Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Глядя темной ночью на звездное небо, мы видим волны, прошедшие через нашу Солнечную систему, или нашу галактику, или нашу Вселенную и достигшие наших глаз. Тысячелетиями световые волны служили для нас единственной связью с космосом, единственным, что позволяло нам думать, что мир не сводится только к тому, что нас непосредственно окружает. Буквально пару десятков лет назад начались исследования тонких потоков материи, достигающих Земли: нейтрино и космических лучей. Затем настал черед гравитационных волн – третьего способа, который позволяет прикоснуться к остальной части Вселенной. В феврале 2016 года мы наконец получили окончательное подтверждение, что катастрофические события астрономического масштаба, подобно поглощению черных дыр, также посылают волны (нечто вроде «ряби» в самом пространстве космоса). Гравитационные волны проходили сквозь нас всегда, всю нашу жизнь – и мы наконец-то открыли их для себя. Свет и гравитационные волны, проносящиеся мимо Земли, несут в себе богатую информацию, которая позволяет составить более полное представление о Вселенной, нарисовать ее картину и добавить стрелку с надписью: «Мы здесь!»

Но в самый обычный день на Земле приходится думать о гораздо более простых и насущных вещах. Выйдя из дому и наблюдая за течением жизни, разворачивающимся у тебя перед глазами, поневоле начинаешь задумываться о том, что каждый из нас – лишь малая частица гигантской системы. Все мы, живущие на планете Земля, представляем собой лишь узкую полоску жизни, которая поддерживает функционирование системы в нынешней конфигурации. Когда впервые появился гомо сапиенс, у каждого человека было лишь две системы жизнеобеспечения: его тело и планета Земля. Но добавилась третья система.

Многие виды вносили какие-то изменения в эту планету. Но лишь человек на протяжении нескольких последних тысячелетий перестраивает окружающую среду совершенно осознанно, стараясь сделать ее более пригодной для существования. Сейчас наша планета напоминает единый организм, пронизанный разветвленной системой связей между его отдельными клетками – мыслящими личностями. Каждая из этих личностей находится в сильной зависимости от остальных людей – настолько сильной, что от этого зависит ее выживание. В то же время каждый из нас вносит собственный вклад в жизнь общества. Понимание законов физики – один из столпов, на которые опирается общество. Без этого у нас не было бы ни транспорта, ни возможности рационально использовать ресурсы, ни коммуникаций, ни способности принимать эффективные решения. Наука и технологии сделали возможным величайшее коллективное достижение человечества – нашу цивилизацию.

Цивилизация

Свеча и книга. Переносимая энергия и переносимая информация, получаемая по необходимости, но с потенциалом на столетия. Все это нити, сшивающие жизни отдельных людей и формирующие нечто гораздо большее: общество сотрудничающих между собой индивидуумов, которое всегда основывается на работе предшествующих поколений. Поток энергии через нашу цивилизацию не должен прекращаться никогда; свечу можно хранить практически вечно, но использовать всего раз. Знание можно накапливать, поэтому одна книга может побудить к действию многие умы. Свечи и книги были у человека две тысячи лет тому назад; есть они у нас и сейчас. Свечи и книги – достаточно простые технологии, но, несмотря на простоту, актуальны и поныне. Мы построили современный мир, запасая энергию и делясь информацией о том, как ее использовать.

Мы ассоциируем цивилизации с городами, но любая цивилизация уходит корнями в те времена, когда никаких городов еще не было. Любая цивилизация использует энергию, чтобы строить, проводить исследования, действуя методом проб и ошибок. В результате люди научились использовать растения, извлекать солнечную энергию, запасенную в них, и направлять ее на восполнение запаса жизненных сил. Люди возделывают почву, сеют в нее семена и поливают их, чтобы вырастить растения, необходимые для превращения световых волн в сахар. Люди научились строить собственную «зеленую дамбу», которая позволяет им использовать очень малую долю потока солнечной энергии и пожинать плоды этих усилий. Проникнув в земную атмосферу, эта ничтожная доля накормила людей и животных и помогла преобразовать мир, в котором мы живем.

Нам кажется, что мы живем в современном обществе, но это не совсем так. Мы пользуемся инфраструктурой, созданной предыдущими поколениями – иногда десятки лет назад, иногда сотни, а иногда и тысячи. Дороги, здания и каналы, построенные нашими предками, все еще продолжают служить людям как связующие нити отдаленных и зачастую разрозненных частей общества. Сотрудничество и торговля приносят огромные выгоды, и эти обширные и разветвленные сети связей между людьми наделяют каждого индивидуума гораздо большими возможностями, чем те, которые бы ему обеспечивали лишь его собственные физические и умственные силы.

Современный город можно уподобить лесу зданий, каждое из которых выполняет собственную функцию и обладает собственными архитектурными и конструктивными особенностями. Под этими зданиями пролегает обширная и разветвленная сеть толстых медных кабелей. Их многочисленные отростки пронизывают полы и стены зданий, в конечном счете обнаруживая себя в виде настенных электрических розеток. Как только вы вставляете в одну из таких розеток вилку какого-либо устройства, питающегося от электросети, электрический контур замыкается и по нему начинает циркулировать упорядоченный поток электронов, обеспечивая работу нужного вам устройства. Если бы вы могли видеть только эти кабели, но не сам город, то их сеть напоминала бы вам артерии современной жизни, которые питают нас энергией, поступающей с удаленных электростанций. Электросети такого рода охватывают каждую страну. Они могут быть автономными, обслуживая лишь отдельно взятую страну, или объединенными, рассчитанными на несколько стран, обеспечивая возможность перетока электроэнергии из энергосистемы одной страны в энергосистемы других стран.

Впрочем, энергосистемы – далеко не единственный вид сетей, удовлетворяющих разнообразные потребности жителей отдельных городов и целых стран. У Земли есть собственный водный цикл планетарного масштаба, связывающий в единую систему океаны, дожди, реки и водоносные горизонты почвы. Солнце поставляет на Землю энергию, обеспечивающую испарение и перемещение воды в земной атмосфере и выпадение осадков в тех или иных регионах планеты. Люди периодически вмешиваются в этот естественный водный цикл, отклоняя течение воды в нужном им направлении и прокачивая ее через человеческую цивилизацию, прежде чем возвратить Земле. Дождевая вода, собранная в резервуаре, до того как вернуться непосредственно в почву, реки или океаны, сначала используется человеком для собственных целей. С помощью насосов, питающихся от электричества, она закачивается в трубы диаметром около метра, проложенные под землей, и по их разветвленной системе подается в дома, к водопроводным кранам в наших квартирах. Использованная вода удаляется через канализацию. Она поступает по трубопроводам большого диаметра в очистную установку или непосредственно в реку. Водопроводный кран в доме – лишь маленький отросток разветвленной водопроводной системы, крошечное звено в гигантском контуре водоснабжения и водоотвода. При подаче воды в дома мы затрачиваем энергию для создания в водопроводной системе напора, обеспечивающего доставку воды на верхние этажи. Сток воды и ее возвращение в природу обеспечиваются за счет силы земного притяжения.