Сделали научпоп-фильм в жанре ужасов: семь кошмаров, и каждый начинается с настоящей физики. Частицы, которые проходят сквозь стены, пустота, которая дрожит, атомы, которые «замирают», если на них часто смотреть.
В этом отрывке первая плёнка. Ночная смена в пустой больнице, старая камера щёлкает раз в секунду, а в конце коридора кто-то стоит. И квантовый эффект Зенона: в 1990 году на ионах бериллия проверили, что атом, который слишком часто проверяют, почти не успевает перейти на другой уровень. Как чайник, который не закипает, пока на него смотришь.
Мы честно помечаем, где кончается физика и начинается фантазия: на экране стоит печать ФАКТ, ГИПОТЕЗА или НАША ФАНТАЗИЯ.
Полный фильм идёт 30 минут, он на YouTube-канале DECODLER, ссылку оставлю в первом комментарии. Дальше там стена, сквозь которую проходит частица, пустота, которая не пустая, и восьмая плёнка, на которой ты.
А вы бы моргнули?
Музыка: Kevin MacLeod (incompetech.com), CC BY 4.0. Озвучка сделана с помощью ИИ, факты проверены по источникам.
Задам я вам, дамы и господа, вопрос: что такое тепло? А вы мне такие: ну ты чо? Тепло — это, в натуре, тепло! Батарея тёплая, кот тёплый, кипяток вообще офигеть какой тёплый, ошпариться можно! Те, кто школьный курс физики ещё помнит, скажут примерно так: тепло — это энергия движения молекул. Это будет, кстати, довольно близко к объективной сути явления. Но до этого ответа человечество шло очччень долго, наизобретав по пути невиданные вещи. Про это я вам и расскажу.
В современной физике главный раздел, отвечающий за тепло — это термодинамика. Она, как и механика, и некоторые другие части, имеет характерную такую особенность: основные штуки, которые термодинамика исследует, были с человечеством рядом… примерно всегда. Это вам не квантовые явления, и не электромагнетизм — их-то человек впервые пощупал, только когда предварительно сам организовал. А вот огонь, кипяток и холодная вода — человек с этим тыщи лет работает, живёт и от этого иногда помирает. Но одно дело — знать, как с огнем и теплом обращаться, а другое — понимать, в чем их суть и природа.
Огонь как стихия
Древние греки особо не усложняли: огонь — это просто одна из четырёх стихий, а «горячее» и «холодное» — базовые качества вещей и материалов, вроде «сухого» и «мокрого». Маргиналы-атомисты, в первую очередь Демокрит, додумались до атомов, из коих состоят разные вещества. Атомы огня у него были круглые и юркие, оттого всюду проникающими. Качество аналитики соответствовало эпохе.
Существенно позже, когда Европа в Средние века доросла до алхимии, алхимики придумали особое «начало горючести» и назвали его серой. Но это не та сера, которая желтый порошок, это был метафизический «принцип материи», о как! Вообще, долгое время тепло и огонь считались одной сущностью: что горит, то и греет. Кот теплый, потому что в нём стихийного огня много содержится. Вот когда помрёт, огонь из него выйдет, кот-то и остынет. Логично? На первый взгляд да.
Так называемый алхимический круг (а также квадрат и могендовид). Красным обведен символ философской серы. Можно догадаться, что эзотерики в алхимии было едва ли не больше, чем науки.
Тут важно сделать замечание. Описанные концепты жили в головах немногочисленных нердов, вроде тех же философов и алхимиков. Подавляющее большинство их современников про такие абстрактные материи не помышляло. Кузнец не думал, что в его печи «начало горючести» выходит из угля и раскаляет железную крицу. Ему некогда, ему ковать надо! Пивовар не осознавал, что «элемент огня» входит в его солод и воду, и создает напиток богов (ну или кислую мочу, смотря откуда руки растут). Но ремесла, тем не менее, апгрейдились и становились сложными технологиями. Простые сыродутные печи для выплавки железа мутировали в der Stückoffen (классное название, да?), потом в XV веке возник такой хай-тек как доменная печь — с очень сложным внутренним миром, в том числе по части тепла. Со стороны прикладной химии-алхимии тоже времени не теряли — всякие растворы, расплавы, дистиллирование и оксидирование становились техническими процессами для получения лекарств, ядов и прочих ништяков. Короче говоря, опыт технологии накапливался. И лучшие умы человечества желали объяснения: а какова природа вот этого всего?
Доменная печь 18 века. Зацените, там даже воздух поддувается водяным колесом! Процессы внутри столь сложны, что окончательную картину сложили где-то в середине XX века.
Флогистон:основа горючести
В конце XVII века немцы Иоганн Бехер и Георг Шталь превратили мистическую алхимическую «серу» в стройную теорию. Они заявили, что всякое горючее вещество содержит в себе уникальный элемент - флогистон (от греческого «горючий»). Дрова горят — это флогистон из них улетает, остаётся зола. Металл ржавеет — тоже, значить, теряет флогистон и превращается в «окалину». А если «окалину» нагреть с углём, который набит флогистоном под завязку, то уголь чудесной субстанцией поделится, и получится снова металл. Оппа, а ведь именно так железо и выплавляют!
Георг Шталь смотрит на тебя, как на дефлогистированное тело.
Теория объясняла немало всего. Почему свеча, запертая под колпаком, гаснет? Так воздух в запертом объеме насытился флогистоном, и больше не берёт, горение невозможно. Зачем мы дышим? Чтобы сбрасывать флогистон из организма. Изящно, научно! Также она объясняла и существовавшие технологии.
Были у теории, конечно, и косяки. Скажем, металл при ржавлении, как правило, тяжелеет. Отдал флогистон, но стал тяжелее, какого лешего? Некоторые хитрожопые говорили: видимо, у флогистона отрицательный вес. В общем, теория завладела умами образованных нердов. Пиво, что характерно, продолжали варить, не думая про флогистон. Выплавка железа и её апгрейды тоже делались ремесленниками, а не знатоками теорий.
Блэк: температура и тепло как две большие разницы
Тем временем в Шотландии Джозеф Блэк в 1750–60-х сделал пожалуй, главное открытие века в науке о тепле. Он развёл два понятия, которые все нещадно смешивали: температуру и количество теплоты. Шоб вы понимали принцип, я вам аналогию приведу: температура — это как крепость алкоголя в стакане, а теплота — как общее количество выбуханного в пересчёте на чистый спирт. Поэтому в нагретой ванне теплоты содержится больше, чем в чашке чая, хотя чай горячее. И нет, для науки восемнадцатого века такая абстрактная разница была ни хрена не очевидна. Это мы сейчас такие умные.
Продолжая эксперименты, Блэк заметил две странности.
Первая: вещества нагреваются по-разному. Чтобы нагреть килограмм воды на градус, тепла нужно раз в тридцать больше, чем для килограмма ртути. Зато в ртути плавает урановый лом. Будто у веществ разная «вместимость» под тепло. Отсюда возникло слово «теплоёмкость». Блэк её, ясное дело, измерил для разных веществ — для воды и для меди, масла и чугуна. Стала вырисовываться численная картинка.
Второй фокус ещё интереснее: когда лёд тает, он поглощает тепло, а его температура не растёт, пока он весь не растает. Куда девается тепло? Блэк обозвал это скрытой теплотой: она как бы прячется в жидкой воде, а при замерзании выходит наружу. Чтобы растопить лёд, такую же теплоту надо загнать в него, это при условии что вы нагрели его до нуля. С кипением (из воды в пар) такая же фигня.
Первый "сложный" график в посте. Где красная линия горизонтально - там идет плавление или замерзание. Температура не меняется, всё тепло уходит в скрытую теплоту.
Кстати, при университете в Глазго работал и молодой Джеймс Уатт. Он дружил с Блэком и раздумывал над паровой машиной Ньюкомена. Позднее он изобретёт знаменитую паровую машину Уатта, и начнется настоящий стимпанк. Но об этом в следующих текстах.
Лавуазье: казнь флогистона и рождение теплорода
В 1770-х за дело взялся француз Антуан Лоран Лавуазье. Это был, без шуток, один из величайших ученых 18 века, а конкуренция была мама не горюй. В первую очередь он занимался химией, но, как положено великому энциклопедисту, блистал и в соседних областях. Суперсилой Лавуазье была его тщательность в измерениях и методичность в экспериментах. То есть записи были не вида «я смешал селитру с уксусом, оно жахнуло, и выпал осадок, пахнущий как ношеные носки». Было записано, в котором часу всё случилось, сколько точно было селитры, какой именно уксус, в чём смешивали, как сильно жахнуло, и чьи носки сопоставлялись по запаху.
Просто poster boy французской науки. Статуя в Лувре.
Занимаясь вопросом огня, дотошный француз выяснил: при горении вещество не теряет что-то, а напротив, забирает часть воздуха. Эта же часть воздуха требуется жЫвотным, чтобы дышать, как выяснил его современник, британец Джозеф Пристли. В 1794м Пристли — кстати, проповедник весьма прогрессивных взглядов, — официально открыл газ кислород. Это объяснило находку Лавуазье. Металл тяжелеет при ржавении почему? потому что соединяется с кислородом. Кислородная теория изрядно подвинула концепт флогистона, и его акции резко пошли вниз.
Тут вопрос «что такое тепло?» раскололся надвое. Химию горения объяснил кислород. Но откуда же берётся жар? И Лавуазье делает ход конём: вместо одной невесомой субстанции вводит другую, «пламенную жидкость». Чуть позже ей дается емкое название — калорик (calorique, в оригинале). Наш народ импортозаместил этот латинизм как «теплород». В учебнике 1789 года Лавуазье вписал теплород в список простых веществ, рядом с кислородом и железом. Флогистон выгнали в дверь, а невесомая и невидимая жидкость влезла в окно.
Теплород, описывал Лавуазье, работает так: он отталкивается сам от себя, но соединяется с частицами обычного вещества. В свободном виде теплород порождает — правильно, котятки, ощущаемое тепло. И это объясняло очень многое. Газообразный кислород, по мысли французов, состоит из «основы кислорода» и уймы теплорода. При горении основа газа соединяется с топливом, а теплород освобождается — вот вам и жар. Тепло переходит от горячего к холодному — это потому, что теплород растекается туда, где его меньше. Тела при нагреве расширяются, оттого что вкачанный в них теплород раздвигает частицы. Скрытая теплота, обнаруженная Блэком — ну вот такой теплород, «связанный» с веществом. Газ при сжатии нагревается — это теплород выдавливают из него, как воду из губки.
Теория отлично поддавалась расчётам, и правила наукой ещё полвека. Мы до сих пор используем её понятия: тепло «перетекает», его «количество» «содержится» в теле. И, конечно же, калории в вашей еде называются в честь неуловимой жидкости.
Но вопрос «так что же такое тепло» тактично обошли. Лавуазье писал, что невесомый жидкий элемент есть только причина жара. А само тепло — ну, это просто ощущение тепла, вот так.
В 1783 году Лавуазье с Лапласом построили ледяной калориметр — прибор для измерения количества тепла по растаявшему льду. В одном из опытов внутрь даже сажали морскую свинку, чтобы сравнить дыхание с медленным горением. Но английским мышам, на которых Пристли открывал кислород, повезло меньше.
Кстати, сам Джозеф Пристли так и остался сторонником теории флогистона до конца своей жизни. Это очень хорошо показывает, как на самом деле менялись теории в естественных науках. Не было такого, что происходили некие вау-эксперименты, и по результатам все осведомленные ученые присягали новой теории, а старую дружно отправляли в чулан. Олдовые концепции иногда умирали только вместе с последними приверженцами.
Лавуазье натворил ещё бездну науки, дожил до 50, и умер не своей смертью. Он был химиком, но не отравился парами свинца или ртути. Он заведовал промышленным изготовлением пороха во Франции, но не взлетел на воздух. Дело в том, что Лавуазье был ещё и откупщиком — частным сборщиком налогов. Потом случилась Великая французская революция, и в 1794 году его вместе с другими откупщиками объявили преступниками. Несмотря на протесты научного сообщества, гильотина технологично отделила умную голову Лавуазье от его буржуазного тела. Те кто интересуется астрономией, знают такие места как точки Лагранжа. Их открыватель якобы сказал по случаю: чтобы срубить эту голову, хватило мгновения, а чтобы родилась подобная, может не хватить и столетия.
Граф, который сверлил пушки
Важный удар по теории теплорода нанёс человек с биографией прожжённого авантюриста. Американец Бенджамин Томпсон воевал за британцев против своих земляков, после фэйла британской короны бежал в Европу, там перестроил армию для баварцев, изобрёл экономичную печь и кофейный перколятор, и за всё это был пожалован дворянством, став графом Румфордом. Он не переставал менять подданство, шпионить в пользу тех, кто платил ему, и в целом был редкостным пройдохой. Как в этот плотный график вписалась наука - загадка великая есть.
В конце 1790-х в мюнхенском арсенале он обратил внимание, что при сверлении пушечных стволов металл изрядно раскаляется. Румфорд поставил опыт: тупым сверлом, которое крутила лошадь, он сверлил стальную болванку, погружённую в воду. Через два с половиной часа вода закипела, к полному восторгу зрителей. И тепло шло и шло, пока лошадь наматывала круги.
Вывод Румфорда логичен: будь тепло веществом, запасённым в металле, оно бы кончилось. А его можно добывать сколько угодно, лишь бы было движение. Откуда берется всё время этот ваш теплород? Лошадь-то не остывает! Значит, тепло на самом деле и есть движение. Он даже проверил, что у насверленной стружки та же теплоёмкость, что у цельного металла, то есть теплород из стали не «выжимается».
Опыт Румфорда. Одно из наименее всратых изображений, найденных в интернете
Но учёные не сдали просто так концепт теплорода. Мало ли, может невидимая жижа подтягивается извне, а сколько её вообще в металле, никто не знает. И это тоже важно понимать: одного опыта категорически мало, чтобы убить хорошую теорию. Теплород оставался реальностью физики ещё лет сорок.
А в 1805 году Румфорд женился на вдове Лавуазье. Общество крутых естествоиспытателей, как понимаете, было тесным. Брак вышел несчастливым, и через несколько лет супруги разъехались. Можно только гадать, не спорили ли они за ужином о природе тепла.
А как же молекулы?
Да, как со всем описанным карнавалом стыкуется фраза из наших учебников, про тепло как меру энергии движения частиц? А это, дорогие мои, уже кинетическая теория тепла. Она придёт на смену теплороду лишь в следующих постах в 19 веке.
Интересно, что идея-то витала в воздухе. Догадка, что тепло — движение мельчайших частиц, на самом деле старая. Фрэнсис Бэкон пришёл к этому ещё в 1620 году, так же думали "первый настоящий химик" Бойль, Исаак "Три закона" Ньютон, и его соперник Роберт Гук. Даниил Бернулли в 1738 году математически вывел давление газа, рассчитывая удары шариков-частиц о стенку. И нет, я не добавлю сюда Демокрита: в его концепции атомов слишком много очаровательной пурги, чтобы считать её предтечей молекулярной теории.
Широко известный поморский рыбак Михайло Васильевич Ломоносов в 1740-х тоже писал, что теплота есть вращательное движение частиц. Правда, в концепции Ломоносова был видный изъян.
Но все эти соображения оставалось догадками. Частиц никто не видел, количественной теории не было, а теплород тем временем выдавал формулы и верные предсказания.
Кратко и с выводами
Понимание того, что такое тепло, менялось по мере того, как человеки обдумывали окружающий мир. Тепло понималось как «стихия огня», как «принцип серы» в алхимии. При этом такие абстрактные концепции жили отдельно от прикладного ремесла и технологий того времени. Но и без этих концепций технологии развивались, во многом методом проб и ошибок.
Собрав в кучу наблюдения, в конце 16 века учёные «открыли» флогистон — невидимое вещество, обеспечивающее горение. Это объясняло часть существующих знаний, но кое-где обнаруживались нестыковки. Чуть менее чем через сто лет совсем другие ученые открыли кислород, и вскоре сформулировали новую теорию о теплороде, невесомой и невидимой жидкости, которая соединяется с более банальными веществами, и «порождает тепло». Уже были эксперименты, которые намекали на несостоятельность и этой теории. Но до понимания тепла как движения частиц вещества в 18м веке всё же не дошли.
Ирония в том, что неверная теория оказалась люто полезной. Теплород научил людей измерять тепло, объяснил теплоёмкость, дал определение скрытой теплоты, и обосновал калориметрию. Он сработал как строительные леса: начала теплофизики достроили, леса потом развалились, а здание осталось стоять.
Хочешь, я перепишу этот текст с бОльшим количеством лурко-жаргона, чтобы нормисов корёжило?
Телеграм-канал автора будет запущен, возможно, когда-нибудь.
Купил книгу. Принёс домой. Поставил на полку. Не прочитал. Через месяц купил ещё одну.
Знакомо? У меня так лет десять. Полка росла, а количество прочитанного — нет. Я долго считал это своей личной проблемой: мол, покупаю, чтобы почувствовать себя умным, а читать не читаю. Потом наткнулся на историю, которая перевернула мой взгляд на непрочитанные книги.
Библиотека — это то, чего он ещё не знает.
Тридцать тысяч томов и честный ответ
У Умберто Эко была библиотека примерно в тридцать тысяч книг. Однажды гость спросил его, сколько из этого он прочитал. Эко ответил: почти ничего.
Ответ обаятельный, но дело не в обаянии. Дело в том, что Эко не считал непрочитанное мусором. Непрочитанная книга — это не долг и не укор. Это напоминание, что вы чего-то не знаете.
Позже Нассим Талеб в «Чёрном лебеде» (2007) дал этой мысли имя — антибиблиотека. Прочитанная книга уже стала вашей: вы с ней согласились или поспорили, и она перестала вас удивлять. А непрочитанная всё ещё спорит.
Сразу оговорюсь: доказательств нет
Вот здесь я обязан был бы остановиться, если бы писал рекламу. Потому что за метафорой антибиблиотеки не стоит ни одного эксперимента. Никто не набирал две группы, одной держал непрочитанные книги на виду, другой нет, и не сравнивал результат.
Есть только соседние механизмы, которые изучали по-настоящему. Их три.
Первый — иллюзия глубины объяснения. Rozenblit и Keil описали её в 2002 году. Человек уверен, что понимает, как работает вещь, пока его не попросят объяснить её по шагам. Тогда выясняется, что понимал он примерно ничего. Знакомая ситуация, если вы когда-нибудь пытались объяснить, как работает двигатель.
Второй — уверенность растёт быстрее знаний. Крюгер и Даннинг в 1999 году давали студентам задачи по грамматике и логике. Те, кто выступил хуже всех, ставили себя примерно в 62-й процентиль — то есть выше среднего. Важная оговорка: речь шла о конкретном навыке, а не о чтении вообще. Но направление мысли верное — чем меньше человек знает, тем увереннее он себя чувствует.
Третий — попытка объяснить сбивает спесь. Фернбах с соавторами в 2013-м просил людей объяснить механизм политики, которую они поддерживают. Уверенность падала, крайность позиции — тоже.
Вот на этих трёх механизмах полка и держится. Она всё время напоминает: объяснить вы можете меньше, чем вам кажется.
Где ловушка (и почему я в неё попадал)
Ловушка не в книгах. Ловушка в том, что полка легко превращается в способ чувствовать себя умным, ничего не делая. Книги стоят. Вопросы не задаются. Человек спокоен.
Я жил именно так. Покупал книгу по теме, ставил на видное место и считал, что приблизился к ответу. При этом ни одной проверяемой мысли у меня не появлялось. Это не антибиблиотека, а театр: декорация незнания без работы с ним.
Отличить одно от другого просто. Если после покупки вы не можете назвать вопрос, на который эта книга отвечает, вы не купили знание. Вы купили предмет.
Что я изменил
Два правила, оба простые и оба дались мне не сразу.
Не больше десятка непрочитанных книг на виду. Тех, которые я правда собираюсь открыть. Тридцать тысяч на полке не работают как напоминание — они работают как обои. Карта незнания должна быть обозримой, иначе она превращается в пейзаж, на который не смотришь.
Вопрос до покупки. Что я хочу уметь после этой книги? Если ответа нет, полка пополнится, а я — нет.
Звучит как дисциплина, а на деле облегчение. Я перестал тащить домой всё, что показалось интересным, и впервые за годы дочитал три книги подряд.
Возражение, которое я слышу чаще всего
«Так просто читай больше». Логично, но не работает ровно по той причине, о которой писал выше: чтение не лечит уверенность. Человек может прочитать двадцать книг и стать не умнее, а самоувереннее — потому что каждая прочитанная книга закрывает вопрос, а не открывает.
Второе возражение: «Полка — это просто способ оправдать траты». Тоже справедливо, если полка немая. Если на ней лежит десять книг, и вы можете назвать, какой вопрос каждая закрывает, — это уже не траты, а план.
И третье, самое честное: «Мне некогда читать». Тогда полка тем более не нужна в виде тридцати томов. Она нужна в виде трёх — тех, которые вы откроете в этом месяце.
Как я выбираю те самые десять
Не по «надо бы прочитать» и не по советам из ленты. По вопросу, который у меня уже есть. Если я не могу сформулировать вопрос одной фразой — книга не едет домой, как бы красиво ни выглядела обложка.
Дальше просто: десять книг на виду, остальные в шкафу. Когда одна из десяти прочитана — на её место встаёт следующая. Полка перестала быть памятником моим благим намерениям и стала рабочей вещью.
Итог
Как инструмент честности с собой полка работает: видимое незнание снижает уверенность и улучшает вопросы. Как обещание «купи книгу и поумнеешь» — не работает: за это никто не отвечал исследованиями.
Так что я оставил полку, но перестал считать её складом. Теперь это карта того, чего я не знаю. И, честно говоря, мне так спокойнее.
А у вас сколько непрочитанного стоит на полке? И главное — на какой вопрос оно отвечает? Спрашиваю без подвоха: мне правда интересно, как у других.
Если захотите проверить, откуда что взято, вот работы:
Fernbach P. M. и соавторы. Political extremism is supported by an illusion of understanding. Psychological Science, 2013. https://doi.org/10.1177/0956797612464058
В современной науке мир привычно делится на материю (то, из чего состоим мы, планеты и предметы) и антиматерию. Однако существует огромный пласт явлений, которые выпадают из этой привычной логики.
Я предлагаю ввести новое фундаментальное понятие — Фагматерия.
Фагматерия — это собирательное определение для объектов, сил и явлений, которые не имеют вещественного облика, внутренней структуры и не состоят из привычных «кирпичиков» (атомов, молекул, кварков).
Мы не можем увидеть саму фагматерию или потрогать её руками, но мы фиксируем её физическое присутствие по тем эффектам, которые она оказывает на обычный мир.
(В моментах использовал нейросеть, в целом все остальное написано мной)
Две равно уважаемых семьи В Вероне, где встречают нас событья, Ведут междоусобные бои И не хотят унять кровопролитья. (У. Шекспир, «Ромео и Джульетта»)
+60 млн лет с начала освоения суши позвоночными (поздний карбон)
Наша Верона середины Каменноугольного периода выглядела как бескрайний и богатый сырьевой рынок. Жизнь только что совершила свой главный исход из океана. Огромные леса штамповали тонны биомассы, кислород зашкаливал, а суша была абсолютно пуста. На ней не было крупных хозяев, только мелкие существа робко осваивали берег.
Именно здесь единый род амниот, первых сухопутных позвоночных, совершает фундаментальный раскол на две конкурирующие династии. Возникает Дом Синапсид — ветвь, ведущая к млекопитающим и человеку, и Дом Диапсид, породивший динозавров, крокодилов и птиц.
Палеонтологи маркируют этот раскол сугубо техническим признаком. Они считают дыры позади глазниц. Одно височное окно у синапсид, два у диапсид. Но эти пустые пространства в черепе не были просто анатомической деталью. Это был чистый, суверенный выбор двух противоположных инженерных концепций. Именно с этого выбора началась величайшая война в истории планеты. Бескомпромиссная битва за глобальное господство и за право быть самым большим, самым сильным и главным существом на Земле. Эта трехсотмиллионная эпическая вендетта продолжается до сих пор.
Пермское величие Дома Синапсид: челюсти и зубы
+105 млн лет с начала освоения суши позвоночными (средняя пермь)
Пермский период стал эпохой абсолютного триумфа Дома Синапсид. Наш клан безоговорочно выиграл первый раунд тотальной войны за сушу. Мы захватили до 90% всей крупной биомассы, растоптав конкурентов на старте. Причиной стал коммерческий успех челюстного джекпота. Нижнее височное окно позволило синапсидам двигать челюстью вперед-назад. Мы получили ультимативную монополию на ресурсы и начали первыми перемалывать жесткую сухопутную растительность.
Новая диета запустила агрессивную гонку за макроразмеры. На сытых равнинах воцарились массивные травоядные вроде парейазавров, а вслед за ними выросли и верховные хищники — парусные диметродоны. Огромное тело требовало колоссальной энергии. Синапсиды выбрали стратегию запредельных операционных расходов. Они разогнали метаболизм и построили дорогую империю.
Мы создали автономный обогреватель, став независимыми от климата. Наши биореакторы работали круглосуточно. Синапсиды забрали себе статус главных существ планеты и заняли самые элитные кварталы Земли.
А что происходило с Домом Диапсид?
Они были разгромлены и сосланы в эволюционное гетто. Все сытые регионы заблокировали тяжелые синапсиды. Диапсиды были изгнаны на бесплодные окраины Пангеи. Без шансов конкурировать в размерах они создали партизанскую модель ультра-лоукостера.
Они изобрели мочевую кислоту, вымывая отходы в виде сухой пасты и сохраняя каждую каплю воды. Запечатанные в плотную чешую, они маневрировали в пустынях, где синапсиды засыхали на ходу. Диапсиды отказались греть себя изнутри и попали в рабство к солнцу. Но внешнее тепло доставалось им бесплатно. Им требовалось в 10 раз меньше еды. В засушливом подлеске они вели скрытную охоту, сократив свои расходы почти до нуля. Они оставались мелкими, незаметными и копили ярость.
Пермское вымирание: закат великого Дома Синапсид
+123 млн лет с начала освоения суши позвоночными (конец перми)
На пике нашего могущества планету настиг суровый кризис. Около 252 миллионов лет назад излияния сибирских лав спровоцировали Великое пермское вымирание. Мир, который синапсиды выстроили под себя, сгорел. Наша дорогая, ресурсоемкая бизнес-модель мгновенно обанкротилась под давлением физиологии.
Глобальная засуха уничтожила реки. Наше водное рабство обернулось крахом. Архаичные почки синапсид продолжали неэффективно сливать воду, и наши предки массово умирали от жажды. Следом исчезли леса. Прожорливый внутренний реактор без притока тонн калорий превратился в смертельную ловушку. Он требовал энергии круглосуточно. Первыми вымерли наши травоядные гиганты, а за ними в бездну полетели верховные хищники. Кислород упал до катастрофических двенадцати процентов. С примитивными легкими синапсиды начали задыхаться. Вымерло 70% нашего клана. Первая империя за звание главного существа планеты превратилась в пепел.
Как этот крах отразился на Доме Диапсид?
Для спартанских лоукостеров выжженная планета стала билетом на трон. Пока синапсиды гибли от голода, диапсидам требовались сущая мелочь для выживания. Сберегая воду, они легко переждали катастрофу на копейках своего антикризисного бюджета. Диапсиды сохранили популяцию и вышли на абсолютно пустую, очищенную от старых хозяев арену.
Мезозойский реванш Дома Диапсид: дыхание и полет
+145 млн лет с начала освоения суши позвоночными (поздний триас)
С наступлением Триасового периода Дом Диапсид развернул безжалостный, кровавый реванш. Они оседлали волну грандиозного технологического прорыва и породили великих динозавров. Их целью было полное уничтожение синапсид в борьбе за макроразмеры. Чтобы закрепить свое господство, они выставили против нас две революционные технологии.
Во-первых, архозавры ликвидировали старое ящеричное проклятие, когда при беге лапы по бокам сжимали легкие. Они подвели лапы прямо под туловище и встали на две задние ноги. Диапсиды стали первыми, кто научился свободно дышать на бегу, получив абсолютное преимущество в скорости.
Во-вторых, они внедрили сквозное дыхание. Система воздушных мешков позволила их легким получать чистый кислород непрерывным потоком как на вдохе, так и на выдохе. В то время как синапсиды хрипели, двуногие диапсиды буквально летали по арене. Динозавры укрупнились до циклопических масштабов. Они построили свою роскошную дневную империю и стали абсолютными, величайшими хозяевами планеты на 100 миллионов лет.
Что в это время происходило с разгромленным Домом Синапсид?
Наш клан потерял статус главного существа суши. Мы потерпели сокрушительное поражение и ушли в глубокое ночное подполье. Но ночное изгнание превратилось для синапсид в уникальную инновационную лабораторию.
Пожертвовав цветным зрением, мы перестроили органы чувств, сделав главную ставку на феноменальный слух и сверхчувствительное обоняние. Мы перенесли кости нижней челюсти в среднее ухо, создав систему из трех слуховых косточек для идеального распознавания звуков во тьме. Для защиты от холода мы изобрели шерсть и довели внутренний реактор до идеала, освоив регулируемую теплокровность. Чтобы спасти потомство от многотонных монстров, мы отказались от скорлупы в пользу живорождения и изобрели молоко.
Сложная ночная навигация заставила нас вырастить новую кору головного мозга — неокортекс. Пока диапсиды инвестировали в массу, броню и зубы, синапсиды во тьме создавали автономный компьютер. Мы инвестировали в интеллект, чтобы вернуть себе планету.
Увядание Диапсид: Астероидный рок
+310 млн лет с начала освоения суши позвоночными (конец мела)
В это время, мезозойская империя диапсид находилась на пике своего планетарного величия. Они были самыми большими и сильными существами на Земле. И в этот момент на планету прилетел астероид Чиксулуб диаметром в десять километров. Миллиарды тонн пыли заблокировали солнечный свет, запустив суровую импактную зиму. В этот роковой день произошел фатальный излом, и все преимущества огромной дневной экономики диапсид превратились в их гибель.
Мир динозавров выключили. Крупным диапсидам требовался солнечный свет для обогрева и поиска пищи. Без фотосинтеза пищевые цепочки рухнули. Многотонным великанам требовались центнеры еды ежедневно, которых больше не существовало. Клан великанов обанкротился из-за своих исполинских масштабов, на которые они сделали ставку в этой войне. Великие дневные гиганты полностью вымерли, оставив Верону пустой.
Как этот крах вернул к жизни Дом Синапсид?
Для млекопитающих исчезновение солнца не стало шоком. Наш клан уже миллионы лет жил во вечной тьме ночи. Наша шерсть и суперслух были идеально заточены под этот кризис. Оставаясь крошечными лоукостерами, мы легко переждали катастрофу в подземных норах на скудных антикризисных пайках. Великие дневные титаны ушли в небытие. Сцена для нашего Второго пришествия была очищена.
Второе пришествие Синапсид: теплокровность и интеллект
+309 млн лет с начала освоения суши позвоночными (Палеоген)
Выйдя из своих подземных бункеров, Дом Синапсид развернул беспрецедентную экспансию. Мир макроразмеров больше не контролировался многотонными дневными тиранами. Путь к статусу главного существа оказался полностью открыт.
Млекопитающие стремительно заняли все ключевые экологические рынки. За какие-то несколько десятков миллионов лет скромные ночные партизаны эволюционировали в гигантских китов, стремительных гепардов и, наконец, в человека. Стратегия выносливости, гибкого интеллекта и автономного обогрева принесла нашему клану триумфальную победу. Мы снова стали самыми большими и главными на Земле.
Вершиной этого восхождения стало человечество. Мы построили города, подчинили себе атомы и создали сложнейшую технологическую цивилизацию. Но ирония эволюции заключается в том, что в процессе этого триумфа наш клан наступил на те же самые грабли, что и наши предшественники.
Сегодня человечество — это самый дорогой, капризный и ресурсоемкий супер-синапсид в истории Земли. Мы вырастили колоссальные операционные расходы. Нашему раздутому мозгу ежедневно требуются мегаватты энергии, пресная вода и сложнейшая инфраструктура. Наша бизнес-модель безупречна, пока мир стабилен. Но в случае нового глобального кризиса эта огромная система рухнет самой первой, повторив судьбу мезозойских динозавров. Мы слишком сильно заигрались в макроразмеры и глобальное доминирование.
Эпилог. Карусель лоукостеров: Великое ожидание
+375 млн лет с начала освоения суши позвоночными (Четвертичный период)
Колесо эволюции никогда не останавливается. Прямо сейчас на карнизах небоскребов и ржавых крышах мегаполисов затаился новый эволюционный лоукостер. Великая война двух семей за право быть главным на Земле продолжается прямо у нас над головами. Современные диапсиды — птицы — вовсе не проиграли. Они просто сменили тактику.
Физиологически эти твари совершеннее нас по всем статьям. Их внутренний мотор разогрет до постоянных 42 °C, а нервная система всегда взведена, как курок. Их сквозные легкие дышат напроход, непрерывно насыщаясь кислородом. Горные гуси благодаря этой системе спокойно летят над вершинами Гималаев на высоте в девять тысяч метров, где человек без кислородного баллона умирает за минуты. Черные стрижи способны находиться в воздухе по десять месяцев без единой посадки, они умудряются спать прямо в полете, вообще не касаясь земли.
Эти древние кланы адаптировались идеально. Вороны, голуби и чайки не просто выживают, они нагло пользуются всеми благами нашей цивилизации. Они едят наш мусор, гнездятся на наших кондиционерах, греются на наших теплотрассах и используют наши постройки как бесплатную инфраструктуру. Им не нужны собственные заводы, электростанции и суперкомпьютеры — они приспособили под себя наши. Они автономны, герметичны и полностью готовы к любому кризису.
Мы, синапсиды, шикуем в своих бетонных замках, тратя тераватты энергии на поддержание капризной цивилизации. Мы погрязли в иллюзии своего вечного превосходства, точно так же, как были уверены в нем динозавры за день до падения астероида.
А диапсиды просто пользуются моментом и ждут. Они берут от наших городов всё, что им нужно, и немигающе смотрят на нас сверху вниз, отсчитывая наши минуты. Они знают, когда небо снова почернеет и на планете выключится солнце, наша сложная, переусложненная система рухнет в первые недели. И тогда эти спартанцы экстремальной засухи и дефицита расправят крылья. Карусель лоукостеров сделает свой очередной оборот. Дом Диапсид вернется, чтобы сбросить нас в небытие и забрать свой законный престол Земли.
В следующий раз, когда пройдешь мимо обычного городского голубя, остановись и вглядись в этот круглый, оранжевый, немигающий глаз. В нем нет тепла. Это чистый, холодный взгляд архозавра. Взгляд выжившего динозавра, который упаковал супероружие Мезозоя в пугающе эффективный микроформат.
Игра не окончена. Они ждут.
P.S. Если бы эта 300-миллионолетняя вендетта транслировалась на гигантском спортивном стадионе, неоновое табло в конце матча заставило бы фанатов млекопитающих горько заплакать.
Пока человечество гордо считает себя вершиной эволюции, сухая математика палеонтологии безжалостно охлаждает наш пыл. Диапсиды удерживали статус абсолютных королей планеты колоссальное количество времени, развернувшись во весь гигантский рост в Юрском и Меловом периодах. Синапсиды, даже с учетом былых пермских успехов и всего нашего текущего Кайнозоя, пока остаются в роли догоняющих. Мы ведем яростный камбэк, но историческое превосходство на дистанции всё еще за чешуйчатыми и пернатыми.
Взгляните на табло ниже — реальный счет времени господства на Земле говорит сам за себя. Игра продолжается, и счетчик времени мотает дальше.
«Днём» рождения квантовой механики можно считать период с лета 1925-го (когда Гейзенберг отправил в журнал свою первую статью про новую механику) по осень 1926-го (когда вышла последняя, четвёртая часть волновой механики Шрёдингера). Растянутый получился день рождения – это очень по-квантовому, там всё такое расплывчатое; и, выходит, ещё успеваем отметить!
Начало великой эпохи
Это открытие вызревало от четверти до полувека – когда появлялись всё новые и новые явления, необъяснимые в рамках известных теорий, только самые яркие примеры: атомные спектры – почему они излучают фотоны только определённых частот? Ультрафиолетовая катастрофа: любой объект должен излучать до фига тепла, буквально бесконечное его количество – а этого не происходит! На сдачу: когда утвердилась резерфордовская (планетарная – там электроны летают вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца) модель атома, все за голову схватились: Господи! Они же излучать должны! Атом при таком раскладе не просуществовал бы и миллионной доли секунды! Как же он ещё держится, родненький? Как мы все ещё живы вообще?
Ну и все следствия: не появись квантовая теория, не было бы вообще ничего – ни атомной энергии, ни компьютеров, ни смартфонов, ни интернета, жили бы, как в деревне. А придумали её, не сговариваясь, немец Вернер Гейзенберг (этот псевдоним возьмёт себе главный герой Breaking Bad) и австриец Эрвин Шрёдингер (вне научной среды прославится благодаря своему коту).
Гейзенберг сформулировал кванты на языке матриц, с которыми было непривычно работать. А Шрёдингер докрутил до уравнения, решать которое физикам было гораздо сподручней. Его решение – так называемая волновая функция – с лёгкой руки Макса Борна получило простую (ну как простую – за неё ещё будет много битв, см. ниже) интерпретацию: это вероятность обнаружить частицу в той или иной точке пространства. Борну потом за это Нобелевку дали – впрочем, им всем там её давали, как говорится, кто без Нобелевки, тот лох.
Сила наблюдения
Если вы зевнули на предыдущем абзаце, я вас к нему верну, там важное. Смотрите, по «классике» у нас все частицы находятся строго там, где находятся – а вот «вероятность обнаружить частицу в той или иной точке» означает, что она как бы немного там, немного там и ещё немного там – причём всё это одновременно. «Ыыыыыыы, кот Шрёдингера немного жив, немного мёртв!» – да, это всё на той же линии. Ключевая идея: мы никогда не знаем, где (и в каком состоянии вообще) что находится – и в этом главное отличие от классической физики, оперирующей строго детерминированными представлениями («тело массы m находится в точке x под воздействием силы F»).
И всё это – отражение принципа неопределённости Гейзенберга. Из которого любой, владеющий соответствующим математическим аппаратом, может вывести все уравнения – хоть Гейзенберга, хоть Шрёдингера.
Иногда меня пытаются сбить с толку вопросом: «А слабо объяснить квантЫ за пять минут, на пальцах?» – я тут же отвечаю: «Минуты хватит. Засекайте!»
Чем оперирует физика? Какими-то измеримыми величинами: координата, скорость, давление, температура. Измеримые – значит, мы их измеряем, а как, кстати, мы это делаем? Летит, например, в ночи электрон – как узнать его скорость и местонахождение? Давайте на него посветим? А давайте! Длина волны света λ – и это та точность, с которой мы можем измерить координату (как цена деления на линейке, чтобы было понятнее). А импульс света (одного фотона, точнее) – h/λ: чем короче волна, тем больше импульс. (h – постоянная Планка; была известна ещё до всякой квантовой механики: Эйнштейн в 1905-м объяснял с её помощью фотоэффект – как раз за это ему потом Нобелевку и дали.) Когда мы произведём измерение, мы долбанём фотоном по электрону, и он после чёрт-те куда полетит. И если координату мы померяли с ошибкой Δx ≈ λ, а импульс – с Δp ≈ h/λ, то значит Δx·Δp ≈ h – вот вам и соотношение неопределённостей Гейзенберга.
В макромире такое не действует, сколько ни сверли взглядом нравящуюся тебе Зойку из параллельного класса, она с места не сдвинется, если, конечно, ты не владеешь телекинезом. Потому что Зойка хоть и на ЗОЖе, а весит честные 50 кг – электрон же на 33 порядка стройней, и на него наблюдение точно будет влиять. И как только вы это зафиксировали (математически – в виде соотношения неопределённостей) – всё, дальше спокойно выводите из этого всю квантовую науку. Всех и делов!
Жизнь и смерть волновых пакетов
Квантовомеханическая картина мира (когда объект не где-то, а как бы одновременно везде, недетерминированность и вот это вот всё) настолько сбивает с толку, что и неясно, как всё это разъяснить. Общепринятой является копенгагенская интерпретация (придумана Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом; где придумана? В Копенгагене, само собой), которая вводит понятие редукции (вар.: коллапса, смерти) волнового пакета: это когда до измерения, например, электрон у вас сразу везде, а после фиксируется в какой-то точке (скажем, мы поймали его трек в камере Вильсона). И вот была такая широченная волновая функция, а тут она схлопнулась (редуцировалась) до одной точки.
Но кажется, что тут просто наводится тень на плетень. Не было никакого «широкого» электрона – просто до измерения мы не знали, где конкретно он находится, но могли предсказать вероятность появления тут или там. Как раз из волновой функции эти данные и получали. А уж после того, как его поймали, потом ещё раз поймали, и ещё (статистически значимое число раз) – мы смотрим, где именно, и сверяем с нашими предсказаниями. Сошлось – значит, теория верна. Ну вот оно и сходится безошибочно, уже сотню лет подряд.
Совсем бытовой пример: вот я, положим, каждый будний день хожу на работу. А каждый выходной – на речку, рыбачить. 5/7 вероятность обнаружить меня в офисе и 2/7 – на рыбалке, в произвольный день. Так и запишите мою волновую функцию: 5/7 |офис> + 2/7 |рыбалка>. Но если в один из дней вы нашли меня с удочкой на берегу, то нашли всего целиком, никак не две седьмых. Какая редукция? Это просто условная вероятность: «где я буду при условии, что сегодня выходной». Так и с электроном: какая вероятность найти его в точке А при условии, что он в точке А и находится? (А он именно в ней и находится после того, как мы его там нашли!)
Не зря, получается, Максу Борну Нобелевку дали, голова мужик, правильно всё обрисовал! А вот Шрёдингер до последнего с ним спорил: нет, говорит, частица – это волна, корпускулярно-волновой дуализм (де Бройль придумал, 7-й герцог Брольи, у него тоже, как вы уже догадались, Нобелевка была) и всё такое. Да мы не знаем, волна не волна: есть уравнение, есть решение, есть интерпретация (что вероятность), с экспериментами сходится – а уж что оно там, да хоть баба на метле, ну есть ли резон спорить, надрываться?
ВКБ-метод и закон Стиглера
Если вы дочитали до этого места, то сейчас будете вознаграждены – расскажу здесь мою любимую историю про кванты, очень смешную, правда.
Написал Шрёдингер своё уравнение, а как его решать-то? Ну, для простейших случаев решили, для бесконечно глубокой прямоугольной ямы там, для осциллятора и прочих сферических коней в вакууме. А дальше-то как? И стали думать, как бы его приближённо хотя бы решать научиться.
И вот встретились как-то в 1926-м Вентцель, Крамерс и Бриллюэн и забабахали своё так называемое квазиклассическое приближение, для широкого круга условий подходящее, солидную точность обеспечивающее и математически сравнительно простое.
Стоп. Где это встретились? Грегор Вентцель – немец, Хендрик Крамерс – голландец, Леон Бриллюэн и вовсе француз. Нигде они не встретились, независимо друг от друга метод придумали и почти одновременно отправили свои работы в печать. Ну и, чтобы никого не обижать, назвали этот метод в честь всех троих. А поскольку «метод Вентцеля–Крамерса–Бриллюэна» звучит длинновато, трезвому не выговорить, то обычно сокращают просто до ВКБ-метода.
А потом выяснилось: оказывается, всё это придумал англичанин Гарольд Джеффрис, тремя годами ранее, в 1923-м. Никакой квантовой механики тогда ещё не было, Джеффрис был геофизиком (а заодно занимался метеорологией, астрономией и ещё кое-чем на сдачу) и написал статью про приближённые решения целого класса дифференциальных уравнений. Если вглядеться, в этот класс помещается стационарное уравнение Шрёдингера – но только кому там было вглядываться, в двадцать третьем-то году!
В общем, Вентцель–Крамерс–Бриллюэн ничего про эту работу Джеффриса не знали (они, похоже, вообще там ничего не читали! Впрочем, неудивительно, гугла же не было, как найдёшь?). Потом-то, конечно, разобрались, но ВКБ-метод остался ВКБ-методом, переименовывать его не стали. Что служит ещё одним подтверждением замечательного «закона Стиглера об эпонимии»: ни один научный закон не носит имя своего первооткрывателя. Замечателен он ещё и тем, что установил его вовсе не Стиглер, и открыто всем говорил: «Да это не я, это Роберт Мертон!» – но его никто не слушал, назвали законом Стиглера, а чего? Так же смешнее!
А бедному Гарольду не то что Нобелевку, даже кембриджскую премию Адамса, с прицелом на которую он делал свою работу, не дали, прикиньте! Чтобы исправить эту несправедливость, в 1953-м Елизавете II пришлось посвятить его в рыцари, и теперь правильно писать «сэр Гарольд Джеффрис».
Последняя великая наука
Когда Макс Планк (тот, чьим именем названа фундаментальная постоянная квантовой механики) поступил в Мюнхенский университет, он обратился к другу своего отца, профессору Филиппу фон Жолли, и сообщил, что хочет изучать теоретическую физику. А профессор стал его отговаривать: молодой человек, да физика-то уже, считай, закончилась! Так, пару задачек решить осталось, и в общем всё. В течение следующих полсотни лет (а разговор этот был в 1874-м) Планк и его коллеги (в основном из Германии, но и из остальных стран Европы) показали, что ни черта не закончилась.
Но вот из сегодняшнего дня кажется, что кванты были последним великим открытием в физике. Все, конечно, ждут ещё TOE, Theory of Everything, такой теории, которая объединит сразу всё: и квантовую механику, и релятивизм с гравитацией, и из одного суперуравнения можно будет выводить и то, и сё, и это. Но это будет прорывом скорее философским, чем естественнонаучным. Практическое применение такого уравнения из сегодняшнего дня не просматривается. Да и ищут суперуравнение давно, почти столетие – а вот всё никак не находится, может, и нет его. У Бога шуток много...
Привет, Пикабу! Хочу поделиться с вами своим проектом. Я всегда любил физику, космос и эстетику старых советских ЭВМ с их фосфорно-зелеными мониторами. Однажды мне захотелось объединить это в одном месте.
Так появился ЦУП-7 — интерактивный сайт, который выглядит как пульт управления из научно-фантастического фильма 90-х. Но вся физика внутри — настоящая, без обмана.
Вращение черной дыры
🕳️ Черная дыра в реальном времени То, что вы видите на экране — это не видео и не гифка. Это настоящий рендеринг на WebGL, который работает прямо в вашем браузере. В коде просчитывается гравитационное линзирование (свет огибает дыру), релятивистский эффект Доплера (одна сторона диска ярче, потому что летит на нас, другая — темнее) и аккреционный диск. Дыру можно крутить мышкой, приближать колесиком и просто зависать, глядя, как закручивается раскаленный газ.
Квантовый ластик с отложенным выбором
⚛️ 5 квантовых экспериментов Под черной дырой находится меню с симуляциями. Можно наглядно «покрутить руками» то, что в учебниках объяснить сложнее всего:
Квантовый ластик: смотрите, как наблюдение за частицей разрушает интерференционную картину.
Две щели: классический опыт, где свет ведет себя как волна.
Бомба Элицура-Вайдмана: та самая «квантовая бомба», которую можно найти, не взорвав.
И еще две крутые модели (Парадокс близнецов и Отложенный выбор).
🔊 Космический звук и атмосфера На сайте есть кнопка AUDIO. Если ее нажать, зазвучит самый настоящий гул черной дыры (это реальные данные, переведенные астрономами в звук). А при наведении на кнопки интерфейса слышен ретро-писк, как в старых терминалах. Плюс, вся страница покрыта эффектом старых ЭЛТ-мониторов (скан-линии, легкое свечение). Атмосфера полного погружения.
🥚 Пасхалка Где-то на главной странице я спрятал секрет. Сайт полностью бесплатный, без рекламы, работает на телефонах и планшетах. Поддерживает два языка (RU/EN). Написан на чистом JavaScript без тяжелых фреймворков, чтобы летать даже на слабых ноутбуках.
Заходите, ломайте квантовую физику и кидайте фидбек! 👉 blackh0le.ru
