Однако ядро окружает вращающееся облако мелких заряженных частиц, называемых электронами. Если представить электроны и фотоны в виде бильярдных шаров, то они будут настолько смехотворно малы, что шансы на столкновение фотонов с электронами окажутся еще меньше, чем с ядром (две мухи в Лондоне могут случайно столкнуться с куда большей вероятностью). Казалось бы, в таком случае даже кирпич должен быть прозрачным. Но фотоны обладают электромагнитными свойствами, как и электроны, и при приближении к атомам их электрические поля вступают во взаимодействие.
При столкновении света с материей фотоны редко проходят через нее. Как правило, они притягиваются электронами – если и дальше пользоваться аналогией с лесом, то это как если бы наших беглых солдат поймали на опушке, – и электроны забирают их энергию. В случае с непрозрачными веществами большая часть этой энергии превращается в тепло – именно потому стены нагреваются на солнце. В случае с оконным стеклом, однако, большинство электронов лишь приходят в возбужденное состояние на короткий срок, после чего «отпускают» оставшуюся энергию в виде новых фотонов, как правило, с идентичной энергией.
Таким образом, когда солнце светит в окно, фотоны не проходят сквозь него. Они поглощаются атомами в стекле – и затем заново испускаются несколько раз, прежде чем оказаться на другой стороне с высокой, но не стопроцентной вероятностью. Но почему электроны большинства твердых тел поглощают фотоны, а стекло – нет? Все дело в энергетических уровнях. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на определенных уровнях, и если они поглотят фотон, то перейдут на более высокий уровень. Для непрозрачных твердых тел фотоны, по-видимому, обладают достаточным количеством энергии, чтобы электроны могли перейти на следующие уровни. Но стекло относится к особому типу тел, называемых аморфными. В таких телах расстояние между энергетическими уровнями гораздо больше, и фотоны видимого света не обладают достаточной энергией, чтобы позволить электронам переходить на другие уровни, поэтому большинство из них не поглощается. Стекло замедляет видимый свет, рассеивает, отражает или поглощает лишь его малую часть. А вот ультрафиолетовый свет несет достаточное количество энергии, и потому его фотоны поглощаются стеклом.
В целом вторичное излучение фотонов происходит так быстро, что передача света через стекло, хоть и замедляется до половины скорости света в вакууме, происходит практически моментально. Однако фантасты писали с присущей им мечтательностью о «медленном стекле»: окне, через которое свет проходит так неторопливо, что его можно упаковать, объездить с ним весь мир и спустя несколько месяцев любоваться неизменным видом. В 2013 году ученые из Франции и Китая поместили молекулы красителя в жидкокристаллическую матрицу, чтобы замедлить групповую скорость света до одной миллиардной его максимальной скорости (при добавлении атомов натрия, охлажденных до одной миллионной градуса выше абсолютного нуля, в состоянии, называемом конденсатом Бозе – Эйнштейна, свет может полностью остановиться). Также в 2013 году сотрудники Саутгемптонского университета сумели перегруппировать атомы кристаллов стекла, тем самым создав феноменальную «память стекла». Триста шесть терабайт информации может храниться в пластине размером с компакт-диск на протяжении нескольких столетий.
Впрочем, одним из наиболее экстраординарных свойств стекла является не прозрачность, а частичное отражение. Объяснение этого явления на квантовом уровне настолько запутанно, что я даже не буду пытаться его приводить.
Я решил прибегнуть к относительно сложному квантовому объяснению проходимости света через стекло, отвечая на вопрос «Как мы видим сквозь стекло?», но, разумеется, есть и другие пути. Например, я мог сосредоточиться на первой части вопроса – «как мы видим» – и рассмотреть способность человека фиксировать визуальные образы с позиций научного знания, рассказав не только о физическом восприятии образов органами зрения, но и о процессе обработки этих изображений мозгом. Надо было так и поступить, вышло бы гораздо проще…
Способен ли термостат думать?
(Экспериментальная психология, Оксфорд)
Если исходить из того, что мыслительные процессы требуют наличия мозга, то ответ однозначно «нет», поскольку термостат не обладает мозгом. Но что такое мышление? И можно ли думать, не имея мозга?
Мышление – это то, чем мы занимаемся круглосуточно. Наша жизнь полна мыслей: банальных, глубоких, забавных, грустных, умных и (чаще всего) не очень… Они постоянно ураганом несутся сквозь наши головы – даже когда мы намеренно пытаемся ни о чем не думать.
Иногда мы сознаем свои мысли. Иногда они просто существуют на задворках нашего разума, в то время как мы даже не подозреваем об их существовании. Попробуйте подумать о том, как вы думаете, – и вы внезапно ощутите, что ваша голова переполнена мыслями, что вы успеваете уловить лишь некоторые из них, в то время как остальные проносятся мимо. Таким образом, мышление связано с сознанием, но они – два разных понятия, и термостату не обязательно обладать сознанием для наличия способности думать (я вернусь к этой проблеме позже).
В прошлом, думая о мышлении, философы не связывали мысли с физическим миром. Оно осуществляется разумом, но оно не материально: «душа» или иное нефизическое явление использует тело в качестве проводника. Когда Декарт провозгласил мышление не подлежащим сомнению доказательством существования, заявив «Я мыслю, следовательно, я существую», он имел в виду не физический процесс: разум в его понимании был подобен аудитории, смотрящей на то, как физическая реальность разворачивается словно выступление на сцене. Разум не имел физического местонахождения. Мышление представлялось уникальной особенностью человека, тем основным качеством, что делает нас людьми.
Сейчас, однако, большинство экспериментальных психологов утверждают, что оно представляет собой абсолютно материальный процесс, за выполнение которого отвечает мозг. Разум и мозг – одно и то же. С философской точки зрения это, безусловно, отражает подъем научного знания, но можно привести и несколько доказательств. Во-первых, наши мысли тесно связаны с состоянием мозга. Пропустите пару лишних стаканов виски – и у вас все перемешается в голове. Во-вторых, мы эволюционировали из чисто физических организмов, поэтому маловероятно, что в ходе эволюции у нас внезапно образовался нематериальный разум.
Более того, современные МРТ-сканеры позволяют наблюдать за работой мозга и мыслительным процессом. Весной 2014 года несколько ученых Йельского университета проделали невероятную работу: они использовали сканеры для наблюдения за мозговой деятельностью шестерых человек и получили настолько подробные данные, что смогли реконструировать и распознать лица, которые видели испытуемые.
Таким образом, мышление – физическая деятельность мозга, и, хотя человеческий мозг вывел этот процесс на высокий уровень, даже самое маленькое существо с крошечным мозгом в какой-то степени способно мыслить. Не каждый ученый полностью согласится с таким упрощенным подходом, но, поскольку мы изучаем чисто физический механизм – термостат, мы будем придерживаться именно его.
Разумеется, мозг – не только соединения нервных клеток, которые служат лишь в качестве механизма для передачи сигналов. Само по себе это не мышление. Так, в физиологии существует понятие рефлекторной дуги. К примеру, когда вы немедленно отдергиваете руку, коснувшись чего-то горячего, нервный сигнал от руки идет в спинной мозг, а затем обратно к мышцам руки, чтобы как можно скорее ее отдернуть. Лишь затем боль осознаётся мозгом – и хорошо, потому что за то время, что ваш мозг потратил бы на обдумывание всей поступившей информации, прежде чем приказать руке отодвинуться от горячего предмета, вам едва ли удалось бы избежать серьезного ожога. Аналогичным образом срабатывает коленный рефлекс и иные машинальные действия.
В какой-то степени работа простого термостата похожа на рефлекторную дугу. Она происходит автоматически, без необходимости осмыслять раздражитель. Когда становится слишком жарко, термостат автоматически отключает отопление, поскольку датчики показывают повышение температуры. Подобным образом работают нервные клетки, а если мозг – просто совокупность нервных клеток, то существует ли какое-то фундаментальное различие между ним и термостатом? Разве мозг – не механизм, реагирующий на раздражение ответным действием, как и термостат? Компьютеры демонстрируют нам, насколько сложным процессом является принятие ответных действий при условии наличия достаточно умной системы обработки данных.
