Чувство времени: от Земли до космоса, от суслика до слона

Константин Ранкс Подписаться
Время является одной из самых величайших загадок Вселенной. Однако, не зная до конца его природы, мы умеем его измерять - и с каждым десятилетием все лучше и лучше. У нас есть отличные атомные часы, которые позволяют измерять время с точностью до десяти в минус шестнадцатой степени, то есть их погрешность - всего лишь одна секунда в несколько сотен миллионов лет. На подходе новые аппараты, которые позволят увеличить точность измерения времени еще в сто раз.
Но нужна не только высокая точность часов, но и их точнейшая синхронизация, они должны "идти в такт". И вот на днях пришло сообщение, что группа немецких исследователей из Института квантовой оптики Общества Макса Планка и Государственного физико-технического института добилась новых высот в пользовании временем - они смогли достичь высочайшей точности в синхронизации двух атомных часов, выходящей за пределы человеческого понимания - десять в минус девятнадцатой степени. Однако это не просто игры ученых - нам надо уметь синхронизировать время для того, чтобы могли работать, к примеру, наши навигационные системы.
Что GPS, что ГЛОНАСС, что другие системы - все это, по сути, взаимосвязанные часы. Мы определяем свое местонахождение путем измерения расстояния между нами и несколькими спутниками. Спутники посылают радиосигналы. Примем для простоты, что скорость радиоволн составляет 300 тысяч километров в секунду. Значит, за одну тысячную секунды он пролетит 300 километров, за одну миллионную - 300 метров. А за одну миллиардную - 0,3 метра. Легко понять, что погрешность измерения времени в одну стомиллионную секунды дает три метра погрешности. А ведь погрешности накапливаются, и, значит, если не синхронизировать часы, наши измерения могут оказаться весьма неточными. Часто цена таких ошибок - жизнь.
Гибель эскадры
Первыми столкнулись с проблемой точного времени моряки, которые стали отрываться от береговых ориентиров и уходить в дальние плавания. Компас давал направление, но вставала другая задача - определения собственного местонахождения. Компасом и примитивными песочными часами исчерпывались навигационные приборы мореходов до XII века, пока в Европу с Востока не пришла астролябия.
Однако арабская астролябия была слишком уж сложным прибором, крайне непростым в изготовлении и недоступным большинству мореходов. Тем более что его возможности были явно избыточными. Поэтому в начале XV века (Колумб отправится в свои плавания только в его конце) португальцы изобрели упрощенный вариант астролябии, по сути - угломер, для определения высоты солнца над горизонтом. Как известно, солнце в разное время года в полдень поднимается до строго определенной высоты. Например, на экваторе в дни весеннего и осеннего равноденствия высота солнца над горизонтом составляет 90 градусов, то есть прямой угол. На полюсах в этот день наблюдатели увидят только край солнца - его угол будет равен 0 градусов. В Москве, которая находится на 55-й параллели, высота солнца над горизонтом будет 90 - 55 = 35 градусов.
Морская астролябия позволяла определить широту местонахождения в ясную погоду
Следовательно, имея календарь, те же самые песочные часы и ясную погоду, навигатор мог определить по специальным таблицам свою широту. А вот с долготой было сложнее - ведь это не что иное, как отставание астрономического времени в данной точке (например, восхода солнца) от восхода солнца на эталонном, нулевом меридиане. Для этого точности песочных часов не хватало, так как ошибка лишь в одну (!) минуту при плавании в Карибское море составляла свыше 25 километров.
В 1569 году фламандский картограф Герхард Меркатор выпустил карту мира на 18 листах, которая была выполнена в равноугольной проекции. Все видели эти карты, в которых Гренландия кажется больше Африки и Южной Америки. Но у этих карт было одно достоинство - по ним было легко пролагать курс. Точнее, если держать все время один курс, то на этой карте он будет выглядеть прямой линией. И мореходы стали передвигаться по морям, подобно шахматным фигурам, - они предпочитали двигаться по широте, пересекая океан, а затем, огибая сушу, уже смещаться на север или на юг.
Все понимали, что морской хронометр очень нужен (кстати, лагов, отмеряющих пройденное расстояние, у моряков тоже не было, пользовались щепками, проплывавшими мимо борта). Но все как-то было недосуг. Пока 22 октября 1707 года британская эскадра под командованием адмирала Клодисли Шоувела в составе 21 корабля не напоролась на скалы островов Силли.
Эскадра адмирала Шоувела гибнет на скалах островов Силли. Его навигаторы ошиблись в определении собственной долготы на десятки километров из-за неточного измерения времени
Флагман Association, за ним Eagle и Rumney, а позже еще два судна были разбиты в щепки, погибло около 1600 человек, в том числе сам адмирал. Причиной была неточность определения долготы: адмирал полагал, что они значительно западнее островов Силли. Эта катастрофа взбудоражила Британию, и были выделены деньги на создание судового хронометра. Его создал Джон Харрисон в 1764 году: его часы во время тестового плавания давали погрешность всего 15 секунд за 5 месяцев, это 1 секунда за 10 суток, или 0,1 сек в сутки. И сейчас, несмотря на всю электронику, хронометры в специальных ящиках продолжают нести свою вахту - потому что без отсчета времени невозможно ориентироваться в пространстве. И это относится не только к кораблям и самолетам.
Хронометры внутри нас
Чувство времени и измерение времени - это разные вещи. На заре человечества в измерении времени не было нужды: человек реагировал на все по ситуации. Но с появлением хлебопашества потребовалось измерять время, так как человек столкнулся с процессами, которые напрямую друг за другом не следовали. Земледелец вносил зерна в один день, когда все расцветало, а собирал урожай через энное количество дней, которые надо было сосчитать, чтобы спланировать дальнейшие действия. Так появился календарь. А вот охотник по- прежнему охотился по старинке - видел оленя, кидал в него копье и... либо ел, либо шел искать другую добычу.
Все эти действия - метания копья, ожидание урожая - требуют осознания течения времени. Но есть еще и бессознательное его ощущение, без которого наш охотник не мог бы вовремя кинуть свое копье, так как без чувства времени невозможно рассчитать эффективность такого броска. Долгое время было непонятно, как мы запоминаем прошедшую последовательность событий и как рассчитываем время, необходимое для прыжка, разбега, удара, - то есть действий, которые в чисто физическом смысле учитывают фактор времени (в формулах, описывающих любое движение, присутствует параметр времени, t).
Самым логичным было считать, что в процессе обработки внешней информации мозг ставит своеобразные метки времени, но доказать эту гипотезу никак не удавалось. Успех сопутствовал команде исследователей Массачусетского технологического института во главе с профессором Энн Грейбил, которая обнаружила в мозгу приматов группы нейронов, кодирующих время с высокой степенью точности. Эти группы нейронов расположены в отделах головного мозга, ответственных за обучение, движение и контроль процесса мышления.
Для того чтобы совершить последовательность движений, которая приведет к строго определенному результату, мозг должен очень точно отсчитывать временные интервалы
Опыты над макаками показали, что при обучении животных простейшей операции - нажимать кнопку в ответ на сигнал - после того, как мозг давал сигнал на выполнение действия, нейроны начинали генерировать метки в определенное время - 100, 110, 150 миллисекунд и т. д. Как отметил профессор нейробиологии Петер Штрик из Университета Питтсбурга, человек имеет рецепторы света, звука, осязания, обоняния, тепла или холода, но у нас нет рецепторов времени. Это чувство всецело создается мозгом. Теперь становится понятно, что, не будь у нас своего хронометра в мозгу, мы бы не могли ни метать копье, ни водить машину, ни играть на музыкальных инструментах - мозг не мог бы заставлять мышцы действовать в заданном временном ритме.
Эти открытия позволяют также объяснить феномен быстрого пролета всей жизни перед глазами, или, наоборот, - медленного течения событий. Если мозг гиперактивен, то сразу будет считываться множество временных меток; если есть задержки в его работе, то их считывание пойдет медленнее. При ряде заболеваний, вроде болезни Паркинсона, так и происходит. То есть, по сути, у каждого свое время. Буквально.
От мухи до слона
Каждое живое существо живет сообразно законам природы, в частности физики. Именно они определяют возможности организма. Вот, например, инерция - логично, что большой слон не может двигать ногами так же быстро, как суслик, - в том числе и по причине большой инерции своего опорно- двигательного аппарата.
Исследователи из ирландского колледжа Тринити в Дублине обнаружили, что скорость восприятия событий зависит от размеров животного. У мелких существ она гораздо выше, и поэтому с точки зрения того же суслика или мыши окружающие их события происходят, как в замедленной съемке. Таким образом, мелкие существа наблюдают все окружающие их движения в более дискретной шкале времени и успевают убежать или увернуться от опасной атаки. Они могут сделать это физически - потому что их инерция весьма мала, она не будет мешать осуществлению задуманного движения.
С людьми, а тем паче со слонами, все сложнее. Мы не можем физически реагировать быстрее определенного предела. И поэтому мухи и суслики, с нашей точки зрения, просто мельтешат. Самый суетливый мир - с точки зрения кожистых черепах, на фоне их продолжительности жизни все кажется суетой сует. Но даже в пределах своего вида могут быть различия. Спортсмены видят и воспринимают информацию быстрее простых обывателей, тем более пожилых - если первые ближе к суркам, то вторые - к слонам и черепахам.
Самое интересное, что природа не делает излишних усовершенствований, которые не могут быть реализованы. Даже если слону или черепахе дать скорость обработки информации, как у суслика или мелкой птички, они не смогут ими воспользоваться. Это будет излишняя информация, которая ничем не поможет им в жизни, - предел, определенный инерцией, не перепрыгнуть. Возможно, это стоит учитывать и человеку в его технических разработках - не нужен дисплей с четкостью выше, чем может различить человеческий глаз, например.
Вот так мы и живем. Время для живых существ - величина переменчивая, и поэтому человеку приходится создавать системы, которые могли бы задавать нам ритм жизни независимо от нас или окружающей среды. Атомные часы, отбивающие ритм на основании крайне стабильной пульсации цезия, позволяют нам приводить все процессы к одной временной шкале, без которой мы уже не можем существовать.

Источник: 
Slon.ru