Теория Большого взрыва. Наука в сериале - Дэйв Зобель

Калтеховский профессор инженерной механики Кен Пикар при поддержке некоммерческой организации «Инженеры для обновляемого мира» создал ряд обучающих курсов, концентрирующихся на технологических решениях для развивающихся стран. Пикар считает, что эффективные решения скорее возникают из недорогостоящего винегрета уже существующих технологий, чем из новеньких сияющих изобретений. Например, его студенты соединили миниатюрную турбину и генератор, чтобы создать карманную зарядку для телефонов, которую можно вывесить из окна автобуса по дороге на работу под воздействием ветра. (В развивающихся странах мобильные телефоны доступны, но электричество очень дорогое.)

И это не просто умные идеи. Самые крутые гаджеты останутся ничем, если никогда не покинут чертежную доску. Поэтому Пикар заставляет своих студентов создавать бизнес-планы для описания производства, реализуемости, выхода на рынок и дохода на инвестиции. В качестве выпускного экзамена студентам нужно представить свой продукт комиссии из настоящих производителей, бизнесменов и венчурных инвесторов. В результате получается что-то вроде некоммерческого проекта Intelligent Mobility International, получившегося из метода, разработанного пикаровскими студентами, превратившими два горных велосипеда в инвалидную коляску-внедорожник. (Во многих развивающихся странах много недорогих и надежных велосипедов, а вот с медицинским оборудованием туговато.)

Так что, когда вы услышите, что кто-то жалуется, что в этом мире нет ничего нового, расскажите им об автобусах, увешанных жужжащими телефонными зарядками, и инвалидных креслах с крутыми шинами.

[НАУЧНАЯ ВСТАВКА]

От 0 до 60 за 2,74 секунды

Одним из многочисленных вкладов в науку Галилея было наблюдение за тем, как объекты ускоряются с постоянной интенсивностью в приближении к поверхности Земли. Если первоначально предмет оставался неподвижным, то первые 4 фута (1,2 метра) он пролетит за полсекунды (это вы сможете легко подтвердить, сбросив что-нибудь с этой высоты), следующие 12 футов (3,6 метра) – за следующие полсекунды, потом за то же время 20 футов (6 метров), 28 футов (8,5 метра) за следующие полсекунды и так далее. За одну секунду он упадет на 16 футов (4,8 метра), за две – на 64 (19,5), и с каждой новой секундой его вертикальная скорость увеличится на чуть более 20 миль в час (32 километра в час).

Он также заметил, что ускорение не зависит от массы предмета. При одинаковом сопротивлении воздуха два предмета, сброшенных одновременно с одинаковой высоты, упадут на землю одновременно, независимо от их веса. Более тяжелый предмет не падает быстрее легкого, хотя нам кажется, что именно так и должно быть. (Калтеховские студенты празднуют достижения Галилея каждый Хэллоуин, сбрасывая в полночь замороженные тыквы разных размеров с самого высокого здания на территории, которые падают и разбиваются на мелкие кусочки в унисон.)

Добавление горизонтального аспекта не меняет эффект. Если один из предметов брошен в сторону, а второй просто отпущен, они все равно достигают земли в то же самое время. За каждую секунду полета их вертикальная скорость увеличивается на ту же величину.

Добавление вертикального аспекта также не меняет эффект, только результат. Если бросить предмет вверх или вниз, его вертикальная скорость по-прежнему меняется каждую секунду в той же пропорции. Разница лишь в том, что предмету потребуется больше или меньше времени, чтобы достигнуть земли, в зависимости от того, был ли он подброшен в воздух или просто отпущен вниз.

В один из безрассудных моментов Леонард вскрывает двери лифта на своем этаже и бросает (только что опустошенную) бутылку из-под алкоголя в шахту. Он засекает время полета, завершенного звуком разбитого стекла 2,1 секунды спустя, делает быстрые подсчеты и удовлетворенно объявляет: «30 футов» (9,1 метра). Если разделить все это на приблизительную высоту этажей в данном здании (хотя внешность может быть обманчива – см. главу 17), получается, что бутылка разбилась где-то в районе второго этажа, возможно, о крышу лифта. Только он плохо посчитал в уме. В первые 2,1 секунды свободного падения предмет – любой предмет – преодолеет вертикальное расстояние не в 30, а 70 футов (21,3 метра). Не важно, обо что разбилась бутылка, но это явно было на уровне двух этажей ниже первого.

Шелдон проводит подобный эксперимент, но получает совсем другой результат, когда он выбрасывает свою доску из окна гостиной. Через какие-то 1,2 секунды она приземляется на дорогу, создавая проблемы для машин, что немного странно, поскольку окно выходит во двор. Этот полет максимум равняется расстоянию в 23 фута (7 метров), хотя, вероятнее всего, на деле было всего футов 10 (3 метра), принимая во внимание существенное сопротивление воздуху этой доски. Приблизительно такие же результаты получает и Пенни, когда она швыряет айпод из того же окна, который разбивается об асфальт где-то через полсекунды. За полсекунды гравитация может притянуть предмет к земле только на какие-то жалкие 4 фута (1,2 метра). Нисходящее движение ее броска, без сомнения, помогает ускорить полет айпода к его рандеву с тротуаром, но даже с учетом этой детали, первый этаж все равно оказывается где-то у середины третьего. (С другой стороны, это открытие уменьшает угрозу со стороны Шелдона, когда он говорит: «Если ты воспользуешься моей зубной щеткой, я выпрыгну из окна».)

Существует проверенный киношный способ, чтобы оценить высоту скалы или глубину ямы, – бросить камень и послушать, когда он достигнет дна. Но в случае с «Теорией Большого взрыва» я бы не стал делать ставки.

4

Я модельного организма сплошное воплощение

ШЕЛДОН: Я МОГУ ПОСОВЕТОВАТЬ ТЕБЕ ОДНУ КОМПАНИЮ ПО ПРОДАЖЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ В РЕСЕДЕ. НО ЕСЛИ ТЕБЕ НУЖНЫ ОБРАЗЦЫ, МАКСИМАЛЬНО ПОХОЖИЕ НА ЛЮДЕЙ, ТО Я БЫ ПРЕДЛОЖИЛ БЕЛЫХ МЫШЕЙ.

Бедная Пенни. Она же всего лишь учится смешивать коктейли и ищет пару человек, которые могут их попробовать. Шелдон, как обычно, все не так понимает и решает, что она ищет модельные организмы, среди которых наиболее популярными являются белые мыши и морские свинки.

Что же дает какому-нибудь виду честь стать модельным организмом? В основном он должен быть предметом многих исследований, заменяя один или несколько организмов. Курящие обезьяны Эми – это один из примеров (использованных вместо курящих людей), другой пример – мелкие грызуны Бернадетт, которых специально инфицировали плотоядными бактериями (использованные вместо любого существа со вкусной плотью [25]).

Модельный организм – один из организмов, широко используемых для опытов. Предполагается, что схожие организмы будут иметь подобные результаты, полученные при опытах.

Еще один из видов, широко используемый для опытов, это Danio rerio, данио (рыба-зебра). Это широко распространенный вид тропической рыбки около дюйма величиной, золотистого оттенка, с пятью темно-синими полосками вдоль тела с каждой стороны.

Зебра – это темное животное со светлыми полосами, рыба-зебра – это светлое существо с темными полосами. (Вообще-то без полосок рыба-зебра так же похожа на зебру, как и стрекоза на козу.) На самых ранних этапах развития, до появления этих самых полос, эти рыбки практически прозрачны – одно из преимуществ, делающих их отличными модельными организмами. Например, очень легко наблюдать биение их сердца.

Что примечательно, сердце малька данио похоже на сердце человеческого зародыша – такая же эластичная петля без клапанов. Как же эта петля без клапанов может качать? Мышца, обволакивающая сердце, периодически сжимает его. Удивительно, но сжатие происходит не вдоль петли, а поперек, эдакое простое ритмическое сокращение – сжатие / расслабление / сжатие / расслабление – обеспечивает продвижение крови в одном направлении.

Петля Льебо: смещенное сокращение менее плотной ее части вызывает поток жидкости

Это эффект Льебо в действии: если один из отделов петли наполнен жидкостью, сравнительно менее плотной, чем его соседние отделы, то его периодическое сжатие в любом месте, кроме центральной части этого отдела, заставит жидкость циркулировать. Это происходит из-за того, что хоть жидкость и направляется в обе более плотные соседние области, она встречает сопротивление ближайшей из них и направляет поток во вторую.

Данио – не единственный модельный организм, который не является млекопитающим. В числе других обывателей лабораторий есть Drosophila melanogaster (вездесущие плодовые мушки) и Caenorhabditis elegans (прозрачный микрочервь с мегаименем).

Эксперименты на живых существах (и особенно на милых живых существах, которых иногда называют обаятельной макрофауной) остаются незаменимой частью научного процесса. (Не зря Шелдон говорит: «В новом часто бывает что-то плохое, поэтому мы сначала и тестируем наши лекарства и косметику на кроликах» [26].) При этом некоторые люди приходят в негодование, считая этот процесс жестоким и несправедливым, и среди них есть и сторонники тестирования только на людях, и противники тестирования вовсе. Оба этих полярных подхода совершенно безответственны. Экспериментов на людях не избежать, но эти тесты всегда будут тщательно проверяться и ограничиваться.