Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки - Карл Саббаг

При обсуждении разнообразных научных вопросов — например, того, как устроена и действует Вселенная, — подчас не все понимают разницу между теорией и гипотезой, а некоторые и вовсе пренебрегают ею. Часто слышишь, как кто-то говорит: «Эволюция, движимая естественным отбором, — всего лишь теория», пытаясь тем самым выразить сомнение в обоснованности такого объяснения развития жизни на Земле. На самом деле это не «всего лишь теория» — это теория, не допускающая или почти не допускающая сомнений. Она не менее убедительна, чем теория о непрерывном ряде костяшек домино в тоннеле из второго примера. Как и в случае с этим примером, в наших знаниях об эволюционном пути от примитивных форм жизни к нынешнему многообразию форм жизни на Земле тоже есть некоторые пробелы; как и в случае с примером, мы знаем кое-что о той части цепочки костяшек, что находится слева, — благодаря изучению окаменелых останков. Мы также знаем многое о цепочке справа, поскольку можем наблюдать за естественным отбором в лабораторных условиях и даже воздействовать на него. Опять-таки, как и в случае с теорией о домино, любому сомневающемуся в данном объяснении придется предоставить достаточно убедительные контраргументы.

Если бы человечество считало, что «эволюция, движимая естественным отбором, — всего лишь гипотеза», оно должно было бы заготовить массу альтернативных объяснений, и, возможно, идея «разумного начала» — как раз одно из них (хотя я лично так не считаю, поскольку для гипотезы это объяснение содержит слишком мало характерных признаков научности). Но идея эволюции, основанной на естественном отборе, — прочнее, чем просто гипотеза, это теория. Единственная теория, объясняющая известные нам факты, и вместе с тем одно из величайших достижений науки за последние две сотни лет.

Когда крытые повозки мчатся по прерии, преследуемые улюлюкающими индейцами, иногда кажется, будто колеса этих повозок вращаются в обратном направлении — во всяком случае, если вы наблюдаете за этой сценой в кино. В реальной жизни такого никогда не происходит.

Эта иллюзия связана с тем, что движущаяся картинка состоит из серии неподвижных кадров, воспроизводимых со скоростью 24 единицы в секунду. Каждый кадр являет собой изображение, которое присутствует в вашей зрительной системе до тех пор, пока не сменится следующим кадром. Если камера «берёт» движение колеса со спицами — а именно такие колеса были у фургонов американских первопоселенцев, — последовательность кадров даст представление о вращении колеса за счет изменения расположения спиц. Есть три варианта оптических иллюзий, способных вмешаться в этот процесс. Хотя повозка и мчится, может показаться, будто колеса неподвижны; может показаться, что они крутятся в обратном направлении; и может показаться, что колеса крутятся в нужном направлении, но намного медленнее, чем вы ожидали. Объяснение первой иллюзии — неподвижные колеса у мчащейся повозки — поможет нам лучше понять остальные две.

Если для простоты объяснения взять колесо, где всего четыре спицы, то в первом кадре спицы могут выглядеть перекрестьем с осями, расположенными строго вертикально и горизонтально; будь спицы стрелками часов, они указывали бы на 12,3, 6 и 9 часов. Если между первым и вторым кадрами колесо совершит ровно четверть оборота, зрителю покажется, что спицы не сдвинулись, потому что та спица, что раньше показывала на 12, теперь показывает на 3 и все остальные спицы тоже сдвинулись на три часа вперед. То есть спицы выглядят точно так же, как и в предыдущем кадре, поэтому мы думаем, что они неподвижны. Если повозка сохраняет постоянную скорость, в следующем кадре спицы сдвинутся еще на четверть оборота, и нам снова будет казаться, что колесо не вращается. Допустим, съемка длилась несколько секунд и получилось сто и больше кадров, — все это время на экране нам будет казаться, будто повозка скользит по прерии на неподвижных колесах, — но это только при условии, что скорость не меняется.

Теперь предположим, что, вместо того чтобы поворачиваться от кадра к кадру ровно на четверть оборота, колесо делает чуть меньше, чем четверть оборота. Теперь спица, указывавшая на 12 часов, сдвигается, скажем, к 2 часам; с 3 часов спица сдвигается на 5, и так далее. Колесо, сдвинувшееся в новом кадре «на два часа вперед», на экране выглядит точно так же, как если бы оно сдвинулось «на час назад». В следующем кадре колесо, переместившееся еще «на два часа вперед», опять будет казаться откатившимся «на час назад». И так на протяжении нескольких следующих секунд: колеса будто бы медленно крутятся назад, а повозка при этом летит вперед.

И наконец, третья иллюзия: повозка мчится быстро, а колеса крутятся вперед, но медленно. Такое впечатление возникает потому, что спица с 12 часов передвигается вперед немного дальше, чем на 3 часа, и так с каждой спицей. В итоге от кадра к кадру заметно небольшое смещение всех спиц по часовой стрелке.

В 1872 году перебравшегося в Калифорнию эксцентричного английского фотографа Эдварда Майбриджа (урожденного Магериджа, 1830–1904) попросили рассудить спор: если лошадь мчится галопом, бывает ли в ее движении такой момент, когда все четыре ее ноги находятся в воздухе? Майбридж придумал целую систему из множества фотокамер, которая запускалась при помощи натянутой проволоки и давала последовательные снимки галопирующей лошади: на одном из них все ноги лошади действительно не касались земли. Однако система Майбриджа не просто разрешила спор. Запечатлев таким образом разных животных и людей в движении, фотограф создал несколько комплектов снимков, которые, будучи быстро показанными в нужной последовательности, складывались в нечто вроде одного из самых первых мультипликационных фильмов.

Но не самого первого. В конце 1970-х годов группа итальянских археологов, работавшая на юго-востоке Ирана, наткнулась среди останков городского поселения бронзового века, получившего название Шахри-Сухте (перс., буквально «сожженный город), на древнюю глиняную чашу. Этот город, который некогда населяли земледельцы, строители и ремесленники, пять тысяч лет назад пребывал в самом расцвете и, похоже, никак не был связан с другими древними цивилизациями тех краев, например с Месопотамией. Среди поразительных находок, сделанных в Шахри-Сухте за несколько сезонов раскопок, был череп со следами одной из первых в мире операций на мозге.

Обнаружив чашу, археологи обратили внимание на интересное украшение: по внешней стороне изделия шел орнамент, представляющий собой чередующиеся изображения козлов и деревьев. Поначалу никто не догадался, что это могут быть кадры анимации, похожие на снимки Майбриджа. И только когда иранский археолог Мансур Саджади решил скопировать каждый рисунок отдельно и прокрутить их последовательно, стало ясно, что рисунки были стадиями движения козла, встававшего на задние ноги, чтобы пощипать растущие на высоком дереве листья.

Разумеется, сейчас уже не установить, был ли узор специально рассчитан на просмотр в строгой последовательности. Но один иранский режиссер недавно снял об этой посудине с узором фильм, в котором изложена целая история прыгающего козла, и история эта действительно весьма похожа на мультик. Эффект создавался вполне убедительный, в связи с чем возникло несколько интересных вопросов. Настоящая мультипликация, то есть движущие картинки, зародилась в XIX веке с созданием оптических игрушек типа зоотропа, способных показывать рисунки в движении, а затем с изобретением кинематографа. И то и другое было невозможно без глубокого понимания принципов работы глаза и головного мозга. Зоотроп представляет собой вращающийся цилиндр с прорезями, сквозь которые зритель смотрит на полоску изображений — каждое слегка отличается от предыдущего, — нанесенную на внутреннюю поверхность цилиндра. Если вращать цилиндр и смотреть на картинки сверху, через край, то иллюзии движения не создается: полоска превращается в расплывчатое мельтешение. Но если смотреть на цилиндр сбоку, движущиеся прорези создают эффект отдельных кадров, перемежающихся краткими мгновениями черноты. Точно такой же эффект используется и в кинопроекторе, где каждый кадр демонстрируется в течение 1/25 секунды, затем на миг сменяется чернотой, после чего наступает очередь следующего кадра. С этим процессом связаны две загадки. Во-первых, почему при чередовании черноты и светлых кадров мы не видим никакого мелькания? И во-вторых, за счет чего последовательность неподвижных изображений так убедительно воссоздает эффект движения?

Отсутствие мелькания — это результат феномена, именуемого «слиянием мельканий». Когда даже очень быстро сменяющиеся изображения проецируются на сетчатку, информация об этих изображениях «распространяется дальше», от глаза к мозгу. Поэтому миг черноты, если он достаточно короток, «забивается» восприятием изображений.