Древняя тайна, которую наука разгадывала 2000 лет.
Что такое свет и почему он важен?
Свет — первый из художников. Нет в мире вещи столь отвратительной, что свет не смог бы сделать ее прекрасной. Эти слова Ральфа Уолдо Эмерсона могли бы стать эпиграфом к двухтысячелетней истории изучения света — истории, полной заблуждений, гениальных догадок и истин, перевернувших наше представление о реальности.
Но начнем с простого вопроса: зачем нам вообще свет?
Ответ кажется очевидным, но только на первый взгляд.
Дирижер оркестра по имени Жизнь
Оглянитесь вокруг. Комнатные растения без света не смогут делать фотосинтез. Ваша кожа без солнца не выработает витамин D. Солнечные панели на крыше не дадут горячую воду. На фундаментальном уровне свет управляет всеми биологическими процессами на планете. Солнце — это гигантский термоядерный реактор, висящий в небе, питает энергией каждую экосистему Земли. Уберите его — и растения завянут, травоядные погибнут от голода, хищники — вслед за ними. Простая и страшная цепочка.
Но свет бывает разный.
В древности величайшим открытием человечества стал огонь. Он дал тепло, защиту, возможность готовить пищу и делать инструменты. Но еще он дал нечто большее — символ безопасности и уюта. Огонь разгонял тьму, и люди чувствовали себя защищенными. Не случайно во всех культурах мира существуют праздники света. День святой Люсии в Швеции, Дивали в Индии, даже Рождество — все они приходятся на самое темное время года. Люди интуитивно тянутся к свету, когда вокруг сгущается тьма.
Луна, звезды и древние страхи
Не стоит забывать и о других источниках естественного света — луне и звездах. Наши предки не просто любовались ими — они обожествляли их. Когда светила исчезали с небосвода, люди пугались и приносили жертвы, умоляя богов вернуться. И боги возвращались — на следующий день или в следующем месяце. Звезды были навигаторами для путешественников. Луна управляла приливами и отливами, а вместе с ними — всей жизнью океана. Четыре фазы луны легли в основу календаря. Веками считалось, что лунные циклы влияют на жидкости в человеческом организме — и современные исследования подтверждают: в полнолуние домашние животные чаще попадают к ветеринарам, а люди — в больницы. Но главное для нас — это контраст между днем и ночью.
Внутренние часы, которые сверяются с солнцем
В 2017 году Нобелевскую премию получили три ученых — Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг. Они открыли механизм работы циркадных ритмов. Оказалось, что в каждой клетке нашего тела есть внутренние часы. Они заставляют молекулы внутри клетки колебаться с периодом примерно в сутки (circa diem — «около дня»). Этих ритмов огромное множество, и если они разойдутся, начнется хаос — как в оркестре без дирижера.
Кто же дирижирует? Солнце.
Свет попадает в глаза, достигает супрахиазматического ядра в мозге — и запускает синхронизацию всех систем организма. Свет говорит нам: "Сейчас день, пора работать". Темнота говорит: "Ночь, пора спать".
Что будет, если убрать этот сигнал?
В 1965 году два спелеолога, Жози Лорес и Антуан Сенни, добровольно спустились в пещеры близ Ниццы. Никакого света, никаких часов. Лорес провела под землей 88 дней, но в ее календаре было только 68. Сенни пробыл 126 дней — и его циклы сна растянулись до 30 часов, а чувство времени исчезло полностью. В 1995 году итальянский социолог Маурицио Монтальбини прожил в пещере 366 дней. Когда он вышел, его записи утверждали, что прошло всего 219. И у него выработался новый режим: 36 часов бодрствования, 12 часов сна. Без солнца наши внутренние часы сходят с ума.
Свет и настроение
Эксперименты на крысах в Пенсильванском университете показали: животные, которых надолго лишали света, впадали в депрессию. У них нарушалась работа тех же участков мозга, что и у людей с депрессией. Сезонное аффективное расстройство (САР) — прямое следствие нехватки света зимой. Интересно, что женщины страдают им чаще мужчин. Некоторые исследователи связывают это с древними механизмами: в первобытные времена зимняя спячка помогала экономить энергию, особенно во время беременности. Атавизм, который аукается нам до сих пор. Современные исследования показывают: недостаток света зимой бьет по выработке серотонина — главного регулятора настроения. И только у исландцев, как выяснилось, есть особый ген, помогающий вырабатывать больше серотонина, чтобы пережить полярную ночь.
Электрический свет: благо и проклятие
Электричество — величайшее изобретение. Сто лет назад люди не знали, как обращаться с лампочками: в гостиницах вешали инструкции, чтобы постояльцы не пытались зажечь их спичками, а потом — не задували, как свечи. Электрический свет изменил всё. Мы перестали зависеть от темноты. Мы получили возможность работать ночью, учиться, развлекаться. Города засияли огнями, преступность отступила из освещенных кварталов. Но цена оказалась выше, чем думали. Исследование 2013 года в журнале Current Biology сравнило две группы людей. Одну неделю участники жили в палатках только с естественным светом. Вторую неделю — с электрическим. Результат: при искусственном освещении циркадные ритмы сдвигались, а уровень мелатонина (гормона сна) по утрам падал медленнее — люди дольше чувствовали себя разбитым. Гарвардские исследования врачей, работающих посменно, показали: те, у кого было много ночных смен, в два раза чаще засыпали за рулем. И в три раза чаще — на красный свет. Эксперименты на мышах в Лейденском университете обнаружили, что шесть месяцев круглосуточного света сокращают активность "главного дирижера" мозга — супрахиазматического ядра — на 70%. У животных падал мышечный тонус, снижалась плотность костей.
Хорошая новость: когда нормальный цикл света и тьмы восстанавливали, мыши возвращались в норму.
Что же такое свет?
К этому вопросу человечество шло две тысячи лет. В 300 году до н.э. Евклид считал, что из глаз исходят лучи, которые "ощупывают" предметы — поэтому мы их видим. Семьсот лет спустя арабский ученый Ибн аль-Хайсам доказал обратное: свет входит в глаза. Его аргумент был прост: быстро взгляните на солнце — вы почувствуете боль. Значит, что-то попадает внутрь. В 1666 году Исаак Ньютон купил на ярмарке стеклянную призму (тогда это была детская игрушка) и провел эксперимент в затемненной комнате. Луч солнечного света, пройдя через призму, превратился в радугу. Ньютон, будучи глубоко религиозным, насчитал в ней семь цветов — по числу священных символов. И сделал вывод: свет состоит из мельчайших цветных частиц. Теория частиц продержалась больше века, пока Томас Юнг не поставил свой знаменитый опыт с двумя щелями. Свет, проходя через них, давал не две полоски, а множество — как рябь на воде. Это могли быть только волны. Маятник качнулся в другую сторону. Потом открыли инфракрасный и ультрафиолетовый свет. В 1864 году Максвелл доказал: свет — это электромагнитное излучение. Радиоволны, микроволны, рентген — всё это части одного спектра, просто разной длины. В 1900 году Планк ввел понятие квантов. А Эйнштейн объяснил фотоэффект и получил Нобеля за доказательство: свет всё-таки частицы.
Так кто же прав?
В 1924 году Луи де Бройль поставил точку изящным уравнением. Свет — и то и другое одновременно. Частицы могут вести себя как волны, волны — как частицы. Всё зависит от того, как мы на них смотрим. Современная физика предлагает простую метафору: сугроб состоит из множества снежинок, но мы видим его как единое целое. Океан — из капель воды. Так и свет: поток частиц, который ведет себя как волна.
Главный вывод
Свет необходим нам так же, как воздух и вода. Он дирижирует нашими гормонами, сном, настроением. Электрический свет изменил наш образ жизни, но нарушил древний баланс. Мы не вернемся в пещеры. Но мы можем научиться управлять светом — а не позволять ему управлять нами. Как это сделать — разговор отдельный.
А вы замечали, как меняется ваше самочувствие в разное время года? Пробовали ли когда-нибудь просыпаться без будильника, только с восходом солнца?