ВСЕ ВОЗВРАЩАЕТСЯ НА КРУГИ СВОЯ

Сила притяжения

Любознательность присуща всем членам моей семьи. Они с удовольствием исследуют все новое, обожают экспериментировать и делают это без излишней суеты. Поэтому никто из них не удивился, когда во время семейного ужина я отлучилась на кухню, чтобы отыскать там бутылку лимонада и горсть изюма. Был чудесный летний день. Мы — то есть моя сестра, тетя, Нана и мои родители — решили поужинать на свежем воздухе и накрыли стол в саду моей мамы. На кухне я нашла двухлитровую бутылку дешевого газированного лимонада, содрала с нее этикетку и поставила бутылку на середину стола. Присутствующие наблюдали за моими действиями со спокойным любопытством. Я отвинтила крышечку бутылки и всыпала внутрь горсть изюма. Из горлышка бутылки взвилось маленькое облачко газа, а затем, когда шипение пузырьков прекратилось, мы увидели внутри бутылки множество танцующих изюминок. Я думала, что это зрелище развлечет присутствующих каких-то пару минут, но Нана и мой отец оказались им буквально заворожены. Бутылка с лимонадом превратилась в некое подобие лава-лампы. Изюминки, сталкиваясь друг с другом, вращаясь вокруг собственной оси и пританцовывая, поднимались со дна бутылки к ее горлышку, а затем снова опускались на дно.

На стол уселся воробей, намеревавшийся склевать несколько крошек, и с подозрением уставился на бутылку. С другой стороны стола на бутылку не менее подозрительно уставился мой отец. «Этот фокус можно проделать только с изюмом?» — спросил он.

Ответ — «да», и по весьма веской причине. До того как вы снимете крышечку с бутылки с газировкой, давление внутри бутылки будет значительно превышать давление окружающего воздуха. В момент, когда вы отвинтите крышечку, оно резко снизится. В воде растворено значительное количество газа. Он удерживается в ней за счет высокого давления, но при его резком снижении газ может устремиться наружу. Проблема в том, что ему нужен путь для выхода из бутылки. Инициировать появление нового пузырька газа не так-то легко, поэтому молекулам газа гораздо проще присоединиться к какому-либо из уже существующих пузырьков. И тут на помощь приходят изюминки. Дело в том, что они покрыты V-образными складками, которые не на 100% заполнены лимонадом. На самом дне каждой такой складки есть протопузырек — крошечный карман газа. Вот почему нужны изюминки или что-то другое, достаточно маленькое, морщинистое и чуть-чуть более плотное, чем вода. Газ выделяется из лимонада и попадает в протопузырьки, причем на каждой изюминке нарастает нечто наподобие «спасательного жилета» из пузырьков, который движется вместе с изюминкой. Сами по себе изюминки обладают большей плотностью, чем вода, поэтому под силой тяжести опускаются на дно бутылки. Но после того как на изюминке нарастет несколько пузырьков, ее плотность в целом снижается и изюминка начинает всплывать к горлышку бутылки. Там пузырьки, которые выбрались на поверхность воды, лопаются, и вы можете наблюдать, как изюминки переворачиваются, когда пузырьки, собравшиеся на их нижней стороне, поднимаются на поверхность и тоже лопаются. Полностью лишившись «спасательного жилета», изюминка начинает опускаться на дно бутылки, поскольку ее плотность снова становится больше плотности воды. Это движение туда-обратно продолжается до тех пор, пока из лимонада не выйдет весь избыточный углекислый газ.

Примерно через полчаса причудливый танец изюминок в бутылке с лимонадом практически прекратился, и лишь отдельные экземпляры изюминок продолжали неспешный путь вниз и вверх, а лимонад при­обрел обескураживающий желтоватый цвет. Захватывающее зрелище круго­ворота изюминок в лимонаде превратилось в нечто, напоминающее бутылку мочи, доставленной в лабораторию для анализа, причем на дне бутылки скопились объекты, похожие на дохлых мух.

Впрочем, вы сами можете провести такой эксперимент. К тому же это прекрасный способ оживить скучную вечеринку. Только необходимо заранее запастись порцией изюма, сушеных ягод смородины или чего-нибудь в этом роде. Главное, чтобы пузырьки газа и ягоды становились одним целым и перемещались как одно целое. Когда изюминки обволакиваются воздушными карманами, они почти не изменяют своего веса, но зато занимают гораздо больше места. Отношение массы материала к объему заполненного им пространства называется плотностью, поэтому конструкция «изюминка плюс газовый пузырек» обладает меньшей плотностью, чем изюминка сама по себе. Сила притяжения может притягивать лишь материал как таковой, отчего менее плотные предметы испытывают меньшую силу притяжения к Земле. Именно потому некоторые объекты могут плавать: способность плавать — лишь один из уровней в гравитационной иерархии. Сила притяжения тянет плотные жидкости вниз, и любой объект, помещенный в некоторую жидкость, неминуемо всплывает на ее поверхность, если оказывается менее плотным, чем сама жидкость. Мы называем объекты, менее плотные, чем жидкость, в которую они помещены, плавучими.

Пространства, заполненные воздухом, позволяют управлять относительной плотностью и, следовательно, плавучестью. Как известно, одной из особенностей конструкции, которая должна была обеспечить не­потопляемость «Титаника», было наличие больших водонепроницаемых помещений, расположенных в нижней части корабля. Они должны были действовать как пузырьки воздуха, прилипшие к изюминке, и представляли собой своеобразные «воздушные карманы», призванные повысить плавучесть судна и удерживать его на плаву. Когда «Титаник» натолкнулся на айсберг, эти водонепроницаемые отсеки оказались не такими уж водонепроницаемыми и в конце концов заполнились водой. Эффект был таким же, как и в случае нескольких последних пузырьков, лопнувших на поверхности воды. Подобно изюминке, лишившейся «спасательного жилета», «Титаник» ушел на дно.

Мы согласны с тем, что предметы могут тонуть или плавать, но редко задумываемся о причине такого явления, как гравитация (сила гравитационного притяжения, сила тяжести). Театр нашей жизни (выражаясь языком Шекспира) разворачивается на сцене, где преобладает эта вездесущая сила, которая всегда напоминает нам, где находится «верх», а где — «низ». Она чрезвычайно полезна, так как приводит окружающие нас предметы в порядок, удерживая их на полу (для начала). Кроме того, это самая очевидная из сил, с которыми нам приходится как-то справляться. Силы, вообще говоря, странная штука: они невидимы и нам неведомо, что они замышляют. Но сила гравитационного притяжения (далее для краткости именуемая просто силой притяжения) всегда с нами, всегда действует в одном направлении и ее величина всегда одинакова (по крайней мере на поверхности Земли). При желании поэкспериментировать с теми или иными силами лучше всего начать с силы притяжения. А что будем исследовать первым? Разумеется, падение!

Трамплин и вышка для прыжков в воду позволят вам насладиться максимальным ощущением свободы и раскрепощенности. В момент прыжка вы полностью освобождаетесь от ощущения силы тяжести. Дело не в ее исчезновении, просто вы полностью отрешаетесь от нее, поскольку лишаетесь точки опоры. Вы можете совершать в воздухе всевозможные пируэты, подобно теоретически свободному телу, как если бы вы свободно парили в пространстве. При этом у вас появляется чувство необычайной свободы. Увы, оно непродолжительно: проблема возникает буквально через пару секунд, когда вы врезаетесь в водную поверхность. Есть два способа пережить этот неприятный момент: 1) проделать руками или ногами узкий туннель в воде и сгруппироваться таким образом, чтобы остальная часть вашего тела элегантно скользнула в этот туннель, минимизируя силу удара о воду; 2) свободно раскинуть в стороны руки и ноги и плюхнуться в воду животом или спиной, подняв вокруг себя столб брызг. Однако такой способ приводнения чреват весьма неприятными последствиями.

В молодости я не только прыгала в воду с трамплина, но и была тренером. Однако прыжки в воду с вышки ненавидела. Трамплин находится на высоте одного или трех метров над поверхностью воды в бассейне. Это немного напоминает прыжки на батуте. Вышка же — негибкий помост, расположенный на высоте 5, 7,5 или 10 метров над поверхностью воды. В бассейне, где я тренировалась, была только 5-метровая вышка, но я всеми силами избегала прыжков даже с такой не самой внушительной высоты.

С 5-метровой вышки вода в бассейне кажется очень далекой. Со дна бассейна всегда поднимается тонкая струйка воздушных пузырьков, поэтому водная поверхность хорошо видна даже в случае, когда в бассейне никто не плавает и поверхность воды совершенно гладкая. Самый простой прыжок, который спортсмены используют для разогрева, — это прыжок из «передней стойки» (лицом к воде). Стоя на краю доски, вы наклоняете верхнюю часть туловища вперед, в виде буквы L, руки сом­кнуты над головой, ноги прямые. В таком положении голова находится несколько ближе к воде, поэтому высота не кажется столь пугающей. Впрочем, страшно все равно. Затем вы слегка приподнимаетесь на носках — и отрываетесь от доски. Внезапно возникает ощущение свободы. Есть лишь вы и планета массой 6 миллионов миллиардов миллиардов килограммов, с которой вы связаны только штуковиной под названием сила притяжения, а законы Вселенной означают, что вы притягиваетесь друг к другу.

Гравитация, как и любая другая сила, ускоряет вас. Это следствие знаменитого второго закона Ньютона, который гласит, что любая результирующая сила, действующая на вас, изменяет вашу скорость. Отталкиваясь в статичном положении от доски на вышке для прыжков в воду, вы медленно начинаете двигаться. Интересная особенность ускорения заключается в том, что оно измеряется в единицах изменения скорости за секунду. Чтобы преодолеть первый метр, вам потребуется относительно продолжительное время (0,45 секунды). Но второй метр вы преодолеваете уже значительно быстрее, в результате чего для ускорения на этом отрезке пути (на втором метре) у вас останется меньше времени. После первого метра пути ваша скорость составит 4,4 метра в секунду, а после двух метров — всего 6,3 метра в секунду.

Таким образом, большую часть времени в ходе прыжка с вышки вы тратите в не самом лучшем месте — высоко над водой. За первую половину времени, которое вы проводите в воздухе, прыгая с 5-метровой вышки, вы преодолеваете лишь 1,25 метра. Затем события резко ускоряются. На все 5 метров вам требуется 1 секунда, и в конце этого пути ваша скорость составляет 9,8 метра в секунду. Вы выпрямляете тело, достигаете водной поверхности и стараетесь войти в воду так, чтобы фонтан брызг в результате вашего падения оказался как можно меньше.

Многие из тех, с кем я начинала заниматься прыжками в воду, охотно прыгали с самой высокой вышки. Я не отношусь к их числу. Мой личный опыт показывает, что чем больше времени вы находитесь в полете, тем выше вероятность допустить какую-то ошибку. Однако эта инту­итивная логика противоречит законам физики, поскольку вы движетесь настолько быстро, что прохождение нескольких дополнительных метров на самом деле лишь незначительно наращивает вашу скорость. Для преодоления 5 метров требуется 1 секунда, а 10 метров — всего 1,4 секунды. При этом вы движетесь лишь на 40% быстрее, хотя преодолеваете вдвое большую дистанцию. Я понимала это, но занималась прыжками в воду лишь около четырех лет и ни разу не прыгала с высоты, превышающей 5 метров. Нет, я боюсь не высоты, а последствий падения с нее. Чем дольше сила притяжения ускоряет мое падение, тем меньшее удовольствие доставляет мне фаза замедления, то есть вхождения в воду. Даже падение мобильного телефона на пол напоминает нам о том, что действие силы притяжения может повлечь за собой неприятные последствия. Как бы там ни было, чем больше высота, тем больше скорость в момент соприкосновения с поверхностью. Правда, из этого правила есть исключение.

На Земле существует предел воздействия на вас гравитации. Это объясняется тем, что вы ускоряетесь лишь результирующей силой, воздействующей на вас. Ускоряясь, вам приходится толкать на своем пути больше воздуха за один и тот же промежуток времени, причем этот воздух оказывает вам противодействие, толкая вас в обратном направлении. В какой-то момент эти две силы уравновешивают друг друга, и вы продолжаете полет с некоторой конечной скоростью — быстрее двигаться вы не сможете. В случае листьев, воздушных шаров и парашютов сила противодействия воздуха довольно большая по сравнению с силой притяжения Земли, поэтому баланс сил действия и противодействия наступает при относительно низкой скорости. Но для человека конечная скорость вблизи земной поверхности составляет примерно 190 км/ч. Как ни печально это звучит для тех, у кого есть шансы упасть с большой высоты, сопротивление воздуха совсем незначительно, пока они не достигнут очень высоких скоростей. Оно не настолько велико, чтобы гарантировать мне полную безопасность при прыжке с 10-метровой вышки. Даже сейчас я не решилась бы на такой прыжок.

* * *

Мои научные исследования касаются физики поверхности океана. Я — физик-экспериментатор, поэтому часть моей работы — морские экспедиции, в ходе которых я исследую процессы, протекающие на зыбкой и прекрасной границе между воздухом и океаном. По многу недель мне приходится работать на исследовательском судне, которое представляет собой нечто вроде плавучей, функциональной и мобильной научной деревни. Проблема длительного пребывания на корабле — необходимость жить с гравитацией, которая ведет себя не совсем так, как на суше. Понятие «внизу» становится весьма неопределенной концепцией. Предметы могут падать с такой же скоростью и в таком же направлении, как если бы вы уронили их на суше, но не всегда. Обнаружив на столе какой-нибудь незакрепленный объект, вы поневоле начинаете смотреть на него с подозрением, поскольку нет никакой гарантии, что он останется неподвижным. Жизнь на море проходит в окружении всевозможных амортизаторов, запертых на замок выдвижных ящиков, веревок, канатов и ковриков, которые обеспечивают прочное сцепление с подошвой обуви, что помогает вам более-менее сносно существовать в условиях постоянного действия некой капризной силы, которая, подобно научному полтергейсту, тянет окружающие вас предметы в непредсказуемых направлениях. Тема моих научных исследований — пузырьки, порождаемые разбивающимися волнами во время штормов. Поэтому мне приходится месяцами жить в море, причем порой в весьма некомфортных погодных условиях. Вообще говоря, мне нравится эта «морская романтика», к ней быстро привыкаешь. Однако я извлекла из морских экспедиций один важный урок: мы воспринимаем силу притяжения как нечто само собой разумеющееся и, как правило, не задумываемся о ее существовании. Во время одной из научных экспедиций в Антарктику корабельный казначей взял себе за правило по три раза в неделю проводить с нами что-то наподобие физзарядки. Он собирал нас в одном из холодных трюмов корабля, где мы, подчиняясь его командам, становились в круг и в течение часа дружно подпрыгивали, наклонялись, приседали и выполняли другие физические упражнения. Это была, наверное, самая эффективная групповая физ­зарядка, которую мне когда-либо приходилось делать, поскольку мы никогда не знали, какой силе нам предстоит сопротивляться в каждый очередной момент. Первые три упражнения «присесть-встать» могли казаться нам до смешного легкими, так как соскальзывание корабля с гребня волны вниз существенно снижало силу земного притяжения. Но только вы начинали чувствовать себя по-настоящему хорошо, как вас тотчас же настигало возмездие: корабль достигал подошвы волны. В этот момент притяжение становилось на 50% сильнее и внезапно возникало ощущение, будто вашим мышцам приходится преодолевать сопротивление резинового эспандера, один конец которого прикреплен к полу, а другой — к вашим плечам. Еще четыре упражнения «присесть-встать» — и гравитация вновь пропадает… Прыжки на месте давались еще тяжелее, потому что вы никогда не могли угадать, на какой высоте окажется пол в следующее мгновение. А после физзарядки, стоя под душем, вам приходилось ловить струю воды, которая направлялась то в одну то в другую сторону душевой кабинки по мере того, как корабль кренился то на один то на другой борт или наоборот, то на нос, то на корму в результате килевой качки.

Разумеется, с гравитацией все было в порядке. Все предметы на корабле притягивались к центру Земли с одной и той же силой. Но когда вы ощущаете силу земного притяжения, вы сопротивляетесь ускорению. Если среда, в которую вас поместили, сама приобретает ускорение (представьте, что вы находитесь в гигантской консервной банке и ее время от времени подбрасывают вверх, после чего она каждый раз падает вниз), то ваше тело не сможет уловить разницы между гравитационным и любым другим ускорением, действующим на вас. В конечном счете вы оказываетесь под действием «результирующего ускорения», не отдавая себе отчета в том, в чем его источник. Именно поэтому необычные ощущения, возникающие у вас в лифте, появляются лишь в начале и конце движения, когда лифт ускоряется, прежде чем достигнет своей «крейсерской скорости», и замедляется («отрицательное ускорение»), прежде чем полностью остановится. Ваше тело не улавливает разницы между ускорением лифта и ускорением, вызванным гравитацией, поэтому вы испытываете повышенную или пониженную «результирующую силу тяжести». В течение какой-то доли секунды вы можете почувствовать, каково жить на планете с другим гравитационным полем.

К счастью, большую часть времени мы не испытываем на себе подобных сложностей. Сила тяжести постоянна и действует в направлении центра Земли. «Вниз» — это направление, в котором падают предметы. Это известно даже растениям.

Моя мама — заядлый садовод и огородник, поэтому в детстве у меня было достаточно возможностей сеять семена, пропалывать сорняки, кривиться от вида слизняков и ворошить навозные кучи. Помню, меня всегда восхищали сеянцы, потому что они знали, где «верх», а где «низ». В глубине почвы, куда не проникает свет, после раскрытия оболочки семени новые корешки тянулись вниз, а нарождающийся стебелек — вверх. Вытащив из почвы любой саженец, вы легко могли убедиться в том, что растения никогда не ошибаются в выборе направления своего развития: корень неизменно прорастает в глубь почвы, а стебель устремляется вверх. Как они ориентируются в пространстве? Став постарше, я нашла ответ на этот вопрос — и он был на удивление прост. Оказывается, внутри семени есть специализированные клетки, называемые статоцитами, нечто вроде микроскопических «снежных шариков», встроенных в растение. Внутри каждой такой клетки есть особые крахмальные ядра, более плотные, чем остальной материал клетки, ориентированные в направлении нижней части клетки. Белковые сети наделены способностью к ориентации в пространстве, так что семя, а впоследствии и растение знают, где «верх», а где «низ». Когда в очередной раз будете сеять семена, вспомните о наличии в них некоего подобия «снежного шарика» и бросайте их в почву в каком угодно положении. Можете не сомневаться, растение справится с задачей, которую вы перед ним поставили.

Гравитация — чрезвычайно полезный инструмент. Отвесы и ватерпасы — дешевые и точные измерительные инструменты. Гравитация никогда вас не подведет и всегда укажет направление «вниз». Но если все вещи притягиваются друг к другу, то что можно сказать по поводу горы, которую я вижу в отдалении? Притягивает ли она меня? Что такого особенного в центре нашей планеты?

Мне нравится проводить время на морском побережье по многим причинам (волны, морская пена, солнечные закаты, морской бриз и т. п.), но больше всего меня привлекает освобождающее и ни с чем не сравнимое ощущение безбрежности моря. Когда я жила в Калифорнии, я снимала крошечный домик на самом берегу океана — так близко, что ночью был слышен шум прибоя. В саду у домика росло апельсиновое деревце, а с крыльца можно было наблюдать за течением окружающей жизни. В конце рабочего дня я любила приходить на берег океана, садиться на какой-нибудь крупный валун, отшлифованный морским прибоем, и любоваться солнцем, заходящим в Тихий океан. В детстве в Англии мне тоже нравилось прогуливаться по морскому берегу, наблюдая за рыбами, птицами или крупными волнами. Но когда я смотрела на океан в Сан-Диего, в моем воображении возникал образ планеты. Тихий океан безбрежен, занимая треть окружности, опоясывающей Землю по экватору. Наблюдая солнечный закат, я представляла гигантский шар, на котором живу. По правую руку от меня располагались (где-то очень далеко на севере) Аляска и Арктика, а по левую (гораздо дальше на юге) — Анды, тянущиеся почти до Антарктики. У меня едва не закружилась голова, когда я попыталась вообразить эти бескрайние дали. В какой-то момент мне даже показалось, что я непосредственно ощущаю в себе все эти места. Каждое из них изо всех сил притягивало меня к себе, а я, в свою очередь, притягивала их. Каждая частица массы притягивает к себе каждую другую частицу массы. Сила притяжения — чрезвычайно слабая сила. Даже маленький ребенок способен сопротивляться силе притяжения целой планеты. Тем не менее каждое из этих ничтожных по своей силе бесчисленных притяжений действует на нас. В совокупности они складываются в единую и вполне ощутимую для нас силу — гравитацию.

В 1687 году великий ученый Исаак Ньютон сформулировал в своей знаменитой книге Philosophiae Naturalis Principia Mathematica («Ма­тематические начала натуральной философии»), более известно «Начала», Закон всемирного тяготения. Используя правило, согласно которому сила притяжения между двумя предметами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, он показал, что результатом сложения всех сил притяжения на нашей планете (между прочим, очень многие из них взаимно компенсируются) является единая сила, направленная вниз, к центру Земли, и пропорциональная ее массе и массе притягиваемого ею предмета. Гора, которая находится от вас на вдвое большем расстоянии, будет притягивать вас к себе в четыре раза слабее. Из чего следует, что удаленные объекты оказывают на вас меньшее воздействие. Но как бы далеко от вас они ни располагались, их притяжение все равно нельзя сбрасывать со счетов. Сидя на берегу океана и глядя на закат солнца, я испытывала притяжение со стороны Аляски с севера и со стороны Анд с юга. Но поскольку эти силы были направлены в противоположные стороны, они компенсировали друг друга. Поэтому единственной силой, действовавшей на меня, была сила гравитации, направленная к центру Земли.

Таким образом, несмотря на то что нас притягивают к себе (прямо сейчас!) Гималайские горы, знаменитый оперный театр Сиднея, ядро Земли и огромное множество морских ракушек, нам вовсе не обязательно об этом знать. Все эти сложности отпадают сами по себе, оставляя нас один на один с простым инструментом. Чтобы предсказать силу, с которой притягивает меня Земля, мне нужно знать лишь две вещи: 1) как далеко от меня расположен ее центр; 2) какова ее масса. Прелесть теории Ньютона — в ее простоте и элегантности, а также доказуемости на практике.

Тем не менее это не отменяет того факта, что сила притяжения — весьма странное явление. Несмотря на то что объяснение гравитации, предложенное Исааком Ньютоном, по праву считается блестящим, у него есть один маленький недостаток: оно не раскрывает механизма гравитации. Никто не спорит с тем, что Земля притягивает яблоко, но каков механизм этого притяжения? Может, здесь вступают в действие какие-то невидимые нити? Может, за них тянут какие-то сказочные эльфы или феи? Внятных объяснений на сей счет не существовало до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не разработал общую теорию относительности. На протяжении 230 лет между открытием Ньютона и появлением общей теории относительности применялась ньютоновская модель гравитации (впрочем, она широко используется и поныне), поскольку, как уже говорилось выше, она подтверждается на практике.

Хотя силы невидимы, практически на каждой кухне есть устройство, позволяющее их измерять. Без него у вас не получится воплотить в жизнь ни один рецепт из кулинарной книги (особенно если речь идет о выпечке). Потребность в таком измерительном приборе обусловлена тем, что количество имеет значение: вам приходится измерять количества ингредиентов, необходимых для приготовления тех или иных блюд, причем как можно точнее. Неупоминаемый критически важный компонент таких измерений — наличие объекта, сопоставимого по размеру с нашей планетой. Какое счастье для всех гурманов, что, сидя на табурете у себя на кухне, мы опираемся ногами на объект, название которому — Земля!

У меня на кухне хранится блокнот, в который я с девятилетнего возраста записываю рецепты. Кстати, я обожаю готовить по многим рецептам из детства. Одно из таких блюд — морковный кекс. Страница, на которой он записан, за многие годы изрядно истрепалась и вся в жирных пятнах. Рецепт начинается со слов: «Возьмите 200 граммов обычной муки». Итак, хозяйка поступает очень разумно, относясь к своим действиям как к чему-то само собой разумеющемуся: она насыпает немного муки в миску и измеряет силу, с которой мука притягивается к Земле. Разумеется, процесс выполняется с помощью обычных весов. Вы помещаете весы в зазор между Землей и миской с мукой и оцениваете силу сжатия пружины (если речь идет о пружинных весах). Сила притяжения между любым объектом и нашей планетой прямо пропорциональна массе этого объекта и массе Земли. Поскольку масса Земли неизменна, сила притяжения зависит исключительно от массы миски с мукой. Весы измеряют вес, который есть не что иное, как сила притяжения между миской с мукой и планетой. Но вес — это просто масса муки, умноженная на силу притяжения, постоянную на наших кухнях. Таким образом, если вы измеряете вес и знаете силу притяжения, то можете определить массу муки в миске. Затем вам нужно отмерить 100 граммов сливочного масла, поэтому вы кладете кусок масла в миску, после чего докладываете или отнимаете оттуда ровно столько масла, чтобы его количество, оставшееся в миске, сжимало пружину весов в два раза слабее, чем в случае с мукой. Весы — чрезвычайно полезный и простой прибор для измерения количества тех или иных материалов. Ими может пользоваться любой из нас. Тяжелые объекты тяжелы только потому, что содержат большее количество «материи», в результате чего Земля притягивает их сильнее. В открытом космосе нет тяжелых предметов, поскольку локальная гравитация слишком слаба и не обеспечивает их более или менее ощутимого притяжения — если, конечно, вы не приблизитесь вплотную к какой-либо планете или звезде.

На самом деле кухонные весы измеряют силу притяжения — великую силу, не только обеспечивающую существование человеческой цивилизации, но и удерживающую всю Солнечную систему. Тем не менее эта сила чрезвычайно слаба и немощна. Масса Земли составляет 6 × 10²⁴ кило­грамма (6 тысяч миллиардов миллиардов тонн, если вы предпочитаете более крупные единицы измерения), но она может притягивать миску с мукой с силой весьма тонкого эластичного бинта. Впрочем, это тоже хорошо, поскольку в противном случае жизнь на Земле была бы невозможна. Однако это позволяет взглянуть на мир несколько иначе. Каждый раз, поднимая какой-либо объект, вы преодолеваете силу притяжения целой планеты. Солнечная система огромна, потому что гравитация слаба. Но у гравитации есть одно важное преимущество по сравнению со всеми другими фундаментальными силами — ее вездесущность. Она может быть слабой и становиться еще слабее по мере отдаления от Земли, но в космосе простирается на огромные пространства, притягивая другие планеты, звезды и галактики. При всей ничтожности сил тяготения именно это слабое силовое поле придает нашей Вселенной определенную структуру.

Тем не менее, чтобы поднять даже такой легкий объект, как готовый морковный кекс, понадобится некоторое усилие. Когда морковный кекс покоится на столе, поверхность стола оказывает на него давление снизу, толкая его вверх. Силы этого давления достаточно, чтобы уравновесить силу притяжения между кексом и планетой. Чтобы поднять кекс, вам нужно приложить несколько большую (буквально на самую малость) силу, достаточную для того, чтобы суммарная сила обеспечила его поднятие вверх. Нашей жизнью управляет не то, какие именно отдельные силы действуют на нас и окружающие предметы, а то, каков их результирующий баланс. Это существенно упрощает задачу. Действие тех или иных мощных сил можно вообще игнорировать, если они уравно­вешиваются действием других мощных сил. Проще всего представить эту ситуацию на примере твердых объектов, поскольку они сохраняют форму при воздействии тех или иных сил. А знаменитый разводной Тауэрский мост в центре Лондона с двумя грациозными башнями, несомненно, очень прочный объект.

Гравитация может стать серьезной помехой, потому что иногда вам приходится удерживать те или иные объекты «на весу», то есть в воз­духе. Для этого нужно преодолеть силу притяжения, направленную вниз. В противном случае предметы, которые вы пытаетесь удержать, падали бы на пол. Жидкости стекают вниз — по-другому не бывает. С твердыми предметами все несколько иначе. Такая концепция, как опора, позволяет эффективно нейтрализовать действие силы тяжести, применяя принцип детских качелей: доска, центр которой помещен на опору. В случае Тауэрского моста одна половина таких «качелей» скрыта от глаз зрителей. Мост покоится на двух рукотворных островах-опорах, каждый из которых расположен на трети расстояния через Темзу. Башни моста напоминают двух стражников, охраняющих въезд в Лондон со стороны моря. По мосту проходит дорога, соединяющая северную и южную части столицы.

На пешеходной дорожке через мост всегда полно туристов, увешанных фотокамерами и оживленно обсуждающих открывающийся замечательный вид. По проезжей части движется нескончаемый поток такси, автобусов и мотоциклов. Кое-где теснятся сувенирные лавки, кафе, маленькие магазинчики. Наша экскурсионная группа во главе с гидом пробирается сквозь этот хаос, устремляясь к конечной цели путешествия — «чреву» моста, чтобы увидеть механизм, обеспечивающий разведение его двух половин. Проникнув туда, мы оказываемся в царстве медных манометров, гигантских рычажных механизмов, клапанов и прочих механических устройств, символизирующих собой изобретательность и надежность инженерной мысли викторианской эпохи. Неповторимый внешний вид Тауэрского моста и его башен в стиле сказочных замков славится во всем мире, однако в данном случае нас интересует его внутренняя «начинка».

Лондон вот уже два тысячелетия является крупным портом. Особая прелесть города, раскинувшегося на берегах реки, в том, что в вашем распоряжении есть два берега, а не один, как в случае городов, расположенных на берегу океана. Однако Темза — не только путь для всего, что способно плавать, но и серьезное препятствие для всего, что перемещается на «своих двоих» или ездит на колесах. Через Темзу переброшено немало мостов, однако к 70-м годам XIX века город остро нуждался в еще одном. При его строительстве предстояло решить важную проблему: мост должен был не только удовлетворять потребность людей в свободном перемещении с одного берега Темзы на другой, но и не создавать препятствий для прохождения по Темзе достаточно высоких морских судов. Конструкторы Тауэрского моста предложили гениальное решения проблемы.

Мы спускаемся по крутой винтовой лестнице внутрь моста и проходим через несколько огромных каменных гротов, скрывающихся в основании башни. В первом расположены оригинальные гидравлические насосы, а в следующем, более крупном, мы наталкиваемся на деревянного монстра: бочку высотой с двухэтажный дом, которая служит временным накопителем энергии — чем-то вроде неэлектрической батареи. Но больше всего меня интересует третий, самый большой грот. Это камера, в которой размещается противовес.

Путь между двумя башнями фактически разделяется на две половины — крылья моста. Примерно тысячу раз в году под мостом проходят суда, и всякий раз при этом движение по мосту прекращается. Каждое крыло моста одним своим концом поднимается вверх, а по другую сторону оси, где оно закреплено в темной камере под башней, его скрытый конец — противовес — опускается вниз. Я всматриваюсь в этот противовес и пытаюсь прикинуть, сколько может весить такая махина. Словно угадав мои мысли, наш гид, Глен, заявляет: «Между прочим, внутри этой штуковины примерно 460 тонн свинцовых болванок и чугунных чушек. Они никак не закреплены и свободно перекатываются туда-сюда внутри противовеса, что хорошо слышно во время разведения крыльев моста. Когда на мосту проводят ремонтные работы, в противовес обычно добавляют или, наоборот, убирают какое-то количество болванок, чтобы крылья оставались идеально сбалансированными». (Похоже, мы стояли перед самой большой погремушкой в мире!)

Вот этот баланс и есть ключ к разгадке секрета таких «качелей». Чтобы развести крылья моста в сторону, не нужно прикладывать огромных усилий для их поднятия. Все, что требуется от механизма разведения моста, — слегка наклонить крылья. Концы крыла, расположенные по обе стороны оси, вокруг которой происходит поворот, идеально сбалансированы между собой. Это означает, что для приведения крыла в движение достаточно совсем незначительного усилия, необходимого только для того, чтобы преодолеть трение в подшипниках. Гравитация перестает, по сути, быть проблемой, поскольку сила тяжести по одну сторону оси точно сбалансирована с силой тяжести по ее другую сторону. Мы не можем избавиться от гравитации, но можем использовать ее против самой себя. К тому же мы можем создать очень большие «качели», что и сделали инженеры викторианской эпохи.

После экскурсии я немного прогулялась вдоль реки, а затем повернула в сторону моста. Мой взгляд на него полностью изменился, и мне нравилось, что теперь я воспринимаю его совершенно по-другому. У инженеров викторианской эпохи не было электроэнергии, компьютеров, которые могли бы управлять теми или иными процессами, новых материалов с уникальными свойствами (например, пластмасс или железобетона). Но они хорошо знали простые физические принципы. Простота конструкции Тауэрского моста — вот что мне особенно импонирует. Возможно, именно благодаря ей он продолжает исправно служить людям и после 120 лет эксплуатации (притом что за это время в его конструкцию было внесено минимальное число доработок и усовершенствований). Готическое возрождение, неоготика (этим техническим термином обозначают стиль fairy-castle — сказочный замок), — лишь оболочка, под которой скрываются гигантские «качели». Если инженеры когда-нибудь соорудят нечто подобное, то, я надеюсь, они догадаются сделать часть конструкции прозрачной, чтобы каждый мог оценить гениальную простоту их конструкторских решений.

Этот прием, позволяющий снизить остроту проблем гравитации, можно наблюдать повсеместно. Представьте, например, ось, расположенную на высоте 4 метра над поверхностью земли, с двумя 6-метровыми половинами «качели», балансирующими друг друга по обе ее стороны. Это не мост. Это тираннозавр, знаменитое плотоядное животное мелового периода. Две короткие толстые ноги удерживают его в вертикальном положении, а ось находится в области бедер. Причина, почему он раз за разом не падал плашмя на землю, мордой вниз, заключается в том, что крупная тяжелая голова хищника с острыми клыками уравновешивалась длинным мускулистым хвостом. Однако в жизни этой ходячей «качели» была одна проблема. Даже самый решительный и целеустремленный тираннозавр иногда испытывал потребность изменить направление движения. По оценкам ученых, тираннозаврам требовалось от одной до двух секунд, чтобы повернуться на 45°, что делало их чуть более неповоротливыми, чем умный и проворный тираннозавр из «Парка юрского периода». Что же могло в такой степени ограничивать огромного и мощного динозавра? Ответить на этот вопрос нам поможет физика.

Вращение фигуристки вокруг собственной оси вызывает у зрителей массу положительных эмоций: эстетическое удовольствие, изумление и восхищение безграничными возможностями человеческого тела. Но почему фигуристка, разведя руки в стороны, вращается медленнее, а прижав руки к телу, быстрее? Пример вращения фигуристки на льду полезно разобрать, потому что трение коньков о лед ничтожно и когда фигуристка вращается вокруг собственной оси, она обладает неким фиксированным «количеством» вращения. Кажется, нет ничего, что могло бы замедлить ее вращение. Поэтому действительно интересно, что, когда фигуристка изменяет свою форму, она изменяет и скорость вращения. Оказывается, по мере удаления тех или иных частей вращающегося тела от оси вращения при каждом очередном обороте им приходится совершать больший путь, в результате чего они, по сути, принимают на себя большую долю наличного «вращения». Если вы раскинете руки в стороны, они окажутся дальше от оси вращения и скорость вращения замедлится в качестве компенсации. В сущности, именно с этой проблемой столкнулся тираннозавр. С помощью ног он был способен вырабатывать лишь определенную величину поворачивающей силы (так называемый вращающий момент), а поскольку его огромная голова и хвост выступали далеко в стороны, подобно очень толстым, тяжелым чешуйчатым версиям рук фигуристки, его повороты были замедленными. Любое небольшое, но проворное млекопитающее (например, какой-либо из наших очень далеких предков) оказалось бы в большей безопасности, если бы знало об этой особенности тираннозавров.

Те же соображения объясняют, почему мы раскидываем руки в стороны, когда думаем, что падаем. Если я стою прямо, а затем внезапно начинаю клониться вправо, я поворачиваюсь вокруг своих лодыжек. Если перед тем, как начать падать, я раскину руки в стороны или вверх, та же опрокидывающая сила не успеет сместить меня настолько, насколько сместила бы в противном случае, и у меня останется больше времени, чтобы внести в свою позу поправки и удержать равновесие. Вот почему гимнасты, выполняющие упражнения на бревне, почти всегда держат руки вытянутыми в стороны: это увеличивает их момент инерции и у них остается больше времени, чтобы скорректировать свою позу и не упасть на пол. Разводя руки в стороны, поднимая их вверх и опуская вниз, вы можете совершать вращения вокруг собственной оси; кроме того, это помогает сохранять равновесие.

В 1876 году итальянская цирковая артистка Мария Спелтерина стала первой в мире женщиной, прошедшей над Ниагарским водопадом по натянутому канату. Сохранилась фотография, на которой она запечатлена на полпути через Ниагарский водопад, невозмутимо балансируя на канате (для усиления драматического эффекта ее ноги были «обуты» в корзинки для переноски персиков). Но самым заметным вспомогательным средством на фотографии был длинный горизонтальный шест в руках Марии — лучший инструмент для сохранения равновесия. Размаха рук для этого недостаточно, а длинный горизонтальный шест справляется с задачей гораздо эффективнее, позволяя Марии точно контролировать перемещения по натянутому канату. Если бы она начала терять равновесие, это бы происходило очень медленно, поскольку большое расстояние между концами шеста означает, что тот же самый вращающий момент сказывается гораздо слабее. Конечно, Мария могла упасть с каната в результате сильного наклона в одну сторону, но длинный шест существенно затруднял возможность переворота слева направо. То же самое относится к тираннозавру. Тот же физический принцип, который служил Марии лучшей защитой от падения с 50-метровой высоты и верной смерти в бурных водах Ниагарского водопада, за 70 миллионов лет до того не позволял тираннозавру быстро изменять направление движения.

Гравитация, то есть притягивание одних твердых тел другими, — хорошо знакомая нам концепция главным образом потому, что мы сами представляем собой «твердые объекты», испытывающие на себе силу притяжения. Однако наш мир населяют не только твердые объекты, но и жидкости. Вода и воздух перемещаются туда-сюда под влиянием действующих на них сил. Мне очень жаль, что перемещение жидкостей мы обычно не можем видеть столь же отчетливо, как опадание листьев или разведение мостов. Жидкости ощущают на себе воздействие тех же сил, но у них нет какой-то определенной формы — именно в этом и состоит прелесть мира динамики жидкостей: устремляющихся вдаль, образующих водовороты, извивающихся, удивляющих нас и вездесущих.

Лично мне пузырьки симпатичны тем, что они повсюду. Я рисую их в своем воображении как невоспетых героев физического мира, образующихся и лопающихся в котлах и тортах, биореакторах и ваннах, выполняющих всевозможные виды полезной работы, но проживающих уж очень короткую жизнь. Они — столь привычная часть нашего быта, что мы почти не обращаем на них внимания. Несколько лет назад я спрашивала у разных групп детей от пяти до восьми лет, где им встречаются пузырьки, и они наперебой рассказывали о газированных напитках, ваннах и аквариумах. Но в последней группе, с которой мне довелось общаться в тот день (это было уже под конец дня, и дети выглядели уставшими), мой вопрос о пузырьках был встречен раздраженным молчанием и отсутствующими взглядами. После долгой паузы и переминаний с ноги на ногу один шестилетний малыш поднял руку. «Итак, — сказала я с воодушевлением, — где ты мог видеть пузырьки?» Мальчик посмотрел на меня с нерешительностью, а затем громко объявил: «Сыр… и сопли». Мне не в чем было его упрекнуть, хотя ничего подобного ранее не приходило мне в голову. Вполне возможно, что с пузырящимися соплями ему приходилось иметь дело чаще, чем мне. Впрочем, я могу назвать по меньшей мере одного представителя животного мира, для которого пузырящиеся сопли — ключ ко всему его образу жизни. Я имею в виду фиолетовую морскую улитку, Janthina janthina.

Эти улитки, обитающие в море, обычно передвигаются по морскому дну или скалам. Если сковырнуть такую улитку со скалы и опустить в воду, то она утонет. Древнегреческий ученый Архимед (вы, конечно, помните его знаменитое «Эврика!») первым открыл принцип, определяющий условия, при которых некий предмет плавает или тонет. Скорее всего, Архимеда интересовал вопрос плавучести морских судов, но тот же принцип применим к улиткам, китам и всему остальному, что погружено или полупогружено в какую-либо жидкость. Архимед выяснил, что между погруженным объектом (улиткой) и водой, которая была бы на месте улитки, если бы она не была погружена в воду, происходит своего рода соревнование. И улитка, и вода вокруг нее притягиваются вниз, к центру Земли. Поскольку вода это жидкость, предметы в ней могут перемещаться легко. Сила притяжения объекта прямо пропорциональна его массе: удвойте массу улитки и вы удвоите ее силу притяжения. Но вода вокруг нее тоже притягивается вниз, к центру Земли, и если вода притягивается сильнее, улитка будет всплывать вверх, освобождая для нее место. Принцип Архимеда, сформулированный для нашего злополучного моллюска, гласит, что на улитку действует направленная вверх сила выталкивания, равная направленному вниз гравитационному притяжению того объема воды, которая могла бы занимать место, занимаемое улиткой. Действие этой так называемой выталкивающей силы (архимедова сила) испытывает на себе каждый погруженный в воду предмет. С практической точки зрения это означает следующее: если улитка обладает большей массой, чем вода, заполняющая пространство в форме улитки, то она выиграет гравитационное сражение и пойдет ко дну. Но если масса улитки меньше (и, следовательно, меньше плотность), чем воды, победу одержит вода и улитка всплывет на поверхность. У большинства морских улиток большая плотность, чем у морской воды в целом, и поэтому они тонут.

Значительную часть своей истории морские улитки тонули в воде. Но в какой-то момент в прошлом у «обычной» морской улитки день, что называется, не задался, и в ее защитную оболочку попал воздушный пузырек. Важная особенность плавучести заключается в том, что реальное значение для нее имеет лишь средняя плотность рассматриваемого объекта. Чтобы обеспечить его плавучесть, необязательно изменять его массу. Достаточно изменить величину занимаемого им пространства — а воздушные пузырьки занимают его немало. Однажды, очень давно, в защитную оболочку улитки попал более крупный воздушный пузырек, баланс нарушился и первая морская улитка начала постепенно подниматься со дна навстречу солнечному свету. Путь на поверхность моря был открыт — но лишь для улитки, которая запаслась довольно большим воздушным пузырьком. В действие вступили законы эволюции.

В наши дни Janthina janthina, наследница первых улиток, которые давным-давно ушли в небытие, — типичный обитатель теплых морей. Улитки, приобретшие ярко-фиолетовый цвет, выделяют такую же слизь, как и та, следы которой вы можете наблюдать ранним утром на камнях у себя в саду, и используют свое мускульное подножие для ее сворачивания и захватывания воздуха из атмосферы. Они строят для себя что-то наподобие плота из воздушных пузырьков, зачастую большего, чем они сами, чтобы их суммарная плотность всегда была меньше плотности морской воды, в которой они обитают. Они всегда плавают «вверх ногами» (плот из воздушных пузырьков вверху, раковина внизу), охотясь на проплывающих мимо медуз. Если на берегу моря вам встретится раковина фиолетовой улитки, вспомните все, что узнали о них из моей книги.

Плавучесть может быть весьма полезным свойством, способным кое-что поведать о содержимом плавучего объекта. Например, если вы возьмете две банки одинакового объема с газированными напитками — один диетический (с низким содержанием сахара), а другой обычный, сладкий на вкус, — то увидите, что банка с диетическим напитком плавает в воде, а со сладким — тонет. Объем банок один и тот же, разница в их содержимом. Все дело в большой плотности сахара. В стандартной (330 мл) банке со сладким газированным напитком содержится 35–50 граммов сахара, и именно эта дополнительная масса делает такую банку более плотной, чем вода, из-за чего банка в ней тонет. Масса подсластителя в банке с диетическим напитком ничтожна: по сути, в такой банке лишь вода и воздух, поэтому она плавает. Более полезный пример в этом отношении — сырое яйцо. Плотность свежего сырого яйца превышает плотность воды, поэтому оно тонет в холодной воде и лежит плашмя на дне сосуда. Но если свежее сырое яйцо полежит несколько дней в холодильнике, оно постепенно подсохнет, а, по мере того как вода будет просачиваться сквозь скорлупу яйца наружу, молекулы воздуха будут проникать в воздушный «карман» на скругленной стороне яйца, заполняя образовав­шуюся пус­то­ту. Яйцо, пробывшее в холодильнике примерно неделю, утонет в воде, но будет стоять вертикально, опираясь на свою заостренную сторону (дополнительный воздух, появившийся в яйце, будет располагаться ближе к поверхности воды). Но если такое яйцо целиком плавает на поверхности воды, значит, оно слишком долго лежало в холодильнике — так что лучше съешьте на завтрак что-нибудь другое!

Разумеется, если у вас есть возможность регулировать количество воздуха, который вы носите с собой, а также занимаемый им объем, то вы можете выбирать, плавать вам на поверхности воды или тонуть. Когда я начала изучать свойства воздушных пузырьков, я натолкнулась на статью, написанную в 1962 году. В ней безапелляционно заявлялось следующее: «Пузырьки создаются не только волнами, разбивающимися о скалы, но и гниющими материалами, отрыжкой рыб и метаном, выделяющимся с морского дна». Отрыжкой рыб? Для меня было очевидно, что эту статью писал один из так называемых кабинетных ученых, проводивший большую часть времени в каком-нибудь лондонском клубе, для кого бутылка портвейна гораздо ближе, чем реальный мир. Это показалось мне очень смешным, и я высказала свое мнение по этому поводу. Три года спустя, исследуя подводный мир у острова Кюрасао, я наткнулась на огромного тарпона (примерно полтора метра длиной), проплывшего мимо меня, выбрасывая через жабры большие количества отрыжки. На самом деле у многих костистых рыб есть воздушный карман, известный как плавательный пузырь, который помогает им управлять своей плавучестью. Умение настраивать свою плотность в соответствии с плотностью окружающей среды позволяет пребывать в состоянии равновесия и покоя. Плавательные пузыри тарпона необычны (тарпон — редкий пример рыбы, которая способна дышать непосредственно воздухом, а также извлекать кислород с помощью жабр), но я вынуждена признать, что тарпон действительно может отрыгивать через жабры. Тем не менее я настаиваю на том, что отрыжка рыб не может вносить существенный вклад в количество воздушных пузырьков в океане.

Последствия гравитации зависят от того, что к чему притягивается. Тауэрский мост — твердый объект, поэтому гравитация может изменить его положение, но не форму. Улитка также твердый объект; она перемещается в океанской воде, которая может ее обтекать, внося соответствующую поправку. Но газы обладают свойством текучести (благодаря этой способности и жидкости, и газы называются текучими средами). Твердые объекты, на которые воздействует сила притяжения, могут перемещаться в газах: шарик, наполненный гелием, и дирижабль поднимаются вверх по той же причине, по какой всплывает улитка с прилипшими к ней воздушными пузырьками. Они ведут «битву гравитации» с окружающими их текучими средами — и проигрывают.

Таким образом, присутствие постоянной гравитационной силы может порождать неустойчивость, что вообще-то означает наличие несбалансированных сил, и объекты будут менять свое положение до тех пор, пока не достигнут баланса. Если какой-либо твердый объект становится нестабильным, он переворачивается или падает, а любая окружающая его жидкость или газ просто обтекают его со всех сторон, создавая пространство для перемещения. Но что происходит, когда нестабильная вещь не отдельно взятый твердый объект наподобие шарика с гелием, а сама текучая среда?

Чиркните спичкой, зажгите фитилек свечи — и вспыхнет сноп яркого, раскаленного газа. Пламя свечи веками озаряет своим мягким теплым светом человека, склонившегося над рукописью, группу заговорщиков, школьников, корпящих над домашними заданиями, и влюбленных. Воск — мягкое, непритязательное топливо, и потому его преобразования еще более удивительны. Но это столь знакомое каждому из нас желтое пламя представляет собой компактную мощную печь, выделяемого тепла которой вполне достаточно для разрушения молекул и создания крошечных алмазов — причем все это формируется и «вылепливается» гравитацией.

Когда вы зажигаете фитилек свечи, тепло, исходящее от спички, плавит воск как в фитиле, так и вблизи него, в результате чего происходит первая трансформация в жидкость. Твердые парафины — это угле­водороды, молекулы, представляющие собой длинные цепочки с углеродным «позвоночником», состоящим из большого числа атомов (от двад­цати до тридцати). Нагрев не только придает им энергию для того, чтобы наползать друг на друга, образовывая нечто, похожее на клубок змей (а именно так выглядел бы жидкий парафин, если бы вы могли видеть его молекулы), но и некоторые из молекул приобретают энергию, позволяющую полностью оторваться от фитиля. Формируется столб раскаленного газообразного горючего такой высокой температуры, что он выталкивается в окружающий воздух, занимая огромное пространство по сравнению с относительно небольшим числом находящихся в нем молекул. Количество молекул остается неизменным, следовательно, результирующая сила гравитации, воздействующая на них, также не меняется. Но теперь эти молекулы занимают гораздо больше места, поэтому сила гравитации, воздействующая на каждый кубический сантиметр, снижается.

Подобно скользкой, покрытой пузырьками улитке в океане, этот раскаленный газ должен подниматься, поскольку находится в окружении холодного плотного воздуха, пытающегося проскользнуть под ним. Горячий воздух вздымается невидимым столбом, смешиваясь по пути с кислородом. Еще до того, как вы уберете горящую спичку от свечи, это топливо начинает распадаться и сгорать в кислороде, еще больше повышая температуру газа. Это те самые синие языки пламени, температура в которых достигает ошеломляющих 1400 °C. Фонтан зажженного вами огня усиливается по мере того, как раскаленный воздух еще быстрее выталкивается вверх. Пламя свечи подпитывается снизу, потому что фитиль — это просто длинная тонкая губка, вбирающая другие молекулы воска, расплавленного горящим фитилем.

Но топливо не сгорает идеально. В противном случае пламя оставалось бы синим и свечи были бы бесполезны в качестве источников света. Когда молекулы в виде длинных цепочек захватываются и «перемалываются» в процессе горения, часть их «обломков» не сгорает из-за нехватки кислорода в окружающей газообразной смеси. Крошечные частицы углерода (которые можно было бы назвать миниатюрными угольками) поднимаются и нагреваются, воспроизводя успокаивающее желтое свечение, когда их температура достигает 1000 °C. Свечение свечи — лишь побочный продукт столь сильного нагрева, результат нагрева миниатюрных угольков в огне. Эти крошечные частицы угле­рода нагреваются так сильно, что испускают в окружающую среду избыточную энергию в виде свечения. Выявлено, что процессы, происходящие в горящей свече, приводят к образованию не только нагара в форме графита (материала, который мы представляем себе как черный углерод), а и крошечных количеств более экзотических структур, которые могут возникать в результате объединения атомов углерода: бакибола (или фуллерена), углеродных нанотрубок и алмазных микрочастиц. Подсчитано, что в среднем пламя свечи порождает каждую секунду 1,5 миллиона наноалмазов.

Свеча — идеальный пример того, что происходит, когда текучей среде необходимо перестроиться, чтобы сбалансировать силу притяжения. Раскаленное сгорающее топливо поднимается очень быстро, когда холодный воздух подбирается снизу, в результате чего образуется непрерывный конвекционный поток. Если задуть свечу, столб раскаленного газообразного горючего еще в течение двух-трех секунд будет продолжать подниматься над свечой, а если вы поднесете сверху к фитилю вниз горящую спичку, то увидите, что пламя перекинется на фитиль, когда столб этих раскаленных газов зажжется вновь.

Конвекционные токи наподобие описанного выше способствуют переносу энергии и ее более равномерному распределению в случаях, когда та или иная текучая среда подогревается снизу. Именно наличием конвекционных токов объясняется столь высокая эффективность нагревателей для садков с рыбой, систем обогрева полов и кастрюль на кухонной плите. Без гравитации эти и подобные им устройства были бы совершенно бесполезны. Когда мы говорим, что «тепло поднимается», это не совсем так. Правильнее было бы сказать, что «более холодная текучая среда, выигрывая гравитационное сражение, опускается». Но вряд ли вы дождетесь слов благодарности за такое уточнение.

Плавучесть важна не только для воздушных шаров, улиток и романтических ужинов со свечами. Океаны — огромные двигатели нашей планеты — приводятся в действие гравитацией, как и все остальное на Земле. Океанские глубины не пребывают в неподвижности. Воды, которые не видели солнечного света много веков, обтекают нашу планету на своем долгом и медленном пути обратно к нему вдоль и поперек. Но прежде чем заглядывать в глубь океана, взглянем вверх. Когда в следующий раз увидите в ясный день высоко в небе крошечный движущийся объект — пассажирский самолет, летящий на крейсерской скорости, — попытайтесь прикинуть высоту, на которой он летит: примерно 10 километров. Затем представьте, что стоите на дне Марианского желоба — самой глубокой морской впадины. Расстояние от вас до поверхности океана будет примерно таким же, как от океанской поверхности до самолета. Даже средняя глубина океанов составляет 4 километра, то есть чуть меньше половины расстояния от их поверхности до самолета. Океан покрывает 70% поверхности Земли. Так что воды на нашей планете более чем достаточно.

На этих огромных глубинах скрывается хорошо знакомая нам картина. Тот же механизм, который заставляет изюминки «танцевать» в бутылке с лимонадом, приводит в действие безбрежные океаны на Земле, обеспечивая неспешное перемещение вод по планете. Несмотря на разницу в масштабах и практических последствиях этих двух явлений, их базовый физический принцип точь-в-точь один и тот же. Землю нередко называют «голубой планетой», и эта «голубизна» пребывает в непрерывном движении.

Но чем обусловлено это движение? У океанов были миллионы лет, чтобы прийти в состояние равновесия и покоя. Что же мешает им застыть в неподвижности? Две вещи — нагрев и соленость воды. То и другое влияет на плотность морской воды, а любая текучая среда, имеющая области с разной плотностью, приходит в движение, когда разворачивается битва гравитации. Хотя общеизвестно, что морская вода соленая, я всякий раз не перестаю удивляться, думая о том, какое огромное количество соли в ней растворено. Чтобы сделать воду в обычной ванне, установленной в наших квартирах, такой же соленой, как морская вода, в ней нужно растворить до 10 килограммов соли, то есть небольшое ведро. Ведро соли на одну ванну! Концентрация соли в морской воде неодинакова во всех частях Мирового океана и колеблется приблизительно от 3,1 до 3,8%. Хотя эта разница кажется не такой уж существенной, она играет немаловажную роль. Подобно тому как добавление сахара в газированный напиток делает его плотнее, колоссальное количество соли в морской воде делает ее более плотной, чем пресная вода. У холодной воды большая плотность, чем у теплой. Между тем температура морской воды колеблется примерно от 0 °C вблизи полюсов до 30 °C вблизи экватора. Таким образом, холодная насыщенная солью вода опускается на дно, а более теплая и менее насыщенная солью устремляется вверх. Этот простой механизм движения морской воды обусловливает ее непрерывное перемещение в масштабах планеты. Возможно, проходит не одна тысяча лет, пока какая-то определенная капля воды не вернется в ту же точку Мирового океана, в которой когда-то уже успела побывать.

В Северной Атлантике вода охлаждается по мере того, как ветер выдувает оттуда тепло. Там, где на водной поверхности образуется лед, он представляет собой практически пресную воду: соль остается внизу. В совокупности эти процессы делают морскую воду холоднее, солонее и плотнее, поэтому она начинает опускаться на дно, расталкивая по пути менее плотную воду. Здесь сказывается действие все той же гравитации. Когда эта вода медленно скользит вдоль морского дна, она движется подобно реке, по «руслу», образованному подводными долинами, а путь ей преграждают горные хребты. Из Северной Атлантики она течет по дну океана со скоростью нескольких сантиметров в секунду на юг и примерно через тысячу лет достигает своего первого препятствия, Антарктики. Не имея возможности пробираться дальше на юг, вода поворачивает на восток, где на ее пути встает Южный океан. Этот океан, опоясывающий огромным водным кольцом «нижнюю оконечность» нашей планеты, связывает воедино всю морскую воду на Земле, поскольку на своем пути вокруг Антарктики (или, как ее еще называют, «белого континента») сливается с нижними краями Атлантического, Индийского и Тихого океанов. Огромный, медленный поток воды из Северной Атлантики обтекает Антарктику, пока снова не повернет на север, продолжая свое путешествие и вливаясь в воды Индийского или Тихого океанов. Постепенное смешивание с окружающими водами снижает плотность прибывшей из Северной Атлантики воды, и — примерно через 1600 лет, на протяжении которых до нее не добирался солнечный свет — она мало-помалу устремляется к поверхности. Здесь дождевая вода, речные стоки и расплавленный лед дополнительно снижают в ней концентрацию соли, в то время как океанские течения, подгоняемые ветрами, несут эту воду дальше, пока она наконец не завершит свое великое путешествие в водах Северной Атлантики — возможно, чтобы повторить этот цикл. Данный процесс называется термохалинной циркуляцией (thermohaline circulation: thermo — нагрев, haline — соль), или «океанской конвейерной лентой», и хотя нарисованная мной картина несколько упрощена, эти течения действительно опоясывают всю планету и приводятся в движение гравитацией. Поверхностные течения, вызываемые преобладающими направлениями ветра, на протяжении многих столетий служили неплохим подспорьем мореплавателям и торговцам. Но океанская конвейерная система в целом обеспечивает человеческой цивилизации доставку груза не меньшей важности — тепла.

На экваторе поглощается больше солнечного тепла, чем в любой другой части планеты, так как у экватора Солнце стоит над горизонтом выше, чем в любом другом месте Земли, и охват Земли по экватору — самый протяженный, вследствие чего здесь самая большая площадь для поглощения. Для нагрева океанских вод даже на сотую долю градуса требуется колоссальное количество энергии, поэтому теплые океаны похожи на гигантский аккумулятор солнечной энергии. Движение океанских вод перераспределяет эту энергию в масштабе всей планеты, а термохалинная циркуляция определяет на ней картину погоды. Значительная часть нашей тонкой и переменчивой атмосферы располагается над постоянным резервуаром тепла, непрерывно поставляющего энергию разным частям планеты и сглаживающего крайности.

Вся слава достается атмосфере, но именно океаны поддерживают трон. Глядя в следующий раз на глобус или снимок Земли, сделанный со спутника, не воспринимайте океаны как пустые голубые пятна, разделяющие столь интересные для нас континенты. Вспомните о мощном воздействии на них гравитации и попытайтесь воспринимать эти голубые пятна как грандиозный механизм, обеспечивающий жизнь на планете.

Отправить