Ile ważą chmury?

Jak chodzić po wodzie? Jakiego koloru jest lustro? Ile megapikseli ma ludzkie oko? Odkrywaj wszechświat wraz z hiszpańską gwiazdą YouTube’a!

Dlaczego twój sąsiad z parteru będzie żył dłużej od ciebie?
Jak wysoki może być zamek z piasku?
Dlaczego we wszechświecie i w twoim mieszkaniu zawsze panuje nieporządek?
Ilu pająków potrzebujesz, by zatrzymać Boeinga 747?

Na te i wiele innych pytań odpowiada David Calle – jeden z najbardziej znanych popularyzatorów wiedzy na świecie.

David Calle do 2005 roku był pracownikiem jednego ze znanych hiszpańskich operatorów telekomunikacyjnych, ale w wyniku kryzysu stracił pracę. Jednak szybko założył własną szkołę, a w 2011 roku stworzył Unicoos – popularnonaukowy kanał na YouTube, który dziś ma ponad milion dwieście tysięcy subskrybentów. David Calle jest finalistą prestiżowego konkursu Global Teacher Prize i jednym z najbardziej kreatywnych ludzi na świecie według „Forbesa”.

Spis treści

Wprowadzenie
1. Dlaczego twój sąsiad z parteru będzie żył dłużej niż ty?
2. W jakiej temperaturze wrze woda na szczycie Mount Everestu?
3. Ile megapikseli ma ludzkie oko?
4. Jakiego prawa fizyki nie spełniają statki z Gwiezdnych wojen?
5. Fani liczby pi
6. Dajcie mi punkt podparcia, a poruszę Ziemię
7. Jakie jest prawdopodobieństwo zaprzyjaźnienia się z istotą spoza naszej planety?
8. Kolory nie istnieją
9. Ile słoni waży chmura?
10. My, mańkuci, nie jesteśmy rzadkością. No, może trochę
11. Geometryczne tajemnice brokułów
12. Jak moglibyśmy uciec z Ziemi?
13. Zakochane cząsteczki
14. Czy roboty nas zdominują?
15. Prawdy i kłamstwa na temat planety Ziemia
16. Dlaczego niebo jest błękitne?
17. Czy czas istnieje?
18. Dlaczego Wszechświat i twój pokój zawsze mają tendencje do straszliwego bałaganu?
19. Czy w przyszłości będziemy cyborgami?
20. Jaką maksymalną wysokość może osiągnąć zamek z piasku?
21. Jak należy klasyfikować domniemane cywilizacje istniejące w Drodze Mlecznej?
22. Co ma wspólnego benzyna bezołowiowa z wiekiem Ziemi?
23. Dlaczego Księżyc nas porzuca?
24. Jakiego koloru jest lustro?
25. Czy Juliusz Verne był jasnowidzem?
26. Ile by kosztowało wyniesienie piłki futbolowej w przestrzeń kosmiczną?
27. Tranzystor nie jest (tylko) radiem
28. Ile jabłek musiał zużyć Galileusz do doświadczeń z siłą ciężkości?
29. Jakie miejsca w znanym nam Wszechświecie są najzimniejsze, a jakie najcieplejsze?
30. Co wspólnego mają ze sobą LSD i serendypność?
31. Czasoprzestrzeń wibruje
32. Czy jesteś człowiekiem o umyśle ścisłym, czy artystycznym?
33. Ile trzeba pająków, żeby zahamować boeinga 747?
34. Co wspólnego mają ze sobą wiatraki i samochód z serialu Nieustraszony?
35. Nauka jest również domeną kobiet
36. Co nastąpi z chwilą odwrócenia się biegunów Ziemi?
37. Jak chodzić po wodzie?
38. Dlaczego Ziemia się ociepla?
39. Jak będą wyglądały mapy przyszłości?
40. Wszystko, czego nie dostrzegamy we Wszechświecie

Wprowadzenie

Nauczyłem się rozkoszować pejzażem, pieśnią.
Filmem. Chwilą spędzoną z osobą, którą kocham.
Nie mam zamiaru tego zmieniać. Nie mam pojęcia,
ile sekund mi jeszcze pozostało. Ale z pewnością
będą pasjonujące.

Rúa López Mora,
WYCISKAJĄC SEKUNDY
 
 
Gdyby życie we Wszechświecie sprowadzić do jednego roku, okazałoby się, że istota ludzka zamieszkała go dopiero podczas ostatniej sekundy. Dla nas w rzeczywistości oznacza to tysiąclecia. Czas jest pojęciem względnym, podobnie jak tyle innych rzeczy. Jeżeli twoje życie jest długie i szczęśliwe – i oby takie było – przeżyjesz ponad dwa miliardy sekund… aczkolwiek, jedną trzecią tych sekund spędzisz we śnie. Resztę, bo to już chyba aż za dużo czasu na spanie, spędzisz na jawie, przeżyjesz je, wykorzystasz. Bo te chwile mogą być pasjonujące.
Przeczytanie tej książki zajmie ci 0,0005% życia, czyli od 7200 do 14 400 sekund. Mniej więcej tyle, ile trwa Blade Runner 2049 (2017) czy oryginalna trylogia Gwiezdne wojny. Jeżeli przeczytasz ją znów po kilku latach, niektóre ze spraw, teraz traktowane jako pewne, a nawet niezmienne, wtedy już mogą nie mieć sensu. Nic nie trwa wiecznie, nic nie jest stałe. „Jedyną stałą rzeczą jest zmiana”, jak dwa i pół tysiąca lat temu przepowiedział Heraklit. To właśnie jest cudowne w nauce, która nieustannie idzie naprzód, dzień po dniu, dzięki niezmordowanej pracy, pracy twórczej, a czasem nawet genialnej, tysięcy ludzi, poświęcających życie studiom. Tych ludzi, do których obyś – kto wie, może któregoś dnia, jeśli teraz studiujesz – w końcu też dołączył.
„Jeżeli szukasz rozmaitych wyników, nie powtarzaj stale tego samego”, powiedział Einstein. W ten sposób w niekonformistycznym poszukiwaniu odpowiedzi w ostatnich stuleciach, a zwłaszcza w ostatnich dwóch dekadach, zbudowano i ukształtowano podstawy niepowstrzymanego postępu technicznego naszej cywilizacji – podczas gdy wiele pytań nadal pozostaje bez odpowiedzi. Nie było ani jednego filmu science fiction, jaki oglądałem w dzieciństwie, z którego bym nie wychodził zachwycony scenami akcji i efektami specjalnymi, ale przede wszystkim z którego bym nie wychodził, zadając sobie jakieś pytanie. A dzisiaj fascynuje mnie bardziej to, co przedstawiają takie filmy jak Interstellar (2014) czy serial w rodzaju Czarnego lustra (2011), niż sama akcja. Dlatego byłem takim zapaleńcem, dlatego pewnie ostatecznie zostałem inżynierem, a następnie nauczycielem matematyki i fizyki. Na niektóre z pytań znalazłem odpowiedzi, zwracając się do ludzi, którzy wiedzą więcej ode mnie – a tych jest wszak cała masa! Na inne – w bibliotece lub w Internecie, w zależności od epoki, bo przecież mam już swoje lata. Ale wiele z pewnością wciąż, mimo iż bardzo się starałem, pozostało zagadką, a może nawet nie zdołałem ich zrozumieć (zdaję sobie sprawę z własnych ograniczeń, które są niezliczone; jestem tylko belfrem…). Zawsze jednak uczę się czegoś przy okazji, choć może niezbyt dużo; to właśnie jest fascynujące, ta gotowość do stawienia czoła kolejnemu wyzwaniu. Albo… kiedy chcę coś zobrazować swoim studentom, często się uciekam do opowiedzenia im jakiejś anegdotki. Zawsze się udaje.
Dlatego poza tym, że zamierzam ci w tej książce ofiarować czterdzieści odpowiedzi – które być może już znasz – chciałbym, żeby to był dla ciebie początek szalonych poszukiwań przyczyn wszystkiego, co się dzieje wokół nas, i żebyś się nie zadowolił moimi odpowiedziami, bo przecież nic nie jest ustalone na zawsze. Takie jest moje marzenie. Chciałbym być w jakiś sposób pomocny, zainspirować cię do samodzielnego myślenia, podsunąć ci coś na twoje lekcje, jeżeli jesteś nauczycielem, albo po prostu skłonić cię do zadawania pytań – wszystkich, jakie możesz postawić. I do szukania odpowiedzi bez wzywania bogów z Olimpu, którzy mogliby ci zawsze jej udzielić: będzie ona mitologiczna, będzie fascynująca, ale z pewnością nie naukowa.
Chociaż… to od nich pochodzą nazwy konstelacji i planet…

3
Ile megapikseli ma ludzkie oko?

 
Hit me with your flashbulb eyes
Hit me with your flashbulb eyes
You know I’ve got nothing to hide
You know I got nothing
No, I got nothing

Arcade Fire,
FLASHBULB EYES
 
 
Bardzo często słyszymy słowo „rozdzielczość”: telewizje wysokiej rozdzielczości, DVD, Blu-ray, smartfony o wielu megapikselach… Ale jaką rozdzielczość ma ludzkie oko? Co prawda powinniśmy chyba najpierw odpowiedzieć na dwa wstępne pytania: co to jest rozdzielczość? I jak działa ludzkie oko?
Określenie „rozdzielczość” odnosi się w optyce do stopnia możliwości danego narzędzia do rozdzielania dwóch punktowych źródeł światła w jednym obrazie. Na przykład: wyobraźmy sobie dwie gwiazdy, które na niebie wyglądają na połączone (fizycznie wcale nie muszą być bardzo blisko siebie, jedna może być o wiele bliższa Ziemi niż druga, mogą być też „jedna za drugą”, ale na linii naszego wzroku skierowanego z Ziemi mogą się na siebie nakładać). Jeżeli je oglądamy przez teleskop o niskiej rozdzielczości, możliwe, że zamiast widzieć dwie gwiazdy, zobaczymy je razem jako jeden punkt albo jako jedną niewielką plamę. Natomiast jeżeli teleskop ma większą rozdzielczość, pokazuje nam dwie wyraźnie widoczne gwiazdy, dokładnie rozdzielone.
To samo zjawisko występuje w wypadku innych urządzeń, na przykład aparatów fotograficznych. Im wyższą mają rozdzielczość, tym lepiej oddzielają od siebie oglądane przedmioty, tym lepiej je rozdzielają i w związku z tym dają dokładniejsze zdjęcia. Aparat o niskiej rozdzielczości wykonuje fotografie, które – kiedy się je ogląda w powiększeniu – stają się niewyraźne i tracą na jakości. Kiedy mamy fotografię o wysokiej rozdzielczości, możemy ją nawet bardzo powiększyć i nie straci ona nic ze swej jakości. Podobnie zdjęcia cyfrowe, które są tworzone pikselami barw (to coś jakby atomy obrazu, jego najmniejsze cząstki, najmniejsze jednorodne jednostki w kolorze, które stają się częścią cyfrowego obrazu) – im więcej pikseli będzie mieć obraz, tym będzie on dokładniejszy, czyli będzie miał wyższą rozdzielczość. Największą przewagą takiego obrazu jest to, że może zostać wielokrotnie powiększony i tak wydrukowany.
Na przykład aparat fotograficzny może robić zdjęcia prostokątne, złożone z pikseli rozmieszczonych w rzędach i kolumnach. Jeśli założymy, że nasz obraz składa się z 1600 kolumn i 1200 rzędów pikseli, wszystkich dokładnie uporządkowanych, to rozdzielczość jest liczbą pikseli znajdujących się na powierzchni fotografii. Zatem jeżeli pomnożymy przez siebie te liczby (1600 x 1200), otrzymamy 1 920 000 pikseli, czyli 1,92 megapikseli (to określenie powinno ci być znane, bo takie dane są podawane przy opisie aparatu wbudowanego w smartfon). Ale uwaga: chociaż producenci zawsze się chwalą liczbą megapikseli w swoich smartfonach – coraz wyższą w miarę postępu technologii – trzeba mieć również na uwadze inne czynniki, które wpływają na jakość obrazów, takie jak: format i technologia matrycy światłoczułej, rozmiar piksela, cechy obiektywu, a wreszcie procesorów i oprogramowania odpowiedzialnego za obróbkę obrazów.
A oko? Czy ma piksele?
Rozpatrzmy w ogólnych zarysach, jak funkcjonuje ludzkie oko. Światło załamuje się na rogówce i przechodzi przez źrenicę (która się zwęża i rozszerza, aby regulować ilość światła, jaka przez nią wpada) oraz przez soczewkę (skupiającą obraz na rozmaitych odległościach). Powstały w ten sposób obraz odbija się na siatkówce w głębi oka jak na ekranie. Światło docierające do siatkówki powoduje zjawiska elektryczne i chemiczne, te zaś następnie zmieniają się w impulsy nerwowe, a nerw oczny przekazuje je do mózgu, który je z kolei interpretuje.

—–

CIEKAWOSTKA NAUKOWA: Jak widzimy, oko jest dość skomplikowanym narządem: chwyta i skupia światło, następnie przetwarza je na sygnały elektryczne, które z kolei mózg odczytuje jako obrazy. Wysoka technologia. Dlatego kreacjoniści, którzy odrzucają teorię ewolucji Darwina, wierząc, że Bóg stworzył świat i wszystkie żywe istoty w ciągu siedmiu dni, tak jak głosi Biblia, używają go jako dowodu boskiego projektu. Utrzymują, że oko jest tak skomplikowane, że nie mogło powstać przypadkiem, w trakcie ewolucji, zatem oko zostało stworzone przez Boga. Zwolennicy inteligentnego projektu mają podobne teorie, tyle że element religijny zastępują „wyższą inteligencją”, czymś w rodzaju projektanta, który w końcu jest dość podobny do pojęcia Boga, a właśnie tego pojęcia próbują unikać.

—–

Naukowcy (na przykład słynny zoolog Richard Dawkins) udowodnili, w jaki sposób selekcja naturalna doprowadziła do powstania oka i dlaczego wykazuje ono typowe niedoskonałości, jakie powoduje błądząca ewolucja. Nawet wszechpotężny ludzki mózg jest zresztą pełen takich ewolucyjnych ułomności. Gdyby oko czy mózg zostały zaprojektowane, byłyby przecież zaprojektowane jak najlepiej, co warto zawsze powtarzać (nikomu przecież nie przyjdzie do głowy, że Bóg mógłby być złym projektantem).
Ale wróćmy do naszego tematu. Na siatkówkę – czyli na ekran znajdujący się w głębi oka – wpada światło i wytwarza owe impulsy elektryczne, o których mówiliśmy. Z czego składa się siatkówka? Z dwóch rodzajów światłoczułych komórek: czopków i pręcików, których nazwy pochodzą od ich kształtów. W ludzkim oku znajduje się około stu milionów takich receptorów światła – z tym że czopków jest około 4,5 miliona, a resztę (ok. 90 mln) stanowią pręciki. Komórki te pełnią odmienne funkcje. Czopki znajdują się w centrum wzroku i odpowiadają za widzenie kolorów; rejestrują światło czerwone, niebieskie i zielone. Pręciki są ulokowane na obrzeżach siatkówki i rejestrują zaś jasność, czyli intensywność światła. Dlatego w ciemnościach czasem widzimy bardzo słabe światło (na przykład diodę standby stojącego w oddali telewizora), ale tylko gdy patrzymy kątem oka.
Skoro już doszliśmy do tego miejsca, możemy się zająć naszym pytaniem: jaką rozdzielczość ma ludzkie oko? – naturalnie biorąc pod uwagę, że możemy jedynie próbować ustalić jakąś analogię, ponieważ niewątpliwie nasze oko nie jest mechanizmem cyfrowym.
Przede wszystkim porównywanie oka do kamery zawsze będzie problematyczne, gdyż oko pobiera obrazy bez przerwy, dopasowuje się do rozmaitych środowisk, nigdy nie odpoczywa itd. A że wszystko, co ono rejestruje, zwłaszcza obrazy, nasz mózg przetwarza po fakcie – żaden aparat ani system sztucznej inteligencji nie może go – jak na razie – zastąpić. Prawdę mówiąc, nasze oko przypomina raczej wideokamerę niż aparat fotograficzny. Możemy jednak mniej więcej obliczyć jego rozdzielczość. Powiedzieliśmy już, że w oku znajduje się 4,5 miliona czopków, zatem jeśli je porównamy do pikseli, uzyskamy rozdzielczość 4,5 megapiksela. Należy wszak również pamiętać o pręcikach, których jest około 90 milionów, co łącznie daje nam rozdzielczość 94,5 megapiksela.
Ponadto powinniśmy jeszcze wziąć pod uwagę możliwość ruchu oczu, który obejmuje wielką powierzchnię: powiedzmy 120 stopni poziomo i 120 stopni pionowo. Jeśli każdy piksel to 0,3 minuty kątowej – wyjdzie nam razem jakieś 564,5 megapiksela rozdzielczości, co zresztą obliczył doktor Roger Clark z United States Geological Survey. Aparaty fotograficzne w telefonach mają 2, 5, 12, 16 megapikseli… a jeden z aparatów o największej rozdzielczości na świecie, tzw. Dark Energy Camera (wykonany przez Fermilab w celu sporządzenia map 300 milionów galaktyk dla obserwatoriów astronomicznych w Chile) ma 570 megapikseli… i kosztuje 35 milionów dolarów.
Zatem jasne, że ludzkie oko ma wartość bezcenną.