2

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.

Ральф Уолдо Эмерсон

Наука о свете и ее история – увлекательный и весьма загадочный предмет, дающий ученым пищу для размышлений уже две с лишним тысячи лет. Понять природу света пыталось немало выдающихся умов, и даже сегодня границы темы продолжают расширяться.

Захватывающую хронологию связанных со светом открытий мы рассмотрим немного позже, но для начала давайте зададим себе вопрос: почему свет важен? Ответ кажется очевидным, но все же попробуйте над ним задуматься. Оглянитесь вокруг и посмотрите, что может функционировать без света. Свет нужен вашим комнатным растениям для того, чтобы осуществлять фотосинтез. Свет нужен вам самим, чтобы ваша кожа вырабатывала витамин D. Солнечный свет нужен солнечным панелям на крыше дома, чтобы в душевой и в трубах отопления была горячая вода. В сущности, на фундаментальном уровне свет управляет всеми биологическими процессами. Солнце, этот висящий в небе раскаленный огненный шар, питает энергией все без исключения экосистемы на Земле. Представьте, каким был бы наш мир без солнца. Растения увянут и погибнут, травоядные животные лишатся полноценной пищи, вслед за ними пищи лишимся мы… и так далее.

Но у других видов света тоже есть своя сила. В древние времена одним из величайших открытий человечества стал огонь: обнаружив практическую пользу огня, люди смогли готовить мясо добытых на охоте животных, обеспечивать себя теплом, отгонять хищников, а также, что немаловажно, изготавливать с помощью огня инструменты, которые помогали им в повседневной жизни. Переходя на новые ступени развития, люди начали воспринимать огонь как символ: убаюкивающее тепло сообщало им, что пора ложиться спать, рассеивало темноту и создавало чувство безопасности. Во всем мире существуют фестивали света, от Дня святой Люсии в моей родной Швеции до праздника Дивали в индуистском календаре, – они символизируют свет духовного просвещения и изгнание зла. Рождество, конечно, викторианское изобретение, но и его не случайно празднуют в самое темное время года.

Не стоит забывать и о других источниках естественного света – луне и звездах. Наши предки воспринимали небесные тела не только как всемогущие природные механизмы, управляющие течением жизни на Земле, но и как своих божественных спутников. В языческих религиях они нередко представали в виде таинственных небесных странников. Когда светила скрывались из вида, первобытные люди пугались и совершали ритуальные жертвоприношения, умоляя их вернуться. И боги света милостиво возвращались на следующий день или в следующем месяце, чтобы одарить людей своим благодатным сиянием. Звезды имели огромное значение для путешественников: они помогали им не сбиться с пути ночью.

В природе мощное гравитационное притяжение Луны управляет приливами и влияет на всю фауну и флору океана. Наш ежемесячный календарь опирается на четыре фазы Луны; кроме того, издавна принято считать, что сила приливов управляет общим движением жидкостей в человеческом организме, например менструальные циклы у женщин могут быть связаны с лунными фазами. Считается, что свет полной Луны оказывает мощное гипнотическое воздействие на людей и животных. Собаки и волки воют на Луну, лунные культы проводят в честь этого светила свои ритуалы. Исследование, сопоставившее поведение домашних животных с фазами Луны, выявило, что владельцы собак и кошек намного чаще обращаются в ветеринарные клиники в периоды, когда Луна достигает наибольших размеров.

Свет управляет многими нашими активностями, но самое большое значение для людей и животных имеет контраст между ярким светом дня и бархатной темнотой ночи. Разве мы могли бы заниматься своими делами, если бы не отличали день от ночи и не знали, когда пора засыпать, а когда просыпаться? Взглянув на младенцев с их нерегулярным режимом сна и бодрствования, мы поймем, что подстройка организма к суточному ритму не является врожденной – она развивается, когда мы синхронизируем наши внутренние системы с естественным циклом смены дня и ночи, сопровождавшим нас от начала времен.

Многие из вас наверняка слышали термин «хронобиология» и связанные с ним имена трех ученых – Джеффри Холла, Майкла Росбаша и Майкла Янга, которые получили Нобелевскую премию 2017 года за изучение циркадных ритмов. Суть их открытия заключается в том, что каждая клетка имеет внутренний часовой механизм, согласно которому химическая организация клеточных молекул совершает циклические колебания. Полустабильные ритмы называются циркадными от латинских слов circa, «около, кругом» + dies, «день». Эти ритмы буквально витают в воздухе, поэтому огромному количеству слабо связанных друг с другом биологических реакций нужна строгая координация, иначе они породят хаос, словно сборище музыкантов-любителей без квалифицированного дирижера. Кто же руководит этим клеточным оркестром и синхронизирует триллионы реакций? Наш старый приятель, солнце. Солнечный свет, поступающий через глаза, подает сигнал главному хронометру, расположенному внутри мозга, – супрахиазматическому ядру. Под действием поступающего извне света эта группа нейронов запускает множество функций организма. До чего удивительная вещь!

Итак, свет – это энергетический и временной маркер, задающий определенный ритм дня, своего рода органические часы без стрелок. Разные уровни освещенности безошибочно программируют наши биологические системы на разные виды активности. Чередование дня и ночи – один из основополагающих биологических ритмов. Оно уверенно возвращает циклы вашего организма к базовым настройкам и показывает, когда пора спать, а когда работать.

Чтобы изучить роль дневного света в программировании биологических систем и проверить, что произойдет при отсутствии естественного цикла смены дня и ночи, люди провели ряд экспериментов. В 1965 году в ходе эксперимента, изучавшего влияние на людей изоляции и световой депривации, в глубоких пещерах близ Ниццы поселились два спелеолога, Джози Лорес и Антуан Сенни. Они должны были жить в отдельных пещерах, куда не проникал дневной свет, не пользоваться часами и сообщать о своих реакциях на окружающую среду ученым, остававшимся на поверхности. Лорес вышла из своей пещеры через 88 дней, 12 марта, но отметила эту дату как 25 февраля, а у Сенни, который провел под землей 126 дней, периоды сна растягивались до 30 часов и сопровождались полной утратой чувства времени. Лишившись естественного чередования светлого и темного времени суток, оба обнаружили, что циклы сна и бодрствования у них быстро расшатались, а ощущение времени полностью разрушилось. Позднее, в эксперименте 1995 года, итальянский социолог Маурицио Монтальбини провел в пещере под землей в общей сложности 366 дней, но, когда он вышел на поверхность, в его записях было отмечено, что прошло только 219 дней. Еще больше интереса вызвал выработавшийся у него новый режим сна и бодрствования: из 48 часов он 36 часов бодрствовал и 12 часов спал. Таким образом, очевидно, что в отсутствие естественной смены дня и ночи настройки наших внутренних биологических процессов сбиваются.

Естественный свет также влияет на настроение. Проведенные в Университете Пенсильвании опыты на крысах, в ходе которых их надолго лишали света, показали, что «животные демонстрируют не только депрессивное поведение, но и нарушение работы тех участков мозга, активность которых, согласно имеющимся данным, угасает и у людей во время депрессии».

Кроме того, сейчас нам известно, что свет играет решающую роль в течении сезонного аффективного расстройства (САР). Интересно, что возникновение САР связано с самыми первыми людьми – в те времена спячка считалась в какой-то степени полезной, особенно в период беременности, которая забирает много энергии. Некоторые исследователи полагают, что этот атавизм может объяснять, почему женщины страдают от САР больше мужчин. Однако исследования также показали, что недостаток света в зимнее время влияет на ту область мозга, которая вырабатывает серотонин, регулятор настроения, необходимый для психологического благополучия. (Считается, что у некоторых народов, в частности у исландцев, есть особый ген, помогающий им вырабатывать больше серотонина, чтобы пережить зиму!)

Итак, естественный свет необходим нам, чтобы нормально функционировать, и также мы знаем, что он играет важную роль в работе нашего организма, – но что происходит, когда мы вводим в уравнение электрический свет?

Электричество – одно из величайших изобретений современности, лежащее в основе многих инноваций, которые мы привыкли воспринимать как должное. Но представьте, какой небывалой диковинкой оно было всего сто лет назад! В гостиничных номерах приходилось вешать инструкции, чтобы неосведомленные гости не пытались зажечь новые лампочки спичками. Однако перед сном сбитые с толку постояльцы все равно пытались задуть лампу, как свечу. Поначалу электрические лампы использовали для освещения больших открытых городских пространств. Одним из первых таких мест стала площадь Согласия в Париже – полиция надеялась, что яркий свет поможет остановить разгул преступности. Старейшие системы домашнего электрического освещения появились всего сто лет назад и стоили тогда целое состояние, но вы вполне можете представить, как сильно они изменили жизнь людей: больше никаких тлеющих углей и смертельно опасного угарного газа, не нужно постоянно выгребать золу и чистить извилистые дымоходы.

Безусловно, появление электрического света – особенно его массовое распространение на Западе начиная с 1930-х годов – изменило наш образ жизни. С появлением электрического света мы начали проводить больше времени в помещениях при искусственном освещении и, что особенно важно, начали посвящать больше времени работе. Все это можно считать признаками прогресса, пока мы не задумаемся о том, как электрическое освещение влияет на наши первобытные биологические процессы.

Многие исследования подтвердили, что электрический свет, при всех своих достоинствах, влияет на наш сон. Опубликованное в 2013 году в журнале Current Biology исследование, в ходе которого группа участников неделю жила в палатках под открытым небом без всякого искусственного освещения, а затем еще неделю жила в тех же условиях, но на этот раз пользуясь электрическим светом, показало крайне интересные результаты. «Электрическое освещение и искусственная среда сопряжены с сокращением потребления солнечного света в течение дня, более продолжительным потреблением света после захода солнца и сдвигом циркадных ритмов… Кроме того, мы обнаружили, что в условиях, когда доступен только естественный свет, внутренние циркадные часы синхронизируются с солнечным временем – таким образом, начало внутренней биологической ночи наступает на закате, а ее окончание – до пробуждения человека, сразу после восхода солнца». Что еще более интересно, команда исследователей обнаружила, что уровень мелатонина – гормона, который вырабатывается в эпифизе (шишковидной железе мозга) и вызывает у нас сонливость, – по утрам медленнее снижался у тех, кто пользовался электрическим светом, поэтому они дольше чувствовали себя усталыми.

Может быть, вы считаете, что это не важно. Может быть, вы вслед за одним из изобретателей электрической лампочки Томасом Эдисоном думаете, что сон делает человека «нездоровым и нерасторопным». Что способность простой электрической лампочки создать целый новый мир, полный веселья и развлечений, работы и непрерывного движения вперед, стоит некоторых жертв со стороны человечества. Если так, вы не одиноки: это убеждение легло в основу многих достижений ХХ века, и сегодня развитый мир активен двадцать четыре часа в сутки, а резкий контраст между днем и ночью остается уделом менее продвинутых и менее перспективных культур. И если наши циркадные ритмы барахлят и выходят из строя – что ж, такова, вероятно, цена прогресса?

Однако факты показывают, что искусственное освещение сбивает с толку не только гигантское количество птиц и млекопитающих (согласно одному исследованию, в Северной Америке ежедневно погибает до десяти тысяч птиц – они врезаются в ярко освещенные офисные здания, принимая их за созвездия, по которым привыкли ориентироваться) – электрический свет влияет на сформировавшиеся в первобытные времена системы нашего организма сильнее, чем мы думали. Исследование, проведенное Гарвардской медицинской школой в начале 2000-х годов среди работавших посменно младших врачей, показало: чем больше у респондентов длинных смен, тем выше вероятность, что они смогут создать опасную ситуацию на дороге. Интерны, имевшие не менее пяти длинных смен в месяц, в два раза чаще засыпали за рулем своего автомобиля и в три раза чаще засыпали при остановке на красный свет, чем их коллеги, работавшие меньшее количество часов».

Но врачи, дежурящие в больнице, – исключение, верно? У остальных все должно быть в порядке. Однако исследования обнаружили, что общее световое загрязнение тоже вносит свой вклад в подавление выработки мелатонина. Если вам нужны лишние доказательства того, что искусственный свет сбивает наши биологические ритмы, их не придется долго искать. Йоханна Мейер из медицинского центра Лейденского университета в Нидерландах провела эксперимент, показавший, что мыши, которых она вместе с коллегами подвергала круглосуточному воздействию света на срок до шести месяцев, демонстрировали ряд тревожных признаков: «Изучение мозговой активности животных показало, что постоянное воздействие света сократило нормальные ритмические паттерны в центральном циркадном стимуляторе головного мозга – супрахиазматическом ядре – на 70 %». Что особенно важно, в результате этого нарушения у животных снизился мышечный тонус и плотность костей. Однако изменения имели обратимый характер, и, после того как цикл чередования светлых и темных периодов был восстановлен, животные вернулись к нормальному состоянию. Повторюсь, я привожу эти данные не для того, чтобы посеять панику, – я хочу показать: искусственный свет не так безобиден, как мы думаем. Он влияет на нас, нравится нам это или нет, и наша задача, как мы выясним далее, заключается в том, чтобы использовать его с умом.

Что такое свет?

Ответ на этот вопрос может показаться очевидным, и все же: что такое свет? Вы видите, как он льется в ваше окно; вы можете включить в доме электричество или посмотреть на луну в небе. Так ли нужно знать, что это такое? Однако история света – это история постижения одной из величайших тайн жизни. Постигнув предмет, вы можете в полной мере использовать его преимущества. Эйнштейн говорил: «Знать может любой дурак – важно понимать».

Говоря просто, свет – это разновидность электромагнитного излучения. Но к этому выводу ученые пришли далеко не сразу. Свет изучали не одно столетие, и за это время максимальную известность приобрели два прямо противоположных мнения: свет рассматривали как поток мельчайших частиц определенного цвета либо как волнующееся море взаимодействующих колеблющихся волн. Почему это важно, мы рассмотрим позже. Примерно в 300 г. до н. э. древнегреческий философ Евклид утверждал, что в глубине глаз человека горит огонь, а из его зрачков исходят лучи света. Евклид считал, что эти лучи, или огненные потоки, направлены изнутри наружу, и, когда они касаются предметов вовне, предметы внезапно становятся видимыми. В это трудно поверить, но многие люди разделяли точку зрения Евклида. Прошло еще семьсот лет, прежде чем арабский математик и оптик Ибн аль-Хайсам обнаружил, что свет движется по прямой, но в противоположном направлении – на самом деле он входит в глаза. Он предложил простое, но весьма убедительное эмпирическое доказательство своего тезиса. Быстро взгляните на солнце – что вы почувствуете? Конечно, резкую боль. Огромное количество света попадает в глаза и поражает тонкую сетчатку. Похоже, Ибн аль-Хайсам был на верном пути.

В 1666 году английский физик Исаак Ньютон провел эксперимент в специально оборудованной затемненной комнате с проделанным в оконном ставне маленьким отверстием. Он поднес к проникающему через отверстие солнечному лучу треугольную стеклянную призму, которую купил на местной увеселительной ярмарке. (В то время призмы считали безделушками, игрушками для детей.) Луч белого света превратился в яркую радугу, которую Ньютон спроецировал на стену. Ньютон был глубоко религиозным человеком и, поскольку в христианском символизме важную роль играло число семь, он увидел в радужном спектре семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. По его мнению, свет состоял из микроскопических цветных корпускул, или частиц. Например, зеленый свет представлял собой поток крошечных зеленых частиц, очень быстро движущихся по прямым траекториям. Если им не препятствовать, они будут бесконечно двигаться вперед, но, столкнувшись с блестящей поверхностью, такой как зеркало, симметрично отразятся от нее. Эти предполагаемые крошечные частицы вели себя почти как бильярдные шары, отскакивающие от стенки. Ньютон любил играть в бильярд и счел эту аналогию весьма подходящей – и, поскольку он был известным человеком, все с ним согласились.

Ньютоновскую теорию частиц очень долго воспринимали как незыблемую истину, пока английский врач и физик Томас Юнг не провел оригинальный эксперимент, полностью перевернувший оптическую науку. Он направил луч света на пластину с двумя параллельно расположенными прорезями. Рисунок, образованный лучами, проходящими через эти прорези, стал для всех огромной неожиданностью. Он представлял собой не проекцию двух отдельных отверстий, а серию чередующихся темных и светлых полос. Они выглядели в точности как рябь на поверхности воды, и теория частиц никак не могла объяснить это явление. Академический маятник стремительно качнулся в противоположную сторону – теперь все были твердо убеждены, что свет представляет собой последовательность волн, распространяющихся из некоего источника. В целом с этим можно согласиться, однако в те времена люди также считали, будто эти волны можно увидеть невооруженным глазом, – а теперь мы знаем, что это не так.

Открытия Уильяма Гершеля и его сестры Каролины поведали нам о существовании других видов света за пределами видимого спектра, в частности инфракрасного света. Немецко-польский химик и физик Иоганн Риттер открыл ультрафиолетовый свет, но лишь в XIX веке открытия в области света оформились по-настоящему. В 1864 году шотландский математик и физик Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что свет представляет собой разновидность электромагнитного излучения – электрические и магнитные волны, движущиеся со скоростью света. Свет, который мы видим, лишь часть гораздо более широкого спектра электромагнитного излучения. Радиоволны, микроволны, рентгеновское излучение и видимый свет – все это формы излучения, принадлежащие к известному электромагнитному спектру.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк положил начало новой квантовой эре. Электрические компании, желавшие добиться от нового захватывающего изобретения – электрических лампочек – максимальной мощности света при минимальных энергетических затратах, обратились к Планку за помощью. Задача была довольно сложной, поскольку, если сложить энергию всех световых частот, потребность в энергии была бы бесконечной. И Планк предположил, что свет существует только в дискретных единицах, или квантах. Чтобы довести этот аргумент до логического конца, потребовалась смелость немецко-швейцарского физика Альберта Эйнштейна, который с помощью фотоэлектрического эффекта объяснил, что свет все же представляет собой поток частиц (и получил за свое объяснение Нобелевскую премию).

Так что же такое на самом деле свет – волны или частицы? Похоже, мы снова вернулись к тому, с чего начали. Но в 1924 году французский физик Луи де Бройль положил конец спорам с помощью одного изящного равенства. Свет является одновременно и тем и другим. В квантовом мире движущиеся объекты или частицы вполне можно рассматривать как колебания или как волны. В зависимости от ситуации удобным может оказаться и то и другое наименование. Современная физика изящно решила эту головоломку, внимательно взглянув на воду. Сугробы в занесенном снегом поле на самом деле состоят из множества крошечных снежинок, и в этом нет никакого парадокса. Отдельные капли образуют океан. И этот мысленный образ подводит нас к современному пониманию природы света.

Последние разработки в области смешения вещества и света направили нас к совершенно новому пониманию оптической науки. Мы получили возможность изучать и постигать процесс фотосинтеза, создавать новые материалы. Один из них – графен, чудо-материал, способный, по заверениям ученых, до неузнаваемости преобразить все, от электрических лампочек до архитектурных сооружений и спортивного инвентаря. Как сказал Андрей Серый, директор Института Джона Адамса в Оксфордском университете: «Дух захватывает при мысли, что вещи, которые мы считали никак не связанными – материю и энергию, частицы и свет, – на самом деле можно превращать друг в друга».

Итак, теперь мы знаем, что свет необходим и что баланс света и темноты также необходим для нашего нормального человеческого функционирования. Мы также знаем, что появление электрического света навсегда изменило этот баланс. Но ведь мы не собираемся возвращаться в пещеры, не так ли? Вряд ли можно всерьез думать, что мы можем просто повернуть время вспять и снова стать теми охотниками и собирателями, что жили в рассеянной тени экваториальных тропических лесов (хотя наш первобытный мозг все еще живо реагирует на такой тип освещения: если хотите в этом убедиться, попробуйте прогуляться в солнечный день в тенистом парке).

Мы знаем, что мы подлинные дети современной эпохи, привыкшие круглосуточно пользоваться всеми преимуществами, которые она нам принесла. Благодаря стремительному развитию технологий мы живем дольше и получаем более качественную медицинскую помощь. Растущая мощь вычислительной техники позволяет нам давать нашим детям лучшее образование. Отказываться от этих достижений было бы опрометчиво, не говоря уже о том, что это просто невозможно. Однако многие из нас ищут способ контролировать вторгающийся в нашу жизнь бурный поток электрического света – об этом говорит появление Международной ассоциации темного неба и приложений, включающих ночной режим на наших телефонах и компьютерах. Мы стремимся поставить электрический свет на службу своему благополучию и используем его как лечебное средство, одновременно не забывая и об огромной пользе естественного света.

Но, прежде чем обратиться к проблемам современности, давайте внимательнее изучим естественный свет: как сделать его своим другом, чем он для нас полезен (и чем вреден!), каким образом мы потребляем естественный свет и как можно безопасно пользоваться его преимуществами.