Долгое время многие другие ученые тоже подозревали, что некая примесь в воздухе «модифицирует» свет, заставляя его казаться голубым. В конце концов поняли, что это делает сам воздух – находящиеся в газообразном состоянии молекулы воздуха играют основную роль в его окраске. Цвет неба имеет глубинную связь и с атомной теорией, и даже с числом Авогадро. А это, в свою очередь, привлекло внимание Эйнштейна, который уделял внимание данной проблеме в период с 1905 по 1910 год.
Итак, небо имеет голубую окраску, поскольку падающие лучи света взаимодействуют с молекулами воздуха, находящимися в газообразном состоянии, таким образом, что больше света в голубой части спектра рассеивается, достигая поверхности планеты и наших с вами глаз. Собственно, все частоты падающего света могут рассеиваться таким образом, но голубой цвет (обладающий сравнительно высокой частотой и сравнительно малой длиной волны) рассеивается сильнее, чем оттенки более низких частот, в ходе процесса, известного как рэлеевское рассеяние и описанного в 1870‑е годы. Джон Уильям Стратт (лорд Рэлей), в 1904 году получивший Нобелевскую премию по физике за открытие аргона, показал: когда длина волны света – того же порядка, что и размер молекул газа, интенсивность рассеивающегося света изменяется обратно пропорционально четвертой степени его длины волны. Лучи с меньшей длиной волны (скажем, голубые, синие и фиолетовые) рассеиваются сильнее, чем лучи с большей длиной волны. Все молекулы воздуха словно бы предпочитают светиться голубым, что мы и наблюдаем повсюду.
Но тогда небо должно бы казаться фиолетовым, ведь фиолетовый свет рассеивается еще сильнее, чем голубой. Однако небо не кажется фиолетовым: тут вступает в дело последняя – биологическая – часть загадки. Как выясняется, наши глаза устроены так, что они более чувствительны к голубому свету, нежели к фиолетовому.
Объяснение того, почему небо голубое, потребовало участия целого ряда естественных наук, рассмотрения множества факторов: здесь и цвета оптического спектра, и волновая природа света, и угол, под которым солнечные лучи попадают в атмосферу, и математика рассеяния света, и размер молекул кислорода и азота, и даже особенности восприятия света человеческим глазом. Вот сколько серьезной науки понадобилось для ответа на один-единственный вопрос, который может задать любой ребенок.
Красота восхода
Филип Кэмпбелл
Главный редактор Nature
Когда я впервые увлекся физикой, меня завораживала глубина ее объяснений вещей фундаментальных. К примеру, связь материи, энергии и пространства-времени в общей теории относительности казалась мне чрезвычайно изящным и глубоким объяснением (впрочем, так оно и есть).
А сегодня меня больше восхищают объяснения, лежащие в основе явлений, которые мы постоянно, каждый день видим вокруг себя и которые так легко принять как нечто само собой разумеющееся.
Как щедро солнце, что всегда
является в урочный час
(не опоздает никогда
раскрыть нам снова тайну дня).
Эти строки Э. Э. Каммингс написал в начале своего лирического прославления нашей звезды. Как нетрудно понять, в них превозносится ежедневное событие – восход. Мы воспринимаем его как нечто (не)значительное и (не)таинственное, но это восприятие может стать для кого-то еще глубже, если мы узнаем о (по меньшей мере) трех объяснениях, которые лежат в основе данного явления. Каждое из них обладает как минимум одним из качеств, обозначенных в вопросе Edge: глубиной, изяществом или красотой.
Если вы (как и я) живете в умеренных северных широтах, вы наверняка знаете, что на ближайшем к вам горизонте, примерно между юго-востоком и северо-востоком, ежедневно поднимается солнце, причем точка пересечения им линии горизонта меняется в течение года: восход происходит все позже по мере того, как его точка смещается к северу и дни укорачиваются, а после зимнего солнцестояния процесс поворачивает вспять. За этим довольно сложным поведением таится простая истина: солнце точно соблюдает расписание, и мы можем на него положиться, рассчитывая, что каждое утро где-то в восточной стороне оно будет подниматься над горизонтом.
Подобно великим творениям искусства, великое научное объяснение не теряет своей способности внушать восторженный трепет всякий раз, когда мы к нему обращаемся. В частности, так обстоит дело и с объяснением, согласно которому суточные и годовые циклы восходов вызваны вращением чуть наклонной Земли вокруг Солнца, чье положение относительно некоторой оси можно считать фиксированным – благодаря закону сохранения, по-прежнему остающемуся для нас загадкой.
В отличие от двух других выбранных мною объяснений вышеприведенное десятилетиями наталкивалось на скептицизм со стороны ученых. Гелиоцентрическое представление о Солнечной системе, предложенное Коперником в середине XVI столетия, широко приняли только ближе к середине XVII века. Мне кажется, эта победа над твердолобым научным скептицизмом и религиозной враждебностью лишь добавляет ему привлекательности.
Еще одно объяснение тоже явно обладает изяществом. Оно показывает, почему цвет неба меняется по мере подъема солнца. Лорд Рэлей сменил Джеймса Клерка Максвелла на посту кавендишского профессора физики[75] в Кембридже. Среди его первых достижений – формулировка законов рассеяния света. Его первая попытка вывести эти законы основывалась на неверной предпосылке: он считал, что свет рассеивается в упругом эфире. Хотя существование такого эфира опровергли только годы спустя, он заново провел свои расчеты, используя электромагнитную теорию Максвелла, носящую в высшей степени объединительный характер (иными словами, соединявшую в себе объяснение целого ряда разнородных явлений). «Рэлеевское рассеяние» – результат применения этих теорий к тем случаям, когда электромагнитная волна встречает на своем пути электрически поляризованные частицы значительно меньшего размера по сравнению с длиной этой волны. Как обнаружил Рэлей, интенсивность такого рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. К 1899 году он показал, что сами молекулы воздуха являются мощными «рассеивателями».
Вот, в сжатом виде, суть объяснения того, почему небо голубое, а рассветы – алые. Голубой свет гораздо сильнее рассеивается молекулами воздуха, чем свет с большей длиной волны. Поэтому солнечный диск кажется красным, когда свет от него должен проходить длинный атмосферный путь во время восхода и заката. (Следует также учитывать солнечный спектр и особенности визуального восприятия, свойственные нашим глазам.) Розовые облака, которые иной раз добавляют очарования восходу, состоят из сравнительно крупных капель, и те рассеивают покрасневший солнечный свет более равномерно, чем это делают молекулы воздуха, так что в цветовом отношении мы видим то же, что эти капли получают.
Третье объяснение восхода – самое глубокое и в философском, и в космологическом смысле. Какие процессы, идущие в самом Солнце, позволяют ему давать свет и тепло, кажущиеся нам вечными? Понимание особенностей ядерных реакций, проходящих в центре Солнца, явилось лишь частью объяснения, которое (во многом благодаря опубликованной в 1957 году работе Фаулера и Хойла[76]) позволило нам понять не только то, как распространяется свет звезд, но и то, как возникают во Вселенной почти все природные элементы. Они рождаются благодаря цепным реакциям, идущим внутри стабильных и катастрофически нестабильных звезд – космических газовых шаров – на различных стадиях звездной эволюции, причем на них оказывают влияние все фундаментальные силы природы: гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия.
Читатели Edge знают: научное понимание усиливает, а не уменьшает красоту природы. И для меня все перечисленные объяснения вносят свой вклад в красоту восхода.
Кстати, как там насчет объяснения красоты? Нейрофизиологи ломают голову над изображениями, полученными методом ядерного магнитного резонанса. Недавнее сопоставление целого ряда таких данных заставило предположить, что все наши эстетические суждения, похоже, подразумевают использование нейронных цепей в правой передней островковой доле – области коры головного мозга, которую обычно связывают с ощущениями от внутренних органов. Возможно, наше чувство прекрасного – какой-то побочный продукт эволюционных механизмов, в нужный момент поддерживающих в нас чувство сплоченности с ближними, а иногда и чувство отвращения. Когда наши астрономы обнаружат множество экзопланет, мы можем столкнуться с доказательствами существования каких-то форм внеземной жизни задолго до того, как придем к глубокому, изящному или красивому пониманию человеческой эстетики.
Происхождение денег
Дилан Эванс
Основатель и генеральный директор Projection Point; автор книги Risk Intelligence: How to Live with Uncertainty («Оценка риска: как жить в условиях неуверенности»)
Рассказ Карла Менгера о происхождении денег – мое любимое научное объяснение. Оно весьма убедительно, ибо показывает, как деньги постепенно возникли из бартерных отношений, при том, что никто их сознательно не изобретал, так что это великолепный пример действия Невидимой Руки из учения Адама Смита. Современные ученые как раз и называют такой процесс «постепенным возникновением».
Карл Менгер (1840–1921) основал австрийскую школу экономической мысли, неортодоксальную, часто высмеивавшуюся многими экономистами традиционного толка, чьи мнения зачастую определяли магистральный путь в экономической науке. Однако в своих гипотезах происхождения денег эти экономисты обходят вопрос, на который дает ответ Менгер. В традиционном учебнике экономики обычно перечисляются проблемы, вызванные натуральным обменом, и затем объясняется, как деньги позволили справиться с этими проблемами. Но авторы толком не объясняют, каким образом, собственно, появились деньги: точно так же простое перечисление всевозможных преимуществ воздушных перелетов не объясняет, как изобрели самолет. В своей «Теории монетарных институтов» (