Расплетая радугу: наука, заблуждения и тяга к чудесам

Но наше неосознанное умение расплетать и сплетать еще более замечательно. Подумайте, что происходит, когда Вы слушаете целый оркестр. Представьте, что, накладываясь на сотню инструментов, ваш сосед на концерте шепчет Вам на ухо сведения из музыкальной критики, другие кашляют и, к сожалению, кто-то позади Вас шелестит шоколадной оберткой. Все эти звуки одновременно колеблют Вашу барабанную перепонку, и они суммированы в одну очень сложную извивающуюся волну изменения давления. Мы знаем, что это одна волна, потому что весь оркестр и все посторонние шумы могут быть представлены в виде одного волнистого углубления на диске фонографа или одной колеблющейся дорожки магнитного вещества на ленте. Весь набор колебаний суммируется в одну волнистую линию на графике давления воздуха относительно времени, как отмечается вашей барабанной перепонкой. Удивительно, мозг умеет отделять шелест от шепота, кашель от стука двери, инструменты оркестра друг от друга. Такое мастерство расплетения и сплетения снова, или анализа и синтеза, почти немыслимо, но все мы делаем это легко и без раздумий. Летучие мыши производят еще большее впечатление, анализируя перемежающиеся раскаты эха, чтобы создать в своих мозгах подробные и быстро изменяющие трехмерные изображения мира, через который они летят, включая насекомых, которых они ловят на лету, и даже отделяют свое собственное эхо от эха других летучих мышей.

Математический метод разложения колеблющейся волны на синусоиды, которые могут затем быть снова суммированы, с воссозданием первоначальной волнистой линии, называют анализом Фурье, в честь французского математика девятнадцатого века Джозефа Фурье. Он работает не только для звуковых волн (более того, сам Фурье разработал метод для совсем другой цели), но и для любого процесса, который изменяется периодически, и это не обязательно должны быть высокоскоростные волны как звук, или сверхвысокоскоростные волны как свет. Мы можем представить себе анализ Фурье как математический метод, который удобен для расплетения «радуг», где колебания, составляющие спектр, медленны по сравнению со световыми колебаниями.

Переходя к действительно очень медленным колебаниям, я недавно видел на дороге в Национальном Парке Крюгер в Южной Африке волнистую влажную линию, которая следовала в направлении дороги и очевидно очерчивала некоторый сложный повторяющийся рисунок. Мой хозяин и опытный гид сказал мне, что это был след мочи самца слона во время гона. Когда взрослый слон входит в это любопытное состояние (возможно, слоновий аналог австралийского «бродяги»), он пускает мочу более или менее непрерывно, очевидно, в целях запахового мечения. Колеблющийся из стороны в сторону след мочи на дороге был, по-видимому, произведен длинным пенисом, действующим как маятник (это была бы синусоида, если бы пенис был совершенным, ньютоновым маятником, которым он не является), взаимодействуя с более сложной периодичностью тяжелой четвероногой походки всего животного. Я взял фотографии со смутным намерением позже выполнить анализ Фурье. К сожаления, у меня на это не нашлось времени. Но теоретически это можно сделать. Рисунок сфотографированной линии мочи можно наложить на бумагу в клетку и перевести ее координаты в цифровую форму для закладки в компьютер. Компьютер может тогда выполнить современную версию вычислений Фурье и извлечь слагающие синусоиды. Есть более легкие (хотя не обязательно более надежные) способы измерить длину пениса слона, но это было бы забавно сделать, и сам барон Фурье, конечно, восхищался бы таким неожиданным использованием его математики. Нет причины, почему след мочи не мог бы фоссилизировать, подобно следам ног и отпечаткам червей, в этом случае мы могли бы в принципе использовать анализ Фурье, чтобы измерить длину пениса вымершего мастодонта или шерстистого мамонта, исходя из косвенного свидетельства следа его мочи в период гона.

Пенис слона раскачивается с намного меньшей частотой, чем звук (хотя в одном и том же диапазоне, что и звук, если сравнивать его с крайне высокими частотами света). Природа преподносит нам другие периодические колебания, опять же, намного более низкой частоты, с длинами волны, измеряемыми в годах или даже миллионах лет. Некоторые из них были подвергнуты аналогу анализа Фурье, включая циклы популяций животных. С 1736 года компания Hudson's Bay вела учет шкур, доставленных канадскими охотниками за мехом. Выдающийся оксфордский эколог Чарльз Элтон (1900–1991), нанятый компанией в качестве консультанта, понял, что эти отчеты могли обеспечить данные о переменных популяциях зайцев беляков, рысей и других млекопитающих, преследуемых пушным промыслом. Их число возрастает и падает в сложных комбинациях ритмов, которые подверглись обширному анализу. Среди длин волн, которые были выделены благодаря этим анализам, заметна длина волны приблизительно четырехлетней периодичности, и другая, приблизительно 11-летняя. Одна гипотеза, которая была предложена для объяснения четырехлетних ритмов, представляет собой взаимодействие с задержкой по времени между хищниками и добычей (изобилие добычи питает полчища хищников, которые затем почти истребляют добычу; это, в свою очередь, лишает хищников пищи, затем последовательное снижение популяции хищников делает возможным новый бум в популяции добычи, и так далее). Что касается более длинного, 11-летнего ритма, возможно, самое интригующее предположение связывает его с действием солнечных пятен, которые, как известно, изменяются приблизительно в 11-летнем цикле. То, как солнечные пятна влияют на популяции животных, открыто для обсуждения. Возможно они изменяют погоду Земли, которая влияет на обилие растительной пищи.

Везде, где Вы обнаруживаете периодические циклы с очень продолжительными длинами волны, они, вероятно, будут иметь астрономическое происхождение. Они происходят от факта, что астрономические объекты часто вращаются на своей собственной оси, или следуют повторяющимися орбитами вокруг других астрономических объектов. Двадцатичетырехчасовые ритмы активности проникают почти во все мелкие детали живых тел на этой планете. Конечная причина — вращение земли вокруг своей оси, но животные многих видов, включая человека, будучи изолированными от прямого контакта с днем и ночью, продолжают цикл с ритмом около 24 часов, показывая, что они усвоили ритм, и могут свободно соблюдать его даже в отсутствие внешнего стимулятора. Лунный 28 дневный цикл — другая значительная выраженная компонента в комбинации волн в функциях тела многих существ, особенно морских. Луна оказывает свое циклическое влияние через последовательность высоких и низких приливов. Орбитальный цикл Земли, немного более 365 дней, вносит свои, более медленные колебания в сумму Фурье, проявляясь через периоды размножения, сезоны миграций, схемы линьки и выращивания зимней шерсти.

Возможно, волна наибольшей длины, прослеженная благодаря расплетению биологических ритмов — предполагаемый 26-миллионолетний цикл массовых вымираний. Согласно оценкам экспертов по окаменелостям, более чем 99 процентов когда-либо живших видов вымерли. К счастью, частота вымираний на протяжении длительного времени примерно уравновешивается частотой, с которой новые виды формируются за счет разветвления существующих. Но это не означает, что они остаются постоянными в течение более коротких периодов. Ничего подобного. Частота вымираний колеблется повсеместно, также как и частота, с которой появляются новые виды. Есть плохие времена, когда виды вымирают, и хорошие времена, когда они расцветают. Вероятно, наиболее тяжелые времена, самого разрушительного Армагеддона, выдались в конце Пермской эры, четверть миллиарда лет назад. Приблизительно 90 процентов всех видов вымерли в то ужасное время, включая многих сухопутных рептилий, подобных млекопитающим. Фауна Земли, в конечном счете, восполнила потерянное на этой опустошенной сцене, но совсем другим составом участников: на суше динозавры примерили гардероб костюмов, оставленных погибшими подобными млекопитающим рептилиями. Следующее наибольшее массовое вымирание — и самое знаменитое — известное Меловое вымирание 65 миллионов лет назад, в котором все динозавры, и многие другие виды с ними, и на суше, и в море, были уничтожены, мгновенно, насколько об этом может рассказать ископаемая летопись. В случае Мелового вымирания, возможно, исчезли 50 процентов всех видов, не столько, сколько в Пермском, но все же это было страшной глобальной трагедией. Снова опустошенная фауна нашей планеты восстановилась, и здесь мы, млекопитающие, произошли из нескольких удачливых форм, сохранившихся от некогда богатой фауны рептилий, подобных млекопитающим. Теперь мы, вместе с птицами, заполняем промежутки, оставленные погибшими динозаврами. По-видимому, до следующего большого вымирания.

Было много эпизодов массовых вымираний, не столь губительных как Пермские и Меловые события, но все же заметных в летописях пород. Статистические палеонтологи собрали данные о численностях ископаемых видов по возрастам и ввели их в компьютеры, чтобы выполнить анализ Фурье и извлечь такие ритмы, какие они смогут выявить, как будто прислушиваясь к порханию нелепо глубоких нот органа. Доминирующей ритм, который, как заявляется, выявлен (хотя это и спорно) имеет периодичность около 26 миллионов лет. Что могло вызвать ритмы вымирания с такой страшно длинной длиной волны? Вероятно, только астрономический цикл.

Накапливаются данные, что Меловая катастрофа была вызвана прямым попаданием в нашу планету большого астероида или кометы размером с гору, движущейся со скоростью в десятки тысяч миль в час, вероятно, где-нибудь поблизости того, что мы теперь называем полуостровом Юкатан в Мексиканском заливе. Астероиды носятся вокруг Солнца в поясе, находящемся внутри орбиты Юпитера. сть множество астероидов за ее пределами — маленькие попадают в нас все время — и некоторые из них достаточно большие, чтобы вызвать катастрофические вымирания, если попадут в нас. Кометы имеют большие, эксцентрические орбиты вокруг Солнца, главным образом далеко за пределами того, что мы традиционно представляем себе как солнечную систему, но иногда появляясь внутри, как комета Галлея каждые 76 лет и комета Хейла-Боппа приблизительно каждые 4 000 лет. Возможно, Пермское событие было вызвано попаданием еще большей кометы, чем Меловое. Возможно, предполагаемый 26-миллионолетний цикл массовых вымираний вызван периодическим повышением частоты попаданий комет. Но почему кометы должны с большей вероятностью поражать нас каждые 26 миллионов лет? Здесь мы пускаемся в глубокие предположения. Высказывалось предположение, что Солнце имеет сестринскую звезду, и обе вращаются друг вокруг друга с периодичностью приблизительно 26 миллионов лет. Этот гипотетический партнер, которого никогда не видели, но которому, однако, дали драматическое имя Немезида, [якобы] проходит, один раз за орбитальное вращение, через так называемое Облако Оорта — пояс, возможно, триллиона комет, который движется вокруг Солнца за пределами планет. Если Немезида прошла близко от Облака Оорта или через него, вероятно, что это нарушило бы ход комет и могло бы увеличить вероятность поразить Землю одной из них. Если бы это все случилось — а цепь рассуждений по общему признанию непрочна — это могло бы объяснить 26-миллионолетнюю периодичность массовых вымираний, которую, как некоторые думают, демонстрирует ископаемая летопись. Приятная мысль — что математическое расплетение зашумленного спектра вымираний животных могло быть единственным имеющимся у нас средством обнаружения иначе неизвестной звезды.

Начиная с крайне высоких частот света и других электромагнитных волн, мы прошли, через промежуточные частоты звука и качающегося пениса слона, к крайне низким частотам и предполагаемой 26-миллионолетней длине волны массовых вымираний. Давайте вернемся к звуку, а именно к искусству, венчающему человеческий мозг, сплетению и расплетению звуков речи. Голосовые «связки» на самом деле представляет собой пару мембран, вибрирующих вместе, в процессе дыхания, как пара язычков деревянной свирели. Согласные издаются как более или менее взрывные прерывания потока воздуха, вызванные закрыванием и смыканием губ, зубов, языка и задней поверхности горла. Гласные отличаются в той же мере, как трубы отличаются от гобоев. Мы издаем различные гласные звуки, пожалуй как трубач перемещает сурдинку внутрь и наружу, чтобы сместить преобладающие синусоиды, составляющие сложный звук. Различные гласные имеют различные комбинации гармоник основной частоты. Сама основная частота, конечно, ниже для мужчин, чем для женщин и детей, и все же мужские гласные звучат схоже с соответствующими женскими гласными из-за картины гармоник. Каждый гласный звук имеет свою собственную характерную картину полос частот, снова же как штрихкоды. В исследовании речи полосы штрихкода называют «формантами».

Любой язык, или диалект языка, имеет определенный перечень гласных звуков, и каждый из этих гласных звуков имеет свой собственный штрихкод форманты. Другие языки, и различные говоры в языках, имеют другие гласные звуки, которые произносят, держа рот и язык в промежуточных положениях, снова же как трубач располагает сурдинку в раструбе инструмента. Теоретически существует непрерывный спектр гласных звуков. Любой язык использует подходящий набор, прерывистый репертуар, выбранный из непрерывного спектра доступных гласных. Различные языки выбирают различные точки вдоль спектра.

Гласная во французском tu и немецком uber, которая не встречается в английском языке (моей версии) — приблизительно промежуточная между oo и ee. Не имеет большого значения, какие ориентиры вдоль спектра доступных гласных выбраны языком, коль скоро они разнесены достаточно далеко, чтобы избежать двусмысленности в этом языке.

С согласными сложнее, но есть схожий диапазон согласных штрихкодов, и есть современные языки, использующие ограниченное подмножество от имеющихся согласных. Некоторые языки используют звуки, далекие от спектра большинства языков, например щелчки некоторых южноафриканских языков. Как и с гласными, различные языки разделяют доступный репертуар по-разному. В некоторых языках индийского субконтинента есть зубной звук, промежуточный между английскими «d» и «t». Французское твердое «c», как в comme — промежуточное между английским твердым «c» и твердым «g» (а «o» промежуточное между английскими гласными в cod и cud). Язык, губы и голос могут быть смодулированы, чтобы издавать почти бесконечное разнообразие согласных и гласных. Когда штрихкоды структурированы во времени, формируя фонемы, слоги, слова и предложения, то диапазон идей, которые могут быть переданы, неограничен.