ПОЧЕМУ У УТОК НЕ МЕРЗНУТ ЛАПЫ?

Танец атома

Большинство людей считают соль ничем не примечательным продуктом, который обычно хранят в шкафчике на кухне. По крайней мере она почти никогда не оказывается в центре внимания. Но, присмотревшись к горсти соли внимательнее, особенно при ярком освещении, нетрудно заметить, как она искрится. Если поднести горсть соли ближе к глазам, сверкание ее кристаллов станет еще отчетливее. Посмотрите на горсть соли сквозь увеличительное стекло, вы увидите, что форма ее кристаллов вовсе не произвольна, а их грани выглядят так, словно их тщательно отполировали. Каждый кристаллик имеет форму правильного куба, причем размер его грани примерно полмиллиметра. Сверкание кристаллов соли объясняется тем, что свет отражается от их плоских граней, которые ведут себя как крошечные зеркала. Если горсть соли осторожно помешивать ложечкой, то грани многочисленных кристалликов будут искриться, отражая свет под разными углами. Материал, добываемый путем бурения в соляной шахте, имеет вид крошечных «скульптур» одинаковой формы. Это единообразие вовсе не результат каких-то особенных способов добычи соли: просто так она формируется. И это указывает на то, из чего изготовлен данный материал.

Поваренная соль представляет собой хлорид натрия и состоит из равных количеств ионов натрия и хлора. Вы можете думать о них как о шариках разных размеров: диаметр иона хлорида почти в два раза больше диаметра иона натрия. Когда образуется соль, каждому из ее компонентов отведено определенное место в весьма специфической структуре. Как яйца во множестве гигантских лотков, уложенных друг на друга, ионы хлорида выстраиваются в длинные ряды и столбцы, формируя пространственную кристаллическую решетку. Получается нечто вроде множества крошечных кубических структур, каждая из которых образована восемью ионами хлорида с ионом натрия посредине. Кристалл поваренной соли представляет собой гигантскую пространственную сетку кубической формы, причем каждая сторона такого огромного куба состоит примерно из миллиона атомов хлора. Когда кристаллы соли растут, они, как правило, наращивают очередной новый слой поперек всей плоской грани — и так слой за слоем. Таким образом, в процессе роста кристалла соли его грани сохраняют плоскую форму, поскольку каждый очередной слой идеально укладывается на предназначенное для него место. Плоские грани каждого куба могут отражать свет, подобно зеркалу.

Мы не можем видеть отдельные атомы, зато можем видеть образованную ими структуру, так как кристалл соли представляет собой один и тот же многократно повторяющийся шаблон. У него очень простое строение, а больший кристалл соли — лишь увеличенная копия меньшего кристалла. Плоская форма каждой его грани, благодаря которой соль сверкает под лучами солнца, обусловлена тем, что в жесткой кристаллической решетке соли за каждым отдельным атомом закреплено строго определенное место.

Сахар также сверкает под воздействием солнечного света, но если к его кристаллам (особенно к крупным, которые характерны для гранулированного сахара) присмотреться внимательнее, можно заметить кое-что даже более прекрасное. Эти кристаллы представляют собой шестигранные столбики с заостренными концами. Каждая молекула сахара состоит из сорока пяти разных атомов, соединенных между собой строго определенным образом, одним и тем же в каждой отдельной молекуле. Одна молекула сахара — строительный элемент кристаллической скульптуры довольно сложной формы. Как и гораздо более простые кристаллы соли, молекулы сахара также укладываются друг поверх друга, образуя правильную кристаллическую решетку, причем всем им присуща одна и та же структура. Опять же, мы не можем видеть атомы, но можем видеть структуру, поскольку кристалл в целом представляет собой гигантский штабель — «небоскреб», составленный из молекул. Поскольку грани шестигранного столбика плоские, они могут играть роль зеркала, в результате чего сахар сверкает, так же как соль.

А вот мука, рис и зерновые культуры не сверкают на солнце, потому что их структура намного сложнее: они состоят из крошечных «живых фабрик», которые мы называем клетками. Единственная причина, почему у кристаллов поваренной соли и сахара идеально плоские грани, кроется в их простой структуре: это всего лишь ряды и столбцы атомов, занимающих строго фиксированные положения. И эта идеально повторяющаяся структура возможна потому, что в ее основе лежат миллиарды крошечных идентичных строительных блоков — атомов. Сверкание напоминает об их существовании каждый раз, когда вы кладете в чай ложечку сахара.

Хотя мы не можем видеть сами атомы, мы можем видеть последствия происходящего на атомарном уровне. Разворачивающиеся там процессы, скрытые от наших глаз, непосредственно влияют на то, что мы делаем на более привычном для себя уровне. Но сначала нам нужно убедиться, что атомы существуют.

Сегодня мы считаем существование атомов само собой разумеющимся. Мысль о том, что все окружающие нас предметы (в том числе и мы сами) состоят из микроскопических «кирпичиков» материи, относительно проста и кажется абсолютно обоснованной, поскольку мы с нею выросли. Однако еще в начале XX века в научном сообществе велись серьезные дискуссии о том, существуют ли атомы вообще. Появление фотографии, телефона и радио уже возвестило о начале новой технологической эры, но среди ученых по-прежнему не было согласия по поводу того, из чего состоит материя. Многим ученым представление о ее атомарном строении казалось вполне разумным. Например, ученые-химики обнаружили, что разные элементы вступают в реакции в строго определенных пропорциях, что кажется логичным, если предположить, что для образования определенной молекулы вам нужен один атом одного вида плюс два атома другого вида. Но скептики не сдавались. Как можно быть уверенным в существовании чего-то такого, что невозможно увидеть, пощупать или измерить?

Много десятилетий спустя стала популярна цитата, приписываемая ученому и писателю-фантасту Айзеку Азимову, которая идеально выражает типичный путь научного открытия: «Самая волнующая фраза, которую можно услышать от ученого — та, которая возвещает о новом открытии, — вовсе не “Эврика!”, а, скорее, “Гм… Так-так, интересно…”» Окончательное подтверждение существования атомов может служить идеальным примером именно такого пути науки, но эта история началась более чем за семьдесят лет до наступления XX века. А именно в 1827 году, когда ботаник Роберт Броун рассматривал в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде. Крошечные частицы отделялись от взвеси. Пожалуй, они были самыми маленькими из тех, которые можно было рассмотреть в оптическом микроскопе — как в то время, так и сейчас. Броун заметил, что даже когда вода идеально спокойна, эти крошечные частицы все равно колеблятся и подпрыгивают. Поначалу он предположил, что они живые, но впоследствии наблюдал аналогичное явление с точно неживыми частицами. Все это выглядело весьма странно, и у Роберта Броуна не было этому объяснения. Но он написал статью о своем эксперименте, и в течение последующих десятилетий многие другие ученые наблюдали то же явление, получившее название «броуновское движение». Оно было непрекращающимся, и в нем участвовали только самые крохотные частицы. Разные ученые предлагали разные объяснения, но ни одно из них не отражало его истинную причину.

В 1905 году эксперт швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн опубликовал статью, связанную с его диссертационными исследованиями. Вообще говоря, мировую известность Эйнштейн приобрел благодаря исследованиям природы времени и пространства и специальной теории относительности и общей теории относительности. Но темой его диссертации была статистическая молекулярная теория жидкостей, и в своих статьях, опубликованных в 1905 и 1908 годах, он изложил строгое математическое объяснение броуновского движения. Допустим, подчеркивал он, жидкость состоит из множества молекул и они постоянно сталкиваются между собой. Он нарисовал картину жидкости как динамичной, неупорядоченной субстанции, молекулы в которой сталкиваются друг с другом, ускоряясь, замедляясь и изменяя направление движения после каждого соударения. Но что же происходит с более крупной частицей — намного крупнее, чем молекулы? Она испытывает на себе множество ударов с разных направлений. Но поскольку эти удары носят произвольный характер, время от времени такая частица получает больше ударов с какой-то определенной стороны, и это заставляет ее слегка сместиться в противоположном направлении. Затем в какой-то иной момент частица испытывает больше ударов снизу, чем сверху, и слегка смещается вверх. Таким образом, колебания более крупной частицы — всего лишь следствие соударений со многими тысячами молекул гораздо меньшего размера, чем она. Роберт Броун не мог видеть молекул, но мог наблюдать поведение более крупных частиц. Колебания, предсказанные Эйнштейном, соответствовали тому, что видел Броун. Такие колебания были возможны лишь в случае, если жидкость действительно состоит из молекул, соударяющихся друг с другом. Так что это может служить доказательством существования отдельных элементов материи — атомов. Более того, одно из уравнений Эйнштейна предсказывало, какими должны быть размеры атомов, чтобы вызывать колебания частиц в жидкости. Впоследствии, в 1908 году, Жан Батист Перрен провел еще более детальные эксперименты, и они подтвердили теорию Эйнштейна, а также сломили сопротивление даже самых стойких скептиков. Мир состоит из множества крошечных атомов, пребывающих в непрерывном движении. В результате возникло новое направление исследования материи. Указанные открытия как нельзя лучше дополняли друг друга. Постоянное колебание атомов не было случайностью; оно позволяло объяснить ряд наиболее фундаментальных физических законов, управляющих материальным миром.

Одним из величайших последствий нового понимания внутреннего устройства материального мира стало то, что явления вроде броуновского движения можно было объяснить с помощью статистики. Не было никакого смысла отслеживать, в какой конкретной точке пространства находится в данный момент тот или иной атом, и гадать, что произойдет, когда он столкнется с каким-либо другим атомом, а также вычислять траекторию движения каждого из миллиардов атомов в отдельно взятой капле жидкости. Вместо этого следует определять статистические характеристики происходящих процессов, учитывающие множество случайных столкновений. В любой конкретный момент невозможно предсказать, что данная частица сместится в точности на один миллиметр влево. Но вы вполне могли сказать, что в результате многократного проведения данного эксперимента частица в среднем за указанное время сместится на один миллиметр в сторону от своего исходного положения. Эту среднюю величину можно вычислить с большой точностью, но, несмотря на это, речь может идти только о средней величине. А это означало, что физика — более сложная и запутанная наука, чем казалось в 1850 году. Однако именно эта сложность объясняла более широкий круг физических явлений. Когда достоверно известно, что материя состоит из атомов, даже такие обыденные явления, как промокшая одеж­да, выглядят гораздо интереснее, чем прежде.

Первая образовательная программа, которую я представила для BBC, была посвящена атмосфере Земли и моделям погоды на планете. В связи с этим мне пришлось провести трое суток в центре самого крупного и самого знаменитого климатического события на Земле. Я имею в виду сезон дождей и муссонов в Индии. Муссон — это ежегодно наблюдаемое изменение картины ветров в Индии. Каждый год с июня по сентябрь оно приносит дождливую погоду. Дожди идут, не прекращаясь. Нам хотелось понять, откуда берется эта огромная массы воды, день за днем низвергающейся на землю.

Мы поселились в маленьких деревянных хижинах на очень малолюдном берегу в штате Керала на юго-западе Индии. Первый день съемок был долгим и богатым на погодные события. Погода в период муссонов очень переменчива. Иногда, когда вам нужно всего каких-нибудь пару часов стабильной погоды, чтобы отснять конкретный фрагмент, и вы никак не можете их дождаться, у вас буквально опускаются руки. За коротким периодом жаркой солнечной погоды следовал дождь, который в течение часа лил как из ведра. Дождь сменялся сильным ветром, после чего вновь выглядывало жаркое солнышко. При этом все время было тепло, и я не боялась промокнуть под дождем, потому что это не грозило переохлаждением и простудой. Каждый раз, когда шел дождь, я промокала до нитки, после чего должна была позаботиться о том, чтобы моя одежда хоть немного подсохла за тот короткий отрезок времени, пока светит солнце. Проблема человека, который произносит текст перед камерой, заключается в том, что он единственный из съемочной группы, кто все время должен быть в одной и той же одежде. Поэтому мне всякий раз приходилось подыскивать какой-нибудь укромный уголок, надежно защищенный от не­погоды и хорошо прогреваемый солнцем, где я могла бы хоть немного подсушить одежду. Я тратила кучу времени на ее многократное снимание и надевание в попытках привести ее состояние в некое соответствие с текущими погодными условиями. Примерно в 7 часов вечера небеса разверзлись в очередной раз, и я опять промокла до нитки, а поскольку солнце уже закатилось за горизонт, мы решили, что рабочий день закончен.

Я отжала, как могла, верхнюю одежду, попыталась хоть немного подсушить ее с помощью полотенца, развесила на веревке и отправилась ужинать в надежде, что к шести часам утра одежда подсохнет еще больше. Но на следующее утро оказалось, что она не только не подсохла, а осталась такой же влажной, как и вечером. Вернее, еще более влажной, чем вечером! Мало того, на ощупь она была просто ледяной, потому что ночью температура воздуха существенно снизилась. К сожалению, у меня не было другого комплекта такой же одежды, так что мне ничего не оставалось, как напялить ее на себя и выступать перед камерой с жизнерадостной улыбкой на фоне восходящего солнца, с трудом сдерживая колотивший меня озноб.

Обычно в газе молекулы не притягивают друг друга, поэтому равномерно распространяются по всему объему контейнера, содержащего газ. В жидкости все происходит несколько иначе. Молекулы по-прежнему соударяются, но располагаются гораздо ближе друг к другу — настолько близко, что почти все время соприкасаются. В воздухе при комнатной температуре среднее расстояние между любой парой молекул газа примерно в десять раз превышает размер молекулы. Но в жидкости молекулы находятся практически рядом и при этом совершают колебательные движения, сталкиваясь с соседними молекулами. В то же время они могут достаточно свободно перемещаться относительно друг друга, но гораздо медленнее, чем молекулы в газе. Поскольку они движутся медленнее и расположены гораздо ближе друг к другу, молекулы в жидкости испытывают на себе притяжение со стороны соседних молекул. Именно поэтому жидкости образуют капли. Температура определяется количеством энергии движения, которой обладают молекулы. В капле холодной жидкости подвижность молекул невысока, поэтому капля выглядит достаточно компактной. Если же каплю жидкости нагреть, то средняя скорость всех молекул в ней возрастет, причем некоторые молекулы приобретут гораздо большую энергию, чем средняя.

Чтобы молекула покинула жидкость, ей нужно преодолеть силу притяжения со стороны других молекул. Это процесс испарения, он происходит в момент, когда какая-то молекула приобретает энергию, достаточную для того, чтобы вырваться из жидкости и самостоятельно подняться в воздух. Моя влажная одежда была насквозь пропитана водой, молекулы которой медленно двигались туда-сюда, не обладая соответствующей энергией.

В течение трех дней, проведенных в Индии в сезон дождей, я перепробовала самые разные способы сушки одежды. Вообще говоря, это требует создания таких условий, при которых молекулы воды, содержащейся в порах одежды, приобретут достаточно энергии, чтобы вырваться из жидкости и переместиться в какое-то другое место. В короткие промежутки жаркой солнечной погоды вода, находящаяся в порах одежды, вбирала в себя солнечную энергию и молекулы воды мало-помалу испарялись. Но когда небо застилали облака, я чувствовала, что проигрываю сражение. Проблема заключалась в том, что окружающий воздух был до предела насыщен парами воды. Ветер, дующий с океана в сторону берега, также был очень влажным. Когда солнце светило на океанскую воду, ее поверхностный слой прогревался. Молекулы воды в океане также постоянно соударяются друг с другом, и чем сильнее прогревается вода, тем быстрее, в среднем, они движутся. Когда поверхность океана хорошо прогрелась, значительное число молекул приобрело энергию, позволяющую вырваться в окружающий воздух. Оказавшись в воздухе, эти молекулы перешли из жидкого состояния в газообразное. Таким образом, теплый влажный воздух, который поступал на берег, уже был насыщен молекулами воды. Теперь они соударялись с другими молекулами в воздухе.

Когда я промокала под дождем, тепло, исходящее от моего тела, нагревало одежду, придавая части молекул воды, которые я носила на себе, энергию, позволяющую вырваться в воздух. Этот процесс несколько подсушивал одежду. Однако в окружающем воздухе было так много молекул воды, что они, сталкиваясь с моей одеждой, прилипали к ней и соединялись с влагой, которой оставалось еще очень много в порах одежды. В результате моя одежда впитывала дополнительную влагу и не желала высыхать потому, что количество молекул воды, испарившихся с одежды в окружающий воздух, в точности уравновешивалось количеством молекул воды, которые конденсировались на ней из воздуха. Вот что, в сущности, означает 100%-ная влажность: каждая испарившаяся молекула тотчас же замещается молекулой, конденсировавшейся из окружающего воздуха. Если влажность меньше 100%, жидкость покинет большее число молекул, чем поступит в нее. Чем больше эта разница, тем быстрее сохнет одежда.

Ночью ситуация ухудшается. Когда воздух охлаждается, движение молекул замедляется, причем до такой степени, что они не желают испаряться, и моя одежда становится еще более влажной. Точка, при которой количество конденсирующихся молекул превышает количество испаряющихся молекул, называется точкой росы, или температурой конденсации, а образующиеся при этом капли жидкости — росой. Отдельные молекулы все же обладают достаточной энергией, чтобы покинуть жидкость и присоединиться к газу. Но их число незначительно по сравнению с молекулами, у которых такой энергии мало. Если бы я могла нагреть свою одежду, я бы увеличила количество испаряющихся молекул. Возможно, этого оказалось бы достаточно, чтобы их число превысило число конденсирующихся, и моя одежда подсохла. Но как бы то ни было, пока мы находились в Индии, мне приходилось все время ходить во влажной одежде.

Дело в том, что рассмотренный нами процесс представляет собой непрекращающийся обмен. Такой статистический способ исследования множества молекул очень важен для нас, поскольку молекулы ведут себя по-разному. В один и тот же момент и в одном и том же месте какие-то молекулы будут испаряться, а какие-то — конденсироваться. То, что мы наблюдаем, зависит лишь от баланса между этими двумя действиями.

Подчас весьма кстати, что каждая молекула в совокупности молекул ведет себя не так, как остальные. Например, когда испаряется пот, в воздух улетучиваются лишь молекулы, обладающие наибольшей энергией. В результате средняя скорость движения оставшихся молекул снижается. Именно поэтому, когда человек потеет, его тело охлаждается: испарившиеся молекулы уносят с собой значительную энергию.

Вообще говоря, одежда сохнет довольно медленно. Время от времени особенно энергичные молекулы воды, оказавшись на ее поверхности, находят в себе силы улетучиться, в результате чего количество жидкости уменьшается. Однако этот процесс не всегда нежелателен для нас. Напротив, интенсивное испарение порой чрезвычайно полезно, особенно при приготовлении пищи. Оказывается, жарка пищи возможна лишь благодаря воде.

Мое любимое жареное блюдо — кипрский сыр халуми, который я всегда считала неким «вегетарианским ответом» бекону. Все начинается с нагревания масла в глубокой сковородке; тем временем я нарезаю сыр полосками. Масло неслышно прогревается примерно до 180 °C — именно неслышно, потому что я ни за что не знала бы, что с ним происходит, если бы от него не исходило тепло. Но как только я опускаю в масло первые полоски сыра, тишина нарушается громким треском и шипением. При соприкосновении с горячим маслом поверхностный слой сыра буквально за какую-то долю секунды прогревается почти до температуры масла. Молекулы воды на поверхности сыра внезапно приобретают изрядную порцию дополнительной энергии — гораздо большую, чем та, которая им нужна, чтобы вырваться из жидкости и улетучиться в воздух. Поэтому они взрыво­образно разлетаются в стороны друг от друга, порождая целую серию мини-взрывов газа по мере высвобождения из жидкости. Именно эти пузырьки газа я наблюдаю на поверхности сыра и именно они являются источником шума. Однако эти пузырьки играют важную роль. Пока газообразная вода устремляется из сыра наружу, масло не может проникнуть в сыр. Оно едва касается его поверхности, и этого достаточно лишь для того, чтобы передать энергию нагрева. Вот почему жарка пищи при слишком низкой температуре делает ее жирной и влажной: пузырьки образуются недостаточно быстро, чтобы преградить доступ масла. В ходе приготовления сыра какая-то часть тепла передается в его основную массу, прогревая его. Наружные слои сыра отдают много воды, поскольку они слишком горячие, чтобы вода могла в них оставаться. В результате наружные слои сыра покрываются хрустящей корочкой — они мгновенно высыхают, практически полностью избавляясь от влаги. Потемнение наружных слоев — следствие химических реакций, происходящих при прогревании белков и сахаров, содержащихся в сыре. Но суть поджаривания заключается во внезапном переходе воды из жидкого состояния в газообразное. А жарка пищи обязательно сопровождается громким шипением, его не избежать, если она выполняется правильно.

* * *

Переход из газообразного состояния в жидкое и обратно — обыденное явление нашей жизни. Однако переходы из жидкого состояния в твердое и обратно мы наблюдаем намного реже. У большинства металлов и пластмасс плавление происходит при гораздо более высоких температурах, чем комнатная. У молекул меньшего размера, например кислород, метан и спирт, плавление осуществляется при чрезвычайно низких температурах, требующих применения специализированных морозильных камер. Вода — необычная молекула, поскольку она и плавится, и испаряется при самых привычных для нас температурах. Но картина замерзшей воды чаще всего ассоциируется у нас с Северным и Южным полюсами Земли. Это очень холодные края, которые мы преимущественно со­относим с белым цветом, вечным безмолвием и великими полярными экспедициями XX столетия, которые приводили людей в самые не­гостеприимные места планеты. Замерзающая вода доставляла этим людям немало проблем. Но иногда подсказывала весьма нестандартные решения.

Переход из газообразного в жидкое состояние представляет собой настолько тесное сближение молекул, что они начинают соприкасаться друг с другом, но сохраняют при этом способность достаточно свободно перемещаться относительно друг друга. Переход из жидкого состояния в твердое происходит в тот момент, когда молекулы фиксируются в определенном положении. Замерзание воды — самый типичный пример такого перехода, однако вода замерзает как никакая другая жидкость. Причем странность ее поведения при замерзании нигде не проявляется настолько зримо, как на Крайнем Севере — в Северном Ледовитом океане.

Если вам доведется побывать в северной части Норвегии, придите на берег и посмотрите в сторону севера на море. В летние месяцы, когда оно свободно ото льдов, солнце, которое светит практически круглосуточно, создает благоприятные условия для роста обширных подвижных «лесов» океанских растений. Получается своеобразный сезонный «шведский стол», который привлекает рыб, китов и тюленей. К концу лета количество солнечного света уменьшается. Температура водной поверхности, которая даже в разгар лета не превышала 6 °C, начинает снижаться. Молекулы воды, скользящие друг мимо друга, замедляют движение. Соленость морской воды здесь настолько высока, что она остается в жидком состоянии вплоть до –1,8 °C, но в одну безоблачную темную ночь начинает образовываться лед. Возможно, под действием ветра небольшой кусочек льда оказался на водной поверхности, и при столкновении с ним самые медленные молекулы воды прилипают к нему. Но они не могут прилипать где попало. Каждая новая молекула остается на том или ином фиксированном месте по отношению к другим молекулам, и на месте груды толкающих друг друга молекул образуется кристалл, в котором хорошо упорядоченные молекулы воды выстраиваются в шестиугольную пространственную кристаллическую решетку. По мере дальнейшего снижения температуры этот ледяной кристалл увеличивается.

Кристаллы воды обладают одной крайне необычной особенностью: ее строго упорядоченные молекулы при замерзании занимают больше пространства, чем во время пребывания в жидком состоянии. При замерзании практически любой другой жидкости упорядочивание молекул в виде правильной пространственной решетки приводит к их более компактному расположению по отношению друг к другу, чем в случае, когда они находились в жидком состоянии. В этом смысле вода — исключение. Растущий кристалл воды обладает меньшей плотностью, чем окружающая его вода, и это обеспечивает его плавучесть. При замерзании вода расширяется. Иначе образовавшийся кусочек льда просто затонул бы, а полярные океаны выглядели бы совсем по-другому. В действительности же по мере дальнейшего снижения температуры кристаллы льда разрастаются, а поверхность океана покрывается панцирем из затвердевшей белой воды.

Удивительного и увлекательного в замерзшей Арктике более чем достаточно: белые медведи, лед, Северное сияние… Но есть в ее истории один эпизод, который чрезвычайно меня волнует. Он связан с особенностями образования льда и напоминает о том, что человек поступал бы гораздо разумнее, действуя в содружестве с природой, а не против нее. Это история небольшого корабля, которому удалось уцелеть в ходе одного из самых драматичных плаваний в арктических водах, корабля под названием «Фрам».

В конце XIX века исследователей манил Северный полюс. Западная цивилизация обитала от него не так уж далеко. К тому времени северные территории Канады, Гренландии, Норвегии и России уже были более-менее изучены и нанесены (правда, весьма приблизительно) на географические карты. Однако Северный полюс по-прежнему оставался большой загадкой. Что это такое? Земля? Море? Нога человека туда еще не ступала, поэтому никто не мог дать достоверных ответов на эти и подобные им вопросы. Попытки достичь Северного полюса каждый раз заканчивались неудачно по причине переменчивой и очень сложной ледовой обстановки. При неблагоприятном изменении погодных условий льдины начинали громоздиться друг на друга, создавая непреодолимые препятствия на пути полярных исследователей. Натиск льдов мог превратить корабли в груду щепок. В 1881 году военный корабль США «Жанетта» попал в ледяную ловушку и в конце концов был раздавлен льдами примерно в 800 километрах севернее устья реки Лена. С наступлением сильных морозов молекулы воды, образовав на поверхности моря кристаллическую решетку льда, застыли в неподвижности, и увеличивающийся в объеме лед все сильнее и сильнее сжимал корпус корабля. В конце концов он разрушился, и «Жанетта» пошла ко дну. Экипаж корабля и исследователи успели сойти на твердый лед. Но их подстерегала другая опасность: лед мог растаять, в результате чего образовались бы большие полыньи, преодолеть которые можно было бы лишь на лодке. Расстояние до Северного полюса от любой из стран, территория которых примыкала к Северному полярному кругу, составляло многие сотни километров. Преодолеть его пешком по ледяным торосам казалось немыслимым.

Через три года после гибели «Жанетты» обломки ее корпуса (несомненно принадлежавшие «Жанетте») были обнаружены вблизи берегов Гренландии. Это была поистине удивительная находка, поскольку обломки «Жанетты» пересекли все северные моря — всю Арктику, из конца в конец. Океанографы задались вопросом, нет ли в этих местах течения, которое начинается у побережья Сибири, тянется через Северный полюс и движется в сторону Гренландии. У молодого норвежского ученого по имени Фритьоф Нансен возникла смелая идея построить корабль, способный выдержать напор льдов, добраться на нем до побережья Сибири (до того места, где затонула «Жанетта»), подождать, пока корабль вмерзнет в льдину, и двигаться вместе с ней в надежде, что она доставит его к берегам Гренландии. Самым важным в плане Нансена было то, что на своем пути льдина вместе с вмерзшим в нее кораблем должна была пересечь Северный полюс. От команды требовался минимум усилий и почти никаких забот: знай, плыви себе вместе со льдиной — все остальное сделают за вас море и ветер. Единственная проблема заключалась в ожидании. Нансена за его идею восхваляли как гения и высмеивали как безумца. Но отступать было не в его правилах. Он собрал необходимую сумму денег и решил воспользоваться услугами одного из лучших кораблестроителей, потому что корабль Нансена должен был стать лучшим для своего времени. Так на свет появился «Фрам».

Проблема заключалась в том, что при замерзании воды ее молекулы должны занять свои места в кристаллической решетке. При достаточно низкой температуре между молекулами образуются прочные связи. А если для занятия молекулами определенных мест недостаточно пространства, они выталкивают наружу все, чтобы его освободить. Любой корабль, вмерзший в лед, испытывал бы проблемы, связанные с тем, что его вмерзание сопровождалось бы расширением льда и, соответственно, сжатием корпуса корабля. Никакое судно того времени не могло выдержать такого давления. К тому же никто не знал, какой может оказаться толщина льда посреди Северного Ледовитого океана. Судостроители, взявшиеся за строительство «Фрама», блестяще справились с задачей, решив придать ему оригинальную форму: он должен быть «толстым», почти круглым. Длина корабля составила 39 метров, а ширина — 11 метров. «Фрам» напоминал скорлупу половинки грецкого ореха. У него почти не было киля, а двигательную установку и руль можно было поднять из воды. Когда появился лед, «Фрам» стал походить на плавающую чашу. Если сжать снизу какой-либо предмет круглой формы, например чашу или цилиндр, он слегка приподнимется. Если бы сжатие льдом оказалось слишком сильным, «Фрам» просто приподнялся бы — по крайней мере с теоретической точки зрения все должно было происходить именно так. Корабль строили из дерева, толщина которого местами превышала один метр. Была предусмотрена надежная теплоизоляция, чтобы экипаж не испытывал дискомфорта при наступлении сильных холодов.

Экспедиция Нансена пользовалась горячей общественной поддержкой. В июне 1893 года «Фрам» с экипажем из тринадцати человек покинул берега Норвегии, отправившись в путь вдоль северного побережья России, и в конце концов достиг того места, где затонула «Жанетта». В сентябре примерно на 78° северной широты команда «Фрама» заметила лед, а вскоре после этого корабль окружило сплошное ледяное поле. Впервые оказавшись в ледяном плену, «Фрам» скрипел и стонал, но, будучи зажат льдами со всех сторон, как и ожидалось, приподнялся. Итак, «Фрам» надежно вмерз в лед и отправился в путь, повинуясь лишь ветру и морским течениям.

На протяжении следующих трех лет «Фрам» дрейфовал вместе со льдами на север со скоростью примерно 2 километра в сутки. Временами он двигался в обратную сторону или ходил кругами. Переменчивый лед, в объятиях которого путешествовал «Фрам», то отпускал, то сжимал корабль еще сильнее. В ответ он то приподнимался, то опускался. Нансен старался занять свою команду научными измерениями. Впрочем, сам он испытывал все большее разочарование — слишком уж неспешным было движение к цели. Когда «Фрам» достиг 84° северной широты, стало очевидно, что корабль отклоняется от Северного полюса примерно на 760 километров. Вместе с одним из членов команды Нансен покинул корабль, чтобы отправиться на лыжах по льду на Северный полюс, куда «Фрам» никак не мог попасть. Нансен установил новый мировой рекорд: дальше него на тот момент никто к Северному полюсу не продвигался. Впрочем, Нансен не дотянул до Северного полюса всего 4°. Он пересек Арктику в направлении Норвегии, встретившись с одним из своих товарищей-исследователей на Земле Франца-Иосифа в 1896 году. «Фрам», на котором оставалось одиннадцать членов экипажа, продолжал дрейфовать во льдах и достиг 85,5° северной широты лишь несколькими километрами южнее того места, где Нансен установил новый мировой рекорд продвижения человека к Северному полюсу. А 13 июня 1986 года «Фрам» добрался до северной оконечности Шпицбергена, то есть именно туда, где изначально планировалось завершить экспедицию.

Хотя «Фрам» так и не достиг Северного полюса, научные измерения, сделанные во время экспедиции, оказались поистине бесценны. Теперь мы знали наверняка, что Арктика — это океан, а не земля, что Северный полюс скрыт под толщей подвижного морского льда и что Арктику пересекает морское течение, тянущееся от северного побережья России до Гренландии. На «Фраме» были проведены еще две знаменитые научные экспедиции. Первой стала четырехлетняя картографическая экспедиция в канадскую арктическую зону. А затем, в 1910 году, Амундсен вместе со своими людьми отправился на «Фраме» в Антарктику в попытке добраться до Южного полюса. В наши дни «Фрам» занял место в музее собственного имени в Осло и почитается как величайший символ полярных исследований, проводившихся норвежцами. Вместо того чтобы бороться с непреодолимым натиском льда, создатели «Фрама» попытались воспользоваться этим льдом для плавания через «макушку мира». И попытка им блестяще удалась.

Расширение льда в процессе замерзания настолько нам знакомо, что мы его даже не замечаем. Положите кубик льда в стакан с напитком, и кубик всплывет на поверхность, что вполне естественно, поскольку плотность льда меньше, чем воды. Впрочем, очень легко убедиться, что замерзшая вода — это все та же вода, просто занимающая больше пространства. Если налить воду в прозрачный стакан и поместить туда несколько крупных кусков льда, он будет плавать на поверхности воды, причем большая часть каждого куска будет находиться ниже уровня воды в стакане, а меньшая — выше (и составит примерно 10% от объема куска льда). С помощью маркера можете отметить уровень жидкости на внешней стороне стакана. Вопрос вот в чем: по мере таяния льда уровень воды в стакане будет повышаться или понижаться? В результате таяния льда все молекулы воды, расположенные выше ее уровня в стакане, должны будут присоединиться к остальной жидкости. Означает ли это, что уровень воды в стакане повысится? Такой физический эксперимент удобно проводить во время какой-нибудь вечеринки с распитием коктейлей, если она вам неинтересна и вы откровенно скучаете: наблюдение за неспешным процессом таяния льда в стакане вас отвлечет.

Ответ на вопрос очевиден. В его правильности вы можете убедиться лично, если не верите мне на слово. Уровень воды в стакане не изменится. По мере перехода молекул воды из льда в жидкость они уплотняются. Это означает, что они идеально «впишутся» в полость, занимаемую подводной частью кубика льда, а его надводная часть в точности совпадет с дополнительным объемом, который имеет кубик льда, так как при замерзании он расширялся. Вы не можете наблюдать сами атомы в пространственной кристаллической решетке, но можете непосредственно видеть дополнительное пространство, которое они занимают при замерзании.

Вода превращается из жидкого состояния в твердое определенным образом: в твердом состоянии каждый атом занимает строго конкретное место в пространственной кристаллической решетке. Эта структура называется кристаллом, даже если не красуется в центре короны какой-нибудь царствующей особы. Кристаллический материал в твердом состоянии обладает фиксированной повторяющейся структурой, как поваренная соль или сахар. Но встречаются твердые материалы другого вида, для которых не характерно столь жесткое позиционирование атомов. Их структура больше напоминает структуру жидкости, замерзшей в процессе превращения в какое-то другое состояние. Несмотря на то что атомарное позиционирование осуществляется на уровне микромира и, разумеется, невидимо для человеческого глаза, все же иногда мы можем наблю­дать эффект, который оно оказывает на интересующий нас объект. Самый очевидный пример вышесказанного — стекло.

Я помню, как впервые наблюдала за работой стеклодувов во время семейной поездки на остров Уайт, расположенный в проливе Ла-Манш неподалеку от побережья графства Хемпшир. Мне тогда было восемь лет. Я зачарованно смотрела на гладкие шарики расплавленного, сверкающего и пузырящегося стекла, постоянно меняющего одну луковицеобразную форму на другую. Меня буквально оттаскивали за руку от этого восхитительного зрелища. Между тем я могла бы целый день наблюдать за волшебством превращения расплавленного стекла в вазы, кувшины, чаши и т. п. Прошло много лет, прежде чем у меня появилась возможность еще раз понаблюдать за работой стеклодувов. Одним промозглым утром в этом году я в сопровождении своего кузена посетила каменный сарайчик, где нам продемонстрировали секреты магии, которой занимаются стеклодувы.

Действо началось с показа емкости с расплавленным стеклом, которая стояла в небольшой печи и испускала ярко-оранжевый свет, указывающий на то, что температура стекла достигла внушительной величины — 1080 °C. Надев на руки кевларовые перчатки, мы послушно окунули длинные стальные стержни в емкость с расплавленным стеклом и несколько раз провернули стержни в руках. По мере такого проворачивания расплавленное стекло, обладающее консистенцией меда, наматывалось на конец стержня. Впрочем, это была самая легкая часть работы. Все остальное оказалось гораздо труднее. Выдувание стекла похоже на очень осторожное уговаривание, причем существуют три его основные формы, которые мы могли применить. Нагрев стекла приводит к его размягчению. Удерживая расплавленное стекло на весу, вы позволяете силе земного притяжения вытянуть его вниз без вашего непосредственного участия. А если стальной стержень полый, вы можете выдувать из расплавленного стекла пузыри.

Мы опробовали по очереди каждый из трех способов. В работе с расплавленным стеклом меня больше всего восхитило то, как быстро изменяется его природа. При извлечении из печи капли расплавленного стекла вы должны продолжать вращать стальной стержень, так как действительно имеете дело с жидкой субстанцией: прекратите вращение, и капля стекла просто сорвется на пол. Через пару минут мы раскатали стеклянный шарик на металлическом рабочем столе, при этом у нас сложилось впечатление, что стекло приобрело консистенцию пластилина. Еще через три минуты, постукивая этим шариком по металлическому столу, мы могли услышать звук «дзынь», который обычно слышим, когда постукиваем металлической чайной ложечкой по стеклянному стакану. Замечательная особенность стекла — возможность работать с ним в расплавленном состоянии, пользуясь такими свойствами, как плавность и криволинейность форм, которые можно создавать из жидких материалов. Твердый холодный кусок стекла — всего-навсего жидкость, которая когда-то внезапно застыла как заколдованный сказочный персонаж.

Специфические свойства стекла обусловлены особенностями движения его атомов по отношению друг к другу. Самая распространенная форма стекла (именно с ней мы экспериментировали в стеклодувной мастерской) на основе так называемой натровой извести. Такое стекло состоит главным образом из кремнезема (двуокись кремния SiO₂, которая составляет основу песка) с вкраплениями натрия, кальция и алюминия. Отличительная особенность стекла — вместо атомов, занимающих строго определенные места в регулярной кристаллической решетке, его атомы хаотически перемешаны между собой. Каждый атом связан с соседними атомами, и между ними не так уж много свободного пространства. Когда стекло нагревается, атомы раскачиваются более энергично и несколько расходятся в стороны, а поскольку изначально они не находились в строго определенных позициях, то без проблем скользят относительно друг друга. Расплавленное стекло, которое мы доставали из печи на концах стальных стержней, состояло из атомов, получивших большой запас тепловой энергии, что позволяло им легко скользить относительно друг друга под действием силы земного притяжения. Но по мере охлаждения стекла подвижность его атомов снижалась, они сближались и жидкое стекло становилось более вязким.

Особенность расплавленного стекла заключается в том, что, когда оно остывает, атомам не хватает времени, чтобы занять строго определенные места (как в лотке для яиц) и образовать регулярную структуру. Стекло затвердевает, когда его атомы становятся слишком пассивными, чтобы продолжать двигаться относительно друг друга. Трудно точно сказать, где в действительности пролегает граница между жидким и твердым состоянием.

Первое задание заключалось в изготовлении «побрякушки». Это означало, что нам предстоит выдуть стеклянный пузырь, а затем наблюдать за тем, как мастер прикрепит к нему колечко из расплавленного стекла. Выдуть стеклянный пузырь оказалось не так-то легко: мои щеки потом ныли так, словно мне пришлось надувать чрезвычайно неподатливый воздушный шар. Самый сложный момент наступает в конце выдувания, когда от стального стержня нужно отделить оставшуюся часть стекла. Вы вытягиваете и формуете стекло так, чтобы в месте, где собираетесь отделить стеклянный пузырь от стального стержня, оставалась лишь тонкая шейка. Затем немного пропиливаете ее, чтобы создать в ней мельчайшие трещины. После этого переносите стеклянный пузырь на так называемый отбивочный стол и слегка постукиваете по стальному стержню, в результате чего стеклянный пузырь отделяется от него. Выдутые нами стеклянные пузыри превосходно отделялись до тех пор, пока мы не добрались до последнего из них: сделанные нами трещины оказались настолько глубокими, что отбивать пузырь не пришлось — он сам отвалился от стального стержня, упал на бетонный пол и подскочил. Дважды! Мастер быстро подхватил его на лету. Но этот хрупкий стеклянный шарик подскочил после удара о бетонный пол. Можно не сомневаться, что если бы он упал на пол примерно через минуту или чуть позже, когда еще немного охладился бы, то разбился бы вдребезги.

Это было для нас наглядным уроком по изучению свойств стекла. То, как ведут себя его атомы, зависит от температуры стекла. Когда оно нагрето до высокой температуры, атомы свободно скользят относительно друг друга. Если охладить стекло настолько, что оно перестанет быть липким, его атомы уплотнятся и перестроятся таким образом, что стеклянный шарик, упав на бетонный пол, может отскочить от него. Если стекло охладить еще больше, атомы жестко зафиксируются на своих местах. Если какой-либо из этих атомов слегка сместить с занимаемого места, в хрупком стекле образуется трещина и оно может разлететься на мелкие острые кусочки.

Стекло — удивительный материал. Оно заключает в себе пластическую прелесть жидкости, при этом вам не нужно беспокоиться о том, куда она потечет. Оно имеет атомарную структуру жидкости — будучи весьма дезорганизованной субстанцией, — но в то же время все признаки твердого тела. Способность отскакивать от твердых поверхностей — один из таких признаков: упругостью обладают твердые тела, но не жидкости. И вы можете видеть последствия наличия подобной структуры, наблюдая за поведением материала при изменениях температуры.

Наверное, настало время развенчать некоторые мифы, касающиеся старых стеклянных окон. Иногда говорят, что трехсотлетние стеклянные окна толще внизу, чем вверху, потому что со временем стекло «стекает» вниз. Это не так: стекло не жидкость и потому не может течь куда бы то ни было. Дело в том, что эти оконные стекла изготавливались весьма своеобразным способом. Шарик расплавленного стекла подхватывали стальным прутом, который очень быстро вращался. В процессе вращения жидкое стекло растекалось в стороны, образуя плоский диск. Диск охлаждался, и затем из него вырезали оконное стекло. Недостаток метода состоял в том, что ближе к центру диск получался толще. Поэтому ромбообразные оконные стекла вырезали таким образом, чтобы утолщение оказывалось на одном из концов, а стекло чаще всего вставляли в раму так, чтобы утолщенный конец находился внизу (это способствовало стеканию дождевых капель с окна). То есть стекло отнюдь не «стекало» вниз, образовывая утолщение. Утолщение находилось внизу изначально!

Нашим стеклянным шарикам не позволили охладиться сразу же и поместили на ночь в печь для того, чтобы их температура снижалась постепенно, в течение всей ночи, пока не сравняется к утру с комнатной. Дело в том, что в первый момент отвердевания стекла позиции его атомов не будут строго фиксированными. Если нагреть такое стекло, позиции атомов несколько изменятся, даже если температура нагрева будет недостаточной для перехода стекла из твердого состояния в жидкое. То же самое происходит при охлаждении стеклянных шариков: позиции атомов несколько меняются. Помещая стеклянные шарики в печь на ночь, мы создаем условия, чтобы это небольшое изменение позиций атомов произошло медленно и равномерно по всей структуре. При быстром и неравномерном протекании процесса несбалансированные внут­ренние силы разрушили бы стекло. Повторю еще раз: эти дополнительные внутренние напряжения — результат действия очень простого принципа, который гласит, что позиции атомов могут быть фиксированными, но расстояния между соседними атомами таковыми не являются. При нагреве стекло почти всегда расширяется.

* * *

У мира цифровых измерительных устройств масса преимуществ, но есть и один несомненный недостаток: мы утратили связь с тем, что измерения означают в действительности. Одна из самых печальных потерь — стеклянный термометр, важнейший измерительный прибор в научных лабораториях и в быту на протяжении двух с половиной столетий. Вы все еще можете купить его в аптеке. Я по-прежнему пользуюсь такими термометрами в своей лаборатории, однако во многих других местах их вытеснили цифровые аналоги. На смену блестящей полоске ртути, которую я помню с детства, пришел подкрашенный спирт, но современная версия стеклянного термометра остается, по сути, такой же, как прибор, изобретенный Фаренгейтом в 1709 году, — узкий стеклянный стержень с еще более узкой трубкой внутри, пролегающей по всей его длине. На нижнем конце она расширяется, превращаясь в пузырек, служащий резервуаром для жидкости. Поместите этот конец термометра во что-либо — ванну, наполненную водой, себе под мышку, в море — и наблюдайте за процессом, сколь элегантным, столь и простым. Температура любого объекта непосредственно связана с величиной тепловой энергии, которой он обладает. В жидкостях и твердых телах тепловая энергия проявляется в виде колебаний атомов и молекул. Если термометр поместить в горячую ванну, то его холодное стекло будет окружено горячей водой. Молекулы воды движутся быстрее и, наталкиваясь на атомы стекла, придают им дополнительную энергию, заставляющую их также убыстряться. Этот процесс называется теплопроводностью. Таким образом, когда вы помещаете термометр в ванну с горячей водой, тепловая энергия передается стеклу. Атомы стекла никуда не уходят, а просто «ерзают» на месте, колеблясь из стороны в сторону. Температура стекла и будет показателем интенсивности этого «ерзания»: стекло нагревается. Затем его атомы начинают интенсивнее взаимодействовать с жидким спиртом, атомы которого, в свою очередь, тоже начинают колебаться быстрее. Это первая часть: пузырек термометра нагревается до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды.

Когда атомы твердого тела в результате нагрева колеблются быстрее, они расталкивают — совсем немного — соседние атомы. Стекло при нагревании расширяется, потому что его атомам, колеблющимся энергичнее, чем прежде, требуется больше пространства. Но молекулы спирта при нагревании разбегаются в разные стороны на гораздо большие расстояния: при повышении температуры на одну и ту же величину спирт расширяется примерно в тридцать раз больше, чем стекло. Теперь спирт в пузырьке термометра занимает большее пространство, и единственное место, куда он может устремляться при расширении, — это трубка термометра. По мере роста интенсивности движения молекул спирта жидкость поднимается вверх по трубке термометра. Высота ее поднятия напрямую зависит от тепловой энергии молекул спирта, что позволяет проградуировать термометр в соответствии с величиной тепловой энергии, которой обладает жидкость. Элегантно и просто! Когда жидкость в пузырьке термометра охлаждается, спирт занимает меньший объем, поскольку движение его молекул замедляется. Когда жидкость в пузырьке термометра нагревается, спирт занимает больший объем, так как его молекулы движутся энергичнее. Таким образом, показания стеклянного термометра позволяют нам оценивать энергию соударений атомов жидкости, содержащейся в пузырьке термометра.

При нагревании различные материалы расширяются по-разному. Вот почему нам легче открыть крышку, слишком плотно сидящую на банке с вареньем, поместив ее под струю горячей водой из крана. Под воздействием горячей воды происходит расширение и стеклянной банки, и металлической крышки, но металл расширяется в значительно большей степени, чем стекло. Когда крышка расширится, снять ее с банки гораздо легче. Разность расширения стеклянной банки и металлической крышки оценить на глаз практически невозможно, но разность усилий, требуемых до и после использования горячей воды, вы оцените без проблем.

Как правило, твердые тела при нагревании расширяются меньше, чем жидкости. Расширение составляет лишь ничтожную долю от общего объема, но этого достаточно, чтобы почувствовать разницу. Когда в следующий раз будете пешком переходить дорожный мост, обратите внимание на металлическую полосу, проложенную поперек дороги на обоих концах моста. Она изготовлена из двух сцепленных друг с другом гребнеобразных пластин. Это компенсатор теплового расширения, которым снабжены почти все современные мосты. Его идея заключается в том, что при повышениях и снижениях температуры эти гребнеобразные пластины позволяют материалам, из которых построен мост, расширяться и сжиматься так, чтобы это не приводило к образованию трещин и дальнейшему разрушению моста. Если секции моста расширяются, «пальцы» гребнеобразной пластины сдвигаются (входят в большее взаимное зацепление); если же секции моста сжимаются, «пальцы» гребнеобразной пластины раздвигаются, но это практически незаметно для транспорта и пешеходов.

Принцип действия термометра основан на явлении температурного расширения. В данном случае оно играет положительную роль, но порой может иметь весьма серьезные последствия. Одна из проблем, обусловленных значительными выбросами парниковых газов, — неуклонное повышение уровня Мирового океана. В настоящее время его средние глобальные темпы составляют примерно 3 миллиметра за год, причем с течением времени они ускоряются. По мере таяния ледников вода, которая была сосредоточена на Земле, пополняет воды Мирового океана. Однако таяние ледников — источник примерно половины нынешнего прироста уровня Мирового океана. Другая половина вызвана температурным расширением. В ходе нагрева океаны занимают большее пространство. По текущим оценкам, 90% всей дополнительной тепловой энергии, которую Земля получает в результате глобального потепления, скапливается в океанах, вследствие чего наблюдается дополнительный подъем уровня Мирового океана.

* * *

В августе на Восточно-Антарктическом плато царят тишина и безмолвие. Пока Северное полушарие Земли нежится в лучах летнего солнца, Антарктика погружена во мрак. На гряде высоких гор, которая тянется через все плато, близится конец полярной ночи, длившейся четыре месяца. Здесь выпадает очень мало снега, но толщина ледяного покрова достигает 600 метров. Погода спокойная. Тепловая энергия постоянно вымывается в звездную ночь, но здесь нет солнечного света, который восполнил бы ее убыль. Этот дефицит означает, что вдоль всего высокогорного хребта зимняя температура обычно составляет –80 °C. Но 10 августа 2010 года температура в этом районе опустилась до рекордных –93,2 °C — самой низкой из когда-либо регистрируемых на Земле.

В кристаллах льда, из которых состоит снег, тепловая энергия хранится в виде энергии движения (колебания) атомов, находящихся в строго фиксированных позициях в кристаллической решетке твердого льда. Таким образом, ответ на вопрос, до какого уровня может опуститься температура, достаточно прост: до точки, когда движение атомов прекращается полностью. Но даже в самом холодном месте на планете, где нет ни жизни, ни солнечного света, движение существует. Все плато состоит из колеблющихся атомов. Они обладают примерно половиной энергии движения, которую бы имели при температуре, близкой к температуре плавления льда (0 °C). Если у атомов воды отобрать всю эту энергию, то температура льда равнялась бы максимально возможной отрицательной температуре. Такая температура называется абсолютным нулем и составляет –273,15 °C. Она одинакова для любых атомов и любой ситуации и означает полное отсутствие тепловой энергии. В сравнении с абсолютным нулем даже Антарктика в зимний период, несмотря на то что это самое холодное место на планете, кажется довольно теплой. К счастью, замедлить движение атомов до полной остановки очень трудно. Нужна незаурядная изобретательность, чтобы гарантировать, что ничто поблизости не поделится частью своей энергии с образцом, который вы пытаетесь охладить до температуры абсолютного нуля, и не нарушит ваш эксперимент. Немало ученых посвятили жизнь изобретению самых хитроумных способов удаления тепловой энергии из материи. Речь идет о так называемой криогенной технике, позволяющей создавать устройства, которые приносят пользу даже в нашем прекрасном теплом мире, в частности усовершенствованные магниты и приборы для получения изображений внутренних органов в медицине. Однако большинству из нас противна сама мысль о переохлаждении. Вот почему нас так удивляет спокойствие уток, расхаживающих вразвалочку по льду «босиком».

Винчестер — небольшой прелестный городок на юге Англии. Главные его достопримечательности — старинный кафедральный собор и великое множество типично английских кафетериев, где на изящных тарелках подают внушительных размеров ячменные или пшеничные лепешки. Город особенно живописен летом, когда буквально утопает в разнообразных цветах, которые особенно эффектно смотрятся в солнечных лучах, льющихся с ярко-синего неба. Представшая перед вами картина кажется неправдоподобно красивой, как на почтовой открытке. Но однажды я оказалась в Винчестере зимой. В тот день шел снег и небо было хмурым, но город показался мне даже красивее, чем летом. Надев теплые пальто и укутавшись шарфами, мы прошлись из конца в конец по главной улице, пока не достигли небольшой речушки, берега которой были укрыты снегом. Вообще говоря, моя любимая вещь в Винчестере не имеет ничего общего со старинными каменными домами, изящными тарелками с ячменными лепешками или названием города, связанным с королем Артуром. Причина, по которой мы в холодный зимний день совершили неблизкую прогулку через весь город, была гораздо прозаичней: нам хотелось посмотреть на уток. Мы пошли вдоль берега и вскоре заметили их.

Как только мы приблизились, одна из уток, прохаживавшихся по берегу, взмыла в воздух и, перелетев через кромку прибрежного льда, плюхнулась в воду. А затем занялась тем же, чем и другие утки, плававшие в реке: окунула клюв в воду, выпрямила шею и энергично заработала лапами. Время от времени утка потряхивала крыльями, вздымая вокруг себя фонтанчики брызг. Переплывая с места на место, она пыталась найти какой-нибудь корм. Речушка в этом месте довольно мелкая, но быстрая. На ее дне растут водоросли, которыми питаются утки. И птицам не составляло бы большого труда их достать, если бы не быстрое течение. Чтобы оставаться на одном месте, уткам приходилось изо всех сил грести лапами. Речушка была для уток чем-то вроде «беговой дорожки». Наблюдать за утками, пытающимися преодолеть быстрое течение, я могу до бесконечности. Это доставляет мне неописуемое удовольствие. Все они энергично гребут лапами, а их туловища повернуты в одну сторону.

Стоявший рядом с нами маленький мальчик взглянул на свои заснеженные ботинки, затем указал на утку, стоявшую на льду у берега, и задал своей матери вполне логичный вопрос: «Почему у утки не мерзнут лапы?» Мама не ответила, поскольку в этот момент на реке начали разворачиваться весьма интересные события. Одна из уток, непрестанно работающих лапами, подобралась слишком близко к другой утке, что вызвало большой переполох: хлопанье крыльев, тучи брызг и громкое кряканье. Самым смешным было то, что, как только завязалась драка, обе утки прекратили грести и их сразу же начало относить течением. Пока течение делало свое дело, они громко крякали, выражая возмущение. Но внезапно осознав, как далеко оказались от прежнего места, они забыли друг о друге и начали изо всех сил грести лапами, пытаясь туда вернуться. Правда, для этого им потребовалось немало времени.

Вода в реке была очень холодной, но казалось, что утки не чувствуют холода. Дело в том, что у уток сформировался замечательный механизм предотвращения потери тепла через лапы. Здесь нам придется еще раз вспомнить о таком явлении, как теплопередача. Если что-то теплое поместить рядом с чем-то холодным, то более быстрые и энергичные молекулы теплого объекта будут ударяться о молекулы холодного объекта, передавая ему свою энергию. Именно поэтому поток тепла движется от теплых объектов к холодным: малоподвижные молекулы не могут отдавать энергию более быстрым; все должно происходить строго наоборот. Поток энергии от теплых объектов к холодным продолжается до тех пор, пока их температура не уравняется, то есть пока не будет достигнуто состояние равновесия. Реальную проблему для уток представляет кровоток в лапах. Он начинается от сердца, теплового центра утки, где температура крови составляет 40 °C. Когда эта кровь поступает в конечности, находящиеся под водой, температура которой близка к точке замерзания, возникает большая разница температур. В результате кровь очень быстро отдает свое тепло воде. Затем, когда кровь возвращается в тело утки, теплая утка отдает свое тепло охладившейся крови, вследствие чего ее тело охлаждается. Утки могут несколько ограничивать поток крови к лапам, что препятствует переохлаждению их крови; впрочем, это не решает проблему полностью. Здесь используется гораздо более простой принцип, а именно: чем больше разность температур между двумя соприкасающимися объектами, тем быстрее про­исходит переток тепла от одного объекта к другому. Этот принцип можно сформулировать иначе: чем ближе между собой температуры двух объектов, тем медленнее происходит переток тепла от одного объекта к другому. Именно это помогает решить проблему переохлаждения уток.

Когда утки продолжали неистово грести, теплая кровь поступала в артерии их лап. Но артерии пролегают рядом с венами, по которым кровь возвращается из лап в тело утки. Кровь в венах имеет пониженную температуру. Молекулы в теплой крови бомбардируют стенки кровеносных сосудов, что приводит в более энергичное движение молекулы в крови с пониженной температурой. Теплая кровь, поступающая в лапы, несколько охлаждается, а кровь, возвращающаяся в тело, немного прогревается. Еще ниже по лапе утки артерии и вены в целом оказываются холоднее, но все же остаются более теплыми, чем вены. Поэтому тепло передается от артерий к венам. При движении крови вниз по лапам утки тепло от ее тела передается в кровь, которая возвращается по венам в тело утки. Но это тепло не передается в самый низ, к лапам. (Речь идет именно о тепле: кровь как таковая поступает и в лапы.) К моменту, когда кровь утки достигнет ее перепончатых лап, ее температура практически сравнивается с температурой воды. Поскольку лапы ненамного теплее воды, они теряют очень мало тепла. А затем, когда кровь течет обратно, к туловищу утки, она прогревается кровью, которая движется от туловища к лапам. Это называется системой теплообмена за счет противо­тока крови. Такая система — фантастически остроумный способ избежать потерь тепла, опасных для жизни птицы. Позаботившись о том, чтобы тепло не передавалось лапам, организм утки почти полностью исключил возможность потери энергии подобным образом. Следовательно, утки могут спокойно стоять на льду именно потому, что у них всегда холодные лапы. Впрочем, самих уток это не волнует.

В животном мире подобная стратегия развивалась многократно. В хвостах и плавниках дельфинов и черепах похожее расположение кровеносных сосудов. Поэтому в холодной воде они могут поддерживать внутреннюю температуру на требуемом уровне. Похожее расположение кровеносных сосудов и у песцов. Их лапы все время напрямую контактируют со льдом и снегом, однако это не мешает им сохранять тепло в жизненно важных органах. Система очень проста и в то же время чрезвычайно эффективна.

Поскольку у меня и моей спутницы не было столь эффективной системы поддержания тепла в организме, наше пребывание на заснеженном берегу реки было непродолжительным. Понаблюдав еще за несколькими мелкими кратковременными ссорами уток и выразив свое восхищение этими замечательными созданиями (наверняка самыми потешными в мире), мы решили, что самое время подкрепиться фирменными ячменными лепешками в каком-нибудь кафетерии.

* * *

После многих тысяч экспериментов, проведенных несколькими поколениями ученых, можно было с уверенностью заявить, что фиксированное направление потока тепла, наверное, один из фундаментальнейших законов физики. Тепло всегда движется от более теплого объекта к более холодному — и никак иначе. Однако этот фундаментальный закон ничего не говорит о скорости передачи тепла. Когда вы наливаете кипящую воду в керамическую кружку, вы можете держаться за ее ручку как угодно долго, нисколько не опасаясь обжечь пальцы, потому что ручка кружки нагревается очень слабо. Но если в кипящую воду погрузить металлическую ложечку и буквально через несколько секунд ухватиться за нее пальцами, то можно испытать весьма неприятные ощущения. Металл очень хорошо проводит тепло, а керамика — плохо (медленно). Это должно означать, что металлы — более эффективные передатчики колебаний от самых энергичных молекул. Однако и металлы, и керамика состоят из атомов, находящихся в жестко фиксированных позициях и способны вибрировать лишь относительно этих позиций. Чем же объясняется разница в теплопроводности?

Керамическая чашка показывает, что происходит, если вы полагаетесь исключительно на передачу атомами своих колебаний. Как было сказано выше, каждый атом подталкивает соседний атом, тот, в свою очередь, подталкивает соседний с ним атом и т. д. Постепенно энергия передается по всей цепочке атомов. Именно поэтому вы можете держаться за ручку керамической кружки, не опасаясь обжечься. Такой метод передачи энергии очень медленный, и прежде чем тепловая энергия достигнет ручки, значительная ее часть рассеется в воздухе. Керамика, как дерево и пластмассы, считается плохим проводником тепла.

Но в металлической ложечке другой способ передачи тепла. В металле, как и в керамике, атомы в основном зафиксированы в определенном положении. Разница между металлом и керамикой заключается в наличии на внешних орбитах каждого атома металла нескольких электронов, довольно слабо связанных со «своим» атомом. Ниже мы рассмотрим подробнее свойства электронов, а сейчас для нас главное то, что они представляют собой крошечные отрицательно заряженные частицы, которые роятся вокруг каждого атома. В керамике они жестко зафиксированы возле своего атома, а в металле соседние атомы могут свободно обмениваться электронами между собой. Таким образом, несмотря на то что положение самих атомов в пространственной решетке металла строго зафиксировано, эти свободные электроны могут перемещаться по всей структуре. Они образуют облако электронов и чрезвычайно мобильны. И именно они обусловливают высокую теплопроводность металлов. Как только вы нальете кипящую воду в керамическую кружку, молекулы воды передадут часть тепловой энергии ее стенкам. Эта энергия медленно распространится по всей кружке за счет соударений между атомами керамики. Но стоит горячей воде коснуться металлической ложечки, она передает колебания своих молекул не только атомам металла, занимающим фиксированные положения, но и облаку электронов в нем. Электроны способны вибрировать и очень быстро перемещаться в структуре металла. Поэтому, когда вы беретесь пальцами за ложечку, крошечные электроны перемещаются по структуре металла, передавая тепловые колебания гораздо быстрее, чем атомы металла. Именно облако электронов так быстро доставляет тепловую энергию к верхнему краю ложечки, прогревая по ходу дела всю ложечку, от одного конца до другого. Среди металлов самая высокая теплопроводность у меди: она проводит тепло в пять раз быстрее стали. Вот почему сковороды и кастрюли иногда изготавливают с медной основой, но стальными ручками. Когда вы готовите еду, желательно, чтобы тепло как можно быстрее и равномернее распределялось по содержимому сковороды или кастрюли, но при этом как можно позже добралось до ручки.

Удостоверившись в существовании атомов, нам хотелось бы понять, в чем их роль в тех или иных ситуациях, что позволило бы уяснить, что же такое тепловая энергия. Зачастую мы представляем себе тепло как некую жидкость, способную перетекать от одного объекта к другому. Но в действительности это энергия движения, которой делятся между собой объекты, вступая в контакт. Температура — непосредственная мера энергии движения. Мы можем контролировать передачу энергии от одних объектов к другим, используя материалы, как хорошо, так и плохо проводящие тепло. Самым характерным примером управления теплом и холодом в нашем обществе может служить система, заметно выделяющаяся на фоне остальных систем своей чрезвычайно важной ролью в нашей жизни. Люди уделяют очень большое внимание обеспечению комфортных условий существования, которые немыслимы без тепла. Но когда речь идет о пище и лекарственных препаратах, нам приходится заботиться о создании оптимальных условий для их хранения, а важнейшее из них — это холод. Так что завершим эту главу рассмотрением холодильников и морозильных камер.

Если нагреть кусочек сыра, его молекулы активизируются, начнут энергичнее двигаться, в системе появится дополнительная энергия, которая может, помимо прочего, расходоваться на поддержание химических реакций. В случае с сыром это означает, что любые микробы, находящиеся на его поверхности, способны привести в действие свои внутренние «фабрики» и инициировать процесс гниения. Для предотвращения этих процессов нужен холод. При охлаждении пищи движение молекул замедляется и энергия, необходимая для активизации микробов, отсутствует. Таким образом, в холодильнике сыр не будет портиться гораздо дольше, чем при комнатной температуре. С помощью хитроумного механизма, положенного в основу работы холодильника, воздух, заключенный внутри устройства, охлаждается за счет нагрева наружного воздуха. Ограничивая степень изменчивости молекул, холод позволяет нам долгое время хранить пищевые продукты в пригодном к употреблению виде.

Только представьте, на что была бы похожа наша жизнь без холодильника. Разумеется, нам пришлось бы забыть о том, что такое мороженое и холодное пиво. Нам пришлось бы гораздо чаще покупать продукты питания, поскольку при комнатной температуре они не могут храниться долго. Нам пришлось бы жить как можно ближе к ферме, если мы употребляем молочные продукты, сыры или мясо, или как можно ближе к морю или реке, если предпочитаем рыбу. Свежие листья салата мы бы ели только в сезон. Конечно, кое-какие продукты можно было бы квасить, сушить, засаливать или консервировать, но свежий помидор в декабре был бы для нас недостижимой мечтой.

Помимо супермаркетов существует обширная сеть складов-холодильников, судов-, поездов- и даже самолетов-рефрижераторов. Голубика, выращенная в Род-Айленде, может поступить в продажу в Калифорнии через неделю после сбора, потому что с того момента, когда она была собрана, и до момента, когда попала на полки супермаркета, она все время хранилась и транспортировалась в охлажденном состоянии. Мы можем не сомневаться в безопасности пищевых продуктов, поскольку на всем их пути до магазина к ним не было доступа тепловой энергии. Это касается не только продуктов питания. Многие лекарственные препараты также следует хранить при определенной температуре. Особенно нуждаются в охлаждении вакцины — подвергать их воздействию тепла совершенно недопустимо. Это становится серьезной проблемой при их доставке в развивающиеся страны. На протяжении всего пути для вакцин приходится поддерживать низкую температуру как в транспортных средствах, так и в местах промежуточного хранения. Холодильники и морозильные камеры у нас на кухнях и в медицинских учреждениях являются последним звеном в неразрывной цепи холода, которая тянется через всю нашу планету, соединяя фермы и города, заводы и потребителей. Когда мы подогреваем молоко, чтобы приготовить горячий шоколад, — это первый случай его нагрева с тех пор, как оно было получено от коровы и пастеризовано. Когда мы его пьем, не опасаясь за свое здоровье, это означает, что мы доверяем всей цепи холода, по которой его доставили к нам. Атомы молока были ограждены от доступа тепловой энергии на всем протяжении этой цепи, что позволило практически полностью исключить вероятность химических реакций, из-за которых оно бы испортилось. Иными словами, чтобы обеспечить пригодность пищевых продуктов к употреблению, нужно максимально оградить их атомы от доступа тепловой энергии.

В следующий раз, бросив кубик льда в какой-либо напиток, понаблюдайте за тем, как он тает, и вообразите микроскопические атомные колебания, отдающие энергию по мере передачи тепла от воды к кубику льда. Хотя вы не можете видеть сами атомы, вы по крайней мере можете наблюдать последствия передачи тепловой энергии от одних объектов к другим.

Отправить