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

Усиление наблюдаемых колебаний оказалось значительным. Но при анализе конкретных повреждений инженеры обнаружили, что количество этажей у большинства разрушенных или сильно поврежденных зданий находилось в диапазоне от пяти до двадцати. Более высокие или, наоборот, низкие здания (а таких в городе было немало) практически не пострадали. Инженеры пришли к выводу, что собственная частота землетрясения почти совпадала с собственной частотой зданий средней этажности. Подвергаясь воздействию длительных регулярных толчков землетрясения, практически совпадающих с собственной частотой таких зданий, они начинали вибрировать, подобно камертонам, и в конце концов не выдержали напора стихии.

В наши дни архитекторы очень серьезно относятся к вопросу «настройки» собственной частоты проектируемых зданий. В Тайбэе 101 – 509-метровом небоскребе на Тайване, который в период с 2004 по 2010 год был самым высоким зданием на планете, – самой большой популярностью среди туристов пользовались смотровые галереи на этажах с 87-го по 92-й. В этой части здания нет офисов и подвешен 660-тонный сферический маятник, выкрашенный «под золото» – очень замечательная и чрезвычайно практичная вещь. Этот необычный маятник не только привлекает туристов, но и повышает устойчивость здания к землетрясениям. Его техническое название – настраиваемый амортизирующий груз. Идея маятника заключается в том, что во время землетрясений (рядовое событие на Тайване) здание и маятник раскачиваются независимо друг от друга. Когда начинается землетрясение, здание клонится в одну сторону и тянет за собой сферический маятник. Но к тому времени, когда маятник сместится в том же направлении, здание уже клонится в другую сторону и тянет сферический маятник обратно. Таким образом, сферический маятник всегда тянет в сторону, противоположную стороне наклона здания, в результате чего амплитуда его раскачиваний уменьшается. Размах раскачиваний сферического маятника составляет 1,5 метра в том и другом направлении, а его использование позволяет сократить раскачивание здания примерно на 40 % [46]. Люди, находящиеся в здании, чувствовали бы себя намного комфортнее, если бы оно вообще не раскачивалось. Но землетрясения выводят здания из состояния равновесия и раскачивание неизбежно. Архитекторы не в состоянии его полностью предотвратить, но могут кое-что предпринять для его максимально возможного гашения. У обитателей здания нет иного выбора, кроме как усесться поудобнее, ухватиться за поручни своих кресел и ждать окончания землетрясения.

Физический мир всегда стремится к состоянию равновесия. Этот фундаментальный физический закон известен как Второй закон термодинамики. Но нигде не сказано о том, как быстро физический мир должен туда добраться. Каждое новое «впрыскивание» энергии отдаляет физический мир от состояния равновесия, прикрывает ворота и вынуждает процесс начинаться сначала. Само существование жизни возможно лишь потому, что она использует эту систему для регулирования энергии путем управления скоростью потока в направлении равновесия.

Растения – по-прежнему неизменные спутники моей жизни, хотя сейчас я и живу в большом городе. Из кухни я могу наблюдать, как яркий солнечный свет падает на рассаду салата-латука, землянику и травы, растущие у меня на балконе. Солнечный свет, попадающий на деревянную обшивку, поглощается деревом, которое нагревается, и это тепло в итоге постепенно рассеивается через воздух и стены здания. Равновесие достигается довольно быстро, и на этом пути ничего особенного не происходит. Но солнечный свет, попадающий на листья кориандра, оказывается на небольшой химической фабрике. Вместо того чтобы преобразовываться непосредственно в тепло, он направляется на обслуживание процесса фотосинтеза. Растение использует солнечный свет, чтобы вывести молекулы из состояния равновесия, и поэтому приберегает энергию солнечного света для своих потребностей. Управляя простейшим путем назад к равновесию, механизм растения применяет эту энергию поэтапно, для создания молекул, которые ведут себя как химические батареи, а затем использует их для преобразования двуокиси углерода и воды в сахар а . Это похоже на фантастически сложную систему каналов переноса энергии, содержащую множество ворот шлюзов, обходных маршрутов, водопадов и водяных колес, а поток энергии контролируется путем изменения скорости прохождения каждого участка. Вместо того чтобы продвигаться беспрепятственно вниз, энергию заставляют строить на этом пути сложные молекулы. Они не пребывают в равновесии, но растение может запасать их до тех пор, пока ему не понадобится их энергия, а потом направляет их туда, где они могут сделать следующий шаг в сторону равновесия, затем – следующий шаг и т. д. Пока солнечный свет попадает на листья кориандра, он поставляет энергию, поддерживающую эту фабрику в действии, постоянно выполняющей очередные шаги по направлению к равновесию каждый раз, когда впрыскивание энергии приводит в движение ворота шлюза. В конце концов, я съем кориандр, и это впрыснет энергию в мою систему. Я использую ее, чтобы вывести собственный организм из равновесия, и пока буду потреблять пищу, система не сможет за мной угнаться. Равновесие не будет достигнуто. Но я сама решаю, когда мне есть, а мой организм решает, когда использовать эту энергию, причем все это осуществляется путем управления воротами шлюза.

Размышляя над тем, что представляет собой жизнь на Земле, не перестаешь удивляться отсутствию единого определения того, что же это такое. Когда мы видим то или иное проявление жизни, мы это понимаем, но живой мир всегда готов предъявить нам какое-либо исключение из любого простого правила. Одно из определений гласит, что жизнь – это поддержание неравновесного состояния и использование этой ситуации для строительства сложных молекулярных фабрик, способных воспроизводить себя и развиваться. Жизнь – это то, что может управлять скоростью прохождения энергии по соответствующей системе, манипулируя этим потоком для самоподдержания. Ничто из пребывающего в равновесии не может быть живым. А это означает, что концепция неравновесности фундаментальна для двух величайших загадок нашего времени. Как зародилась жизнь? И есть ли она еще где-либо во Вселенной?

В настоящее время ученые полагают, что жизнь могла зародиться в морских расселинах 3,7 миллиарда лет тому назад. Внутри расселин находилась теплая щелочная вода. Снаружи океанская вода была более холодной и слабокислой. Когда они смешивались между собой на поверхности расселины, достигалось состояние равновесия. Складывается впечатление, что ранняя форма жизни, возможно, зародилась, остановившись на середине пути к равновесию и исполняя роль привратника. Поток в сторону равновесия был направлен на строительство первых биологических молекул. Эта первая застава могла впоследствии превратиться в клеточную мембрану – городскую стену вокруг каждой клетки, отделяющую ее внутреннюю часть, где протекает жизнь, от окружающего мира, где жизни нет. Первая клетка оказалась успешной, поскольку ей удалось сдержать равновесие и стать порталом в восхитительную сложность нашего живого мира. То же, наверное, справедливо и для других миров.