20. Объяснительная журналистика Джордж Джонсон

Джордж Джонсон пишет о науке для газеты New York Times из Санта-Фе, штат Нью-Мексико. Он лауреат премии Американской ассоциации содействия развитию науки. Две его книги – «Странная красота: Марри Гелл-Ман и революция в физике XX века» (Strange Beauty: Murray Gell-Mann and the Revolution in 20th-century Physics, 1999) и «Пожар в голове: наука, вера и поиски порядка» (Fire in the Mind: Science, Faith, and the Search for Order, 1995) – вышли в финал премии Королевского общества. Его последняя книга – «Звезды мисс Ливитт: Нерассказанная история женщины, которая придумала, как измерить Вселенную» (Miss Leavitt's Stars: The Untold Story of the Woman Who Discovered How to Measure the Universe, 2005). Джордж – соруководитель семинара по научной журналистике в Санта-Фе и бывший стипендиат фонда Алисии Паттерсон. После окончания университета штата Нью-Мексико и Американского университета он писал о работе полиции для газеты Albuquerque Journal. В сети его можно найти на сайте talaya.net.

Я довольно точно помню, когда пришел к мысли, что на свете нет ничего настолько сложного, что сколько-нибудь разумный человек не смог бы это понять. Как-то в один из летних дней, когда мне было лет 15 или 16, я и мой лучший друг Рон Лайт решили, что хотим разобраться, как работает гитарный усилитель. Мы оба играли в посредственной гаражной группе 1960-х. Рон потом стал довольно известным гитаристом, а я постепенно понял, что мой талант не связан с музыкой. Уже будучи увлеченным маленьким ученым, я смог усвоить логику базовой теории гармонии достаточно хорошо, чтобы исполнять простейшие последовательности действий, басовые риффы, и, если уж очень нужно, мог сыграть и соло, ужас всех любителей концертов. Но мой подход к инструменту был чисто интеллектуальным – в моей игре не было ритма, а может быть, души.

Разглядывать символы на схеме усилителя Рона фирмы Fender казалось мне бесконечно более интересным, чем читать музыку с листа. Мне хотелось узнать, что на самом деле означает эта впечатляюще запутанная схема, как электричество течет по лабиринту проводов и деталей таким образом, что малейшая вибрация гитарной струны приумножается во столько раз, что сотрясает стены гостиной, а соседи звонят в полицию.

Дело было в ламповую эпоху, еще до того, как эффективные транзисторы и микрочипы сменили эти светящиеся стеклянные трубки. Электроника была довольно проста для понимания. Я уже знал кое-какие из ее основ из книги «Второе руководство для мальчиков по радио и электронике» (The Boys' Second Book of Radio and Electronics) и руководства для бойскаута, чтобы получить знак отличия за успехи в области электричества (на разноцветной нашивке был изображен кулак, сжимающий молнии). В типичной схеме были резисторы, которые, как понятно из названия, сопротивляются электрическому току. В ней были конденсаторы – тоже с подходящим названием, – которые хранят электрический заряд. Были туго намотанные индукционные катушки из медной проволоки, которые удерживали энергию в виде электромагнитного поля. Наконец, там были сами радиолампы – таинственные емкости со светящейся пустотой, в которых, собственно, и происходит усиление.

Поначалу обилие деталей и сложность схемы, показывавшей, как все эти элементы сочетаются в покрытым винилом деревянном ящике фендеровского усилителя, казались непреодолимыми. Я чувствовал, как закипает мой мозг. Но с помощью несколько более продвинутых книг из публичной библиотеки города Альбукерке я понял, что выбрал неверный путь. Надо было разбить схему на кусочки, разобраться с каждым и снова собрать.

Вскоре я уже мог поставить палец на схему и проследить путь вибрирующего электросигнала – копии звука бренчащей гитары или ухающего баса – по лабиринту волнистых линий. Каждая из таинственных ламп, как я понял, была всего лишь рычагом. Крохотное колеблющееся напряжение от гитары попадало в первую лампу, где оно использовалось для управления сеткой с гораздо большим напряжением. Получалась более мощная копия исходного сигнала, которая отправлялась в следующую лампу и снова усиливалась. Шаг за шагом волновые колебания усиливались настолько, что в движение приходила коническая диафрагма динамика, которая отправляла по воздуху волны к барабанным перепонкам, стимулируя слуховой нерв – своеобразный нейронный звукосниматель, который снова превращает вибрации в электрический сигнал для мозга. К тому времени, как я поступил в колледж, я уже мог найти неисправную цепь и починить. Я умел добавлять лампы в простенький усилитель Deluxe Reverb, превращая его в более мощный и дорогой Super Reverb. Я был поражен, что смог так сильно продвинуться даже при минимальном понимании сути дела.

Когда я пытался разобраться, как работает телевизор, компьютер или молекулярная «схема» внутри клетки, техника была все та же: обвести линией небольшую часть схемы и считать все, что окружено этой линией, черным ящиком. Если хотите, можно закрасить эту область черным цветом – пока мы ее игнорируем. Вы можете принять как данность, что при определенных условиях на входе ваш черный ящик будет выдавать нечто на выходе. Позже, если захотите, можно заглянуть под крышку и детальнее рассмотреть, что у него внутри. Или можно отступить подальше, объединяя части механизма во все более крупные и грубые сегменты. Большинство людей смотрит на телевизор и видит один большой черный ящик, который получает сигналы из воздуха и волшебным образом превращает их в звук и картинку. Любое устройство, каким бы сложным оно ни было, можно понять на разных уровнях абстракции.

Тогда я еще не знал, что смотрю на мир глазами научного журналиста.

Предположим, вы хотите описать, как работает клетка мозга, т. е. нейрон. В одной из первых глав книги о памяти я позволил себе два больших абзаца:

Каждый нейрон получает электрические импульсы через древовидную структуру, называемую дендритом, тысячи крошечных «веток» которой передают сигналы клетке. Если использовать компьютерную терминологию, дендрит – это устройство ввода нейтрона. Одни из поступающих сигналов стимулируют нейрон, а другие, наоборот, подавляют. Если плюсов больше, чем минусов, нейрон срабатывает, посылая собственный сигнал по отростку, называемому аксоном. Аксон – это устройство вывода. Через узлы, называемые синапсами, он передает сигналы дендритам других клеток…

Этого было достаточно, чтобы сформировать мысленный образ механизма, не отпугнув слишком многих читателей. Затем, чтобы двигаться по тексту как можно быстрее, я легким движением руки описал почти век исследований одним предложением, которое, как я надеялся, привлечет читателей к тому, что будет дальше: «В результате получается схема за гранью воображения. Один нейрон может получать сигналы от тысяч других нейронов, а его аксон может ветвиться, передавая сигналы тысячам других нейронов…»

Затем общий образ синапсов:

Информация внутри нейронов передается электрическими сигналами, но, когда сигнал добирается до конца аксона, его нужно переправить через синаптическую щель с помощью химических соединений, которые называются нейротрансмиттерами. На другой стороне синапса, у дендритов, есть структуры, называемые рецепторами, которые опознают такие сигнальные молекулы. Если их достаточно много, следующая клетка посылает сигнал…

В книге по ходу дела я бы открывал все больше черных ящиков, показывая читателю микроскопические ионные каналы, которые открываются и закрываются, вызывая изменения в клетках. Описывал бы молекулярные каскады, которые усиливают синапсы, связывая нейроны в сети, кодирующие новые воспоминания.

Но пока мне было достаточно простой коды: «Нейрон можно считать клеткой, которая специализируется на том, чтобы преобразовывать химические сигналы в электрические и обратно».

Этот осколок информации я хотел бы оставить в голове читателя.

Чаще приходится создавать образ явления более сжато. В статье для журнала Time мне едва удалось развернуть внешнюю упаковку черного ящика:

Ученые давно считают, что построение воспоминаний – как игра в нейронный конструктор. Под шквалом ощущений из внешнего мира мы сцепляем клетки мозга таким образом, чтобы формировать новые схемы электрических соединений, отвечающие за образы, запахи, прикосновения и звуки.

С учетом того, что в 2000 слов надо было уместить очень много материала – новые теории о том, как опыт оставляет свой след в мозге, – мне пришлось оставить сам нейрон в ящике. Для моих целей достаточно было думать о нем как о цельном блоке, который соединяется с другими блоками в неврологические карты-воспоминания.

Не важно, пишете вы статью для газеты, книгу или нечто среднее, план действий всегда одинаков. Вы начинаете с упакованного черного ящика. Несколькими мазками набрасываете грубый мысленный образ, активируя нейроны в мозге читателя: теория суперструн, начинаете вы (это был текст для New York Times), – это «математическая музыка, которую исполняет оркестр из крошечных вибрирующих струн. Каждая нота в этой космической симфонии представляет собой одну из множества разных частиц, которые формируют материю и энергию».

Чуть позже вы снимаете еще один слой: «Чтобы дать струнам достаточно пространства для виртуозного исполнения мелодии, физикам-теоретикам пришлось добавить к знакомым нам трем измерениям пространства еще шесть – свернутых так плотно, что изучать их можно только с помощью мощного до абсурда ускорителя размером с галактику».

Вы продолжаете свой рассказ. Пока не важно, почему для того, чтобы изучать очень маленькие вещи, нужна огромная энергия. Не объясняйте слишком много слишком быстро: «Это правило субатомного мира: все меньшие расстояния требуют для изучения все больших энергий».

Намекните читателю: оставайтесь с нами. Пока просто доверьтесь мне.

В том тексте я так и не добрался до хорошего, четкого объяснения связи между энергией и размером. Для того, о чем я собирался писать дальше, хватало и такого поверхностного описания. Но эту идею можно описать с помощью метафоры. В обычный микроскоп нельзя увидеть объекты значительно меньше клетки – для этого лучи видимого света слишком большие и неуклюжие. Более мелкие детали требуют более коротких волн рентгеновского микроскопа. Рентгеновские лучи, конечно, проникают глубже видимого света (меньшая длина волны = большая частота = большая энергия), так что можно продолжить мысль: чем меньший объект надо подсветить, тем выше должна быть частота волн и тем мощнее пучок.

Не каждому физику понравится такое объяснение (хотя именно физик, Мария Спиропулу из Fermilab, предложила мне такую аналогию). Под метафорический ковер мы замели здесь самые разные тонкости квантовой механики. Иногда приходится довольствоваться хорошим приближением. Мы – заинтересованные аутсайдеры, которые пишут для других заинтересованных аутсайдеров, используя вместо математики метафору. Получается здорово, если удается объяснить незнакомые вещи знакомым языком.

Математик Джон Маккарти любит добавлять к своим записям в интернете такую поговорку: «Тот, кто отказывается от арифметики, обречен на бессмыслицу». Иногда даже научному журналисту приходится добавить в текст немного очень простой математики. Грамотно поданные числа оживают и становятся метафорами.

Когда я писал «Краткий путь сквозь время» (A Shortcut Through Time, 2003), мне нужно было продемонстрировать потенциальную мощность невидимого глазу экспериментального устройства – квантового компьютера. Такой компьютер из 64 атомов в теории мог бы выполнять 18 квинтиллионов операций одновременно. Обычному суперкомпьютеру, к примеру, тому, что недавно построили в Лос-Аламосской национальной лаборатории, писал я, для этого потребовались бы миллионы триллионов процессоров:

Так что при прочих равных условиях он занимал бы 750 триллионов акров, т. е. примерно три триллиона квадратных километров. Он не поместился бы на нашей планете: площадь поверхности Земли – всего около 520 миллионов квадратных километров, так что суперкомпьютер, по мощности сопоставимый с невидимым квантовым компьютером из 64 атомов, занял бы 5000 Земель, и это при условии, что вы научились размещать оборудование на плавающих в океане платформах.

В своих заметках («Мелким шрифтом», своеобразном построчном толковании природы и пределов научной журналистики) я показал, как получил такую величину, и немного повеселился:

Лос-Аламосский компьютер вмещает примерно 12 000 процессоров на половине акра. Так что, допустим, что на одном акре поместилось бы 24 000 процессоров, и такой компьютер, грубо говоря, выполнял бы столько же одновременных операций. Получается, что, чтобы выполнить 18 квинтиллионов операций, площадь нужно увеличить в 18?1018 / 24?103 раз – получается около 750 триллионов акров. Один квадратный километр – примерно 247 акров, так что у нас получается более 3 триллионов квадратных километров, что в 5000 раз больше площади поверхности Земли. На самом деле один процессор может выполнять больше одной операции за цикл, так что, возможно, наша воображаемая машина заняла бы всего тысячу Земель. Еще возможно, что совсем скоро процессоры будут в 10 раз быстрее, и нам хватит всего ста планет. Так это обычно и выходит с такими расчетами на салфетке: смысл всей этой арифметики в том, чтобы показать, что это действительно будет очень большой компьютер.

Научный журналист – по большому счету иллюзионист. Колдовство его работает на благо – оказаться как можно ближе к научной истине.

Адаптирован фрагмент книги «Краткий путь сквозь время: Дорога к квантовому компьютеру» (A Shortcut Through Time: The Path to the Quantum Computer) Джорджа Джонсона (New York: Alfred A. Knopf, 2003).