Масштаб. Универсальные законы роста, инноваций, устойчивости и темпов жизни организмов, городов, экономических систем и компаний
Шрифт:
Галилей в возрасте тридцати пяти и шестидесяти девяти лет; он умер менее чем десятью годами позже. Старение и смертность, которые наглядно иллюстрируют эти портреты, подробно обсуждаются в главе 4
Опыт Галилея произвел революцию в нашем фундаментальном понимании движения и динамики и проложил дорогу Ньютону с его знаменитыми законами движения. Эти законы привели к появлению точной, обладающей предсказательной силой численной математической системы понимания любого движения, будь то на Земле или на другом конце Вселенной, объединив тем самым небеса и Землю под властью одних и тех же законов природы. Это не только дало новое определение места человека в мироздании, но и создало эталон для всех последующих научных исследований, в том числе подготовив почву для наступления века Просвещения и научно-технических
Галилей также знаменит тем, что усовершенствовал конструкцию телескопа и открыл луны Юпитера, что убедило его в справедливости Коперниковой точки зрения на строение Солнечной системы. Однако Галилею пришлось дорого заплатить за последовательное отстаивание гелиоцентрической гипотезы, вытекавшей из его наблюдений. В возрасте шестидесяти девяти лет, тяжелобольным, он предстал перед судом инквизиции, который признал его воззрения еретическими. Он был вынужден отречься от своих взглядов и после недолгого тюремного заключения провел остаток жизни (еще девять лет, в течение которых он ослеп) под домашним арестом. Его книги были запрещены и попали в печально известный ватиканский «Индекс запрещенных книг» (Index Librorum Prohibitorum). Лишь в 1835 г., более двухсот лет спустя, его работы были исключены из этого списка, и только в 1992-м – по прошествии почти четырех веков – папа Иоанн Павел II публично выразил сожаление по поводу обращения церкви с Галилеем. Мысль о том, что какие-то слова, написанные в незапамятные времена на еврейском, греческом и латинском языках, основанные на чьих-то личных мнениях, догадках и предрассудках, могли столь безапелляционно перевешивать результаты научных наблюдений и математическую логику, действует отрезвляюще. Как ни печально это признавать, мы и сегодня не можем похвастаться полной свободой от таких заблуждений.
Несмотря на ужасную трагичность того, что случилось с Галилеем, его заключение принесло человечеству огромную выгоду. Возможно, это произошло бы и в другом случае, но именно находясь под домашним арестом, он написал, вероятно, лучшую свою работу, одно из поистине великих произведений научной литературы, озаглавленное «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze, 1638) [23] . Эта книга, по сути дела, подводит итоги предыдущих сорока лет работы Галилея, в течение которых он пытался разработать систематический подход к задаче логического, рационального понимания окружающего нас природного мира. Этой работой он заложил тот фундамент, на котором впоследствии возникли не менее основополагающие труды Исаака Ньютона и практически вся позднейшая наука. Эйнштейн не преувеличивал, когда, говоря об этой книге, назвал Галилея «отцом современной науки» [24] .
23
Заглавие этой книги часто приводят в сокращенном виде: «Беседы о двух новых науках». Здесь цит. по изданию: Галилей Г. Избранные труды. В 2 т. / Перевод С. Н. Долгова. М.: Наука, 1964.
24
Цитата из Эйнштейна заслуживает того, чтобы привести ее целиком, так как в ней подчеркивается основополагающий принцип точных наук: «Положения, полученные при помощи чисто логических средств, при сравнении с действительностью оказываются совершенно пустыми. Именно потому, что Галилей сознавал это, и особенно потому, что он внушал эту истину ученым, он является отцом современной физики и, фактически, современного естествознания вообще». (Цит. по: Эйнштейн А. О методе теоретической физики // Собрание научных трудов. М.: Наука, 1967. Т. 4. С. 182.)
Это великая книга. Несмотря на непривлекательное название и несколько архаичный язык и стиль изложения, ее на удивление приятно и интересно читать. Она написана в форме «бесед» трех человек (Симпличио, Сагредо и Сальвиати), которые встречаются на протяжении четырех дней и обсуждают различные вопросы, великие и малые, ответов на которые искал Галилей. Симпличио символизирует «простого» обывателя, интересующегося устройством мира и задающего ряд вопросов, кажущихся наивными. Сальвиати – ученый (Галилей!), знающий ответы на все вопросы, которые излагаются в авторитетной, но терпеливой манере, а Сагредо играет роль посредника между этими двумя, то подвергая сомнению утверждения Сальвиати, то подбадривая Симпличио.
На второй день своих бесед они переходят к несколько туманному на первый взгляд обсуждению прочности веревок и балок, и как раз в тот момент, когда читатель уже начинает недоумевать, куда приведет этот довольно нудный, перегруженный подробностями разговор, туман рассеивается, все освещается, и Сальвиати делает следующее заявление:
Из того, что было сейчас доказано, мы ясно видим невозможность не только для искусства, но и для самой природы беспредельно увеличивать размеры своих творений. Так, невозможна постройка судов, дворцов и храмов огромнейшей величины, коих весла, мачты, балки, железные скрепы, словом, все части держались бы прочно. Однако и природа не может произвести деревья несоразмерной величины, так как ветви их, отягощенные собственным чрезвычайным весом, в конце концов сломились бы. Равным образом невозможно представить себе костяк человека, лошади или другого живого существа слишком большой величины, который бы держался и соответствовал своему назначению… увеличение размеров до чрезмерной величины имело бы следствием то, что тело было бы раздавлено и сломано тяжестью своего собственного веса [25] .
25
Галилей Г. Указ. соч., с. 216, 217.
Вот и все: Галилей чуть ли не четыреста лет назад предугадал наши параноидальные фантазии о гигантских муравьях, жуках, пауках и тех же самых Годзиллах, столь
Рассуждение Галилея отличается элегантностью и простотой, но имеет при этом весьма глубокие следствия. Кроме того, оно служит превосходным введением во многие из тех концепций, которые мы будем рассматривать в следующих главах. Оно состоит из двух частей: геометрического доказательства, демонстрирующего, как масштабируются площадь и объем любого объекта при увеличении его размеров (рис. 5), и инженерного доказательства, показывающего, что прочность колонн, поддерживающих здания, конечностей, на которые опираются животные, или стволов деревьев пропорциональна площади их поперечного сечения (рис. 6).
В следующей рамке приведен общедоступный вариант первого из этих доказательств, показывающего, что если форма объекта неизменна, то при увеличении его размеров все его поверхности увеличиваются пропорционально квадрату, а все его объемы – пропорционально кубу линейных размеров.
Для начала рассмотрим простейший геометрический объект, например квадратную плитку, и представим себе ее увеличение до большего размера (см. рис. 5). Например, предположим, что длина ее стороны равна 1 м, то есть ее площадь, полученная перемножением длин смежных сторон, равна 1 м x 1 м = 1 м^2. Если удвоить длины всех ее сторон, увеличить их с 1 до 2 м, то площадь плитки увеличится до 2 м x 2 м = 4 м^2. Точно так же, если длины сторон утроить (увеличить до 3 м), площадь возрастет до 9 м^2 – и так далее. Общее правило очевидно: площадь возрастает пропорционально квадрату длины.
Это соотношение остается справедливым не только для квадратов, а для любой двумерной геометрической фигуры, если ее форма остается неизменной при одинаковом увеличении всех линейных размеров. Простой пример дает круг: например, при удвоении его радиуса площадь круга увеличивается в 2 x 2 = 4 раза. В более общем случае удвоение всех линейных размеров вашего дома при сохранении неизменными его формы и конфигурации приведет к увеличению площадей всех поверхностей, например стен и полов, в четыре раза.
Эти же рассуждения можно простым образом перенести на объемы. Для начала рассмотрим простой куб: если длины всех его сторон увеличить в два раза, например с 1 м до 2 м, то его объем увеличится с 1 м^3 до 2 x 2 x 2 = 8 м^3. Аналогичным образом, если эти длины увеличить втрое, объем возрастет в 3 x 3 x 3 = 27 раз. Как и в случае площади поверхностей, это правило можно обобщить на случай любых объектов произвольной формы, если она сохраняется неизменной, и заключить, что при увеличении любого объекта его объем возрастает пропорционально кубу его линейных размеров
Рис. 5. Иллюстрация масштабирования объемов и площади поверхностей для простейшего случая квадратов и кубов
Рис. 6. Прочность балки или конечности пропорциональна площади их поперечного сечения
При удвоении всех длин
Площадь поверхности увеличивается в 2 x 2 = 4 (22) раза
Объем увеличивается в 2 x 2 x 2 = 8 (23) раз
Таким образом, при увеличении размеров объекта его объем увеличивается гораздо быстрее, чем площадь его поверхностей. Приведем простой пример: при удвоении всех линейных размеров дома с сохранением его формы объем увеличивается в 23 = 8 раз, а площадь помещений – всего в 22 = 4 раза. Если взять гораздо более радикальный случай и увеличить все линейные размеры в 10 раз, все площади поверхностей – полов, стен, потолков и так далее – увеличатся в 10 x 10 = 100 раз (то есть стократно), а объемы помещений возрастут много больше, в 10 x 10 x 10 = 1000 раз (то есть тысячекратно).
Это обстоятельство чрезвычайно важно для устройства и деятельности многого из того, что нас окружает, будь то здания, в которых мы живем и работаем, или строение животных и растений природного мира. Например, уровни отопления, охлаждения и освещения в большинстве случаев пропорциональны площади поверхности нагревателей, кондиционеров и окон. Поэтому их производительность растет гораздо медленнее, чем объем помещений, которые требуется отапливать, охлаждать или освещать, поэтому при масштабном увеличении здания его потребности в этом отношении возрастают непропорционально. Сходным образом для крупных животных может быть проблематичным обеспечение рассеяния тепла, выделяемого в результате обмена веществ и физической деятельности, так как площадь поверхности, через которую это тепло рассеивается, у них меньше относительно объема тела, чем у животных более мелких. Например, слоны решили эту проблему, отрастив себе непропорционально большие уши, которые существенно увеличивают площадь поверхности их тела и позволяют рассеивать большее количество тепла.
Весьма вероятно, что принципиальное различие между масштабным увеличением поверхностей и объемов осознавали многие и до Галилея. Его дополнительная новая идея заключалась в объединении этой геометрической истины с осознанием того, что прочность колонн, балок и членов тела определяется величиной площади их поперечного сечения, а не длиной. Так, столб с прямоугольным сечением 4 на 10 см (= 40 см^2) может поддерживать вес, в четыре раза больший, чем столб из того же материала, линейные размеры поперечного сечения которого в два раза меньше, то есть 2 на 5 см (= 10 см^2) независимо от длин обоих столбов. Первый из них может быть длиной 2 м, а второй – 4, это не имеет значения. Именно поэтому строители, архитекторы и инженеры, занимающиеся строительством, классифицируют пиломатериалы по площади поперечного сечения, а в строительных магазинах их снабжают этикетками типа «40 x 40», «40 x 50», «50 x 50» и так далее.