В новом выпуске StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон и комик Чак Найс обсуждают, как фундаментальные законы физики определяют облик и возможности всего живого. Исследователи объясняют, почему законы масштабирования делают маленьких существ сверхсильными, а гигантских — хрупкими, и почему Человек-паук или огромные муравьи из хорроров 1950-х годов не смогли бы существовать в реальности.
💪 Почему муравьи — супергерои, а слоны — нет 0:00
Когда мы говорим о жизни, мы обычно подразумеваем биологию или химию, однако Тайсон подчеркивает, что физика является «субстратом» для всего остального . Понимание того, как работают мышцы, начинается не с анатомии, а с геометрии.
Ключевые физические принципы роста:
- Сила мышц зависит от площади их поперечного сечения (квадрат радиуса) .
- Вес живого существа растет пропорционально его объему (куб радиуса) .
- Это различие приводит к тому, что при увеличении размера животного его вес растет значительно быстрее, чем его способность удерживать этот вес .
Именно поэтому у тяжелых животных, таких как слоны, очень толстые конечности. По словам Тайсона, им необходима такая форма, чтобы просто не раздавить самих себя . В то же время насекомые обладают тонкими ногами, потому что их вес ничтожно мал по сравнению с их относительной силой .
Этот же закон объясняет акробатические способности. В мире животных действует правило: чем меньше существо, тем больший вес оно может поднять относительно собственного тела и тем выше может прыгнуть . Тайсон отмечает, что не существует гимнастов ростом 195 см именно из-за физики физиологии, а не просто особенностей тренировок .
🕷️ Крах киномонстров: физика против гигантских насекомых 4:54
Популярные образы из массовой культуры часто игнорируют законы масштабирования. Тайсон утверждает, что Человек-паук нарушает законы физики просто фактом своего перемещения по стенам: липкости человеческих пальцев недостаточно, чтобы удержать вес взрослого мужчины против силы гравитации .
Проблемы масштабирования на примерах:
- Гигантские пауки: Если бы паук вырос до размеров человека, его ноги немедленно переломились бы под весом «сочного брюшка» .
- Прыгучие блохи: Если бы блоха была размером с олимпийского атлета, при попытке прыгнуть она бы просто сломала ноги и беспомощно кричала о помощи .
- Фильм «Они!» (1954): Гигантские муравьи размером со здания — физическая невозможность. Тайсон иронично замечает, что создатели фильма хотя бы частично учли физику, когда герои побеждали монстров, отстреливая им хрупкие конечности и антенны .
💧 Жизнь в капле воды: магия поверхностного натяжения 6:56
В мире насекомых действуют иные доминирующие силы, чем в нашем. Одной из важнейших является поверхностное натяжение жидкостей. На малых масштабах силы Ван-дер-Ваальса создают на поверхности воды своего рода мембрану .
Тайсон приводит пример из мультфильма «Приключения Флика» (A Bug's Life), где сценаристы консультировались с учеными . В одной из сцен комар заказывает в баре «Кровавую Мэри» (группа крови 0+), и бармен подает ему идеально ровную сферу из жидкости .
Для существа такого размера:
- Поверхностное натяжение достаточно сильно, чтобы удерживать жидкость в форме шара без стакана .
- Гравитация играет гораздо меньшую роль, чем силы сцепления молекул .
- Капля воды для насекомого — это полностью автономный, самосодержащийся объект, из которого можно пить напрямую .
🌌 От квантов до галактик: пределы размера жизни 11:10
Дискуссия о размерах неизбежно приводит к вопросу о минимальных и максимальных границах жизни. Тайсон отмечает, что на уровне вирусов и молекул начинают доминировать законы квантовой физики, которые макроскопические объекты не ощущают .
Границы жизни, согласно Тайсону:
- Минимум: Жизнь требует определенной сложности и минимального количества молекул для поддержания биологических функций. Ниже этого порога жизнь невозможна .
- Максимум: Гипотетическая «жизнь размером с галактику» невозможна из-за ограничений скорости света .
Нил объясняет невозможность сверхкрупных существ через время прохождения сигнала. Если бы существо было размером с Млечный Путь (100 000 световых лет), то простое желание почесать голову превратилось бы в проблему: сигналу от мозга до руки потребовалось бы 50 000 лет, а на само движение — еще столько же .
Кроме того, по мнению Тайсона, эволюция требует проведения множества быстрых «экспериментов». Если на одно действие или изменение требуется сотни тысяч лет, биоразнообразие просто не успеет сформироваться за время существования Вселенной .
В завершение Тайсон вспоминает, что в детстве увлекался книгой по кинезиологии — науке о движении, которая фактически является физикой физиологии человеческого тела . Именно эта страсть к пониманию механизмов работы мира через цифры и законы привела его в астрофизику.
