Глава девятнадцатая

Лед и пламень

Когда Коул Портер в 1948 году сочинил шлягер «Ну и жарища» («Too Darn Hot») для своего бродвейского мюзикла «Целуй меня, Кэт», то жаловался в этой песенке на температуру не выше 35–40 градусов по Цельсию. Если воспользоваться стихами Портера как руководством по выбору верхнего предела температуры для приятных занятий любовью, вреда от этого не будет. Если сопоставить это с тем, что делает с эротическими порывами обычного человека холодный душ, получится вполне приличная оценка того, как узок диапазон приемлемых температур для нагого человеческого тела – от нуля по Цельсию с отметкой комнатной температуры где-то посередине.

Во Вселенной все по-другому. Как вам температура в 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 градусов? Это сто тысяч миллиардов миллиардов миллиардов градусов. А еще это температура Вселенной спустя крошечную долю секунды после Большого Взрыва, когда вся энергия, вещество и пространство, которому предстояло превратиться в планеты, петунии, пряники и специалистов по физике частиц, были расширяющимся шаром из кварк-глюонной плазмы. И пока космос не остыл во много миллиардов раз, в нем не могло существовать ничего, что можно было бы назвать предметом или явлением.

Как велят законы термодинамики, примерно через секунду после Большого Взрыва расширяющийся огненный шар остыл до 10 миллиардов градусов и раздулся от размеров меньше атома до объема около тысячи Солнечных систем. Когда прошло три минуты, во Вселенной настала блаженная прохлада всего в миллиард градусов и вовсю шла работа по созданию простейших атомных ядер. Расширение – верная служанка остывания, и они с тех пор так и трудятся, не покладая рук.

Сегодня средняя температура Вселенной составляет 2,73 градуса по Кельвину. Все упоминавшиеся до сих пор температуры, кроме диапазона человеческого либидо, указаны в градусах Кельвина. Градус Кельвина соответствует на шкале температуры тому же интервалу, что и градус Цельсия, только на шкале Кельвина нет отрицательных чисел. Нуль есть нуль, и точка. Чтобы отмести все сомнения, нуль на шкале Кельвина называется абсолютный нуль.

Шотландский инженер и физик Уильям Томпсон, который впоследствии стал лордом Кельвином – и под этим именем прославился, – был первым, кто выдвинул идею минимальной возможной температуры. Это было еще в 1848 году. В лаборатории ее так и не удалось получить. И в принципе никогда не получится, хотя ученые подобрались к абсолютному нулю до ужаса близко. В лаборатории физика из Массачусетского технологического института Вольфганга Кеттерле в 2003 году искусными методами была получена температура в 0,0000000005 K (или, как сказали бы фанаты метрических систем, в 500 пикокельвинов).

Между тем космические явления охватывают поразительно широкий диапазон температур. Одно из самых жарких мест в сегодняшней Вселенной – ядра голубых звезд-сверхгигантов в часы коллапса. Перед самым взрывом сверхновой, в результате которого все окрестности звезды сильно разогреваются, ее температура взлетает до 100 миллиардов К. Для сравнения, в недрах Солнца всего 15 миллионов К.

На поверхностях гораздо прохладнее. Оболочка голубого сверхгиганта разогрета примерно до 25 000 К – этого, конечно, достаточно, чтобы испускать голубой свет. На нашем Солнце можно намерять 6000 К – этого достаточно, чтобы светить белым светом, и достаточно, чтобы плавить и испарять всю таблицу Менделеева. На поверхности Венеры 740 К, и этого хватит, чтобы поджарить любую электронику, которой обычно оснащают космические зонды.

Значительно ниже по шкале располагается точка замерзания воды – 273,15 К, что прямо-таки тепло по сравнению с 60 К на поверхности Нептуна, почти в 5 миллиардах километров от Солнца. Еще холоднее на Тритоне, одном из спутников Нептуна. Его поверхность, покрытая замерзшим азотом, охлаждена до 40 К, и это самое холодное место в Солнечной системе по эту сторону от Плутона.

Где же здесь место для обитателей Земли? Средняя температура тела человека – 36,6 градусов Цельсия – находится чуть ниже 310 по шкале Кельвина. Официально зарегистрированные температуры на Земле колеблются от жары в 331 К (57,8 °C, в ливийском городе Эль-Азизия в 1922 году) до мороза в 184 К (–89,15 °C, на базе Восток в Антарктиде в 1983 году). Однако при таких экстремальных температурах человеку без соответствующей экипировки не выжить. Если в Сахаре не укрыться от жары, то перегреешься, а без груды одежды и караванов провизии в Арктике обязательно замерзнешь. А между тем живущие на Земле микроорганизмы-экстремофилы, и термофилы (теплолюбивые), и психрофилы (холодолюбивые), изобретают разнообразные механизмы приспособления к температурам, при которых мы с вами изжарились бы или промерзли до костей. В сибирской вечной мерзлоте, насчитывающей 3 миллиона лет, обнаружили жизнеспособные дрожжевые грибки – безо всякой одежды. Один вид бактерий, проведший 32 000 лет в ледяном плену у вечной мерзлоты на Аляске, пробудился и начал плавать, едва растаял лед. И сейчас, когда вы читаете эти строки, разные виды архей и бактерий живут себе припеваючи в кипящей грязи, бурлящих горячих источниках и подводных вулканах.

В таких же поразительных условиях выживают даже сложные организмы. Крошечные беспозвоночные под названием тихоходки способны при соответствующей провокации временно приостанавливать обмен веществ. В этом состоянии они переносят температуры в 424 К (150 °C) в течение нескольких минут, а 73 К (–200 °C) – в течение нескольких дней кряду, так что им вполне хватило бы жизнестойкости, чтобы высадиться на Нептуне. Когда вам в следующий раз понадобятся космические путешественники с «соответствующей закалкой», стоит набрать экипаж из дрожжей и тихоходок, а всевозможные космонавты, астронавты и тайконавты пусть отдохнут дома.

* * *

Температуру часто путают с теплом. Это распространенное заблуждение. Тепло – это общая энергия всех движений всех молекул в выбранном вами веществе. Так сложилось, что внутри смеси диапазон энергий очень широк: одни молекулы движутся быстро, другие медленно. Температура всего лишь отражает их среднюю энергию. Например, температура чашки горячего кофе выше, чем температура бассейна с подогревом, однако вся вода в бассейне содержит куда больше тепла, чем одинокая чашечка кофе. Если вы по невоспитанности выльете свой кофе при температуре 93 °C в бассейн с температурой 37 °C, бассейн вовсе не нагреется до «средней» температуры в 64 °C. И хотя два человека в одной постели испускают вдвое больше тепла, чем один человек в постели, средняя температура двух их тел – 36,6 °C и 36,6 °C – не создает под одеялом духовку с температурой в 73,2 °C.

Ученые XVII и XVIII веков считали, что жар тесно связан с горением. А горение в их понимании происходило, когда из предмета истекал флогистон, гипотетическая субстанция, в основном характеризующаяся именно горючестью. Если сжечь полено в камине, воздух унесет весь флогистон, а лишенное флогистона полено окажется всего-навсего грудой золы.

К концу XVIII века французский химик Антуан-Лоран Лавуазье предложил вместо теории флогистона теорию теплорода. Лавуазье считал, что тепло – это «флюид», простое вещество, невидимое, невесомое, без вкуса и запаха, которое передается от одного предмета к другому посредством горения или трения. Представление о тепле было в корне неверным до середины XIX века – пока не набрала обороты промышленная революция, когда в рамках новой отрасли физики под названием «термодинамика» оформилась более широкая концепция энергии.

* * *

Научное представление о природе тепла поставило в тупик множество самых гениальных умов, однако идею температуры вот уже много тысяч лет интуитивно понимают и ученые, и неученые. Если предмет горячий, значит, температура у него высокая. Если холодный – низкая. Эту связь подтверждают и термометры.

Изобретение термометра часто приписывают Галилею, однако первые такие приборы, возможно, создал изобретатель Герон Александрийский, живший в I веке до н. э. В книге Герона «Пневматика» есть описание «термоскопа» – устройства, которое показывает изменение объема газа при нагревании и остывании. В эпоху Возрождения «Пневматика», как и многие другие древнегреческие тексты, была переведена на латынь. В 1594 году Галилей прочел ее и, как впоследствии в случае с недавно изобретенным телескопом, сразу же создал усовершенствованный термоскоп. То же самое сделали и несколько его современников.

Главное в термометре – шкала. Есть любопытная традиция, которая идет еще с начала XVIII века: калибровать единицы температуры так, чтобы распространенным явлениям соответствовали числа, которые удобно делить – те, у которых много делителей. Исаак Ньютон предложил шкалу от нуля (таяние льда) до 12 (температура тела человека); ясно, что 12 делится нацело на 2, 3, 4 и 6. Датский астроном Оле Рёмер предложил шкалу от нуля до 60 (поскольку 60 делится на 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20 и 30). По шкале Рёмера нулем обозначалась самая низкая температура, какой ему удалось достичь при помощи смеси из воды, льда и соли, а 60 градусов приходились на точку кипения воды.

В 1724 году немецкий мастер Даниэль Габриэль Фаренгейт – тот самый, который в 1714 году изобрел ртутный термометр – придумал более точную шкалу, разделив каждый градус Рёмера на четыре равные части. По новой шкале вода вскипала при 240 градусах, замерзала при 30, а температура человеческого тела составляла 90 градусов. После дальнейших уточнений диапазон от нуля до температуры тела составил 96 градусов, поскольку число 96 – это еще один чемпион по делимости (оно делится на 2, 3, 4, 6, 8, 12, 16, 24, 32 и 48). Точка замерзания воды стала отметкой в 32 градуса.

Шведский астроном Андерс Цельсий пошел по другому пути и в 1742 году предложил стоградусную шкалу температуры, лучше подходящую для десятеричной системы исчисления. При этом точка замерзания помещалась на отметке 100 градусов, а точка кипения – на нуле. Надо сказать, что это был не первый и не последний раз, когда астроном размечал шкалу в обратную сторону. Но какой-то неведомый благодетель, – весьма вероятно, ремесленник, которому заказали шкалы для термометров Цельсия – оказал человечеству неоценимую услугу и перевернул разметку, благодаря чему мы и получили всем известную шкалу Цельсия. Такое чувство, что число нуль само по себе парализует у иных людей мыслительные способности. Как-то раз лет двадцать назад, в бытность аспирантом, я приехал к родителям на зимние каникулы. Они тогда жили к северу от Нью-Йорка. Я включил радио, чтобы послушать классическую музыку. На северо-восток надвигалась волна холодного воздуха из Канады, и между частями «Музыки на воде» Георга Фридриха Генделя диктор объявлял о снижении температуры воздуха: «Пять градусов по Фаренгейту… четыре… три градуса»… И наконец огорченно воскликнул: «Если так и дальше пойдет, скоро никакой температуры не останется!»

Отчасти ради того, чтобы избежать подобных неловких признаний в невежестве, международное научное сообщество предпочитает пользоваться шкалой температуры Кельвина, где нуль стоит на подобающем месте – в абсолютном низу. Любое другое положение нуля произвольно и не слишком приспособлено для арифметических комментариев в прямом эфире.

Несколько предшественников Кельвина измеряли сокращение объема газа при охлаждении и установили, что −273,15 градусов по Цельсию или −459,67 градусов по Фаренгейту – это температура, при которой молекулы любого вещества обладают минимально возможной энергией. Другие эксперименты показали, что −273,15 °C – это температура, при которой газ при постоянном давлении сожмется до нулевого объема. Поскольку нулевого объема у газа не бывает, отметка −273,15 °C стала незыблемой нижней границей шкалы Кельвина. Разве можно найти для такой отметки название удачнее, чем «абсолютный нуль»?

* * *

Можно сказать, что Вселенная в целом ведет себя немного как газ. Если заставить газ расширяться, он охлаждается. В прошлом, когда Вселенная насчитывала всего-то полмиллиона лет от роду, температура в ней была около 3000 К. Сегодня она меньше 3 К. Неумолимое расширение навстречу холодной гибели привело к тому, что нынешняя Вселенная в тысячу раз больше и в тысячу раз холоднее, чем во младенчестве.

На Земле температуру обычно меряют, сунув градусник в какое-нибудь естественное отверстие в живом организме или прикоснувшись термометром к предмету каким-то другим, менее инвазивным способом. Подобная форма прямого контакта позволяет движущимся молекулам внутри термометра достичь такой же средней энергии, что и молекулы предмета, температуру которого мы измеряем.

Если термометр просто лежит себе на воздухе, а не занимается трудами праведными в куске запеченного мяса, ему говорит, какую показывать температуру, средняя скорость сталкивающихся молекул воздуха. Кстати, о воздухе: в определенное время и в определенном месте на Земле температура воздуха на солнцепеке примерно такая же, что и температура воздуха под ближайшим деревом. Тень всего-навсего прикрывает термометр от энергии солнечного света, которая практически вся проходит через атмосферу, не поглощаясь, и попадает вам на кожу, и от этого-то у вас и возникает ощущение, что вы горячее окружающего воздуха. Однако в пустоте никакого воздуха нет и нет движущихся молекул, которые заставят термометр что-то показать. Поэтому вопрос «Какая температура в космосе?» очевидного смысла не имеет. Если к термометру ничего не прикасается, он может регистрировать лишь энергию излучения всех источников, которое на него попадает.

На дневной стороне нашей Луны, лишенной атмосферы, термометр покажет 400 К (127 °C). Отойдите на несколько шагов в тень валуна или перейдите на ночную сторону Луны – и термометр тут же упадет до 40 К (–233 °C). Чтобы пережить лунный день без скафандра с контролем температуры, вам пришлось бы закладывать пируэты, чтобы попеременно разогревать и охлаждать разные части тела и как-то сохранять приемлемую температуру.

* * *

Если ударит совсем уж лютый мороз и вам захочется собрать как можно больше энергии излучения, лучше наденьте что-нибудь темное, а не блестящее.

Точно так же и термометр. Чем обсуждать, в какую обшивку помещать его в космосе, предположим, что можно сделать термометр с идеальным поглощением. А теперь, если вы поместите его посреди пустоты – например, на полдороге между Млечным Путем и галактикой Андромеда, вдали ото всех очевидных источников излучения, – термометр в конце концов покажет 2,73 К, нынешнюю фоновую температуру Вселенной.

В последнее время космологи пришли к согласию в том, что Вселенная будет расширяться вечно. К тому времени, как космос удвоится в размерах, его температура упадет вдвое. К тому времени, как он еще удвоится, температура снова снизится в два раза. Пройдут триллионы лет, весь оставшийся газ будет задействован при создании звезд, а все звезды сожгут все свое термоядерное топливо. Между тем температура расширяющейся Вселенной будет все падать и падать и все сильнее приближаться к абсолютному нулю.