигналов из всех трех каналов образует нечто вроде постоянно меняющегося сигнала «глобальной системы навигации», позволяющего нам ощущать положение головы в пространстве.

Ключевой аспект функционирования этой системы вот какой: для аккуратной и своевременной доставки сигналов вестибулярного аппарата в мозг плотность жидкости в каналах должна соответствовать плотности крови. Если соотношение плотностей крови и жидкости в каналах внутреннего уха меняется, система делает неверные выводы о положении головы — выводы, которые противоречат информации, получаемой при помощи глаз. А употребление алкоголя как раз изменяет соотношение плотностей жидкости внутри и снаружи полукруглых каналов.

С повышением содержания алкоголя кровь делается более жидкой, более разбавленной, чем жидкость во внутреннем ухе, поскольку алкоголь не столь плотен, как кровь. Эта разница порождает первую фазу головокружения и тошноты. Но затем алкоголь проникает в полукруглые каналы и устраняет дисбаланс, наступает период, когда мы снова чувствуем себя нормально. Когда прием спиртных напитков окончен, печень начинает расщеплять алкоголь и выводить его из крови, поэтому плотность крови возвращается к нормальному уровню. Но теперь мы сталкиваемся с другой проблемой: жидкость во внутреннем ухе все еще содержит нерасщепленный алкоголь и кровь становится гуще, чем жидкость в каналах. Точно так же, как сначала алкоголь с задержкой проник в вестибулярный аппарат, теперь он с задержкой выводится из него, и плотность жидкости во внутреннем ухе возвращается к норме. Во время этой задержки мы снова испытываем симптомы головокружения, но по сравнению с первой фазой ситуация развивается в обратном порядке.

«Когда же это наконец закончится?» — думаем мы. Однако спасение близко. А в чем оно заключается, нам подсказывает венгерская фраза «kutya harapást szörével», которая означает: «укус собаки лучше всего лечить ее же шерстью». В английском языке существует точно такая же поговорка: «take the hair of the dog that bit you» (буквально: «съешь шерсть собаки, которая тебя укусила»). Во французском есть фразеологизм с тем же смыслом: «rallumer la chaudière» — в прямом переводе: «раскочегарить котел по полной». Похожая датская фраза выглядит так: «rejse sig ved det træ, hvor man er faldet» — «нужно встать возле дерева, с которого ты упал». В русском языке — все та же «деревянная» тема: «клин клином вышибают» либо же «чем ушибся, тем и лечись». (И все это — эвфемизмы глагола «опохмеляться». Как видим, похмелье — проблема интернациональная. Во всяком случае, с ней сталкивались все европейские народы.)

Теперь, когда мы знаем, что причиной головокружения и тошноты является несовпадение плотностей крови и жидкости во внутреннем ухе, становится ясно, почему в борьбе с похмельем срабатывает метод «клин клином». Наутро после бурных возлияний кровь уже вернулась к норме, а жидкость во внутреннем ухе все еще разбавлена алкоголем, поскольку оттуда он выводится медленнее. Но если выпить еще немного, кровь опять станет жиже, и баланс между жидкостями восстановится.

Ваше здоровье!

«Эврика!» на шоссе 128

Успех сравнения образца ДНК, взятого на месте преступления, с ДНК подозреваемого, по сути, зависит только от одного — от возможности изготовить миллионы копий изначального обрывка ДНК, чтобы у специалистов было достаточно материала для работы. Этот процесс копирования зависит, в свою очередь, от научной технологии, которая обозначается аббревиатурой ПЦР (полимеразная цепная реакция). Ее изобрел один из самых эксцентричных ученых в мире — американский биохимик Кэри Муллис (р. 1944), который получил за свое открытие Нобелевскую премию (1993).

От каждого нобелевского лауреата ожидают, что он прочитает лекцию о проделанной работе. В своей лекции Муллис поведал, что идея ПЦР посетила его посреди ночи, когда он ехал со своей дамой сердца в принадлежащий ему домик в лесах к северу от Сан-Франциско. В ходе лекции слушатели узнали имя этой дамы сердца — Дженнифер Барнетт, им даже стало известно, как Муллис удрал от своей жены Синтии, чтобы провести с Дженнифер два бурных года.

В ту памятную ночь, гоня машину по шоссе 128, Муллис бился над задачей: как проанализировать структуру определенного отрезка ДНК, имея в распоряжении всего лишь крошечный образец? В то время уже существовала техника выявления определенной последовательности генетических отличительных признаков, но она предполагала использование большого количества идентичного ДНК-материала, а ведь люди обычно не оставляют после себя ведра крови или других ДНК-содержащих жидкостей, если, конечно, эти люди еще живы. Чаще всего на месте преступления обнаруживают совсем незначительное количество крови, спермы или слюны, а в те времена этого было слишком мало для полноценного анализа. И Муллис неожиданно придумал способ увеличить крошечный образец ДНК во много миллионов раз, сделав количество материала пригодным для анализа.

«Той ночью я ехал по горной дороге, — рассказывал Муллис. — Ветви калифорнийского конского каштана, увенчанные тяжелыми шапками цветов, клонились к земле. Воздух был влажный, прохладный и напоенный пьянящим ароматом цветов. Моя подруга Дженнифер спала».

ДНК представляет собой две длинные переплетенные нити, в которых содержится уникальное генетическое описание организма. Муллису внезапно пришло в голову, что эти две нити можно разделить, закрепив на каждом конце по метке, а затем, воспользовавшись другой молекулой, именуемой ДНК-полимераза, сделать копию отрезка ДНК между метками, удвоив таким образом количество генетического материала. Размышляя об этом, Муллис понял, что, если проделывать эту операцию снова и снова, можно получить огромное количество одинаковых цепочек ДНК.

«ЭВРИКА!!! — воскликнул ученый во время Нобелевской лекции. — Я остановил машину прямо там, на шоссе 128, у отметки “46,7 мили”. В бардачке нашлись бумага и ручка. Два в десятой степени — это примерно тысяча, два в двадцатой степени — около миллиона, а два в тридцатой степени, прикинул я, — примерно миллиард, что уже близко к числу базовых пар в геноме человека. Проведя свою реакцию тридцать раз, я получу огромное количество генетического материала, причем без особой предварительной подготовки. “Дорогой Тор![54] — воскликнул я. — Всего одна молниеносная вспышка — и я разрешил самую досадную проблему в биохимии”».

Муллис никак не мог дождаться, пока его спящая подруга проснется, настолько ему хотелось поделиться с ней открытием! «Дженнифер, проснись, — сказал он ей. — Я придумал нечто невероятное!» Но Дженнифер не оценила этот Великий Момент в Истории Химии.

Неизвестно, равнялся ли возраст Дженнифер на тот момент 27 годам и 142 дням, но вполне возможно, что да. У эксцентричного Муллиса — масса причуд, в том числе пристрастие к женщинам, которым ровно 10000 дней от роду. Иногда эти дамы фигурируют на слайдах, которые Муллис демонстрирует во время своих лекций по химии: вся их одежда состоит из разноцветных фрактальных узоров.

В поисках утраченной вони

Насколько я понимаю, мои гены мало похожи на гены Марселя Пруста. У нас совершенно точно нет общих предков, если, конечно, не учитывать тот факт, что он был евреем, а мой отец — арабом, а оба этих народа по легенде происходят от сына Ноя, Сима, отсюда название «семиты». Однако у нас с Марселем все же есть одна общая генетическая особенность — наследственная гиперчувствительность к запаху некоторых веществ, которые содержатся в моче человека, совсем недавно отведавшего спаржи.

Я узнал о том, что Пруст обладал этой особенностью, поскольку в первый том своего эпохального цикла «В поисках утраченного времени» писатель включил целый панегирик спарже, где воспевает нежно окрашенные побеги этого растения, а заканчивает этот пассаж он следующим образом:

Все мы знаем, что Пруст был человеком утонченных вкусов, так что я не могу вам объяснить, почему он описывает метилмеркаптан, сходный с веществом, обеспечивающим скунсу его знаменитый запах, как нечто «благоуханное». Именно метилмеркаптан — один из тех компонентов, которые отвечают за запах мочи человека, отведавшего спаржи.

Наверняка большинство читателей, незнакомых с этим феноменом, пока ничего толком не поняли из моих объяснений. Более того, если вы входите в эту группу, вам никогда не пережить того ощущения, которое испытываем мы с Марселем, потому что вы генетически неспособны учуять продукты переработки спаржи в своей моче.

Учитывая, как долго спаржа считалась деликатесом — древние римляне снаряжали целые морские экспедиции по побережьям Средиземноморья для сбора этого растения, — удивительно, что эксперимент, позволивший точно определить, что происходит, провели только в 1980 году.

Ученые рассматривали несколько возможных объяснений:

1. Некоторые люди выделяют обладающие сильным запахом продукты переработки спаржи и способны учуять их запах в моче; остальные не выделяют и не могут их унюхать. Одно время считалось, что существуют люди с особым генетическим дефектом под названием «врожденный порок метаболизма», которые не способны переварить спаржу и, следовательно, выделяют с мочой определенные молекулы, например метилмеркаптан, которые у остальных людей расщепляются внутри организма.

2. Некоторые люди выделяют эти молекулы, но не улавливают их; другие не выделяют, но улавливают; а третья группа и выделяет, и улавливает.

3. Все люди выделяют, но лишь некоторые улавливают.

Чтобы сузить количество вариантов, требовалось всего лишь использовать после романтического ужина со спаржей один и тот же туалет. Некоторое количество пар, живущих вместе, наверняка заметят ситуацию, когда один учует некий запах в моче обоих, а второй даже представления не будет иметь, о чем это толкует его партнер. Исследование, в котором участвовали 800 человек, мужчин и женщин, продемонстрировало, что около 40 % людей, поев спаржи, выделяют продукты переработки с особым запахом, и это, судя по всему, заложено в них генетически. Генетика также играет роль в способности чувствовать этот запах.

Окончательно расставивший точки над «i» эксперимент был проведен в 1980 году тремя израильскими врачами. Поскольку тема не самая аппетитная, я постараюсь изложить результаты покороче. У человека, съевшего 450 граммов консервированной спаржи, взяли анализ мочи, которую разлили на маленькие порции разной степени разбавленности: от жидкости, где мочи не было вовсе, до полноценной мочи без посторонних примесей. В местной поликлинике набрали группу пациентов-добровольцев и попросили их понюхать образцы. Исследователи выявили маленькую группку «нюхачей», примерно 10 % от общего числа, которые могли учуять пахучее вещество даже в сильно разведенных образцах, остальные же не чувствовали его вообще.

Ученым уже было известно несколько типов «вкусовой слепоты». Есть вещество под названием «фенилтиокар-бамид», которое применяется специально для исследования ощущения горечи: примерно 75 % людей определяют это вещество на вкус как очень горькое, а 25 % — как не имеющее никакого вкуса. Но до 1980 года никто никогда не сталкивался с научно подтвержденными случаями «обонятельной слепоты». Исследователи полагают, что у небольшого числа людей есть генетическая особенность, делающая их чувствительными к «душистой» молекуле. Правда, никто из них не объясняет, почему Пруст считал свой ночной горшок «благоуханным сосудом»; я со своей стороны, случись мне обзавестись таким предметом, постарался бы как можно скорее опорожнить его.

Пол и наука

Есть много важных вопросов, касающихся отношения разных полов к науке, которые еще предстоит решить. Например, многие феминистки — и не только они — считают, будто в науке слишком мало женщин и что образовательные учреждения и научная среда в целом настроены против девушек и женщин. Похоже, в результате повышенное внимание уделяется направленности исследований на темы, которые особенно интересны мужчинам, тогда как любимая тема женщин — просто делать вид, что такое половое разделение интересов действительно существует.

Не вызывает сомнений, что большинство научных открытий по вполне очевидным причинам было сделано мужчинами, но повлияло ли это на суть научного знания, каким мы его видим сейчас? Могли бы мы сейчас верить в совершенно другие теории об устройстве Вселенной, если бы научную мысль на планете развивали преимущественно женщины?

Есть небольшая, но влиятельная группа философов и социологов, полагающих, что так оно и было бы. Возьмем одно из самых известных и хорошо обоснованных уравнений современной науки: Е=mc². Бельгийская феминистка и философ Люс Иригарей (р. 1930) пишет:

Судя по всему, Люс Иригарей предполагает: поскольку мужчины вроде как интересуются предметами, развивающими высокую скорость, и вообще считают, что чем быстрее, тем лучше, то это важное уравнение выражено в терминах скорости света, а не других «скоростей, жизненно необходимых для нас», хотя лично я не могу себе представить никакую другую скорость, чтобы она, являясь важной физической константой, была бы более «женственной».

Дамы — теоретики феминизма также сетуют на то, что, изучая поведение и психологию животных, ученые используют крыс-самцов. Одна даже написала: «Под этим, конечно, подразумевается, что крыса-самец представляет собой весь вид». Другая указывает на то, что в докладах об оплодотворении исследователи описывают яйцеклетку как «дрейфующую» или «пассивно остающуюся на месте», тогда как мачо-сперматозоиды «внедряются» и «проникают». Как мужчине, мне сложно придумать более женственные или гендерно-нейтральные термины, дабы описать, что происходит, когда клетка спермы с большой скоростью (кстати, снова скорость!) движется вперед и встречает гораздо более медленную или вовсе неподвижную яйцеклетку.

Язык физики тоже подвергается нападкам как излишне мужской, потому что говорится, будто атомные частицы «бомбардируют» образец и «сталкиваются» с другими частицами. Когда одну феминистку спросили, какие же термины следует использовать вместо привычных, когда речь идет об основных процессах в физике частиц, она написала, что столкновение атомов, по ее мнению, должно описываться как «соединение ради взаимной выгоды».

Иригарей при поддержке других феминисток уже давно пропагандирует такую сферу исследований, как гидрогазодинамика. Это научное изучение движения жидкостей и газов, затрагивающее такие вопросы, как турбулентность, вязкость, приливы и ударные волны. Очень многое в этой области физики — чистая математика: дифференциальные уравнения, компьютерное моделирование…

Однако Иригарей полагает, что гидрогазодинамика — женская наука и потому смежные области физики относятся к ней как к бедной родственнице. (При этом сама Иригарей вовсе не ученый-естественник, и ее часто критикуют за отсутствие цитат из научных источников по затрагиваемым ею темам.) Она убеждена, что физика твердого тела — это мужская и, значит, привилегированная область физики, а вопросы динамики жидкости, например турбулентность, до сих пор мало изучены только потому, что они не представляют интереса для мужчин. Другая писательница-феминистка, Кэтрин Хейлс, подхватившая идеи Иригарей, делает следующий вывод:

«В то время как гениталии мужчин призваны проталкиваться внутрь и становиться твердыми, у женщин половые органы представляют собой отверстие, откуда вытекает менструальная кровь и вагинальные выделения. Хотя мужчинам тоже свойственно “течь” — например, выпуская семенную жидкость, — этот аспект их сексуальности не акцентируется. В расчет принимается только твердость мужского полого органа, а не его участие в процессах выделения жидкости… Так же как женщины изгнаны из мачистских теорий и языка, фигурируя там лишь как не-мужчины, так и жидкости изгнаны из науки, фигурируя в ней лишь как не-твердые тела».

Имеют ли подобные рассуждения смысл, а главное — важны ли они? Безусловно, попытки привлечь внимание к самому главному аспекту взаимоотношений внутри общества и к тому, что нынешний курс развития науки неудобен для женщин, сами по себе похвальны. Однако, на мой взгляд, эти экстремальные суждения наносят удар по существующим научным технологиям. Если женщины-ученые, обладая полной свободой действий, совершат иные, противоречащие традиционным, открытия и умозаключения относительно устройства мира, то какая тогда польза в науке как в инструменте понимания законов Вселенной? Ведь иногда даже диву даешься, во что верят иные философы. По мнению Хейлс и некоторых ее товарок, формулы из области гидрогазодинамики, стоящие за каждым успешным взлетом и каждой посадкой в аэропорту, «не обязательно верны». Если в эту область физики хлынет еще больше женщин, то «люди, обитающие в телах иного типа и имеющие иное внутреннее строение, обусловленное полом, могут предложить другие модели потоков». И если они действительно предложат, то, полагаю, это будут не очень хорошие ученые.

Какая из женщин внесла наибольший вклад в развитие медицины?

История знала (и знает) немало блестящих ученых-медиков женского пола. Но Генриетта Лакс не относится к их числу. В 1951 году она жила в Балтиморе, была матерью пятерых детей и не имела никакого отношения к медицинским исследованиям, хотя всего в трех милях от ее дома находилось одно из крупнейших американских медицинских научно-исследовательских учреждений — больница при университете Джона Хопкинса. Однако опухоль шейки матки, к несчастью развившаяся у Генриетты после рождения пятого ребенка, дала начало целой цепочке невероятных событий. Женщина легла в больницу Джона Хопкинса на лечение, и из ее тела была изъята часть опухолевых тканей — без ее на то разрешения (в те годы оно еще не требовалось). Ткани попали к университетскому доктору, изучавшему раковые клетки.

Доктор, которого звали Джордж Гей, обнаружил, что клетки Генриетты Лакс обладают весьма необычными свойствами. В отличие от большинства человеческих клеток, они могли жить самостоятельно, за пределами организма, а также делиться и делиться бесконечно. Иными словами, клетки эти были бессмертны, тогда как большинство клеток, извлеченных из человеческого организма, погибает, произведя на свет еще несколько поколений (для нормальных человеческих клеток число этих поколений равняется 52). Гей искал как раз такие клетки для наблюдения и использования в опытах, которые он проводил по программе выявления причин раковых заболеваний и создания методов их лечения. Непонятно каким образом, но раковые клетки госпожи Лакс соответствовали всем требованиям. Поскольку ее опухоль развивалась чрезвычайно быстро, клетки, полученные из этой опухоли, демонстрировали ту же живучесть и высокую скорость роста. Протестировав эти клетки и начав использовать их в своих опытах, Гей понял, что они также могут оказаться ценным инструментом в других областях медицинских изысканий, включая изучение лейкемии и воздействия радиации, а также при исследовании механизмов генетического контроля и процессов производства клетками белковых молекул. Вскоре клетки Генриетты Лакс разошлись по всем Соединенным Штатам и распространились за их пределы, попав в СССР, страны Южной Америки и прочие уголки Земли, где ученые пытались выявить механизмы возникновения заболеваний.

Эти необыкновенные клетки помогли найти весьма своевременное решение проблемы, с которой столкнулись врачи, исследовавшие полиомиелит. В те времена, когда у госпожи Лакс нашли рак, в Америке разразилась целая череда эпидемий полиомиелита. Ученые понимали: чтобы победить болезнь, нужна вакцина, и вот некий врач Джонас Салк наперегонки с коллегой Альбертом Сабином попытался разработать эффективную формулу. Поскольку вирус полиомиелита размножается только в живых клетках человеческого тела, ученым необходимо было некоторое количество клеток, чтобы искусственно вырастить в них вирус, который потом будет обезврежен и использован для вакцинации. Однако годились не любые клетки, а только обладающие одинаковыми свойствами и способные воспроизводить себе подобных снова и снова, причем в больших количествах, — это нужно было для усовершенствования вакцины. Такие клетки требовались еще и для того, чтобы установить, какой штамм вируса полиомиелита поражает людей во время конкретной эпидемии, и нацелить вакцину именно на этот штамм. Клетки Генриетты Лакс снова подошли как нельзя лучше. Это были самые жизнеспособные клетки, с какими когда-либо сталкивалась наука, они производили на свет новое поколение каждые 24 часа.

Вскоре уже все крупные исследовательские медицинские лаборатории располагали образцами этих клеток. Они стали известны как клетки HeLa (от Henrietta Lacks). Сначала личность донора скрывали, поэтому многие думали, что клетки получены от женщины по имени Хелен Лайн или Хелен Ларсон. Муж госпожи Лакс узнал об использовании клеток его супруги лишь в 1975 году, более чем через двадцать лет после обнаружения их ценности для науки. К тому времени клетки успели разойтись по всему миру и даже попали в космос в рамках программы НАСА «Наука в космосе».

Столь ценные для науки, уникальные клетки Генриетты Лакс сыграли фатальную роль в жизни их хозяйки. С момента постановки страшного диагноза Генриетта прожила всего восемь месяцев. Клетки стремительно атаковали другие органы, разнося по телу рак, не поддававшийся излечению. 4 октября 1951 года Генриетта умерла.

Один ученый предложил считать клетки HeLa отдельным новым видом, поскольку они обладают некоторыми свойствами, отличающими их от любого другого организма. Однако вид под названием «хелацитон» (Helacyton) пока еще не признан научной общественностью как отдельная ветвь на древе жизни.

У истории с клетками HeLa есть и оборотная сторона. Случилось то, что иногда в шутку называют действием закона подлости. Клетки HeLa размножались настолько успешно, что вытеснили в некоторых лабораториях коллекции всех остальных клеток, поразив образцы тканей. До поры до времени ученые полагали, что работают с клетками молочной железы, простаты или плаценты (и делали выводы на основе этого своего убеждения), но в один прекрасный момент обнаружилось, что их образцы давно сменились клетками HeLa, а значит, результаты проведенных опытов ничего не стоят.

Один слепой младенец или шестнадцать мертвых — выбор за вами

Эта суровая дилемма была предложена неким британским исследователем в 1973 году, после того как он проанализировал одну из наиболее сложных проблем медицинской этики, с которой столкнулись врачи в XX столетии. Все началось в 1941 году с обнаружения у недоношенного младенца редкого типа слепоты. Оказалось, что это только первая ласточка в серии подобных случаев, которая приняла в 1940-1950-е годы масштабы эпидемии. Дошло до того, что слепота поражала каждого восьмого недоношенного ребенка весом менее двух килограммов, содержавшегося в больничном инкубаторе.

Слепота получила название «ретролентальная фиброплазия», или РЛФ, и ее главным признаком была пленка из деформированных кровеносных сосудов, нараставшая позади глазного хрусталика. К 1953 году из-за РЛФ ослепло уже десять тысяч младенцев, причем семь тысяч — в одних только Соединенных Штатах. Этот стремительный рост количества случаев натолкнул ученых на мысль, что заболевание связано с какими-то нововведениями в медицине и особенно в неонатологии — науке об уходе за новорожденными.

В поисках вероятных причин возникло целое море научных проектов. Может, это из-за неправильного использования витаминных добавок или гормонов? А как насчет ультрафиолетового излучения, призванного снизить риск желтухи новорожденных? Или дело в самих инкубаторах? Ученые долго шли по разным ложным тропинкам, пока наконец не обратили внимание на кислород, с помощью которого медики повышали шансы на выживание у совсем крошечных недоношенных, испытывавших трудности с дыханием. Эта технология была особенно широко распространена в США, там же было выявлено больше всего случаев РЛФ, а в Великобритании она использовалась не очень активно, и соответственно случаев заболеваний здесь было куда меньше.

Единственный способ проверить эту гипотезу заключался в проведении опыта, в ходе которого медики давали бы половине контрольной группы недоношенных младенцев много кислорода, а другой половине — гораздо меньше, чтобы посмотреть, изменится ли частота возникновения РЛФ. Но когда дело дошло до практического воплощения идеи, медсестры, твердо уверенные, что недостаток кислорода навредит младенцам, тайком включили подачу кислорода на максимум. Когда обман раскрылся, то во избежание подобных благих «диверсий» (мол, хотели как лучше) метод проведения опыта пришлось изменить. Результаты были поразительные. В группе с высоким уровнем кислорода у 17 из 28 младенцев развилась незначительная или серьезная степень РЛФ; а в группе с низким уровнем кислорода из 37 детей РЛФ проявилась только у шестерых, да и то в слабой форме.

Ну что же, пока все хорошо. Очередной триумф медицинских исследований. Результаты этого небольшого эксперимента подтвердились в ходе куда более масштабного исследовательского проекта, в котором приняли участие 18 больниц, а младенцев было уже шестьсот. Детям, нуждавшимся в кислороде из-за проблем с дыханием, давали стандартное или сниженное количество газа. В группах, где кислород подавали в больших количествах, случаев РЛФ было отмечено в два раза больше.

Главным результатом после обработки данных всех исследований стало следующее: уровень кислорода в воздушной смеси, подаваемой новорожденным, не должен превышать 40 %. Впрочем, даже при таких условиях наблюдались случаи РЛФ — слепоту могла спровоцировать даже та доля кислорода, которая содержится в обычном воздухе.

Но конечно, в случаях, когда младенец рождался с крайне низкой массой тела, кислород ему все-таки давали. Ведь было доказано, что кислород помогает выжить тем малышам, которые без него умерли бы в первые же дни жизни.

Более того, когда ученые обратили внимание на одно конкретное заболевание органов дыхания, именуемое синдромом гиалиновых мембран (с ним тоже удавалось справиться при помощи подачи кислорода), они обнаружили, что если снизить уровень кислорода во избежание слепоты, то возрастает смертность от синдрома гиалиновых мембран.

Именно это наблюдение и привело к печальному подсчету, что «каждый зрячий младенец может стоить шестнадцати смертей».

Сейчас, когда с момента открытия РЛФ (теперь это заболевание называется РОН — ретинопатия недоношенных) прошло более шестидесяти лет, проводится новое совместное исследование, в котором принимают участие медицинские научные центры всего мира. Они пытаются определить, в самом ли деле это жуткое уравнение отражает реальную ситуацию, и если да, то как это можно исправить.

Описанная история наглядно демонстрирует, насколько опасно вводить в обиход новые медицинские процедуры только потому, что врач или ученый верит в их эффективность.

Как писал видный американский ученый-неонатолог доктор Уильям Силверман (1917–2004):

«Сахарный скальпель»

Мы все слышали о случаях выздоровления благодаря таблеткам из обычного сахара. В этих случаях срабатывает всем известный эффект плацебо, основанный на вере пациента в действенность лекарства. Из-за этой веры состояние пациента, проглотившего вместо лекарства сахар, и впрямь улучшается. А вот свыкнуться с идеей «сахарного скальпеля» — хирургической процедуры, обладающей эффектом плацебо, — немного сложнее. И все же в те времена, когда этические нормы, регулирующие медицинские изыскания, были еще не такими жесткими, команда исследователей из Сиэтла решила проверить, возможно ли применять эффект плацебо в хирургии, чтобы пациенту стало лучше от одной только уверенности, будто ему сделали операцию, тогда как никакой операции не было.

Попытки выяснить, насколько действенен тот или иной метод лечения, часто наталкиваются на массу подводных камней. При клинических исследованиях необходимо отличать истинный эффект применяемого метода лечения от всех остальных факторов, благодаря которым пациент мог почувствовать себя лучше. Наиболее достоверный тип клинических испытаний — это двойной слепой метод. Пациентов случайным образом разбивают на две группы, стараясь, чтобы параметры возраста, пола, состояния здоровья и так далее в обеих группах были примерно одинаковы. Затем к одной из групп применяют определенный метод лечения (обычно это лекарство), а другой группе дают плацебо (таблетку-пустышку). Сочетание слов «двойной слепой» означает, что ни врачи, проводящие эксперимент, ни участвующие в нем пациенты не знают, кому дают настоящее лекарство, а кому — плацебо. А все потому, что осведомленность об этом врачей или пациентов может повлиять на результат. Если вы полагаете, что к вам применяют совершенно новый, прогрессивный метод лечения, то можете испытать воодушевление, и ваше тело откликнется на него положительно. Точно так же, располагая информацией о том, кто из пациентов действительно получает лекарство, доктор может случайно выдать себя при общении с пациентом, либо же это знание может отразиться на суждениях врача, когда он подводит итоги: у кого из пациентов состояние улучшилось, а у кого нет. Таким образом, лучше, если и врачи, и пациенты «слепы» и все остаются в неведении, кому из больных дают настоящее лекарство.

В 1939 году, пытаясь победить распространенное сердечное недомогание — стенокардию, для лечения которой в ту пору было куда меньше эффективных способов, чем сейчас, итальянский хирург Давидо Фиески изобрел операцию по перевязке двух артерий, проходящих рядом с сердцем, в надежде, что это направит большее количество крови в коронарные артерии, увеличив тем самым поступление кислорода и уменьшив стенокардию. Результаты впечатляли. После операции аж три четверти пациентов констатировали, что боль в сердце стала гораздо меньше, а треть и вовсе «излечилась». Несмотря на то что все были довольны результатами, никто не скрывал, что так доподлинно и не известно, за счет чего эта операция срабатывает. Равным образом никто не смог убедительно доказать, что приток крови к сердцу, на который рассчитывал Фиески, действительно имел место. (Зато, к примеру, было известно, что сходная операция, проведенная на собаках, не помогала.)

И вот в конце 1950-х годов группа исследователей из Сиэтла решила более детально разобраться в механизме этой операции и понять, что происходит. Они разделились на две команды и провели испытания, которые по нынешним нормам медицинской этики наверняка были бы запрещены, но тогда считались вполне приемлемыми. Пациентов со стенокардией случайным образом разбили на две группы. Одной группе сделали стандартную операцию по перевязке внутренней грудной артерии, в то время как другая группа подверглась «фиктивной» операции, в ходе которой пациенту вскрывали грудную клетку, но грудную артерию не трогали. Ни одному из пациентов не сообщили, что он участвует в эксперименте (сейчас это сочли бы незаконным), и ни один из врачей, наблюдавших за пациентами после хирургического вмешательства, не знал, какая именно операция была проведена.

Результаты опыта не вызывали сомнений и очень расстроили торакальных хирургов. Операция действительно облегчила боль, но улучшение состояния вовсе не было связано с перевязкой внутренних грудных артерий. Обе группы сообщили о субъективном ощущении улучшения после операции: показатель улучшения в группе, которая перенесла настоящую операцию, составил 32 %, а в группе с «фиктивной» операцией — 42 %. Обе группы продемонстрировали тот же эффект в отношении таблеток нитроглицерина (современный способ уменьшить боль при стенокардии). Группа, перенесшая настоящую операцию, сократила ежедневное потребление нитроглицерина на 34 %, тогда как «фиктивные» пациенты снизили свою дозу на 42 %. Однако несмотря на то, что все пациенты чувствовали себя лучше, по объективным критериям их состояние почти не изменилось — среднее улучшение в смысле длительности допустимых физических нагрузок составило всего минуту.

Было очевидно, что операция оказалась полезна и уменьшила боли, но с не меньшей очевидностью стало понятно, что сама по себе перевязка внутренней грудной артерии (главная цель операции) ничего не дает. Более того, было ясно, что пациенты чувствовали себя гораздо лучше (меньше болевых ощущений, меньше необходимости в таблетках), но при этом испытывали все те же объективные трудности (плохо переносили физические нагрузки, а показатели ЭКГ во время упражнений выходили за пределы нормы). Пациенты чувствовали себя лучше, но им не стало лучше, субъективное ощущение улучшения вызывалось «чем-то связанным с операцией на грудной клетке», а не перевязкой внутренних грудных артерий.

В 1960-1970-е годы идея использования плацебо-операций в ходе тщательно контролируемых опытов стала представляться общественности все менее и менее этичной. От сахарной таблетки вреда никакого, а вот хирургическое вмешательство, пусть даже самое незначительное, сопряжено с определенным риском. Однако существует множество хирургических процедур, целесообразность которых ничуть не больше, чем у операции Фиески по лечению стенокардии, и, пока не проведены клинические исследования, доказывающие или опровергающие их эффективность, нельзя исключать возможность эффекта плацебо. В последние десять лет ученые осторожно (хотя некоторые наверняка скажут, что неэтично) начинают возвращаться к практике плацебо-операций.

В 1999 году команда американских ученых объявила о проведении эксперимента, призванного проверить эффективность нового метода лечения болезни Паркинсона. Метод заключался в просверливании отверстий в голове пациента и введении туда зародышевых клеток, которые, как надеялись ученые, должны были восстановить мозг больного. В итоге у некоторых пациентов проявления болезни сократились. Чтобы убедиться, что улучшение состояния действительно вызвано зародышевыми клетками, а не волнением и впечатлениями от проделывания дырок в голове, ученые собрали сорок пациентов с болезнью Паркинсона, просверлили им всем головы, но клетки ввели только половине. Год спустя улучшение наблюдалось не только у значительной части перенесших инъекцию пациентов, но также и у трех из двадцати пациентов, входивших в плацебо-группу.

Чтобы удостовериться, что новые методы лечения, основанные на медицинских теориях, срабатывают так, как и было рассчитано, ученые проводили также и другие испытания, включая операции на колене и на позвоночнике.

Естественно, возникает вопрос: если после «фиктивных» операций людям становится лучше, то почему бы не ввести их в медицинский обиход, точно так же, как некоторые врачи дают пациентам сахарные таблетки, если есть хоть малейший шанс, что это принесет облегчение? Однако для таких нововведений нужна новая эра честности и правды в отношениях «доктор — пациент». Врач, знающий, что он предлагает пациенту плацебо, но старающийся это скрыть красивыми речами: «Сейчас я дам вам эту странную на вид и яркую таблеточку под названием “Увебинфуледиум”, и вы сразу почувствуете себя лучше», — обычно и без того вызывает у пациента подозрения. А ведь если речь идет не просто о фальшивой таблетке, а о целой операции, обман будет куда серьезнее — и дороже.

Подставляя ноги рентгеновским лучам

Когда я прихожу к зубному врачу, чтобы сделать снимок, на меня надевают свинцовый фартук, а врач и ее ассистентка, направляя на мой зуб небольшую дозу рентгеновского излучения, сами отходят подальше. В наши дни любой врач прекрасно знает, что радиация опасна и даже небольшая доза облучения повышает риск возникновения рака.

Помню, как в детстве я ходил вместе с мамой за новыми ботинками и разглядывал рентгеновский аппарат, который в те времена стоял в торговом зале любого уважающего себя обувного магазина. Я ставил ступни на мощный источник рентгеновского излучения, отделенный только тоненьким листом алюминия, а потом приближал глаз к окуляру и рассматривал ногти и кости в ногах прямо сквозь примеряемые ботинки. Там также были предусмотрены дополнительные окуляры для продавца и мамы, так что мы все могли насладиться зрелищем и убедиться, что мне не суждено стать калекой из-за плохо подобранной обуви. Зато я имел все шансы стать калекой из-за радиации, вызывающей самые разные заболевания, ведь дозы облучения там были куда выше, чем дозволено нынешними нормами для столь пустяковых целей. На деле эти аппараты были не более чем аттракционом, повышающим продажи, — на дворе была эпоха атомной энергии, сулившей бесплатное электричество и полеты в космос на ракетах с ядерными двигателями, поэтому все связанное с наукой априорно считалось благом.

Реклама активно пропагандировала эти аппараты, адресуя их прежде всего родителям — вот таким, например, образом:

Дама-рентгенолог, недавно написавшая работу, посвященную этим аппаратам, пришла в ужас, узнав, какое количество радиации они испускали в пространство:

«Излучение не просто проходило через ноги к рентгеноскопическому экрану, оно проникало выше, в голову, щитовидную железу и глаза покупателя. Не сказать, чтобы конструкция аппаратов была удачной. Даже части тела, не подвергавшиеся облучению напрямую, могли получить ощутимую дозу рассеянной радиации».

Рентгенолог привела диаграмму, демонстрирующую, что граница излучения проходила чуть ли не в метре от аппарата, и подытожила: «Если хотите почувствовать себя неуютно, посмотрите на диаграмму и представьте, какая доза облучения накопилась бы в ваших половых железах, если бы вы просто стояли рядом».

Ведь в рентгеновских лучах «купались» не только дети. Продавцы, по восемь часов в день находившиеся в непосредственной близости от аппаратов, должны были получать куда большие дозы, особенно когда они засовывали руки прямо в поток излучения, чтобы поправить обувь во время примерки. А ведь были еще и другие покупатели, сидевшие на соседних стульях и ожидавшие своей очереди. В инструкции по установке аппарата говорилось: «Рекомендуем располагать машину максимально близко к центру зала, чтобы до нее одинаково легко было добраться из любой точки. Разумеется, она должна быть расположена лицевой стороной к дамскому и детскому отделам, поскольку именно на них приходится львиная доля продаж».

В 1950-х годы, после взрывов атомных бомб в ходе Второй мировой войны и выбросов радиации при ядерных испытаниях, наконец заговорили о вреде радиации, и в некоторых штатах Америки использование этих аппаратов запретили, а к 1963 году они и вовсе канули в прошлое.

Но до этого аппараты использовались повсеместно, а заболевания, приписываемые радиации, могут быть вызваны также массой других факторов, поэтому невозможно определить наверняка, насколько вредоносна эта техника была в действительности (за исключением единственного задокументированного случая, когда одна фотомодель получила настолько серьезные лучевые ожоги, что ей пришлось ампутировать ногу). Но менее серьезные последствия облучения, скорее всего, проявились гораздо позже и затерялись среди общего числа онкологических заболеваний, отмеченных на протяжении последующих лет. В 2002 и 2007 годах медики зафиксировали случаи очень необычной разновидности рака стопы, который они приписывают воздействию рентгеновского облучения в обувном магазине полувековой давности.

Стволовая болезнь

«Стволовые клетки» — один из тех модных терминов, которые постоянно мелькают в заголовках статей о новостях науки, а между тем никто толком не знает, что это словосочетание обозначает. С одной стороны, стволовые клетки вроде как дают надежду на избавление от всех известных болезней, а с другой, они уже стали для политиков одной из самых щекотливых тем, поскольку подразумевают использование тканей человеческих зародышей, а значит, затрагивают вопросы морали и этики.

Если оставить в стороне их терапевтическую или этическую значимость, стволовые клетки подразумевают необычайно замысловатое решение проблемы, которая не давала ученым покоя уже много лет. Каждая жизнь начинается с одной-единственной оплодотворенной клетки, которая впоследствии развивается в функционирующий организм с сотнями различных типов клеток — и все это за счет клеточного деления. Из той первоначальной клетки образуются две новых, из двух клеток получаются четыре, и так далее, до тех пор пока мы не получим полноценную человеческую особь, способную есть и переваривать пищу, двигаться и расти, мыслить и размножаться.

Клетки печени в сформировавшемся организме весьма существенно отличаются от мозговых клеток, а клетки желудка — от клеток крови, но все они происходят от одного и того же типа клеток, известных как стволовые — имеется в виду ствол воображаемого «растения», на котором они все растут. Ядро стволовой клетки содержит всю информацию, необходимую для формирования клеток любого типа, которые впоследствии понадобятся организму. Это похоже на библиотеку, где много разных залов, а в каждом зале куча стеллажей. В одном зале хранятся практические пособия, описывающие, как сформировать мышцы и управлять ими; в другом содержатся схемы нервных клеток и информация, как создавать и передавать электрические импульсы; в третьем находятся все инструкции, нужные для того, чтобы образовать целый реестр клеток, связанных с кровеносной системой, включая клетки, отвечающие за иммунитет, и красные кровяные тельца.

На ранних стадиях развития эмбриона стволовые клетки просто самовоспроизводятся и множатся. Одна «библиотека» порождает другую, с точно таким же набором стеллажей и пособий. Но на определенном этапе стволовые клетки начинают воспроизводить более специализированные клетки, которые объединяются в блоки идентичных клеточных структур и дают начало телу с узнаваемой формой и функциями.

Когда стволовая клетка превращается в другой тип — это как если бы кто-то пришел в библиотеку и запер все двери, ведущие во все залы, кроме одного — например, с инструкциями по изготовлению клеток печени. С этого момента библиотека самовоспроизводится все так же, с запертыми дверями, и это продолжается в течение всей жизни организма. Хотя библиотека по-прежнему содержит инструкции, относящиеся ко всем типам клеток, потомки этой клетки будут иметь доступ лишь к весьма ограниченному количеству полок — тех, где хранится информация по изготовлению клеток печени.

Такой механизм может показаться неудобным и громоздким. Почему бы просто не избавиться от генов, отвечающих за все остальные функции, чтобы будущие клетки печени обладали только той информацией, которая необходима им для работы? Во-первых, потому, что клетки на разных стадиях своего существования выполняют разные задачи, поэтому они должны обладать способностью время от времени открывать некоторые запертые залы и консультироваться с хранящимися там пособиями — особенно на тех стадиях, когда организм претерпевает изменения: переход от младенчества к детству, от детства к юности, от юности к зрелости и так далее. Во-вторых, оказывается, даже специализированным клеткам в процессе жизнедеятельности может понадобиться доступ к другой информации.

А может быть, дело еще и в том, что проще разработать и запустить один стандартный механизм деления клеток, копирующий все от и до, но приложить к нему другие механизмы, которые позже помогут определить, какие гены надо активировать.

Ученые надеются использовать феномен стволовых клеток для лечения заболеваний двумя способами.

Первый путь такой. Можно взять здоровые зародышевые стволовые клетки с их способностью образовывать клетки любого типа и придумать, как имплантировать их людям, в чьих телах имеются дефектные клетки, вызывающие хронические заболевания, например болезнь Паркинсона. Эта болезнь связана с наличием в мозгу некоего типа дефектных нервных клеток. Если стволовая клетка сможет превратиться в здоровую копию клетки того же типа, то болезнь можно победить. Нужно только добиться, чтобы стволовые клетки открыли те «залы», где хранятся пособия, описывающие необходимый тип мозговых клеток, — в этом случае, когда их пересадят, они обеспечат поставку недостающего ингредиента, необходимого для исцеления пациента.

Есть также другой тип стволовых клеток, имеющийся у взрослых. В нем заперты некоторые, но не все «залы», поэтому клетка знает, как произвести на свет новые клетки взамен тех, что износились или уничтожены в результате травмы; среди доступных вариантов — клетки сердца, кровеносных сосудов, костей и хрящей. Поскольку этот тип клеток тоже содержит в памяти инструкции по изготовлению всех остальных типов клеток, ученые надеются со временем научиться перепрограммировать их, чтобы отпереть закрытые «залы» и воспроизводить и другие типы клеток.

В заключение хотелось бы отметить, что каждая клетка на самом деле снабжена инструкциями по изготовлению любой другой клетки, но, в отличие от стволовых клеток, пока не найдено ни единого способа отпереть эти инструкции. Как если бы замки на дверях залов проржавели насмерть или залиты суперклеем. Однако наверняка придет день, когда даже это препятствие будет преодолено, и тогда стволовые клетки выполнят свою задачу и положат начало целому ряду операций с клетками, в результате которых можно будет взять абсолютно любую клетку и превратить ее в любую другую.

Сопротивление бесполезно

Новые достижения в медицине — это не всегда размеренные шаги на пути к некоему конечному состоянию безупречного здоровья. Некоторые изобретения — например, талидомид[56] или лечение недоношенных младенцев кислородом — не только решают проблемы, но и создают новые. Одно из главных медицинских достижений XX столетия привело к едва ли не крупнейшему провалу в медицине XXI века, и все из-за «сообразительности» бактерий, которые идут на шаг впереди даже самых сообразительных ученых-медиков.

Открытие антибиотиков изменило существовавшие прежде методы борьбы с инфекциями. Два типа бактерий, повинных в значительной части всех человеческих инфекционных заболеваний: стафилококки и стрептококки, — были практически в одночасье взяты под контроль благодаря изобретению и началу производства пенициллина, а вскоре и других антибиотиков. В конце 1940-х и в течение 1950-х годов были изобретены сульфаниламиды, стрептомицин, левомицетин, тетрациклин — названия этих лекарств, созданных для уничтожения целого ряда болезнетворных организмов, более или менее знакомы любому современному человеку.

Но уже на первых порах ученые начали замечать, что некоторые штаммы бактерий, которые вроде были обречены на гибель новыми препаратами, не только выжили, но еще и процветают. Вскоре после того, как антибиотики вошли в медицинский обиход, стало казаться, что болезнетворные микроорганизмы способны выработать защиту против любого лекарства, которое было создано специально, чтобы их уничтожить.

Что бы вы сказали, если бы появление огнестрельного оружия всего за одно поколение привело к формированию у людей иммунитета к смерти от выстрела? Но ведь именно это и происходит с некоторыми бактериями. По мере разработки все новых лекарств, направленных против устойчивых штаммов, бактерии создают все новые способы защиты. Началось настоящее соревнование между бактериями и учеными, и к концу XX века бактерии стали одерживать верх.

На данный момент около 70 % бактерий, вызывающих инфекции среди пациентов больниц, устойчивы как минимум к одному из широко распространенных антибиотиков. Едва ли не самая неприятная и проблемная бактерия — это разновидность стафилококка, которая успешно противостоит нескольким разным антибиотикам. Она называется «метициллин-устойчивый золотистый стафилококк» и способна распространяться по помещениям больницы, заражая особо восприимчивых и уязвимых пациентов.

Но что означает слово «устойчивость» по отношению к бактериям и как она возникает?

Способы, найденные бактериями, чтобы успешно противостоять усилиям производителей лекарств, обязаны своим возникновением изобретательности эволюции. Поскольку бактерии размножаются очень быстро, то и эволюционный процесс у них протекает в ускоренной форме. В лабораторных условиях бактерия типа стафилококка может делиться и производить на свет очередное поколение каждые два часа, тогда как для появления нового поколения людей требуется около тридцати лет. Если миллионы этих бактерий столкнутся с новым лекарством и хотя бы у одной из них при делении клетки возникнет мутация, дающая устойчивость к этому препарату, то остальные бактерии погибнут, а потомки этой продолжат жить и процветать, и вскоре данный тип станет доминирующим, а то и единственным оставшимся штаммом. На этом этапе лекарство становится бесполезным.

Но опять же, что такое в данном случае «устойчивость»? Что происходит при мутации?

Есть как минимум три способа защиты, к которым могут прибегнуть только что мутировавшие бактерии. Давайте вернемся к аналогии с людьми, обладающими «иммунитетом к пулям».

Если бы у людей развилась устойчивость к огнестрельному оружию, сходная с устойчивостью бактерий к антибиотикам, это могло бы произойти как минимум тремя путями. Во-первых, у нас могли бы появиться некоторые биологические приспособления, блуждающие прямо под кожей, которые перехватывали бы пулю при соприкосновении ее с телом и дробили бы ее на множество безвредных кусочков. Во-вторых, похожий механизм мог бы быстро развернуть пулю и отослать ее в обратном направлении — она просто отскочила бы от тела. В-третьих, мы могли бы обзавестись кожей нового, пуленепробиваемого типа. Эти три способа аналогичны тому, как бактерии справляются с антибиотиками, прежде чем те успеют причинить им вред.

Итак, пока аналогия с человеком работает — ну хотя бы отчасти. Однако бактерии обладают одним качеством, которого у людей нет, и именно оно позволяет защитному механизму распространиться как можно быстрее и охватить как можно большее количество особей. Бактерии могут передавать свои способности собратьям в рамках одного и того же поколения, не дожидаясь, пока появится потомство, получившее эти способности от рождения. К примеру, бактерии могут передавать соседним бактериям индивидуальные гены при простом физическом контакте. А еще они могут оставлять кусочки ДНК в окружающем пространстве, чтобы другие бактерии их подобрали. И наконец, вирусы, связанные с определенными бактериями, могут переносить защитные гены, присущие одной бактерии, и «заражать» ими другие бактерии.

Снова обратимся к аналогии с людьми: это как если бы люди, не обладающие иммунитетом к пулям, смогли бы мгновенно приобрести его, поцеловав того, у кого такой иммунитет есть, или вдохнув его с воздухом, или «заразившись» молекулами ДНК, некогда принадлежавшими устойчивым к пулям людям, а теперь плавающими в окружающем пространстве.

Может показаться, что эти удивительные способности бактерий были приведены в действие трудами ученых-медиков, но на деле имеется более простое объяснение. Судя по всему, бактерии всегда умели вырабатывать подобные способы защиты, поскольку некоторые микроорганизмы ради выживания производят свои собственные антибиотики и соответственно должны быть устойчивы к их действию.

Рост устойчивости бактерий к антибиотикам неизбежен и неостановим. Каждый год американские врачи выписывают пациентам до 100 миллионов рецептов на антибиотики, причем часто при заболеваниях типа гриппа, вызываемых вирусами, которые нечувствительны к антибиотикам. Тем не менее другие бактерии в организме больного гриппом в процессе лечения вырабатывают иммунитет к антибиотикам, а значит, позже, когда этот человек подхватит бактериальную инфекцию, антибиотики окажутся бесполезны. Даже такое простое действие, как слишком раннее прекращение приема антибиотиков, может привести к размножению выживших бактерий с их новообретенной защитой, что в дальнейшем осложнит лечение подобных заболеваний.

Корабль, который чинит сам себя

Во времена Второй мировой войны самым крупным судном, бороздившим морские просторы, был «Куин Мэри» (Queen Магу), его длина составляла 310,7 метра, а водоизмещение — 81237 тонн. В те времена требовались большие авианосцы — чем больше, тем лучше, — позволяющие взлетать и садиться самым разным самолетам, так что, когда английский инженер, журналист и разведчик Джеффри Пайк (1893–1948) объявил о своих планах дешевого и быстрого строительства корабля, который был бы в два раза длиннее и в три раза шире «Куин Мэри», адмирал флота Луис Маунтбеттен (если полностью, то Луис Френсис Альберт Виктор Николас Маунтбеттен, 1-й граф Маунтбеттен Бирманский, 1900–1979) живо заинтересовался проектом и захотел его выслушать.

Пайк оказался эксцентричным мужчиной в потрепанной одежде, который в 1920-е годы сколотил состояние на торговле металлами, а потом все потерял и переключился на изобретательство. В 1939 году он снарядил команду гольфистов в тур по нацистской Германии — якобы для участия в соревнованиях; на самом же деле цель была иной: Пайк хотел выяснить, что думают простые немцы о нацистах, — он надеялся, что Гитлер будет шокирован, узнав, какие чувства на самом деле испытывает его народ. В августе 1939 года гольфисты зачехлили клюшки, рассовали по карманам мячи и вернулись домой с весьма интересной информацией, но было уже слишком поздно, и предотвратить войну не удалось.

Подготовленные Пайком чертежи авианосца подразумевали использование материала, изобретенного его другом — биохимиком Максом Фердинандом Перуцем (1914–2002), позже получившим Нобелевскую премию (1962) за другие изыскания. Пайк скромно назвал новый материал пайкеритом, может быть, потому, что это благозвучнее, чем перуцерит. Пайкерит был довольно прост, он представлял собой смесь 86 % льда и 14 % древесных опилок. Пайк продемонстрировал, что добавление древесной массы превращает лед в «суперлед», который противостоит пулям и ударным нагрузкам, к тому же он может быть с легкостью нарезан на блоки разной формы.

Дальнейшая история гласит, что граф Маунтбеттен настиг тогдашнего премьер-министра Уинстона Черчилля прямо в ванной комнате, где время от времени проводились важные военные совещания, и бросил кусочек пайкерита в ванну, чтобы продемонстрировать его прочность.

Несмотря на всю странность материала (и его изобретателя), Маунтбеттен официально утвердил проект по разработке и испытаниям нового материала с конечной целью использовать его для строительства огромных кораблей с заманчивой способностью к самопочинке после торпедных атак — для этого планировалось использовать находящиеся на борту холодильники и морскую воду. Пайк даже предлагал при помощи этого оборудования разбрызгивать сверхохлажденную воду на вражеские корабли, чтобы их люки сковало льдом, а команда замерзла до смерти.

В течение года или чуть дольше проект продолжал развиваться: испытания шли в сверхсекретной лаборатории в Лондоне, а также на корабле-прототипе на озере Патриция в Альберте, Канада. Однако в ходе войны технологии вооружения двигались вперед так быстро, что вскоре огромные левиафаны наподобие авианосцев из пайкерита (так и не построенных) стали не нужны: увеличилась дальность полетов авиации, немецкий подводный флот был разгромлен и ходили слухи о появлении принципиального нового оружия, атомной бомбы, которая должна была положить конец войне.

Пережив после войны вспышку изобретательской активности, давшую миру энергосберегающий способ тяги товарных поездов — их должны были тащить за собой мужчины на велосипедах, — Пайк впал в уныние. Всё происходящее в мире, отвергающем его блестящие идеи, не внушало ему надежд, и в 1948 году изобретатель покончил с жизнью.

Кнуты, фолы и крекеры

Если бы вас попросили составить список «самых превратно понимаемых и неправильно трактуемых предметов в нашей культуре», вряд ли вы поставили бы на одно из первых мест кнуты. Более того, если вы наткнетесь на статью о кнутах, где автор пишет, что он «в долгу у Э. Конуэя и П. Креля[57] и благодарит их за предоставленные фотографии кнутов», то еще, пожалуй, решите, что читаете не серьезную научную публикацию, а порнографический журнал «Кнуты и порка». А ведь на деле обе приведенные выше цитаты содержались в докладе, опубликованном в авторитетном научном журнале «Physical Review Letters»[58].

Дело в том, что один математик из университета Аризоны решил изучить, как щелкает кнут. Еще в начале XX века ученые высказали предположение, что щелкающий звук раздается, когда кончик кнута — он называется фол — преодолевает звуковой барьер. Проведенная впоследствии высокоскоростная фотосъемка показала, что фол испытывает ускорение в 50 000 g. Человек при подобном ускорении чувствовал бы себя так, будто весит 3000 тонн.

Ален Горьели[59] подозревал, что щелчок кнута действительно сродни сверхзвуковому хлопку, но хотел детально разобраться, как возникает подобный эффект. От существовавших на тот момент объяснений не было никакой пользы. Один ученый утверждал, что сужение кнута к концу вызывает ускорение волны, возникающее, когда человек резко опускает рукоять, а чрезвычайно тонкая, почти с волос толщиной оконечность фола (именуемая крекером), мол, настолько легка, что движется со скоростью звука. Другой возражал, что это не может являться причиной, поскольку его расчеты с использованием такой величины, как импульс силы, показали: кончик кнута должен двигаться с той же скоростью, с какой был приведен в движение сам кнут. Другие ученые, взяв за основу расчетов иную величину, момент импульса (представим себе клюшку для гольфа, чье движение от момента замаха до удара ускоряется), получили совсем иные результаты.

«Цель [этой статьи], — писали Горьели и его соавтор Тайлер Макмиллен, — заново проанализировать динамику кнута и согласовать все эти, на первый взгляд противоречащие друг другу аспекты: связь между сверхзвуковым хлопком и скоростью кончика кнута, эффект сужения к концу, граничные условия, роль энергии, импульс силы и момент импульса».

Эта статья, испещренная математическими формулами, гуляет по таким темам, как классический критерий Куранта-Фридрихса-Леви — необходимое условие устойчивости численного решения некоторых дифференциальных уравнений, движение ускоряющейся гибкой границы в сверхзвуковом потоке и скорость распространения звука в коже.

(Здесь необходимо небольшое отступление — одной единой скорости звука не существует. Она изменяется в зависимости от среды, в которой распространяются звуковые волны. Так, в воздухе звук распространяется со скоростью 330 метров секунду, а в коже медленнее — со скоростью 220 метров в секунду. Кроме того, ученые недавно установили, что скорость звука в лунных породах намного ниже, чем в земных, и подозрительно близка к скорости звука в сыре.)

Статья ученых из Аризоны, судя по всему, дает окончательный ответ на вопрос, что происходит при щелчке кнута. Пока другие ученые подсчитывали, что крекер кнута якобы движется в воздухе со скоростью звука и порождает сверхзвуковой хлопок, Горьели доказал: самая быстрая часть кнута — это петля, образующаяся при резком движении руки, которая держит кнут; она движется со скоростью, вдвое превышающей скорость звука. Физический процесс формирования петли напоминает движения хвостика сперматозоида, направляющегося к яйцеклетке, хотя никто никогда не измерял мизерные сверхзвуковые хлопки, сопровождающие это перемещение.

Есть старая загадка: «Какая часть машины движется в два раза быстрее самой машины?» Ответ: «Верхние части колес». Нижняя часть колеса хоть на миг да оказывается неподвижной (допустим, машина в данный момент не скользит), ось движется вперед со скоростью, скажем, 60 километров в час, в таком случае верхняя часть колеса должна двигаться со скоростью 120 километров в час. Точно так же, когда петля кнута движется от рукояти до кончика, ее верх развивает вдвое большую скорость. А поскольку кончик кнута сужен, петля по мере движения от более широкой к более узкой части ускоряется, причем ее скорость может в 30 раз превышать изначальную.

Как это часто происходит в науке, найденный ответ порождает новый вопрос. А что, если хлопок мокрого полотенца — тоже результат превышения скорости звука? В 1993 году группа школьников из Северной Каролины сделала высокоскоростные снимки краешка хлопающего полотенца и доказала, что, когда возникает хлопок, полотенце действительно движется быстрее звука. Оставим в стороне тот вариант, что это, скорее всего, был просто удобный повод похлестать друг друга полотенцами; в любом случае впоследствии возникло подозрение, что предмет, которым «хлопали» школьники, вряд ли был простым полотенцем, — похоже, его соорудили после того, как первая попытка преодолеть звуковой барьер при помощи полотенца провалилась. В докладе, который подготовили школьники, упоминается, что они «изготовили новое, более длинное полотенце из куска хлопковой простыни». Очень похоже на то, что горе-исследователи просто подтасовали результаты. Возможно, доктору Горьели пора в очередной раз прийти на помощь науке. Уж он-то точно рассчитает скорость распространения звука в полотенцах.

Пожалуй, самая неожиданная идея, возникшая при изучении сверхзвуковых хлопков, касается одного из видов динозавров — апатозавров (больше известно их устаревшее название — бронтозавры), которые, возможно, щелкали хвостом как кнутом, чтобы произвести сверхзвуковой хлопок и тем самым передать сигнал другим динозаврам. Длина тела апатозавтра составляла около 30 метров, и половина этой длины приходилась на хвост. Тот, кому доводилось видеть в музее скелет крупного динозавра с сохранившимся хвостом, наверняка замечал, что позвонки к концу хвоста делаются все меньше и меньше, прямо как кнут. Смоделировав ситуацию на компьютере, ученые пришли к выводу, что волна, проходящая по такому хвосту, могла достигать скорости 2000 километров в час, а этого достаточно, чтобы устроить сверхзвуковой хлопок, по громкости не уступающий выстрелу корабельной пушки. Это предположение подтверждается самим видом позвонков на кончике хвоста — той его части, которая движется быстрее всего и испытывает наибольшую нагрузку. Позвонки как будто сплавились в единое целое — вероятно, в результате регулярно повторяющихся нагрузок при преодолении звукового барьера. Эта теория содержит вдобавок еще одно интересное предположение: самцы динозавров могли использовать сверхзвуковой хлопок для привлечения партнерши. Примерно у половины найденных на сегодняшний день скелетов апатозавров хвостовые позвонки были сросшимися. А благодаря недавно найденным в Вайоминге двум скелетам — самца и самки — выяснилось, что такой анатомической особенностью обладал только самец.

В чем разница между гипотезой и теорией?

Если вы выстроите костяшки домино в ряд слева направо, а потом толкнете самую левую костяшку, она упадет на следующую, уронив ее, движение передастся третьей, и так далее, пока волна не прокатится по всему ряду и не упадет самая правая костяшка. Наиболее очевидное объяснение этого процесса таково: толкнув первую костяшку, вы смещаете центр ее тяжести вниз, а при падении ее на вторую костяшку давление от соприкосновения выводит из равновесия и вторую костяшку, и так далее. Любой наблюдающий за этим феноменом где-то на уровне интуиции поймет, почему все это происходит.

А теперь представьте себе два ряда костяшек домино, выставленных таким же образом по обе стороны короткого картонного «тоннеля». Допустим, вы толкаете левую костяшку, а затем смотрите, как движение по цепочке передается к началу тоннеля. Затем, после нескольких щелчков, донесшихся изнутри тоннеля, вы видите, что правый ряд костяшек валится в столь же организованном порядке. Как бы вы объяснили увиденное? Все шансы за то, что вы даже не усомнитесь: мол, картонный тоннель просто установили в центральной части того же непрерывного ряда домино, что и раньше, накрыв им часть костяшек, поэтому они падают точно так же, как и в прошлый раз.

А теперь представьте себе, что перед вами стол с длинным картонным тоннелем и в поле зрения ни одной костяшки. Слева в тоннель вкатывается красный мячик, а спустя секунду или две из правого конца тоннеля появляется синий мяч. На этот раз в поисках объяснения вы переберете уже больше возможных вариантов. Вам даже может прийти в голову (особенно теперь, когда вы все еще думаете про домино), что красный мячик толкает первую костяшку скрытого в недрах тоннеля ряда и весь ряд падает, пока последняя костяшка не вытолкнет синий мячик из другого конца. Но вы можете также предположить, что красный мячик просто врезается в синий где-то посередине тоннеля и подталкивает его к другому концу (хотя почему тогда он сам не выкатывается наружу вслед за синим?). Или может, красный мячик врезается в белую лабораторную крысу, выдрессированную подталкивать синий мячик к выходу из тоннеля. Или возможно, красный мячик — это и не мячик вовсе, а некая разновидность хамелеона со способностями ежа — он умеет сворачиваться в шар и менять цвет. Или, может быть…

Все вышеперечисленное имеет прямое отношение к гипотезам и теориям.

В первом случае вы можете предположить, что никакие гипотезы и теории не нужны, потому что весь ряд костяшек домино виден как на ладони. Вы знаете, что происходит, потому что обладаете определенными сведениями о физическом мире и эффектах, возникающих при соударении твердых тел. Если у вас есть хоть какие-то сомнения, вы можете проделать опыты с отдельными костяшками, взвесить их, измерить момент количества движения, проверить, не теряется ли по ходу падения костяшек энергия и не может ли эффект по этой причине не сработать (то есть падение костяшек прекратится, не дойдя до конца ряда), и так далее.

Во втором случае — когда костяшки расположены по обе стороны тоннеля — у вас есть теория относительно происходящих событий. Вы знаете, как ведет себя ряд костяшек, если толкнуть одну из них; все, что происходит за пределами короткого тоннеля, соответствует этому объяснению, и у вас нет причин полагать, будто внутри тоннеля ряд не продолжается и движение не передается из одного его конца в другой. Эта теория также является наиболее вероятным объяснением. В сущности, никаких иных идей, которые по-другому объясняли бы происходящее, у вас попросту нет. Применив «бритву Оккама», принцип, согласно которому самое простое объяснение, скорее всего, и будет верным, вы приходите к убеждению, что ваша теория полностью объясняет все, что вы видели.

В третьем примере — с красным и синим мячиками — у вас есть несколько гипотез. Хотя на этот раз вы не видите ни одной костяшки, вы можете сделать умозаключение, основанное на возможности, что внутри тоннеля костяшки все-таки есть. Но вы также допускаете и другие возможности, включая удар мяча по мячу, крыс и хамелеонов. При всем множестве конкурирующих гипотез, может статься, вы так и не узнаете, какая из них более (или менее) похожа на истину.

При обсуждении разнообразных научных вопросов — например, того, как устроена и действует Вселенная, — подчас не все понимают разницу между теорией и гипотезой, а некоторые и вовсе пренебрегают ею. Часто слышишь, как кто-то говорит: «Эволюция, движимая естественным отбором, — всего лишь теория», пытаясь тем самым выразить сомнение в обоснованности такого объяснения развития жизни на Земле. На самом деле это не «всего лишь теория» — это теория, не допускающая или почти не допускающая сомнений. Она не менее убедительна, чем теория о непрерывном ряде костяшек домино в тоннеле из второго примера. Как и в случае с этим примером, в наших знаниях об эволюционном пути от примитивных форм жизни к нынешнему многообразию форм жизни на Земле тоже есть некоторые пробелы; как и в случае с примером, мы знаем кое-что о той части цепочки костяшек, что находится слева, — благодаря изучению окаменелых останков. Мы также знаем многое о цепочке справа, поскольку можем наблюдать за естественным отбором в лабораторных условиях и даже воздействовать на него. Опять-таки, как и в случае с теорией о домино, любому сомневающемуся в данном объяснении придется предоставить достаточно убедительные контраргументы.

Если бы человечество считало, что «эволюция, движимая естественным отбором, — всего лишь гипотеза», оно должно было бы заготовить массу альтернативных объяснений, и, возможно, идея «разумного начала» — как раз одно из них (хотя я лично так не считаю, поскольку для гипотезы это объяснение содержит слишком мало характерных признаков научности). Но идея эволюции, основанной на естественном отборе, — прочнее, чем просто гипотеза, это теория. Единственная теория, объясняющая известные нам факты, и вместе с тем одно из величайших достижений науки за последние две сотни лет.

Без колес не разберешься

Когда крытые повозки мчатся по прерии, преследуемые улюлюкающими индейцами, иногда кажется, будто колеса этих повозок вращаются в обратном направлении — во всяком случае, если вы наблюдаете за этой сценой в кино. В реальной жизни такого никогда не происходит.

Эта иллюзия связана с тем, что движущаяся картинка состоит из серии неподвижных кадров, воспроизводимых со скоростью 24 единицы в секунду. Каждый кадр являет собой изображение, которое присутствует в вашей зрительной системе до тех пор, пока не сменится следующим кадром. Если камера «берёт» движение колеса со спицами — а именно такие колеса были у фургонов американских первопоселенцев, — последовательность кадров даст представление о вращении колеса за счет изменения расположения спиц. Есть три варианта оптических иллюзий, способных вмешаться в этот процесс. Хотя повозка и мчится, может показаться, будто колеса неподвижны; может показаться, что они крутятся в обратном направлении; и может показаться, что колеса крутятся в нужном направлении, но намного медленнее, чем вы ожидали. Объяснение первой иллюзии — неподвижные колеса у мчащейся повозки — поможет нам лучше понять остальные две.

Если для простоты объяснения взять колесо, где всего четыре спицы, то в первом кадре спицы могут выглядеть перекрестьем с осями, расположенными строго вертикально и горизонтально; будь спицы стрелками часов, они указывали бы на 12,3, 6 и 9 часов. Если между первым и вторым кадрами колесо совершит ровно четверть оборота, зрителю покажется, что спицы не сдвинулись, потому что та спица, что раньше показывала на 12, теперь показывает на 3 и все остальные спицы тоже сдвинулись на три часа вперед. То есть спицы выглядят точно так же, как и в предыдущем кадре, поэтому мы думаем, что они неподвижны. Если повозка сохраняет постоянную скорость, в следующем кадре спицы сдвинутся еще на четверть оборота, и нам снова будет казаться, что колесо не вращается. Допустим, съемка длилась несколько секунд и получилось сто и больше кадров, — все это время на экране нам будет казаться, будто повозка скользит по прерии на неподвижных колесах, — но это только при условии, что скорость не меняется.

Теперь предположим, что, вместо того чтобы поворачиваться от кадра к кадру ровно на четверть оборота, колесо делает чуть меньше, чем четверть оборота. Теперь спица, указывавшая на 12 часов, сдвигается, скажем, к 2 часам; с 3 часов спица сдвигается на 5, и так далее. Колесо, сдвинувшееся в новом кадре «на два часа вперед», на экране выглядит точно так же, как если бы оно сдвинулось «на час назад». В следующем кадре колесо, переместившееся еще «на два часа вперед», опять будет казаться откатившимся «на час назад». И так на протяжении нескольких следующих секунд: колеса будто бы медленно крутятся назад, а повозка при этом летит вперед.

И наконец, третья иллюзия: повозка мчится быстро, а колеса крутятся вперед, но медленно. Такое впечатление возникает потому, что спица с 12 часов передвигается вперед немного дальше, чем на 3 часа, и так с каждой спицей. В итоге от кадра к кадру заметно небольшое смещение всех спиц по часовой стрелке.

«…И Дисней, неизвестный и немой»[60]

В 1872 году перебравшегося в Калифорнию эксцентричного английского фотографа Эдварда Майбриджа (урожденного Магериджа, 1830–1904) попросили рассудить спор: если лошадь мчится галопом, бывает ли в ее движении такой момент, когда все четыре ее ноги находятся в воздухе? Майбридж придумал целую систему из множества фотокамер, которая запускалась при помощи натянутой проволоки и давала последовательные снимки галопирующей лошади: на одном из них все ноги лошади действительно не касались земли. Однако система Майбриджа не просто разрешила спор. Запечатлев таким образом разных животных и людей в движении, фотограф создал несколько комплектов снимков, которые, будучи быстро показанными в нужной последовательности, складывались в нечто вроде одного из самых первых мультипликационных фильмов.

Но не самого первого. В конце 1970-х годов группа итальянских археологов, работавшая на юго-востоке Ирана, наткнулась среди останков городского поселения бронзового века, получившего название Шахри-Сухте (перс., буквально «сожженный город), на древнюю глиняную чашу. Этот город, который некогда населяли земледельцы, строители и ремесленники, пять тысяч лет назад пребывал в самом расцвете и, похоже, никак не был связан с другими древними цивилизациями тех краев, например с Месопотамией. Среди поразительных находок, сделанных в Шахри-Сухте за несколько сезонов раскопок, был череп со следами одной из первых в мире операций на мозге.

Обнаружив чашу, археологи обратили внимание на интересное украшение: по внешней стороне изделия шел орнамент, представляющий собой чередующиеся изображения козлов и деревьев. Поначалу никто не догадался, что это могут быть кадры анимации, похожие на снимки Майбриджа. И только когда иранский археолог Мансур Саджади решил скопировать каждый рисунок отдельно и прокрутить их последовательно, стало ясно, что рисунки были стадиями движения козла, встававшего на задние ноги, чтобы пощипать растущие на высоком дереве листья.

Разумеется, сейчас уже не установить, был ли узор специально рассчитан на просмотр в строгой последовательности. Но один иранский режиссер недавно снял об этой посудине с узором фильм, в котором изложена целая история прыгающего козла, и история эта действительно весьма похожа на мультик. Эффект создавался вполне убедительный, в связи с чем возникло несколько интересных вопросов. Настоящая мультипликация, то есть движущие картинки, зародилась в XIX веке с созданием оптических игрушек типа зоотропа, способных показывать рисунки в движении, а затем с изобретением кинематографа. И то и другое было невозможно без глубокого понимания принципов работы глаза и головного мозга. Зоотроп представляет собой вращающийся цилиндр с прорезями, сквозь которые зритель смотрит на полоску изображений — каждое слегка отличается от предыдущего, — нанесенную на внутреннюю поверхность цилиндра. Если вращать цилиндр и смотреть на картинки сверху, через край, то иллюзии движения не создается: полоска превращается в расплывчатое мельтешение. Но если смотреть на цилиндр сбоку, движущиеся прорези создают эффект отдельных кадров, перемежающихся краткими мгновениями черноты. Точно такой же эффект используется и в кинопроекторе, где каждый кадр демонстрируется в течение 1/25 секунды, затем на миг сменяется чернотой, после чего наступает очередь следующего кадра. С этим процессом связаны две загадки. Во-первых, почему при чередовании черноты и светлых кадров мы не видим никакого мелькания? И во-вторых, за счет чего последовательность неподвижных изображений так убедительно воссоздает эффект движения?

Отсутствие мелькания — это результат феномена, именуемого «слиянием мельканий». Когда даже очень быстро сменяющиеся изображения проецируются на сетчатку, информация об этих изображениях «распространяется дальше», от глаза к мозгу. Поэтому миг черноты, если он достаточно короток, «забивается» восприятием изображений.

Но это еще не объясняет, почему мы вместо серии сменяющихся неподвижных картинок видим движение. Судя по всему, чтобы воспринимать небольшие изменения в последовательно сменяющихся картинках как движение, требуется дальнейшая работа мозга. Существует даже неврологическое заболевание, влияющее на этот процесс, поэтому хоть и крайне редко, но все-таки встречаются люди, не способные идентифицировать объекты реального мира, если те неподвижны, и видящие их только во время движения. И наоборот, есть такие индивиды, которые без проблем различают объекты в состоянии покоя, а вот при перемещении те для них словно исчезают. В результате исследования этих систем мозга ученые обнаружили, что, если речь идет о восприятии движения, наша мозговая активность при просмотре фильмов или мультиков не отличается от того, что происходит, когда мы наблюдаем движение в трехмерном мире. Именно этим объясняется необычайная действенность иллюзии движения, а также то огромное потрясение, которое пережили зрители при первой публичной демонстрации первого кинофильма.

Открытия и изобретения, совершенные за последние два столетия, заставляют нас усомниться, что какая-то плошка возрастом в 5000 лет действительно могла содержать полоску с мультипликацией. Теоретически в те времена возможно было создать эффект движения, поставив чашу на гончарный круг, вращая его и подсвечивая рисунок каким-нибудь примитивным аналогом стробоскопа. Но не слишком ли много допущений и сложностей? Остается только предположить, что художник пристально наблюдал за поведением коз и однажды ему пришло в голову отразить несколько стадий движения животного, тянущегося к ветке за вкусными листьями.

До Вавилонского столпотворения

Можно ли воссоздать язык людей каменного века, на котором говорили наши далекие предки, жившие 30 000 или даже 100 000 лет назад? Некоторые филологи уверены, что да. Небольшая группа исследователей занялась поиском слов, обозначающих ключевые для человека понятия, и попробовали проследить истории этих слов в глубь тысячелетий — вплоть до того периода, когда, по мнению ученых, сформировался первый язык. От этого первого языка, как считают исследователи, произошли все остальные шесть тысяч языков, существующих на планете: от абазинского до зуни[61].

Многие из нас слышали о том, что некоторые языки содержат похожие слова и используют сходные грамматические конструкции. Итальянский и испанский, французский и румынский, русский и сербохорватский, норвежский и датский — вот лишь несколько примеров схожих языковых пар. В XIX веке стало понятно, что между языками прослеживаются более обширные и не столь легко уловимые связи, и языки были организованы в семьи, подчас содержащие языки, сходство между которыми совсем не очевидно, — например, английский и санскрит входят в одну и ту же индоевропейскую семью языков. Эти «семейные древа» были сформированы не по наитию, а благодаря открытию правил, доказывающих, что разные по написанию или произнесению слова на самом деле происходят из одного общего источника. Одно из этих правил, известное под названием «закон Гримма»[62], объясняет, как и почему слова, начинающиеся в некоторых европейских языках с буквы «f», произошли от слов на букву «р» из более старых языков, таких, как древнегреческий и латынь. «Pus» («нога» на древнегреческом) и «pes» («нога» на латыни) преобразовались в английском, немецком и шведском соответственно в «foot», «fuss» и «fod». Схожие изменения смычных согласных можно видеть в сдвигах от «b» к «р», от «g» к «к», а также в других «передвижениях согласных» (терминология Якоба Гримма). Применив эти правила и сравнив, допустим, английское слово «mouse», немецкое «Maus», шведское «mus», русское «мышь», польское «mysz» и греческое «mys», филологи смогли «реконструировать» слово, обозначавшее мышь в протоиндоевропейском языке, гипотетическом предке индоевропейской языковой семьи. И слово это — вряд ли оно вас удивит — «муус».

Но индоевропейские языки — это только одна группа, обладающая внутренними сходствами, которые подчас нетрудно заметить. А ведь есть еще другие языки, совсем не похожие на эту языковую семью, — те, на которых говорят, например, китайцы или североамериканские индейцы. Что, если, как полагают некоторые ученые, когда-то существовал единый протомировой язык, от которого произошли все остальные языки человечества? И как нам его реконструировать?

Вообще-то с небольшим количеством слов эта работа уже проделана — лингвисты опирались на сходства не между отдельными языками, а между языковыми семьями. Языковые семьи, в свою очередь, могут объединяться в еще более крупные группы — макросемьи. Одна из таких макросемей называется ностратической — от латинского выражения «Маге Nostrum», так древние римляне называли Средиземное море, вокруг которого из древнего ностратического языка образовались многие нынешние языки. Но языки, произошедшие от ностратического, распространились не только в странах Средиземноморья, они разошлись гораздо шире: к ним относится значительная часть языковых семей Европы, Азии, Африки и Северной Америки.

Рассмотрев взятые из разных современных языков слова, означающие «семя», «зерно», «пшеница» или «ячмень», филологи заключили, что в изначальном ностратическом языке было слово «бар» или «бер», которое со временем превратилось в «far» (латынь), «barley» (английский), «burr» (арабский), «paral» (малайалам, дравидийский язык, распространенный на юго-западе Индии), а также в ряд других слов со схожим значением в африканских и индийских языках и, конечно, в языках Средиземноморья.

Один из этих филологов даже написал стихотворение на ностратическом языке, использовав для передачи доисторических звуков специально разработанный алфавит:

Многим другим филологам подход «ностратистов» видится сомнительным. Один из оппонентов язвительно назвал их «Cosa Nostratica»[63] и обвинил в том, что они работают в «ностратисфере»[64].

Однако Джозеф Гринберг[65], первопроходец в этой области, был уверен, что применяемые им техники абсолютно верны. Он сравнивал филолога, пытающегося проследить взаимосвязи между современными языками, с биологом, который доказывает, что кот — близкий родственник тигра и куда более отдаленно связан с собакой и что все эти животные происходят от более древнего, а теперь уже вымершего предка — протомлекопитающего, чей облик можно восстановить, выявив общие черты среди его потомков. Как считал Гринберг, следующий очевидный шаг — это попытка разобраться, могут ли протоязыки тоже объединяться в языковые семьи, а конечная цель таких трудов — проследить историю всех языков от настоящего к прошлому, вплоть до единого протомирового языка.

В действительности теория о том, что все языки развивались с единой стартовой точки, вовсе не завиральная и официально признана многими филологами. Однако противники ностратистов и им подобных считают, что этот единый язык погребен в слишком глубоком прошлом, а посему нет никакой возможности восстановить его или хотя бы доказать, что он существовал.

Что же касается сторонников мирового языка, то они убеждены, что их методы точны и корректны с точки зрения статистики. Они столь же уверены, что когда-то люди, говоря о женщине, произносили «куна», а о воде — «вете», как я уверен в том, что сейчас есть те, кто в таких случаях говорят «femme» и «eau»[66]. Их аргументы зачастую базируются на внушительных списках похожих по звучанию слов, найденных в разных языках. «Сходств слишком много, чтобы считать их случайностью», — говорят они.

Американский лингвист Меррит Рулен (р. 1944) без всякого труда отыскивает примеры среди огромного арсенала языков, свидетельствующие о предполагаемой взаимосвязи. Взяв для рассмотрения английское слово «man» (человек, мужчина), он находит подходящие по звучанию слова в самых различных языках: в языке бамум (бантоидная ветвь в составе бенуэ-конголезских языков) — «mani»; в одном из восточно-суданских языков — «me’en»; в омотских языках (юго-запад Эфиопии и восток Судана) — «mino»; в кушитских языках (страны Африканского Рога) — «mn»; в авестийском (древнейший из сохранившихся в письменной записи иранских языков) — «manus»; в языке гонди (Центральная Индия) — «manja»; в языке билакура (один из папуасских языков) — «munan»; в языке нухалк (язык салишского народа, проживающего в канадской провинции Британская Колумбия в долине реки Белла Кула) — «man»; и, наконец, в старояпонском — «mina».

Чтобы вы составили представление, как могли говорить какие-нибудь «мано» или «куна» во времена палеолита, 30 000 лет назад, приведу несколько слов пресловутого первого мирового языка, реконструированных филологами новой волны:

Экстрасенсорный предсказатель ядерных взрывов

Хотя не найдено никаких доказательств, что такие явления, как телепатия, ясновидение и телекинез (сгибание ложек силой мысли), в самом деле существуют, многие люди продолжают верить в паранормальные способности. В 1950-1960-е годы наблюдался всплеск научного интереса к этой области, появилась даже надежда, что тщательная научная проверка предполагаемых обладателей необычайных способностей, проведенная в лабораторных условиях, подтвердит существование сверхъестественных сил и включит их в научную картину мира. Самой многообещающей лабораторией, занимавшейся подобными опытами, была лаборатория при университете Дьюка в Северной Каролине, возглавляемая Джозефом Бэнксом Райном (1895–1980).

Во многих опытах, посвященных телепатии и ясновидению, использовались наборы карт со стандартными рисунками — специально чтобы можно было сравнивать данные из разных лабораторий. Некоторые испытуемые демонстрировали явную способность «видеть» карты, которые показывал в соседней комнате ученый; другие могли сказать, какая карта выпадет в ближайшем будущем.

Американский генетик Джордж Роберт Прайс (1922–1975) в своей знаменательной статье, опубликованной в 1955 году в американском журнале «Сайенс», описал метод использования сверхчувственного предвидения — способность экстрасенса «видеть», какую карту он перевернет в следующий раз, — для предсказания ядерных взрывов в будущем. Это был самый разгар холодной войны, и многие американцы опасались нападения Советского Союза.

«Карты следует подготовить, чтобы они реагировали на температурный всплеск, наблюдающийся при ядерном взрыве, — писал Прайс, — поэтому изначальный рисунок на картах нужно затушевать и разработать вместо него новый. Карты раскладываются внутри камер с открытыми створками по периметру области, являющейся потенциальной целью противника, и отверстия направляются на разные части этой области. Карты охраняются, и изображенные на них символы держатся в секрете. Ежедневно несколько тысяч специально отобранных перципиентов [людей, утверждающих, что у них есть способность к телепатии] пытаются угадать изображенные на картах символы на десять дней вперед. Ответы анализируются, исходя из того, что на каждой карте два символа, один из которых может быть правильным».

Прайс предлагал использовать пять стандартных символов, применяемых при исследовании паранормальных способностей, так, чтобы на каждой карте содержалось по два символа: один виден, когда карта в обычном состоянии, а другой проявляется при взрыве атомной бомбы. Если карты расположить в выгодных точках вокруг возможной цели, например вокруг города Вашингтон, округ Колумбия, то те карты, которые будут направлены в сторону взрыва, скажем в сторону Пентагона, выбелятся и на них проступит новый символ, а карты, направленные в другие стороны, возможно в сторону Белого дома, не испытают никакого воздействия.

И если в один прекрасный день эта массовая угадайка с набором карт, расположенных в конкретном месте, выдаст статистически значимую пропорцию правильно угаданных скрытых символов, тогда как на остальных картах, направленных в противоположную от будущего взрыва сторону, обнаружатся символы, видимые в обычных условиях, то у США останется в запасе еще десять дней и правительство успеет решить, стоит ли эвакуировать жителей города (это как минимум) или лучше (что более вероятно) заранее отплатить вероятным агрессорам, первыми сбросив на них бомбу.

Конечно, идея, что можно было не тратить 14 миллиардов долларов на американскую программу стратегической оборонной инициативы, известную в народе как «Звездные войны», а вместо этого обойтись, допустим, покупкой сотни комплектов карт для телепатов и приглашением кучи экстрасенсов-волонтеров, выглядит весьма привлекательной. Однако, как Прайс и подозревал, разработки Райна и его единомышленников были обречены на провал. После того как ученые исключили откровенную подтасовку данных и отказались от маловразумительных экспериментальных методик, не нашлось никого, кто продемонстрировал бы в угадывании карт результаты выше тех, что получаются при случайных совпадениях. Хотя это все равно не оттолкнуло солидные университеты от возни с парапсихологией. В Принстоне парапсихологическая лаборатория просуществовала еще целых тридцать лет, и лишь в 2007 году ученые, признав свое поражение, наконец ее прикрыли.

Готорнский эффект

Большинство из нас в общих чертах представляет себе, что такое научный эксперимент. Если вы хотите проследить, какой эффект действие А оказывает на В, вам следует убедиться, что, пока вы производите А и наблюдаете за В, чтобы зафиксировать С, то есть результат, ничего больше не меняется. Если А — это «подбросить в воздух», а В — монета, то С может оказаться: «падает вверх орлом», «падает вверх решкой» или «встает на ребро». Обычно эксперимент проделывают по многу раз, дабы убедиться, что результат С повторяется. Если вы провели эксперимент с монеткой всего один раз и выпал орел, вы можете сделать поспешный вывод, что при подбрасывании монетки результат всегда будет только таким. После многократного подбрасывания действительно может обнаружиться подобный факт — это значит, что у вас каким-то чудом оказалась монетка с двумя орлами, но обычно орел и решка выпадают примерно с одинаковой частотой, а вот на ребро монета становится очень редко.

В Сисеро, предместье Чикаго, сейчас возвышается торговый центр, на месте которого раньше располагался огромный фабричный комплекс «Готорн», занимавший почти 500 000 квадратных метров. Именно там когда-то совершился переворот в представлениях о том, как происходит научный эксперимент. В зданиях комплекса трудилось более 40 000 человек, производивших широкий ассортимент оборудования для электросвязи, включая первую в мире электровакуумную лампу, так что в 1920 году это была отличная экспериментальная площадка для ученых, желавших выяснить, как условия работы влияют на производительность труда.

Среди интересовавших исследователей переменных было воздействие на производительность разных уровней интенсивности света. В ходе серии контролируемых испытаний они изменяли освещенность в одной части фабричного здания от 24 до 46, а потом до 70 фут-свечей[67], не меняя при этом освещенности прилегающих помещений. Обычно, приступая к эксперименту, ученые уже вооружены теорией, подразумевающей определенный диапазон ожидаемых результатов, но у них пока нет оснований остановиться на одном конкретном варианте. Готовясь к экспериментам в «Готорне», ученые предвидели три возможных итога: 1) на участке с более высоким уровнем интенсивности света рабочие будут трудиться лучше, нежели их коллеги с соседних участков; 2) они будут трудиться так же; 3) они будут работать хуже. Однако полученный результат не соответствовал ни одной из трех изначальных версий — производительность в экспериментальной группе повышалась при любом изменении интенсивности света, будь то повышение или понижение. При переходе к минимальной интенсивности света производительность выросла даже больше.

Впрочем, результаты экспериментов не свелись только лишь к этому. Когда ученые изменяли другие аспекты фабричной жизни — поддержание чистоты на рабочем месте, уборка с пола мешающих предметов, перемещение рабочих мест, — любое изменение условий труда на короткое время вызывало рост производительности.

За годы, прошедшие с тех дней, когда готорнский эффект (именно такое название получил этот феномен) был описан впервые, проводилось много подобных опытов, и все они давали сходные результаты. Это дало ученым возможность заключить, что изменение любой переменной в любую из сторон влечет за собой рост производительности труда, даже если изменение заключается в возврате к изначальным условиям. В этом открытии, казалось бы, таился немалый практический потенциал. Просто врубай на своей фабрике свет непредсказуемой яркости, устраивай перерывы на кофе и обед в разное время, постоянно меняй сумму оклада и длительность рабочего дня, и производительность труда станет непрерывно расти, пока рабочие не начнут крутиться как белка в колесе.

Естественно, оказалось, что все не так. Эти повышения производительности, порой весьма заметные, были недолговечны. В одном отчете о подобных экспериментах, проводившихся в 1990-е годы, указывалось, что, повысившись на 30 % (типичная для такого рода опытов цифра), производительность зачастую удерживалась на этом уровне всего несколько недель, а месяца через два и вовсе снижалась почти до изначальных показателей.

Теперь-то уже понятно, что опыты показали лишь одно: внезапно оказавшись в центре внимания администрации и ученых, а также замечая определенную симпатию и интерес со стороны людей, которых они уважают, или, во всяком случае, со стороны руководства, люди начинают работать лучше (возможно, сами не отдавая себе в этом отчета). Увы, описанная история так и не стала ценным уроком для фабричного руководства, вечно пытающегося выжать из рабочей силы максимум возможного, зато это прекрасный пример научного эксперимента, выявившего нечто фундаментальное в том, как надо проводить эксперименты — особенно когда они касаются людей.

Цепочка подлостей

Закон подлости, он же закон Мёрфи, гласит: если какая-нибудь неприятность может произойти, она обязательно случится. Этот закон обычно винят в таких досадных происшествиях, как падение бутерброда маслом вниз. У закона есть еще и следствие: если неприятность случиться не может, она все равно случится, причем в самый неподходящий момент. Паровые котлы выходят из строя посреди лютой зимы, телефон звонит как раз в тот момент, когда вы нежитесь в ванне, и так далее. Хотя в подобные ситуации время от времени попадает каждый и запоминаются они надолго, поскольку очень уж сильно раздражают, в повседневности досадные происшествия все же чередуются с приятными или нейтральными событиями. Если бы они шли сплошняком, мы не могли бы вести привычный, нормальный образ жизни.

Однако время от времени закон подлости проявляется настолько ярко, что это далеко выходит за рамки привычного опыта, и остается только признать, что нормальные законы функционирования Вселенной, видимо, ненадолго ушли на каникулы.

Один из таких случаев произошел несколько лет назад и был описан одним британским патологоанатомом в его коллекции необычных клинических ситуаций. Если точнее, то это был не один случай, а целая цепочка проявлений закона подлости, каждое из которых само по себе было досадным. Сильнее всех были удивлены знатоки закона Мёрфи: ведь если бы каждое звено в цепочке вело себя как должно, произошедшую в итоге трагедию можно было бы предотвратить. Но по мере развития событий Закон Подлости (прописные буквы использованы намеренно, в дальнейшем нам понадобится одна из них, а именно «П») сработал одиннадцать раз да еще на двух континентах.

А началось все с неуверенности по поводу биопсии: взятая на анализ ткань то ли свидетельствовала о наличии рака, то ли нет. Поскольку врачи из больницы А так и не смогли прийти к единому мнению, они решили отправить образец опытному специалисту в больницу В, которая находилась в другой стране. (Это конкретное заболевание не всегда было просто распознать, а тот врач действительно знал свое дело.)

Далее события разворачивались так.

В среду первой недели бандероль с образцами ткани, закрепленными между предметными стеклами, была отнесена в почтовое отделение неподалеку от больницы А и опущена в почтовый ящик для авиапочты, адресованной больнице В. На сопроводительной наклейке было написано: «ОЧЕНЬ СРОЧНО! — ПРЕДМЕТНЫЕ СТЕКЛА С МАТЕРИАЛОМ ДЛЯ ДИАГНОЗА — НЕ ОПАСНО — НЕ ИМЕЕТ КОММЕРЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ». К несчастью, больничный служащий, ходивший на почту, наклеил на бандероль недостаточно марок [П1], и почта отправила ее обратно в больницу А с требованием оформить посылку правильно. Бандероль попала в главную регистратуру, а не в патологоанатомическое отделение [П2] больницы А в пятницу. Там решили, что для отправки посылки авиапочтой, согласно уставу больницы, требуется разрешение старшего администратора. (Этот пункт устава частенько обходили, заплатив за отправку из собственного кармана, как и было в первый раз.) Нужный администратор появился на работе только в понедельник [ПЗ], он дал согласие на покупку дополнительных марок, так что теперь бандероль можно было снова нести на почту и отправлять, что и произошло во вторник второй недели.

Проделав небогатое событиями путешествие длиной почти в 20 000 километров (да-да, я тоже не знаю, почему не нашлось специалиста где-нибудь поближе), бандероль прибыла в нужный город, и в четверг курьер отвез ее в больницу В. Это был не рядовой четверг, а Страстной [П4]. Рассылка корреспонденции в больнице В осуществлялась централизованно, поэтому бандероль не отправилась прямиком в лабораторию, а была доставлена в офис администрации, который по случаю приближения Пасхи закрылся пораньше [П5]. Курьер вручил бандероль единственному человеку, пребывавшему в офисе, — уборщице [П6], и та аккуратно положила пакет в коробку с надписью «Входящая почта». (В сущности, для лаборатории той больницы, весьма перегруженной, это было в порядке вещей — они и без того ежедневно получали множество образцов для исследования.)

На утро среды третьей недели администрация вернулась с пасхальных каникул, и бандероль была передана нужному специалисту. Тот посмотрел образцы, обсудил их с коллегами и к четырем часам дня пришел к некоему умозаключению. Он уже хотел было позвонить в больницу А, но вдруг вспомнил о разнице во времени — в стране, где находилась больница А, был час ночи [П7].

В четверг врач из больницы А, затеявший всю эту пересылку, забеспокоился, что из больницы В так долго ничего не слышно, и отправил туда телеграмму с вопросом, нет ли каких новостей. Откуда ему было знать, что лаборант, отсылавший телеграмму, ошибся и вместо города, где находилась больница В, указал в адресе Нью-Йорк [П8]. Пять дней спустя сотрудники телеграфа сообщили в больницу А, что телеграмма вернулась недоставленной.

Тем временем патолог из больницы В, зная, что дело срочное, решил отправить свой вердикт телеграммой и передал текст секретарше. Та, в свою очередь, продиктовала его оператору телефонной станции больницы и сочла свой долг выполненным. Однако она не ведала [П9] о действовавшем в больнице распоряжении, что все отсылаемые телеграммы должны быть одобрены — да, вы совершенно правы! — старшим администратором. Читатель наверняка испытал бы разочарование, если бы с этого момента дела в моей истории пошли на лад, но отвечавший за телеграммы администратор оказался на совещании [П10], откуда отправился прямиком домой. Он заметил дожидающийся одобрения текст только к вечеру следующего дня, это был четверг третьей недели. Лихим росчерком пера администратор одобрил телеграмму, и утром в пятницу его секретарша передала текст оператору, который по телефону продиктовал его сотрудникам телеграфа.

Сообщение со скоростью электрического тока — ну наконец-то! — добралось до регистратуры больницы А, где как раз был вечер пятницы (разница во времени — плюс девять часов; вы все еще с нами?). Тут случился прямо-таки редкостный приступ профессионализма: телеграмму немедленно — вручную! — отнесли в лабораторию и оставили в лотке для входящих писем. Там ее нашли только утром в понедельник четвертой недели [П11], тогда же изначальный патолог вскрыл ее и наконец узнал мнение коллеги с другого континента.

Все это время (19 дней) он и его коллеги мучились из-за дилеммы. Анализ образца мог подтвердить, что у пациентки рак молочной железы. С другой стороны, могло также оказаться, что беспокоиться не о чем. Не зная, что делать, и не получив подтверждения, что ткани доброкачественные, врачи провели мастэктомию — удаление грудной железы — ровно за день до того, как наконец пришел ответ.

Заключение патолога из больницы В, подтвержденное результатами биопсии удаленной груди, гласило, что у пациентки не было раковой опухоли.

Если хотя бы одного из проявлений закона подлости в этой цепочке удалось избежать, то телеграмму доставили бы как минимум на день раньше и операцию отменили бы.

Мне кажется, такую последовательность ошибок, идущих одна за другой, следовало бы назвать «цепочкой подлостей». В это трудно поверить, но если вы хорошенько изучите обстоятельства какого-нибудь бедствия, случившегося за последние полвека (в этот период после особенно страшных катастроф начали проводить детальные расследования), будь то авария на Три-Майл-Айленд[68], взрыв на Чернобыльской АЭС или катастрофы двух американских космических челноков — «Челленджера» и «Колумбии», — то придете к выводу, что в каждом случае тоже была своя «цепочка подлостей». Ведь если хотя бы одно из событий, составляющих цепочку, не произошло, то и самой катастрофы не случилось бы.

Да возьмите же трубку, наконец!

Самые первые телефоны, появившиеся в продаже в 1877 году, состояли из деревянного ящичка с отверстием, в которое была вставлена мембрана. Она вибрировала под действием электрического тока, возбужденного голосом абонента, который находился на другом конце провода. Чтобы услышать этот голос, нужно было прижать ухо к отверстию, а для ответа требовалось повернуть голову и говорить в то же отверстие. Причем чтобы пользоваться этим новым изобретением, от говорящего требовался не просто громкий, а оглушительный голос. Как писал в те времена один очевидец: «Владельцы телефонов держали в руках аппарат как бомбу с часовым механизмом… и кричали в отверстие на пределе возможностей легких, так что в шести или даже в десяти кварталах (если ветер дул в правильном направлении) их было слышно и без всякого телефона».

Поначалу телефоны продавались парами, чтобы соединить две определенных точки — например, чей-то рабочий кабинет с домом. Но вскоре стало очевидно, что новое изобретение принесет больше пользы, а также больше прибыли производителям, если удастся соединить аппараты в общую многопользовательскую систему, — тогда любой владелец аппарата мог бы поговорить с любым своим собратом. Однако этим примитивным, хотя и эффективным устройствам не хватало одного важного качества, без которого сейчас невозможно представить ни одну телефонную сеть, — у них отсутствовал механизм оповещения о том, что вам звонят.

Если вы подходите к телефону и на другом конце провода кто-то есть, то вы можете с ним поговорить — в ином случае устройство бесполезно. Поначалу владельцы телефонов пытались исправить этот недочет, постукивая по мембране карандашом. Но хрупкий материал не выдерживал такого обращения, и мембрану часто приходилось менять. Или, как вариант, можно было очень громко кричать в телефон в надежде, что человек, с которым вы хотите поговорить, окажется поблизости от аппарата и услышит исходящие от него слабые попискивания.

Так продолжалось до тех пор, пока уже не изобретатель телефона Александр Грэм Белл, а его помощник Томас Огастус Уотсон придумал встраивать в аппарат колокольчик, который начинал звенеть, если кто-то пытался выйти на связь. Это было заметное усовершенствование, если бы не один недостаток — нельзя было сделать личный звонок. Пользователи одной из первых телефонных сетей в Торонто, чтобы дозвониться кому-то, сначала должны были поговорить с оператором, а тот в свою очередь начинал обзванивать все телефоны, входившие в сеть. Владелец каждого из аппаратов вынужден был подойти к телефону, чтобы узнать, не ему ли адресован этот звонок, а если нет — правила вежливости предписывали отойти от аппарата, хотя на деле никто не мог помешать любопытному телефоновладельцу постоять рядом и послушать чей-то интересный разговор.

Итак, когда какой-нибудь абонент желал с кем-либо поговорить, начинали звонить все телефоны города. Вот что писал об этом Томас Диксон Локвуд[69], автор книги «Практическая информация для телефонистов» (1882): «Непрерывный звон колокольчиков, каким бы мелодичным он ни был сам по себе, пусть даже сладкозвучным, как “Корневильские колокола” [популярная в те времена оперетта], стал напоминать монотонное дребезжание, утомлявшее уши, истосковавшиеся по тишине и покою». Наконец было найдено решение, позволявшее оператору направлять звонки конкретным абонентам, хотя по-прежнему оставалась масса абонентов со «спаренными линиями», то есть тех, кто делили линию с другими владельцами телефонов.

Теперь нужно было придумать устройство, которое позволяло бы людям направлять свои звонки самостоятельно, а не через оператора. Такое устройство появилось, поскольку его изобретатель, владелец похоронного бюро Алмон Браун Строуджер (1839–1902), не доверял местной телефонистке и не хотел, чтобы звонки проходили через нее. Она была женой его конкурента, и Строуджер подозревал, что звонки скорбящих родственников, адресованные ему, эта телефонистка перенаправляет своему супругу.

Его изобретение получило название «искатель Строуджера». Теперь абонент, желая дозвониться, должен был «выступать» кнопкой цифры набираемого номера, по-еле чего контактный рычаг подъемного-вращательного искателя на телефонной станции передвигался на одну из ста позиций — этого было достаточно, поскольку абонентов в зоне действия телефонной станции насчитывалось немного.

Строуджер разбогател, а в 1902 году в его похоронном бюро раздался телефонный звонок. Номер «выступала» жена изобретателя: Строуджер умер и семье требовались ритуальные услуги.

Сколько в Чикаго фортепианных настройщиков?

Такой вопрос любил задавать в ходе лекций своим чикагским студентам знаменитый физик Энрико Ферми (1901–1954), дабы продемонстрировать, что люди могут ответить на вопрос, не имея для этого достаточной компетенции и знаний, а просто высказав догадку, базирующуюся на обычных допущениях.

Он доказал, что целый ряд научных вопросов может быть решен при наличии небольшого количества элементарных знаний (а на деле — путем догадки), если руководствоваться одним простым правилом. Взяв в качестве примера вопрос о настройщиках, Ферми показывал, как можно использовать самые приблизительные предположения о численности населения, о доле в нем людей, владеющих пианино и роялями, а также о том, как часто нужно настраивать инструменты, чтобы найти приблизительный ответ. Затем он убеждал студентов, что тем же способом можно приблизиться к верным ответам на самые разные научные вопросы, например: какова масса Земли? какие люди ходят быстрее: высокие или низкие? какая часть съеденной пищи требуется для физического труда и какая — для поддержания жизни в организме? какова общая масса всех учеников в вашей школе или коллег в вашем офисе? сколько клеток в человеческом организме? Подобные вопросы получили общее название «вопросы Ферми» и часто используются в педагогике.

Итак, зададимся вопросом, который не требует сведений ни о Чикаго, ни о клавишных музыкальных инструментах: сколько лет жизни в среднем теряет курильщик? Возможно, вы проворчите: «Ну вот, вместо Чикаго и инструментов от меня теперь потребуются знания о раке, продолжительности жизни и прочих подобных вещах». Но ведь мы повседневно впитываем самую разную информацию из прессы, благодаря чему можем строить достаточно обоснованные научные предположения.

Допустим, вас силой заставляют ответить на этот вопрос, приставив к затылку пистолет или загоняя под ногти иголки. Каким образом вы попытаетесь спасти свою жизнь или пальцы?

Должно быть, вы знаете, что курение убивает не само по себе, а повышая вероятность рака и сердечно-сосудистых заболеваний, а эти заболевания обычно развиваются после пятидесяти. Вы знаете также, что большинство людей проживает не более восьмидесяти лет. Так что ответ должен находиться где-то в промежутке от 0 до 30. Он равнялся бы нулю, если бы эта вредная привычка не укоротила бы ни одну жизнь, и тридцати, если бы каждый курильщик умирал в день своего пятидесятилетия. Очевидно, что нулю ответ не равняется, иначе не было бы самой проблемы и мы не задавались бы этим вопросом. Так что корректнее будет сказать, что минимальный ответ — 1 год, а максимальный — 30 лет.

Итак, у вас есть то, что математики называют верхней и нижней границами (см. главу «А все началось с обеда…»), — 30 и 1. А теперь в игру вступает то самое простое правило, о котором я упоминал выше: вам нужно вычислить среднее геометрическое между верхней и нижней границами. Для этого следует умножить верхнюю и нижнюю границы друг на друга и извлечь из произведения квадратный корень: 1 × 30 = 30, а квадратный корень из 30 будет порядка 5,5.

Использовав эти нехитрые фрагментарные знания — или, проще говоря, догадки, — мы получили некий ответ: 5,5. На самом деле правильный ответ — 6,5, так что мы были не так уж далеки от истины.

Есть еще один совет, который может пригодиться, когда имеешь дело с вопросами Ферми. Число π можно округлить до 3, в сутках может быть 25 часов, каждый взрослый весит около 65 килограммов, шар с диаметром D имеет примерно тот же объем, что и куб со стороной D, и так далее. Подобные округления и приближения могут оказаться довольно полезными, а иногда результаты прикидок даже взаимно компенсируются.

Получить ответ, настолько близкий к правильному, как 5,5 к 6,5, — это не просто счастливое совпадение. Используя подобную методику, можно получить число, которое ученые называют правильным порядком величины. Это означает, что ваш ответ будет отличаться от правильного не более чем на порядок. На первый взгляд не слишком многообещающий итог, и в обычной жизни от таких результатов действительно мало толку. Вам хочется знать размеры своей зарплаты, пенсии, свой вес и прогноз лечения гораздо точнее, но в науке порой хоть какой-нибудь ответ лучше, чем совсем никакого.

Ту же самую методику приблизительной оценки вы можете применить, если нужно ответить на вопросы типа «Сколько человек сейчас летит на самолетах над территорией США?» или «Какой длины сосиска получится из коровы средних размеров?», — ответ попадет все-таки в мишень, а не уйдет в молоко. (Кстати, заодно можете прикинуть, сколько обычных сосисок влезет в стандартный бидон для молока или сколько молочных бидонов потребуется, чтобы заполнить пассажирский самолет.)

Арабская наука под телескопом

Слово «шовинизм», часто употребляемое в сочетании «мужской шовинизм», — это убежденность, что мужчины в чем-то превосходят женщин. Однако подлинное значение этого слова — фанатичный патриотизм. Термин произошел от имени полумифического персонажа Николя Шовена, фигурировавшего в нескольких французских водевилях первой половины XIX века, — весьма националистически настроенного солдата, служившего в армии Наполеона Бонапарта.

Современный пример шовинизма, в котором на самом деле содержится зерно правды, я нашел в очерке, включенном в ливийский учебник английского языка, который написал некий Мухаммед А. Манна’. В очерке, пытающемся восстановить историческую справедливость, подчеркивается вклад арабских народов в развитие науки. Приведу отрывок из этого оригинального опуса под названием «Арабские ученые», сохранив все изобилующие в нем грамматические ошибки, ошибки в написании имен собственных, фактические ошибки и неточности, не говоря уже о построении фраз.

В тяжелые минуты мне, как англичанину арабского происхождения (моя фамилия как раз происходит от ремесла «окрашивания шерсти в разные цвета»), доставляет огромное удовольствие перечитывать «Арабских ученых», желательно с бокалом алкоголя и первой музыкальной нотой, сочиненной Эль-Фараби, звучащей из музыкального центра. И тем не менее при всей своей местами (sic!) непробиваемости, неосознанном юморе, грубых ошибках и при всем своем сомнительном владении английским языком господин Манна’ упомянул целый ряд философов и ученых, по большинству незнакомых западному читателю, которые совершили важные и зачастую фундаментальные открытия, во многом заложившие основы современной науки. Вот только как это Манна’ избежал соблазна и не указал, что Данте, возможно, на самом деле звали Данте Али Гиерри?..

Почему зеркало меняет местами только лево и право, а не верх и низ?

А вот это очень интересный вопрос, и не потому, что он представляет интерес сам по себе, а потому, что порождает массу глупых ответов. Даже я сам придумал их немало. Вот некоторые выдержки из моих попыток объяснить это обстоятельство:

«Давайте начнем с одного простого факта — у зеркала нет предпочтений, что именно отражать…»

«Как выяснилось, лево и право — не абсолютные понятия, в отличие от верха и низа. К примеру, у пирамиды нет ни левой, ни правой стороны, хотя есть верх и низ…»

«Понятия “лево” и “право” не так легко объяснить, и, если бы вам нужно было растолковать марсианину, что вы имеете в виду, вам пришлось бы туго…»

«…потому что обычно вы располагаете зеркало вертикально. Если вы положите его на пол, оно прекрасным образом поменяет местами верх и низ…»

«Представьте себе, что в мире не существует силы тяжести. Тогда мы встречали бы людей, повернутых на 180 градусов относительно оси х (где х — ось, проходящая слева направо, прямо через их правый и левый бока). То есть ноги у них были бы там, где у нас голова, а голова там, где у нас ноги…»

Теперь, когда я знаю настоящий ответ (см. ниже) — во всяком случае, сейчас он представляется мне единственно верным, — эти более ранние попытки кажутся мне движением на ощупь в нужном направлении, однако так и не приводящим к месту назначения.

Английский эволюционист и популяризатор науки Ричард Докинз (р. 1941) обнаружил практическую полезность этого вопроса — поставленная таким образом задача заставляла абитуриентов, поступавших в университет, разговориться.

«Много лет, работая преподавателем колледжа в Оксфорде, — пишет Докинз, — я оценивал интеллект абитуриентов и их способности к рассуждению. В ходе собеседования я просил молодых людей поразмышлять вслух над загадкой: почему отражение в зеркале перевернуто слева направо, но не снизу вверх? Это провокационная задачка, которую трудно отнести к какой-либо конкретной академической дисциплине. К чему в большей степени относится этот вопрос — к психологии, физике, философии, геометрии или тут просто нужен здравый смысл? Я не ожидал от абитуриентов, чтобы они непременно “знали правильный ответ”. Мне просто хотелось послушать, как они думают вслух, посмотреть, пробуждает ли в них этот вопрос живой интерес, разжигает ли любопытство. Если да, то, возможно, их будет приятно учить»[73].

Что ж, профессор Докинз, давайте посмотрим, было бы вам интересно учить меня.

Прежде всего мне хотелось бы ненадолго отвлечься от зеркала — оно только все запутывает. Есть еще один похожий вопрос: почему правая перчатка, если вывернуть ее наизнанку, прекрасно садится на левую руку, а вот вывернутая наизнанку шляпа почему-то не превращается в пару ботинок? В математике трансформация того, что находится слева, в то, что находится справа, называется отображением (не важно, участвует в процессе зеркало или нет). Во время этого процесса многие свойства не меняются — цвет перчатки, длина пальцев, угол между линиями рисунка на ткани и прочее. Все такого рода характеристики — длина, угол, рисунок, предназначенность для той или иной руки — это свойства перчатки, некоторые из них подвержены математическому процессу отображения, а другие нет. Но в перчатке нигде нет фиксированного верха или низа. Если рука поднята, пальцы перчатки могут быть направлены вверх, а раструб вниз. В космосе, в ста световых годах от Земли, это по-прежнему будет правая перчатка, но верха у нее не будет вообще, эта категория применима только к объектам, находящимся на Земле.

Таким образом, понятия «право» и «лево» в названии этой главы существенно отличаются от понятий «верх» и «низ». Мы скорее имеем в виду «голову» и «ноги» и удивляемся, почему они тоже не меняются местами, как право и лево.

Но если задуматься, мы определяем наши «право» и «лево» относительно головы и ног. Если вы представите себе движение по часовой стрелке вокруг вашего тела, то правая сторона попадется на пути первой: голова, правая сторона, ноги, левая сторона, голова. Однако если бы в мире не существовало силы тяготения, мы могли бы ориентироваться в пространстве, назначив одну руку левой, а другую правой, и тогда положение в пространстве верхней части тела, включая голову, квалифицировалось бы в зависимости от положения рук. Вы можете определить верхнюю часть тела — ту, где располагается ваша голова, — как первое, что попадется вам, если представить себе движение по часовой стрелке, начиная от левой руки. В этом случае человек, глядящий в зеркало, обнаружит, что та, часть тела, которая должна быть верхней, или головой, то есть первая часть тела, встречающаяся при движении по часовой стрелке от левой руки, будет обута в ботинки. И тогда этот человек спросит: «Почему зеркало меняет местами верх и низ, но не меняет лево и право?»

Итак, ответом на вопрос в заголовке служит другой вопрос: «А почему оно должно?»

Теперь, узнав это, я чувствую себя спокойнее.

Вижу связь!

Два француза — давайте назовем их Бувар и Пекюше[74] — стоят на двух холмах. На одном холме находится осажденный город, а на другом, расположенном примерно в 6 лигах (30 километров), — возможное средство спасения. У каждого из французов есть поблизости небольшая пушка, а в руке маятник. Человек из осажденного города, Бувар, стреляет из пушки; Пекюше, стоя на другом холме, стреляет в ответ и начинает раскачивать маятник. Услышав выстрел пушки Пекюше, Бувар перестает удерживать свой маятник, и тот начинает раскачиваться. После некоторого количества колебаний — допустим, двенадцати — Бувар снова палит из пушки. Услышав залп, Пекюше перестает считать колебания своего маятника и раскрывает маленькую книжицу. Это список слов и фраз, стоящих напротив определенных чисел. Числу 12 соответствует фраза: «Мне нужна еда». Пекюше велит своему слуге собрать караван мулов, нагруженных багетами, связками лука и quiches Lorraine[75], и направить его в осажденный город. Несколько часов спустя Бувар снова палит из пушки, маятник успевает качнуться 23 раза, Пекюше заглядывает в книжицу и видит, что 23 означает: «Merci beaucoup»[76]. Жители осажденного города спасены от голодной смерти.

В мире, где весь образ жизни построен на почти мгновенной связи, такой, как телефонные звонки, Интернет или телевидение, трудно представить, что все эти средства быстрой связи были разработаны совсем недавно. Удивительно также и то, какой медленной и неудобной была связь на дальних расстояниях всего какие-то две сотни лет назад.

Маятники как метод скоростной связи между отдаленными точками были предложены в 1790 году в книге «Encyclopédie Méthodique, Arts et Métiers Mécaniques»[77], хотя нет никаких доказательств, что этот метод хоть раз применялся на практике. За прошлые века человечество предпринимало многократные лихорадочные попытки найти способ дальней связи, который был бы быстрее скачущего на лошади гонца. Палестинский поэт Михаил Саббаг (да, это был мой далекий предок) написал авторитетный трактат о почтовых голубях, который включал исторический обзор, начинавшийся от Ноя, голубки и оливковой ветви и далее переходивший к голубиным почтовым системам, что были налажены при некоторых халифах.

Во времена французской революции необходимость быстрой связи между правительством и армией стала настолько острой, что французский парламент принял закон, гласивший:

«Каждый, кто, не обладая официальными полномочиями, передает какие-либо сигналы из одной точки в другую при помощи оптического телеграфа или любыми другими средствами, подлежит заключению в тюрьму на срок от одного месяца до одного года…»

Не было ни единого человека, кто не понимал бы, насколько ценным для правительства и коммерции стало бы изобретение успешного способа сообщения между разными районами страны, а также между странами. Изобретателю «маятникового телеграфа» не повезло: прошло всего два года и братья Шапп[78] изобрели куда более удобный оптический телеграф. 2 марта 1791 года в 11 часов утра они передали сообщение: «Si vous réussissez, vous serez bientôt couvert de gloire» («Если вы преуспеете, то вскоре будете купаться в славе») на расстояние в десять миль, используя сочетания черных и белых поперечин семафора, часы, телескопы и шифровальные книги.

Система показала себя настолько успешной, что вскоре во Франции образовалась целая телеграфная сеть общей протяженностью свыше 5000 километров, связывавшая 534 станции. На передачу от станции к станции одного слова с использованием хитроумного семафора с подвижными поперечинами, стоящего на вершине башни и управляемого снизу тросами, уходило около трех минут, а чтобы совершить путешествие, скажем, из порта Тулон в Париж, на расстояние 800 километров, сообщение должно было миновать около восьмидесяти станций, и для этого требовалось несколько часов. В романе Александра Дюма «Граф Монте-Кристо» один из персонажей, банкир, разоряется, потому что оператора телеграфа подкупили и он подменил текст сообщения, передававшегося с юга Франции в одно из правительственных учреждений Парижа.

Но эта система телеграфных башен, включая сеть, организованную английским Адмиралтейством для передачи сообщений из портовых городов южного и восточного побережья в Лондон, исчезла практически в одночасье с изобретением электрического телеграфа, коммерческое применение которого началось в 1840-е годы. Единственным наследием громоздкого оптического телеграфа стали немногочисленные географические названия на картах Англии и Франции (а также Сан-Франциско), такие, как Телеграфный холм.

Враскачку

Во времена моего детства в рождественские хлопушки клали загадочное и удивительное устройство, очень долго занимавшее мои мысли. Это был простой маятник: нитка и гирька — небольшой кусочек выкрашенного в бронзовый цвет металла, отлитого в форме стрелы или геральдической лилии. Если расположить такой маятник над ладонью мальчика или мужчины и немного подождать, то маятник начинал раскачиваться по прямой взад-вперед; если подержать его над ладонью девочки или женщины, он начинал описывать круги. Он умел даже угадывать пол домашнего животного. Более того — что еще поразительнее, — если подержать маятник над беременной женщиной, по движению гирьки можно было определить пол будущего ребенка.

Не могу сказать, что я верил показаниям маятника на сто процентов. Я был скептически настроенным ребенком, мне хотелось разобраться, что происходит, а значит, найти возможное объяснение. И желательно было проделать это, не раздвигая границы научного знания до идеи о существовании неких связанных с полом эманаций, исходящих от живых существ и влияющих на движение маятника.

Пример с беременной женщиной заставлял меня усомниться в довольно правдоподобном объяснении: мол, раз ты знаешь пол существа, над которым держишь маятник, ты сам каким-то образом — сознательно или подсознательно — двигаешь маятник в нужном направлении. Но как это может объяснить отчетливые круговые движения над животом женщины, которая и сама еще на тот момент не знала пол своего будущего ребенка, а потом родила девочку?

Теперь, став старше и немного мудрее, я знаю, что сомневался тогда не напрасно. В происходящем нет ничего таинственного, и изумление вызывает лишь способность человеческого организма исподволь использовать зрительную обратную связь.

А происходит на самом деле вот что.

Во-первых, эффект действительно основывается на знании пола человека или животного (о беременной женщине мы поговорим чуть позже).

Во-вторых, гирька движется так, как вы ожидаете, — если бы вам сказали, что прямая линия означает «женщина», а круг — «мужчина», маятник именно так и двигался бы. (Если вам объяснили наоборот, маятник двигается наоборот.)

Когда вы держите маятник неподвижно и «мысленно велите» ему двигаться, слабые и незаметные сокращения мышц пальцев сообщают нити движение. Благодаря этим движениям гирька маятника начинает чуть-чуть покачиваться в нужном направлении. Пока вы наблюдаете, как маятник движется, те же мышечные движения становятся более интенсивными, а другие движения, вызывающие колебания в ненужном направлении, тем временем гасятся. Вы вглядываетесь пристальнее, и маятник все более и более четко движется по нужной траектории, мышцы пальцев все более точно передают движение, благодаря которому возникает «таинственный» эффект.

Есть простой способ проверить правильность этого объяснения. Попробуйте силой мысли заставить гирьку двигаться тем или иным образом, не держа ее над рукой. Вы все равно можете этого добиться, как бы ни старались держать маятник неподвижно. Попробуйте заменить «мужчину» с прямой линии на круг, и вам это удастся. Попробуйте «приказать» маятнику вращаться (не совершая при этом сознательных движений рукой), а глаза при этом держите закрытыми. Ничего не произойдет, и тем самым будет доказано: зрительная обратная связь необходима, чтобы правильные движения мышц «вознаграждались» и усиливались за счет видимого подтверждения успеха.

Наконец еще одна впечатляющая наглядная демонстрация того, насколько сильно неуловимые мышечные движения подчиняются зрительной обратной связи. Подвесьте маятник внутри бутылки, плотно зажав нить между пробкой и горлышком бутылки, и поставьте бутылку на ничем не накрытую столешницу. Прижмите ладони к столу и пристально следите за гирькой. А теперь «велите» ей двигаться по прямой или кругами. Опыт займет немного больше времени, чем если бы вы держали маятник в руках, но рано или поздно гирька подчинится вашему приказу — в результате передачи незаметных сокращений мышц через древесину к бутылке, а потом и к нити.

А как же беременная женщина? Что ж, вынужден признать, что маятник все-таки предсказывает пол ребенка, но только с вероятностью пятьдесят процентов… Точно так же его предсказывает подброшенная монета.

Из Европы в Америку за один час, поездом

В 1956 году американский адвокат Фрэнк Пол Дэвидсон (р. 1918), проведя вместе со своим семейством целых семь часов в качающемся на волнах пароме, пересекающем Ла-Манш, решил, что должен быть какой-нибудь более удобный способ добираться из Франции в Англию. Дэвидсон имел хорошие связи в американских финансовых кругах, и как-то раз он поделился пережитым в компании своих приятелей, нью-йоркских банкиров. Прошло совсем немного времени, и они все вместе основали «Группу по изучению тоннеля под Каналом[79]». Прошло менее сорока лет, в 1994 году тоннель под Ла-Маншем был открыт, и вот благодаря тому самому начинанию поезда уже вовсю курсируют по подводному тоннелю между Англией и Францией, перевозя пассажиров и машины. И те, кто не любит летать самолетом, теперь не обязаны бороться с морской болезнью.

Дэвидсон, которому сейчас уже за девяносто, по-прежнему бодр и деятелен. Последние три десятилетия он вместе с небольшой группой инженеров из Массачусетского технологического института занимается разработкой трансатлантической трассы, которая пролегала бы на дне океана в тоннеле, тянущемся, допустим, от Бристоля к Бостону, а внутри этого тоннеля бегали бы поезда на магнитной подушке. Используемая технология — магнитная левитация, или маглев, — основывается на взаимном отталкивании магнитов поезда и рельсов, в результате чего создается воздушная подушка, по которой поезд передвигается практически без трения. В Японии был сооружен пробный участок подобной железной дороги, и в ходе испытаний поезд развивал скорость до 581 километра в час[80].

Но кто захочет отправиться на поезде в путешествие длиной в пять тысяч километров только ради того, чтобы попасть из Англии в Америку? Даже при скорости 500 километров в час дорога займет десять часов, а на самолете можно долететь за пять или шесть. Однако у «Атлантического тоннеля» Фрэнка Дэвидсона есть еще одно дополнительное качество: в тоннеле не будет воздуха; мчась в вакууме, поезд будет экономить энергию, которая при обычной магнитной левитации тратится на преодоление сопротивления воздуха, благодаря чему поезда смогут двигаться намного быстрее.

Таким образом, поезд Дэвидсона все-таки обгонит самолет, да еще с приличным запасом. Технология, которую пропагандирует Дэвидсон, предполагает, что у поездов практически не будет ограничений по скорости, поскольку с ростом скорости не будет нарастать сопротивление, как это происходит в воздухе. Поезда смогут с легкостью разгоняться до 8000 и более километров в час, так что можно будет смотаться из Англии в Америку на денек, потратив на дорогу по часу в каждый конец.

В отличие от большинства предсказанных технологий будущего, эта технология не требует разработки новых идей. Пока есть только два препятствия: деньги и общественное мнение. Построить тоннель, то есть изготовить в странах, расположенных на северных побережьях Атлантики, бетонные секции, а потом соединить их в одно целое, не так уж сложно. Необходимые технологии уже существуют. А развивающаяся семимильными шагами система спутниковой навигации поможет разрешить, пожалуй, самую непростую проблему — как предотвратить возможность случайного контакта поезда со стенами тоннеля на высокой скорости. (Возникшее в такой ситуации трение сожжет поезд дотла вместе с пассажирами.)

Прокладывание «Атлантического тоннеля» потребует тесного сотрудничества целого ряда стран и международных корпораций по части финансирования и осуществления строительных работ. Но стоимость проезда будет на удивление умеренной. Согласно произведенным несколько лет назад предварительным оценкам, билет будет стоить около ста фунтов в один конец, что несколько дешевле билета на самолет, а времени на дорогу уйдет гораздо меньше.

Фундаментальная химия

Гетероциклические соединения — это молекулы, состоящие из атомов, образующих кольцо (цикл), в которое, помимо углерода и водорода, входит атом какого-либо еще элемента. Существует много разных гетероциклических соединений с разным количеством атомов водорода и углерода, объединенных в кольца, и различными атомами других элементов, дополняющими эту структуру. Каждое из соединений имеет собственную уникальную формулу, например С5Н5N (пиридин) или С4Н8О2 (этилацетат), однако чаще в разговоре и на письме молекулы веществ обозначаются не формулами, а названиями. Но как быть, если известно множество вариантов того или иного типа молекул и всегда есть возможность синтезировать новые? И вот в 1880-е годы два химика, Артур Рудольф Ганч (1857–1935) и Карл Оскар Видман (1852–1930), независимо друг от друга разработали систему, позволяющую дать каждому соединению уникальное название исходя из количества атомов в кольце и свойств дополнительного химического элемента, входящего в состав соединения.

Поскольку перед вами не монография по химии, вам, наверное, хотелось бы чего-нибудь не столь скучного, как достижения химической номенклатуры. И вы совершенно правы. Система Ганча-Видмана не учла специфического ребячливого чувства юмора английских химиков. Практически каждому гетероциклическому соединению она присвоила совершенно безупречное наименование, которое легко запоминалось и не вызывало неприличных ассоциаций. Но когда очередь дошла до соединений, содержащих мышьяк, возникла проблема. По-английски «мышьяк» — «arsenic», это слово происходит от арабского «al-zarnikh»[81]. Профессора Ганч и Видман решили, что все гетероциклические соединения, содержащие мышьяк, должны начинаться на «арс-»[82]. (Точно так же приставки «фтор-» и «йод-» указывают на содержание в соединении фтора и йода.) Но лиха беда начало. Затем ученые решили ввести систему суффиксов, зависящих от размеров кольца: «-ирин», «-ит», «-ол», «-инин» и «-епин». Так что, к сожалению, никак нельзя было избежать присвоения пятизвенному гетероциклу, содержащему мышьяк, названия «arsole»[83].

Это не шутка, такая молекула действительно существует. Вы можете узнать о ней поподробнее, ознакомившись со статьей двух шведских ученых, которая начинается словами: «Ароматичность арсолов бурно обсуждалась в литературе на протяжении многих лет…»[84] Профессор Пол Мей, химик из Бристольского университета, настолько увлекся возможностями, открывшимися благодаря этой номенклатуре, что предложил на своем сайте «Молекулы с дурацкими или необычными именами» назвать производную ареола и шестизвенного бензольного кольца «сексибензарсолом».