Наука стала слишком сложной. Чтобы понять ее, приходится иметь дело либо с нагромождением терминов, либо с кучей формул. Для облегчения восприятия принято использовать метафоры — наглядные и простые образы, отражающие сложные явления. Мы выбрали десять метафор, с помощью которых ученые и преподаватели объясняют ключевые проблемы мироздания

Как объяснить сложную науку с помощью бабочек, шариков и котов

Наша жизнь — это сон. Нет, скорее это школа. А может, жизнь — театр? Или тюрьма? Каждая метафора позволяет увидеть жизнь в новом ракурсе.

Слово «метафора» по-гречески значит «перенесение»: она как бы переносит смысл из одной области реальности в другую. Не бывает верных метафор — только красивые или плохонькие. Удачная метафора порождает новые идеи.

Без метафор никуда не деться не только в любовной лирике, но и в серьезной науке. Метафора дает возможность представить отвлеченное понятие в форме наглядного образа. За словосочетанием «черная дыра» — сложнейшая теория и ничего черного или дырявого.

Метафоры в науке определяют целые исследовательские программы, иногда на столетия. Допустим, жили себе психологи, изучая душу как машину, искали ее элементы, пытались понять, каким законам они подчиняются. И ничего толком за двести лет не придумали, законов особо никаких не открыли: не слишком удачной оказалась метафора. Но пришел дедушка Фрейд и вмиг все перевернул. Вместо часов и машин появился античный царь Эдип с его комплексами. Ученые занялись интерпретациями нашего опыта, стали разгадывать сновидения как ребусы, зажили интересно…

Каждое время рождает свои метафоры. Мы живем в эпоху сетей. Когда-то это слово означало рыболовную снасть («Тятя, тятя, наши сети притащили мертвеца») или в переносном значении — нечто, что опутывает («Он попал в сети любовной страсти»). А сейчас любая компания, общество, живой организм, экономика или даже весь мир видятся ученым как «сеть отношений»: они подчиняются «сетевой логике». Вполне вероятно, что через несколько лет на месте сетей окажется что-то другое.

01. А бедный кот сидел ни жив ни мертв…

Образ

Кот, который находится в запертом ящике — одновременно и живой, и мертвый. Теоретически кота можно заменить хомяком или декоративной крысой, но физики почему-то любят именно котов.

Научный смысл

Квантовая механика предполагает, что атомное ядро может находиться одновременно в двух состояниях — распавшемся и нераспавшемся

Эксперимент придумал австрийский ученый Эрвин Шредингер в 1935 году. Суть его в следующем: берем кота, запираем на час в ящик. Туда же, кроме кота, помещаем радиоактивный атом, счетчик Гейгера и ампулу с ядовитым газом. Ядро атома должно распасться за час с вероятностью в пятьдесят процентов. Если ядро распадается, счетчик Гейгера реагирует на радиацию и открывает ампулу с газом. Кот, натурально, умирает. Если ядро не распадается, кот бодр и здравствует.

Казалось бы, все просто: кот целый час с вероятностью в пятьдесят процентов жив. Ага! Это мы с вами, живущие в мире больших масштабов, так думаем. Но не таковы квантовые физики! В их науке радиоактивный атом, пока мы его не наблюдаем, одновременно чуть-чуть распался и чуть-чуть — нет. Называется это «суперпозицией состояний». Чтобы внести ясность, нужно эту самую суперпозицию разрушить, ящик открыть и заглянуть внутрь. Для атома, может, и нормально быть в двух состояниях, но коту что делать? Суперпозиция живого и мертвого кота — это как-то слишком…

Собственно, Шредингер, один из создателей квантовой механики, и придумал эксперимент с котом, чтобы показать неполноту этого раздела физики. Он, как и Эйнштейн, не принимал ее сути — атом, понимаете ли, распадается или не распадается без всякой на то причины, а фотон летит по всем траекториям одновременно!..

Это, конечно, не метафора, а реально осуществимый эксперимент. Но ни Шредингер, ни другие физики садистами не были, поэтому опыт так никогда и не был поставлен. И получается, что кот в каком-то смысле и метафора. Суперпозиция метафоры и эксперимента. Так как-то…

02. Бабочка крылышками бяк, бяк, бяк…

Образ

Бабочка, взмахивающая крыльями в Бразилии, может вызвать торнадо в Техасе.

Научный смысл

Незначительное воздействие на детерминированно-хаотическую систему может иметь большие и непредсказуемые последствия где-нибудь в другом месте и в другое время.

Все началось с дотошности. В 1961 году американский метеоролог и математик Эдвард Лоренц сидел перед архаичным компьютером и пытался составить прогноз погоды. Один из параметров имел значение 0,506, но Лоренц решил ввести более точное число — 0,506127. В результате получился совершенно другой погодный сценарий.

Бабочка появилась чуть позже. Лоренцу надо было делать доклад на заседании Американской ассоциации содействия развитию науки, и он решил не грузить публику конструкциями типа «инвариантное множество в трехмерном фазовом пространстве гладкого потока со сложной топологической структурой», а использовать что-то более романтическое. Кто-то из коллег посоветовал ему воспользоваться образом бабочки.

Очевидно, это хрупкое насекомое проникло в научный дискурс из рассказа Рэя Брэдбери «И грянул гром». Там герой попадает в эпоху динозавров и случайно наступает ногой на бабочку. Вернувшись в настоящее, он обнаруживает, что в политике США произошли радикальные перемены:

«Она упала на пол — изящное маленькое создание, способное нарушить равновесие, повалились маленькие костяшки домино… большие костяшки… огромные костяшки, соединенные цепью неисчислимых лет, составляющих Время. Мысли Экельса смешались. Не может быть, чтобы она что-то изменила. Мертвая бабочка — и такие последствия? Невозможно! Его лицо похолодело. Непослушными губами он вымолвил:

— Кто… кто вчера победил на выборах?..»

С тех пор метафора гуляет из статьи в статью, из доклада в доклад. Некоторые ученые даже коллекционируют разные ее варианты. Например, бабочка в Африке — цунами в Японии, бабочка в Гонконге — снег на Майами, бабочка в Пекине — обвал фондового рынка на Уолл-стрит, бабочка снова в Пекине — выигрыш в 400 000 долларов в казино в Монреале.

Но исходная бабочка — та, что была в докладе Лоренца, — махала крыльями в Бразилии, чем вызывала ураган в Техасе. Впрочем, это не так уж и важно. Все равно предсказывать погоду, поведение людей и прочие хаотические явления мы так толком и не научились.

03. Все мы шестеренки

Образ

Много-много шестеренок и колесиков слаженно работают, отсчитывая часы, минуты и секунды.

Научный смысл

Общество, Вселенную и другие явления можно рассматривать как единую взаимосвязанную систему, состоящую из отдельных элементов, каждый из которых выполняет определенную функцию.

Впервые Вселенную сравнил с часами английский философ Томас Гоббс, хотя еще больше он любил уподоблять им общество. Чтобы понять, как работают часы, писал Гоббс, нужно думать не о том, кто их сделал и зачем, а разобрать их и изучить свойства и взаимосвязь деталей. Для науки XVII века эта мысль оказалась революционной, и ученые с упоением начали разбирать любые явления на детали и изучать их связи друг с другом. Природа, которая раньше была тенью высшего мира, вдруг оказалась гигантским механизмом.

Ньютон продемонстрировал, что не только дольний мир, но и небесные тела полностью подчиняются механическим законам. Господь оказался мировым часовщиком, который говорил на языке математики и дал нам разум, способный понять этот язык. Если в начале времен он и завел вселенские часы, то потом уже больше не вмешивался в их работу и ангелам не позволял. Зная положение всех шестеренок — атомов и сил, действующих на них, — мы могли бы (если бы, конечно, хватило ума) предсказать все события в любой момент жизни Вселенной.

У приземленных англичан модную метафору позаимствовали французские просветители. Им очень нравился рациональный стиль мышления, а тут оказалось, что вся природа устроена рациональным образом. Декарт описал животных как бездушные автоматы, а Ламерти самого человека объявил не образом божьим, а машиной из мяса и костей. Часы стали первой метафорой и для научной психологии: Лейбниц учил, что душа — тоже часы, которые создатель хитро синхронизировал с часами-мозгом, так что они всегда показывают одно и то же, хотя напрямую и не связаны друг с другом.

Фокус с часами работает до сих пор. К примеру, в 1986 году вышла книга эволюциониста Ричарда Докинза под названием «Слепой часовщик». Воистину все, к чему прикасается рука ученого, превращается в бездушный механизм, а ведь до Гоббса мир был полон духов и волшебства! Зато мы живем в законопослушной Вселенной — логичной, предсказуемой и работающей как часы.

04. Суп, который нас породил

Образ

Кипящий на плите наваристый бульон, помешиваемый рачительной хозяйкой.

Научный смысл

Жизнь зародилась из раствора относительно простых веществ, содержавшихся в древнейших водоемах.

Налейте воды в большую емкость. Добавьте туда метана, аммиака и солей по вкусу. Подогрейте, не доводя до кипения. Постоянно помешивайте на протяжении миллионов лет. Приправьте электрическими разрядами и космической радиацией. Получившееся блюдо подавать с гарниром из свежей эволюционной теории и молекулярной генетики… Примерно так звучит один из возможных рецептов приготовления жизни на Земле.

Фразу про бульон вбросил в научный язык Александр Опарин. В 1922 году двадцативосьмилетний физиолог растений сделал доклад на собрании Русского ботанического общества, а в 1924-м опубликовал монографию «Происхождение жизни». Где и сравнил водоемы древней Земли с бульоном. Гипотеза Опарина вот в чем: четыре миллиарда лет назад океаны были насыщены неорганическими солями, из которых под действием электрических разрядов, радиации и высокой температуры образовались разнообразные органические молекулы. Раствор этих молекул в воде Опарин и назвал «первичным бульоном». Из него потом «сварились» первые примитивные организмы.

Гипотеза Опарина принесла ему прижизненную славу классика биологии, на его лекции в любой стране мира приходили тысячи людей, его узнавали в лицо на улицах, чествовали нобелевские лауреаты. Сальвадор Дали лично подписывал ему альбом…

К 1924 году, когда Опарин высказал свою гипотезу, биология уже 60 лет была в тупике: теория эволюции Дарвина объясняла очень многое в существовании жизни, но не объясняла первый, главный этап — ее происхождение. Можно было верить в «вечные споры жизни» или в какую-то «воспроизводящую силу», а в доказательство приводить чашки с бульоном, где бактерии заводились как бы сами собой. Но в 1862 году Луи Пастер показал, что никакие бактерии сами не заводятся: их заносит из воздуха. Экспериментировал он, сами понимаете, с бульоном.

Александр Опарин, материалист, дарвинист и энциклопедист, конечно, знал про эти эксперименты, и его бульон — очевидный к ним отсыл.

05. Читал геном, много думал…

Образ

Книга, которую пишут, издают и читают.

Научный смысл

Система кодирования наследственной информации живых организмов.

Геном логичнее сравнивать не с книгой, а с компьютерной программой. Все-таки наши гены не просто собирают пыль на полке, как «Война и мир», а постоянно работают согласно заданному алгоритму. Но во времена расцвета генетики компьютеры были еще малоизвестны. К тому же между издательским и генетическим процессами можно найти немало аналогий.

Автор: эволюция, силы природы, Творец, инопланетный разум — что угодно. Здесь как с «Одиссеей» — авторство до конца не установлено.

Алфавит: четыре нуклеотида, связанные в цепочки ДНК. Это буквы нашей книги. Они, кстати, буквами и обозначаются: A, T, G, C.

Слова: 64 кодона генетического кода — последовательности по три нуклеотида. Среди этих трехбуквенных слов есть и три слова, обозначающие точку. К словам можно также отнести и управляющие элементы ДНК. Например, промотор — слово, означающее, что в этом месте можно начинать читать очередную фразу.

Фразы: гены, которые кодируют информацию о каком-нибудь белке или нескольких белках.

Текст: вся последовательность ДНК. В ДНК человека, например, около шести миллиардов букв, если считать обе цепочки двойной спирали.

Плагиат: горизонтальный перенос генов.

Издатель: живая клетка.

Печатный станок: ДНК-полимераза. Копирует и размножает ДНК. Печатной формой служит материнская ДНК.

Опечатки: мутации.

Корректор: проверка осуществляется на разных стадиях — к примеру, ошибки в генетическом тексте ищет все та же ДНК-полимераза.

Переводчик: РНК-полимераза. Переводит с языка ДНК отдельные гены на язык РНК. Здесь вместо буквы «Т» появляется буква «U». Фермент проходит по гену от начала до точки в конце и производит копию.

Библиотека: генофонд.

Читатель: рибосома. Сложнейшая молекулярная машина клетки, которая читает один за другим кодоны и выстраивает в соответствии с ними цепочку из аминокислот, — каждому кодону-слову соответствует одна аминокислота. Причем поскольку кодонов 64 (три из которых — точки), а аминокислот всего 20, то появляются синонимы — разные триплеты с одинаковым смыслом, кодирующие одну и ту же аминокислоту.

Так и получается белок, а из него — мы с вами.

06. Шар не притягивает — он искривляет

Образ

На натянутую простыню кладут тяжелый шар. Простыня провисает, и что на нее теперь ни положишь, неизбежно скатывается к шару.

Научный смысл

Теория Эйнштейна гласит, что все тела, обладающие массой, искривляют вокруг себя пространство, чем обеспечивают гравитацию.

Яблоко падает с дерева и бьет по голове Ньютона. Вроде бы все понятно: фрукт притягивается Землей, а на пути у него оказался великий физик. Но почему Земля притягивает яблоки? Тут все сложно. На этот счет есть Общая теория относительности Эйнштейна.

Принять и понять ее было сложно не только современникам великого физика, но и потомкам: Эйнштейн доказывает, что пространство — это не плоскость, а нечто изогнутое и искривленное находящимися в ней массами и энергией. И гравитация — это не обычная сила, действующая в масштабах Вселенной, как утверждал Ньютон, а следствие того, что пространство изогнуто во времени.

— Если комета пролетает мимо Солнца, то ее траектория искривляется, — объясняет завкафедрой теоретической физики Калининградского госуниверситета Артем Юров. — Мы думаем, что ее Солнце притягивает, но все куда забавнее. Представьте себе простыню, которую натянули горизонтально, а в середину положили гирьку. Простыня провисла. Теперь вы кладете на простыню шарик. Он скатывается к гирьке, но, согласитесь, нелепо утверждать, что гирька притягивает шарик, как Земля якобы притягивает упавшее яблоко. На самом деле просто простыня искривлена.

Стоит напомнить, что человек тоже обладает массой, а значит, искривляет пространство. Правда, совсем чуть-чуть.

07. Перезагрузить душу

Образ

Персональный компьютер с клавиатурой, монитором, хард-диском и оперативной памятью. В крайнем случае можно заменить ноутбуком, коммуникатором или айпадом.

Научный смысл

В основе нашей психики лежит сложный процесс переработки информации.

Психология, как известно, наука о душе, вот только никто не знает, что такое душа. Предметы, с которыми имеет дело психология, не увидишь и не пощупаешь, поэтому тут сплошь и рядом приходится иметь дело с метафорами. Личность человека пытались уподобить колеснице, государству, трехэтажному дому, паровой машине и даже системе химических элементов. Как правило, лучшей моделью для психики служило самое сложное техническое устройство, которое имелось в наличии.

До того как в мир пришли первые компьютеры, в психологии преобладали «водяные» мотивы. Американский философ и психолог Уильям Джеймс удачно сравнивал наше сознание с потоком, а Фрейд — с гидравлической системой, по трубам которой вместо воды текут желания и влечения. Если не знать, как правильно регулировать краны, трубу может прорвать! Просто, слишком просто…

В конце концов, отчаявшись изучить невидимую душу, для которой никак не находилось подходящей метафоры, психологи перешли к исследованию поведения. И только компьютер вернул ученым интерес к внутреннему миру: они быстро поняли, что психические процессы теперь можно описывать языком информатики.

Тон в научной психологии стала задавать область под названием «когнитивная психология», сделавшая предметом своего изучения процессы переработки информации. И тут компьютерная метафора оказалась как нельзя кстати. Например, память разделили на кратковременную (по аналогии с оперативной у компьютера) и долговременную (по аналогии с записью информации на постоянные носители).

И скоро все забыли, что это была лишь метафора. Изучая психологию по новым учебникам, можно подумать, что между процессом мышления и переработкой информации нет разницы, а память человека очень похожа на флешку. Энтузиасты пытаются создать машину с интеллектом, не отличающимся от человеческого, на основе схем мышления как переработки информации, предложенных психологами. И в результате нередко воспроизводят не столько реальную логику мышления, сколько логику старых компьютеров.

08. Наши предки лезли в дырку

Образ

Бутылочное горлышко, в которое может пролезть только что-то очень маленькое.

Научный смысл

Резкое сокращение численности какого-либо вида с последующим его ростом.

Время от времени численность представителей homo и его предков резко, за десятки тысяч лет, сокращалась на 70–90%. Изучение ДНК человека доказало, что в эволюции было как минимум два таких «горлышка»: геном человека по сравнению с другими древними млекопитающими содержит очень мало вариаций. То есть в недалеком по палеонтологическим меркам прошлом человечество находилось на грани вымирания, в связи с чем утратило солидную часть геномных вариаций.

Так, около 1,2 млн лет назад, когда планета переживала очередную смену климата и извержения вулканов, численность homo erectus (людей прямоходящих), населявших Землю, упала почти в десять раз — до 10–18 тыс. Впору было заносить человека в Красную книгу.

А около 70 тыс. лет назад постоянная жара и засухи привели к тотальному голоду. Исследовательская группа The Genographic Project в ходе многочисленных экспериментов установила, что тогда число людей сократилось до двух тысяч. Столько сегодня собирается по вечерам в некрупном столичном торговом центре.

Бутылочное горлышко — метафорическое обозначение периода, когда сочетание негативных факторов (изменение климата, голод, природные катаклизмы) приводило к резкому снижению численности наших предков.

Из антропологии понятие «бутылочное горлышко» перекочевало в другие науки. Его используют для обозначения самого узкого места в системе, сквозь которое проходит лишь небольшой процент людей, мнений или вещей. Например, бутылочное горлышко образуется у входа на эскалатор метро в час пик. Благо для его преодоления требуется время, исчисляемое в реальных, а не палеонтологических масштабах.

09. Надуть Вселенную

Образ

Воздушный шарик с нарисованными звездочками (теоретически может быть заменен презервативом).

Научный смысл

С момента Большого взрыва космическое пространство однородно расширяется в масштабах всей Вселенной, причем последние пять миллиардов лет расширение идет все быстрее и быстрее. Кстати, в 2011 году Нобелевская премия по физике была присуждена именно за доказательство ускоренного расширения Вселенной.

— Теперь, дети, я вам покажу, что происходит с нашей Вселенной…

С этим словами жизнерадостный учитель физики достает из кармана воздушный шарик, после чего просит каждого ученика нарисовать на нем свою личную мегагалактику. Школьники послушно рисуют.

— А сейчас мы его надуем и увидим, как галактики удаляются друг от друга, — этот факт подтверждается эффектом красного смещения Хаббла… — физик выпучивает глаза и пытается втолкнуть воздух из своих легких в дешевый шарик китайского производства.

Наконец у него это получается. Отличницы на первой парте завороженно смотрят, двоечники на галерке рассуждают, а не ткнуть ли шарик иголкой.

— Смотрите, ваши галактики разбегаются. При этом нельзя сказать, где находится центр расширения: шарик-то круглый, все удаляются ото всех. Во Вселенной происходит то же самое, только поверхность шарика двухмерная, а наш мир трехмерный. Давайте я еще сильнее надую… — учитель делает решительный выдох, и шарик громко лопается к ужасу отличниц и радости двоечников.

Урок с шариком — классическая метафора расширения Вселенной. Только лопанье немного не к месту. Конечно, есть гипотеза «Большого разрыва», гласящая, что Вселенная будет все быстрее расширяться и в конце концов разлетится на части вплоть до атомов. Но большинство ученых считают такой сценарий маловероятным.

10. Автоматы на деревьях

Образ

Натуральные числа, верхние пределы, мнимая единица и другие термины из учебника математики.

Научный смысл

Все реальное и нереальное.

Если, читая этот текст, вы на минуту остановитесь и подумаете о том, что такое обычное натуральное число, например единица, вы поймете, что это уже метафора. Это символ, который получает вещественный смысл, лишь когда мы считаем что-то конкретное. Посмотришь, бывало, на палец и подумаешь: «Один палец».

По большому счету любой язык — это метафора, а математика — особенно.

Математики, как никакие другие ученые, обожают использовать привычные всем слова для обозначения своих странных конструкций.

Они говорят «верхний предел», хотя у множеств нет ни верха, ни низа; «скачок функции» — притом что функция никуда не скачет; «математическое ожидание», когда никто никого не ждет; «мягкое условие», которое, разумеется, нельзя пощупать; «мнимая единица» — этот корень из минус единицы никому, конечно, не мнится, он просто нужен в некоторых вычислениях; «дерево графа», которое не растет из земли, и так далее. А из прекрасного вот: «автоматы на деревьях», причем не какие-нибудь, а «конечные»! 

Фото: SPL/East News(4); Getty Images/Fotobank; SPL/East News(2); Getty Images/Fotobank; Яков Филимонов, Анатолий Косолапов; Фотобанк Лори; ИТАР-ТАСС; Bloomberg via Getty Images/Fotobank; SPL/East News; National Geographic Society/Corbis/Fotosa.ru; Роман Сигаев/Фотобанк Лори; Time & Life Pictures/Getty Images/Fotobank; Getty Images/Fotobank

 Андрей Константинов, Григорий Тарасевич, Алексей Торгашев, Дарья Золотухина