Текст книги "Журнал "Вокруг Света" №8 за 2001 год"
Автор книги: Вокруг Света Журнал
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 6 страниц)
Планетарий: Живые и мертвые
Солнце, Луна, планеты и звезды известны людям с древнейших времен. Но осознать тот факт, что звезды более или менее похожи на Солнце, только значительно дальше отстоят от Земли, удалось лишь благодаря тысячелетнему развитию науки. Теперь мы знаем: звезды – это плазменные шары, находящиеся в состоянии устойчивого равновесия, излучение которых поддерживается внутренним источником энергии. Но источник этот не вечен, и постепенно истощается. Чем это чревато для звезд? Какие изменения ждут их?
Век даже самой короткоживущей звезды многократно превышает эру существования человечества. Поэтому проследить путь какой-либо звезды от ее рождения до смерти просто невозможно. Астрономы собирают сведения о космических объектах и их судьбах по крупицам – с помощью телескопов, установленных на Земле и вынесенных на дальние орбиты. И все же рассказывают о себе звезды скупо. Многие из них ведут себя спокойно, однако есть и такие, чья жизнь полна неожиданностей: они то разгораются, то меркнут, то увеличиваются, то уменьшаются, случается, что и взрываются – тогда их яркость буквально на глазах возрастает в десятки, сотни раз. Не так давно были открыты пульсары, излучающие энергию короткими вспышками...
Чем объяснить такое разнообразие светил? Не каприз ли это природы – обилие совершенно не похожих друг на друга космических объектов? Или все это разные их формы, соответствующие разным стадиям жизни звезд?
Рождение звезды, как правило, скрыто завесой из космической пыли, поглощающей свет. Только с появлением инфракрасной (ИК) фотометрии и радиоастрономии стали доступны изучению явления в газопылевых комплексах, имеющих, по всей вероятности, отношение к рождению звезд. Исследователи выделили области, где большинство составляют молодые формирующиеся объекты – протозвезды. Основную часть своей жизни они скрыты медленно оседающей на них пылевой оболочкой. Она «гасит» излучение ядра, нагревается до сотен градусов и в соответствии с этой температурой излучает сама. Именно это излучение и удается наблюдать в ИК-диапазоне, и это едва ли не единственный способ обнаружения протозвезд.
В 1967 году в Туманности Ориона была обнаружена инфракрасная звезда (с температурой излучения 700 градусов Кельвина), примерно в тысячу раз превосходящая Солнце по светимости и диаметру. Это открытие положило начало изучению целого класса протозвездных объектов.
В дальнейшем выяснилось, что в областях Млечного Пути (это наша Галактика), где рождение звезд представляется наиболее вероятным, существуют компактные источники, излучающие не только в инфракрасном, но и в радиодиапазоне. Это обнадеживало, ведь радиосигналы, в отличие от других частот, не искажаются поглощающими массами пыли. Информация, собранная радиотелескопами, позволила астрономам утверждать: Туманность Ориона, насыщенная объектами, совершенно невидимыми в оптическом диапазоне, представляет собой одну из «фабрик по производству звезд».
Предполагается, что сложный процесс формирования звезд может происходить в любом газопылевом облаке достаточно большого размера. Спусковым механизмом для начала формирования звезды может служить, например, ударная волна – своеобразное эхо далекого взрыва сверхновой. Такая волна нарушает зыбкое равновесие – облако разделяется на фрагменты, каждый из которых начинает сжиматься. Скорость сжатия газа зависит от плотности материи и наличия магнитного поля. Это —самый первый отрезок на пути образования звезд.
Должны пройти миллионы лет, прежде чем в недрах формирующегося объекта создадутся условия, необходимые для запуска первых ядерных реакций. Именно тогда и наступит «день рождения» звезды. Однако потребуются еще миллионы лет на то, чтобы она накопила энергию и высвободилась из окружающего ее пылевого кокона. Подтверждением описанного процесса образования светил из межзвездной среды служат обширные скопления – ассоциации массивных горячих звезд высокой светимости.
Для 90% звезд, так же как и для Солнца, источником энергии явлются термоядерные реакции, а именно превращение водорода в гелий. Солнце, которому уже 4,5 миллиарда лет, достаточно стабильно: размеры, масса и температура поверхности практически не меняются.
Астрономы, следящие за характеристиками нашего светила, приходят к выводу: энергии, производимой в недрах Солнца, хватит на то, чтобы еще очень долго поддерживать постоянное излучение. Но запасы водорода предельны, и когда они заканчиваются, в жизни звезд начинается другая фаза.
В звездах разной массы процесс старения будет идти по-разному. В тех, чья масса равна одной—двум солнечным, образуется гелиевое ядро. На его поверхности в тонком сферическом слое продолжается горение водорода, обеспечивающее светимость звезды. Внешние ее области начинают расширяться, и поверхностная температура уменьшается. По мере выгорания водорода гелиевое ядро сжимается, плотность его растет, температура повышается, но массы звезды недостаточно, чтобы обеспечить в ядре температуру, достаточную для горения. И в какой-то момент, хотя водород еще есть, его горение прекращается. Ядро теряет способность удерживать расширяющуюся оболочку, и постепенно начинается их разделение. Подтверждается ли этот теоретический сценарий наблюдениями? Да, первый его этап порождает красных гигантов – холодные массивные звезды с протяженными, разреженными оболочками и горячим плотным ядром. То есть область красных гигантов – это место старения звезд умеренной массы. Дальнейшая их судьба связана с другими объектами – планетарными туманностями.
Планетарная туманность представляет собой газовую оболочку, в центре которой располагается звезда с достаточно высокой температурой. Оболочка – это наружная часть атмосферы бывшего красного гиганта, а центральная звезда – его ядро, оставшееся после отделения атмосферы. Газ оболочки светится под воздействием ионизующего излучения звезды. В процессе эволюции оболочка расширяется со скоростью от 10 до 50 километров в секунду, звезда сжимается, а температура ее растет. Так, в конце концов в центре каждой планетарной туманности образуется белый карлик – компактная звезда с температурой порядка 100 000 градусов Кельвина.
По предсказаниям теоретиков, судьба более массивных звезд может оказаться весьма драматичной. Так, в звездах, превосходящих по массе Солнце в десять раз, превращение водорода в гелий происходит очень быстро, затем наступает следующий этап – гелий превращается в углерод, а атомы углерода образуют более тяжелые элементы. Реакции идут непрерывно, но постепенно сходят на нет, когда образуется железо. На этой стадии ядро звезды состоит из ионов железа.
Устойчивость звезды определяется равновесием между силами гравитации и давления нагретого газа, которое обеспечивается электронами. Но ядра железа могут захватывать электроны из окружающего газа, давление уменьшается и сила тяжести берет верх. Постепенно все вещество в центре звезды оказывается состоящим из нейтронов. При достижении критического значения наступает коллапс – необратимое, практически мгновенное сжатие. При этом выделяется огромное количество энергии, внешняя оболочка звезды взрывается, разлетаясь в пространстве и обнажая центральное ядро – нейтронную звезду. Происходит взрыв сверхновой. (Результатом такого взрыва, наблюдавшегося на Земле в 1054 году, стала так называемая Крабовидная туманность.)
В наше время существование нейтронных звезд и их связь со вспышками сверхновых не вызывают сомнений. А в 1932 году гипотеза советского физика Л.Д. Ландау об образования подобных космических объектов воспринималась как чисто теоретическая абстракция.
Говоря о смерти звезд, нельзя не упомянуть и о черных дырах. Теоретически представляется возможным, что к концу своего существования звезда имеет массу слишком большую, чтобы стать белым карликом или стабильной нейтронной звездой, а потому ее остатки коллапсируются в черную дыру – объект, обладающий мощным гравитационным полем и не дающий вырваться наружу никакому излучению.
Умирающие звезды превращаются в компактные объекты, выбрасывающие в пространство часть своей массы и обеспечивающие тем самым рождение следующих звездных поколений.
Людмила Князева, кандидат физико-математических наук
Досье: Империя чувств
Воздействие информации на наш организм происходит постоянно: несущий ее свет падает на сетчатку глаза, звуковые вибрации заставляют колебаться барабанную перепонку уха, молекулы, обладающие тем или иным запахом, распознаются обонятельными участками носа, на прикосновения моментально реагирует кожа... Способностью ощущать мы обязаны не только глазам, ушам, носу, языку или рецепторам кожи. Мы ничего не почувствуем, пока сигнал от какого-либо из перечисленных органов не достигнет определенного участка мозга.
Конечно, без носа, глаз и ушей наши способности восприятия не могут считаться полноценными, но отсутствие этих органов не будет играть никакой роли, если по какой-либо причине отключатся участки мозга, отвечающие за обработку сигналов. Повреждение, скажем, зрительного центра чревато полной слепотой и полной неспособностью различать как цвета, так и движущиеся объекты.
Вот эта зависимость, определяющая работу сенсорного аппарата человеческого организма, и является объектом пристального внимания ученых. В ходе многочисленных исследований в этой области было выявлено, что помочь специалистам разобраться в сложнейшем механизме сенсорного восприятия в числе прочего могут так называемые синестетики – люди с не совсем обычным чувственным восприятием, и животные, обладающие более развитыми способностями.
Разгадать принцип действия механизма обработки мозгом сенсорной информации – отнюдь не самоцель. Это необходимо для того, чтобы научиться имитировать чувственное восприятие как человека, так и животных для чисто практического приложения, а именно: использовав новые знания и возможности, помочь людям с ослабленным чувственным восприятием.
К тому же станут возможными создание новых роботов, обладающих способностью ощущать, и усовершенствование уже существующих разработок в этой области. Ведь таким машинам можно найти немало полезных применений.
Синестезия – редко встречающийся (один случай на 25 тысяч человек) феномен. У синестетиков взаимосвязаны два или даже более чувственных ощущения – источник одного выступает стимулятором и для другого или других. Синестетики ощущают звуки на вкус или обоняют визуальные объекты, видят музыку в цвете и различают на ощупь «мягкие» и «твердые» цифры. В процессе наблюдений было зафиксировано множество возможных комбинаций. Цвета, которые синестетики видят, когда им показывают цифры, или в некоторых случаях, когда слышат определенные звуки, устойчивы, но вовсе не одни и те же для всех.
Одно из объяснений таково. Проходя через мозг, чувственный стимул расщепляется на несколько потоков, которые параллельно обрабатываются несколькими участками. Взять, к примеру, зрительный центр, отвечающий за цвет, движение или контуры. Зрительный сигнал сначала попадает в зону немедленного восприятия, где собирается входящая информация, затем эта информация передается в участок коры мозга, который можно назвать «ассоциативной зоной». Там информация, в соответствии с нашим предыдущим опытом, приобретает свое значение. Ведь у каждого из нас возникает абсолютно уникальная картина мира, зависящая от генного набора и персональных особенностей мозга.
Взрослый человек обладает надежной системой нервных каналов, но под воздействием более частой нагрузки конкретные отделы мозга могут развиться особенно. Так, слуховой участок коры мозга у музыкантов на четверть «мощнее», чем, к примеру, у их слушателей.
Нейроны разных мозговых центров ведут себя одинаково. Но вот во что именно преобразуется поток электрических импульсов – в зрительные или же во вкусовые ощущения, – часто определяется тем, какие именно нейроны стимулируются.
Исследования показали: у синестетиков и несинестетиков в одинаковых условиях активизируются разные участки мозга. Первые, слушая речь, получают и визуальные впечатления – к слуховому центру подключается зрительный. Более того, обнаружено, что у синестетиков активизируется лимбический отдел коры – старейшая с эволюционной точки зрения зона мозга, связанная с эмоциями и памятью. Это наблюдение натолкнуло ученых на мысль, что синестезия унаследована нашими современниками от далеких предков.
Пока нет убедительного объяснения причин синестезии. Хотя ее частенько квалифицируют как «функциональное отклонение», бесспорно одно – она не тормозит развитие интеллекта. Некоторые ученые полагают, что смешение ощущений способно создавать гениев. Один из примеров тому – Людвиг ван Бетховен.
Зачастую высказывается мнение, что синестезия сопряжена с совершенным видением. Нечто подобное ей порой возникает и у «обычных» людей под воздействием некоторых лекарственных препаратов или наркотиков. Как бы то ни было, разгадка механизма множественности ощущений ведет к более полному пониманию «нормального» восприятия окружающего.
Много нового о том, как воспринимаются и запоминаются цвета, позволил узнать эксперимент, в котором участвовали люди, видящие цифры в сочетании с цветом. В ходе испытаний, проведенных в больнице Цюрихского университета, замерялась скорость реакции синестетиков на появление на дисплее компьютера различных цветоцифровых пар. Сначала подопытные использовали только левую руку, а затем только правую. Полученные данные сравнили с показателями «обычных» добровольцев, предварительно выучивших набор пар. Синестетики быстрее реагировали левой рукой на цвета, которые ассоциировались с небольшими числами, и правой – на цвета, связанные с цифрами большими. Ученые пришли к выводу: цвета имеют для синестетиков определенный размер; «нормальные» же люди хранят информацию о малых числах в левом полушарии мозга, а о больших – в правом, управляющем математическими способностями.
Теоретически робота можно наделить любыми чувствами. Исследователи из университета Огайо сделали электронный нос, который распознает по запаху разные сорта сыра. Такая машина не только послужит в пищевой промышленности, но и поможет разобраться в хитростях механизма обоняния. Ведь по сравнению с тактильными ощущениями, зрением и слухом, мы мало знаем о вкусе и обонянии. В наших носах миллионы рецепторов – протеины на поверхности клеток улавливают молекулы пахучих веществ. Мозг распознает запахи по комбинациям сигналов, поступающих от рецепторов.
Создатели электронного носа задались целью сымитировать реальную связь сенсора с нервной системой. Многие годы ушли на то, чтобы искусственный нос освоил спектр запахов, доступных его живому «прототипу». NOSE (Neotronics Olfactory Sensing Equipment), разработанный британской компанией Neotronic Technology, использует 12 полимерных сенсоров, воспроизводящих «отпечатки» запахов. Изменения в поведении сенсоров показывают различные компоненты запаха и воспроизводят их на компьютере в графической форме, сложность которой зависит от сложности запаха. NOSE может заменять человека при анализе запахов пищи, спиртных напитков, парфюмерии и табака.
И все же потрясающее изобретение лишь приоткрывает проблему, связанную с ощущениями электронных устройств. Робот не может самостоятельно оценивать качество запаха или вкуса, он лишь сравнивает полученные параметры с человеческими ощущениями.
Для роботов разработано уже множество разнообразных «органов чувств» – сенсоров. Некоторые способны фиксировать ощущения за гранью человеческого восприятия. Пример тому – глаз, составленный из большого количества фототранзисторов, сориентированных в разных направлениях, улавливающих световую информацию, и в виде электрических импульсов, передающих ее в искусственную нейронную сеть. Сейчас экспериментаторы пытаются научить робота ориентироваться в пространстве по световым сигналам.
Другие специализированные машины умеют определять присутствие воды и других жидкостей; «видят» тепло с помощью термовизуальных сканеров; улавливают разницу между твердым и мягким благодаря тактильным сенсорам. Таким роботам уготована служба в самых разных экстремальных условиях – от обработки токсичных веществ до применения в космосе.
Однако ученые сдерживают свои фантазии, ставя перед собой конкретные прикладные задачи. Пока никакие самые совершенные искусственные органы чувств, никакая система синтетических ощущений не могут тягаться с восприятием самых «простых» живых созданий.
Cпектр сенсорного восприятия у многих животных шире, чем у человека, поэтому братья наши меньшие могли бы многое поведать о недоступном нам мире. Ведь зрительный и слуховой аппараты человека воспринимают достаточно ограниченный диапазон световых и звуковых волн, а вкусовой и обонятельный – не способны распознавать на расстоянии химические вещества. Увы, для восприятия немалого числа сигналов, поступающих из окружающего мира, у нас просто-напросто нет рецепторов.
А вот многие представители животного мира приспособились воспринимать информацию о среде крайне оригинальными способами. Сенсорные способности животных столь же разнообразны, сколь и их виды.
Специалисты, занятые разработками в области биоакустики, не только подробнейшим образом изучили и систематизировали слуховые способности животных на земле, в воздухе и под водой, но и открыли много нового касательно зрительных, химических и магнетических способов их ориентации.
Человеку доступны звуки частотой от 20 до 20 000 герц. А вот некоторые животные способны улавливать как ультразвук, так и инфразвук. В брачный период горбатые киты «поют» свои песни неразличимым для человеческого уха «басом».
Длинные звуковые волны, преодолевая огромные расстояния, достигают адресата: самки чутко улавливают призывные вибрации. Из наземных млекопитающих инфразвук доступен слонам. Мощные низкочастотные сигналы – эдакий «молчаливый гром» – сочетаются у этих гигантов со зрением, обонянием, языком прикосновений. Все это помогает им вести сложный групповой образ жизни. Но вот как киты и слоны улавливают инфразвук на далеком расстоянии и как с его помощью ориентируются – пока неизвестно.
Дельфины тоже полагаются на cвой слух, но они способны улавливать только высокочастотные звуки. Объяснение простое: им нет нужды далеко путешествовать, добывая себе пропитание. Они довольствуются быстрой и юркой рыбой, которую гораздо проще «запеленговать» с помощью ультракоротковолнового природного «локатора».
Ставку на обоняние сделали рептилии. В сочетании с языком парный орган Якобсона способен, в частности, безошибочно улавливать и распознавать запах секрета, выделяемого сородичами. Высовывая язык, змея всего несколько секунд ловит им пахучие молекулы, находящиеся в воздухе или на субстрате. Потом убирает язык в отверстие Якобсонова органа и мгновенно получает полную информацию о химических соединениях. Точный «химанализ» веществ в мизерной концентрации позволяет им безошибочно находить добычу, источник воды, а в сезон размножения – пару.
Цветы привлекают пчел не только ароматом, улавливаемым обонятельными чувствительными клетками усиков, но и окраской. У пчелы пять глаз: 2 больших – с 6 900 шестиугольными фасетками (структурные единицы глаза), улавливающими лучи света под малым углом зрения, и 3 – однолинзовых – чувствительных к интенсивности света. Некоторые насекомые и птицы видят мир в ультрафиолетовом свете, в котором цветовые пигменты отражаются иначе, поэтому окружающий мир они видят более ярким, чем человек.
Похоже, глаз птицы наделен одной загадочной способностью – ощущает магнетизм, который и позволяет крылатым странникам не сбиваться с традиционных маршрутов своих дальних перелетов. Экспериментально подтверждено, что домашние голуби ориентируются по запаху и магнетическим ощущениям.
Клетки сетчатки птичьего глаза содержат особые компоненты, позволяющие чувствовать магнитное поле, но только при солнечном свете. Ученые уверены, что все животные в большей или меньшей степени наделены магнетическими ощущениями. Зафиксирована реакция на магнитные поля у пчел, черепах, радужной форели, домашних голубей и обычной мухи. Новозеландские исследователи, к примеру, выделили особые клетки, по свойствам напоминающие магнит. Такие клетки, ведущие себя наподобие стрелки компаса, расположены на морде радужной форели и в клюве некоторых птиц.
Интересно, что крошечные кусочки минерального магнита были найдены и в образцах человеческого мозга. Видимо, такие частицы могут действовать как встроенный компас, наделяя человека чувством направления.
Игорь Аникеев
