Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Для этого стоило бы вернуться, например, в те далекие времена, когда человек еще не так сильно отличался от животного, и попытаться найти тот момент, когда в процессе развития цивилизации безошибочно проявилось то самое принципиальное различие между человеком и остальными живыми существами. Тогда мы и увидим, что это за различие.
В процессе такого исследования нам придется еще глубже изучить значение «энергии» и «работы». А это, в свою очередь, даст нам лучшее понимание механизмов жизни, которую мы определили пока что лишь как «способность совершать усилия».
Давайте зададимся вопросом не о том, с какой целью человек тратит энергию (это было бы слишком сложно объяснить инопланетянину), а о том, каким образом он это делает.
Начнем с того, что человек может тратить энергию, совершая работу, лишь в некоторых ограниченных пределах. Если ему нужно один за другим перенести двадцать камней по двадцать пять килограммов каждый на другое место, метрах в ста отсюда, он сможет выполнить такую задачу. Человек при этом будет двигаться медленно и периодически отдыхать, чтобы организм успевал возобновить запас энергии в количестве равном потраченному. Так, правильно рассчитывая силы и не торопясь, человек способен перетащить практически любое количество таких камней на практически любое расстояние — естественно, в рамках разумного.
Но если все эти камни объединить в один полутонный валун, то ни один человек не сможет его сдвинуть. Организм человека не способен аккумулировать достаточное количество энергии и потратить ее настолько быстро, чтобы разом поднять камень весом в полтонны. Скорость расходования энергии ученые называют «силой». Таким образом, мы можем сказать, что у человека, хоть и имеется достаточно энергии, чтобы поднять груз в полтонны весом, если на то будет достаточно времени, тем не менее силы для единовременного совершения такого действия не хватает.
Все вышеописанное в равной мере относится и к человеку, и к другим животным, разницы между ними в этой ситуации никакой. Человек обладает большей силой, чем мелкие зверьки, типа кошки или мышки, и меньшей силой, чем, например, лошадь или слон. Любое животное, сколь велико бы оно ни было, обладает лишь ограниченной силой.
Всем живым существам пришлось разработать способы более эффективного использования имеющейся в их распоряжении энергии. Например, бесполезно было бы пытаться прокусить толстый слой мышц добычи двумя плоскими деснами. А вот если снабдить эти десны твердыми зубами с острыми концами, то вся энергия смыкающихся челюстей, сама по себе не увеличившись, будет теперь сосредоточена на этих остриях. В целом прилагаемое усилие остается таким же, но усилие на единицу площади возрастет многократно, и поэтому в точке контакта удается прорвать плоть жертвы. Таким образом, тигр, с его клыками и когтями, является страшным хищником, а крупная лошадь, располагающая большим, чем у тигра, запасом энергии, становится для него не более чем легкой добычей.
Живые существа выработали множество способов потрясающего увеличения эффективности использования своей энергии, обретая таким образом способность быстро бегать, плавать и даже летать. Но расход энергии живого существа всегда остается ограниченным.
Если организм того или иного животного не выработал способности эффективно использовать энергию для некоего определенного действия, на помощь ему может прийти использование внешних предметов («инструментов»). Среди животных (не считая человека) способность использовать инструменты не особенно распространена, но все равно примеров можно привести достаточно. Птицы способны разбивать скорлупу устриц камнями, а некоторые насекомые даже умеют заваливать туннели камушками. Однако человек и родственные ему вымершие виды человекоподобных существ настолько превзошли всех остальных животных в использовании посторонних предметов в своей деятельности, что все достижения других животных в этой области можно отмести и определить человека как «животное, использующее инструменты».
Важным этапом стал момент, когда первобытный человек перестал довольствоваться теми более-менее подходящими предметами, что попадались ему под руку (как это делают и животные), а принялся специально изготовлять камни с особенно острыми гранями и наконечниками.
Поскольку инструмент — это вещь, с помощью которой энергия, прилагаемая на входе, передается на выход в измененном (более полезном с практической точки зрения) виде, то инструмент можно назвать «машиной». Мы привыкли думать о машинах как о сложных и больших механизмах, но на протяжении многих тысяч лет человечество пользовалось крайне простыми машинами.
Одна из простейших машин — рычаг. Представим, что под полутонный валун подложили один конец перекладины, под которую, в свою очередь, подставили небольшой камень (рис. 1). Длинный конец перекладины торчит далеко наружу. Если вы начнете опускать длинный конец перекладины, то прилагаемое вами усилие будет переведено в подъем короткого конца. Примером рычага могут служить детские качели, где движение одного ребенка вниз является силой, поднимающей вверх второго, сидящего на противоположной стороне.
Рис. 1. РычагРычаг изменяет направление прилагаемого усилия, и этого в принципе достаточно, чтобы счесть его машиной, но этим действие рычага не ограничивается. Путь, который проделывает, поднимаясь, короткий конец перекладины, в несколько раз меньше, чем путь длинного ее конца, поэтому сила[1], с которой действует короткий конец, возрастает во столько же раз. Произведение прикладываемой силы на проходимое концом рычага (его называют «плечом») расстояние равно на обоих его концах. Это и есть «принцип рычага», открытый впервые Архимедом — греческим математиком, который жил в III веке до нашей эры, хотя, конечно, и за тысячи лет до того люди использовали этот принцип на практике, пусть и не понимая его сути.
Если длинное плечо рычага в десять раз длиннее короткого, то, опустив дальний конец перекладины на 1 метр, вы, таким образом, поднимете камень на 10 сантиметров, то есть расстояние, на которое переместятся концы перекладины, будет различаться во столько же раз, во сколько различается длина плеч рычага. С другой стороны, во столько же раз, только в обратном отношении, будет различаться и сила на обоих концах рычага. К длинному концу достаточно приложить лишь одну десятую часть той силы, которая необходима для того, чтобы поднять камень, лежащий на коротком конце. Иными словами, если опускать длинный конец перекладины на 1 метр с силой 50 килограммов, то коротким концом удастся сдвинуть камень весом в полтонны на 10 сантиметров. Так следует из принципа, сформулированного Архимедом, — ведь если 1 метр умножить на 50 килограммов, то будет столько же, сколько если и 0,1 метра умножить на 500 килограммов.
Общее количество энергии, потраченной на обоих концах рычага, одинаково, но, перемещая 50 килограммов на расстояние 1 метра, мы не выходим за пределы человеческих возможностей по скорости приложения энергии, в отличие от задачи по подъему 500 килограммов хоть на 1 сантиметр. В последнем случае организм человека просто не успевает выработать необходимое для совершения действия количество энергии. Таким образом, применение рычага делает выполнимой задачу, решение которой без него было бы невозможно. Архимед высказался об этом весьма красноречиво: «Дайте мне точку опоры, и я переверну весь мир!»
На заре своей истории человек изобрел и другие простые машины, служившие одной цели — привести количество энергии, которое необходимо одномоментно приложить для решения задачи, к уровню реальному для человека. Среди этих изобретений — колесо, подъемный блок, клин, наклонные плоскости и многое другое.
Среди этих устройств не было и не могло быть таких, которые увеличивали бы общее количество энергии, доступное для использования человеком. Однако с помощью только таких механизмов древние египтяне построили свои пирамиды, а китайцы — Великую Китайскую стену. Конечно, для этого требовался и изнурительный труд десятков тысяч человек на протяжении десятилетий.
Если бы нашему инопланетному наблюдателю пришло в голову проследить за работой в каменоломнях и пустынях Египта и сравнить процесс медленного, камень за камнем, созидания Великой пирамиды с процессом построения насекомыми термитника, наверное, большой разницы он не увидел бы. Более того, термитник по отношению к отдельному термиту крупнее, чем пирамида — по отношению к человеку, так что результат труда термитов, возможно, произвел бы на инопланетянина большее впечатление. Да, человеку приходится самому изготавливать свои нехитрые инструменты, а термиту все необходимое дано от рождения, однако, возможно, инопланетянин счел бы подобное проявление величия человеческого разума моментом интересным, но не принципиальным.
