Tag Archives: физика

Времени нет

Your Brain Is a Time Machine: The Neuroscience and Physics of Time

Как именно мозг координирует множество циклических процессов в организме и обеспечивает, чтобы все случалось вовремя? Как контролируются длинные циклы – суточные, сезонные? И – самое интересное – то, как мы воспринимаем время, наше неуловимое, но отчетливое ощущение течения – это следствие устройства мозга или оно действительно в реальном мире вот так устроено. А вдруг просто артефакт, такая же производная от органики, обусловленной эволюцией, как цветное зрение, когда на самом деле оно как-то вообще иначе? Об этом читайте в прекрасной книге Дина Буономано “Мозг как машина времени. Нейробиология и физика времени”.

Это правда очень хорошая, очень концентрированная, но при этом понятная книжка. Автор не ленится “на пальцах” объяснять механизмы, как оно все так срабатывает на уровне нейронов и нейромедиаторов, но общая рамка работы – философская.

Например, циркадный ритм: понятно, что любой организм ориентируется на внешние сигналы: световой день, смена сезонов, но как работают внутренние часы? Они тоже есть, потому что люди, проводившие месяцы в пещерах без часов и календарей, тоже устанавливали свой ритм сна и бодрствования (хотя и существенно сбиваясь. В 1993 году итальянский исследователь просидел в пещере год, хотя к концу эксперимента ему казалось, что прошло только пол года).

Упрощенный механизм примерно такой: в нейронах синтезируется определенный белок, который, при накоплении до нужной концентрации, отключает ген, отвечающий за его же синтез. Без подкачки в виде синтеза процесс распада этого белка приводит к падению концентрации, ген снова включается и начинает синтез – общий цикл занимает примерно 24 часа. Примерно тоже самое происходит в сливном бачке унитаза: вода наливается ровно до нужного уровня, поскольку система регулирует сама себя. Так и отсчитывается ритм. Группы нейронов могут за счет чуть более сложных механизмов выступать как осцилляторы с циклами покороче. Дико интересно, не буду пересказывать, чтобы не сморозить что-нибудь идиотское.

Известно явление, когда в минуту крайнего стресса и опасности события субъективно замедляются. Есть три основных гипотезы, которые объясняют этот эффект: “разгон процессора”, гиперпамять, метаиллюзия. Первый вариант не выдерживает критики – современные представления о работе мозга говорят, что сильно разогнать скорость, как частоту процессора, нельзя – предел вшит в скорость прохождения электрического сигнала по аксонам, времени прохождения электрохимического сигнала между нейронами и времени на то, чтобы изменить напряжение на мембране нейрона, чтобы открыть-закрыть ионный канал (временная константа нейрона). Последнюю величину, в принципе, можно менять на 10-20 %, например, кофеин так иногда работает (меньше 10% выигрыша). Но в разы скорость восприятия и реакции увеличить нельзя, это голая физика с химией.

Как обычно, автор считает верным третий вариант – то, что человек потом рассказывает, как грузовик летел медленно-медленно, это даже не иллюзия, а метаиллюзия – иллюзия об иллюзии, потому что наше нормальное субъективное восприятие времени имеет опосредованное отношение к реальности. Осознание запаздывает не только по отношению к событиям внешнего мира, но и к процессам принятия решений. Уже все научно-популярные издания обошли заметочки о том, что, если просить человека выбрать момент и пошевилить пальцем, то сначала пойдет сигнал по нервной системе, и только потом гражданин начнет шевелиться, до того “примет решение” об этом.

Восприятие времени еще сложнее, чем зрение или слух. Для него у человека нет особого органа чувств (и не может быть в силу физической природы времени). Вот это ощущение течения сходится из множества сложных процессов – восприятия изменений окружающей среды, частоты дыхания и прочей физиологии, ограничений на скорость работы нервной системы. Зачем оно нужно – примерно понятно: мозг представляет из себя “машину предвидения” – он анализирует происходящее, строит гипотезу о том, что будет дальше, принимает решение. Это нужно, чтобы прыгнуть и поймать добычу прямо сейчас (скорость, положение в пространстве, расчет траекторий), чтобы убежать от опасности. А вот для начала миграции или витья гнезда уже не обязательно, такое поведение включается более простыми триггерами, чем отсчет времени. И, понятно, что эволюционно оправдано “вытянуть” время в линейную последовательность событий. Отсюда же жестокое когнитивное искажение, которому подвержены все – когда путается “после того” и “вследствие того”.

Эта гипотеза хорошо стыкуется с рассуждением, которое я вычитала в другой совсем книге – This is your brain on music. Книжка замечательная, всем рекомендую. Так вот, там объясняется, почему приятно слушать музыку: на основании чувства ритма, уже услышанной части мелодии, памяти, музыкальной культуры и “наслушанности” мозг каждый момент времени формирует ожидание, что он услышат сейчас – когда прогноз сбывается, человек получает удовольствие, поскольку мозг всегда благодарит своего псевдо-хозяина за правильно выполненную эволюционную функцию маленьким укольчиком дофамина, если не сбывается, то человек удивляется – и это тоже приятно, потому что он тут же обогащает свою способность предугадывания, вот тебе тоже чуть-чуть нейромедиаторов. Поэтому музыкальное образование и слушательский опыт позволяют людям получать бездну удовольствия от больших сложных произведений, где что-то выверенное происходит сразу на многих уровнях и на нескольких масштабах. У меня от такого мозг взрывается, потому что я – топор в музыкальном смысле. С литературой похоже: хороший автор играет с читателем в игру в оправданные и обманутые ожидания. Чтобы хорошо получалось, должно обязательно быть вот это вот, про обоснованные догадки – через композицию, цитаты, намеки и предпосылки, обманутые ожидания должны жить в логике, а не просто внезапно вылетать в трубу.

Физика же времени – по современным представлениям – вообще не похожа на то, что мы переживаем каждый день. Здесь автор несколько теряет четкость повествования, потому что он нейрофизиолог, а не физик, и я тоже не берусь пересказать тезисы (обзор на книжку висит на мне несколько месяцев). Но это потрясающе. Надо еще что-то более глубокое почитать про физику времени, чтобы узнать, кто прав-то – этенралисты или презентисты. В любом случае, наш маленький мозг живет в иллюзорном, им же выдуманном времени, которого, на самом деле, нет.

Шредингер Шредингера

Эрвин Шредингер

Так загналась с работой, что несколько раз по выходным начинала писать отзыв на книжку, но по привычке делала клиентскую концепцию, однажды клиент ее принял, и теперь мне нужен кот. Шутка. Правда в том, что при интенсивной рабочей занятости мозга и читать, и писать отвлеченное трудно, но необходимо, потому что это то пространство произвольного действия, которое, как обещает Виктор Франкл, делает тебя свободным человеком в любых условиях.

Жизнь Эрвина Шредингера, кстати, полна произвольным действием. Вот чем хороша настоящая карьера ученого, так это возможностью иметь этого пространства столько, насколько хватит личного калибра – Шредингер себе сделал целый новый раздел физики плюс хороший кусок философии. Конкретно эта биография хороша тем, что в ней есть вставные главы, разъясняющие основные идеи квантовой механики, причем, очень понятно – стоит почитать, чтобы уловить суть и уже разобраться, в чем там дело с хрестоматийным котом.

Сама по себе фактология биографии Эрвина Шредингера не то что бы особенно увлекательна, если не считать его богатой и неортодоксальной любовной жизни, в которой есть место юным любовницам, внебрачным детям и устойчивым треугольникам. Но поскольку он проживал эту жизнь в дважды военной Европе, можно увидеть ту часть истории, которая для нас часто заслоняется нашими внутренними трагедиями. Самая тяжелая часть – это про неоднозначные отношения Шредингера с нацистами. Он вернулся с семьей в Австрию в 1936 году, чтобы стать профессором Грацкого университета, и это было гнездно самого чистопробного нацизма. Поскольку до этого Шредингер успел уйти из Берлинского университета и на какое-то время осесть в Англии, ему пришлось – ради возможности жизни на родине – присягнуть фашистам на верность и написать открытое письмо с признанием своих ошибок и радостным приветствием новому порядку. Письма оказалось недостаточным: на ключевые посты назначались не просто соглашатели, а пламенные нацисты, поэтому Шредингер все-таки потерял свой почетный пост в венском университете, а программу университета Граца постепенно смещали в сторону полезных предметов вроде взрывного дела. Шредингер почувствовал себя несколько менее уверенно, возможностью заполучить мировое светило воспользовались ирландцы, которые помогли физику, его законной жене, “второй жене” и их общей дочери боком-боком, через Италию перебраться в Дублин, где прожил много лет, пока не смог вернуться домой, в Австрию, где ученый и закончил свои дни.

Квантовая механика, которую 99% популяции вынуждены воспринимать в метафорах, часто кажется отдушиной, основанием для чудес: нам обещена квантовая телепортация, множественность миров и какая-то особая осмысленность мира, нуждающегося в наблюдателе. Об этом – о том, как замирает сердце, когда думаешь, что все не просто так, что тепловая казнь мира отменяется, есть хорошая книжка “Наша математическая вселенная”. Там как раз обещание квантового бессмертия и множественности миров, и всего такого.

Я долгое время думала, что трепет и полет воображения квантовой физики – артефакт непонимания широкой публикой сути вопроса, а для профессионалов это все просто уравнения. Но, возможно, все наоборот. Шредингер еще в голодную Венскую зиму 1918-1919, когда, если лошадь полицейского оцепления вокруг раздачи продовольствия падала, то через десять минут от нее оставался уже скелет и требуха, мясо срезала толпа, увлекся индийской философией с ее идеей множественности миров, замкнутости и вложенности бытия. Он всерьез писал работы “Существует ли “Я””, “Что есть реальность”, “Что есть жизнь”, “О предопределенности и свободе воли”.  В общем, обо всех тех вещах, которые волнуют ожившую звездную пыль, читающую популярные книжки о квантовой физики. И я думаю, что квантовая физика – с точки зрения академического подхода штука не веселее сопромата – заставляет дилетантов чувствовать прикосновение тайны, потому Шредингер сделал ее такой.

 

Мемуары Кощея Бессмертного

Стивен Хокинг

Прослушала автобиографию Хокинга My Brief History. Начинала читать книжку его первой супруги Travelling to Infinity: The True Story Behind The Theory of Everything, но эта прекрасная женщина написала слишком уж блеклую автобиографию на фоне великого мужа, я не осилила.  Для комплекта посмотрела оскароносный фильм The Theory of Everything, который, в свою очередь, симметричен оскароносному Still Alice и более отдаленным Играм разума. Фильм – памятник первой жене, впрочем, довольно симпатичный.

По автобиографии My Brief History почти нечего сказать. Выдержанная автобиография. С большим удовольствием услышала много ссылок Хокинга на советских и российских ученых и узнала, что он шесть раз летал в СССР для встреч с коллегами. В первую поездку его подбили распространять какую-то религиозную литературу, но дело замяли. Он вообще очень уважительно ссылается на всех, кто как-то помог или повлиял на его работу, красивый жест со стороны научной суперзвезды.

В завершении он рассказывает, что болезнь стала отчасти его благословением. До диагноза Хокинг был способным, но довольно ленивым студентом, в Оксфорде он, в среднем, уделял внимание занятиям час в день. Когда врачи сообщили, что жить осталось два года, парень собрался и стал тем, кем мы его знаем. Сам он не без юмора замечает, что многим обязан тому, что ему не приходилось нести обязательную для других профессоров нагрузку в виде преподавания у младшекурсников и участия в совещаниях.

Я надеюсь, что Хокинг протянул намного дольше отпущенных двух лет не только на силе воли. Мне нравится идея, что мы, люди, выполняем для Вселенной функцию наблюдателей, без которых многие квантовые процессы идут не так. Тогда Хокинг – лучший наблюдатель из возможных, и, скорее всего, будет жить вечно.

Тоже является частью Вселенной

Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality

Маленькое отступление: показательно, что книжек в жанре “Теория суперструн для идиотов” (это название реальной книги, которую я прослушала в аудиоверсии) намного больше, чем хороших популярных рассказов о “земной” физике – ньютоновской механике, оптике, нерелятивистской астрономии, термодинамике. Рычаги и приливные силы не менее интересны, чем суперструны, кроме того, знание о классической физике во всей ее контринтуитивности полезно в повседневной жизни.

Я думаю, что про черные дыры и квантовую механику пишут больше по двум причинам. Во-первых, это проще – там больше странных, наотмашь поразительных картин. Демон Максвелла беззащитен перед котом Шредингера. Увлекательно написать о маятниках и брусках – довольно сложное упражнение, и с читателям нелегко, читатели либо и так все помнят из школьного курса, либо еще в школе решили, что больше никогда не подойдут к этой гадости.

Вторая причина более благородна. Есть запрос на объяснение, как вообще устроен мир, что лежит в основе мироздания, с чего все началось и чем все закончилось. Есть ли еще возможность для чудес? Зачем нужны люди? Почему Вселенная устроена наилучшим образом для существования в ней нашей формы жизни? Есть ли смысл что-то делать, если через шесть миллиардов лет наша солнечная система будет уничтожена? Что значит “бесконечность”? Есть ли параллельные Вселенные? Можно ли путешествовать во времени? Никакой рассказ о силе Кориолиса или законе Ома на эти вопросы не отвечает. Поэтому авторы упрощенческих космологий без своего хлеба никогда не останутся.

Я довольно много разного такого прочитала, разной степени сложности, поэтому могу сказать, что “Наша математическая вселенная” – хороший, хотя и своеобразный представитель жанра.

Если вы не слишком интересуетесь вопросом, то лучше всего прочитать The Universe in a Nutshell, там все замечательно красиво расказано. Непонятно, что делать, если тема заинтересовала, и хочется более глубокого изложения. Вероятно, ответом будет The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory или более хадкорная The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality. Дальнешие шаги крайне затруднительны, поскольку для чтения статей нужна математика. Есть предел, после которого уже нельзя танцевать об архитектуре.

Кстати, вот еще одна проблема научпопа, никто не пишет книжки для тех, кто всерьез учился математике, но сейчас находится не в такой форме, чтобы изучать полноценные работы. А я бы почитала не “Теорию суперструн для идиотов”, а “Теорию суперструн для идиотов, которые променяли жар холодных числ на минутные искушения”. Потому что этот идиот – я.

Книжка Тегмарка интересна с двух позиций (какой дуалистичный пост). С одной стороны, он подробно пишет о вещах, которые обычно всколь проходятся в “бестселлерах о черных дырах” – например, он долго разбирает, что именно означает знаменитый мысленный эксперимент Шредингера, что получается при колапсе волновой функции, колапсирует ли она на самом деле, и что значит “наблюдатель” в этом случае. Такого подробного разбора принципа неопределенности я тоже не видела в массовой литературе. То есть, если у вас не было университетского курса квантовой механики, но вам очень интересно, что это за история с котом Шредингера и наблюдателем, берите Тегмарка, он об этом отлично рассказывает. Можно даже одну эту главу прочитать.

Вторая вещь, которая делает “Нашу математическую вселенную” интересной – это претензия автора на построение ultimate картины мира. Как и обещает обложка, речь идет о поиске самых основных оснований всего сущего. Это круто. Тегмарк предлагает гипотезу гиперплатонизма и математической вселенной: все математические конструкции имеют смысл, и наш мир – один из “удачных” математических объектов, который просто есть. При этом, сам объект не обязан быть суперсложным и требующим мегаресурсов на симуляцию. Математика вполне позволяет простыми методами задавать конструкции, крайне сложно и хаотически выглядищем в отдельных своих частях.

К сожалению, у многих физиков есть пагубное стремление к объяснению вещей, которые находятся за пределами их компетенции. В последних главах Тегмарк чувствует себя обязанным объяснить, как математическая вселенная может обеспечивать эффект самосознания, и тут его пожирают чудовища, восставшие из глубин такой наивной пелевенщины пополам с нью-эйджем, что становится неудобно за человека. Кому велено мурлыкать – сидите в своем ящике и ждите, сколапсируется вейлет или нет.

Но как хороша основная мысль. Математическая вселенная – это теперь моя нирвана.

Древние книги с обещанным знанием

Эврика

 

Летом в гостях у родителей нашла на полке три книжечки сборника новостей науки и техники “Эврика”, которые в детстве очень любила.

Грустное и странное впечатление. Книжки 78, 79 и 80 годов прошлого века обещают нам все тоже самое, что обещают новости науки сейчас, и даже больше. Очень скоро альтернативная энергетика заменит углеводороды, до управляемого термоядерного синтеза останется один шаг, тайны генома дадут нам лекарства от страшных болезней. Космические станции станут домом для тысяч ученых. И ничего-то из этого нет.

Чувствуешь себя персонажем из фэнтези, который добирается до смутных писаний великих магов древности и печалится, что все, это волшебство покинуло мир.

 

Занимательная физика на стероидах

What If?: Serious Scientific Answers to Absurd Hypothetical Questions

Чувствую себя примерно как выросшие поклонники мультсериала “Черепашки ниндзя”, которые любили милых рисованных персонажей, а потом увидели в 3D пугающе-реалистичных монстров из последней экранизации, у которых, в добавок, вместо гиковатой подружки Эйприл – Меган Фокс.

Вот и я в детстве перечитала сто раз двухтомник Перельмана, а на днях – книжку любимого многими автора комиксов xkcd, собранную из его серьезнейших (с привлечением экспертов и расчетов) ответов на странные вопросы, заданные пользователями.

Перельман занимательная физика

Это тоже Перельман, только ответы на большинство вопросов заканчиваются чем-то вроде “и все умрут”. Что будет, если супербейсболист так ударит по мячу, что его скорость приблизится скорости света? Много чего будет, но все участники этого интересного события погибнут в первые же доли секунды, а ужас и разрушение накроет примерно стокилометровую зону.

Что будет, если собрать идеальную коллекцию образцов элементов – всю таблицу Менделеева? Ответ: лучше не надо.

The fallout wouldn’t be normal, everyday radioactive fallout — it would be like a nuclear bomb that kept exploding. The debris would spread around the world, releasing thousands of times more radioactivity than the Chernobyl disaster. Entire regions would be devastated; the cleanup would stretch on for centuries.

Что будет, если из клеток человеческого тела внезапно исчезнут все молекулы ДНК? Странно, что я об этом никогда не задумывалась. Ответ: сценарий больше всего напоминает развитие серьезной лучевой болезни.

Вот еще хороший отрывок. Я даже переведу:

Кровь начнет покрывать собой поверхность нейтронной пули, создавая растущую темно-красную сферу, поверхность которой будет вибрировать с высокой частотой.

Осталось всего пять лет до момента, когда я смогу перечитать эту замечательную книжку вместе с Костей.

A ghost driving a meat coated skeleton made from stardust

Screenshot 2014-06-29 15.00.14

 

Просмотрела кусочками несколько серий нового научно-популярного шоу Cosmos, выпущенного вслед за древним циклом Карла Сагана. Блокбастер-ликбез, хорошо, что такое есть. Не думаю, что пойдет среди детей и подростков, слишком задумчиво (но на всякий случай оставлю для просмотра с Костей года через четыре) – для взрослых, замученных лженаукой и креационизмом замечательно. Правда, для взрослых, которые успели получить минимальный курс естественных наук – никак.

Зато таких взрослых порадует борьба с ползучим клерикализмом. Как хорошо, что в мире, где нельзя оскорблять чувства верующих жестокой правдой из школьного учебника физики, невежественных служителей культа изображают так:

Screenshot 2014-06-27 17.33.20

Кто скажет, что это кадр не из советского мультфильма об ученых-героях? В детстве я раз пять раз перечитала библиотечную книжку о Джордано Бруно:

Джордано Бруно

и именно так представляла себе его оппонентов. Отличная книжка! Помню, все начинается с романтической истории любви юного Джордано к еврейской девушке, которую фанатики убивают по дороге то ли на крещение, то ли на свадьбу. Замечательный исторический роман, после которого я твердо решила посвятить свою жизнь науке.

На три четверти “Космос” состоит из красивой, хотя и не слишком корректной компьютерной графики, на другие три четверти – из обаятельного автора программы. Он симпатичный, в принципе, можно только из-за него все посмотреть.

Я рада, что такое есть – не проблема, что все упрощено до предела, главное в серии – не точное знание, а восхищение поразительным устройством мира. Это старомодное, но такое важное ощущение себя частью невероятной конструкции. Курьезные белковые тела существуют ничтожный промежуток времени и скоро исчезнут, все, сделанное ими, исчезнет, но они успели понять звезды. Идея реликтового микроволнового излучения всегда поднимает мне настроение. Правда, у этого пути есть темная сторона – мысль о неизбежной тепловой смерти Вселенной наводит на меня невыносимую хандру.