Book: Физика и жизнь



Физика и жизнь

Элен Черски

Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Научный редактор Александр Минько


Издано с разрешения Helen Czerski c/o JANKLOW & NESBIT и литературного агентства PRAVA I PREVODI


Все права защищены.

Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.


© Helen Czerski, 2016

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2021

Моим родителям, Яну и Сьюзен


Будучи студенткой университета (я тогда жила у Наны), я очень много времени проводила за чтением учебника по физике. Нана, простодушная северянка, испытала чувство, близкое к потрясению, когда я ей сказала, что изучаю структуру атома.

«Вот это да! – воскликнула она. – Это что? И что ты сможешь делать, когда прочтешь эту книгу?»

Гм, очень хороший вопрос…

Введение

По сути, мы живем на границе, отделяющей поверхность Земли от остальной Вселенной. В ясную ночь любой из нас может наслаждаться видом множества ярких, неизменных и хорошо знакомых каждому звезд, которые служат для нас ориентирами, определяющими уникальное место Земли в космосе. Эти звезды видели представители всех человеческих цивилизаций, когда-либо существовавших на нашей планете, но никто не мог к ним прикоснуться. Наш же дом здесь, на Земле, – полная противоположность вечному и неизменному звездному небу: он беспорядочный, хаотический, изменчивый, беспрерывно рождающий какие-то новшества и изобилующий вещами, которые можно не только потрогать, но и изменить или использовать в своих целях. Эта книга понравится всем, кто интересуется устройством Вселенной и механизмами ее существования. Физический мир на удивление многообразен, поскольку одни и те же принципы и одни и те же атомы, всячески сочетаясь между собой, порождают несметное число исходных комбинаций. Тем не менее такое разнообразие не игра случая. В нашем мире масса закономерностей и повторяющихся структур.

Если налить немного молока в чашку с чаем и быстро перемешать ложечкой, то перед глазами предстанет нечто наподобие маленького водоворота, спираль из двух жидкостей, увлекающих друг друга в кружение и едва соприкасающихся между собой. В чашке с чаем такая спираль продержится буквально доли секунды, после чего жидкости полностью смешаются. Но даже этого времени достаточно, чтобы заметить характерную картину, которая служит кратким напоминанием о том, что жидкости при смешивании сперва образуют красивую спиралевидную воронку, а не мгновенно превращаются в однородную массу. Аналогичную картину можно наблюдать и в других местах, причем по той же причине. При взгляде на Землю из космоса нередко можно увидеть очень похожие завихрения в облаках – в местах встречи потоков теплого и холодного воздуха, кружащихся вокруг друг друга, вместо того чтобы просто перемешаться между собой. В Британии такие завихрения регулярно перемещаются через Атлантический океан, с запада на восток, чем и объясняется изменчивость британской погоды. Эти воздушные «водовороты» образуются на границе между холодным полярным воздухом, направляющимся с севера, и теплым тропическим воздухом с юга. Холодные и теплые воздушные массы гоняются друг за другом по кругу (что отчетливо видно на спутниковых снимках) и известны как области низкого давления, или циклоны. По мере вращения этих спиралей мы становимся свидетелями быстрых переходов между ветреной, дождливой и солнечной погодой.

На первый взгляд у вращательного движения урагана мало общего с тем, что происходит в чашке чая при помешивании ложечкой, однако сходство наблюдаемых в обоих случаях картин не просто совпадение. Оно указывает на общий, более фундаментальный принцип, под которым скрывается некая систематическая для всех подобных явлений, открытая, исследованная и проверенная в ходе строгих научных экспериментов, проводившихся не одним поколением ученых, основа. Этот процесс открытия и есть наука: непрерывное уточнение и проверка новой трактовки тех или иных явлений окружающего мира, наряду с изысканиями, вскрывающими новые факты, требующие осмысления.

Иногда ту или иную картину или закономерность достаточно легко обнаружить в новых местах, а иногда такая связь не столь заметна, и когда в конце концов ее удается выявить, ученый испытывает истинное удовлетворение. Например, мало кто из нас догадывается о том, что у скорпионов и велосипедистов много общего. А между тем и скорпионы, и велосипедисты применяют для выживания один и тот же научный прием – хотя и с диаметрально противоположными целями.

Безлунные ночи в североамериканской пустыне холодные и тихие. Разглядеть что-либо на земле практически невозможно, поскольку она освещается лишь тусклым светом звезд. Поэтому, чтобы отыскать одно особое сокровище, нужно вооружиться специальным фонарем (он должен излучать ультрафиолетовый, или, как его иногда называют, «черный свет», невидимый невооруженным глазом) и отправиться в темноту ночи. Сказать наверняка, в какое именно место направлен луч такого фонаря, нельзя, потому что он невидим. Но в какой-то момент вы замечаете на земле свечение – точнее говоря, бегущий во тьме яркий зловещий зелено-голубой огонек. Это и есть скорпион.

Именно так охотятся на скорпионов любители этих жутких черных представителей класса паукообразных. В их наружном скелете есть пигменты, поглощающие невидимый для человеческого глаза ультрафиолетовый свет и испускающие за счет этого свет, который мы можем видеть. Это действительно хитрый научный прием, хотя, если скорпионы у вас ничего, кроме чувства страха и отвращения, не вызывают, вы вряд ли оцените его по достоинству. Такой трюк со светом называется флуоресценцией. Считается, что зелено-голубое свечение скорпионов помогает им адаптироваться к окружающей среде и находить в темноте надежные укрытия от врагов. Ультрафиолетовый свет всегда присутствует в окружающем нас мире, но в темноте, когда солнце уже скрылось за горизонтом, видимый свет практически исчезает и остается только ультрафиолетовый. Поэтому, если скорпион выберется из укрытия, он начнет светиться и будет легко обнаружен врагами, поскольку вокруг него не будет ничего, что тоже светилось бы зеленым или голубым светом. Даже если скорпион лишь слегка высунется из своего убежища, он увидит собственное свечение, которое даст ему знать, что нужно спрятаться получше. Весьма элегантная и эффективная система сигнализации, не так ли? По крайней мере она была таковой до появления в пустыне людей с фонарями, излучающими ультрафиолетовый свет.

К счастью для арахнофобов[1], чтобы наблюдать явление флуоресценции, вовсе не обязательно отправляться ночью в пустыню, где обитают скорпионы. Это явление зачастую можно наблюдать даже утром в пасмурную погоду в городе. Обратите внимание на велосипедистов, а точнее, на их заметные издалека куртки, которые кажутся чересчур яркими по сравнению с окружающей средой. Создается впечатление, что эти куртки светятся – и это действительно так. В пасмурные дни плотная облачность препятствует проникновению видимого света, однако значительная часть ультрафиолета все же проходит сквозь облака. Специальные пигменты, содержащиеся в куртках велосипедистов, поглощают его и вырабатывают видимый свет. Это полный аналог «технологии», применяемой скорпионами, но с диаметрально противоположной целью. Велосипедисты хотят светиться, поскольку так они станут заметнее на дороге, что минимизирует риск оказаться жертвой ДТП. Такое использование флуоресценции сродни бесплатному завтраку: мы особо не задумываемся о существовании и действии ультрафиолетового света, поэтому ничего не теряем, когда он превращается в нечто, что можно обернуть себе во благо.

Замечательно, что такое вообще возможно, но лично меня радует то, что некое физическое явление оказывается не просто любопытным фактом, а инструментом, помогающим в повседневной жизни. В данном случае оно помогает выжить скорпионам и велосипедистам. Оно же вызывает свечение тоника (газированной воды, добавляемой в крепкие алкогольные напитки), так как хинин, содержащийся в тонике, флуоресцирует под воздействием ультрафиолетового света. На том же принципе основано действие отбеливателей, добавляемых в стиральные порошки, и ручек-маркеров. Увидев в очередной раз фрагмент текста, подчеркнутый маркером, вспомните, что маркерные чернила выступают в качестве детектора ультрафиолетового света: хотя он невидим для человеческого глаза, свечение маркерных чернил говорит о том, что он на них воздействует.

Я изучала физику потому, что она объясняет многие интересующие меня явления. Это дало мне возможность понять механизмы, приводящие в действие окружающий мир, а главное – позволило самой выяснить принцип работы некоторых из них. Несмотря на то что сейчас я могу с полным правом называть себя профессиональным физиком, множество задач мне удалось решить самостоятельно, не прибегая к помощи научных лабораторий, сложных компьютерных программ или дорогостоящего экспериментального оборудования. Открытия, которые принесли мне наибольшее удовлетворение, я сделала абсолютно случайно, когда просто пыталась разобраться в заинтересовавших меня моментах и даже не помышляла о занятии наукой. Уже тогда я пришла к выводу, что знание базовых законов физики превращает окружающий мир в нечто наподобие коробки с игрушками.

Как по мне, рассуждения о науке, которую можно найти на кухне, в саду или на городской улице, всегда отдают снобизмом. Многим кажется, что это просто способ занять детей каким-либо полезным делом, не несущий никакой практической пользы для взрослых. Взрослый человек может, к примеру, купить книгу об устройстве Вселенной; и эта тема считается для него более подходящей. Но при таком подходе мы упускаем из виду нечто очень важное: универсализм и повсеместное действие законов физики. Она повсюду. Обычный тостер может немало поведать о некоторых самых фундаментальных законах физики, к тому же преимущество тостера заключается в том, что он наверняка уже стоит у вас на кухне и вы можете ежедневно наблюдать его в действии. Прелесть физических законов – именно в их универсальности: они актуальны и на кухне, и в самых отдаленных уголках Вселенной. Из наблюдений за работой тостера вы (даже если вас не интересует температура Вселенной) по крайней мере будете знать, почему он выдает вам горячие гренки. Но как только вы усвоите физический закон, на котором основан принцип действия тостера, вы станете распознавать его во многих других местах, причем некоторые из этих «других мест» окажутся одними из самых впечатляющих достижений человеческого общества. Изучение физических законов, применяемых в повседневной жизни, – прямой путь к постижению фундаментальных знаний об окружающем нас мире, которые необходимы каждому гражданину для полноценного участия в жизни общества.

Как отличить сырое яйцо от вареного, не разбивая его? Есть простой способ это узнать. Положите яйцо на гладкую твердую поверхность и придайте ему вращение вокруг собственной оси (примерно так, как запускаете волчок). Через несколько секунд слегка коснитесь яйца пальцем; прикосновение должно быть достаточным лишь для того, чтобы остановить его вращение. Яйцо побудет в неподвижности секунду-другую, после чего может медленно продолжить вращение. Сырое и вареное яйцо внешне выглядят одинаково, но состояние их внутреннего содержимого совершенно разное. В этом и заключается секрет метода, позволяющего их отличить. Касаясь пальцем вареного яйца, вы останавливаете объект с цельной практически твердой «начинкой». В случае сырого яйца вы останавливаете только его оболочку, а жидкое содержимое продолжает вращение и через пару секунд увлекает за собой оболочку, возобновляя ее вращение. Любой из вас может легко проверить эффективность данного метода. Это один из важных физических принципов, гласящий, что объекты стремятся к сохранению движения при отсутствии воздействия сторонних сил. Суммарная величина вращения яичного белка сырого яйца остается неизменной, поскольку не существует каких-либо причин для ее изменения. Это называется сохранением углового момента (количества движения). В вареных яйцах такой механизм просто не срабатывает.

Космический телескоп «Хаббл», вращающийся вокруг Земли с 1990 года, сделал множество впечатляющих снимков космоса. С его помощью мы получили изображения Марса, колец Урана, старейших звезд Млечного Пути, спиральной галактики Сомбреро в созвездии Девы и гигантской Крабовидной туманности. Но когда вы свободно парите в космическом пространстве и видите далекие звезды в виде крошечных светящихся точек, как вы определите свое точное местоположение? Как узнать, где «верх», а где «низ», где «впереди», а где «сзади»? На телескопе «Хаббл» установлено шесть гироскопов, каждый из которых представляет собой нечто вроде колеса, вращающегося со скоростью 19 200 оборотов в секунду. Сохранение углового момента означает, что эти колеса будут вращаться с указанной скоростью ввиду отсутствия внешней силы, способной ее замедлить. А ось вращения каждого колеса неизменно указывает в одном и том же направлении, поскольку каких-либо причин для его изменения нет. Эти гироскопы задают «Хабблу» некое исходное направление (направление отсчета), что позволяет оптической системе телескопа зафиксироваться на требуемом удаленном объекте на сколь угодно долгое время. Физический принцип, используемый для правильного ориентирования в пространстве одного из самых совершенных устройств, созданных нашей цивилизацией, можно продемонстрировать у себя на кухне с помощью обычного яйца.

Именно поэтому я люблю физику. Все, что вы узнаете, обязательно найдет полезное применение в той или иной области человеческой деятельности. Изучение физики – весьма увлекательное приключение, потому что заранее невозможно определить, куда оно нас приведет. Насколько нам известно, физические законы, которые мы наблюдаем на Земле, действуют во всей Вселенной. Со многими из них может познакомиться каждый из нас и самостоятельно проверить их действие. То, что можно узнать с помощью обычного яйца, выливается в повсеместно применяемый принцип. Вооружившись знанием этих принципов, вы начинаете совершенно иначе смотреть на окружающий мир.

В прошлом информация ценилась гораздо больше, чем сейчас. Люди добывали ее по крупицам и потому очень ею дорожили. Сегодня мы живем на берегу океана знаний, где регулярно случаются цунами, угрожающие нашему благоразумию. Зачем же вам, человеку в здравом уме и твердой памяти, искать дополнительные знания и, следовательно, дополнительные сложности? Космический телескоп «Хаббл» замечателен во всех отношениях, но какая от него польза лично вам? Разве время от времени он будет смотреть вниз, чтобы, к примеру, помочь вам найти ключи от квартиры, когда вы опаздываете на важное совещание?

Люди испытывают интерес к окружающему миру, и им нравится удовлетворять свое любопытство. Этот процесс становится еще увлекательнее, когда вы сами открываете для себя что-то новое или совершаете такие открытия совместно с другими. К тому же физические принципы, которые вы постигаете в ходе тех или иных экспериментов, наблюдаются в погодных явлениях, применяются в медицинских технологиях, мобильных телефонах, самоочищающейся одежде и термоядерных реакторах. Современная жизнь полна сложных решений. Целесообразно ли покупать дорогостоящую компактную люминесцентную лампу? Не навредит ли здоровью оставленный на ночь включенным мобильный телефон рядом с кроватью? Следует ли доверять прогнозу погоды? Так ли важно наличие в моих очках поляризованных линз? Знание базовых принципов как таковых зачастую не позволит вам получить правильные ответы, но зато предоставит контекст, необходимый для постановки правильных вопросов. И если мы привыкли работать над собой, то не почувствуем себя беспомощными, не найдя ответа с первой попытки. Мы будем понимать, что ситуация наверняка прояснится, стоит еще немного пошевелить мозгами. Критическое мышление крайне важно для понимания окружающего мира – тем более что рекламодатели и политики изо всех сил пытаются убедить нас в том, что они лучше нас знают, что именно нам нужно. Мы должны уметь анализировать факты и реальные свидетельства и самостоятельно решать, соглашаться ли с тем, что нам пытаются навязать, поскольку на кону нечто большее, чем наша повседневная жизнь. Мы несем ответственность за нашу цивилизацию. Мы голосуем, выбираем, что покупать и как жить, и все вместе составляем часть истории человечества. Никому не дано понять буквально каждую деталь нашего сложного мира, но базовые принципы – это те бесценные инструменты, которыми должен владеть каждый из нас.



Именно поэтому я считаю, что эксперименты с «физическими игрушками», которыми изобилует окружающий мир, представляют собой нечто большее, чем «просто развлечение», хотя я и горячая поклонница развлечений как таковых. Наука – это не просто собирание фактов, а логический процесс их выстраивания. Важный научный принцип состоит в том, что любой из нас может изучить имеющиеся данные и сделать обоснованный вывод. Поначалу эти выводы могут разниться, но по мере сбора исследователями дополнительных данных (которые помогают сделать правильный выбор между разными вариантами описания мира) постепенно сходятся к некоему общему заключению. Именно этим наука отличается от других видов деятельности: любая научная гипотеза должна позволять делать конкретные, поддающиеся проверке предсказания. Это означает, что если у вас сложилось определенное представление о механизме какого-то явления, то вы должны задуматься над тем, какие последствия могут из этого вытекать. В частности, вы должны выявить все последствия, поддающиеся проверке, и особенно те, которые могут оказаться ложными. Если ваша гипотеза успешно проходит все возможные тесты, мы осторожно соглашаемся с тем, что это, вероятно, хорошая модель устройства мира. Наука всегда пытается доказать, что ошибается, поскольку такой подход – кратчайший путь к выяснению истины.

Вам необязательно быть квалифицированным ученым, чтобы экспериментировать с окружающим миром. Знание некоторых базовых физических принципов позволит вам самостоятельно открывать в нем много нового для себя. Этот процесс далеко не всегда должен носить организованный характер: нередко фрагменты головоломки сами укладываются в требуемые места.

Одно из моих самых замечательных путешествий в мир открытий началось с разочарования: я приготовила джем из голубики, а он оказался розовым. Ярко-розовым, как фуксия. Это случилось несколько лет назад, когда я проживала в Род-Айленде и готовилась к возвращению в Великобританию. Большинство дел уже было завершено, но оставался последний проект, который я была намерена во что бы то ни стало реализовать до отъезда. Мне всегда нравилась голубика; ее ягоды казались мне немного экзотичными, нежными на вкус и необычайно голубыми. В большинстве мест, где мне приходилось жить, голубика была большой редкостью, но в Род-Айленде она росла в изобилии. Мне захотелось приготовить из нее джем, обязательно синего цвета, и увезти с собой в Великобританию. Поэтому я потратила утро одного из моих последних дней в Род-Айленде на сбор и сортировку ягод для будущего джема.

Самое важное и волнующее в джеме из голубики – его синий цвет. Во всяком случае, лично для меня. Но природа распорядилась иначе. Содержимое кастрюли с джемом было восхитительно, но его цвет испортил все впечатление: ни малейшего намека на синеву. Я наполнила джемом банки и увезла в Великобританию.

Спустя шесть месяцев один мой друг попросил меня помочь с решением исторической загадки. Он готовил телевизионную программу о ведьмах и колдунах и пересказал мне народные поверья о «мудрых женщинах», которые заваривали в воде лепестки вербены и наносили этот отвар на кожу человека, чтобы определить, околдован ли он злыми ведьмами. Моего приятеля интересовал вопрос, не проводили ли эти «мудрые женщины» каких-либо систематических измерений, даже не имея таких намерений. Я выполнила кое-какие исследования и пришла к выводу, что, возможно, они действительно делали нечто в этом роде.

Красные цветки вербены наряду с краснокочанной капустой, корольком и многими другими растениями красного цвета, содержат химические вещества, называемые антоцианами. Это растительные пигменты, которые придают растениям яркие цвета. Существует несколько разновидностей антоцианов, чем обусловлено некоторое различие в цвете, но их молекулярная структура одинакова. Однако это еще не все. Цвет также зависит от кислотности жидкости, в которой оказывается такая молекула, то есть от того, что называют «водородным показателем», или «показателем pH», этой жидкости. Если сделать среду, в которую попадает такая молекула, чуть более кислотной или более щелочной, молекулы несколько видоизменятся, меняя при этом и свой цвет. Они служат индикаторами, своего рода лакмусовой бумажкой.

Вы можете проводить у себя на кухне увлекательнейшие эксперименты, исследуя данное явление. Отварите соответствующее растение, например краснокочанную капусту, чтобы экстрагировать из него пигмент; отвар (он приобретет фиолетовый цвет) сохраните. Смешайте его часть с уксусом, и полученный раствор станет красным. Добавление раствора стирального порошка (обладающего сильной щелочной реакцией) сделает отвар желтым или зеленым. Из того, что найдется у вас на кухне, можно создать настоящую радугу цветов – проверено собственноручно! Я обожаю такие эксперименты, потому что антоцианы всегда под рукой и доступны каждому. И никакого набора «Юный химик» не требуется!

Вполне возможно, что вышеупомянутые «мудрые женщины» использовали цветки вербены для проверки на pH кожи, а не на колдовство. pH вашей кожи может меняться естественным образом, а нанесение отвара вербены на кожу разных людей могло давать разные цвета. Я могла бы изменить цвет отвара краснокочанной капусты с фиолетового на голубой, если бы нанесла его на свою кожу после длительной утренней пробежки, однако отвар не изменил бы цвет, если бы я утром не выполняла физических упражнений. Возможно, эти «мудрые женщины» заметили, что разные люди заставляют пигменты вербены изменяться по-разному, и придумали для этого явления собственное объяснение. Разумеется, мы никогда не узнаем, как было на самом деле, но моя гипотеза кажется мне вполне разумной.

Впрочем, наш экскурс в историю несколько затянулся. Между тем он заставил меня вспомнить о джеме из голубики. Ягоды голубики синие, поскольку содержат антоцианы. В моем джеме всего четыре ингредиента: ягоды голубики, сахар, вода и лимонный сок. Лимонный сок помогает натуральному пектину из голубики привести джем в требуемое состояние. И достигается это потому, что лимонный сок – это… кислота. Мой джем стал розовым, так как сваренные ягоды голубики в данном случае выступали в роли лакмусовой бумажки. Джем должен был получиться розовым, ибо лишь в этом случае он был бы надлежащей консистенции. Чувство морального удовлетворения, испытанное мной в результате этого открытия, несколько компенсировало чувство глубокого разочарования, постигшего меня из-за того, что джем оказался не синим, а розовым. Однако тот факт, что из одного фрукта можно получить целую радугу цветов, стоил жертвы в виде розового джема из голубики.

В этой книге рассказывается о связи между мелочами, с которыми мы ежедневно сталкиваемся и зачастую не замечаем, с «большим миром», в котором мы живем. Она представляет собой увлекательное путешествие в физический мир и показывает, как экспериментирование с такими вещами, как попкорн, кофейные пятна и магниты на наших холодильниках, может пролить свет на экспедиции Скотта в Антарктиду, медицинские тесты и удовлетворение наших будущих потребностей в энергии. Наука – это не о «них», а о «нас», и у нас множество возможностей заниматься ею по-своему. Каждая глава начинается с упоминания о какой-либо мелочи, с которой мы неоднократно сталкивались в повседневной жизни, но ни разу о ней не задумывались. К концу каждой главы вы получите объяснения, касающиеся тех или иных областей науки и технологических достижений нашего времени. Каждое такое открытие будет само по себе важным и увлекательным, но самое большое вознаграждение вас ожидает в самом конце, когда из отдельных фрагментов сложится единая картина.

Знание того, как устроен мир, имеет еще одно важное преимущество, но ученые говорят о нем не очень часто. Понимание механизмов, которые приводят наш мир в движение, заставляет человека взглянуть на него иначе. Наш мир – мозаика из разных физических принципов. И как только вы усвоите основы физики, то начинаете понимать связь этих принципов друг с другом. Я надеюсь, что в процессе чтения книги зачатки научных знаний, которые вы получите по мере изучения ее глав, изменят ваше восприятие окружающего мира. Последняя глава книги представляет собой исследование того, как совместное действие физических принципов формирует три системы, поддерживающие нашу жизнь: человеческое тело, нашу планету и цивилизацию. Но у вас есть право не согласиться с моей точкой зрения. Суть науки – в самостоятельном экспериментировании с этими принципами, учете всех известных вам фактов и свидетельств и последующем формулировании собственных выводов.

Чашка чая – только начало.

Глава 1. Попкорн и ракеты

Законы поведения газов

Взрывы на кухне, конечно же, плохая идея. Но в исключительных случаях малюсенький взрывчик способен привести нас в восторг. Сердцевина высушенной кукурузы содержит массу полезных питательных компонентов – углеводов, белков, железа и калия, – но все они чрезвычайно плотно упакованы и скрываются под очень прочной оболочкой. Поэтому, чтобы сделать их пригодными для употребления в пищу, требуется соответствующая переработка. Подходящим вариантом в данном случае мог бы послужить взрыв, и, к счастью для нас, кукурузные зерна содержат в себе все необходимое для собственного разрушения. Прошлым вечером я занималась чем-то наподобие баллистического приготовления еды – делала попкорн. Каждый раз испытываешь чувство невероятного облегчения, когда узнаешь, что под жесткой и непривлекательной наружностью скрывается мягкое и приятное содержимое, – но почему разрушение такой оболочки приводит к образованию пенистой структуры, а не мелких частиц?

Когда масло в кастрюле нагрелось, я насыпала в нее столовую ложку кукурузных зерен, накрыла кастрюлю крышкой и оставила на огне, а сама стала заваривать чай. На улице шел сильный дождь, сопровождавшийся порывами ветра, и дождевые капли громко барабанили по оконному стеклу. Зерна прогревались в масле, которое тихо шипело. Мне казалось, что ничего особенного не происходит, но внутри кастрюли представление уже началось. В каждом ядре кукурузы есть зародыш, который дает начало новому растению, и эндосперм, служащий для него питанием. Эндосперм состоит из крахмала, упакованного в гранулы, и содержит примерно 14 % воды. Когда кукурузные зерна попадают в горячее масло, вода начинает испаряться, образуя пар. Горячие молекулы перемещаются быстрее, и по мере прогревания каждого ядра появляется все больше молекул воды, пребывающих в состоянии пара. Эволюционное предназначение оболочки кукурузного зерна – защита содержимого сердцевины от внешних неблагоприятных воздействий (например, механических повреждений), но, находясь в кипящем масле, она представляет собой нечто наподобие котла с плотно завинченной крышкой, внутри которого разворачивается процесс, все интенсивнее воздействующий на крышку изнутри. Молекулам воды, превратившейся в пар, некуда деваться, давление внутри оболочки нарастает. Молекулы газа (роль которого в данном случае исполняет пар) постоянно сталкиваются друг с другом, ударяются о стенки оболочки и ввиду увеличения их количества и скорости перемещения все сильнее воздействуют на внутреннюю стенку оболочки.

Работа пароварок основана на этом же принципе, поскольку горячий пар существенно ускоряет приготовление пищи. В этом смысле процесс ничем не отличается от происходящего внутри оболочки кукурузного зерна. Я уже говорила, что, пока кукурузные зерна прогревались в горячем масле, я заваривала чай. Тем временем гранулы крахмала постепенно превращались в желатинообразную массу, находящуюся под давлением, которое продолжало расти. Наружные оболочки кукурузных зерен могут выдерживать такое давление лишь до определенной степени. Когда внутренняя температура возрастает до 180 ℃, а давление почти в десять раз превышает нормальное давление окружающей атмосферы, представление, разворачивающееся внутри кастрюли с кипящим маслом, достигает кульминации.

Я слегка встряхнула кастрюлю и услышала, как внутри нее раздался первый, пока еще глухой хлопок. Через пару секунд звуки, исходившие из кастрюли, напоминали короткие очереди, выпускаемые из маленького автомата; крышка кастрюли начала слегка подпрыгивать, словно по ней стреляли изнутри. Каждый отдельный хлопок-выстрел сопровождался весьма впечатляющим выбросом пара из-под крышки кастрюли. Я буквально на мгновение отошла от плиты за чаем, но этих нескольких секунд хватило, чтобы давление изнутри приподняло крышку кастрюли и в воздух поднялось пенообразное облако.

В момент катастрофы правила меняются. До этого фиксированный объем водяного пара удерживается внутри оболочки, и давление, оказываемое им на ее внутренние стенки, увеличивается по мере повышения температуры. Но когда твердая оболочка наконец уступает давлению, ее содержимое попадает под воздействие атмосферного давления в остальной части кастрюли, то есть ограничение на объем снимается. Крахмалистая желатинообразная масса по-прежнему полна горячих ударяющихся молекул, но они уже не испытывают противодействия снаружи. В результате происходит ее взрывообразное расширение, которое продолжается до тех пор, пока внутреннее давление не сравняется с наружным. Компактная белая желатинообразная масса превращается во вспушенную пену, увеличивающуюся в объеме; кукурузные зерна выворачиваются наизнанку. По мере охлаждения масса затвердевает. Трансформация завершена.

Поворошив ложкой содержимое кастрюли, мне удалось выявить несколько жертв эксперимента. Подгорелые нелопнувшие зерна усеивали дно кастрюли. Если наружная оболочка зерна повреждена, то в процессе нагревания водяной пар свободно из нее выходит и давление внутри оболочки не нарастает. Причина, по которой кукурузные зерна при нагревании лопаются, в отличие от зерен других злаков, заключается в том, что оболочки последних имеют пористую структуру. Если зерно чересчур сухое (возможно, потому что урожай собран в неподходящее время), влаги внутри оболочки оказывается недостаточно для создания давления, позволяющего ее разорвать. А без разрушительного воздействия взрыва несъедобное зерно останется несъедобным.

Я выплеснула в окно остатки чая и идеально приготовленного мной попкорна. За окном по-прежнему хлестал дождь и завывал ветер. Как видите, разрушение – это не всегда плохо.

В простоте есть своя прелесть. Однако еще больше удовольствия мне доставляет красота, возникающая из сложности. Законы, которые описывают поведение газов, напоминают мне оптические иллюзии, когда вам кажется, что вы видите что-то одно, но, зажмурившись на секунду, а потом открыв глаза, созерцаете нечто совершенно иное.

Наш мир состоит из атомов. Каждая из этих крошечных частиц материи представляет собой оболочку из отрицательно заряженных электронов, неизменных спутников тяжелого положительно заряженного ядра атома. Химия, по сути, – история об этих спутниках, обслуживающих несколько атомов, но всегда подчиняющихся строгим правилам квантового мира и удерживающих плененные ими ядра в более крупных структурах, называемых молекулами. В воздухе, которым я дышу, когда пишу эти строки, присутствуют пары атомов кислорода (каждая такая пара – одна молекула кислорода), которые движутся со скоростью 1400 км/ч, соударяясь с парами атомов азота, которые движутся со скоростью 320 км/ч, а затем, возможно, отскакивая от молекулы воды, летящей со скоростью свыше 1600 км/ч. Все это выглядит ужасно сложно и беспорядочно – разные атомы, разные молекулы, разные скорости, – причем в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится примерно 30 000 000 000 000 000 000 (3 × 1019) отдельных молекул, каждая из которых сталкивается приблизительно миллиард раз в секунду с другими молекулами. Вам может показаться, что самый разумный подход в данном случае – послать все это куда подальше и заняться чем-нибудь более понятным, например хирургией мозга, экономической теорией или взломом суперкомпьютеров. Одним словом, чем-то попроще. В конце концов, ученые, которые в свое время открыли законы поведения газов, вполне обходились без знания всех этих нюансов. У невежества есть свои преимущества. Теория об атомах вообще не была частью науки вплоть до начала XIX века, а неопровержимые доказательства существования атомов появились примерно в 1905 году. В далеком 1662-м в распоряжении Роберта Бойля и его помощника Роберта Гука была лишь стеклянная посуда, ртуть, пузырь с закачанным в него воздухом – и умеренная порция невежества. Они выяснили, что при возрастании давления, оказываемого на пузырь с воздухом, его объем уменьшается. В этом и заключается суть закона Бойля, который гласит, что давление газа обратно пропорционально его объему. Спустя столетие Жак Шарль обнаружил, что объем газа (при одном и том же давлении) прямо пропорционален его температуре. Если температуру газа повысить вдвое, его объем также увеличится в два раза. Невероятно! Как же свести все сложности, касающиеся атомов, к чему-то более простому и упорядоченному?



Последний вдох, одно уверенное движение могучим хвостом – и огромное млекопитающее скрывается в морской пучине. Весь запас воздуха, необходимый этому кашалоту, чтобы провести следующие сорок пять минут под водой, умещается в его теле. Охота начинается! Добыча – гигантский кальмар, монстр, вооруженный щупальцами, устрашающими присосками и наводящим ужас клювообразным выступом. Чтобы отыскать его, кашалоту приходится нырять на достаточно большую глубину, куда никогда не проникает солнечный свет. Типичная глубина погружений кашалота – 500–1000 метров, а рекордная – примерно 2 километра. Кашалот «прощупывает» водную толщу своим высокочувствительным сонаром, ожидая получить слабый эхосигнал, указывающий на то, что добыча где-то рядом. А гигантский кальмар спокойно плывет на глубине и ничего не подозревает, ведь он глухой.

Самое ценное, что берет с собой кашалот, отправляясь за добычей, – это кислород, требуемый для поддержания химических реакций, которые снабжают питанием мышечные ткани животного и сохраняют ему жизнь. Но газообразный кислород, поставляемый из атмосферы, на глубине становится источником проблем. Фактически, как только кашалот начинает погружение, воздух в его легких превращается в проблему. В ходе погружения кита вес каждого очередного метра воды оказывает дополнительное давление на его тело. Молекулы азота и кислорода сталкиваются друг с другом и внутренними стенками легких, и каждое такое столкновение означает микротолчок. Когда кашалот находится на поверхности воды, такие микротолчки, оказываемые на его тело снаружи и изнутри, уравновешивают друг друга. Но когда гигант опускается на некоторую глубину, на него дополнительно давит водная толща, находящаяся над ним, и толчок снаружи превосходит толчок изнутри. В результате стенки легких вдавливаются внутрь до установления равновесия, при котором давление снаружи и изнутри снова сбалансируется. Это достигается за счет того, что при сжатии легких кашалота для каждой из молекул остается меньше пространства и столкновения между ними учащаются. То есть молекулы все чаще соударяются с внутренними стенками легких животного, что приводит к повышению давления, направленного изнутри наружу. Так продолжается до установления равновесия между внутренним и наружным давлением. Десяти метров водной толщи достаточно для того, чтобы оказывать дополнительное давление, эквивалентное атмосферному. Поэтому даже на глубине, куда проникает солнечный свет и еще видна поверхность воды, объем легких кита сокращается в два раза по сравнению с их исходным объемом. Это означает, что внутренние стенки легких испытывают в два раза большее количество соударений с молекулами, вследствие чего внутреннее давление уравновешивает возросшее наружное давление. Но гигантский кальмар может скрываться на глубине до километра, а на таких глубинах объем легких должен сократиться до одного процента по сравнению с исходным объемом, то есть объемом на поверхности воды.

Но вот кашалот улавливает эхосигнал сонара. Имея лишь некоторый запас кислорода в сжавшихся легких и сонар, позволяющий ориентироваться в пространстве, кит должен приготовиться к битве в кромешной тьме. Гигантский кальмар неплохо вооружен, и даже если он в конечном счете сдастся, раны кашалота тоже будут ужасны. Откуда же ему брать силы для сражения, если в легких не останется кислорода?

Проблема уменьшившихся легких состоит в том, что, когда их объем составляет лишь одну сотую от того, который был на поверхности, давление газа внутри легких в сто раз превышает атмосферное давление. На альвеолах, нежной и чувствительной части легких, где кислород поступает в кровь, а углекислый газ удаляется из нее, это повышенное давление приводило бы к растворению в крови кашалота дополнительного количества кислорода и азота. Результатом стала бы ситуация, которую водолазы называют «кессонной болезнью»: когда кит всплыл бы на поверхность, в его крови образовались бы пузырьки избыточного азота, что могло бы повлечь за собой тяжелейшие последствия для организма. Эволюционное решение – полностью перекрыть альвеолы с момента, когда кашалот покидает поверхность воды. Альтернативы нет. Но животное может задействовать свои энергетические резервы, поскольку его кровь и мышцы способны запасать огромное количество кислорода. В крови кашалота вдвое больше гемоглобина и в десять раз больше миоглобина (белка, который используется для хранения энергии в мышцах), чем в крови человека. Пока кит находится на поверхности, он «перезаряжает» эти огромные энергетические резервуары. Кашалоты никогда не пользуются легкими при глубоких погружениях. Это для них слишком опасно. Они не делают как можно более глубокий вдох, перед тем как отправиться на глубину. Они существуют и борются за счет запасов, накопленных в мышцах во время пребывания на поверхности.

Никто никогда не видел сражения между кашалотом и гигантским кальмаром. Но в желудках мертвых кашалотов нередко находят остатки клювов кальмаров – единственной части, которую не переваривает желудок кашалота. Таким образом, каждый кит ведет собственный «внутренний» счет одержанных побед. Когда кит-победитель возвращается к солнечному свету, его легкие постепенно расширяются и восстанавливают контакт с системой кровоснабжения. По мере снижения давления их объем снова увеличивается до тех пор, пока не достигнет исходной величины.

Как ни странно, сочетание сложного молекулярного поведения и статистики (которая обычно не ассоциируется с простотой) на практике порождает относительно простой результат. Речь действительно идет об огромном множестве молекул, огромном множестве столкновений и огромном множестве разных скоростей, но важны здесь только два фактора: диапазон скоростей движения молекул и среднее количество столкновений молекул со стенками емкости, в которую они заключены. Величина давления зависит от числа столкновений и силы каждого из них (определяемой скоростью и массой молекулы). Соотношение между внутренним давлением (вызванным всеми этими столкновениями) и наружным определяет объем. Что же касается температуры, то она оказывает несколько иной эффект.

«Кто мне ответит: о чем мы обычно должны беспокоиться на данном этапе?» Наш учитель, Адам, носит белую рубаху, туго облегающую его круглое брюшко, – идеальный образ булочника, который готовит выпечку для какой-нибудь солдатской столовой. Обилие в его речи словечек и оборотов, характерных для диалекта «кокни», не портит общего впечатления, а, наоборот, придает Адаму дополнительный шарм. Он тычет пальцем в комок теста, лежащий перед ним на столе. Тесто прилипает к пальцу и тянется за ним, как живое; впрочем, оно и впрямь живое. «Чтобы испечь хороший хлеб, – объявляет Адам, – нужен воздух». Я учусь в школе пекарского мастерства, где нам рассказывают, как приготовить фокаччу, традиционный хлеб итальянской кухни. Я уверена, что не надевала фартук с тех пор, как мне исполнилось десять. И хотя мне неоднократно приходилось печь хлеб, я никогда не видела теста, похожего на то, которое лежит перед Адамом. Одним словом, мне есть чему поучиться.

Следуя инструкциям Адама, мы приступаем к самостоятельному приготовлению теста с нуля. Каждый из нас смешивает свежие дрожжи с водой, затем добавляет муку и соль и месит тесто с терапевтической решительностью, способствуя выработке клейковины (глютена) – белка, который придает хлебу эластичность. Все время, пока мы формируем соответствующую физическую структуру, живые дрожжи, присутствующие в ней, заняты важной работой: ферментированием сахаров и выработкой углекислого газа. В этом тесте, как и в любом другом, которое мне приходилось когда-либо готовить, воздуха нет, зато в нем множество пузырьков углекислого газа. Тесто – тягучий и вязкий биореактор; в нем заключены продукты жизнедеятельности, поэтому оно поднимается. Когда завершается первая стадия, тесто принимает восхитительную ванну из оливкового масла и продолжает подходить, а мы тем временем чистим от его остатков ладони и стол. Каждая отдельно взятая реакция ферментации порождает две молекулы углекислого газа, которые выделяются дрожжами. Углекислый газ, или CO2 – два атома кислорода, присоединенные к атому углерода, – это маленькие инертные молекулы (то есть не вступающие в химические реакции с другими молекулами), обладающие при комнатной температуре достаточной энергией, чтобы свободно парить в пространстве, подобно любому другому газу. Когда эта молекула в сочетании с другими молекулами углекислого газа образует пузырек, она может часами перемещаться туда-сюда, соударяясь с другими такими же молекулами. Каждый раз при соударении происходит обмен энергией, точно так же как при соударениях бильярдных шаров. Иногда одна молекула почти останавливается, а другая приобретает удвоенную энергию и отскакивает с высокой скоростью, а иногда энергия распределяется между молекулами в иной пропорции. Каждый раз, когда какая-либо молекула сталкивается со стенкой пузырька, насыщенной глютеном, она отскакивает от нее. На этой стадии пузырьки увеличиваются, поскольку в них накапливается все большее количество молекул и их соударения с внутренними стенками пузырьков учащаются. Пузырек «надувается» до тех пор, пока наружное (атмосферное) давление не уравновесит давление молекул CO2 изнутри пузырька. Порой при соударении со стенками пузырька молекулы CO2 движутся быстро, порой – медленно. Пекарям, как и физикам, все равно, с какими именно скоростями те или иные молекулы CO2 соударяются со стенками пузырька, поскольку это вопрос статистики. При комнатной температуре и атмосферном давлении 29 % молекул CO2 движутся со скоростями в диапазоне от 350 до 500 метров в секунду, но для нас это не так уж и важно.

Адам хлопает в ладоши, чтобы привлечь наше внимание, и жестом волшебника являет нашему взору поднимающееся тесто. А затем проделывает незнакомую мне манипуляцию: раскатывает тесто, покрытое оливковым маслом, и складывает его в виде конвертика. Цель – задержать внутри конвертика воздух. Я едва сдерживаюсь, чтобы не воскликнуть: «Нас разыгрывают!» – поскольку всегда считала, что весь «воздух» в хлебе – это CO2, выделившийся из дрожжей. Однажды в Японии я видела мастера оригами, с энтузиазмом рассказывающего своим ученикам о правильном способе наклеивания скотча при изготовлении бумажной лошадки. Свидетелем такого же нарушения здравого смысла я стала во время урока пекарского мастерства, проводимого Адамом. Но если вам нужен воздух, то почему бы не использовать воздух? Я последовала совету мастера и послушно свернула свое тесто в виде конвертика. Через пару часов, после того как оно подошло еще сильнее и я еще раз свернула его конвертиком, а затем использовала большее количество оливкового масла, чем мне казалось разумным, моя нарождающаяся фокачча вместе с ее пузырьками была готова к отправке в печь. «Воздух» обоих типов должен был исполнить свою функцию.

Внутри печи в хлеб начала проникать энергия нагрева. Давление в печи все еще было такое, как и снаружи, но температура хлеба внезапно подскочила с 20 до 250 ℃. В абсолютных единицах это соответствует скачку с 293 до 523 градусов по шкале Кельвина. Таким образом, абсолютная температура практически удвоилась[2]. В случае газа это означает ускорение движения молекул. Нашим интуитивным представлениям несколько противоречит тот факт, что отдельно взятая молекула не имеет собственной температуры. Газ, то есть совокупность молекул, может иметь температуру, но отдельно взятая молекула в нем – нет. Температура газа – это всего лишь способ выражения средней величины энергии движения молекул газа, но каждая отдельно взятая молекула постоянно ускоряет и замедляет движение, обмениваясь энергией с другими молекулами в результате соударений. Любая отдельная молекула просто обменивается энергией, которой она обладает в данный момент. Чем быстрее движутся молекулы, тем сильнее их соударения с внутренними стенками пузырьков и тем больше давление, оказываемое на пузырьки изнутри. Когда хлеб попал в печь, молекулы газа внезапно приобрели гораздо большую тепловую энергию и, соответственно, ускорили движение: его средняя скорость повысилась с 480 до 660 метров в секунду. В результате давление, оказываемое на стенки пузырьков изнутри, существенно выросло, и это повышение никак не уравновешивается давлением снаружи. Каждый из пузырьков расширяется пропорционально увеличению температуры. Раздувающиеся пузырьки оказывают давление на тесто, заставляя его подниматься. Кстати, пузырьки воздуха (который в основном представляет собой смесь азота и кислорода) расширяются точно так же, как и пузырьки CO2. А это и есть последний фрагмент головоломки, которого нам недоставало. Оказывается, не так уж важно, о каких молекулах идет речь. Когда удваивается температура, удваивается и объем (если давление не меняется). Или, если удваивается температура, а объем остается прежним, удваивается давление. С каким бы сочетанием разных атомов нам ни приходилось сталкиваться, это не имеет никакого значения, поскольку данная статистика остается неизменной при любой комбинации. Глядя на готовый хлеб, никто не сможет сказать, в каких пузырьках содержался CO2, а в каких – воздух.

Затем матрица из углеводов и белков, окружающая пузырьки, испеклась и затвердела. Размеры пузырьков зафиксировались. И перед ароматом, исходящим от мягкой белой фокаччи, было невозможно устоять.

Особенности поведения газов описываются так называемым законом идеального газа, причем такая идеализация оправдывается тем, что она не противоречит действительности. Более того, она полностью соответствует истинному положению вещей. Этот закон гласит, что для фиксированной массы газа давление обратно пропорционально его объему (если вы удваиваете давление, объем уменьшается в два раза), температура прямо пропорциональна давлению (если вы удваиваете температуру, давление повышается в два раза), а объем прямо пропорционален температуре – при фиксированном давлении. Неважно, о каком именно газе идет речь; для нас имеет значение только количество его молекул, то есть масса рассматриваемого газа. Закону идеального газа подчиняется и двигатель внутреннего сгорания, и шары, наполненные теплым воздухом, и даже попкорн. Он применим не только к газу, который нагревается, но и к газу, который охлаждается.

Достижение Южного полюса стало важнейшей вехой в истории человечества. Великие полярные исследователи – Амундсен, Скотт, Шеклтон и другие – безусловно, легендарные личности, а книги об их успехах и поражениях – одни из самых пронзительных повествований всех времен. И словно тех огромных трудностей, которые пришлось преодолевать этим отважным людям – невообразимого холода, нехватки пищи, жестоких океанических бурь, одежды, которая явно не соответствовала суровым климатическим условиям, – было недостаточно, против них, в буквальном смысле слова, обернулся могущественный закон идеального газа.

Центр Антарктики – высокое, безжизненное сухое плато, покрытое толстым слоем льда, хотя там никогда не падает снег. Поверхность льда отражает почти весь тусклый солнечный свет обратно в окружающее пространство, а температура опускается ниже –80 ℃. Природа пребывает в состоянии полного оцепенения. На атомарном уровне наблюдается такое же оцепенение: атмосфера неподвижна, поскольку молекулы воздуха обладают слишком малыми энергиями (из-за очень низкой температуры окружающей среды) и перемещаются довольно медленно. Воздушные массы сверху опускаются на плато, и лед принимает на себя их тепло. Холодный воздух становится еще холоднее. Давление не меняется, поэтому этот воздух уменьшается в объеме и уплотняется. Молекулы сближаются друг с другом, движутся медленнее, не имея возможности достаточно сильно выталкиваться наружу, чтобы противодействовать окружающему их воздуху, который заталкивает их внутрь. Так как уровень плато снижается в направлении от центра континента к океану, этот холодный уплотненный воздух также непрерывно соскальзывает в направлении от центра вдоль поверхности, подобно замедленному воздушному водопаду. Потоки воздуха направляются через обширные долины, набирая скорость по мере соскальзывания в сторону океана – всегда только в сторону океана. Это так называемые нисходящие ветры Антарктики. И если вы намерены совершить путешествие к Южному полюсу, имейте в виду: на протяжении всего пути ветер будет дуть вам в лицо. Трудно придумать более неприятный сюрприз, который бы природа могла преподнести полярным исследователям.

«Нисходящий» (еще его называют катабатический) – это просто название подобных ветров, которые встречаются во многих местах планеты; и они необязательно холодные. Когда они снижаются, малоподвижные молекулы такого воздуха постепенно прогреваются – правда, незначительно. Впрочем, последствия этого прогревания могут быть поистине драматическими.

В 2007 году я проживала в Сан-Диего и работала в Институте океанографии Скриппса. Как уроженка севера я с опаской относилась к постоянной жаре и солнцу, но, учитывая, что у меня была возможность каждое утро плавать в 50-метровом бассейне, мне особо не на что было жаловаться. К тому же в Сан-Диего восхитительные закаты. Этот город расположен на берегу Тихого океана, и с его высотных зданий открываются безбрежные виды в сторону запада. Вечернее небо над океаном во время захода солнца было ошеломляющим.

Однако мне не пришлось долго наслаждаться этими чудесными видами. Задули так называемые ветры Санта-Ана, а солнечная, теплая и приятная погода сменилась зловеще жаркой и сухой. Ветры Санта-Ана начинают дуть каждую осень, когда сухой и жаркий воздух из пустынных районов Большого Бассейна в глубине материка движется в сторону океана, к побережью Южной и Нижней Калифорнии. Эти ветры, как и в Антарктике, также относятся к категории катабатических. Но к тому времени, как они достигают побережья океана, они становятся гораздо жарче, чем на высоком плато. В один памятный для меня день я ехала в автомобиле на север, по трассе I-5, в сторону одной из больших долин, которые служат своеобразными «трубами», гонящими горячий воздух в сторону океана. Долину накрывала низкая облачность. За рулем автомобиля сидел мой приятель. «Ты чувствуешь запах дыма?» – спросила я. «Тебе показалось», – ответил приятель. Но на следующее утро я проснулась в странном мире. К северу от Сан-Диего виднелось зарево огромных пожаров. Они перекинулись на долины, в воздухе носился пепел. Костер, который кто-то развел в лесу и, по-видимому, не затушил как следует, под воздействием горячего сухого ветра поджег траву и деревья. Ветры несли огонь пожаров в сторону побережья. То, что вечером показалось мне облаком, накрывшим долину, в действительности было дымом. Людей, пришедших на работу, отправили обратно домой. Те, кто не успел вернуться домой, слушали сообщения, передаваемые по местному радио, и гадали, не сгорели ли их жилища. Все чего-то ждали. Горизонт застилали облака дыма и пепла, но солнечные закаты были по-прежнему восхитительны. Через три дня дым начал подниматься. Многим негде было жить – их дома сгорели. Буквально все вокруг было покрыто слоем пепла. Медики рекомендовали людям в течение недели не находиться на открытом воздухе без крайней необходимости.

На высоких плато горячий воздух пустынь охлаждается, становясь более плотным, и соскальзывает вниз по склонам плато, подобно ветрам, с которыми столкнулся Скотт в Антарктике. Но пожары начались потому, что этот воздух был не только сухим, но и жарким. Почему же он нагревается, опускаясь? Откуда для этого берется энергия? Вследствие действия закона идеального газа. В данном случае мы имели дело с фиксированной массой воздуха, который перемещался настолько быстро, что у него просто не было времени на обмен энергией с окружающей средой. Когда поток этого плотного воздуха сползал вниз, атмосфера у подножия склона оказывала на него давление, поскольку внизу оно было выше. Давление на что-либо представляет собой способ придания ему энергии. Вы можете представить, как отдельно взятые молекулы воздуха ударяют о стенки воздушного шара, который движется в их сторону. Они отскакивают с большей энергией, чем до соударения, поскольку отскакивают от движущейся поверхности. Таким образом, объем воздуха в ветрах Санта-Ана сокращался, потому что он сжимался под воздействием окружающей атмосферы. Это сжатие придавало движущимся молекулам воздуха дополнительную энергию, в результате чего температура ветра повышалась. Данное явление называется адиабатическим нагревом. Каждый год, когда начинают дуть ветры Санта-Ана, у жителей Калифорнии появляется дополнительный повод для беспокойства из-за риска возникновения лесных пожаров. После нескольких дней такой жары сухой воздух лишает почву остатков влаги, и для того чтобы разгорелся лесной пожар, достаточно одной искры. При этом источник повышенной температуры – не только жаркое калифорнийское солнце, но и дополнительная энергия, приобретаемая молекулами газа, когда они прижимаются более плотными воздушными массами ближе к океану. Температуру будет изменять все, что способно изменить среднюю скорость молекул воздуха.

Обратный процесс происходит при выдавливании из баллончика взбитых сливок. Воздух, содержащийся в баллончике, быстро расширяется и давит на окружающую среду, в результате чего отдает свою энергию и охлаждается. По этой причине сопло емкости со взбитыми сливками на ощупь холодное: газ, который через него проходит, отдает свою энергию, достигая свободной атмосферы. Поскольку позади него остается меньше энергии, баллончик кажется холодным.

Давление воздуха – лишь показатель того, с какой силой все эти крошечные молекулы ударяют о некоторую поверхность. Обычно мы этого почти не замечаем, так как удары сыпятся с одинаковой силой со всех сторон: если держать двумя пальцами на весу листок бумаги, он останется неподвижным, потому что молекулы воздуха бомбардируют его в равной степени с обеих сторон. Каждый из нас постоянно подвергается воздействию окружающего воздуха, но мы его практически не ощущаем. Именно поэтому людям потребовалось немало времени, чтобы выяснить истинную степень такого воздействия, и полученный ответ их слегка шокировал. Масштаб открытия было несложно оценить, поскольку его демонстрация оказалась чрезвычайно запоминающейся. В истории науки не так уж часто какой-либо важный научный эксперимент напоминает увлекательное театральное представление. Однако в описываемом мною случае присутствовали все необходимые составляющие театрального зрелища: лошади, тревожное ожидание развязки, эффектная концовка и даже высокая царственная особа.

Трудность задачи заключалась в том, что для определения силы давления воздуха на тот или иной предмет следовало полностью исключить воздействие воздуха на другую сторону этого предмета, то есть создать по эту другую сторону вакуум. В четвертом столетии до нашей эры Аристотель заявил, что «природа не терпит пустоты», и эта точка зрения преобладала почти тысячелетие. Создать вакуум казалось невозможным. Но где-то около 1650 года немецкий физик Отто фон Герике изобрел первый в мире вакуумный насос. Вместо того чтобы написать научную статью на эту тему и заняться изучением других физических явлений, ученый решил устроить настоящее представление, призванное продемонстрировать его изобретение[3]. Возможно, этому способствовало и то, что Отто фон Герике был не только физиком, но и известным политиком и дипломатом; к тому же он был в хороших отношениях с правителями того времени.

Фердинанд III – император Священной Римской империи и король части Венгерского и Чешского королевств – прибыл 8 мая 1654 года, окруженный своей многочисленной свитой, к зданию Рейхстага в Баварии. Отто фон Герике предъявил почтенной публике полую медную сферу 50 сантиметров в диаметре. Сфера состояла из двух отдельных полусфер, соприкасающихся между собой идеально отшлифованными, ровными поверхностями. Снаружи к каждой из полусфер было приварено по кольцу для крепления двух канатов, за которые можно было тянуть с двух сторон, чтобы разделить полусферы. Отто фон Герике смазал места соприкосновения двух полусфер и плотно сжал их друг с другом, а для откачки воздуха изнутри образовавшейся сферы воспользовался своим вакуумным насосом. Казалось, ничто не должно удерживать вместе две половины сферы, однако после удаления из нее воздуха они вели себя так, словно были намертво склеены друг с другом. Отто понимал, что вакуумный насос позволяет ему оценить силу воздействия атмосферы на те или иные объекты. Миллиарды крошечных молекул воздуха бомбардируют наружную поверхность сферы, заставляя ее половины прочно держаться друг друга, а внутри сферы нет ничего, что бы противодействовало силам, давящим на нее снаружи[4]. Две полусферы можно было разъединить, только отрывая друг от друга с силой, превышающей ту, которая удерживает их вместе.

Затем в действие вступили лошади. Каждую полусферу тянули изо всех сил в противоположные стороны по 8 лошадей (всего 16 лошадей). Император и свита с изумлением наблюдали за тем, как лошади безуспешно пытались преодолеть силу невидимого воздуха, сжимавшего две полусферы. Единственным, что удерживало их вместе, была сила молекул воздуха, бомбардирующих сферу величиной с внушительный пляжный мяч. Но даже усилий стольких лошадей оказалось недостаточно, чтобы разъединить полусферы. Когда сражение закончилось в пользу молекул воздуха, Отто фон Герике с торжествующим видом открыл клапан, чтобы впустить воздух внутрь сферы, – и две полусферы рассоединились сами собой. Вопрос о победителе в этом соревновании также отпал сам собой. Давление воздуха оказалось гораздо сильнее, чем кто-либо мог предположить. Если взять весь воздух, откачанный из сферы примерно такого же размера, как в эксперименте Отто фон Герике, и составить из него воображаемый вертикальный столб, то он мог бы (теоретически) выдержать (за счет направленного вверх давления воздуха) нагрузку порядка 2000 килограммов, что примерно соответствует весу крупного взрослого носорога. Это означает, что если вы нарисуете на полу окружность диаметром 50 сантиметров, то давление воздуха на ограниченную ею площадку также равняется весу 2000-килограммового носорога. Крошечные невидимые молекулы воздуха действительно бомбардируют нас с большой силой. Отто провел множество таких представлений для разных аудиторий, а его знаменитая сфера получила известность как магдебургские полушария (Магдебург – родной город ученого).

Эксперименты Отто фон Герике отчасти стали знамениты еще и потому, что о них многие писали. Идеи ученого вошли составной частью научной мысли в книгу Гаспара Шотта, опубликованную в 1657 году. Сведения о вакуумном насосе Отто фон Герике вдохновили Роберта Бойля и Роберта Хука на проведение экспериментов по изучению давления газов.

Вы можете самостоятельно провести подобный эксперимент – без участия лошадей и императора. Найдите кусок толстого, ровного картона, достаточно большой, чтобы полностью закрыть отверстие стакана. Эксперимент лучше проводить над раковиной, на всякий случай. Наполните стакан водой – до ободка и положите сверху кусок картона. Прижмите его параллельно поверхности воды к ободку так, чтобы между ней и картоном не оставалось воздуха. Затем переверните стакан вверх дном – и уберите руку. Картон, на который оказывает давление вся вода в стакане, тем не менее не отпадает. Этому препятствуют молекулы воздуха, которые бомбардируют картон снизу, подталкивая вверх. Давления молекул воздуха вполне достаточно для удержания воды в стакане.

Давление молекул воздуха годится не только для удерживания тех или иных объектов. Его также можно использовать для перемещения объектов, причем пальма первенства в этом деле принадлежит не человеку. Обратите внимание на слона – одного из самых выдающихся специалистов на планете в деле воздействия на свое окружение с помощью воздуха.

Африканский саванный слон – величественный гигант, по обыкновению мирно разгуливающий по пыльной и жаркой африканской саванне. В жизни семьи слонов главную роль играют самки. Самая старшая из них, мать семейства, возглавляет группу слонов, которая бродит по саванне в поисках пищи и воды. Эта группа полагается на мать семейства, поскольку она запоминает окружающий ландшафт и самостоятельно принимает решения. Однако выживание этих животных и их способность противостоять врагам зависит не только от массы тела. У каждого слона оно может быть тяжелым и неуклюжим, но правильно распоряжаться им животному помогает весьма изысканный и чувствительный орган – хобот. Когда семейство слонов перемещается по саванне, они постоянно исследуют окружающий мир посредством этого странного придатка, используя его для сигнализации, обнюхивания, добывания пищи и фырканья.

Хобот слона – инструмент, замечательный во многих отношениях. Он представляет собой сеть взаимосвязанных мышц, способных сгибаться, подниматься и с невероятной ловкостью подбирать с поверхности земли те или иные объекты. Даже если бы возможности хобота исчерпывались только этим, его уже следовало бы считать чрезвычайно полезным органом, однако у хобота есть еще одна важная особенность: две ноздри, которые тянутся по всей его длине. Они представляют собой гибкие трубки, соединяющие кончик вдыхательного канала с легкими слона. Именно здесь начинается самое удивительное.

Когда слониха и ее семейство приближаются к водному источнику, окружающий их «неподвижный» воздух воздействует на них, как и во всех других местах: молекулы воздуха бомбардируют морщинистую серую кожу слонов, поверхность земли и водную поверхность. Мать семейства слегка опережает остальных слонов, раскачивая хоботом, когда она заходит в воду, создавая рябь на ее поверхности. Слониха погружает хобот в воду, закрывает рот, а мощные мышцы на ее груди вздымаются и расширяют грудную клетку. Во время расширения легких молекулы воздуха в них торопятся занять вновь образовавшееся пространство. Но это означает, что на самом кончике вдыхательного канала, где холодная вода соприкасается с воздухом в ноздрях слонихи, остается меньшее количество молекул воздуха, бомбардирующих водную поверхность. То есть они движутся с той же скоростью, но число соударений уменьшается. В результате давление внутри легких слонихи снижается. В итоге в соревновании «кто кого перетолкает» (между молекулами воздуха, бомбардирующими водную поверхность, и молекулами воздуха внутри слонихи) побеждает атмосферный воздух. Давление изнутри уже не в состоянии уравновесить давление снаружи; и вода – единственное, что остается между соревнующимися сторонами. Таким образом, атмосферный воздух проталкивает воду вверх по хоботу слонихи, поскольку воздух внутри животного не может протолкнуть воду обратно. Как только вода займет какое-то дополнительное пространство, плотность молекул воздуха внутри слонихи окажется такой же, какой была изначально, и вода перестанет продвигаться дальше.

Слоны не могут пить воду хоботом: если бы они попытались сделать это, то поперхнулись бы и закашлялись (как и вы, если бы попробовали пить воду носом). Поэтому, как только слониха наберет в хобот примерно 8 литров воды, ее грудная клетка перестает расширяться. Скручивая хобот вверх и вниз, слониха направляет его кончик в рот, а затем с помощью грудных мышц сдавливает грудную клетку, сокращая размер легких. В результате молекулы воздуха внутри слонихи сближаются и поверхность воды, остановившейся на полпути в ее хоботе, бомбардируется ими гораздо сильнее. Сражение между воздухом внутри и снаружи склоняется в пользу первого, и вода выдавливается из хобота в рот слонихи. Она управляет объемом своих легких, контролируя таким образом давление, которое воздух внутри нее оказывает на воздух снаружи. Когда слониха закрывает рот, единственным местом, где может перемещаться что-либо, остается ее хобот и все, что находится у его кончика, будет втягиваться или выталкиваться. Сочетание хобота и легких слона – универсальный инструмент управления воздухом, так что силой, которая втягивает или выталкивает воду, является давление воздуха, а не усилия слона как такового.

Мы делаем, по сути, то же самое, втягивая какую-либо жидкость через соломинку[5]. Когда мы расширяем свои легкие, плотность молекул воздуха в них снижается (количество молекул воздуха не меняется, а объем легких увеличивается). Внутри соломинки остается меньше молекул воздуха, оказывающих давление на поверхность воды. В результате атмосферное давление, воздействующее на оставшуюся жидкость, проталкивает ее вверх по соломинке. Мы называем это всасыванием, однако мы не втягиваем жидкость. Атмосферное давление, толкающее ее вверх, выполняет за нас всю работу. Даже такое тяжелое вещество, как вода, можно перемещать, когда бомбардировка молекулами воздуха с одной стороны сильнее, чем с другой.

Однако всасывание воздуха через хобот или соломинку имеет свои пределы. Чем больше разность давлений между двумя концами, тем сильнее выталкивание. Но максимальная разность, которой вы можете достичь при всасывании, равна разности между атмосферным давлением и нулем. Даже если бы вместо легких вы использовали идеальный вакуумный насос, то не смогли бы всасывать воду через соломинку длиною более 10,2 м, поскольку наша атмосфера не может проталкивать воду на большую высоту. Поэтому, чтобы на все сто процентов использовать «толкательную» способность молекул газа, нужно заставить их работать при более высоких давлениях, чем атмосферное. Атмосфера оказывает довольно высокое давление, но если какой-либо другой газ нагреть до высокой температуры и приложить к нему большее давление, его «толкательная» способность повысится. Возьмите достаточное количество крошечных молекул газа и заставьте их бомбардировать некий объект с достаточными частотой и скоростью – и вы придадите мощный импульс развитию цивилизации.

Паровоз – это железный дракон, шипящее, дышащее жаром могучее чудовище. Менее столетия тому назад эти драконы расплодились повсеместно, транспортируя промышленную продукцию в пределах одной страны и между разными странами и удовлетворяя потребности общества в перевозках большого количества пассажиров на дальние расстояния. Эти транспортные средства создавали сильный шум и загрязняли окружающую среду, но для своего времени были чудом инженерной мысли. Когда они устарели с моральной и технической точки зрения, общество не торопилось списывать их со счетов. Любители старины сохранили у себя немало экземпляров паровых локомотивов, которые не лишены своеобразной строгой красоты и изящества. Я выросла на севере Англии, поэтому в детские годы была буквально погружена в историю промышленной революции: фабрики, каналы, металлургические заводы, но главное – пар. Но сейчас я живу в Лондоне, и многие из детских воспоминаний уже стерлись из моей памяти. Однако прогулка вместе с сестрой по железной дороге Bluebell («Голубой колокольчик»), где курсируют поезда, приводимые в движение старинными паровозами, заставила вспомнить многое.

Тот промозглый зимний день был абсолютно идеальным для поездки на таком поезде, тем более что по ее окончании нам обещали горячий чай с булочками. На станции отправления мы ждали совсем недолго, а по прибытии в пункт назначения, Шеффилд-Парк, оказались в самом центре неторопливой, но весьма разнообразной деятельности. Вокруг паровозов непрерывно сновали, сменяя друг друга, какие-то люди, которые казались крошечными на фоне этих железных монстров. Тех, кто их обслуживал, было легко распознать: темно-синие комбинезоны, такого же цвета фуражки, добродушно-деловое настроение, наличие бороды (правда, не у всех). Время от времени они наклонялись над тем или иным узлом паровоза, исследовали его, что-то подкручивали, поправляли и настраивали. Как заметила моя сестра, многих из них почему-то звали Дейв. Прелесть парового двигателя в том, что принцип его действия фантастически прост, но исходную энергию пара нужно укрощать, регулировать и направлять. Паровой двигатель и обслуживающие его люди – настоящая команда.

Стоя на земле и глядя на огромный черный паровой двигатель, трудно было представить, что он по своей сути – не что иное, как печь на колесах, нагревающая гигантский котел. Один из Дейвов пригласил нас в кабину машиниста паровоза. Мы взобрались по крутой лесенке непосредственно позади двигателя и оказались внутри пещеры, изобилующей медными рычажками, манометрами и трубками. Здесь были также две белые эмалированные кружки и бутерброд, засунутый за одну из трубок. Однако самым замечательным оказалось то, что мы смогли заглянуть в самую пасть огнедышащего монстра – паровозную топку, которая является сердцем парового двигателя и работает на угле. Он накаляется до ярко-желтого цвета и хорошо виден, если заглянуть в топку. Кочегар вручил мне совковую лопату и предложил «подбросить уголька». Я послушно взяла лопату, зачерпнула ею порцию угля из тендера, расположенного позади меня, и отправила в жерло топки. Паровой двигатель – весьма прожорливая тварь. Чтобы преодолеть путь длиной 18 километров, необходимо сжечь примерно 500 килограммов угля. Эти полтонны «черного золота» превращаются в газ: двуокись углерода и воду. В результате сжигания угля высвобождается огромное количество энергии, поэтому газы нагреваются до очень высокой температуры. Это лишь начало преобразования энергии, приводящей в движение поезд.

Основной узел парового двигателя – длинный цилиндр, который тянется от кабины машиниста до паровозной трубы. Я никогда всерьез не задумывалась о его внутреннем содержимом, но в нем наверняка полно всевозможных трубок. По ним горячий газ передается от паровозной топки к собственно двигателю. Это и есть паровой котел. Большую часть пространства вокруг труб занимает вода: получается нечто наподобие гигантской ванны, наполненной кипящей, булькающей жидкостью. В результате нагревания труб до высокой температуры образуется пар: молекулы горячей воды, движущиеся с очень высокими скоростями в верхней части парового двигателя. В этом и состоит принцип работы парового двигателя: топка и паровой котел, создающие клубы горячего водяного пара. Дракон извергает из пасти не огонь, а миллиарды миллиардов молекул, обладающих высокой энергией. Эти молекулы, заключенные внутри парового котла, движутся с гигантскими скоростями. Температура такого газа составляет примерно 180 ℃, а давление в верхней части котла приблизительно в десять раз больше атмосферного. Молекулы газа с высокой скоростью ударяют о стенки двигателя, но выход своей энергии они могут дать, лишь совершая полезную работу.

Мы выбрались из кабины машиниста и подошли к передней части паровоза. Возвышающийся над нами двигатель, полтонны угля, гигантский паровой котел и бригада обслуживающего персонала – вот что мы там увидели. Ремонтники колдовали над двумя цилиндрами с поршнями, каждый примерно 50 сантиметров в диаметре и длиной около 70 сантиметров. Именно здесь происходит самое главное – преобразование энергии пара в механическую энергию. Горячий пар, находящийся под высоким давлением, подается поочередно то в один, то в другой цилиндр. Атмосферное давление с одной стороны поршня, разумеется, неспособно уравновесить десять атмосфер, выдыхаемых драконом. Молекулы горячего пара, бомбардирующие поршень с другой стороны, толкают его вдоль цилиндра, пока в конце не будут выпущены в атмосферу с характерным звуком «чуф-ф-ф». Именно такие звуки вы слышите, когда к вам приближается паровоз: «чуф-чуф, чуф-чуф, чуф-чуф». Их издает выпускаемая в атмосферу порция водяного пара, после того как выполнит свою часть работы. Поршень приводит в движение колеса, а колеса цепляются за рельсы и тащат вагоны. Нам известно, что паровые двигатели потребляют огромное количество угля, но почти никто не вспоминает о количестве используемой ими воды. Пятьсот килограммов угля, которые нужно сжечь в топке паровоза, чтобы преодолеть 18 километров пути, служат для превращения 4500 литров воды в пар. Этот пар толкает поршень и выбрасывается в атмосферу, по одному «чуфу» за раз[6].

Наконец пришло время расстаться с паровозом и возвратиться в один из вагонов, в котором нам предстояло отправиться домой. Обратная дорога вызвала у нас другие чувства. Клубы пара, проносившиеся мимо окон вагона, вносили свой вклад в путешествие. Паровоз, кативший наш вагон по рельсам, уже казался нам не шумным и назойливым, а довольно тихим и мирным – особенно если принять во внимание происходящее внутри него. Было бы замечательно, если бы кто-нибудь создал действующую стеклянную копию паровоза, чтобы все желающие могли наблюдать его в работе.

Революция пара начала XIX века сводилась к использованию давления молекул газа, которое бы приводило в действие механизмы, необходимые человеку. Все, что для этого нужно, – поверхность, одну сторону которой молекулы газа бомбардируют сильнее, чем другую. Сила давления пара может поднять крышку кастрюли с супом или использоваться для транспортировки продуктов питания, топлива и людей на дальние расстояния. В любом случае базовые принципы остаются теми же. Сейчас паровые двигатели уже не применяются, но базовые принципы, положенные в их основу, по-прежнему имеют сферы приложения. С технической точки зрения, паровой двигатель представляет собой «двигатель внешнего сгорания», поскольку топка отделена от парового котла. В автомобильном двигателе сгорание топлива происходит в цилиндре: бензин сгорает рядом с поршнем, а само сгорание порождает горячий газ, толкающий поршень вдоль цилиндра. Такой двигатель называется двигателем внутреннего сгорания. Каждый раз, усаживаясь в автомобиль или автобус, помните, что вы перемещаетесь за счет давления, создаваемого молекулами газа.

Проводить эксперименты с давлением и объемом довольно легко, особенно если у вас есть бутылка с широким горлышком и сваренное вкрутую очищенное от скорлупы яйцо. Горлышко бутылки должно быть капельку шире яйца, чтобы яйцо, уложенное на него, не проваливалось внутрь. Возьмите кусок бумаги, подожгите его, опустите внутрь бутылки, дайте ему погореть несколько секунд, а затем положите яйцо на горлышко бутылки. Вскоре вы увидите, как яйцо слегка сожмется и провалится внутрь бутылки. Итак, как же его теперь достать? Есть несколько способов это сделать. Один из них – перевернуть бутылку вверх дном так, чтобы яйцо «уселось» в горлышко изнутри бутылки, а затем поднести бутылку под водопроводный кран с горячей водой. Через какое-то время яйцо выскочит из бутылки.

Секрет этого «фокуса» – в наличии фиксированной массы газа (в бутылке) и возможности регулировать разность давлений внутри бутылки и снаружи, где действует атмосферное давление. Если яйцо перекрывает горлышко бутылки снаружи, объем газа внутри бутылки будет фиксированным. При повышении температуры внутри бутылки давление в ней тоже повышается и горячий воздух начинает проникать наружу, просачиваясь вдоль боков яйца (если вы уложили его сверху на горлышко). Когда яйцо снова охладится, давление внутри бутылки снизится (так как объем воздуха остается фиксированным) и яйцо провалится внутрь, поскольку давление снаружи теперь выше, чем внутри бутылки. Вы можете заставить яйцо проваливаться в бутылку и вываливаться из нее, просто нагревая и охлаждая воздух в бутылке с фиксированным объемом.

Высокие давления в паровом двигателе управляемы и стабильны, что идеально подходит для толкания поршней и вращения колес. Но это еще не все. Зачем транжирить энергию на промежуточных стадиях между газом и колесами? Почему не предоставить возможность горячим газам, находящимся под высоким давлением, приводить в движение ваше транспортное средство непосредственно? Именно по такому принципу всегда работали ружья, пушки и фейерверки, хотя ранние их образцы были весьма ненадежны. Но к началу XX столетия появились новые технологии и родились новые честолюбивые замыслы. Были разработаны первые ракеты – самый совершенный двигатель прямого действия среди когда-либо придуманных человеком.

Технологии, необходимые для создания ракетных двигателей, достигли более или менее приемлемой степени надежности только после Первой мировой войны, но лишь к 1930-м годам вы могли запустить ракету, которая, скорее всего, полетит в нужном направлении и не упадет кому-нибудь на голову. В большинстве случаев. Подобно многим другим новым технологиям, изобретатели ракетных двигателей научились запускать ракеты еще до того, как кто-либо смог предложить идеи относительно их практического применения. А из питательного бульона естественной человеческой изобретательности возникло нечто совершенно новое, очень современно звучащее и заведомо бесперспективное: ракетная почта.

В Европе идея ракетной почты и ее практическая реализация стали возможны исключительно благодаря стараниям одного человека – Герхарда Цукера. В то время ракетами занимались несколько изобретателей, но Цукер выделялся среди них редкостным упорством и неиссякаемым оптимизмом, которые помогли ему пережить бесконечную череду неудач и разочарований. Этот молодой немецкий изобретатель был буквально одержим ракетами, а поскольку военные не заинтересовались его изобретением, он постарался найти ему применение в гражданском секторе. Ему казалось, что человечество отчаянно нуждается в доставке почты ракетами: действительно, на то время более быстрый способ трудно было представить, к тому же он должен был понравиться людям своей новизной и необычностью. Поначалу в Германии терпимо относились к неудачам ранних экспериментов Цукера, но потом терпение немцев лопнуло и ученому пришлось перебраться в Великобританию. Здесь он нашел единомышленников и поддержку среди филателистов, которым идея ракетной почты понравилась не только своей оригинальностью, но и перспективой появления множества новых почтовых марок, посвященных данному способу доставки почты. Одним словом, будущее казалось Цукеру обнадеживающим. После испытания, проведенного в Гэмпшире, в июле 1934 года Цукер отправился в Шотландию, чтобы проверить возможность пересылки почты с помощью ракеты между двумя островами, Скарп и Харрис.

Ракета, сконструированная Цукером, не отличалась особой сложностью: ее корпус представлял собой большой металлический цилиндр длиной около метра, внутри которого находилась узкая медная трубка с соплом на конце, заполненным плотно упакованным порошкообразным взрывчатым веществом. В пространстве между внутренней трубкой и наружным цилиндром размещались письма. Передняя часть ракеты имела конусообразную форму и была снабжена пружиной, вероятно, призванной обеспечить мягкое приземление ракеты. На схематическом изображении ракеты тонкий слой между трубкой, из которой должны были вырываться раскаленные газы, и отделением, где находились легко воспламеняющиеся письма, был обозначен как «асбестовый защитный слой, предотвращающий возгорание почтовых отправлений». Ракета укладывалась на специальную наклонную опору (стартовый стол). В момент запуска электрическая батарея должна была обеспечить поджигание взрывчатого вещества в ракете, сгорание которого приводило бы к образованию большого количества раскаленного газа, находящегося под высоким давлением. Молекулы этого раскаленного газа, движущиеся с высокими скоростями, бомбардировали бы изнутри передний конец ракеты, увлекая ее вперед, при этом на задний конец ракеты эквивалентное давление не оказывалось бы: раскаленный газ просто вырывался бы через сопло в атмосферу. Такой дисбаланс давлений мог обеспечивать очень быстрое движение ракеты вперед. Горение взрывчатого вещества продолжалось бы не более нескольких секунд, которых вполне бы хватило для перелета ракеты с одного острова на другой. Где и как именно приземлится ракета, было делом второстепенной важности. Тем не менее это стало одной из причин проведения испытания в относительно безлюдной местности Шотландии.

Цукер собрал 1200 писем, которые предстояло переслать в ходе испытательного полета. На каждом из них красовалась специальная марка, которая гласила: Western Isles Rocket Post («Ракетная почта западных островов»). Цукер упаковал в ракету столько писем, сколько поместилось, установил ее на стартовый стол, обвел взглядом возбужденную толпу местных жителей и одну из первых телевизионных камер BBC. Торжественный момент наступил.

После нажатия кнопки «Пуск» батарея обеспечила поджигание взрывчатого вещества. Быстрое сгорание создало внутри медной трубки ожидаемую смесь раскаленных газов, молекулы которых начали с огромными скоростями бомбардировать переднюю часть ракеты, сдвигая ее со стартового стола и отправляя в полет. Но буквально через пару секунд послышался громкий звук удара и ракета исчезла в облаке дыма. Когда дым рассеялся, зрители увидели сотни писем, разбросанных по земле и трепещущих под порывами ветра. Асбестовая защитная оболочка справилась со своей задачей, а ракета – нет. Поведением раскаленного газа, находящегося под большим давлением, очень трудно управлять, и его молекулы разорвали корпус ракеты. Цукер объяснил неудачу эксперимента недостаточной прочностью кассеты со взрывчатым веществом, после чего занялся сбором второй порции писем и подготовкой ко второму испытанию.

Через несколько дней 793 уцелевших после первого испытания письма и 142 новых были помещены во вторую ракету, которую решили запустить с другого острова, Харрис, в направлении острова Скарп. Но удача отвернулась от Цукера. Вторая ракета также взорвалась на стартовом столе, причем на этот раз взрыв оказался еще мощнее. Уцелевшие письма были снова собраны и отправлены получателям обычной почтой; они, с их обожженными краями стали чем-то вроде сувениров. От проведения дальнейших испытаний Цукер после этого отказался. В течение следующих нескольких лет он безуспешно искал причины своих неудач и улучшал конструкцию ракеты. Он упорно убеждал себя и других, что в следующий раз у него наверняка получится. Увы, не получилось[7]. По крайней мере, с почтовой ракетой. Цукер пытался совершить прорыв в непознанное, но, как теперь стало понятно, возможно, выбрал не самые подходящие время, место или идею. Если бы были выполнены все три условия, мы бы назвали Цукера гением. Но «малая ракетная техника», к которой относится почтовая ракета Цукера, была слишком хлопотным, дорогостоящим и ненадежным способом быстрой доставки почты. Она не выдержала конкуренции с моторизованным транспортом и телеграфом. Тем не менее Цукер был прав: использование раскаленного, находящегося под большим давлением газа в качестве движущей силы обладает огромным потенциалом в деле доставки объектов из пункта A в пункт B. Однако раскрытием такого потенциала занялись другие люди, которые воспользовались этим принципом, нашли для него подходящее применение и решили практические проблемы, что привело их в конечном счете к успеху. Конструирование ракет стало уделом военных: немецкие ракеты «Фау-1» и «Фау-2», использовавшиеся в годы Второй мировой войны, указали направление, в котором должны вестись разработки ракетной техники. В послевоенное время начали интенсивно развиваться гражданские программы освоения космического пространства.

В наши дни всем хорошо знакомы фотографии гигантских ракет, доставляющих на Международную космическую станцию людей и огромные грузы или выводящих на околоземную орбиту спутники. Современные ракеты поражают воображение своими масштабами, а современные системы управления делают их вполне безопасными и надежными, и это огромное достижение человеческой мысли. Однако базовый механизм, положенный в основу каждой ракеты – «Союз», Saturn V, Arianne или Falcon 9, – остается тем же, что и в почтовой ракете Герхарда Цукера. Если вам удастся достаточно быстро выработать соответствующее количество раскаленного газа под высоким давлением, то вы сможете использовать огромную кумулятивную силу, исходящую от миллиардов отдельных молекул, бомбардирующих определенную поверхность. Давление, создаваемое на первой стадии полета ракеты «Союз», приблизительно в шестьдесят раз превышает атмосферное давление, в результате чего сила тяги в шестьдесят раз больше обычной силы давления воздуха. Но в том и другом случае природа силы та же: бомбардировка молекулами газа той или иной поверхности. Огромные количества таких молекул, соударяющихся с достаточными частотой и скоростью, могут даже обеспечить полет человека на Луну. Никогда не следует недооценивать возможности частиц, столь ничтожных по своим размерам, что их нельзя увидеть невооруженным глазом!

Молекулы газа всегда с нами. Земная атмосфера окружает нас, воздействует на нас, оказывает на нас давление и обеспечивает нам жизнь. Замечательное свойство земной атмосферы – это то, что она нестатична и пребывает в постоянном движении и изменении. Окружающий нас воздух невидим, но если бы мы могли его видеть, то увидели бы, как его огромные массы поднимаются в результате нагрева и опускаются вследствие охлаждения, как он расширяется и сжимается, находясь в непрерывном движении. Процессы, происходящие в атмосфере, как и в любой другой совокупности молекул газа, подчиняются газовым законам, которые мы рассматриваем в этой главе. Хотя окружающий нас воздух на первый взгляд не имеет ничего общего с тем, что содержится в легких кашалота или паровом двигателе, он оказывает на нас физическое воздействие. Но поскольку он также находится в окружении воздуха, это означает, что он воздействует сам на себя, приспосабливаясь к изменяющимся условиям. Мы не можем видеть подробностей процессов, происходящих в окружающем нас воздухе, но у нас есть название их последствий: погода.

Идеальное место для наблюдения за ураганом – обширная открытая равнина. Еще вчера воздух мог быть спокойным, а бескрайний голубой простор над головами – казаться вечным. Невидимые молекулы воздуха концентрируются ближе к поверхности земли. Чем дальше от нее, тем разреженнее воздух. Воздушные массы постоянно сталкиваются между собой, перемешиваются и перестраиваются, пребывая в непрерывном движении. Они перемещаются из областей высокого давления в области низкого, реагируя на нагрев и охлаждение, и все время устремляются то в ту то в другую сторону. Но эти изменения происходят довольно медленно и спокойно. Ничто даже не намекает на перенос молекулами воздуха огромного количества энергии.

День, когда происходит ураган, начинается так же, как и предыдущий, только небо обычно еще яснее, чем накануне, поэтому земля прогревается гораздо быстрее. Молекулы воздуха принимают на себя часть этой энергии и ускоряются. Ближе к полудню надвигается плотная облачность, захватывая по мере своего приближения все большую часть небосвода, и вскоре застилает весь горизонт. Наблюдается интенсивный обмен энергией. Разность давлений толкает это газообразное архитектурное сооружение по равнине. Вследствие его неустойчивости нарастает напряжение. Хотя молекулы воздуха с большой силой соударяются друг с другом, им не хватает времени перестроиться в более сбалансированную структуру. Наряду с этим происходит интенсивное перемещение огромного количества энергии, поэтому ситуация непрерывно меняется. Воздух, нагревшийся у поверхности земли, поднимается, достигает облаков, продирается сквозь них и выстраивает поверх них все новые и новые сооружения.

Когда такая грозовая туча нависает над вашей головой, ярко-голубое небо сменяется зловещим сумраком, охватывающим всю равнину. Стоя на земле, мы оказываемся в центре схватки, происходящей над нашими головами. Мы не можем видеть молекул воздуха, но можем наблюдать клубящиеся и вздымающиеся над нами облака. Но созерцаемое нами – лишь слабый намек на драму, разворачивающуюся внутри облаков, где сгустки воздуха яростно сталкиваются между собой, поскольку дисбалансы давлений настолько велики, что перегруппировка молекул воздуха представляет собой очень быстрый и энергичный процесс. Когда молекулы воздуха обмениваются энергией, водяные капли охлаждаются и увеличиваются в размерах и на землю падают первые крупные капли дождя. Когда интенсивное движение молекул воздуха начинается даже у поверхности земли, поднимается сильный ветер.

Огромные грозовые облака напоминают нам о том, какой внушительный запас энергии присутствует высоко в голубом небе. Мы видим лишь последствия столкновений и перемещений молекул воздуха, происходящих у нас над головами, хотя даже эти последствия выглядят весьма впечатляюще. Тем не менее это только слабое отражение реальной драмы, разворачивающейся на молекулярном уровне. Молекулы воздуха могут поглощать энергию излучения Солнца, отдавать свою энергию океану, накапливать энергию от конденсации при формировании облаков или отдавать энергию, испуская ее в окружающее пространство; они постоянно приспосабливаются к изменениям обстановки, подчиняясь закону идеальных газов. Наша вращающаяся планета, с ее неровной и многоцветной поверхностью, усложняет эти перестройки; дополнительные сложности вносят облака, присутствие разнообразных крошечных частиц и наличие тех или иных конкретных газов. Прогноз погоды – лишь попытка сделать те или иные выводы на основании наблюдений за битвами у нас над головами и идентифицировать те процессы, которые окажут наибольшее влияние на нас, землян. Но в основе этих процессов лежат те же законы, которые использует слон, конструктор ракет и создатель парового двигателя, – законы газов в действии. Те же законы газов, которые заставляют лопаться попкорн, определяют погоду на нашей планете.

Глава 2. 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[8]. 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[9]. Эффект был таким же, как и в случае нескольких последних пузырьков, лопнувших на поверхности воды. Подобно изюминке, лишившейся «спасательного жилета», «Титаник» ушел на дно[10].

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[11], 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[12], 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»[13], 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»[14]), 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[15], 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»[16]. 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[17]. 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[18].

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 ℃. 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 ℃. 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[19].

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[20]. 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 ℃ вблизи полюсов до 30 ℃ 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[21] 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[22]. 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.

Глава 3. Маленький – значит замечательный

Поверхностное натяжение и вязкость

Кофе – фантастически ценный глобальный товар, а сеанс черной магии, позволяющий извлечь все лучшее из маленького и невзрачного на вид кофейного зерна, – постоянный источник споров (и некоторой доли снобизма) для кофеманов. Но мой конкретный интерес к этому напитку не зависит от способа обжарки кофейных зерен или степени давления пара в вашей кофеварке. Меня восхищает картина пролитого кофе[23]. Это одна из тех повседневных странностей, которые уже не удивляют моих знакомых. Лужица кофе на твердой поверхности совершенно непримечательна – обычная маленькая лужица слегка выпуклой формы. Но если вы дадите ей высохнуть, то найдете на ее месте лишь темно-коричневый контур, слегка напоминающий линию, нарисованную мелом вокруг тела жертвы в детективной драме. Поначалу вся область внутри контура была заполнена пролитым кофе, но в процессе высыхания он переместился на ее границу. Внимательное разглядывание лужицы кофе, с целью понять, как все происходит на самом деле, похоже на наблюдение за процессом высыхания краски, но даже при попытке отследить весь процесс от начала до конца вы вряд ли увидите очень много. Физика перемещения кофе при высыхании лужицы действует в очень малых масштабах, поэтому увидеть что-либо собственными глазами невозможно. Но зато мы можем оценить последствия этого процесса.

Если бы вы могли многократно увеличить масштаб изображения лужицы кофе, то заметили бы множество молекул воды, пребывающих в непрерывном движении и постоянно сталкивающихся друг с другом, а также гораздо более крупные по размеру сферические коричневые частицы кофе, спокойно дрейфующие посреди всей этой толчеи. Молекулы воды очень сильно притягивают друг друга, и если какая-то из них слегка приподнимается над поверхностью, она тотчас же возвращается обратно, чтобы воссоединиться с ордой молекул внизу. Это означает, что водная поверхность ведет себя подобно эластичному листу, притягиваемому водой под ним, в результате чего поверхность всегда остается гладкой. Эта очевидная эластичность поверхности называется поверхностным натяжением (подробнее мы поговорим о нем чуть позже). По краям лужицы кофе водная поверхность плавно загибается вниз, к месту своего соединения со столом, удерживая лужицу от дальнейшего растекания. Но в помещении, наверное, достаточно тепло для того, чтобы время от времени та или иная молекула воды полностью отрывалась от водной поверхности и в виде водяного пара плавала над лужицей. Это испарение, происходит оно постепенно и относится только к молекулам воды. Кофе не может испаряться, поэтому никуда не девается из лужицы.

Интереснее становится по мере того, как все большее число молекул покидают поверхность воды, поскольку ее край «приклеен» к столу (ниже мы поймем, почему), причем настолько прочно, что остается неподвижным. Но испарение по краям интенсивнее, чем в середине лужицы, потому что именно там высокая доля молекул воды соприкасается с воздухом. Конечно, вы не можете видеть, что содержимое лужицы пребывает в непрерывном движении (тем более что параллельно пытаетесь убедить приятеля, с которым распиваете кофе, что наблюдение за ее высыханием действительно увлекательное занятие). Жидкий кофе должен растекаться из середины лужицы к ее краям, возмещая потерю воды. Молекулы воды переносят частицы кофе, как пассажиров, и избавляются от них, когда настает их черед испаряться. Поэтому частицы кофе постепенно перемещаются к краям лужицы, а когда вода полностью высыхает, на месте происшествия остается лишь кольцо из покинутых частиц кофе.

Это явление кажется мне особенно увлекательным потому, что происходит буквально у вас под носом, но самые интересные подробности, к сожалению, невозможно увидеть невооруженным глазом. Микромир, в котором они разворачиваются, совершенно не похож на привычный нам мир; он живет по собственным законам и подчиняется собственным правилам. Тем не менее привычные для нас силы, такие как гравитация, действуют и в нем. Но роль других сил – возникающих вследствие «танцев» молекул вокруг друг друга – возрастает. Если вы углубитесь в микромир, вам многое покажется странным. Оказывается, правила, действующие в столь малых масштабах, способны объяснить практически все, что происходит в «большом» мире – макромире: почему на молоке уже нет сливок, почему запотевают стекла и как пьют воду деревья. Но мы также учимся использовать эти правила для применения в макромире. Их знание может помочь спасти миллионы жизней путем совершенствования планировки больничных палат и разработки новых медицинских тестов.

Прежде чем заняться предметами, настолько малыми, что их невозможно разглядеть невооруженным глазом, вы должны знать об их существовании. И здесь человек сталкивается с тупиковой ситуацией: если вы не знаете о существовании чего-либо, то как вы можете искать то, о чем даже не подозреваете? Но все изменилось в 1665 году, после публикации книги Роберта Гука «Микрография», ставшей первым в мире научным бестселлером.

Роберт Гук был куратором экспериментов при Лондонском королевском обществе, человеком разносторонних знаний, энциклопедистом, любившим возиться со всевозможными научными игрушками своего времени. В «Микрографии» рассказывалось о богатых возможностях микроскопа, что должно было произвести впечатление на читателей и продемонстрировать им потенциал этого новейшего научного инструмента. К тому же время было самое подходящее – эпоха великих экспериментов и грандиозных достижений в научном понимании окружающего мира. К тому времени линзы уже давно были известны человечеству, но не находили серьезного применения в науке. Но с опубликованием «Микрографии» их час пробил.

Особенно замечательно то, что, несмотря на флер респектабельности и авторитетности, подобающих изданию Королевского общества, эта книга, несомненно, – плод творчества ученого, который рассматривал науку как увлекательную игру. В ней масса подробных описаний и превосходных иллюстраций, она богато издана и умело представлена публике. Но ее главное достоинство в том, что ее автор делал, по сути, то же, что и каждый ребенок, которому впервые в жизни подарили микроскоп: пытался с его помощью рассмотреть буквально все, что попадается под руку. Микроскоп позволяет получить чрезвычайно подробные изображения бритвенных лезвий и жгучих волосков крапивы, крупиц песка и сгоревших овощей, человеческого волоса, искровых разрядов, рыбной чешуи, червей и шелка. Детали, выявленные в этом крошечном мире, были шокирующими. Кто знал, что глаз мухи так прекрасен? Несмотря на тщательность выполненных наблюдений, Гук не претендовал на проведение глубоких научных исследований. В разделе, посвященном «песку в моче» (кристаллы, обычно наблюдаемые на внутренних поверхностях мочеприемников), он рассуждает о способах излечения этого недуга, оставляя право на фактическое решение столь непростой задачи более компетентным в этом вопросе людям:

Таким образом, проблема песка в моче, возможно, потребует более подробного исследования врачами или химиками, которые как специалисты более сведущи в этой области. Я же перейду к дальнейшему изложению фактов…

И он переходит к подробному рассказу о том, что увидел, рассматривая под микроскопом плесень, перья птиц, морские водоросли, зубы улитки, жало пчелы и т. п. В процессе он придумывает термин «клетка», описывающий элементы, из которых состоит древесная кора, что знаменует собой возникновение биологии как самостоятельной научной дисциплины.

Гук не просто указал нам путь в микромир: он распахнул в него дверь и пригласил всех желающих в гости. «Микрография» стала источником вдохновения для ряда знаменитых ученых последующих столетий, которые широко пользовались микроскопом в своих исследованиях, а также разожгла научный аппетит светского Лондона. Этот внезапно пробудившийся интерес объяснялся тем, что объекты исследования находились буквально под рукой у каждого, кто мог себе позволить приобрести микроскоп. Надоедливая черная мушка, вьющаяся над гниющим мясом, при ближайшем рассмотрении под микроскопом оказывалась крохотным монстром с волосатыми ножками, выпученными глазками, щетиной и блестящими доспехами. Это стало поистине шокирующим открытием. К тому времени уже были сделаны многие великие географические открытия, знаменитые путешественники составили описания ранее неведомых земель и народов, в атмосфере витало нетерпеливое ожидание новых открытий, которые предстояло совершить в еще более отдаленных местах. Мало кто в то время понимал, что внимательное изучение того, что находится рядом, может поведать об окружающем мире ничуть не меньше, чем путешествия в самые отдаленные уголки планеты. Ведь после того как вы испытаете первый шок от вида волосатых ножек блохи, вы можете приступить к изучению того, как эти ножки работают. Представший перед нами мир был механическим, постижимым, а микроскоп объяснял людям смысл вещей, которые они давно замечали, но не могли понять.

Но даже это было лишь началом путешествия в микромир. Прошло еще два столетия, прежде чем существование атомов было доказано научным путем. Каждый атом настолько мал, что вам понадобилось бы 100 000 атомов, чтобы составить цепочку такой длины, как у клетки древесной коры. Как сказал много лет спустя знаменитый физик Ричард Фейнман в одноименной лекции, «там, внизу, – много места». Люди обитают примерно в середине шкалы размеров, не замечая микроскопических структур, из которых, как из кирпичиков, построен окружающий мир. Но через 350 лет после выхода книги Роберта Гука «Микрография» представления людей о мире радикально изменились. Сегодня мы уже не просто всматриваемся в него подобно ребенку, с любопытством разглядывающему музейные экспонаты, помещенные под стекло, к которым запрещено прикасаться. Сейчас мы учимся работать с отдельными атомами и молекулами, которые находятся у самого дна шкалы размеров (именно это и имел в виду Ричард Фейнман), а изучаемые «музейные экспонаты» уже не отделены от нас стеклом – мы получили возможность не только их трогать, но и работать с ними. Теперь в моду входит «нано».

На микроуровне все устроено и функционирует по-другому – не так, как на привычном для нас макроуровне, – что делает микромир столь волнующим и чрезвычайно полезным для нас То, что представляется невозможным для человека, вполне может оказаться жизненно важным умением для блохи. И в том и в другом случае действуют одни и те же физические законы: блоха существует в той же физической вселенной, что и человек. Но на микроуровне более высокий приоритет имеют иные силы[24]. В привычном для нас мире есть два доминирующих влияния. Первое – гравитация, которая притягивает нас в направлении к центру Земли. Второе – инерция: поскольку мы довольно массивные существа, требуется немалая сила, чтобы сдвинуть нас с места или затормозить, когда мы движемся. Но по мере уменьшения размера объектов сила земного притяжения и инерция тоже уменьшаются, становясь соизмеримыми с другими, более слабыми силами, которых мы не замечаем по причине их очень малой величины. В частности, речь идет о силе поверхностного натяжения, перемещающей частицы кофе в ходе высыхания кофейной лужицы. А еще есть вязкость (или внутреннее трение текучей среды). Именно по причине ее наличия в микромире нам уже не удается получить красивый слой сливок поверх молока.

Они прилетали к нам только ради бутылок с молоком, закрытых золотистыми и серебристыми крышечками из алюминиевой фольги. Если вы вставали достаточно рано и осторожно выходили на крыльцо дома, то у вас появлялся шанс застукать их на месте преступления. Проворные маленькие птички, усевшись сверху на горлышко бутылки, проклевывали дырочки в тонких алюминиевых крышках и поспешно хватали клювами комочки сливок, не забывая при этом поглядывать по сторонам. Как только они замечали, что их обнаружили, они поспешно улетали (возможно, чтобы попытать счастья на крыльце соседнего дома). В течение примерно пятидесяти лет лазоревки (а это были именно они) в Великобритании промышляли похищением сливок, снискав славу настоящих мастеров этого дела. Передавая друг другу опыт, они выяснили, что под тонкой фольгой, которой в то время закрывались бутылки с молоком, скрывается настоящее сокровище – вкусные и питательные сливки. Вскоре это знание стало достоянием всей популяции лазоревок, обитающих в Великобритании. Похоже, им удалось сохранить свое знание в тайне от других видов птиц – во всяком случае этим мелким воровством занимались только они. Конец их промыслу пришел совершенно неожиданно, и вовсе не потому, что бутылки с алюминиевыми крышечками сменили пластиковые бутылки. Случилось нечто более фундаментальное. Пока коров доили фермеры, поверх молока образовывались сливки. В наши дни ситуация изменилась.

Бутылка, которую брали приступом лазоревки, содержала целый комплекс питательных веществ. Большую часть молока (почти 90 %) составляет вода, но в нем содержатся также сахара (лактоза, которую многие люди не переносят), белковые молекулы, сгруппированные в виде микроскопических круглых клеток, и более крупные шарики жира. Все эти составляющие перемешаны, но если дать молоку отстояться, возникает определенная структура. Шарики жира в молоке крошечные – от 1 до 10 микрон в диаметре, а это означает, что в миллиметровом слое такого жира по вертикали помещается от 100 до 1000 шариков. Они обладают меньшей плотностью, чем окружающая их вода, то есть в одном и том же объеме пространства содержится меньшее количество «материала». Пока шарики перемешаны со всеми остальными компонентами молока, нет особой разницы, в каком направлении они движутся. Гравитация тянет воду, окружающую эти шарики жира, вниз чуть сильнее, чем сами шарики, и жир постепенно (очень медленно) поднимается. Это означает, что его плавучесть невелика.

Возникает вопрос: как быстро поднимется жир? Важную роль в этом процессе играет вязкость. Я уже говорила, что вязкость определяется как внутреннее трение текучей среды. Иными словами, это показатель силы трения, возникающей между разными слоями текучей среды. Представьте, что вы помешиваете ложечкой чай в чашке. В ходе круговых движений ложечки жидкость вокруг нее также приходит в движение, перемещаясь рядом с другими, соседними слоями жидкости. Вода – не очень-то вязкая жидкость, и разные слои скользят друг мимо друга, практически не встречая сопротивления. А теперь вообразите, что помешиваете ложечкой густой сироп в чашке. Каждая молекула сахара крепко цепляется за другие его молекулы, находящиеся поблизости. Чтобы перемещать эти молекулы мимо друг друга, вы должны разрушать силы сцепления между ними. Помешивать ложечкой густой сироп гораздо труднее, чем обычный чай, и мы говорим, что он вязкий.

Шарики жира в молоке выталкиваются вверх по причине их плавучести. Но чтобы действительно двигаться вверх, им необходимо расталкивать в стороны окружающую их жидкость. В процессе выталкивания шариков жира окружающие их слои жидкости должны скользить друг мимо друга. Именно поэтому так важна вязкость жидкости. Чем она более вязкая, тем большее сопротивление приходится преодолевать шарикам жира в ходе подъема.

Этот процесс происходит прямо под лапками лазоревки. Каждый шарик жира выталкивается наверх по причине своей плавучести, но испытывает на себе действие силы лобового сопротивления, поскольку окружающая его жидкость должна «расступиться», чтобы уступить ему дорогу. К тому же одни и те же силы, воздействующие на одну и ту же разновидность шариков жира, приходят к разным компромиссам для разных размеров шарика. Сила лобового сопротивления оказывает большее воздействие на шарик меньшего размера, потому что площадь поверхности шарика велика по сравнению с его массой. У такого шарика весьма небольшая плавучесть, которая помогала бы ему расталкивать в стороны достаточное количество окружающего его «материала» в процессе всплытия. Поэтому, несмотря на то что маленький шарик жира находится в той же самой жидкости, он поднимается медленнее, чем шарик крупного размера. В микромире вязкость гораздо важнее, чем гравитация. Частицы движутся медленно. Размер имеет огромное значение.

В молоке более крупные шарики жира поднимаются быстрее, сталкиваются с некоторыми шариками поменьше, замедляют их и склеиваются с ними, образуя кластеры. На эти кластеры сила лобового сопротивления воздействует слабее, поскольку их размеры больше, чем отдельных шариков, а потому они поднимаются быстрее. Лазоревке, усевшейся на бутылку с молоком, остается лишь набраться терпения – и завтрак прибудет прямо к ее ногам.

А затем наступил черед гомогенизации[25]. Производители молока выяснили, что, пропустив его под очень высоким давлением сквозь очень тонкие трубки, можно раздробить шарики жира и уменьшить их диаметр примерно в пять раз. В результате масса каждого шарика снижается в 125 раз. Теперь слабая подъемная сила, воздействующая на каждый шарик и обеспечиваемая его плавучестью, полностью подавляется силами внутреннего трения текучей среды, то есть вязкостью. Гомогенизированные шарики жира поднимаются настолько медленно, что этот процесс можно вообще не принимать в расчет[26]. Простая операция по уменьшению размера шариков жира переносит сражение на другую территорию, где вязкость побеждает вчистую. Сливки уже не появляются на поверхности молока. Лазоревкам пришлось искать другие источники пропитания.

Таким образом, силы остаются теми же, но их иерархия иная[27]. Вязкостью обладают и жидкости, и газы: хотя молекулы газа не сцепляются друг с другом, как это происходит в жидкостях, они интенсивно сталкиваются, приводя к тому же эффекту внутреннего трения текучей среды, то есть вязкости. Именно поэтому насекомое и железное ядро не падают в воздухе с одинаковой скоростью (если, конечно, вы не поместите их в вакуум). Вязкость воздуха играет огромную роль для насекомого и практически никакой роли для железного ядра. В вакууме гравитация – единственная сила, которая важна в обоих случаях. А крошечное насекомое, пытающееся лететь в воздухе, использует те же приемы, что и мы для плавания в воде. Вязкость доминирует в окружении насекомых точно так же, как в отношении нас, когда мы плаваем в бассейне. Мельчайшие насекомые не столько летают, сколько плавают в воздухе.

Гомогенизированное молоко демонстрирует определенный принцип, но его применение выходит далеко за пределы нашего дома. Когда вы чихнете, попытайтесь оценить размер капелек, разлетающихся из вашего рта по комнате. То же явление, которое не позволяет взойти сливкам, способствует распространению эпидемических заболеваний.

С давних времен туберкулез считался бичом человечества. Самое первое свидетельство о нем найдено в древних египетских мумиях (примерно 2400 год до н. э.). Гиппократу он был известен как «фтизис» (phthisis) (приблизительно 240 год до н. э.), а европейцы в Средние века знали его под названием «проклятие королей». Когда в результате промышленной революции многие начали перебираться из деревень в города, в 40-е годы XIX века «чахотка», болезнь городской бедноты, стала причиной четверти всех смертей в Англии и Уэльсе. Возбудитель болезни, крошечная бактерия под названием Mycobacterium tuberculosis, была обнаружена лишь в 1882 году. Чарльз Диккенс красочно описал чахоточный кашель, но не мог написать об одном из самых важных аспектов этого тяжелого недуга, поскольку не мог его увидеть. Туберкулез – болезнь, передающаяся воздушно-капельным путем. Каждый приступ кашля больного туберкулезом приводит к извержению из его легких тысяч мельчайших капелек, переносчиков смертельно опасного заболевания. Некоторые из них будут содержать микроскопические палочки туберкулезных бактерий, длина каждой из которых составляет лишь три тысячных миллиметра. Сами по себе капельки жидкости начинают свой полет с достаточно больших размеров – возможно, порядка десятых долей миллиметра. Эти капельки притягиваются вниз гравитацией и, упав на пол, не распространяют инфекцию дальше. Но падение не происходит быстро, поскольку вязкость присуща не только жидкостям. Воздух тоже ею обладает, и когда капельки движутся в воздухе, им приходится его расталкивать на своем пути. Устремляясь вниз, капельки наталкиваются на молекулы воздуха, которые замедляют скорость их падения. Точно так же как сливки медленно поднимаются к горлышку бутылки, преодолевая вязкость молока, эти капельки мокроты медленно опускаются, преодолевая вязкость воздуха, и падают на пол.

Впрочем, на пол падают не все капельки мокроты. Поскольку они состоят в основном из воды, в течение нескольких первых секунд пребывания в воздушной среде она испаряется. То, что вначале было каплей, достаточно крупной, чтобы гравитация могла пронести ее сквозь вязкий воздух, теперь становится микроскопической крапинкой – тенью бывшей себя. Если поначалу это была капелька мокроты, внутри которой плавала туберкулезная бактерия, то теперь она представляет собой туберкулезную бактерию, аккуратно упакованную в некий остаточный органический материал. Гравитационное притяжение этой новообразовавшейся микроскопической частицы не идет ни в какое сравнение с силой сопротивления воздуха. Куда движется воздух, туда и бактерия. Подобно искусственно измельченным капелькам жира в нынешнем гомогенизированном молоке, туберкулезная бактерия просто пассажир. И если она попадает в дыхательные пути человека с ослабленной иммунной системой, то может стать очагом зарождения новой колонии бактерий, медленно разрастающейся до тех пор, пока они не будут готовы к попаданию в воздух в составе мокроты, откашливаемой человеком, заразившимся туберкулезом.

Туберкулез поддается лечению при наличии надлежащих лекарств. Именно поэтому он редкий гость в западных странах. Но на данный момент туберкулез по-прежнему остается вторым по масштабам убийцей человечества после ВИЧ/СПИД, и это огромная проблема для развивающихся стран. В 2013 году туберкулезом заболели 9 миллионов человек, из них умерло 1,5 миллиона. Бактерии туберкулеза приспосабливаются к антибиотикам, приобретая устойчивость ко все новым и новым видам лекарств, из чего следует, что искоренить его с помощью только медицины невозможно. Появляется все большее число штаммов туберкулеза, устойчивых ко многим разновидностям лекарств. Вспышки заболевания время от времени возникают в больницах и учебных заведениях. Поэтому в последнее время внимание ученых переключилось на микроскопические капельки мокроты. Вместо того чтобы лечить туберкулез после того, как человек уже заболел, не подумать ли нам над устройством наших жилищ, чтобы предотвратить распространение болезнетворных бактерий туберкулеза и их попадание в дыхательные пути человека?

Профессор Кэт Ноукис работает на кафедре гражданского строительства в Лидском университете и пытается решить именно эту проблему. Кэт – сторонник поиска максимально простых решений любых проблем. Вместе с коллегами она пришла к выводу, что механизм перемещения микроскопических частиц, плавающих в воздухе, вовсе не зависит от их конкретного содержимого и от длительности пребывания в воздухе, а целиком определяется совокупностью воздействующих на них сил, а действие этих сил, в свою очередь, зависит от размера частиц. Оказалось, что даже более крупные капельки могут путешествовать в воздухе гораздо дальше, чем кто-либо предполагал, по причине турбулентности воздушной среды[28]. Самые крошечные частицы могут плавать в воздухе по нескольку суток, хотя ультрафиолет и синий свет повреждают их. Зная размер интересующих вас частиц, вы можете прикинуть, куда они способны добраться в ходе «путешествия». Следовательно, проектируя систему вентиляции в больнице, можно планировать удаление частиц определенных размеров или создание препятствий для их перемещения, контролируя таким образом распространение болезнетворных бактерий. Кэт объясняет, что каждый вид заболеваний, передаваемых воздушно-капельным путем, может требовать особого плана борьбы с ним в зависимости от количества болезнетворных бактерий, необходимого, чтобы человек заболел (в случае кори очень малого), и места возникновения в организме очага заболевания (бактерия туберкулеза по-разному воздействует на легкие и дыхательное горло). Сейчас эти исследования пребывают лишь в начальной стадии, но продвигаются очень быстро.

Долгие годы человечество было беззащитно перед туберкулезными бактериями, но сейчас мы имеем четкое представление о механизмах их распространения, что дает нам шанс обуздать эту опасную болезнь. Там, где наши предки видели лишь грязное помещение, полное таинственных миазмов, мы – силой своего воображения, вооруженного научным знанием, – видим движение воздуха вокруг каждого пациента и разнообразные перемещения (и их возможные последствия) тех или иных болезнетворных бактерий. Результаты этих исследований будут учитываться при проектировании будущих больниц. Надлежащее проектирование на макроуровне позволит нам спасти многие жизни, воздействуя на те или иные частицы на микроуровне.

Вязкость имеет значение при движении объектов малого размера через определенную жидкость: шарики жира поднимаются в молоке или крошечные болезнетворные бактерии опускаются в воздухе. Поверхностное натяжение, партнер вязкости в микромире, сказывается в месте соприкосновения двух разных текучих сред. В повседневной жизни мы наблюдаем это явление при соприкосновении воздуха с водной поверхностью. Типичный пример смешивания воздуха с водой – воздушный пузырек[29]. Итак, начнем с пенистой ванны.

Звук наполняющейся водой ванны вызывает у нас приятные ощущения. Он объявляет о заслуженном вознаграждении после тяжелого трудового дня, возможности восстановиться после напряженного теннисного матча или просто немного себя побаловать. Но как только вы наливаете пену для ванн, звук меняется. По мере образования пены глубокий рокот затихает и смягчается, и определить границу, где поверхность ванны соприкасается с воздухом, становится сложно. Воздушные карманы захватываются внутрь водяных клеток, и все, что для этого понадобилось, – немного жидкости из флакона с пеной для ванны.

Честь разгадать тайну поверхностного натяжения принадлежит группе европейских ученых, сделавших это в конце XIX века. Люди викторианской эпохи обожали пузырьки. С 1800 по 1900 годы производство мыла резко увеличилось, поскольку творцам промышленной революции без него было не обойтись. Мыльная пена давала людям викторианской эпохи обильную пищу для морализаторства, будучи идеальным символом моральной чистоты и безгрешности. К тому же она была замечательным примером классической физики в действии – буквально за несколько лет до появления специальной теории относительности и квантовой механики, которые всадили острую иглу в непомерно раздувшееся к тому времени представление о такой аккуратной, уютной и добропорядочной Вселенной. Но даже серьезные джентльмены в лоснящихся цилиндрах и с солидными бородами не смогли проникнуть в тайны науки о пузырьках. Пузырьки были настолько универсальны, что никто не решался к ним подступиться, за исключением Агнес Поккельс, которую зачастую описывают как «простую немецкую домохозяйку», хотя в действительности она была довольно проницательной и критически мыслящей личностью, использовавшей весьма ограниченный набор материалов и изрядную долю находчивости, чтобы самостоятельно исследовать поверхностное натяжение.

Рожденная в 1862 году в Венеции, Агнес принадлежала к поколению, которое было твердо убеждено, что место женщины – у домашнего очага. Именно там она и пребывала, когда ее брата отправили учиться в университет. Но Агнес осваивала премудрости физики с помощью учебных материалов, которые ей присылал брат, проводила собственные физические эксперименты в домашних условиях и внимательно следила за происходящим в научном мире. Когда она узнала, что знаменитый британский физик лорд Рэлей начал проявлять интерес к поверхностному натяжению – явлению, с которым она немало экспериментировала, – Агнес написала ему письмо, в котором описала свои результаты. Оно настолько впечатлило ученого, что он отправил его для публикации в журнале Nature, чтобы с ним могли ознакомиться величайшие научные мыслители того времени.

То, что сделала Агнес, было очень простым и в то же время остроумным. Она подвесила на нитке маленький металлический диск (размером с кнопку) так, чтобы он улегся на поверхность воды, а затем измерила величину силы, которая необходима, чтобы оторвать его от поверхности воды. Загадка заключалась в том, что вода стремилась удержать диск, и чтобы оторвать его, требовалось больше силы, чем для его поднятия с поверхности стола. Это дополнительное усилие называется поверхностным натяжением, стало быть, Агнес измеряла силу поверхностного натяжения. Потом она смогла изучить поверхность воды, хотя тонкий слой молекул, обусловливающий действие этой силы, был настолько мал, что у Агнес не было возможности исследовать его непосредственно. Как именно ей это удалось, мы узнаем ниже, но сначала вернемся к ванне.

Ванна, наполненная чистой водой, представляет собой огромное скопление хаотически движущихся и сталкивающихся друг с другом молекул. Но одна из характерных особенностей воды заключается в сильном притяжении всех этих молекул друг к другу. Каждая такая молекула состоит из большого атома кислорода и двух поменьше атомов водорода (что соответствует хорошо знакомой нам химической формуле воды – H2O). Атом кислорода находится посередине; с двух сторон к нему прикреплено по одному атому водорода: получается нечто наподобие слегка сплюснутой буквы V. Несмотря на то что атом кислорода очень прочно соединяется со своими двумя атомами водорода, он не прочь пофлиртовать с любыми другими атомами водорода, находящимися поблизости. Поэтому он постоянно притягивает к себе атомы водорода, принадлежащие другим молекулам воды. Именно этим обусловливаются многие ее свойства. Данное явление называется водородным связыванием и отличается высокой прочностью. В ванне молекулы воды постоянно притягиваются к другим молекулам воды, в результате чего вода имеет вид однородной и связной субстанции.

Молекулы на поверхности воды в некотором смысле «полубеспризорные». Они притягиваются молекулами, расположенными под ними, но над ними нет ничего такого, что тянуло бы их вверх. Таким образом, они испытывают на себе действие сил, которые тянут их вниз и в стороны, но не вверх, в результате чего поверхность воды ведет себя подобно эластичной пленке, туго натянутой поверх всех молекул воды, расположенных под верхним слоем, и стягивающейся внутрь в попытке максимально сократить свой размер. Это и есть поверхностное натяжение.

Когда вы поворачиваете кран, воздух затягивается вниз, в ванну, что приводит к образованию воздушных пузырьков. Но всплывя на поверхность, они не могут продолжать существование. Круглый купол пузырька растягивает эту поверхность, а поверхностное натяжение недостаточно сильно для того, чтобы стянуть ее обратно. Поэтому пузырьки лопаются.

Агнес провела следующий эксперимент: взяла пуговицу и добилась, чтобы действующая на нее сила была недостаточной для того, чтобы пуговица оторвалась от поверхности воды (пуговица плавала на ее поверхности). Затем капнула на поверхность воды веществом наподобие моющего средства вблизи того места, где находилась пуговица. Примерно через секунду пуговица оторвалась от поверхности. Моющее средство распространилась по воде, снизив поверхностное натяжение. Таким образом, чтобы снизить поверхностное натяжение, нужно создать тонкий верхний слой, чтобы молекулы воды не были тем единственным, что составляет ее поверхность.

Добавляя пену для ванны, можете попрощаться с чистой, гладкой, минимальной поверхностью. Небольшое количество ароматизированной жидкости проникает в воду и тотчас принимается за дело. У каждой молекулы этой жидкости один конец обожает, а другой ненавидит воду. Если концу, который ненавидит воду, удастся найти хотя бы немного воздуха, он цепляется за него, но водолюбивый конец тоже не сдается. В итоге в любом месте, где вода соприкасается с воздухом, тонкий слой пены для ванн образуется прямо на этой поверхности. Толщина слоя равна размеру одной молекулы, а размер всех молекул одинаков, в результате чего все их водолюбивые концы погружены в воду, а концы, ненавидящие ее, пребывают в воздухе. При наличии тонкого покрытия большая поверхность не составляет проблемы. Пена для ванн не создает такого сильного натяжения, как вода, поэтому эффект эластичной пленки существенно ослабляется. Наступает момент, когда все самое интересное происходит на поверхности, – для чего, собственно говоря, и нужна пена. Снижая поверхностное натяжение, пена для ванн продлевает жизнь воздушных пузырьков, поскольку их большая поверхность оказывается гораздо устойчивее.

Вероятно, стоит отметить, что мы, как правило, ассоциируем белую пену с избавлением вещей от всевозможных загрязнений, однако в современных моющих средствах лучшее вещество для сцепления с водной поверхностью и образования пены не эквивалент лучшего вещества для удаления загрязнений и жировых пятен с одежды и посуды. Вы можете изготовить очень хорошее моющее средство, которое дает минимум пены (или вообще не образует ее). Более того, пена нам зачастую только мешает. Но производители моющих средств настолько убедили людей в том, что именно превосходная белая пена – подлинная гарантия безупречной стирки, что сами загнали себя в угол. Сейчас зачастую в моющие средства специально добавляют пенообразователи, чтобы обеспечить появление воздушных пузырьков и избежать недовольства потребителей.

Подобно вязкости, поверхностное натяжение относится к числу явлений, наблюдаемых в повседневной жизни (то есть в макромире), хотя в большинстве случаев играет менее важную роль, чем гравитация и инерция. Но при переходе на уровень микромира его роль и место в иерархии сил существенно возрастают. Оно объясняет, почему запотевают очки и почему мы можем вытереть руки полотенцем. Но подлинная прелесть микромира заключается в том, что внутри одного гигантского объекта может происходить множество мельчайших процессов, причем их результаты суммируются. Например, оказывается, поверхностное натяжение, которое в тех или иных ситуациях доминирует лишь на микроуровне, обусловливает существование самых массивных живых существ на планете. Но чтобы обсудить эту тему, нам нужно рассмотреть еще один его аспект. Что происходит, когда поверхность, разделяющая газ и жидкость, ударяется о твердый предмет?

Мой первый опыт плавания на открытой воде оказался из разряда «не для слабонервных». К счастью, я ничего не знала об этом заранее, поэтому ни о чем не беспокоилась. Когда я работала в Институте океанографии Скриппса в Сан-Диего, крупным ежегодным событием для моей команды пловцов был заплыв с берега Ла-Джолла до пирса института и обратно – 4,5 километра через достаточно глубокий морской каньон. Вообще говоря, раньше мне приходилось плавать только в бассейнах, но поскольку я всегда готова испытать себя на прочность, а в плавательных бассейнах я «намотала» не одну сотню километров, я согласилась участвовать в заплыве, надеясь, что буду выглядеть ничуть не хуже остальных. Наш массовый вход в воду напоминал момент открытия супермаркета бытовой электроники в день распродажи по сниженным ценам. Но после этого стало немного легче. Первая часть заплыва проходила через заросли бурых водорослей; я казалась себе птицей, порхающей между густыми кронами деревьев. Солнечные лучи с трудом могли пробиться сквозь эти заросли. Затем водоросли исчезли. Зная примерно глубину океана в этих местах, я могла лишь догадываться, какие морские твари проплывают где-то очень глубоко подо мной – так глубоко, что туда едва проникает солнечный свет. После того как мы миновали зону бурых водорослей, водная поверхность покрылась зыбью, и мне пришлось сосредоточиться на том, куда мы плывем. Плыть становилось все труднее, а пирс института едва угадывался на горизонте. Вода подо мной была настолько непроницаемой, что было нереально в ней что-либо разглядеть. В конце концов я поняла, почему с таким трудом воспринимаю окружающую обстановку: мои плавательные очки запотели. Ох-ох-ох…

Внутри плавательных очков пот испарялся с теплой кожи вокруг глаз. Чем усерднее я двигала руками и ногами, тем сильнее он испарялся. Воздух, заключенный между очками и охватываемой ими частью лица, представлял собой нечто вроде мини-сауны, теплой и насыщенной влагой. Но океан вокруг был прекрасным и холодным, поэтому мои плавательные очки охлаждались снаружи. Когда молекулы воды, содержащиеся в воздухе, ударялись о холодный пластик, они отдавали свое тепло и конденсировались, снова становясь жидкостью. Но проблема заключалась не в этом, а в том, что все эти молекулы воды находили друг друга внутри очков, соударялись и гораздо больше притягивались друг к другу, чем к пластику. Поверхностное натяжение втягивало их внутрь, заставляя собираться в крошечные капельки – так, чтобы площадь их поверхности была как можно меньшей. Каждая такая капелька имела крошечные размеры – возможно, 10–50 микрон в диаметре. Так что сила земного притяжения была незначительной по сравнению с силами поверхностного натяжения, сцепляющими капельки с пластиком. Не было никакого смысла ждать, пока они упадут сами собой.

Каждая такая крошечная капелька действовала подобно линзе, преломляющей и отражающей падающий на нее свет. Когда я поднимала голову, чтобы отыскать глазами пирс, свет, который попадал мне прямо в глаза, искажался этими капельками. Подобно крошечному домику с зеркальными стенами, они настолько искажали изображение, что не было никакой возможности уяснить окружающую меня обстановку. Я остановилась на несколько секунд, чтобы промыть очки, и в течение какого-то времени имела четкое представление о ситуации и местоположении пирса. Но вскоре очки снова запотели. Опять их промыла. Через какое-то время перед глазами снова туман. Опять промывание. Снова туман… В конце концов я пристроилась в кильватере одной из пловчих, на которой была ярко-красная шапочка для плавания. Эта шапочка и стала для меня надежным ориентиром, несмотря на запотевшие очки.

Доплыв до пирса, мы ненадолго там остановились, чтобы подождать отставших пловцов и выяснить, все ли у них в порядке. Получив эту небольшую паузу для размышления, я наконец вспомнила то, чему примерно за неделю до описываемых событий меня учил один опытный аквалангист: нужно плюнуть в очки и растереть слюну по внутренней поверхности пластика. Тогда в ответ я скривилась, но сейчас мне не хотелось весь обратный путь через подводный каньон преодолевать практически вслепую, поэтому последовала совету аквалангиста. Обратный путь произвел на меня совершенно другое впечатление. Отчасти потому, что пловчиха в красной шапочке решила существенно прибавить в скорости и мне приходилось напрягать все силы, чтобы не отстать от нее. Но главное – на сей раз я могла видеть все, что меня окружало: пловцов, водоросли, берег, к которому мы плыли, и любопытных рыб, появляющихся время от времени. Действие человеческой слюны в какой-то степени схоже с воздействием моющего средства: она снижает поверхностное натяжение. Под моими очками по-прежнему образовывалась мини-сауна, и вода все еще конденсировалась на внутренней поверхности пластика, но поверхностное натяжение уже не было настолько сильным, чтобы этот конденсат превращался в маленькие капельки-линзы. Поэтому он равномерно распределялся по внутренней поверхности пластика и представлял собой тонкую водяную пленку. Ввиду отсутствия крошечных капелек-линз на внутренней поверхности пластика никаких дополнительных преломлений и искажений света не происходило, и у меня перед глазами все время стояла четкая картина окружающей обстановки. Оказавшись снова на берегу, я, с одной стороны, испытала огромное физическое облегчение, вызванное завершением нашего плавательного марафона, а с другой – порадовалась не только новым впечатлениям от картин подводного мира, но и пополнению копилки полезного жизненного опыта.

Есть один надежный способ воспрепятствовать образованию запотевания – создать на поверхности тонкий слой поверхностно активного вещества (сурфактанта). Для этого можно использовать разные вещества: слюну, шампунь, крем для бритья или дорогостоящий коммерческий антифог. Если тонкий слой поверхностно активного вещества нанесен, то любая вода, которая конденсируется на этой поверхности, будет тотчас же им покрыта. Создавая такое покрытие, вы ослабляете поверхностное натяжение, в результате чего огромное множество крошечных капелек тумана превращается в тонкий слой воды, равномерно покрывающий всю защищаемую поверхность. Вода может сцепляться со всей внутренней поверхностью очков, пока отсутствуют силы, способные воздействовать на молекулы воды. Поверхностное натяжение – единственная другая сила, оказывающая такое воздействие, и если вам удается ее ослабить, проблема решается сама собой[30].

Таким образом, одно из решений – ослабить поверхностное натяжение. Впрочем, есть и другое решение: увеличить силу притяжения со стороны внутренней поверхности очков. Капля сама по себе сжимается в шарик. Если опустить ее на пластик или стекло, она будет лишь слегка их касаться. Но на твердой поверхности, притягивающей молекулы воды почти так же сильно, как они притягиваются друг к другу, вода растечется. Вместо почти сферической капли вы получите плоскую кляксу, молекулы воды в которой ощущают со стороны поверхности такое же сильное притяжение, как и со стороны других молекул воды. Сейчас я покупаю очки для плавания со специальным покрытием на внутренней поверхности, притягивающим воду (оно называется гидрофильным). Вода по-прежнему конденсируется на их внутренней поверхности, но равномерно распределяется по ней, притягиваясь к покрытию. Таким образом, конденсация как явление никуда не девается, но запотевания очков удается избежать[31].

У ослабления поверхностного натяжения есть свои преимущества. Но сила притяжения между отдельными молекулами воды очень велика. И чем меньше объем воды, с которым вам приходится иметь дело, тем значимее этот фактор. По-настоящему полезным поверхностное натяжение оказывается в водопроводных микросистемах. На этом уровне мы вполне можем обойтись без насосов и сифонов, а также огромных затрат энергии на создание обходных путей для воды. От нас требуется сделать такую систему настолько маленькой, чтобы можно было пренебречь влиянием гравитации и возложить всю тяжелую работу на плечи поверхностного натяжения. Уборка помещений – довольно скучное и утомительное занятие, но без нее наш мир выглядел бы совершенно иначе.

Я, наверное, неряшливая хозяйка, довольно умелая, но в гораздо большей степени интересующаяся самим процессом приготовления пищи, чем беспорядком, который оставляю после себя. Это заставляет меня немного нервничать, когда приходится хозяйничать на кухне в чужом доме. Несколько лет назад, находясь в Польше, я взялась приготовить яблочный пирог для международной группы волонтеров, с которыми тогда работала в одном из учебных заведений[32]. Начало оказалось несколько обескураживающим. Высокая и свирепая на вид местная повариха буркнула что-то невнятное в ответ на мой вопрос, нельзя ли воспользоваться их кухней. Мне потребовалось несколько секунд напряженных раздумий в попытке понять, что бы это значило, пока я не сообразила, что она сказала «да». Мой уровень владения польским оставлял желать лучшего, и я не поняла многих инструкций, которые затем последовали. Однако главное я уяснила: кухню после завершения работы нужно оставить в идеальном порядке. Именно в идеальном. Ничто не должно быть пролито на плиту, стол или пол. Все поверхности должны буквально сверкать чистотой. Поэтому позже, когда повариха ушла домой, а я собрала все ингредиенты, необходимые для приготовления яблочного пирога, первое, что я сделала, это опрокинула на пол только что открытый большой пакет молока.

«Хоть бы это молоко куда-то исчезло, – подумала я, – и суровая повариха никогда не узнала о его существовании». Убрать остатки пролитого молока не так-то легко, особенно если его целый литр, заливший полкухни. Между тем молочная лужа продолжала увеличиваться в размерах. К счастью, есть средство, позволяющее достаточно быстро собрать пролитую жидкость, – обычное кухонное полотенце.

Как только полотенце коснулось молока, на молоко начала действовать новая совокупность сил. Полотенца обычно изготавливают из хлопка, а хлопок притягивает воду. На микроуровне молекулы воды притягиваются к волокнам хлопка и медленно покрывают поверхность каждого такого волокна, продвигаясь по нему вверх. А молекулы воды, как известно, так сильно притягиваются друг к другу, что первая из них, прикоснувшаяся к полотенцу, не может взбираться вверх самостоятельно. Она должна обязательно прихватить с собой следующую молекулу воды. А та, в свою очередь, – следующую. Таким образом, молекулы воды движутся вверх по волокнам хлопка, вытаскивая с собой все остальное, что есть в молоке. Силы, притягивающие воду к волокнам полотенца, настолько велики, что силой земного притяжения, ничтожной по сравнению с ними, можно пренебречь. Пролитое молоко быстро собирается с помощью обычного полотенца.

Но это еще далеко не все, на что способно полотенце. Оно обладает еще одним поистине бесценным качеством – ворсистостью. Если бы все волокна полотенца оказались покрыты тонким слоем воды, оно вообще не смогло бы ее собирать. Но ворсистость создает в полотенце множество воздушных карманов и узких каналов. Как только вода проникает в один из таких каналов, она подтягивается вверх со всех сторон, а вместе с ней подтягивается вверх и вода в середине канала. Чем уже канал, тем больше поверхности для каждой капельки воды в середине. Поверхность ворсистого полотенца огромная, а зазоры между ворсинками узкие, поэтому они могут вбирать в себя очень много воды.

Пока я наблюдала за тем, как лужа молока впитывается в полотенце, молекулы воды собирались вместе, толкаясь друг с другом внутри ворса. Те, которые располагались внизу, продвигались вместе с остальной толпой, сцепляясь с соседними молекулами воды. Те, которые соприкасались с хлопком, сцеплялись и с хлопком, и с молекулами воды, находящимися по другую сторону, удерживая свою позицию. Молекулы, соприкасающиеся с сухим полотенцем, сцеплялись с этим сухим хлопком и притягивали к себе другие молекулы воды, находившиеся позади, заполняя таким образом зазоры в структуре. Пребывающие на поверхности тащили за собой молекулы воды, находившиеся непосредственно под ними, стараясь окружить себя как можно большим числом других молекул воды, и в процессе подтягивая воду вверх. Это явление называется капиллярным эффектом. Гравитация тянет вниз все молоко, заполняющее микроканалы в ворсе. Но она не в состоянии конкурировать с силами, тянущими молоко вверх, то есть с силами наверху, где молоко соприкасается с сухим хлопком внутри миллионов крошечных воздушных карманов. Когда я свернула полотенце и убрала его, отдельные его участки буквально до краев пропитались молоком, заполнившим воздушные карманы.

Молекулы воды продолжат взбираться наверх по зазорам, подтягивая за собой другие молекулы воды до тех пор, пока сумма крошечных сил, действующих со стороны множества воздушных карманов, в конечном счете не уравновесится силой притяжения нашей планеты. Именно поэтому, когда вы опустите конец полотенца в воду, жидкость сначала быстро распространится на несколько сантиметров вверх, а затем остановится. В этот момент вес воды в точности сбалансируется силой поверхностного натяжения. Чем уже каналы в ворсе, тем большая поверхность на полотенце обеспечивает суммарную силу поверхностного натяжения и тем выше будет граница поднятия воды. Масштаб в данном случае имеет решающее значение: если ворс будет той же формы, но в сто раз длиннее, то такое полотенце вообще не станет впитывать воду. Но если ворс сделать гуще, то иерархия сил изменится и вода в таком полотенце поднимется на большую высоту.

Самое полезное качество полотенца состоит в том, что после просушки из его воздушных карманов испаряется вся вода: она просто растворяется в воздухе. Более простой и удобный способ решения проблемы трудно представить: полотенце вбирает жидкость и удерживает ее до тех пор, пока она не улетучится сама собой[33].

Расправившись таким образом с лужей пролитого молока, я испекла яблочный пирог и оставила кухню практически в безукоризненном состоянии. Правда, оставалось решить последнюю проблему, которая не имела никакого отношения к теории поверхностного натяжения. Взбитые сливки, поданные мной вместе с яблочным пирогом, имели не очень приятный кисловатый вкус, о чем свидетельствовали выражения лиц моих гостей. Одним словом, век живи – век учись. Я постараюсь никогда больше не совершать такую ошибку.

Причина, по которой полотенца изготавливают из хлопка, заключается в том, что хлопок – это в основном клетчатка, то есть длинные цепочки сахаров, с которыми охотно сцепляются молекулы воды. Вата, кухонное полотенце, дешевая бумага – все это хорошие абсорбенты, поскольку на микроуровне обладают ворсистой структурой, состоящей из водолюбивой целлюлозы. Вопрос в следующем: каковы пределы этой «размерозависимой» физики? Если эти каналы будут настолько малы, насколько это физически возможно, то что можно с ними сделать? Речь идет не только о полотенцах, всасывающих воду вверх по узким каналам из целлюлозы. Природа позаботилась об этом задолго до нас. В качестве впечатляющего примера того, на что способна физика микромира, назову самый большой из живых организмов на планете: гигантское калифорнийское мамонтовое дерево.

В лесу тихо и сыро. Создается впечатление, что так было всегда и изменения здесь – редкость. Земля между стволами деревьев покрыта мхом и зарослями папоротника, и единственные звуки, которые можно здесь услышать, – пение невидимых птиц и глубокое, тревожное кряхтение деревьев, слегка покачивающихся из стороны в сторону. Высоко вверху сквозь переплетение тонких ветвей проглядывают островки голубого неба, а внизу, под моими ногами, повсюду виднеется вода: лужицы, пропитанные влагой клочки почвы и ручейки, устремляющиеся вниз по долине. Каждый раз, гуляя по лесу, я невольно настораживаюсь, замечая далеко впереди подозрительное темное пятно, несколько выбивающееся из общей картины. Нет, это не хищник. Это дерево, один из настоящих гигантов, тысячелетний колосс, скрывающийся за молодой порослью и утверждающий свой особый статус в лесу обширной тенью, отбрасываемой на землю и соседние деревья.

Секвойя вечнозеленая, или калифорнийское мамонтовое дерево (Sequoia sempervirens), покрывает обширные участки земли в этом районе Северной Калифорнии. В наши дни когда-то бескрайние леса сократились до нескольких небольших участков, и я нахожусь в одном из самых известных под названием Redwood National Park в округе Гумбольдт. Эти гиганты производят неизгладимое впечатление, поскольку ствол каждого такого дерева совершенно прямой и вертикальный, устремляющийся далеко в небо. Самое высокое дерево на Земле находится именно здесь. Его высота – 116 метров[34]. Во время прогулки мне часто встречаются деревья, диаметр ствола которых составляет 2 метра и более. Однако самое удивительное, что под глубокими морщинами коры этих деревьев формируются все новые и новые кольца. Деревья живут! Крошечные вечнозеленые листья на стометровой высоте улавливают энергию Солнца, запасают ее и вырабатывают материал, из которого строится новое дерево.

Но для жизни нужна вода, и она здесь, где я стою. Таким образом, в окружающем меня лесу вода течет снизу вверх. И ее поток никогда не прерывается – ни разу с того момента, когда семя, упавшее в почву, дало побег. Некоторые из этих деревьев стояли здесь еще во времена падения Римской империи. Они росли в Калифорнии, когда был изобретен порох, написана Книга Судного Дня[35] (или Книга Страшного суда), когда Чингиз-хан завоевывал все новые царства в Азии, Роберт Гук опубликовал «Микрографию» и японцы бомбили Перл-Харбор. И ни разу вода не прекращала течь снизу вверх, питая дерево. Причина, по которой мы можем быть уверены в этом, заключается в том, что весь механизм, обеспечивающий жизнь дерева, основан на непрерывности этого потока. Его невозможно перезапустить. Но это очень умная «водопроводная система», и весь расчет ее создателя строится на том, что ее непрерывное действие обусловлено лишь очень маленькой величиной поперечного сечения: буквально несколько нанометров.

Вода проходит по ксилеме – системе микроскопических целлюлозных трубок, тянущихся от корней дерева к листьям. В этом главным образом и заключается понятие «древесины», хотя, по мере того как дерево вырастает, центральный стержень древесного ствола перестает участвовать в его водоснабжении. Капиллярность – механизм, делающий мое полотенце водопоглощающим, – обладает силой, достаточной для того, чтобы поднять воду в водопроводной системе дерева лишь на несколько метров. Для высокого дерева такая система не годится. Корни дерева также могут создавать собственное давление для проталкивания воды вверх по водопроводной системе дерева, но и этого давления достаточно лишь для поднятия воды еще на несколько метров. Большая часть работы не выполняется путем проталкивания воды вверх. Воду приходится тянуть. Такая же система действует во всех деревьях, но самый большой мастер по этой части – калифорнийское мамонтовое дерево.

Я сижу на стволе поваленного дерева, рядом с одним из гигантов, и смотрю вверх. В сотне метров над моей головой крошечные листики трепещут на ветру. Для фотосинтеза им нужен солнечный свет, двуокись углерода (углекислый газ) и вода. Углекислый газ поступает из окружающего воздуха через устьица – крошечные карманы, расположенные на нижней стороне каждого листа. Часть внутренней стенки каждого кармана представляет собой сеть целлюлозных волокон, между которыми находятся каналы, заполненные водой. Это верхушка водопроводных трубок; после них трубки разветвляются и снова разветвляются, каждый раз сокращаясь в размерах до тех пор, пока не достигнут устьица. В этом месте, где водопроводные трубки наконец соприкасаются с воздухом, размер их поперечного сечения составляет примерно 10 нанометров[36]. Молекулы воды прочно сцепляются с целлюлозными стенками каждого канала, а водная поверхность придает им форму нанокувшина. Солнечный свет падает на лист и содержащийся внутри него воздух и иногда придает одной из этих поверхностных молекул воды достаточную энергию, чтобы оторвать ее от толпы других молекул воды, расположенных под ней. Испарившаяся молекула воды вылетает из листа в воздух. Но теперь нанокувшин утратил свою форму – он находится слишком глубоко. Поверхностное натяжение втягивает его внутрь, подтягивая молекулы воды ближе друг к другу, чтобы уменьшить площадь поверхности. Есть множество новых молекул, которые могли бы заполнить образовавшийся зазор, но все они находятся намного дальше в канале. Поэтому вода в нем вытягивается вперед, чтобы заместить потерянную молекулу. А затем воде, находящейся еще дальше в канале, приходится продвинуться вперед, чтобы заменить воду, заместившую потерянную молекулу, и так далее, сверху донизу. Поскольку канал крошечный, поверхностное натяжение способно оказывать огромное вытягивающее усилие на всю воду под ним, достаточное (если учитывать вклад миллиона других листьев), чтобы вытягивать весь столб воды вверх по дереву. Потрясающе! Гравитация тянет всю воду в дереве вниз, но сочетание множества крошечных сил выигрывает сражение[37]. И это не просто битва против гравитации: силам, тянущим воду вверх, приходится также преодолевать силу трения со стороны стенок трубки, когда вода продвигается по чрезвычайно узким каналам.

Помимо взрослых деревьев в лесу много молодой поросли – возрастом не более года. Их водяные столбы только начинают формироваться. По мере роста молодого деревца его водопроводная система удлиняется, но никогда не ломается, поэтому верхушка водяного столба всегда увлажняет внутреннюю часть устьица. Когда деревце продолжает расти, вода просто подтягивается к воздуху. Дерево не сможет снова заполнить водопроводную систему, если она опустеет, поэтому ему все время приходится поддерживать ее бесперебойную работу. Каким бы высоким ни было дерево, этот водяной столб не должен сбоить. Самые высокие экземпляры калифорнийского мамонтового дерева растут у океанского побережья именно потому, что прибрежные туманы помогают сохранять влагу на их листьях[38]. Меньшему количеству воды приходится подниматься от корней до вершины, поэтому такая система в целом может действовать медленнее, а деревья могут быть выше.

Процесс испарения воды из листьев деревьев называется транспирацией, и происходит она, когда вы смотрите на дерево, освещаемое солнечными лучами. Эти сонные гигантские вечнозеленые секвойи, по сути, представляют собой массивные водные трубопроводы, подсасывающие воду из почвы, направляющие ее часть на фотосинтез и предоставляющие возможность остальной воде улетучиться в окружающий воздух. В каждом дереве происходит один и тот же процесс. Деревья – жизненно необходимая часть экосистем Земли; они не вырастали бы такими высокими, если бы не могли доставлять воду на требуемую высоту. Самое замечательное, что для такой доставки деревьям не нужен ни специальный мотор, ни активный насос. Они просто сужают проблему, решая ее с помощью правил микромира, а затем повторяют процесс столько миллионов раз, что он становится физикой гигантов.

Крошечный мир, в котором поверхностное натяжение, капиллярные силы и вязкость доминируют над силой земного притяжения и инерцией, всегда был неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Соответствующие механизмы могут быть невидимыми, но последствия их обязательно проявятся. И сегодня мы не просто наблюдатели, восхищающиеся элегантностью и экзотикой процессов, происходящих на микроуровне. Мы становимся работающими на нем инженерами. Уже придуман термин для стремительно развивающейся области микроскопических трубопроводных систем, управления текучими средами, перемещающимися по узким каналам, и практического использования таких систем. Это «микрофлюидика» (наука о микроскопических текучих средах). Для большинства из нас это новое слово, но, думаю, в будущем эта молодая отрасль науки наверняка станет оказывать огромное влияние на нашу жизнь – особенно в области медицины.

В наши дни люди, страдающие диабетом, могут контролировать содержание сахара у себя в крови, используя достаточно простое электронное устройство и тестовую полоску. Крохотная капелька крови, опущенная на тестовую полоску, благодаря капиллярному действию мгновенно впитывается в абсорбирующий материал. Крошечные поры тестовой полоски заполнены ферментом глюкозооксидазы. Вступая в реакцию с сахаром, содержащимся в крови, он генерирует электрический сигнал, измеряемый с помощью ручного устройства, – и на экране отображается точный процент содержания сахара в крови. Такое описание может показаться банальным: бумага впитывает некую жидкость, и этот процесс поддается измерению. Ну и что? Но это лишь грубая демонстрация принципа, положенного в основу такого измерения. В действительности все гораздо сложнее.

Если вы можете пропускать жидкость через тонкие трубки и фильтры, собирать ее в определенные емкости, смешивать с другими химическими веществами и анализировать результаты, то у вас есть все компоненты химической лаборатории. Нет надобности в стеклянных колбах и пробирках, пипетках и микроскопах. Предпосылкой стремительно развивающейся индустрии, которую иногда называют «лабораторией на чипе», является разработка крошечных устройств для проведения медицинских тестов. Никому не нравится, когда из него пытаются «выкачать» целый пузырек крови. Пара капель – еще куда ни шло. Меньшие по размеру диагностические устройства зачастую более дешевы в производстве и более удобны с точки зрения поставки конечным потребителям. К тому же вы не обязаны изготавливать их с использованием таких дорогостоящих современных материалов, как полимеры или полупроводники. Вполне подойдет бумага.

Именно такими вопросами занимается группа исследователей в Гарвардском университете, возглавляемая профессором Джорджем Уайтсайдсом. Они разработали диагностические тестовые комплекты размером с почтовую марку. Они изготавливаются из бумаги и содержат целую сеть «водолюбивых» бумажных каналов с парафинированными водоотталкивающими стенками. Когда вы наносите каплю крови или мочи на определенное место такой бумаги, капиллярное действие протаскивает эту жидкость через основной канал, разделяет ее и перенаправляет образовавшиеся потоки во множество разных тестовых зон. Каждая тестовая зона содержит ингредиенты, необходимые для выполнения тех или иных биологических тестов, а каждый резервуар будет изменять свой цвет в зависимости от результатов теста[39]. Исследователи предполагают, что такие тесты мог бы выполнять самый обычный человек (отнюдь не врач), фотографировать их с помощью смартфона и передавать результат по электронной почте специалисту, который мог бы интерпретировать его. Идея представляется блестящей. Бумага дешева, устройство не требует специального источника питания, легкое, а для его утилизации достаточно зажигалки. Как и в случае любых других новых устройств, нам понадобится провести множество проверок и сравнений, прежде чем мы убедимся, что столь простая и внешне привлекательная идея способна принести реальную практическую пользу. Тем не менее нам очень хотелось бы верить, что в будущем подобные устройства все же займут достойное место в медицине.

Ключевая мысль, которую мне хотелось бы донести до читателей, заключается в том, что, рассматривая какую-либо проблему, мы можем выбрать на шкале размеров такой вариант ее решения, который окажется максимально эффективным и удобным с точки зрения реализации. Это как если бы вы могли выбирать именно те законы физики, с которыми вам удобнее всего работать. Поистине, маленький – значит замечательный.

Глава 4. Момент времени

Путь к равновесию

В воскресенье, в обеденное время, когда так хочется предаться лени, лучше всего отправиться в какой-нибудь английский паб. Интерьер этих заведений зачастую создает впечатление, будто он сформировался сам по себе, а не стал результатом воплощения некой дизайнерской идеи. Типичный английский паб – это нагромождение пространств самой причудливой формы, непременный атрибут которых – дубовая мебель и массивные дубовые балки под потолком. Все это исполнено в старинном стиле, характерном для английских построек прошлых веков. Вы усаживаетесь за столик и заказываете меню, типичное для большинства пабов. Вам приносят тарелку чипсов и стеклянную бутылочку кетчупа. Но если человеку, впервые посетившему английский паб, кажется, что после этого он может расслабиться и приняться за поглощение чипсов, обильно сдабриваемых кетчупом, то его ожидает разочарование. Кетчуп нужно каким-то образом извлечь из бутылочки, а это значит, что вам предстоит нелегкая борьба.

Все начинается с того, что неопытный посетитель паба переворачивает бутылочку кетчупа вверх дном в надежде, что ее содержимое станет понемногу выливаться в тарелку. Не тут-то было! Тем не менее даже опытные посетители паба совершают это бессмысленное действие. Кетчуп – очень густая и вязкая жидкость, и ее собственной силы тяжести явно недостаточно для того, чтобы выливаться в тарелку. То, что происходит с кетчупом в стеклянной бутылочке, объясняется двумя причинами. Во-первых, вязкость препятствует опусканию приправ, содержащихся в кетчупе, на дно бутылочки, если вы не пользовались ею какое-то время, поэтому, чтобы удостовериться в том, что ингредиенты кетчупа хорошо перемешаны между собой, вам нет необходимости встряхивать ее содержимое. Но что более важно, люди предпочитают, чтобы каждый ломтик жареной картошки был покрыт толстой «шапкой» кетчупа, а этого практически невозможно добиться, если кетчуп жидкий. Однако кетчуп пока еще не покрывает чипсы. Он все еще находится в бутылочке.

Через несколько секунд, окончательно убедившись, что гравитация не властна над кетчупом, незадачливый посетитель паба начинает трясти бутылочку. Он трясет ее все ожесточеннее и под конец ударяет ладонью свободной руки по ее дну. Соседи по столику на всякий случай отшатываются назад, опасаясь, что брызги от вывалившейся из бутылочки порции кетчупа окажутся у них на лице, рубашке или брюках. Их опасения не так уж беспочвенны: добрая четверть содержимого бутылочки одним махом вываливается в тарелку с чипсами. Вот ведь странно: оказывается, кетчуп довольно легко извлечь! О чем наглядно свидетельствует его толстый слой, покрывший всю тарелку с чипсами (и, возможно, полстола). Еще несколько секунд назад он упорно не желал покидать бутылочку, а теперь выливается оттуда как ни в чем не бывало. Почему?

Дело в том, что, когда вы пытаетесь подталкивать его очень медленно, он ведет себя почти как твердое тело. Но как только вы заставляете его двигаться быстро, он начинает вести себя подобно жидкости, свободно вытекая из бутылочки. Когда он находится внутри бутылочки или на ломтике жареной картошки, на него действует лишь гравитация (и притом очень слабо), поэтому он ведет себя как твердое тело и не проявляет никакого желания куда-либо двигаться. Но достаточно энергично встряхнуть бутылочку и привести кетчуп в движение, как он начинает вести себя как жидкость и свободно вытекает из бутылочки. Тут все дело во времени. Совершая одно и то же действие быстро или медленно, вы получаете абсолютно разные результаты.

Кетчуп – не что иное, как протертые помидоры, сдобренные уксусом и специями. Предоставленный самому себе, он кажется жидким и даже водянистым; ничего интересного с ним не происходит. Но в бутылочке с кетчупом есть полпроцента кое-чего еще, представляющего собой длинные молекулы, составленные из цепочки связанных сахаров. Это ксантановая камедь (загуститель) – вещество, получаемое путем бактериальной ферментации или синтетическим способом и в настоящее время широко используемое в качестве пищевой добавки. Когда бутылочка с кетчупом стоит на столе, эти длинные молекулы окружены со всех сторон водой и слегка спутаны с другими такими же цепочками. Они удерживают кетчуп в виде плотной и вязкой массы. Но если бутылочку энергично потрясти, эти длинные молекулы немного распутываются (впрочем, они довольно быстро перепутываются снова). Когда в результате нескольких ударов по дну бутылочки кетчуп приходит в более быстрое движение, сцепления между длинными молекулами продолжают рваться и в какой-то момент распутывание длинных молекул становится быстрее, чем их повторное перепутывание. По достижении этой критической точки кетчуп перестает себя вести как твердое тело и подобно обычной жидкости свободно выливается из бутылочки[40].

Есть способ «обойти» эту проблему, но, учитывая, сколько времени тратят британцы на поглощение чипсов, политых кетчупом, остается лишь удивляться, почему они им так редко пользуются. Тактика переворачивания бутылочки с кетчупом вверх дном и поколачивания по нему ладонью не очень-то эффективна, поскольку кетчуп, который вы пытаетесь превратить в жидкость, сосредоточивается именно в том месте, по которому вы ударяете. Горлышко бутылки по-прежнему закупорено густой вязкой жижей, которая никуда не девается. Решение проблемы – разжижить кетчуп, закупоривающий горлышко бутылки, поэтому ее нужно держать под углом и наносить удары по горлышку. При этом количество извлеченного кетчупа будет довольно ограниченным, поскольку разжиженный кетчуп будет сосредоточен лишь у горлышка. Соседи за столом не пострадают от судорожных движений ваших локтей и возможного попадания брызг кетчупа на одежду, а чипсы не будут погребены под его чрезмерным количеством.

Время – немаловажный фактор в физическом мире, так как скорость протекания событий имеет существенное значение. Если вы делаете что-либо с удвоенной скоростью, то иногда достигаете того же результата за половину времени. Но зачастую получаете абсолютно другой результат. Это бывает очень полезно в повседневной жизни. Мы пользуемся этим свойством, управляя окружающим миром разными способами. В нашем распоряжении есть разные масштабы времени в том смысле, что те или иные события могут происходить за разное время. Фактор времени важен для кофе, голубей и высоких зданий, причем временные рамки, которые имеют значение, будут разными в каждом из этих случаев. Речь идет не только о более удобном выполнении тех или иных повседневных дел. Оказывается, жизнь возможна лишь потому, что физический мир в действительности никогда не поспевает за самим собой. Начнем, однако, с самого начала. А именно с существа, которое никогда ни за чем не поспевает, – талисмана для тех, кто всегда опаздывает.

Одним солнечным днем в Кембридже мне наконец пришлось признать, что улитка победила меня.

Наверное, нет смысла (да и времени) заниматься садоводством на последнем курсе университета, но при доме, в котором я проживала вместе с тремя подругами, был сад, а я обожаю ухаживать за деревьями. В редкие часы, свободные от учебы и занятий спортом, я с энтузиазмом уничтожала обширные заросли крапивы, обнаруживая по ходу дела небольшие островки ревеня и кусты замечательных, скрывавшихся в траве роз. Отец посмеивался надо мной («типичная полька!»), узнав, что я пытаюсь выращивать картошку, однако картошка занимала лишь часть моего импровизированного огорода. Интереснее всего было то, что в моем распоряжении оказалась небольшая теплица. Рассада выращивается сначала в ней, а весной высаживается в открытый грунт. В конце февраля я посеяла семена в лотки и стала ждать всходов.

Спустя какое-то время я обратила внимание, что ростки не появляются, зато появилось много улиток. Зайдя утром в теплицу с лейкой, чтобы полить ростки (которые, как я рассчитывала, должны были взойти к тому времени), я обнаружила вместо них в каждом лотке по самодовольному моллюску. Кроме улитки в лотке находилась голая земля и остатки изжеванных побегов. Подлые твари! Я решила, что не отступлюсь, и заново посеяла семена. Правда, на этот раз поставила каждый лоток на кирпич, чтобы затруднить улиткам доступ. Через две недели я застала в теплице прежнюю картину: ростки снова были уничтожены, а количество улиток в лотках значительно увеличилось. Я перепробовала несколько способов борьбы с улитками, однако они не принесли желаемого результата. Впрочем, у меня оставался еще один вариант. На этот раз я взяла пары пустых цветочных горшков, поместив сверху на каждую такую пару чайный поднос, перевернутый вверх дном; получилось нечто вроде большущих грибов со сдвоенной ножкой. Эти «ножки» я обильно смазала жиром и водрузила лотки для рассады на «шляпки» моих импровизированных «грибов». Заменив в лотках компост, я посеяла в них остатки семян, скрестила пальцы и вернулась к изучению физики конденсатов.

Ростки продержались целых три недели, после чего случилось то, что и должно было случиться: в один не самый прекрасный день я обнаружила вместо них жирную и довольную улитку. Я помню, как стояла тогда в теплице и безуспешно пыталась сообразить, как она проникла в лоток с рассадой. Были возможны лишь два варианта. Вариант № 1: улитка вскарабкалась по внутренним стенкам теплицы до потолка, проползла по нему какое-то расстояние и свалилась вниз – прямо в лоток с рассадой. Это представлялось маловероятным, но, в конце концов, а вдруг? Вариант № 2: улитка вскарабкалась по ножке скамейки, проползла по ней, взобралась по боковой поверхности цветочного горшка, проползла «вверх ногами» по нижней поверхности чайного подноса, перебралась через его край (умудрившись при этом не свалиться вниз), а затем проползла по верхней поверхности чайного подноса и наконец добралась до лотка с рассадой. В любом случае я должна была признать, что своим упорством улитка заслужила щедрое вознаграждение в виде молодых побегов рассады[41]. Как же ей это удалось? В обоих вариантах предполагалось передвижение улитки «вверх ногами»; в этом случае она могла бы цепляться за поверхность, лишь приклеиваясь к ней собственной слизью. Если понаблюдать за перемещением улитки, то она движется не так, как гусеница: она не приподнимает себя над поверхностью, а просто приклеивается к ней слизью, умудряясь при этом как-то продвигаться вперед. Но слизь – это секретное оружие улитки, поскольку она ведет себя как кетчуп.

Если посмотреть, как улитка двигается, вы не увидите ничего особенного, так как наружный обод ее «ступни» просто перемещается с постоянной (очень медленной) скоростью. Все то, что по краям, происходит очень неспешно: слизь подобна кетчупу в неподвижном состоянии: то и другое имеет густую, липкую и очень малоподвижную консистенцию. Но снизу, посередине, мышечные волны проходят от спины улитки к ее голове. Каждая такая волна с большой силой проталкивает слизь вперед, заставляя ее достаточно быстро перемещаться. Как и кетчуп, слизь «разжижается при сдвиге», поэтому при ее перемещении с достаточно большой скоростью ее текучесть резко повышается. Улитка плывет поверх этой жидкой слизи за счет упоминавшихся выше мышечных волн, пользуясь ее пониженным сопротивлением. Улитке нужна не только жидкая, но и густая слизь, чтобы было от чего отталкиваться. Единственная причина, позволяющая улиткам (и слизням) перемещаться, состоит в том, что одна и та же слизь может вести себя либо как твердое тело, либо как жидкость, в зависимости от того, насколько быстро они заставляют ее перемещаться. Огромное преимущество такого метода заключается в том, что улитка не падает, ползая по потолку «вверх тормашками», потому что никогда не приподнимает себя над поверхностью.

Каким же образом улитке удается этот трюк? Слизь улитки представляет собой гель, состоящий из очень длинных молекул, называемых гликопротеинами, переплетенных между собой. Когда слизь улитки пребывает в состоянии покоя, между цепочками молекул образуются химические связи, поэтому слизь ведет себя как твердое тело. Но при достаточно сильном толчке эти связи внезапно разрываются, и все длинные молекулы могут легко скользить относительно друг друга, подобно нитям спагетти. Если такую слизь оставить на какое-то время в покое, химические связи между цепочками молекул восстановятся. Достаточно лишь секунды, чтобы вы снова получили гель.

Если бы тогда я знала все это, могла бы я защитить рассаду от улиток? Оказывается, защиту невозможно обеспечить, подбирая поверхность, к которой улитка не могла бы «приклеиться». Слизь приклеивается буквально ко всему, что вы могли бы найти у себя дома, – в том числе к поверхностям, которые специально выполнены как неклеющиеся. Эксперименты показали, что улитки способны «приклеиваться» даже к сверхгидрофобным поверхностям – то есть тем, на которых вода совершенно не задерживается. Это поистине замечательное свойство, которым, однако, могут восторгаться лишь те, кому не приходится защищать от улиток драгоценную рассаду.

Тот же механизм положен в основу так называемых нестекающих красителей. Когда такая краска пребывает в состоянии покоя, она имеет густую, тягучую и липкую консистенцию. Но если ткнуть в нее малярной кистью, она становится гораздо менее вязкой и ее можно легко наносить на нужную поверхность (например, на стену) тонким и ровным слоем. Но как только вы отнимете кисть, краска через какое-то время вновь станет очень вязкой и не будет стекать вниз по стене до полного высыхания.

Кетчуп и улитки – это, конечно, мелочь, но тот же физический принцип может иметь серьезные последствия в гораздо большем масштабе. Крайстчерч в Новой Зеландии был очаровательным и мирным городом, когда я посетила его в 2002 году. Почва здесь состоит из осадочных пород: слой на слое крошечных частиц, наносимых рекой Эйвон на протяжении миллионов лет. Это прелестное местечко, однако Крайстчерч, фигурально говоря, сидит на бомбе замедленного действия. В 12:51 по местному времени 22 февраля 2011 года примерно в 11 километрах от центра города произошло землетрясение магнитудой 6,3 балла. Само по себе землетрясение стало немалым бедствием: людей подбрасывало высоко в воздух, а здания рушились, как карточные домики. Но осадочные породы, на которых построен город, были прочными, лишь пока пребывали в состоянии покоя. Мощное встряхивание превратило их, подобно кетчупу, в жидкость. Подробности на микроуровне отличаются – но лишь очень незначительно: вместо химических связей между длинными молекулярными цепочками вода проникает между крупицами песка и отдаляет их друг от друга, в результате чего они начинают течь. Но в целом физические процессы в том и другом случае одинаковы: если твердую почву быстро «расшевелить», она, как и жидкость, начинает течь.

Автомобиль – достаточно тяжелый объект, поэтому гравитация заставляет его оказывать серьезное давление на почву в том месте, где он стоит. Автомобили не проваливаются сквозь землю, поскольку она достаточно твердая, чтобы успешно сопротивляться их давлению. Но в Крайстчерче буквально за несколько минут это общее правило было нарушено. В тот день немало машин было припарковано на песчаных обочинах дорог, покоясь на хорошо спрессованной почве, на протяжении многих десятилетий пребывавшей в неподвижности. В результате землетрясения слои песка пришли в движение и начали очень быстро скользить относительно друг друга из стороны в сторону. Если бы скольжение происходило медленно, то автомобилям ничто не угрожало бы. Но все случилось настолько быстро, что вода проникла между крупиц песка и им просто не хватило времени, чтобы вернуться в прежнее положение до того, как им пришлось двигаться в другом направлении. Поэтому вместо слоев песка, неподвижно покоящихся друг на друге, почва внезапно превратилась в смесь песка и воды, не обладающую какой-либо фиксированной структурой. Автомобиль, припаркованный поверх такой смеси, неминуемо должен был провалиться в это месиво по мере продолжения подземных толчков. Но как только толчки прекратились, буквально за пару секунд крупицы песка несколько «уселись»: теперь их снизу поддерживала не вода, а другие крупицы песка. Почва вновь отвердела, однако к этому времени автомобиль уже наполовину ушел в песок.

Именно этот процесс стал виновником огромного материального ущерба, понесенного Крайстчерчем. Многие автомобили погрузились в ил, а здания обрушились, поскольку почва не выдержала их веса. Этот процесс известен как «разжижение». Чтобы произошло разжижение почвы, требуется мощная сила, такая как землетрясение, приводящая осадочные породы в достаточно быстрое движение. Но если мягкая песчаная почва приходит в достаточно быстрое движение, ее прочность тает столь же быстро, как утренний туман. Кстати, именно поэтому, передвигаясь по зыбучим пескам, рекомендуется вести себя как можно осторожнее и не совершать резких движений. Если же вы начнете сильно топать ногами, зыбучие пески станут вести себя как жидкость и вы просто утонете в них. Двигайтесь по возможности медленнее, и у вас появится шанс остаться в живых. В этом случае очень важен фактор времени. Изменяя временные рамки для того или иного действия, вы зачастую изменяете его исход.

Мы часто говорим о каком-то событии, что оно «произошло так быстро, что я и глазом не успел моргнуть». На моргание глазом требуется примерно треть секунды, а среднее время реакции человека составляет приблизительно четверть секунды. Кому-то может показаться, что это довольно оперативно, однако задумайтесь над тем, что должно произойти за это время, если вы, например, проходите стандартный тест на реагирование? Когда лучи света попадают на сетчатку вашего глаза, специализированные светочувствительные молекулы скручиваются, и это запускает цепочку химических реакций, которые вызывают небольшой электрический ток. Этот электрический сигнал проходит по оптическому нерву и попадает в мозг, заставляя его клетки посылать сигналы друг другу, в результате чего вырабатывается понимание, что произошло нечто такое, что требует той или иной реакции. Затем электрические сигналы пытаются добраться до мышц; при этом их движение замедляется, когда они преодолевают зазоры между нервными клетками путем химической диффузии. Когда приказ мышцам сократиться получен, молекулы в мышечных волокнах начинают цепляться друг за друга, пока ваши пальцы не нажмут нужную кнопку. Учтите, что вся эта цепочка действий совершается только для того, чтобы вы могли сделать самую простую вещь!

За нашу пресловутую сложность приходится платить скоростью. Люди – достаточно медлительные создания, неспешно пробирающиеся через физический мир, поскольку даже при выполнении простейших действий нам приходится преодолевать множество разных стадий. Пока мы продираемся сквозь чащобу, многие более простые физические системы справляются с решением множества других задач. Но эти простые и быстрые процессы протекают настолько стремительно, что мы их просто не замечаем. Вы можете получить некоторое представление об этом мире, опустив в кофе капельку молока с довольно большой высоты. В лучшем случае вы лишь успеете заметить, как она, упав в кофе, слегка отскочит от его поверхности, а затем снова в него упадет. Но это уже будет на грани человеческих возможностей: развитие какого-либо более быстрого процесса вам не удастся заметить. Мой научный руководитель любил говорить, что если бы мы могли реагировать быстрее, то, пока капля молока совершает падение в кофе, мы могли бы передумать его пить с молоком и поймали бы эту каплю на лету. Впрочем, лично я полагаю, что для поимки капли молока нам следовало бы прибегнуть к помощи чего-нибудь более маленького и шустрого, чем человек.

Высказывание моего научного руководителя заставило меня задуматься о том, как много мы упускаем в жизни из-за своей медлительности. Как было бы здорово, если бы мы могли собственными глазами видеть все, что делается буквально у нас под носом, каким бы крошечным оно ни было и с какой бы скоростью ни происходило. Поэтому я и выбрала научное направление, позволяющее заниматься высокоскоростной фотографией – технологией, с помощью которой можно наблюдать процессы, невидимые из-за своей стремительности. Но фотокамеры такого рода доступны лишь человеку. А что делать тем, у кого их нет – например, голубям?

В 1977 году предприимчивый ученый по имени Барри Фрост убедил голубя вступить на беговую дорожку. Это один из тех экспериментов, за которые в наши дни вручили бы, наверное, Шнобелевскую премию. Он мог бы служить идеальным примером научного исследования, которое сначала заставляет вас покатываться со смеху, а затем задуматься. Пока лента беговой дорожки медленно двигалась назад, птице, чтобы оставаться на месте, приходилось продвигаться вперед. Голубь довольно быстро освоился с таким темпом движения ленты, однако кое-что в его поведении казалось необычным. Если вам когда-либо приходилось, сидя на скамейке в парке, наблюдать за голубями, снующими туда-сюда в поисках съедобных крошек, то вы, скорее всего, замечали, что во время ходьбы они кивают головами вперед и назад. Мне всегда казалось, что такое болтание головами должно «напрягать» голубей, заставляя их совершать эти бесполезные и утомительные телодвижения. Но голубь на беговой дорожке не кивал головой, и это послужило для Барри указанием на что-то очень важное. Очевидно, что кивание головой вовсе не непременный атрибут «походки» голубя, поэтому не имеет никакого отношения к физике его передвижения. Но зато имеет непосредственное отношение к тому, что голубь видит. Пребывая на ленте беговой дорожки, голубь как бы продвигался вперед, но окружающая обстановка при этом не менялась. Если голубь держал голову неподвижно, он все время видел вокруг себя одну и ту же отчетливую картину. Но когда голубь движется по земле, окружающая обстановка непрерывно меняется. Оказывается, эти птицы не способны «быстро» фиксировать изменения картинки, чтобы воспринимать их. Таким образом, их «кивания» головой вовсе не кивания. Они наклоняют голову вперед, а потом делают шаг, что позволяет их телу «догнать» голову; затем снова наклоняют голову вперед. Во время совершения шага голова остается, по сути, на месте, поэтому у голубя появляется больше времени, чтобы оценить ситуацию, прежде чем сделать следующий шаг. Голубь делает один «фотоснимок» окружающей обстановки, а затем вытягивает голову вперед, чтобы сделать следующий «фотоснимок». Если понаблюдать за голубем достаточно долго, то можно удостовериться в правильности описанной мной модели (правда, для этого вам придется запастись терпением, поскольку голуби довольно быстрые)[42]. Похоже, никто точно не знает, почему одни птицы столь медленно обрабатывают визуальную информацию, что им приходится кивать головами, тогда как другие в таком кивании не нуждаются. Но «медлительные» птицы не поспевают за окружающим их миром, и им приходится разбивать его на бесконечный ряд стоп-кадров.

Зрение человека поспевает за темпом его ходьбы, но, если вам нужно рассмотреть что-то, находящееся очень близко, вы обычно испытываете непреодолимое желание остановиться на несколько секунд и получше разглядеть искомый предмет. Во время движения наше зрение не успевает обрабатывать информацию окружающего мира достаточно быстро, чтобы уловить все подробности. Фактически людям приходится решать ту же проблему, что и голубям (правда, без кивания головой), и наш мозг «сшивает» картину окружающего мира так, что мы даже не замечаем этого. Мы быстро шарим взглядом по окружающим объектам, шаг за шагом добавляя визуальную информацию к картине, формирующейся в нашем сознании. Если вы взглянете на себя в зеркало и посмотрите прямо на отражение в нем одного из ваших глаз, то заметите, что никогда не видите движений своих глаз, хотя человек, стоящий рядом с вами, увидит, как они бегают из стороны в сторону. Ваш мозг соткал воедино ваше восприятие сцены таким образом, что вы никогда не замечаете «швов» между отдельными фрагментами этой картины, хотя эти швы возникают постоянно.

Все дело в том, что мы действуем чуть-чуть быстрее голубя. Правда, из этого следует, что в окружающем нас мире огромное множество систем, гораздо более быстрых, чем мы. Мы привыкли жить в довольно ограниченном временном диапазоне, поэтому можем отслеживать лишь процессы длительностью от одной секунды до нескольких лет. Однако диапазон масштабов времени, в которых происходят многие другие процессы, значительно шире. Без помощи науки мы бы даже не подозревали о существовании процессов, длящихся несколько миллисекунд или несколько тысячелетий. Мы воспринимаем лишь то, что происходит на очень небольшом отрезке в середине этого колоссального диапазона. Быстродействие современных компьютеров поражает воображение. Именно поэтому они кажутся нам такими загадочными. Они успевают решать сложнейшие задачи за столь короткие промежутки времени, что мы полагаем, будто компьютер вовсе не затрачивает время на их решение. Между тем быстродействие компьютеров постоянно повышается, хотя мы не всегда это замечаем: действительно, какая разница, решает компьютер некую задачу за несколько милли- или микросекунд, – мы ведь не замечаем ни тот, ни другой отрезок времени!

То, что вы видите, зависит от масштаба времени, в котором действует ваше зрение. Чтобы уяснить контраст, попробуйте сравнить очень быстрое и крайне неповоротливое: дождевую каплю и гору.

Крупной дождевой капле требуется одна секунда, чтобы пролететь 6 метров, что соответствует высоте двухэтажного здания. Что с ней происходит за секунду? Дождевая капля – это совокупность сталкивающихся между собой молекул воды, каждая из которых прочно сцеплена с остальными членами группы, но непрерывно меняет свои предпочтения внутри нее. Как говорилось в предыдущей главе, молекула воды состоит из атома кислорода, связанного с двумя атомами водорода, по одному с каждой стороны; эта троица образует структуру, напоминающую букву V. Молекула воды может сгибаться и растягиваться по мере перемещения (если точнее, прыгания) по слабо связанной сети, образованной миллиардами других таких же молекул. За одну секунду она может совершить 200 миллиардов прыжков. Если наша молекула достигнет края капли, она обнаружит, что за ее пределами нет ничего такого, что бы могло притягивать ее с той же силой, с какой молекулы, содержащиеся внутри капли, притягивают ее обратно к центру. У того, как капли воды изображаются на картинках, мало общего с действительностью: дождевые капли бывают разных форм, но ни одна из этих форм не имеет остроконечных точек. Любой остроконечный край тотчас же сгладится, поскольку отдельные молекулы не могут противостоять притяжению со стороны основной массы молекул. Но, несмотря на силу этого притяжения, идеальная форма не достигается никогда. В ответ на воздействие со стороны воздуха происходит постоянное перегруппирование молекул в капле. Капля может принять расплюснутую форму, после этого снова стянуться в более компактную форму, может «перелиться через край», вытянуться в длину и стать похожей на мяч для регби, а затем снова стянуться. В течение одной секунды может произойти 170 таких превращений. И обусловлены они воздействием внешних сил, которые пытаются разорвать каплю в клочья, и неистовым притяжением со стороны остальных молекул в капле, стремящихся сохранить ее. Иногда дождевая капля превращается в некое подобие блина, который растягивается и принимает форму тонкого зонтика – и в конце концов рассыпается на множество крошечных капелек. Все это происходит менее чем за одну секунду. Мы не можем этого видеть, поскольку такое множество трансформаций совершается буквально в мгновение ока. Затем дождевая капля разбивается о скалу – и происходит смена масштаба времени.

Это гранитная скала, и на памяти человека она остается такой же, как и несколько десятков лет тому назад. Но четыреста миллионов лет назад в Южном полушарии бушевал гигантский вулкан и магма, извергающаяся из него, постепенно, в течение миллионов лет, застывала, превращаясь в твердые вулканические породы – кристаллы разных типов, – становясь в конце концов чрезвычайно прочным гранитом. Проходило время, и твердый шершавый гранит постепенно обтачивался и полировался ветром, снегом и дождями. Пока этот гигантский вулкан разрушался, он не стоял неподвижно на месте. С момента колоссального взрыва, который прекратил существование вулкана, этот кусок континента медленно уползал на север. Тем временем внутренние механизмы планеты сдвигали и раздвигали эти покореженные участки земной поверхности, приходили и уходили одна за другой геологические эпохи, возникали одни виды живых существ, а затем сменялись другими. Сегодня, спустя десятую долю суммарного времени существования Земли, все, что осталось от некогда величественного вулкана, – жалкие остатки его вывороченных наизнанку внутренностей. Сейчас он называется Бен-Невис, самая высокая (1343 метра) вершина Британских островов.

Глядя на гору или дождевую каплю, мы замечаем очень мало изменений. Но это объясняется исключительно нашим собственным восприятием времени, а не тем, на что мы смотрим.

Мы воспринимаем лишь очень небольшую, примерно среднюю часть огромного диапазона масштабов времени, и нам подчас очень нелегко относиться всерьез к остальным отрезкам этого диапазона. И дело не только в разнице между сейчас и после; это головокружение, которое мы испытываем, пытаясь уяснить, что же на самом деле представляет собой сейчас. Это может быть миллионная доля секунды, а может быть и год. Ваша точка зрения может в корне меняться, когда вы рассматриваете невероятно быструю цепь событий или, наоборот, глобальные медленные трансформации. Однако разница между ними не в том, как происходят изменения, а в самом темпе этих изменений. Сколько требуется времени, чтобы перейти из этого состояния в то? И в чем именно заключается то состояние? Речь идет о состоянии равновесия. Ничто, будучи предоставленным само себе, никогда не будет пытаться изменить это конечное состояние, поскольку у него нет для этого причин. Точнее говоря, нет сторонних сил, которые бы к ним привели, поскольку все эти силы сбалансированы. У физического мира есть лишь один «пункт назначения» – равновесие.

Вообразите ворота шлюза в каком-нибудь канале. Они были придуманы в силу самой оригинальной из причин: чтобы речные суда могли «взбираться на холмы». Механизм шлюзования обеспечивается тем, что суда могут плыть против течения, но только при условии, что оно очень медленное. Ни одно речное судно не сможет взобраться вверх по водопаду, но с помощью системы шлюзов может «подниматься на холмы». Шлюз состоит из двух ворот, образующих в канале глухую пробку, создавая между двумя воротами изолированный пруд. По одну сторону шлюза уровень воды высокий, по другую – низкий. Любое судно, движущееся вверх или вниз по каналу, обязательно проходит через шлюз. Допустим, лодке на нижнем уровне нужно плыть вверх по каналу. Вода между воротами шлюза вначале находится на той же высоте, что и нижний уровень в канале. Нижние ворота открываются, и наша лодка заходит в шлюз, после чего нижние ворота закрываются. Теперь открываются – а точнее, лишь слегка приоткрываются – верхние ворота, и вода начинает поступать в шлюз. Это очень важный момент. Когда верхние ворота были закрыты, у воды над шлюзом не было причин куда-либо течь. Она располагалась на самом низком из возможных положений, пребывая в равновесии. При закрытых верхних воротах ей некуда было деваться, то положение, в котором она находилась, было для нее самым удобным, и она могла бы оставаться в нем бесконечно долго. Но как только верхние ворота приоткрываются и для этой воды создается путь, по которому она может соединиться с прудом, заключенным между воротами шлюза, баланс нарушается. Гравитация все время тянет воду вниз. Приоткрыв верхние ворота, мы создали для воды возможность реагирования на действие силы земного притяжения и перехода на еще более низкий уровень. Таким образом, вода затекает внутрь шлюза до тех пор, пока уровень воды в нем не сравняется с уровнем воды, находящейся выше шлюза. От нас требуется лишь создать путь к новому состоянию равновесия. Но теперь лодка находится на той же высоте, что и верхняя часть канала, и как только ворота будут полностью открыты, она сможет продвинуться вперед на своем пути вверх по течению – по очень медленному течению канала. Позади нее, как только ворота закроются, все опять будет в равновесии. Вода между шлюзами сможет оставаться здесь до бесконечности, так как лучшего для себя положения ей не найти. Все силы сбалансированы. Затем в какой-то момент в шлюз войдет еще какая-нибудь лодка, плывущая в противоположную сторону, то есть по течению; кто-нибудь откроет нижние ворота, и вода начнет поступать в ту часть канала, которая расположена ниже по течению, где она продолжит движение к новому состоянию равновесия.

Вывод из вышесказанного заключается в том, что управление позицией равновесия позволяет решать очень многие задачи в нашем мире. Вещи, предоставленные сами себе, меняются до тех пор, пока в них все не сбалансируется, а достигнув этого состояния, остаются в нем до тех пор, пока те или иные внешние силы не выведут их из него. Иными словами, целенаправленное изменение состояния равновесия – путь к успеху. То есть, имея возможность менять правила в ходе игры, вы сможете изменять ход тех или иных процессов в нужном для вас направлении и запускать их именно тогда, когда считаете нужным.

Представление о том, что физический мир всегда будет двигаться в направлении равновесия – то есть горячая и холодная жидкости будут смешиваться, пока не достигнут единой температуры, или воздушный шарик будет расширяться, пока давление внутри него и снаружи не станет одинаковым[43], – связано с убеждением, что время течет только в строго определенном направлении. Мир не может двигаться вспять. Вода никогда не будет сама по себе течь через шлюз от более низкого уровня к более высокому. Это означает, что вы всегда можете сказать, какое именно направление имеется в виду, когда речь идет о движении той или иной системы вперед: для этого достаточно понять, какое ее состояние будет состоянием равновесия. В то время как для осуществления изменений за счет применения грубой силы необходимы значительные затраты энергии, для воздействия на скорость «соскальзывания» системы в состояние равновесия обычно хватает минимальных усилий. К тому же часто это чрезвычайно полезно.

Гувер-Дам (плотина Гувера) на реке Колорадо в США – одно из крупнейших достижений гражданского строительства прошлого века. Подъезжая к нему со стороны Лас-Вегаса на автомобиле, вы движетесь по довольно пустынной скалистой местности, где кажется почти невероятным встретить большое сооружение. Единственные подсказки о том, что где-то поблизости есть нечто необычное, исходят от отблесков солнца на голубой воде, время от времени возникающих где-то очень далеко посреди пустыни. А потом вы поворачиваете, и внезапно перед вами предстает исполинское бетонное сооружение (общим весом около 7,5 миллиона тонн), построенное посреди сурового американского ландшафта.

Примерно сто лет тому назад река Колорадо безмятежно несла свои воды по руслу узкого каньона. Она берет свое начало в Скалистых горах, продолжает путь через обширные равнины, двигаясь по каскаду долин в юго-западном направлении, и впадает в Калифорнийский залив. Проблема для фермеров и жителей городов, расположенных в нижнем течении реки, заключалась вовсе не в нехватке воды – она-то как раз была в изобилии, – а в распределении ее поступления во времени. Весной ужасные наводнения смывали буквально все на своем пути, тогда как осенью река превращалась в хилый ручеек, воды в котором было явно недостаточно для удовлетворения нужд постоянно увеличивающегося населения. Река всегда брала свое начало в одних и тех же горах, текла через одни и те же равнины и впадала в один и тот же Калифорнийский залив. Однако фермеров и городских жителей не устраивал «график поступления воды»: они хотели, чтобы он был управляемым[44] и, в частности, чтобы в какие-то моменты ее поступление можно было бы вообще прекращать. В итоге было решено строить плотину.

Капля воды, совершившая долгое путешествие со Скалистых гор вниз через Большой каньон, теперь попадает в озеро Мид – гигантское водохранилище, образовавшееся позади дамбы. Прежде чем добраться до Калифорнийского залива, капле придется немного задержаться в озере. Дело в том, что избыток воды теперь накапливается в водохранилище, расположенном на границе штатов Невада и Аризона, в среднем течении реки Колорадо – то есть до того как ее воды достигнут Калифорнии. До 1930 года капле воды, покинувшей Большой каньон, приходилось опускаться примерно на 150 метров, прежде чем она достигнет того места, где сейчас находится дно озера Мид. Но после 1935 года, когда дамба была построена, такая же капля воды, достигшая озера Мид, теперь оказывается на 150 метров выше дна долины в этом месте. Самое удивительное, что для удержания воды на этом уровне не нужно затрачивать энергию – достаточно было лишь воздвигнуть надежное препятствие, которое не позволяло бы воде бесконтрольно продолжать течение. В данном случае мы имеем дело не с чем иным, как с рукотворным состоянием равновесия.

Разумеется, прежде всего люди должны были решить, что река Колорадо больше не будет самовольно распоряжаться своими водами, и поставить их под контроль человека путем создания дамбы, регулируя с ее помощью количество воды, попадающей в нижнее течение реки. После возведения плотины Гувера наводнения уже не угрожают населению Калифорнии, как не угрожает и полное высыхание реки Колорадо: теперь вода течет по ее руслу непрерывно. У такого решения проблемы есть еще одно важное преимущество: вода, пропускаемая через плотину, вращает турбины электрогенераторов, установленных на гидроэлектростанции. В результате плотина, помимо всего прочего, становится источником достаточно дешевой электроэнергии, что позволяет сотням тысяч людей полноценно жить и работать в безводных пустынях американского юго-запада.

Плотина Гувера строилась для того, чтобы человек мог эффективно регулировать поток воды, однако использованный при этом принцип распространяется не только на воду. Каждый раз, когда нужно запастись энергией, от нас требуется создать пару-тройку препятствий на ее пути «из пункта A в пункт B». Физический мир всегда стремится к состоянию равновесия, но иногда нам удается искусственно создать ближайшую точку равновесия для использования в собственных целях. Контролируя такой поток, мы можем также контролировать моменты высвобождения энергии. А затем добиваемся, чтобы она совершала какое-то полезное для нас действие. Мы не создаем энергию и не уничтожаем ее, а всего лишь направляем в нужное русло и регулируем заслонки на ее пути.

Подобно многим цивилизациям до нас мы сталкиваемся с проблемой ограниченных ресурсов. Ископаемые виды топлива, такие как нефть и (в определенной степени) уголь, сформировались из растений, которые существовали благодаря использованию энергии Солнца. Эти ископаемые энергоресурсы – энергетический эквивалент плотин, форма, которая запасает энергию в состоянии временного равновесия. Когда мы добываем их из земных недр и приступаем к использованию запасенной в них энергии, мы, по сути, самостоятельно выбираем момент ее высвобождения, создавая маршрут к другому возможному состоянию равновесия посредством сжигания и химического разложения на двуокись углерода и воду. Проблема, стоящая перед нами, заключается в том, что у нас есть лишь весьма ограниченное количество ресурсов «в верхнем течении» (то есть «вверх по потоку») в форме ископаемых видов топлива и за время жизни буквально нескольких поколений мы высвободили энергию, на накопление которой ушли миллионы лет. Запасы ископаемых энергоресурсов на планете подходят к концу, и у нас нет нескольких миллионов лет, чтобы их восполнить. Возобновляемая энергия, как и гидроэлектроэнергия, вырабатываемая на плотине Гувера, является производной энергии Солнца, пронизывающей сегодня наш мир. Проблема, с которой сталкивается наша цивилизация, неизменна: научиться эффективно останавливать и запускать поток энергии, чтобы использовать нужное ее количество, не нанося при этом заметного ущерба окружающему миру.

Включив в очередной раз какое-либо устройство, питающееся от батареи или аккумулятора, вы, по сути, выбираете момент высвобождения энергии из соответствующего источника, открывая электрический шлюз и направляя энергию по электрическим цепям данного устройства, с помощью которого хотите совершить некое полезное действие. В конечном счете эта энергия превратится в тепло. Именно к этому в итоге приводит каждое нажатие кнопки включения на любом из таких устройств. Все они представляют собой привратников, контролирующих моменты пуска и остановки потока, неизменно направляющегося в сторону равновесия. Если мы предоставим этому потоку возможность беспрепятственного прохождения, то получим один результат; если же замедлим его прохождение тем или иным способом (например, разрешим ему проходить лишь в моменты, когда это нужно нам), то результат будет совершенно иным. Время играет здесь очень важную роль, поскольку также течет только в одну сторону; выбирая момент, когда поток движется в сторону равновесия, а также скорость этого движения, мы обеспечиваем себе необычайно эффективный контроль над окружающим миром. Впрочем, далеко не всегда система, достигнув равновесия, останавливается. Если при приближении к точке равновесия она движется очень быстро, то может ее просто проскочить. Это открывает дверь для совершенно нового множества явлений, а также сопутствующих им проблем.

Обеденный перерыв, во время которого я успеваю не торопясь выпить чашку чая, – важная частью моего рабочего дня. Но недавно я заметила, что даже эта чашка заставляет меня «сбавлять обороты», причем дело здесь не только в том, что для того чтобы вскипел чайник, требуется какое-то время. Мой кабинет в University College London находится на одном конце длинного коридора, а комната для приема пищи – на другом. Путешествие с полной чашкой чая в руке обратно в кабинет происходит отнюдь не в том темпе, в котором я привыкла работать (привычный мой темп можно было бы описать одним словом: гонка). Дело не только в том, что я держу в руке полную чашку чая, – проблема в колебаниях поверхности жидкости. С каждым шагом они усиливаются. Обычный человек в таких случаях принимает вполне естественное решение: двигаться медленнее. Но любой уважающий себя физик должен сперва провести ряд экспериментов, чтобы убедиться, что указанное выше решение действительно единственно правильное. Вы никогда не знаете, какие открытия поджидают вас на этом пути. Короче говоря, я не собиралась сдаваться без боя.

Налив воду в чашку, поставьте ее на ровную поверхность и слегка подтолкните: вода начнет колебаться из стороны в сторону. Что же происходит на самом деле? После того как вы слегка подтолкнули чашку, она немного сдвигается, однако вода в ней поначалу остается на месте, но «накапливается» с той стороны чашки, которую вы подтолкнули. В результате уровень воды с одной стороны чашки оказывается выше, чем с другой. Гравитация тянет вниз воду с той стороны, где уровень воды выше, а вода с другой стороны подталкивается вверх. Через какое-то мгновение поверхность воды в чашке выравнивается, но у воды нет никакой причины останавливаться. Она продолжает движение, вследствие чего ее уровень с другой стороны чашки (назовем ее «второй» стороной) начинает повышаться. Гравитация тянет вниз воду с этой стороны, но, чтобы полностью ее остановить, требуется какое-то время. К моменту, когда вода остановится, ее уровень на «второй» стороне чашки будет выше, чем на противоположной, «первой» стороне; затем описанный выше цикл повторится снова. Если чашка с водой стоит на ровной горизонтальной поверхности, то колебания воды постепенно затухнут, то есть будет достигнуто состояние равновесия. Другое дело, если вы движетесь с чашкой в руке.

Цикл – вот корень проблемы. Если вы проведете тест с толканием чашек разных размеров, то увидите, что во всех случаях колебания поверхности жидкости происходят одинаково, но в узкой чашке они быстрее, чем в широкой. Обычно в полной чашке число колебаний поверхности жидкости, совершаемых за одну секунду (их частота), не меняется, сколь бы сильным ни был первоначальный толчок. Но количество колебаний зависит от чашки как таковой, причем самым главным параметром является ее радиус.

Существует противоречие между силой тяжести, направленной вниз и приводящей жидкость в состояние равновесия, и импульсом жидкости, который достигает максимальной величины, когда она переходит через точку равновесия. В большей чашке содержится больший объем жидкости, поэтому размах колебаний увеличивается, а каждый цикл продолжительнее. Особая частота колебаний, присущая каждой чашке, называется собственной частотой. Собственная частота – это частота колебаний поверхности жидкости в чашке, если эту чашку толкнуть, а затем позволить ей самостоятельно вернуться в состояние равновесия.

Я затратила немало времени на эксперименты с чашками у себя в кабинете. У меня есть одна маленькая чашка диаметром всего 4 сантиметра с изображением Ньютона на боковой поверхности. Вода в ней совершает примерно пять колебаний в секунду. Диаметр самой большой моей чашки 10 сантиметров. Вода в ней совершает примерно три колебания в секунду. Эта большая чашка – старая, дешевая и уродливая. Она никогда мне не нравилась, но я не выбрасываю ее потому, что иногда мне приходится запасаться большой порцией чая.

Когда я выхожу из комнаты для приема пищи с полной чашкой чая в руке и делаю пару быстрых шагов по коридору, я инициирую колебательный процесс в чашке. Чтобы добраться до кабинета, не расплескав по пути чай, мне нужно позаботиться о том, чтобы колебательный процесс не усиливался. В этом суть проблемы. Когда я иду по коридору, чашка с чаем слегка колеблется у меня в руке – и с этим ничего не поделаешь. Если частота этих колебаний совпадает с собственной частотой колебаний чая в чашке, то их амплитуда будет нарастать. Когда вы раскачиваете ребенка на качелях, вы подталкиваете качели в определенном ритме, который совпадает с ритмом раскачивания качелей, в результате чего размах раскачиваний увеличивается. То же происходит и с чаем. Это явление называется резонанс. Чем ближе внешнее подталкивание к собственной частоте колебаний чая в чашке, тем выше вероятность, что чай прольется на пол. Проблема всех людей, испытывающих жажду, заключается в излишней спешке и движении в ритме, близком к собственной частоте колебаний воды в «типичной» чашке. Чем быстрее вы шагаете, тем ближе ритм вашей ходьбы к собственной частоте колебаний воды в чашке. Короче говоря, эти соображения привели меня к мысли, что нужно просто уменьшить скорость ходьбы.

Однако поначалу такое решение показалось мне далеким от оптимального. А что, если я воспользуюсь маленькой чашечкой? Чай в ней будет колебаться слишком быстро даже для присущего мне быстрого темпа ходьбы. Поэтому вряд ли можно ожидать, что в такой чашке колебание чая при ходьбе усилится и он прольется на пол. Однако микроскопической порции чая, которую может вместить такая чашка, для меня явно недостаточно. Если же я воспользуюсь большей чашкой, то ритм моей ходьбы окажется очень близким к собственной частоте колебаний жидкости в чашке и чай прольется на пол, едва я успею сделать несколько шагов по коридору. Следовательно, единственно правильное решение – снизить скорости ходьбы, чтобы частота вызванных ею колебаний чашки оказалась гораздо меньше собственной частоты колебаний чая в чашке[45]. Я чувствую себя намного увереннее, проверив все самостоятельно, но в данном случае урок для меня заключался в том, что даже при наличии знаний и находчивости невозможно преодолеть зависимость физических явлений от фактора времени.

Всему, что раскачивается (колеблется, осциллирует), присуща собственная частота колебаний. Поправки вносит конкретная ситуация, а также связь между размером силы, обусловливающей возвращение в состояние равновесия, и скоростью, с которой оно происходит. Ребенок, раскачивающийся на качели, – один из примеров, наряду с маятником, метрономом, креслом-качалкой и камертоном. Когда вы катите тележку с покупками в супермаркете и она начинает раскачиваться в темпе, не соответствующем темпу вашей ходьбы, это объясняется лишь тем, что она раскачивается с собственной частотой колебаний. Большие колокола издают звуки низкой частоты, потому что, исходя из их размеров, им требуется больше времени на сдавливание, распрямление и повторное сдавливание. Именно этим обусловлено низкочастотное звучание таких колоколов. Мы получаем огромный объем информации о размерах объектов, прислушиваясь к их звучанию, в первую очередь к тональности испускаемых ими звуков.

Эти особые масштабы времени очень важны для нас, так как мы можем их использовать для управления теми или иными процессами в физическом мире. Если мы не хотим, чтобы амплитуда колебаний нарастала, нам нужно позаботиться о том, чтобы «подталкивание» системы не происходило на ее собственной частоте. Это похоже на мои эксперименты с чаем. Но если мы хотим, чтобы колебания продолжались без особых усилий с нашей стороны, то «подталкивание» системы должно происходить на ее собственной частоте. Этим пользуются не только люди, но и собаки.

Поза Инки выражает максимальную сосредоточенность и готовность. Все ее внимание сконцентрировано на теннисном мячике; она похожа на спринтера, ожидающего выстрела стартового пистолета. Когда я поднимаю вверх руку с мячиком, Инка напрягается, а когда бросаю мячик далеко вперед, она срывается с места и стремглав мчится за ним, вызывая в моем воображении картину сгустка безграничной энергии и энтузиазма. Пока собака несется по лужайке за мячиком, я продолжаю беседовать с ее хозяином, Кэмпбеллом. Инка не приносит брошенный мною мячик, потому что держит в зубах второй теннисный мячик, но, подбежав к нему, усаживается и «охраняет» его, пока мы с Кэмпбеллом не подойдем и не швырнем этот мячик еще дальше. После получаса таких пробежек Инка усаживается, энергично виляя хвостом по траве. Она часто дышит, свесив язык набок, и внимательно наблюдает за нами.

Я присаживаюсь на корточки и глажу ее по спине. От всей этой беготни собаке стало жарко. Разумеется, она не вспотела (собаки вообще не потеют), но ей хочется избавиться от лишнего тепла. Наблюдая за учащенным дыханием собаки, вам может показаться, что это ей дается нелегко. Создается впечатление, что она тратит при этом много энергии, что приводит к дополнительному перегреву. Парадокс, не правда ли! Инка с благодарностью принимает мои поглаживания, из ее раскрытой пасти свисает тонкая нитка слюны. После обычной утренней пробежки мне требуется какое-то время, чтобы восстановить нормальный ритм дыхания, но Инка мгновенно прекращает учащенно дышать. Она внимательно смотрит на меня своими большими карими глазами, и я задумываюсь, сколько еще времени ей нужно, чтобы восстановить силы и приступить к новому раунду погони за теннисными мячиками.

Самый эффективный способ избавиться от перегрева сводится к испарению воды. Именно поэтому мы потеем. На превращение жидкой воды в газ уходит очень много энергии, после чего газ улетучивается, унося с собой эту энергию. Поскольку собаки не потеют, они не вырабатывают на своей шкуре воду, которая могла бы испаряться, но в их носовом ходе имеется достаточно воды. Учащенное дыхание – не что иное, как проталкивание как можно большего количества воздуха сквозь влажный носовой ход, что позволяет максимально быстро избавиться от лишнего тепла. Словно решив продемонстрировать нам правильность такого вывода, Инка снова начинает учащенно дышать. Мне удается подсчитать, что каждую секунду она совершает примерно три вдоха-выдоха. Может сложиться впечатление, что это отнимает у нее немало сил, хотя на самом деле это не так. Легкие собаки ведут себя как генератор колебаний. Три вдоха-выдоха за секунду – самая эффективная для нее частота дыхания, так как соответствует собственной частоте легких собаки. Когда собака делает вдох, эластичные стенки ее легких расширяются, а спустя мгновение сжимаются с силой, достаточной для повторения дыхательного цикла. В тот момент, когда легкие возвращаются к нормальному, нерастянутому размеру, собака прилагает лишь минимальное усилие, чтобы инициировать очередной цикл их расширения-сжатия. Обратная сторона такого дыхательного процесса заключается в том, что, когда собака дышит так часто, она не успевает замещать воздух в глубине легких, поэтому в процессе дыхания фактически не успевает вдыхать необходимое количество дополнительного кислорода. (Именно поэтому собака не дышит так все время.) Но когда собаке нужно избавиться от лишнего тепла, она готова поступиться каким-то количеством нужного ей кислорода. Расширяя и сжимая легкие с наиболее подходящей для них частотой, собака прогоняет через свой нос максимально возможный для себя объем воздуха, прилагая для этого минимальные усилия. Таким образом, учащенное дыхание вырабатывает очень незначительное количество тепла по сравнению с теплом, которое собака теряет в процессе такого дыхания. Собака дышит через нос, однако ее пасть при этом широко открыта, потому что слюноотделение также охлаждает собаку. Испарение слюны помогает ей избавиться от какой-то части тепловой энергии. Учащенное дыхание снова останавливается, и Инка поглядывает на теннисный мячик. Достаточно лишь одного вопросительного взгляда на Кэмпбелла, чтобы игра возобновилась.

Собственная частота того или иного объекта зависит от его формы и материала, из которого он изготовлен. Но самый важный фактор – размер. Вот почему маленькие собачки дышат еще быстрее. Их легкие очень малы; соответственно, частота их расширения-сжатия существенно выше. Учащенное дыхание – очень эффективный способ избавления от лишнего тепла, если ваши размеры невелики. Но эффективность снижается по мере их увеличения. Возможно, именно этим объясняется то обстоятельство, что более крупные животные – в том числе люди – потеют (особенно если их тело не покрыто шерстью).

Каждому объекту присуща собственная частота, причем иногда таких частот может быть несколько, если возможны разные картины вибрации. Когда объекты увеличиваются в размерах, эти частоты обычно снижаются. Чтобы привести в движение очень массивный объект, требуется толчок значительной силы, но даже здание может вибрировать – правда, с очень-очень низкой частотой. Вообще говоря, здание может вести себя как метроном – наподобие маятника, перевернутого вверх тормашками (фундамент зафиксирован, а верхушка колеблется из стороны в сторону). Вверху скорость ветра выше, чем внизу, и этого вполне достаточно, чтобы придать высокому и узкому зданию нечто вроде толчка, который вызовет раскачивание здания с его собственной частотой. Если вам приходилось в очень ветреный день бывать на верхних этажах небоскребов, то вы, наверное, ощущали эти раскачивания. Один цикл такого раскачивания может занимать пару секунд. Те, кто в такие моменты находится внутри высотных зданий, испытывают не самые приятные ощущения, поэтому архитекторам приходится искать способы сократить раскачивания. Полностью избавиться от них невозможно, но можно по крайней мере изменить собственную частоту и гибкость зданий, чтобы сделать раскачивания менее заметными. Если вы вдруг почувствуете, что здание, в котором находитесь, раскачивается под напором ветра, не волнуйтесь – здание проектируют таким образом, что оно может несколько изгибаться, но это вовсе не означает, что оно рухнет.

Ветер бывает порывистым, но он не толкает здание в строго определенном ритме, который может совпасть с собственной частотой здания, поэтому его раскачивание происходит лишь с очень небольшой амплитудой. Но толчки, вызываемые землетрясением, приводят к распространению «ряби» по земной поверхности. Эти громадные волны расходятся от эпицентра землетрясения в виде концентрических кругов, медленно покачивая земную поверхность из стороны в сторону. Что происходит с высоким зданием в случае землетрясения?

Утром 19 сентября 1985 года Мехико-Сити пришел в движение. Тектонические пласты под Тихоокеанским побережьем, в 400 километрах от города, начали громоздиться друг на друга, вызывая землетрясение магнитудой 8 баллов по шкале Рихтера. В Мехико-Сити толчки ощущались на протяжении приблизительно трех-четырех минут. Этого оказалось достаточно, чтобы город превратился в груду развалин. В тот день, по некоторым оценкам, с жизнью попрощались около десяти тысяч человек, а инфраструктуре города был нанесен колоссальный урон. На восстановление города ушло несколько лет. Чтобы оценить масштаб ущерба, Национальное бюро стандартов США, а также Служба геологии, геодезии и картографии США направили в Мехико-Сити бригаду из четырех инженеров и одного сейсмолога. Согласно составленному ими подробному отчету, причиной беспрецедентных разрушений стало шокирующее совпадение частот.

Прежде всего Мехико-Сити расположен на вершине, состоящей из осадочных пород, которые сформировались на дне озера и заполняют впадину, образованную твердыми скальными породами. Устройства контроля за развитием землетрясения показывали замечательные регулярные волны с единой частотой, хотя обычно у импульсов землетрясения гораздо более сложный характер. Оказалось, что особое геологическое строение осадочных пород озера придало им определенную собственную частоту колебаний, в результате чего они усиливали любые волны длительностью примерно две секунды. Впадина, заполненная осадочными породами, на которых был построен Мехико-Сити, на короткое время превратилась в столешницу, вибрирующую практически с неизменной частотой.

Усиление наблюдаемых колебаний оказалось значительным. Но при анализе конкретных повреждений инженеры обнаружили, что количество этажей у большинства разрушенных или сильно поврежденных зданий находилось в диапазоне от пяти до двадцати. Более высокие или, наоборот, низкие здания (а таких в городе было немало) практически не пострадали. Инженеры пришли к выводу, что собственная частота землетрясения почти совпадала с собственной частотой зданий средней этажности. Подвергаясь воздействию длительных регулярных толчков землетрясения, практически совпадающих с собственной частотой таких зданий, они начинали вибрировать, подобно камертонам, и в конце концов не выдержали напора стихии.

В наши дни архитекторы очень серьезно относятся к вопросу «настройки» собственной частоты проектируемых зданий. В Тайбэе 101 – 509-метровом небоскребе на Тайване, который в период с 2004 по 2010 год был самым высоким зданием на планете, – самой большой популярностью среди туристов пользовались смотровые галереи на этажах с 87-го по 92-й. В этой части здания нет офисов и подвешен 660-тонный сферический маятник, выкрашенный «под золото» – очень замечательная и чрезвычайно практичная вещь. Этот необычный маятник не только привлекает туристов, но и повышает устойчивость здания к землетрясениям. Его техническое название – настраиваемый амортизирующий груз. Идея маятника заключается в том, что во время землетрясений (рядовое событие на Тайване) здание и маятник раскачиваются независимо друг от друга. Когда начинается землетрясение, здание клонится в одну сторону и тянет за собой сферический маятник. Но к тому времени, когда маятник сместится в том же направлении, здание уже клонится в другую сторону и тянет сферический маятник обратно. Таким образом, сферический маятник всегда тянет в сторону, противоположную стороне наклона здания, в результате чего амплитуда его раскачиваний уменьшается. Размах раскачиваний сферического маятника составляет 1,5 метра в том и другом направлении, а его использование позволяет сократить раскачивание здания примерно на 40 %[46]. Люди, находящиеся в здании, чувствовали бы себя намного комфортнее, если бы оно вообще не раскачивалось. Но землетрясения выводят здания из состояния равновесия и раскачивание неизбежно. Архитекторы не в состоянии его полностью предотвратить, но могут кое-что предпринять для его максимально возможного гашения. У обитателей здания нет иного выбора, кроме как усесться поудобнее, ухватиться за поручни своих кресел и ждать окончания землетрясения.

Физический мир всегда стремится к состоянию равновесия. Этот фундаментальный физический закон известен как Второй закон термодинамики. Но нигде не сказано о том, как быстро физический мир должен туда добраться. Каждое новое «впрыскивание» энергии отдаляет физический мир от состояния равновесия, прикрывает ворота и вынуждает процесс начинаться сначала. Само существование жизни возможно лишь потому, что она использует эту систему для регулирования энергии путем управления скоростью потока в направлении равновесия.

Растения – по-прежнему неизменные спутники моей жизни, хотя сейчас я и живу в большом городе. Из кухни я могу наблюдать, как яркий солнечный свет падает на рассаду салата-латука, землянику и травы, растущие у меня на балконе. Солнечный свет, попадающий на деревянную обшивку, поглощается деревом, которое нагревается, и это тепло в итоге постепенно рассеивается через воздух и стены здания. Равновесие достигается довольно быстро, и на этом пути ничего особенного не происходит. Но солнечный свет, попадающий на листья кориандра, оказывается на небольшой химической фабрике. Вместо того чтобы преобразовываться непосредственно в тепло, он направляется на обслуживание процесса фотосинтеза. Растение использует солнечный свет, чтобы вывести молекулы из состояния равновесия, и поэтому приберегает энергию солнечного света для своих потребностей. Управляя простейшим путем назад к равновесию, механизм растения применяет эту энергию поэтапно, для создания молекул, которые ведут себя как химические батареи, а затем использует их для преобразования двуокиси углерода и воды в сахара. Это похоже на фантастически сложную систему каналов переноса энергии, содержащую множество ворот шлюзов, обходных маршрутов, водопадов и водяных колес, а поток энергии контролируется путем изменения скорости прохождения каждого участка. Вместо того чтобы продвигаться беспрепятственно вниз, энергию заставляют строить на этом пути сложные молекулы. Они не пребывают в равновесии, но растение может запасать их до тех пор, пока ему не понадобится их энергия, а потом направляет их туда, где они могут сделать следующий шаг в сторону равновесия, затем – следующий шаг и т. д. Пока солнечный свет попадает на листья кориандра, он поставляет энергию, поддерживающую эту фабрику в действии, постоянно выполняющей очередные шаги по направлению к равновесию каждый раз, когда впрыскивание энергии приводит в движение ворота шлюза. В конце концов, я съем кориандр, и это впрыснет энергию в мою систему. Я использую ее, чтобы вывести собственный организм из равновесия, и пока буду потреблять пищу, система не сможет за мной угнаться. Равновесие не будет достигнуто. Но я сама решаю, когда мне есть, а мой организм решает, когда использовать эту энергию, причем все это осуществляется путем управления воротами шлюза.

Размышляя над тем, что представляет собой жизнь на Земле, не перестаешь удивляться отсутствию единого определения того, что же это такое. Когда мы видим то или иное проявление жизни, мы это понимаем, но живой мир всегда готов предъявить нам какое-либо исключение из любого простого правила. Одно из определений гласит, что жизнь – это поддержание неравновесного состояния и использование этой ситуации для строительства сложных молекулярных фабрик, способных воспроизводить себя и развиваться. Жизнь – это то, что может управлять скоростью прохождения энергии по соответствующей системе, манипулируя этим потоком для самоподдержания. Ничто из пребывающего в равновесии не может быть живым. А это означает, что концепция неравновесности фундаментальна для двух величайших загадок нашего времени. Как зародилась жизнь? И есть ли она еще где-либо во Вселенной?

В настоящее время ученые полагают, что жизнь могла зародиться в морских расселинах 3,7 миллиарда лет тому назад. Внутри расселин находилась теплая щелочная вода. Снаружи океанская вода была более холодной и слабокислой. Когда они смешивались между собой на поверхности расселины, достигалось состояние равновесия. Складывается впечатление, что ранняя форма жизни, возможно, зародилась, остановившись на середине пути к равновесию и исполняя роль привратника. Поток в сторону равновесия был направлен на строительство первых биологических молекул. Эта первая застава могла впоследствии превратиться в клеточную мембрану – городскую стену вокруг каждой клетки, отделяющую ее внутреннюю часть, где протекает жизнь, от окружающего мира, где жизни нет. Первая клетка оказалась успешной, поскольку ей удалось сдержать равновесие и стать порталом в восхитительную сложность нашего живого мира. То же, наверное, справедливо и для других миров.

Не исключено, что где-то во Вселенной еще есть жизнь. Ведь на небе столько звезд, других планет и так много разных условий для ее зарождения, что насколько бы сложными они ни были, они вполне могли сложиться в других местах Вселенной. Но то, что представители внеземных цивилизаций решат сообщить нам о своем существовании, отправив в сторону Земли радиосигнал, маловероятно. Не говоря уже обо всем остальном. Космос настолько необъятен, что к моменту, когда какой-либо радиосигнал достигнет нашей планеты, цивилизация, которая его отправила, наверняка уже прекратит свое существование. Однако вполне возможно, что само по себе наличие жизни на какой-то планете может обусловливать передачу сигналов в космос – совершенно непреднамеренно. На вершине горы Мауна-Кеа на Гавайях построена целая система телескопов. Их пара огромных белых сферических куполов, стоящих рядом друг с другом, напомнила мне глаза гигантской лягушки, пристально всматривающейся в космос. Это знаменитая обсерватория Кека. Возможно, именно эти гигантские «глаза» заметят первые признаки жизни за пределами нашей Солнечной системы. Когда планеты других солнечных систем пересекают обращенные к нам стороны далеких звезд, вокруг которых эти планеты вращаются, свет звезды проникает сквозь атмосферу планеты и атмосферные газы оставляют на нем свой отпечаток. Телескопы обсерватории Кека фиксируют эти отпечатки и вскоре, возможно, им удастся обнаружить атмосферы, не пребывающие в равновесии. Наличие определенного количества кислорода, соответствующего количества метана… Их присутствие может указывать на существование жизни на планете и изменять баланс ее мира, когда он пытается выскользнуть из смертельных объятий равновесия. Такая информация еще не дает нам полной уверенности, что на далекой планете есть жизнь, но по крайней мере мы располагаем свидетельствами существования чего-то такого, что способно управлять скоростью движения в сторону равновесия, формируя при этом живые организмы, которые нам не дано никогда увидеть.

Глава 5. Пускаем волны

От воды до Wi-Fi

Находясь на берегу моря, почти невозможно долгое время стоять спиной к воде, иначе возникает ощущение какой-то противоестественности. И объясняется это не только тем, что вы упускаете возможность насладиться величественным зрелищем, но и тем, что, отвернувшись от моря, вы можете не заметить сюрпризов (в том числе и неприятных), которые оно готовит для вас. Я подметила, что чувствуешь себя гораздо спокойнее и увереннее, когда наблюдаешь границу между морем и землей, которая непрерывно обновляется и трансформируется. Когда я проживала в городе Ла-Холья (или Ла-Хойя – в зависимости от того, на английский или испанский манер произносится это название) в Калифорнии, я любила прогуляться под вечер к океану, посидеть на каком-нибудь валуне и понаблюдать за волнами на фоне солнечного заката. В каких-нибудь ста метрах от берега они были длинными и низкими, и увидеть их было нелегко. Но по мере приближения к берегу они становились круче и заметнее и разбивались в конце концов о берег. Я могла часами сидеть на берегу, наслаждаясь видом все новых и новых волн.

Волна – это то, что каждый из нас распознает без труда, но описать ее довольно сложно. Волны у морского побережья представляют собой бесконечную последовательность водных гребней, волнистую форму на водной поверхности, которая перемещается откуда-то оттуда куда-то сюда. Мы можем измерить их, оценив расстояние между следующими друг за другом пиками волн и высоту самих пиков. Водяная волна может быть такой же маленькой, как мелкая рябь, возникающая на поверхности чая, когда вы дуете на него, чтобы охладить, или настолько большой, что способна накрыть корабль средних размеров.

Но у волн есть одна весьма необычная особенность, заметить которую мне помогли пеликаны, живущие в Ла-Холья. Коричневые пеликаны селятся вдоль побережья и имеют такой допотопный вид, как будто проникли в наше время сквозь пространственно-временные туннели из далекой эпохи, отделенной от нас несколькими миллионами лет. У них смешные длинные клювы, которые они обычно прижимают к телу. Можно часто наблюдать, как небольшие группы этих любопытных птиц величаво парят над волнами параллельно берегу. Время от времени они бесцеремонно плюхаются на водную поверхность. И после этого происходит самое интересное: волны, на которых покачиваются пеликаны, движутся в сторону берега, но птицы остаются на месте.

Оказавшись в следующий раз на берегу моря, понаблюдайте за волнами, которые катятся в вашу сторону, и за птицами, усевшимися на водную поверхность[47]. У них совершенно безмятежный вид. Они сидят на волнах, катящихся под ними, то поднимаясь, то опускаясь, но их положение по отношению к берегу не меняется[48]. О чем это говорит? Что вода как таковая остается на месте. Волны движутся, но среда, на которой они образуются – то есть вода, – неподвижна. Волна не может быть статичной: механизм ее создания работает, только если эта форма движется. Таким образом, волны всегда движутся. Они переносят энергию (поскольку ее нужно затратить, чтобы придать воде форму волны и вернуть ее в исходное состояние), но не «материю». Волна – это регулярная подвижная форма, переносящая энергию. Полагаю, именно поэтому (по крайней мере частично), сидя на берегу и всматриваясь в морскую даль, человек успокаивается, отдыхая душой и телом. Я могла видеть, как волны непрерывно доставляют энергию к берегу, а сама по себе вода остается на месте.

Волны бывают разных типов, но некоторые базовые принципы относятся к ним всем. У звуковых волн, издаваемых дельфином, волн на поверхности воды от брошенного камушка и световых волн, исходящих от далекой звезды, много общего. В наши дни человек не только реагирует на волны, посылаемые ему природой. Мы также вносим свой, подчас очень сложный вклад в столпотворение волн вокруг нас, и он соединяет множество элементов нашей цивилизации, разбросанных по планете. Но современным людям, осознанно использующим волны для укрепления культурных связей, не принадлежит пальма первенства. Эта история началась несколько столетий тому назад посреди гигантского океана.

Король, скользящий по волнам на доске, – картина по современным меркам более чем странная. Но 250 лет тому назад на Гавайях у каждого короля, королевы, правителя и правительницы была собственная доска для серфинга, а мастерство катания на ней составляло предмет особой гордости царствующих персон. Для гавайской элиты изготавливались специальные длинные узкие доски «Оло», тогда как простые смертные довольствовались более короткими и маневренными «Алайя». Соревнования были центральным сюжетом многих гавайских историй и легенд[49]. Когда вся ваша жизнь протекает на тропическом острове с восхитительной природой, окруженном глубоким синим океаном, формирование культуры на основе всего, что связано с морем, представляется вполне естественным. Но гавайским первопроходцам серфинга повезло больше, чем жителям других тихоокеанских островов: волны, образующиеся возле Гавайских островов, были «правильными», то есть как нельзя лучше подходили для катания на доске. Эта небольшая островная нация, обитающая посреди безбрежного океана, волею судеб обрела идеальное местоположение. География и физика Гавайских островов отфильтровала все океанские сложности, а короли и королевы скользили по результатам этой фильтрации.

В то время как в безветренные дни гавайцы возносили молитвы своим богам, упрашивая их поднять океанские волны до высоты, пригодной для полноценного серфинга, за тысячи километров от этих мест океан мог выглядеть совершенно иначе. Ветры могучих штормов обрушивались на его поверхность и передавали свою энергию воде, на которой образовывались высокие волны. Но волны, порождаемые штормами, это беспорядочная смесь коротких и длинных волн, движущихся в разных направлениях, сталкивающихся друг с другом, разбивающихся и перестраивающихся. Зимние штормы регулярно свирепствуют на широте примерно 45°, поэтому они возникают либо к северу от Гавайских островов, когда зима наступает в Северном полушарии, либо к югу от Гавайских островов, когда зима наступает в Южном полушарии. Но волны должны куда-то двигаться. Когда ураганные ветры обрушиваются на океанскую поверхность, участок океана, охваченный сильным волнением, расширяет свои границы за пределы урагана – в места, куда не достает шторм. И здесь может начаться сортировка: проявляется истинная природа нагромождения волн, на первый взгляд кажущегося беспорядочным. На самом деле это вовсе не хаос, а совокупность волн разного типа, смешанных друг с другом. Более длинные волны движутся быстрее, чем короткие, поэтому и уходят быстрее, существенно опережая своих меньших собратьев. Но в процессе движения волне приходится кое-что терять. Она постепенно отдает энергию своему окружению, причем ее количество в расчете на каждую милю пройденного пути больше у коротких волн. Следовательно, короткие волны не только уступают в скорости длинным, но и теряют больше энергии. Так что неудивительно, что им требуется не так уж много времени, чтобы полностью исчезнуть. За тысячи километров от центра шторма спустя несколько дней движутся лишь самые длинные волны с гладкими регулярными гребнями, распространяясь концентрическими окружностями по всей планете.

Таким образом, первое преимущество Гавайев – в достаточном удалении от мест, где регулярно штормит, поэтому островитяне наблюдают лишь последствия ураганов в виде остаточных гладких, аккуратных длинных волн. Второе преимущество – Тихий океан очень глубокий, а вулканические края Гавайских островов непомерно крутые. Волны перемещаются по поверхности океана, практически не встречая препятствий на своем пути, и внезапно наталкиваются на крутые склоны. При этом вся энергия, которая была рассредоточена по огромной глубине, становится более концентрированной на мелководье, в результате чего высота волн увеличивается. Стоя на берегу, гавайцы ждут последнего вздоха этих медлительных монстров. Перед тем как выкатиться на идеальный песчаный пляж, волны становятся очень крутыми, что и требуется королям и королевам, вооружившимся своими длинными узкими досками «Оло».

Водяные волны – пожалуй, первые, с которыми сталкивается большинство людей на протяжении жизни. То, на чем покачивается утка, представить и понять не так уж сложно. И хотя волны бывают разных типов, к ним ко всем применимы одни и те же физические принципы. Все волны характеризуются той или иной длиной, то есть расстоянием между гребнями соседних волн. Поскольку волны движутся, всем им также свойственна определенная частота, а именно сколько раз в секунду они проходят полный цикл (от гребня до впадины и обратно до гребня). Кроме того, все волны имеют определенную скорость, но некоторые (например, водяные волны) движутся с разными скоростями, зависящими от длины волны. Проблема с большинством волн заключается в том, что мы не видим, что именно их создает. Звуковые волны движутся в воздухе и представляют собой компрессионные волны: вместо формы, перемещающейся в пространстве, происходит передача давления. Труднее всего вообразить световые волны, которые движутся через электрические и магнитные поля. Но несмотря на то что мы не способны видеть электричество, мы можем наблюдать эффекты, порождаемые волновой природой света[50].

Одна из главных причин, почему волны интересны и полезны, заключается в том, что среда, через которую они проходят, зачастую изменяет их. К тому моменту, когда мы сможем увидеть, услышать или иным способом обнаружить волну, она становится кладезем бесценной информации, поскольку несет на себе отпечаток среды, сквозь которую проходила. Но этот отпечаток формируется относительно простыми способами. Есть три основные вещи, которые могут произойти с волной в процессе прохождения той или иной среды: волна может отразиться, или преломиться, или поглотиться.

Если вы обратите внимание на ассортимент рыбного отдела супермаркета, то увидите в основном рыб серебристых оттенков. Исключение из правила – тропические рыбы, такие как барабулька обыкновенная и красный люциан, а также рыбы, обитающие в придонных глубинах, вроде морского языка и камбалы. Но в основном вы видите рыбу, которая перемещается в открытом океане крупными косяками, например сельдь, сардины и макрель. Серебристый оттенок интересен тем, что в действительности это вовсе не цвет. «Серебристый» – просто слово, которым мы обозначаем то, что служит трамплином для света, отбрасывающим его обратно в мир. Отражаться могут любые волны, и почти все материалы в той или иной степени отражают свет. Особенность серебра в том, что оно отражает все волны без разбора. Любой цвет «обрабатывается» одинаково, без исключений. Наиболее хорошо это удается отполированному металлу. И это свойство полезно в связи с тем, что угол падения света на поверхность равен углу его отражения от этой поверхности. Если взять какое-либо изображение и воспользоваться зеркалом, которое отразит его в другом направлении, то относительные углы всех лучей света останутся теми же. Чтобы получить идеальное изображение, нужно идеально отполировать металл, а это нелегко, именно поэтому люди испокон веков очень высоко ценили зеркала. Тем не менее серебристый оттенок рыбы воспринимается нами как нечто само собой разумеющееся. Однако он объясняется вовсе не наличием металла. Чтобы приобрести такой оттенок, рыбам пришлось сформировать структуры, которые позволяют получить его с помощью органических молекул. Это довольно сложный и, следовательно, недешевый эволюционный процесс. Если вы сельдь, то зачем вам это нужно?

Сельдь ходит по морю косяками, питаясь крошечными созданиями, похожими на креветок, и надеясь избежать встречи с большими хищниками: дельфинами, тунцом, треской, китами и морскими львами. Но океаны – огромные пустынные пространства, где негде спрятаться. Единственный выход – стать невидимым или хотя бы замаскироваться, чтобы быть менее заметным на фоне окружающей среды. Может, рыба должна иметь голубоватый оттенок, чтобы слиться с цветом морской воды? Проблема в том, что цвет морской воды непостоянен и зависит от времени суток, а также ряда других факторов. Но, чтобы выжить, сельдь должна как можно меньше отличаться от окружающей ее воды. Именно поэтому она превращается в некое подобие плавающих зеркал: пустой океан позади косяка сельди выглядит точно так же, как и перед косяком. Сельдь, как и высококачественное алюминиевое зеркало, может отражать 90 % падающего на нее света. Отражая световые волны обратно в глаза потенциальных хищников, сельдь может плыть, прикрываясь своего рода щитом, созданным из света.

Впрочем, отражение далеко не всегда идеально. Зачастую объект отражает лишь часть света. Но оно чрезвычайно полезно, когда два объекта находятся рядом друг с другом и мы хотим их отличить. Тот, который отражает синий свет, – это моя чашка, а тот, который отражает красный, – чашка моей сестры. Таким образом, отражение играет важную роль при падении волны на ту или иную поверхность. Однако это не единственное, что может произойти, когда на пути волны возникает граница. Преломление (рефракция) может влиять на волны более «тонким» способом, изменяя направление их движения.

Когда какая-то гавайская королева стояла на вершине скалы, окидывая взором побережье и наблюдая за формированием волн прибоя, она могла заметить, что хотя волны из открытого океана каждый день движутся в сторону острова с какого-то другого направления, в том месте, где они достигают берега, они всегда ему параллельны. Волны не могут подходить к берегу сбоку, в какую бы сторону он ни был обращен. Это объясняется тем, что скорость волн зависит от глубины воды, а волны на больших глубинах движутся быстрее. Вообразите длинный прямой берег и приближающийся к нему гребень волны с направления, отклоняющегося слегка влево от перпендикуляра к линии берега. Правая половина гребня волны расположена дальше от берега, то есть находится на большей глубине. Следовательно, она перемещается быстрее, догоняя половину волны, расположенную ближе к берегу. Таким образом, по мере приближения к берегу гребень всей волны слегка поворачивается против часовой стрелки и накатывается на берег параллельно ему. Таким образом, вы можете изменить направление движения волны, изменяя скорость каких-то частей ее гребня относительно других его частей. Это явление называется рефракцией.

Легко представить себе изменение скорости водяной волны, но как быть со светом? Физики обычно говорят о «скорости света». Это невообразимо высокая скорость и принципиально важный элемент самого знаменитого научного наследия Эйнштейна: специальной теории относительности и общей теории относительности. Открытие существования постоянной «скорости света» произвело настоящий фурор в научном мире, хотя многим было трудно понять и принять этот факт. Но вы, наверное, удивитесь, узнав, что никогда в жизни не встречали световые волны, движущиеся со скоростью света. Даже вода ее замедляет. Вы сами можете убедиться в этом с помощью монетки и чашки.

Положите монету плашмя на дно чашки так, чтобы она касалась ближней к вам стенки чашки. Затем наклоняйте чашку в противоположную от себя сторону до тех пор, пока край чашки не скроет от вас монету. Свет движется по прямой, но сейчас нет прямой линии, которая соединяла бы ваши глаза и монетку. Теперь, не изменяя положения своей головы и чашки, наполните чашку водой. Монетка снова появится в поле вашего зрения. Ее положение не изменилось, но отражающийся от нее свет изменил направление после выхода из воды и теперь может попасть на сетчатку вашего глаза. Это косвенная демонстрация того, что вода замедляет скорость света. Попадая в воздух, свет снова ускоряется, а световая волна, пересекая границу между водой и воздухом, изгибается под определенным углом. Это явление называется преломлением, или рефракцией, и происходит не только на границе воды и воздуха: любая среда, через которую проходит свет, замедляет его – но в разной степени. Говоря о «скорости света», мы подразумеваем скорость света в вакууме, то есть в пустоте. Вода замедляет скорость света до 75 % от его скорости в вакууме; стекло – до 66 %. В бриллианте свет движется со скоростью, составляющей лишь 41 % от его скорости в вакууме. Чем больше замедляется скорость света в том или ином материале, тем больше свет отклоняется на границе с воздухом. Вот почему бриллианты сверкают сильнее, чем большинство других драгоценных камней: они гораздо больше замедляют свет[51]. И это отклонение – единственная причина, по которой вы можете видеть стекло, воду или бриллианты. Сами по себе эти материалы прозрачны, поэтому мы не можем видеть их непосредственно. В действительности мы видим, как нечто воздействует на свет, проходящий сквозь него, и интерпретируем это «нечто» как прозрачный объект.

Возможность созерцать бриллианты доставляет удовольствие уже сама по себе (особенно тем, кто может себе позволить их покупку), но рефракция – не только источник эстетического наслаждения. Если бы не она, у нас не было бы линз. А линзы открыли человечеству огромный пласт науки. Без линз не появились бы микроскопы, позволяющие исследовать эмбрионы и клетки, из которых мы состоим, телескопы для исследования космоса и фото- и видеоаппаратура, фиксирующая интересующие нас процессы. Если бы световые волны всегда двигались со скоростью света, у нас бы всего этого не было. Мы буквально купаемся в световых волнах, и они все время отражаются и преломляются, ускоряются и замедляются при прохождении через те или иные среды. Подобно хаосу в шторм на поверхности океана, перекрывающиеся между собой световые волны разной длины движутся рядом с нами во всевозможных направлениях. Но отбирая и преломляя, отфильтровывая одни волны и замедляя другие, наши глаза упорядочивают лишь малую долю этого света таким образом, чтобы он мог приносить нам какую-то пользу. Гавайская королева, стоя на прибрежной скале, наблюдает водяные волны с помощью световых волн, причем оба вида волн подчиняются одним и тем же физическим законам.

Замечательно, если какие-то световые волны, отразившись или преломившись, попали на сетчатку вашего глаза, в результате чего вы смогли увидеть те или иные объекты. А как насчет световых волн, не достигших ваших глаз?

Я давно заметила одну небольшую странность: если вы дадите ребенку набор цветных карандашей и попросите его нарисовать воду, вытекающую из водопроводного крана, он обязательно изобразит ее голубой. Но вряд ли кто-то из нас видел голубую воду, вытекающую из крана. Она должна быть бесцветной. Если же у такой воды голубоватый цвет, срочно обратитесь к водопроводчику: в нее наверняка попадают вредные примеси и она непригодна для питья. Но вода на детских рисунках всегда голубого цвета.

На спутниковых снимках Земли океаны имеют явно выраженный голубоватый цвет. И это не потому, что морская вода соленая: на вершинах ледников встречаются небольшие озера, образованные талой водой, практически лишенной солей, но они тоже потрясающе голубого цвета, будто в них специально добавили пищевой краситель. Но в местах, где талая вода стекает с ледника в озеро, она бесцветна. Стало быть, цвет воды определяется не ее содержимым, а количеством.

Световые волны, падающие на водную поверхность, либо отражаются обратно в небо, либо проникают глубоко в толщу воды. Но иногда какая-нибудь крошечная частица или даже сама вода создает препятствие на пути световых волн, отражая их в каком-то другом направлении. Такое перенаправление может многократно произойти с одной и той же световой волной, в результате чего она в итоге отражается обратно в воздух. На этом длинном пути вода отфильтровывает свет. Световые волны, исходящие от Солнца, представляют собой сочетание волн разной длины, в котором присутствуют все цвета радуги. Но вода может поглощать свет, причем какие-то цвета она поглощает гораздо интенсивнее, чем другие. Первым отфильтровывается красный цвет: достаточно буквально нескольких метров воды, чтобы свет полностью избавился от красной составляющей. Еще несколько десятков метров понадобится для того, чтобы лишить свет желтой и зеленой составляющих. Хуже всего поглощается голубой цвет – он может проникать на огромную глубину. И к тому времени, когда отразившийся свет выберется на поверхность океана, в нем в основном останется голубая составляющая. Таким образом, бесцветность воды, вытекающей из крана, объясняется тем, что ее количества недостаточно, чтобы отфильтровать все составляющие солнечного света, кроме голубого цвета. Впрочем, у воды из крана есть цвет – причем такой же, как у всей воды на планете. Но он настолько слабый, что вам понадобилось бы собрать огромное количество такой воды, чтобы заметить эффект, оказываемый ею на проходящие сквозь нее световые волны[52]. Когда вы наблюдаете такой эффект собственными глазами, это производит впечатление, и выбор голубого карандаша для изображения воды кажется вполне естественным. Но если бы жизненный опыт ребенка сводился лишь к использованию воды из водопроводного крана, то выбор голубого карандаша был бы отнюдь не очевидным.

Таким образом, при прохождении через ту или иную среду световые волны могут ею поглощаться. Происходит очень медленный процесс отъема энергии волны – одна микроскопическая порция энергии за другой. Величина энергии, потерянной при прохождении через среду, зависит от типа и длины волны. Вся эта изменчивость свидетельствует не только об огромном разнообразии действий, производимых волнами, но и о том, как много они могут нам рассказать. Некоторые из контрастов, порождаемых этим разнообразием, можно увидеть и услышать во время одного из моих любимых атмосферных явлений – грозы.

Гроза – величественное зрелище, драматическое напоминание о том, что воздух – это нечто гораздо большее, чем «невидимый наполнитель для неба». В земной атмосфере содержится огромное количество воды и энергии. Обычно эти субстанции медленно перемещаются в атмосфере и ведут себя спокойно. Могучее грозовое облако формируется при необходимости изменить баланс в атмосфере, поскольку мирных перемещений в ней уже недостаточно. Система запускается, когда подвижный, теплый, влажный воздух вблизи земли устремляется вверх, смешиваясь там с более холодными воздушными массами и неся с собой огромные количества энергии. В центре обширного облака горячий и влажный воздух быстро поднимается вверх, смешиваясь с атмосферными слоями над ним и образуя большие дождевые капли. Самый драматический момент этого процесса состоит в том, что такое перемешивание приводит к разделению электрических зарядов и их сосредоточению в разных частях облаков. Эти заряды накапливаются до тех пор, пока близлежащие облака или сама Земля не примут на себя удар гигантских импульсов электрического тока, отводя в сторону избыточный электрический заряд. Каждая вспышка молнии длится не дольше миллисекунды, но раскаты грома разносятся на многие десятки километров. Я обожаю гром и молнии за возникающие при этом театральные эффекты, а также за то, что они помогают нам лучше разобраться в механизмах грозы. Гроза порождает противоположности, ни в какие другие моменты не встречающиеся в природе: резкая вспышка молнии, контрастирующая с тяжелыми и продолжительными раскатами грома. Но то и другое – замечательные примеры разнообразия волн.

Вспышка молнии кратковременна. Электрическое соединение создается нагретым до очень высокой температуры каналом в атмосфере, тянущимся от грозового облака до Земли или, возможно, какого-то другого облака. Этот канал – некое подобие коридора, заполненного молекулами, которые разрушились под воздействием движущейся через них энергии. За очень короткое время температура в таком канале может достичь 50 000 ℃, в результате чего он принимает вид ослепительного бело-голубого рваного шнура. В разные стороны от канала расходится гигантский импульс световых волн, заполняющих собой все окружающее пространство, но движется он с такой огромной скоростью, что свечение пропадает практически мгновенно. Когда канал, по которому переносится электрический ток, нагревается до столь высоких температур, он резко расширяется, причем так быстро, что давление, оказываемое при этом на окружающий воздух, принимает характер удара. Этот гигантский импульс давления вслед за светом расходится в воздухе кругами во все стороны, но гораздо медленнее. Эти звуковые волны и есть раскаты грома. Мы знаем, что молния всегда сопровождается вспышкой и громовыми раскатами.

Самое важное, что нужно знать о волне, что это один из способов передачи энергии, но без необходимости перемещать воздух, воду или какую-либо иную среду, в которой движутся волны. Это означает, что в нашем мире волны могут легко перемещаться в разных средах, производя при этом всевозможные интересные и даже полезные эффекты, но не приводя к каким-либо разрушительным последствиям. Удар молнии высвобождает огромную энергию, а световые и звуковые волны могут переносить ее часть на значительные расстояния. Несмотря на то что в процессе прохождения волн в воздушной среде сам по себе воздух не перемещается, происходит передача огромных количеств энергии. Свет и звук – разные типы волн, но на них действуют одни и те же базовые физические принципы. Например, и свет, и звук могут изменяться под воздействием среды, в которой они перемещаются. В случае грома мы можем непосредственно слышать, что происходит с волнами.

Я предпочитаю находиться на расстоянии примерно пары километров от места удара молнии. Как только вспышка молнии просигнализирует о том, что звуковая волна уже движется в мою сторону, я рисую в своем воображении, как гигантские концентрические круги давления распространяются во всех направлениях. Глядя на окружающий меня ландшафт, я, конечно, не могу их видеть, но требуется лишь несколько секунд, чтобы первый раскат грома достиг моих ушей. Эти звуковые волны распространяются в воздухе со скоростью примерно 340 метров в секунду (более 1200 км/ч), то есть на прохождение одного километра звуковой волне понадобится примерно 3 секунды. Раскат грома подобен первоначальному звуку, возникающему в момент резкого расширения канала, по которому переносится электрический ток молнии; этот звук рождается где-то у поверхности земли. Однако у раскатов грома есть особенность, которая не позволяет спутать их с другими звуками: после первого раската грома звук слышится с места, расположенного несколько выше того, откуда донесся первый звук. Сначала второй звук ничем не отличается от первого, но ему понадобилось больше времени, чтобы меня достичь, поскольку он зародился не у самой земли, а несколько выше, в результате чего ему приходится преодолевать большее расстояние. Затем, когда гром продолжает грохотать, я слышу звуки, доносящиеся со все большей и большей высоты, хотя их породила одна и та же молния. Если требуется примерно шесть секунд, чтобы первый раскат грома достиг моих ушей (напоминаю, что я нахожусь на расстоянии примерно пары километров от места удара молнии), то, чтобы услышать звук той же молнии, образовавшийся на высоте пары километров, понадобятся еще две с половиной секунды. Эти звуковые волны сгенерированы практически одновременно, но на разных высотах. А это означает, что я могу наблюдать, как атмосфера воздействует на них. Разница между звуковыми волнами (раскатами грома), порожденными одной и той же молнией, заключается в том, что они проходят разные расстояния, прежде чем достигнут моих ушей. В результате звуки самой высокой тональности, первый раскат грома, затухают очень быстро, поскольку волны более высоких частот интенсивно поглощаются атмосферой, тогда как низкочастотные затухают медленно и глухие раскаты грома звучат довольно долго. Чем больше времени с момента появления вспышки молнии, тем большие расстояния преодолевают слышимые мною звуковые волны, тем ниже и ниже становится в целом тон этих звуков, потому что высокочастотные составляющие уже поглощены воздухом, тогда как низкочастотные все еще продолжают звучать. Если вы находитесь достаточно далеко от места удара молнии, воздух поглотит все звуки и они никогда не достигнут ваших ушей. Но радиус действия световой вспышки, возникающей при ударе молнии, намного больше: световые волны гораздо слабее поглощаются воздухом, чем звуковые. Правда, перемещаясь в нашем мире, они могут изменяться другими способами.

В каком-то смысле волны очень просты. После возникновения волны она начинает куда-то двигаться. Прекращение движения означает конец ее существования. О каких бы волнах ни шла речь – звуковых, океанских или световых, – они могут отражаться, преломляться или поглощаться средой, в которой движутся. Вся наша жизнь проходит посреди этого сложного переплетения волн. Анализируя его, мы получаем представление о своем окружении. Наши глаза и уши настроены на происходящие вокруг нас колебания, которые являются носителями двух очень важных «предметов потребления»: энергии и информации.

В пасмурный холодный зимний день поджаренный, хрустящий, аппетитный ломтик хлеба способен значительно поднять настроение. Единственная проблема – это удовольствие не находится «на расстоянии вытянутой руки», тост еще нужно приготовить, а для этого требуется время. Обычно я ставлю на огонь чайник, затем кладу ломтик хлеба в тостер, а потом начинаю нетерпеливо мерить шагами кухню в ожидании, пока мое любимое лакомство будет готово. Сполоснув кипятком чашку и заварочный чайник и расчистив на кухонном столе место для трапезы, я заглядываю в тостер, чтобы выяснить, на какой стадии находится приготовление тоста. Вообще, тостеры нравятся мне потому, что позволяют непрерывно контролировать процесс, убеждаясь в том, что нагревательные элементы накалились докрасна. Они не только нагревают воздух, контактирующий с ними, но и излучают световую энергию. И это сияние служит своего рода встроенным термометром. Вы можете определить, насколько сильно раскалился нагревательный элемент, по его цвету. Ярко-красный цвет нагревательного элемента говорит о том, что температура внутри тостера достигла 1000 ℃. Это очень высокая температура. Во всяком случае достаточная для того, чтобы расплавить алюминий или серебро. Но если нечто накалилось до ярко-вишневого цвета, значит, температура этого «нечто» достигла 1000 ℃. Другие цвета свидетельствуют о других температурах. Это правило вытекает из самого механизма действия Вселенной. Если взглянуть на горящую груду угля, то можно заметить, что внутри нее горящий уголь светится ярко-желтым цветом. Это свидетельствует о том, что температура внутри этой груды достигла 2700 ℃. Предмет, накалившийся добела, разогрет до температуры порядка 4000 ℃ или даже больше. На первый взгляд это может показаться странным. Какое отношение цвет имеет к температуре?

Заглядывая внутрь тостера, я наблюдаю за превращением тепловой энергии в световую. Одна из самых элегантных особенностей действия механизма Вселенной заключается в том, что любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, постоянно преобразует часть своей энергии в световые волны. А свет должен пребывать в движении, поэтому световая энергия, создаваемая объектом, излучается в окружающую среду. Нагревательный элемент, накалившийся докрасна, преобразует часть своей энергии в световые волны красного цвета, расположенные на длинноволновом краю спектра. Но большая часть излучаемой нагревательным элементом энергии характеризуется еще большей длиной волн; их мы называем инфракрасными. Инфракрасные световые волны в принципе ничем не отличаются от видимого света, за исключением большей длины волны. Их можно обнаружить лишь косвенным способом, ощутив тепло в том месте, где происходит их поглощение. Хотя инфракрасные световые волны невидимы, в тостере они играют важную роль, ведь именно они нагревают тост.

Горячие объекты на одних длинах волн испускают больше света, чем на других. При любой температуре существует некая пиковая длина волны, на которую приходится львиная доля свечения, причем излучаемый свет ослабевает по обе стороны от этого пика. Тостер выдает большую порцию инфракрасного света и в качестве дополнения – видимый красный свет. Поэтому я вижу красное свечение. Я не вижу свет, который действительно поджаривает мой хлеб, но я вижу «хвост» от более длинных волн – красный свет.

Если бы у меня был супертостер, который мог бы разогреваться до более высоких температур, например до 2500 ℃, то его нагревательные элементы раскалялись бы до желтого цвета, потому что объект, нагретый до более высоких температур, излучал бы свет с более короткими длинами волн, в результате чего видимый «хвост» включал бы большее число цветов радуги: красный, оранжевый, желтый и чуть-чуть зеленого. Когда мы видим и красный, и зеленый свет вместе, то воспринимаем его как желтый. Лишь объект, нагретый до такой температуры, излучал бы свет именно в этом диапазоне спектра. А если температуру еще повысить (то есть, если бы у меня был гипертостер, который бы разогревался до температуры порядка 4000 ℃), то излучаемый свет включал бы все цвета радуги – вплоть до синего. А наблюдая сразу все цвета радуги, мы видим белое свечение. Таким образом, объект, раскаленный добела, в действительности излучает все цвета радуги, но они перемешаны между собой. Недостаток такого гипертостера – он расплавится в процессе работы независимо от того, из какого материала изготовлен. Но зато он очень быстро поджаривал бы ваши тосты. А заодно и вашу кухню.

Таким образом, тостер – это устройство, генерирующее волны. Видимые вами волны красного света – только часть волн, излучаемых в процессе накаливания его нагревательного элемента. Инфракрасные волны, которые вы не можете видеть, поджаривают ваш тост. Именно поэтому ломтик хлеба в тостере приобретает хрустящую коричневую корочку лишь на поверхности. Только поверхностный слой хлеба, в который проникает инфракрасный свет, способен его поглощать и разогреваться. Причина, почему мне нравится наблюдать за процессом приготовления тоста в тостере, проста: в это время я рисую в своем воображении инфракрасный свет, излучаемый нагревательным элементом. Я не могу его видеть, но знаю, что именно он создает хрустящую коричневую корочку на ломтике хлеба. Видимый мною красный свет – своего рода бесплатное приложение к подлинному «виновнику торжества».

Но, разумеется, здесь есть одна загвоздка. Проблема с таким методом генерации световых волн в том, что вы всегда получаете один и тот же их набор. У вас нет возможности выбрать именно те волны, которые вам нужны, и отфильтровать остальные. Горящий уголь, светящийся оранжевым цветом, расплавленная сталь и какой-либо другой материал, нагретый до 1500 ℃, должны испускать излучение с одним и тем же сочетанием длин волн, то есть цветов света. Таким образом, можно измерить температуру какого-либо объекта по его цвету при условии, что этот объект нагрет до такой степени, что вы можете видеть, как изменяется его цвет при изменении температуры. Температура на поверхности Солнца равна примерно 5500 ℃. Именно поэтому мы воспринимаем исходящий от него свет как белый. Вообще говоря, это единственная причина, по которой мы можем видеть звезды на ночном небе. Их температура настолько высока, что свет излучается с их поверхности и пронизывает Вселенную. Их свечение имеет определенный цвет, который позволяет судить о температуре звезд.

Между прочим, каждый из нас – и вы, и я – также имеет свой цвет, определяемый нашей температурой. Конечно, он невидимый, но его могут регистрировать специальные камеры, воспринимающие требуемый вид инфракрасных волн. Разумеется, мы не раскаляемся до температур работы тостеров, но тем не менее излучаем свет. Мы испускаем световые волны, длина которых в 10–20 раз превышает длину волн видимого света. Каждый из нас представляет собой нечто наподобие лампы накаливания, испускающей инфракрасный свет, что обусловлено температурой нашего тела. Светятся все теплокровные млекопитающие: собаки, кошки, кенгуру, бегемоты и т. д. Все, что имеет температуру выше абсолютного нуля (то есть выше –273 ℃), – своего рода лампа накаливания, излучающая свет, цвет которого находится в диапазоне, простирающемся от инфракрасного до еще более длинных волн (микроволновый диапазон) по мере снижения температуры.

Таким образом, вся наша жизнь проходит среди волн, причем не только тех, которые мы можем увидеть, если смотреть в соответствующем направлении. Солнце, наши собственные тела, мир вокруг нас, а также всевозможные технические устройства, созданные человеком, постоянно генерируют световые волны. То же можно сказать о звуковых волнах: высоких и низких тонах, ультразвуковых волнах, которыми пользуются во время охоты летучие мыши, и инфразвуковых волнах, используемых слонами для предупреждения сородичей о непогоде. Интересно, что все эти волны могут проходить через одно и то же помещение, не смешиваясь между собой. Звуковым волнам абсолютно все равно, освещено помещение или погружено во мрак. А на световые волны никак не воздействуют фортепианные концерты и орущие младенцы. Вся эта какофония волн обрушивается на нас, когда мы открываем глаза и «включаем» слух. Но мы не сходим с ума, а просто отстраняемся от неактуальных для нас волн и настраиваемся на волны, несущие нам ту или иную полезную информацию.

Но какие именно волны мы отбираем? Ответ будет разным для новейших моделей «беспилотных» автомобилей и для животного, которому приходится выживать в лесу. Волны несут в себе разнообразную информацию, и из всего ее обилия каждый выбирает то, в чем больше всего нуждается. Вот почему голубые киты и дельфины-бутылконосы вряд ли способны услышать друг друга, и именно поэтому ни голубые киты, ни дельфины-бутылконосы не обратят ни малейшего внимания на цвет вашего гидрокостюма.

Калифорнийский залив тянется вдоль западного побережья Мексики и представляет собой узкую океанскую гавань около 1100 километров длиной, которая в южной оконечности открывается в Тихий океан. Голубые воды залива защищены темными горными вершинами, вздымающимися в небо с его обоих берегов. Обитатели морских глубин преодолевают немалые расстояния, чтобы здесь отдохнуть и подкормиться. Коротая время в небольшой лодке посреди залива, одинокий рыбак может насладиться царящими здесь тишиной и покоем, ведь в этих водах нет условий для появления сильных волн. В дневные часы солнечный свет интенсивно прогревает залив и его окрестности, отражаясь только голубой водой и отполированными скалами на берегу. Слышны лишь звуки волн, плещущихся о борта, да поскрипывание лодки. Одинокий дельфин выпрыгивает из воды, становясь на мгновение частью этой мирной картины, а затем снова погружается в совершенно другую, отнюдь не столь спокойную стихию. Там, на глубине, во всю мощь и на полную громкость работает особая экосистема Калифорнийского залива.

Ныряя на глубину, дельфин издает звук высокого тона, практически свист, адресованный остальным членам стаи, следующим за ним. И когда они улавливают этот свист, вода наполняется звуками, похожими на щелчок. Это короткие, резко обрывающиеся звуковые волны, источник которых находится в лобной части головы дельфина. Они отражаются от окружающих предметов. Достигнув первого дельфина, короткие звуковые волны передаются через его челюстную кость в уши. Таким образом, каждое животное формирует в своем мозге «звуковую картину» окружающих его предметов. Посвистывания, попискивания и щелчки образуют вокруг группы дельфинов такой звуковой фон, будто все это происходит не на морской глубине, а на какой-нибудь оживленной улице. Этот звуковой фон создают звуковые волны сообщества дельфинов в ходе охоты. Проведя какое-то время на поверхности воды, вдоволь надышавшись и наигравшись, дельфин отправляется на глубину – поохотиться. Световые волны, находящиеся в изобилии у поверхности воды, на глубину проникают с большим трудом: они очень быстро поглощаются водой, поэтому на глубине свет не может служить надежным источником информации. У дельфина есть глаза, через которые он получает информацию как над, так и под водой, но степень полезности света объясняется тем, как эволюционировало зрение дельфина. Оно совершенно не позволяет ему различать цвета – да и зачем дельфину такая способность, если в ареале его обитания цвета не играют большой роли? Мир, в котором живут дельфины, окрашен в голубой цвет, но откуда им об этом знать? Дельфин не воспринимает голубой цвет – для него подводный мир черен, как ночь. Впрочем, дельфины видят яркие блики света, отражающегося от проплывающего мимо косяка рыб. Одним словом, дельфины видят то, что им нужно видеть.

Поверхность океана подобна зеркалу Алисы в Стране чудес, которое разделяет два мира, но позволяет легко шагнуть из одного в другой. Волны имеют тенденцию отражаться от водной поверхности, разделяющей эти два мира, поэтому звук, рождающийся в воздухе, там и остается, а звук, рождающийся в океане, остается в океане. В воздухе свет движется практически беспрепятственно, как, собственно, и звук. В океане световые волны очень быстро поглощаются водой, но звуковые распространяются очень быстро и без особых потерь. Если, погрузившись под воду, вы хотите получить информацию о своем окружении, вам нужно научиться обнаруживать звуковые волны. От световых волн здесь мало пользы, если только вы не рассматриваете что-то в непосредственной близости от себя и если не погрузились слишком глубоко под воду.

Однако мир звуков под водой гораздо разнообразнее мира зрительных образов. Дельфины используют звуки очень высоких частот, порой в десять раз превышающих порог слышимости человеческого уха. Столь короткая длина звуковых волн, издаваемых дельфинами, означает, что их механизм эхолокации позволяет до мельчайших подробностей распознавать форму объектов, находящихся перед дельфином. Однако издаваемые дельфином высокочастотные звуки распространяются лишь на сравнительно короткие расстояния, поэтому звуковой фон, создаваемый группой дельфинов, не слышен у берегов залива. Впрочем, поверх этого звукового фона накладываются другие звуки, с более высокой «дальнобойностью». В частности, глухое жужжание двигателя далекого морского судна, позвякивание пузырьков, возникающих в результате всплесков на поверхности воды, тихое потрескивание, издаваемое креветками, и внезапно – глухой гул, напоминающий стон, настолько низкий, что дельфины не слышат его. Стон повторяется. В десятке километров отсюда подает сигналы голубой кит, и эти звуки распространяются по заливу на большие расстояния. Кит не пользуется эхолокацией, поэтому обходится без высокочастотных звуков. Главное для кита – чтобы издаваемые им звуки были слышны как можно дальше, а для этой цели подходят низкочастотные звуки, то есть звуковые волны большой длины. Такие волны могут преодолевать огромные расстояния, а гладким (или, как их еще называют, настоящим) китам – среди прочих к их числу относятся голубые киты, финвалы (полосатики) и малые полосатики – приходится общаться друг с другом на огромных расстояниях. Киты не слышат щелканья дельфинов, а дельфины не слышат грустных стонов китов. Впрочем, в воде распространяются любые звуки и несут в себе огромный поток информации для всех обитателей морских глубин, каждый вид которых настраивается на подходящую для себя звуковую частоту.

Следовательно, океан также представляет собой среду распространения световых и звуковых волн, однако в нем это происходит совсем не так, как в воздухе. Океанские глубины – идеальная среда для распространения звуковых волн, а что касается света, то киты и дельфины не различают цветов, поскольку такие тонкости световых волн не имеют для них никакого значения.

Однако между атмосферой и океаном есть определенное сходство. Точно так же как самые длинные звуковые волны передаются под водой на самые дальние расстояния, самые длинные световые волны преодолевают самые дальние расстояния в атмосфере. Всего лишь каких-нибудь сто лет назад люди научились общаться через тысячи километров. Поскольку мы живем в воздушной среде, то для передачи информации на дальние расстояния пользуемся не звуковыми, а световыми волнами, которые называются радиоволнами. Самым важным применением этой технологии на раннем этапе развития была отправка информации через океаны. Если бы команда «Титаника» всерьез отнеслась к сообщениям, полученным с помощью новых систем связи, то это замечательное судно, возможно, не утонуло бы.

Сразу же после полуночи 15 апреля 1912 года импульсы радиоволн в виде концентрических кругов распространялись из нескольких мест в Северной Атлантике. Картины концентрических кругов возникали спорадически и прекращались, причем каждая затухала по мере распространения волны от своего источника. Некоторые из этих концентрических кругов-волн достигали других мест, из которых передавались подобные сигналы, и они ретранслировались дальше. Самые мощные волны исходили из места, находящегося в 600 километрах на юг от Ньюфаундленда в Канаде, где Джек Филлипс использовал один из наиболее мощных на то время морских радиопередатчиков, чтобы отправить в эфир сигналы бедствия. Гигантский океанский лайнер «Титаник», крупнейший в мире корабль, шел ко дну. Джек Филлипс, находясь в верхней части судна, на шлюпочной палубе, отправлял короткие электрические импульсы на антенну, протянутую между двумя дымовыми трубами. Электрические колебания в антенне преобразовывались в радиоволны, рассылаемые в разные стороны с корабля, а радиооператоры на других судах расшифровывали сообщения, поступающие из эфира на антенны их приемников.

Такого типа радиосвязь работает лишь потому, что радиоволны с радиопередающей антенны распространяются во все стороны, а не в каком-то определенном направлении. Радиооператору, транслирующему сообщение, не нужно знать точное местоположение человека, который его примет, – одни и те же радиоволны могут принимать многие люди, находящиеся в разных местах. Радиоимпульсы, посылаемые «Титаником», могли уловить радиооператоры на «Карпатии», «Балтике», «Олимпике» и нескольких других судах, находящихся в нескольких сотнях километров от «Титаника». Хотя передаваемая информация могла быть крайне лаконичной, а радиопередающие и радиоприемные устройства весьма несовершенными, впервые в истории человечества появилась возможность вести переговоры через океан. Изобретение радиосвязи радикально повлияло на судовождение. Двадцатью годами ранее «Титаник» исчез бы под волнами в полном одиночестве и о его пропаже в лучшем случае узнали бы через неделю. Первый трансатлантический радиосигнал был передан за десять лет до крушения «Титаника». Но в ту роковую ночь посредством радиоволн, расходившихся концентрическими кругами в темноте, суда, находившиеся сравнительно недалеко от «Титаника», узнали о трагедии сразу же, как только она начала разворачиваться. Эти импульсы-стаккато не были случайностью. Концентрические круги радиоволн складывались в определенные картины, и каждая такая картина несла в себе определенное сообщение, отправленное определенным человеком и переданное на дальнее расстояние со скоростью света. Это ознаменовало собой настоящую революцию в области человеческих коммуникаций, переворот, возвестивший о подлинном начале эпохи радио.

Одна из причин, почему гибель «Титаника» приобрела мировую известность, – трагедия произошла на пороге нового века и продемонстрировала колоссальный потенциал радиоволн. («Карпатия» прибыла к месту крушения «Титаника» через два часа после того, как он затонул. И это помогло спасти многие жизни.) Но она также показала, что радиосвязь того времени была слишком несовершенна, чтобы из нее можно было извлечь максимум пользы. Скорость передачи сообщений была низкой, и некоторые из предупреждений об айсбергах, принятые на «Титанике», попросту затерялись в потоке тривиальных и малозначащих уведомлений. Немаловажно и то, что использование примитивных импульсов волн для передачи сообщений означало, что одни сигналы можно было легко перепутать с другими. Кто передает сообщение и кто его принимает? Оно могло быть принято частично или с искажениями и в итоге неправильно истолковано. Чтобы использовать радиоволны для передачи информации, нужно каким-то образом их изменять, чтобы приемник мог воспринимать картину этих изменений. Но радиопередающие и радиоприемные системы того времени работали по принципу «включено/выключено»: либо испускание радиоволн, либо их отсутствие. Существовал всего один канал радиопередачи, и им пользовались все потенциальные участники радиосвязи.

Радиоволны были не единственными волнами, которые носились в ту ночь над океаном. «Титаник» передавал сигналы бедствия, а судно «Калифорниэн», находившееся неподалеку, пыталось обмениваться с ним информацией с помощью ратьера, посылая на «Титаник» вспышки видимого света. Но «дальнобойность» радиоволн гораздо выше, что объясняется одной важной особенностью земной атмосферы. Верхний атмосферный слой (ионосфера) ведет себя по отношению к радиоволнам как частично отражающее их зеркало. Поэтому радиосигналы с «Титаника» не просто расходились в разные стороны над поверхностью океана: они посылались в атмосферу, а затем отражались вниз. Именно поэтому радиоволны способны преодолевать огромные расстояния над океаном, хотя из-за кривизны Земли на достаточно большом удалении отправитель и получатель радиосигнала не находятся в зоне прямой видимости (то есть их нельзя соединить воображаемой прямой линией). Отраженные радиоволны могут обогнуть планету: многочисленные отражения помогают им огибать изогнутую поверхность. Для видимого света подобного «зеркала» в атмосфере нет.

Джек Филлипс продолжал заполнять ночной эфир импульсами радиоволн, передавая координаты «Титаника» каждому, кто их мог принять, пока вода не захлестнула радиорубку. Джек Филлипс не выжил, однако использование системы дальней радиосвязи позволило выжить 706 пассажирам и членам экипажа из 2223 человек, находившихся на борту. Многим из этих 706 счастливчиков удалось дожить до того времени, когда эфир вокруг нашей планеты превратился в настоящую какофонию из радиоволн, используемых в системах радиосвязи. В наши дни степень этой какофонии выросла многократно, но именно благодаря ей человечество взаимосвязано, как никогда прежде.

Электромагнитные волны правят нашим миром. Это тот механизм, который доставляет нам крохотную долю энергии Солнца, питающей нашу планету. Электромагнитные волны – мост, соединяющий нас со Вселенной. Но в прошлом столетии наша цивилизация начала разрабатывать новые взаимоотношения с комплексом всех возможных световых волн, всем электромагнитным спектром. Если когда-то мы были лишь пассивными потребителями, признательными за энергию и информацию, которая нечаянно попадала к нам в руки, то сегодня мы плодовитые производители и пользователи электромагнитных волн. Наше невероятно возросшее умение обращаться с электромагнитными волнами раскрыло перед нами колоссальные возможности по контролю практически за всем, что происходит в мире, способность почти мгновенно передавать информацию в любую точку планеты и возможность общаться прямо сейчас с любым ее жителем, имеющим мобильный телефон.

Но разобраться в этом нашествии волн можно лишь при условии, что вы знаете, как из всего множества передаваемых сообщений выделить именно то, которое предназначено вам. К счастью, решение проблемы заключено в самих волнах, и вам не требуется какое-то специализированное оборудование, чтобы в этом убедиться.

Национальный парк Грейт-Смоки-Маунтинс в штате Теннеси потрясает чередой долин и горных вершин, покрытых лесом. Безмятежность и величественное спокойствие этого леса производили особенно сильное впечатление, поскольку, чтобы сюда добраться, нам пришлось проехать через город, где родилась и провела свои детские годы Долли Партон. Разумеется, я немало слышала об этой великой певице в стиле «кантри», но была потрясена видом Долливуда, огромного тематического парка, созданного в честь Теннеси, музыки «кантри», верховой езды и, конечно, самой Долли Партон. Красные ковбойские шляпы, богато декорированные гитары и всепроникающий фон музыки в стиле «кантри», буквально пропитавший окружающие города, копны рыжих волос на головах, винтажные джинсовые костюмы и безграничное южное гостеприимство. Бурбон после ужина показался нам неким культурным императивом, хотя, по правде говоря, я предпочла бы ковбойскую шляпу. Но все изменилось, когда на следующий день мы отправились в горы. В лес стекались толпы людей, груженых шезлонгами, сумками с бутербродами и термосами. Они устраивались поудобнее на лужайках в надежде стать свидетелями необычного явления природы. Все, что могло нарушить полную темноту, помешало бы предстоящему зрелищу, поэтому все огни были погашены, а мобильные телефоны и фонари выключены. С наступлением ночи начался танец светлячков. Лес озарился вспышками миллионов крошечных насекомых, обменивающихся друг с другом световыми сигналами. Мы надеялись снять здесь научно-документальный фильм. На то, чтобы запечатлеть это событие, у нас была всего одна ночь. Чтобы снять такой документальный фильм, необходимо было переходить с места на место и видеть, куда мы идем. Нам сказали, что для этого лучше пользоваться фонарями с красным фильтром, поскольку красный свет не потревожит светлячков так, как обычный белый. Итак, мы крались по лесу, время от времени освещая путь красным фонарем. Примерно к часу ночи светлячки в основном завершили свой спектакль, а мы приготовились снять последний фрагмент. Пока режиссер и оператор настраивали освещение, я закрепила на голове красный фонарь, устроилась на небольшой поляне, укрывшись от холода под светонепроницаемым куском ткани, и стала наскоро сочинять текст, которым должен был сопровождаться видеоряд фильма. Когда режиссер и оператор подготовились к съемке, я выбралась из укрытия, чтобы присоединиться к ним, и открыла блокнот, решив еще раз пробежать глазами подготовленный текст. Но под белым светом налобного фонаря режиссера я не смогла прочитать свои заметки: на странице было два текста – один в красном, другой в синем цвете, причем располагались они один поверх другого. Читать эти каракули было невозможно.

Если бы вы хотели продемонстрировать, насколько разделены между собой разные длины волн, трудно было бы придумать более подходящий пример, чем этот. Я поняла, что ранее в тот же день что-то писала на этой странице красными чернилами. При белом освещении на белой бумаге довольно удобно читать текст, написанный красными чернилами. Но при красном свете моего фонаря красные чернила стали невидимы. Белая бумага отражала красный свет обратно в мои глаза. И красные чернила также отражали его туда же. В красном свете моего фонаря страница выглядела пустой, поскольку красный свет одинаково отражал в мои глаза все, что на ней было. В результате я написала новые заметки на той же странице синими чернилами. Я могла видеть этот текст, потому что он не отражал красный свет, вследствие чего возникал контраст между чернилами и бумагой. Если бы я посмотрела на эту страницу в свете синего фонаря, то смогла бы увидеть текст, написанный красными чернилами, но не видела бы синего. Точно так же как я настраиваю радиоприемник на нужную волну, вращая ручку настройки, я могла бы читать один из двух текстов, выбирая цвет освещения. У красного света длина волны больше, чем у синего. Выбирая длину волны, на которую я хотела настроиться, я выбирала информацию, которую мне нужно было получить.

По сути, это можно рассматривать как полную аналогию настройке на радиостанцию. Большинство используемых нами способов обнаружения света (и других видов волн) сводятся к выявлению лишь очень узкого диапазона длин волн. Если среди окружающих нас волн присутствует волна, выходящая за границы этого диапазона, то мы даже не узнаем о ее существовании. Случай с моим блокнотом подтвердил, что это правило касается видимых цветов, но оно также верно и для невидимых. Окружающий нас мир переполнен всевозможными световыми волнами, и все они накладываются друг на друга подобно заметкам на странице моего блокнота. Эти световые волны не взаимодействуют между собой и не изменяют другие цвета вокруг. Световые волны разной длины совершенно независимы друг от друга. Вы можете предпочесть радиоволны с самой большой длиной (то есть настроиться на них) и слушать одну из радиостанций, вещающих в длинноволновом диапазоне. Или можете нажать кнопку на пульте дистанционного управления, которая посылает сигналы в инфракрасном диапазоне волн, воспринимаемые только вашим телевизором. Или можете написать на листе бумаги заметки красными чернилами. Или решите подождать, пока ваш смартфон определит Wi-Fi-сети, доступные в том месте, где вы находитесь (каждая такая Wi-Fi-сеть, по сути, представляет собой трансляцию, осуществляемую на определенной длине волны, правда, в данном случае речь идет о сверхвысокочастотном диапазоне волн). Мы постоянно пребываем в эпицентре этой информационной какофонии, представляющей собой нагромождение волн разной длины. Чтобы узнать, есть ли среди них интересующая вас информация, нужно попытаться отыскать ее подходящим способом. Мы рисуем свою картину окружающего мира лишь в очень узком диапазоне длин волн – в видимых цветах радуги. Но на эти видимые цвета никак не влияют остальные окружающие нас, но невидимые цвета.

Тот факт, что волны разной длины не влияют друг на друга, очень полезен с практической точки зрения. Мы можем отобрать только волны нужной нам длины, отмежевавшись от остальных. Окружающий мир по-разному воздействует на волны разной длины. Он сортирует и фильтрует их в зависимости от длины. Хотя я выросла вблизи серого, хмурого и дождливого Манчестера, где увидеть ночное безоблачное звездное небо – подарок судьбы, я проживала лишь в 25 километрах от обсерватории Джодрелл-Бэнк, где установлен крупнейший в Великобритании радиотелескоп имени Бернарда Ловелла. Это огромное сооружение с диаметром параболической антенны 76 метров. И даже в самые пасмурные дни в Манчестере, когда толщина облачного покрова достигает нескольких километров, этот радиотелескоп видит небо таким, словно на нем нет ни облачка. Для видимого света, длина волны которого не превышает миллионной доли метра, облачное небо представляет собой серьезную преграду. Свет отражается и отклоняется облаками и в итоге полностью поглощается. Но радиоволны, в принципе не отличающиеся от волн видимого света, за исключением того, что длина их волны составляет примерно 5 сантиметров, проникают сквозь облака практически беспрепятственно. Оказавшись в следующий раз возле Манчестера в дождливую погоду, имейте это в виду. Возможно, вы почувствуете себя несколько комфортнее, вспомнив, что именно в этот момент, когда за пеленой дождя или тумана едва угадываются верхушки деревьев, перед астрономами открывается космос во всем его величии[53]. Хотя допускаю, что мысль об этом способна согреть душу далеко не каждому.

Жизнь на Земле возможна лишь потому, что световые волны разной длины по-разному взаимодействуют с разными объектами. Энергия излучается раскаленным Солнцем как широкая симфония световых волн, а нашей каменистой планете достается лишь крохотная частица этого стремительного потока. Нас согревает энергия, доставляемая этой крохотной частицей потока солнечного излучения. Но если бы действовал только этот фактор, то средняя температура на поверхности Земли равнялась бы не слишком комфортным –18 ℃ вместо нынешних вполне приемлемых 14 ℃. От замерзания нас уберегает парниковый эффект Земли, механизм действия которого основан на том, что световые волны разной длины по-разному взаимодействуют с земной атмосферой.

Представьте вид, открывающийся со склона высокого холма в один из солнечных дней, когда по ярко-голубому небу плывут лишь несколько пухлых белых облаков, как будто помещенных для большего разнообразия картины. Если взглянуть вдаль, можно увидеть зеленые деревья, траву и темную землю. Эта сцена освещается солнечным светом – за исключением теней, отбрасываемых на землю облаками. Но солнечный свет, который достиг земли, расстилающейся перед вами, отличается от излучения, испускаемого раскаленным Солнцем. Земная атмосфера поглотила длинные инфракрасные волны и большую часть коротких ультрафиолетовых волн, однако видимый свет проник сквозь атмосферу практически в неизменном виде. Атмосфера уже отобрала волны, которые достигнут земной поверхности, и это видимые световые волны. Для них небо ведет себя как атмосферное окно, беспрепятственно пропускающее их. Для радиоволн есть другое атмосферное окно (именно поэтому радиотелескопы могут всматриваться в космос), но большинство других длин волн блокируются земной атмосферой.

Чем темнее земля, которую вы можете видеть, тем больше видимых волн ею поглощается. А поглощенная энергия солнечного света в конечном счете превращается в тепло. Если в солнечный день прикоснуться рукой к темной земле, вы его почувствуете. Остальной солнечный свет отражается вверх и возвращается в космос через атмосферное окно. Если где-то вовне существуют разумные существа, то этот отраженный солнечный свет позволяет им увидеть нас, землян.

Но вот земля прогрелась и, подобно нагревательному элементу тостера, должна отдавать энергию в виде излучения благодаря повысившейся температуре. Разумеется, это не очень высокая температура, поэтому мы не наблюдаем сияния. Но в инфракрасном свете, характеризующемся большей длиной волны, прогретая земля похожа на светящуюся электрическую лампочку. Вот здесь-то и вступает в действие парниковый эффект. Чистый атмосферный воздух не создает особых препятствий для волн в инфракрасном диапазоне, и они возвращаются в космос. Но некоторые газы – водяные пары, двуокись углерода, метан и озон – становятся непреодолимой преградой на их пути. Несмотря на небольшую долю в земной атмосфере, они очень интенсивно поглощают волны в инфракрасном диапазоне. Эти газы называют парниковыми газами. Если вы присмотритесь к происходящему вокруг, то заметите, что видимый свет отражается от земной поверхности, но не увидите инфракрасный свет. Если бы вы могли его видеть, то обратили бы внимание, как быстро снижается его интенсивность по мере удаления от земной поверхности. Атмосфера активно поглощает инфракрасный свет, отраженный от земной поверхности. Молекулы газа быстро отдают приобретенную ими энергию, излучая ее в окружающее пространство в виде новых волн в инфракрасном диапазоне. Но здесь есть важный момент. Когда эти новые волны излучаются в окружающее пространство, они распространяются равномерно во все стороны. Лишь некоторые из них направляются вверх и в конце концов покидают земную атмосферу, а некоторые устремляются вниз и повторно поглощаются земной поверхностью. Таким образом, часть излучаемой энергии захватывается атмосферой. Этот небольшой дополнительный нагрев делает нашу планету теплее, чем она могла бы быть, обеспечивая наличие на Земле воды в жидком состоянии. В результате должен установиться новый баланс: количество поступившей и ушедшей энергии должно быть одинаковым (иначе земная атмосфера нагревалась бы все больше и больше). Следовательно, Земля нагревается до тех пор, пока сможет отдавать в окружающее пространство достаточное количество энергии инфракрасных волн, чтобы установился баланс «прихода и расхода».

В этом и состоит сущность парникового эффекта[54]. В основном он носит естественный характер: в атмосфере содержится много водяных паров и углекислого газа, причем состояние равновесия наступает при средней температуре земной поверхности, равной 14 ℃. Но при сжигании топлива органического происхождения люди добавляют в атмосферу изрядное количество углекислого газа, в результате чего она захватывает большее количество энергии инфракрасных волн, которая в противном случае могла бы покинуть земную атмосферу. Это приводит к изменению баланса, причем его новое состояние достигается при более высокой температуре земной поверхности. Количество углекислого газа, задействованное в этих процессах, очень мало: в 1960 году на каждый миллион частей атмосферного воздуха приходилось 313 частей CO2, а в 2013-м – примерно 400 частей CO2. На первый взгляд такое увеличение содержания углекислого газа в атмосферном воздухе кажется незначительным. Но не следует забывать, что молекулы углекислого газа поглощают лишь волны определенной длины. Метан поглощает инфракрасные волны еще интенсивнее, чем углекислый газ. С этой точки зрения указанные газы играют очень важную роль. Именно парниковый эффект привел к возникновению жизни на Земле, однако он может обусловить и существенное изменение температуры на планете. Все это касается волн, которые мы не можем видеть непосредственно. Но уже сейчас можем оценить возможные последствия изменения температурного баланса.

Как указывалось выше, окружающая среда переполнена всевозможными видами волн: радиоволнами, волнами видимого света, океанскими волнами, «тяжеловесными» звуковыми волнами, издаваемыми китами под водой, и высокочастотными сигналами эхолокации, используемыми летучими мышами. Все эти разнотипные волны мирно сосуществуют в общей среде, никак не влияя друг на друга. Но есть еще один вопрос, на который нам предстоит ответить. Что происходит вследствие пересечения однотипных волн? Результат такого пересечения выглядит великолепно, когда вы держите на ладони переливающуюся жемчужину, но представляется крайне нежелательным, когда разговариваете по мобильному телефону.

Двустворчатый моллюск (морская жемчужница) Pinctada maxima обитает на морском дне, на глубине нескольких метров в лазурных водах вблизи Таити и других островов, расположенных в южной части Тихого океана. Когда он питается, две створки его раковины слегка раскрываются, и он всасывает в больших количествах морскую воду (по нескольку галлонов в сутки), отфильтровывает питательные вещества и усваивает их. Очищенная таким образом вода возвращается в океан. Проплывая над моллюском, вы можете даже не заметить его, поскольку его шершавая, бежево-коричневатая раковина превосходно маскируется под окружающую среду. Эти фильтры океанской воды сочетают в себе высокую функциональность и неброский внешний вид. То, что скрывается под их створками, изначально не предназначалось для посторонних глаз. Тем не менее Клеопатра, Мария Антуанетта, Мэрилин Монро и Элизабет Тейлор с гордостью носили жемчужные украшения, изготовленные из загадочного содержимого раковин Pinctada maxima и других жемчужных устриц.

Время от времени между створок устриц попадает какой-то посторонний предмет, не усваиваемый организмом моллюска, но оказывающий на него раздражающее действие. Поскольку моллюск не в состоянии от него избавиться, он окутывает его в безвредную оболочку из такого же материала, каким покрыта внутренняя поверхность створок раковины. Это похоже на то, как нерадивая хозяйка наскоро сметает мусор под ковер, вместо того чтобы выбросить его в корзинку для мусора (к сожалению, даже по прошествии значительного времени мусор под ковром не приобретает большой ценности – в отличие от жемчужины). Это покрытие выполнено из крошечных пластиночек (бляшек), скрепляемых между собой органическим клеем и наслаивающихся друг на друга. Процесс строительства оболочки очень длительный (недавно было обнаружено, что в ходе формирования жемчужины она вращается вокруг собственной оси, причем на один полный оборот уходит около пяти часов). Приливы сменяются отливами, один сезон другим, мимо проплывают акулы, морские скаты и черепахи, а моллюск спокойно лежит на дне, пропуская через себя океанскую воду и медленно проворачивая между своими створками формирующуюся жемчужину.

Такая безмятежность длится годами, пока в один не самый удачный для моллюска день его не достанет с морского дна ловец жемчуга и не вскроет створки раковины. Когда солнечный свет впервые попадает на жемчужину, извлеченную из-под створок моллюска, световые волны отражаются от ее ярко-белой поверхности. Но не просто от верхнего слоя бляшек, а частично проникают в нижние слои бляшек, отражаясь и от них. Может произойти несколько таких отражений, прежде чем свет выйдет наружу. При этом возникает ситуация, когда волны одного и того же типа – пускай это будет зеленая составляющая солнечного света – налагаются друг на друга. Они по-прежнему не оказывают взаимного влияния, но складываются между собой. Иногда зеленая световая волна, которая отразилась от верхнего слоя жемчужины, точно совпадает по фазе с зеленой световой волной, отразившейся от следующего слоя, расположенного непосредственно под верхним. Поскольку эти волны совпали по фазе, их пики и впадины идеально сочетаются друг с другом. В нашем случае это означает усиление зеленой световой волны. Но, возможно, у красной составляющей солнечного света, падающей на жемчужину под таким же углом и отражающейся от разных слоев аналогичным образом, не происходит столь идеального совпадения по фазе: пики от одной красной световой волны совмещаются со впадинами другой красной световой волны; иными словами, эти волны налагаются друг на друга в противофазе. А это приводит к тому, что в данном направлении красный свет вообще не выходит из жемчужины.

Именно благодаря этому слоистому строению жемчуга невзрачный моллюск, мирно коротающий свои дни в южной части Тихого океана, создает нечто крайне притягательное для самых гламурных личностей в нашем обществе. Эти слои настолько тонкие, что способны обеспечивать идеальное совпадение фаз однотипных световых волн, отражающихся от разных слоев, идеальное наложение этих волн и результирующие яркие цветовые эффекты. Под определенными углами волны отраженного света усиливают сами себя, в результате чего мы наблюдаем мерцания красного и зеленого цветов на яркой белой поверхности. Под другими углами можно наблюдать мерцание синего цвета или отсутствие какого-либо цвета, кроме белого. Если жемчужину поворачивать туда-сюда в лучах солнечного света, то мы увидим сверкания, возникающие в результате сложения волн той или иной длины, – это явление называется переливчатостью и производит сильное эстетическое впечатление, за что высоко ценится людьми, но, к сожалению, оно очень редко встречается в природе. Обусловлено оно тем, что жемчужины порождают иррегулярную картину световых волн, скользя взглядом вдоль ряда жемчужин, вы можете наблюдать разные фрагменты этой картины. Но выглядит это так, будто жемчужины сияют – а людям нравится такое зрелище. В наши дни люди научились добиваться подобного эффекта искусственным путем, тем не менее мы предпочитаем обладать творениями природы.

Жемчуг наглядно демонстрирует, что случается при наложении однотипных волн. Иногда их вершины и впадины совпадают и складываются, порождая более сильную волну, которая движется в определенном направлении. Иногда однотипные волны уничтожают друг друга, что приводит к их полному отсутствию на определенном направлении. Новая картина волн возникает каждый раз, когда на своем пути они не встречают поверхности, от которой могли бы отразиться, или когда есть несколько источников волн (вспомните взаимно перекрывающиеся концентрические круги волн, расходящихся по поверхности пруда, если в него бросить два камешка на относительно небольшом расстоянии друг от друга).

Но в связи с этим возникают некоторые вопросы: что происходит при взаимном перекрытии идентичных волн, имеющих другую природу? Например, радиоволн, используемых для мобильной связи? Мы сплошь и рядом наблюдаем группы людей, стоящих в непосредственной близости друг от друга и разговаривающих по мобильным телефонам с удаленными абонентами, причем у многих из них модели телефонов одинаковые. Сотни и тысячи людей в одном и том же городе используют для мобильной связи одни и те же типы волн. Во время трагедии с «Титаником» радиосвязь между судами была очень плохой, потому что все суда, находившиеся в тот момент в Северной Атлантике, использовали для обмена радиосигналами одну и ту же технологию радиосвязи и один и тот же тип волн. Но в наши дни добрая сотня людей, пребывающих в одном и том же здании, могут одновременно вести переговоры с другими абонентами по одинаковым мобильным телефонам, не создавая при этом помех друг другу. Как же удалось организовать эту какофонию волн, чтобы обеспечить одновременное общение множества людей по мобильной связи?

Представьте, что вы смотрите с высоты на большой оживленный город. Человек, идущий по улице, вынимает из кармана мобильный телефон, набирает номер и прикладывает телефон к уху. Теперь напрягите воображение и представьте, что радиоволны разной длины окрашены в разные цвета. От мобильного телефона этого человека в разные стороны расходятся концентрическими кругами волны зеленого цвета, причем в непосредственной близости от телефона они выглядят очень яркими и мощными, а по мере удаления тускнеют и слабеют. На расстоянии примерно 100 метров расположена базовая станция мобильной связи, которая обнаруживает эти зеленые волны и расшифровывает сообщение, определяя номер абонента, которому звонит этот человек. Затем базовая станция отправляет собственный сигнал обратно на мобильный телефон этого человека; волны обратного сигнала тоже зеленого цвета, однако он несколько отличается от исходного. В этом и заключается первая «маленькая хитрость» современных систем связи. В то время как «Титаник» мог посылать только сигнал, представляющий собой сочетание множества разных длин волн, современная технология с высочайшей точностью выбирает длины волн для передачи и приема сигналов. Длина волны исходного сигнала, передаваемого мобильным телефоном, равнялась 34,067 сантиметра, а длина волны сигнала, переданного базовой станцией обратно на мобильный телефон, – 34,059 сантиметра. Мобильный телефон и базовая станция могут общаться по каналам с длинами волн, различающимися лишь на ничтожную долю процента. Для нас цвета этих двух сигналов практически неразличимы: тот и другой кажутся зелеными. Но, подобно красным и синим чернилам на листе белой бумаги в моем блокноте, эти волны имеют разную длину и не смешиваются друг с другом. Когда человек идет по улице, зеленые волны, исходящие из его телефона, несут в себе определенную картину – сообщение, которое он хочет передать по мобильной связи. Женщина, идущая по той же улице, также разговаривает по телефону, но он использует несколько другую длину волны (разница между ними, опять-таки, составляет ничтожную долю процента). И базовая станция в состоянии отличить эти сигналы. Именно поэтому государство продает полосу частот как их определенный диапазон: если ваш оператор мобильной связи использует этот диапазон, то вы можете улавливать даже самые ничтожные различия между каналами – если, конечно, оборудование мобильной связи способно их сформировать. Итак, глядя на этот район города, мы видим множество ярких точек. Это мобильные телефоны, которые отправляют сигналы. Эти сигналы отражаются от зданий и поглощаются окружающими объектами, но в основном, прежде чем полностью ослабеть, все же достигают базовой станции.

Когда человек, за которым мы наблюдаем, удаляется от базовой станции, мы начинаем замечать новые цвета. Улицы, открывающиеся перед ним, полны красных «радиопятен», причем все они концентрируются возле следующей базовой станции, рассылающей множество оттенков красного на телефоны, группирующиеся возле нее. Когда затухнет сильный зеленый сигнал с первой базовой станции, телефон нашего подопечного обнаружит новые частоты и начнет взаимодействовать с новой базовой станцией. Человек может даже не подозревать о том, что достиг границы «зеленого» участка, но как только он пересечет ее, его телефон переключится на новую длину волны, чтобы отправлять теперь на новую базовую станцию оттенки красного цвета. Они не улавливаются первой («зеленой») базовой станцией, а ретранслируются второй («красной»). Продолжая идти по улицам, человек может заходить на участки, где радиоволны имеют желтый или синий цвет, если придерживаться предложенного мною сопоставления каждой длины волны определенному цвету. На соседних участках не могут использоваться волны одного и того же цвета, но если наш герой забредет достаточно далеко, то вполне может оказаться еще на одном «зеленом» участке. В этом заключается еще одна уловка систем мобильной связи. Выбрав достаточно низкий уровень ее сигнала, мы можем быть уверены, что эти сигналы будут достигать лишь ближайшей базовой станции. Это означает, что на достаточном удалении от исходной «зеленой» базовой станции мы можем разместить еще одну «зеленую» базовую станцию, не рискуя тем, что они будут создавать помехи друг другу. Информация стекается в центр и растекается из центра каждой такой ячейки, или «соты»[55] (выше мы называли эти «соты» участками), но не смешивается с информацией, циркулирующей в других «сотах». То обстоятельство, что по сотовой связи одновременно разговаривает множество людей, не имеет значения, поскольку все они пользуются радиоволнами разной (хотя и различающейся на ничтожную величину) длины. А применяемая в наши дни технология позволяет разделять все эти разговоры за счет чрезвычайно точной настройки приемных устройств. Если ваш мобильный телефон отправляет сигналы на длине волны, которая отличается от требуемой хотя бы на ничтожную долю процента, ваше сообщение никогда не попадет к адресату. Но эта невероятная точность современной технологии связи означает, что отличить одну волну от другой можно даже в случае, если они разнятся на ничтожную долю процента.

И в такой невероятной толчее разнородных волн нам приходится находиться ежедневно! Мимо головы каждого из нас проносятся взаимно перекрывающиеся концентрические круги электромагнитных волн, излучаемых мобильными телефонами, системами Wi-Fi, радиостанциями, Солнцем, нагревателями, пультами дистанционного управления и множеством других устройств – источников электромагнитного излучения. И это только световые волны, а ведь есть еще и звуковые: глухие раскаты, раздающиеся из недр Земли, джазовая музыка, собачий лай и ультразвук, используемый для очистки инструментов в местной стоматологической поликлинике. А еще есть рябь в чашке чая, на который вы дуете, пытаясь слегка остудить, океанские волны и вздыбливание земной поверхности в результате землетрясений, время от времени возникающих в разных уголках планеты. Этот перечень разновидностей волн можно продолжать. Волны естественного происхождения дополняются многочисленными искусственными волнами, используемыми человеком для разнообразных целей, в том числе и связи. Но все эти разнотипные волны подчиняются одним и тем же базовым физическим законам. Каждая волна, какова бы ни была ее физическая природа, характеризуется определенной длиной. Все волны могут отражаться, преломляться и поглощаться. Если вы знаете базовые физические законы, которым подчиняются волны, если понимаете, что волны переносят энергию и информацию, но не переносят саму среду, в которой распространяются, значит, получаете возможность управлять одним из самых эффективных инструментов нашей цивилизации.

В 2002 году я работала в Новой Зеландии в одном из центров верхового туризма, расположенном вблизи Крайстчерча. Однажды вечером раздался телефонный звонок, и, к моему удивлению, он адресовался мне. Поскольку звонок был принят на беспроводной телефонный аппарат, я сняла трубку, вышла с ней из дома и уселась на склоне холма. Звонила Нана. Ей захотелось поговорить со мной (к тому моменту прошло уже около шести месяцев, как я уехала из Великобритании и за все это время ни разу не общалась со своей семьей), она набрала нужный номер – и вот я уже разговариваю с ней. Когда она со своим характерным ланкаширским акцентом начала расспрашивать меня о еде, лошадях и работе, я внезапно осознала всю необычность – и даже фантастичность – ситуации. Я нахожусь на другом конце гигантской планеты, так далеко от своей семьи, насколько это вообще возможно, если, конечно, не выходить в открытый космос (расстояние по прямой между нами составляло 12 742 километра, а с учетом кривизны земной поверхности – все 20 000 километров), и тем не менее слышу голос Наны так, словно она стоит на расстоянии вытянутой руки. Не могу передать ту гамму чувств, которую испытывала в течение всех десяти минут разговора. В наши дни все земляне ощущают свою принадлежность к единой человеческой цивилизации благодаря невидимым волнам, позволяющим людям, проживающим в самых отдаленных уголках планеты, общаться. Колоссальное и почти невероятное достижение человеческой мысли! Работа изобретателей-энтузиастов, таких как Маркони и Попов, и даже гибель «Титаника» указали путь к сегодняшнему миру, в котором возможность общения между людьми, находящимися на огромных расстояниях друг от друга, воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Я благодарна судьбе за то, что родилась достаточно рано, чтобы испытывать неподдельное восхищение, которого заслуживает это достижение. Наши глаза не в состоянии обнаружить волны, а оценить невидимое всегда нелегко. Но когда в следующий раз будете звонить по мобильному телефону, задумайтесь над этим. Вообще говоря, волна – очень простое физическое явление. И если вы поймете принципы и механизмы ее использования в повседневной жизни, то мир, в котором вы живете, станет еще ближе и понятнее.

Глава 6. 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[56]. 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 ℃ – 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 ℃, 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 ℃, 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[57].

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 ℃. 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[58]. 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 ℃. Но 10 августа 2010 года температура в этом районе опустилась до рекордных –93,2 ℃ – 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 ℃). 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 ℃. 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 ℃. 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[59]. 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.

Глава 7. Чайные ложечки, спирали и спутник

Правила вращения

Пузырьки замечательны тем, что вы всегда знаете, где их искать: наверху. Они либо поднимаются туда, как в аквариуме или плавательном бассейне, либо толпятся наверху, как в бокале с шампанским или кружке с пивом. Пузырьки неизменно прокладывают себе путь на самый верх жидкости, в которой возникают. Но когда в следующий раз будете помешивать ложечкой чай или кофе в чашке, обратите внимание, что при этом происходит на поверхности жидкости. Прежде всего вы заметите воронку, по краям которой жидкость слегка приподнимается, а в центре образуется «отверстие». Что примечательно, пузырьки вращаются вместе с жидкостью у его нижнего края. Наверху жидкости и по краям воронки пузырьков нет. Они скрываются в нижней точке на поверхности и остаются там. Если вы попытаетесь растолкать их в стороны, они все равно вернутся на прежнее место. Если вы создадите новые пузырьки по краям, они по спирали вернутся к центру. Странно.

При помешивании чая ложечкой я оказываю давление на жидкость. Я толкаю ее вперед, но до внутренней стенки чашки жидкости нужно преодолеть очень небольшое расстояние. Если бы я помешивала ложечкой воду в плавательном бассейне, то вода, находящаяся перед ложечкой, двигалась бы вперед и продолжала бы движение до тех пор, пока не смешалась бы с остальной водой в бассейне. Но при помешивании чая этого произойти не может из-за очень ограниченного пространства. Так как боковая поверхность чашки не может никуда сместиться, она отталкивает в обратную сторону жидкость, которая на нее наталкивается, ведь чай не может пройти сквозь чашку и не может двигаться по прямой линии, поэтому начинает движение по кругу вдоль боковой стенки чашки. Но по мере развития процесса жидкость будет собираться у боковой поверхности чашки, поскольку лишь она способна оказывать противодействие жидкости, движущейся в ее сторону. Чай по-прежнему будет стремиться к движению по прямой, но ему придется двигаться по кругу ввиду кривизны боковой стенки чашки.

Это первый урок, касающийся вращения тех или иных объектов. Если бы вы внезапно убрали препятствие, мешающее первоначальному направлению их движения, они продолжили бы его в том направлении, в котором двигались в момент освобождения. Представьте дискобола, вращающегося вокруг собственной оси с диском в руке. После нескольких стремительных оборотов диск движется очень быстро, но по кругу, потому что дискобол надежно сжимает его в руке. В процессе вращения дискоболу приходится тянуть диск к центру вращения. Сила, с которой он тянет диск, направлена к центру вращения и совпадает с линией вытянутой руки дискобола. В момент, когда дискобол выпустит диск, диск начнет двигаться вперед по прямой линии, сохраняя направление и скорость, которые он имел в момент, непосредственно предшествующий раскрытию руки дискобола.

Когда я помешиваю чай, на его поверхности образуется «дыра», потому что каждая его капелька пытается двигаться по прямой, из-за чего наталкивается на боковую стенку чашки, тогда как в середине чашки остается меньше жидкости. Когда я прекращаю помешивать чай, «дыра» в середине чая остается, поскольку жидкость продолжает вращение. По мере замедления вращения стенки чашки оказывают все меньшее обратное давление на жидкость и в конечном счете его становится недостаточно для поддержания вращения жидкости. Жидкость, накопившаяся у боковой поверхности чашки, возвращается к центру. Весь процесс легко проследить в жидкости, которая может свободно двигаться и, следовательно, легко изменять форму.

А в центре кругов, образующихся в результате помешивания, можно наблюдать вращение пузырьков. Их наличие в центре говорит о том, что это место для них самое подходящее. Когда на столе стоит стакан с пивом, пузырьки поднимаются вверх, поскольку пиво выигрывает конкуренцию за право быть как можно ближе ко дну стакана. То же самое можно сказать о чашке чая. Пузырьки собираются в ее середине потому, что чай выигрывает конкуренцию за право двигаться к боковой стенке чашки. Жидкость обладает большей плотностью, чем газ, поэтому газ собирается в освободившемся месте, то есть у центра.

В современном мире масса вращающихся объектов: центрифуги для сушки одежды, дискоболы, карусели и гироскопы. Да и сама Земля вращается вокруг Солнца и одновременно вокруг собственной оси. Вращение – важный вид движения, так как позволяет проделывать множество интересных вещей. Иногда при этом задействуются колоссальные силы и огромные энергии, хотя фактически все остается на месте. Худшее, что может случиться, – вы просто вернетесь в то место, с которого стартовали. Пузырьки в чае – это только начало. Тот же принцип объясняет, почему не следует запускать ракету из Антарктики и как врачи определяют, достаточно ли у вас в крови красных кровяных телец (эритроцитов). Вращение также может играть важную роль в энергетической системе будущего. Все эти вещи проистекают из одного ограничения: отсутствия возможности двигаться по прямой.

Если вы движетесь по кругу, то должно быть нечто такое, что либо тянет, либо толкает вас внутрь, заставляя непрерывно менять направление. Это касается всего, что вращается, независимо от конкретной ситуации. Если убрать эту дополнительную силу, вы продолжите движение по прямой линии. Таким образом, если вы хотите двигаться по кругу, то в вашем распоряжении должно быть что-то, что обеспечит дополнительное усилие, направленное внутрь. Чем быстрее вы вращаетесь, тем большим оно должно быть. Гонки по замкнутому кругу относятся к числу наиболее зрелищных видов спорта: у них такое же достоинство, как и у всего, что вращается. Вы можете достигать огромных скоростей на сравнительно небольшом «пятачке», и зрителям не нужно гоняться за вами, чтобы не упустить деталей. Помещения для гонок в основном делают очень длинными, чтобы гарантировать, что на гонщиков будет воздействовать сила, направленная внутрь и достаточная для того, чтобы гонщика не вынесло за пределы трека. Самые очевидные примеры таких зданий – крытые велотреки. Но когда я впервые оказалась на одном из них, меня поразили не столько его размеры, сколько крутизна.

Всю жизнь я обожала кататься на велосипеде, но этот велотрек не имел ничего общего с моими представлениями о велосипедной езде. Оказавшись на Олимпийском велодроме в Лондоне, я была поражена его ярким освещением, необъятностью размеров и необычной тишиной, царящей внутри. Желающим попробовать себя «в деле» (а я не могла упустить такой шанс) предлагают усесться на невзрачный, «тощий» гоночный велосипед с единственной зубчатой передачей, без тормозов и с самым неудобным сиденьем из тех, на какие мне когда-либо приходилось усаживаться. Когда наконец собралась группа из таких же, как я, новичков, нас вывели на трек. Чтобы усесться на велосипед и поставить ноги на педали, нужно было крепко держаться за поручни трека. Гоночный трек состоит из двух длинных сторон, на которых можно двигаться по прямой, и двух коротких, чрезвычайно крутых (местами крутизна достигала 43°) участков (виражей), – настолько крутых, что создается впечатление, будто перед вами просто отвесная стена. Проехать по ней на велосипеде казалось мне совершенно немыслимым. Впрочем, отступать было поздно. Гоночный трек ждал нас.

Сперва нам предложили прокатиться по ровной дорожке, расположенной внутри главного трека. Ее поверхность была идеально гладкой, и мы получили истинное удовольствие. Затем нам посоветовали попробовать свои силы на голубой дорожке, расположенной под относительно небольшим углом к горизонту. С этой задачей наша группа справилась довольно легко. А потом, чувствуя себя птенцами, которых выпихивают из гнезда, чтобы они научились летать, мы поплелись на главный трек.

Впереди меня ждал неприятный сюрприз. Я-то думала, что вираж имеет переменную крутизну: внизу поменьше, вверху – побольше. Ничуть не бывало! Вверху и внизу его крутизна одинакова. Инстинкт мне подсказывал, что при входе в вираж нужно как можно быстрее крутить педали; именно так я и поступала. После первых трех кругов я напрочь забыла о чрезвычайно неудобном сиденье моего велосипеда. Мы преодолевали круг за кругом, подобно полоумным хомячкам, вертящимся в гигантском беличьем колесе, и лишь время от времени останавливались, чтобы инструкторы могли проверить наше состояние. В течение всех двадцати пяти минут, пока мы наматывали круги, меня всякий раз охватывал ужас при приближении к виражу. Но я ведь только училась!

В трековых велогонках задача гонщика – наклонить велосипед внутрь настолько, чтобы он составлял прямой угол с дорожкой. Единственный способ этого добиться, не свалившись по склону вниз, – ехать как можно быстрее. В этом случае происходящее с гонщиком на треке напоминает ситуацию с размешиванием ложечкой чая в чашке. Велосипед хочет продолжать двигаться по горизонтали, но не может, поскольку на его пути лежит вираж. Обратное отталкивание от трека создает силу, направленную внутрь, благодаря которой вы можете двигаться по кругу. Велосипед настолько сильно надавливает на трек, что если силу этого давления сложить с силой земного притяжения, то создается впечатление, будто сила земного притяжения изменила направление. Теперь все выглядит так, словно вы притягиваетесь к треку, а не вниз, к центру Земли. Чем быстрее вы крутите педали, тем больше изменяете направление «результирующей» силы земного притяжения. Ощущение, что вы движетесь по отвесной стене, не покидает вас, но по крайней мере появляется чувство, что вас удерживает от падения нечто хорошо вам знакомое.

С теоретической точки зрения ничего непонятного для меня нет, но на практике все выглядит несколько иначе. Прежде всего у вас нет возможности немного передохнуть и расслабиться. Вы не можете остановиться и какое-то время двигаться на «свободном ходу» – вам приходится все время крутить педали. Колеса движутся по кругу, ваши ноги движутся по кругу, велосипед движется по кругу – суть езды на велотреке в том и заключается, что все движется по кругу. Пару раз я инстинктивно приостанавливалась, пытаясь сделать передышку хотя бы на две-три секунды, но тотчас же получала гигантскую порцию адреналина из-за угрозы неминуемого и весьма болезненного падения. На велосипедах, предназначенных для гонок на велотреке, вообще невозможно двигаться на «свободном ходу». Вам приходится безостановочно крутить педали, даже если ваши ноги сводит судорога. Если замедлить движение, вы сразу же начинаете «сползать» с трека. Этот опыт позволил мне по-новому взглянуть на велогонщиков, занимающихся этим профессионально. На велотреке во время соревнований, кроме вас, есть и ваши соперники. При попытке обогнать кого-то из них вам приходится проделывать более длинный путь, а для этого необходимо существенно увеличить скорость. Я была счастлива оттого, что мне не нужно прибегать к таким ускорениям – ведь мы не соревновались, а просто осваивали езду на велотреке.

Из опыта езды на велотреке я извлекла следующий урок: если вы все делаете правильно, то более крутые склоны будут оказывать на вас более сильное воздействие, направленное внутрь. А причина, почему оно нужно именно на крутых (то есть на виражах), а не на прямых участках трека, заключается в том, что как раз на полукруглых виражах вы изменяете направление движения. Причем чем быстрее вы это делаете, тем большее воздействие вам необходимо. Если бы вы попытались со столь же высокой скоростью изменить направление движения на плоском (без склона) вираже, то вас неминуемо занесло бы на повороте: одной лишь силы сцепления шин велосипедных колес с покрытием трека оказалось бы недостаточно, чтобы обеспечить нужную силу воздействия, направленного внутрь. Велодром – это следствие решения велогонщиков не ограничивать свое желание наращивать скорость гонок тем, что позволяла им сила сцепления шин велосипедных колес с покрытием дорожки.

Если вас когда-либо интересовало, какие ощущения возникают у однопенсовой монеты, скатывающейся по воронкообразному желобу, в который ее обычно опускают для благотворительных целей, то советую воспользоваться моим опытом езды на велодроме. К концу часа, проведенного на велотреке, я получила изрядную порцию адреналина и была по-настоящему рада завершению эксперимента[60]. Главным, что я узнала о результирующей силе земного притяжения, «втягивающей» меня в трек, стало понимание очень простой вещи: если я внезапно остановлюсь, то на смену результирующей силе придет сила земного притяжения. А мысль о силе земного притяжения, направленной строго к центру Земли, может показаться не очень-то приятной велосипедисту, который внезапно остановился на дорожке, расположенной под углом 43° к горизонту.

Со стороны дорожки на велогонщика воздействует сила, направленная внутрь. По своей природе она такая же, как и та, с которой на нас все время давит земля, когда мы ходим по ней или просто стоим на месте. Если бы земля под нами внезапно разверзлась, то мы начали бы падать вниз под действием силы земного притяжения. Таким образом, сама по себе земля давит на нас снизу, противодействуя тем самым силе земного притяжения. Велогонщики ощущают воздействие со стороны трека, который толкает их в двух направлениях: вверх и внутрь. В целом это будет ощущаться так, словно сила земного притяжения тянет велогонщика вниз и наружу.

В велогонках есть соревнование под названием «быстротечный одиночный заезд на скорость на дистанции 200 метров». Гонщик набирает скорость еще до запуска секундомера. Мировой рекорд в таком заезде, на момент написания этой книги, принадлежал французскому велогонщику Франсуа Первису и равнялся 9,347 секунды. То есть гонщик ежесекундно преодолевает 21 метр, что эквивалентно примерно 76 километрам в час. Чтобы велогонщик прошел на этой скорости вираж велотрека, дорожка должна давить на него внутрь почти с той же силой, с какой толкает его вверх. Франсуа Первис придавливался к дорожке с силой, почти вдвое превышающей обычную силу земного притяжения.

Как было показано в главе 2, постоянная фоновая сила наподобие силы земного притяжения применяется во многих областях нашей жизни, причем некоторые из них (например, сепарация сливок) насчитывают не одну сотню лет. Однако неплохой альтернативой таким силам может служить вращение. Вам не нужно отправляться на другую планету, чтобы воспользоваться преимуществами повышенной гравитации. У велогонщиков, проносящихся по верхнему краю трека, почти всегда есть возможность удвоить свою результирующую силу гравитации, но даже самые быстрые велогонщики в мире достигают «всего лишь» примерно 80 километров в час. Теоретически вы можете двигаться еще быстрее, испытывая на себе действие все больших сил.

Вспомните, как в главе 2 мы говорили, что гравитация помогает каплям сливок отделиться от остального молока и подняться к горлышку бутылки. Если сила, тянущая молоко вниз, будет по крайней мере такой же, как сила земного притяжения, то для отделения сливок от молока понадобится всего два-три часа. Но если молоко поместить в длинную трубку и заставить ее вращаться с высокой скоростью, то сила вытягивания, направленная наружу, окажется настолько большой, что сливки удастся отделить от остального молока буквально за несколько секунд. Именно на этом принципе основано действие современных молочных сепараторов – мы не можем сидеть и ждать, пока сливки отделятся от остального молока сами по себе. У современной пищевой промышленности нет времени на подобную роскошь. Вращение чего-либо создает тянущую силу, которая может быть сколь угодно большой – для ее увеличения нужно лишь повышать скорость вращения. На этом принципе основано действие центрифуги, то есть вращающейся «руки», которая держит контейнер с интересующим нас объектом. В ходе очень быстрого вращения «руки» этот объект, испытывая на себе действие огромной силы, буквально расплющивается о наружную стенку контейнера.

Внутренние силы, возникающие во время вращения, можно сделать настолько мощными, что компоненты, которые ни за что бы не удалось разделить лишь за счет силы тяжести, с их помощью можно отделить друг от друга. Например, если вы когда-либо сдавали кровь на анализ на малокровие, то вам, наверное, будет интересно узнать, что лаборанты поместят ее в центрифугу, которая вращается с такой большой скоростью, что сила, воздействующая на пробу крови в центрифуге и направленная наружу, примерно в двадцать тысяч раз превышает силу земного притяжения. Красные кровяные тельца чересчур малы, чтобы отделять их в обычных условиях только за счет силы тяжести, однако они не в состоянии противостоять силам, создаваемым центрифугой. При обработке в центрифуге достаточно всего пяти минут, чтобы почти все красные кровяные тельца вытянуть из центра центрифуги наружу, в нижнюю часть трубки. Красные кровяные тельца обладают большей плотностью, чем жидкость, в которой они содержатся, поэтому первыми попадают в нижнюю часть трубки. А после того как они там окажутся, трубку можно вынуть из центрифуги, чтобы непосредственно измерить содержание красных кровяных телец в вашей крови: для этого нужно измерить толщину самого нижнего слоя в трубке. Это очень простой тест, который может указывать на наличие определенных проблем со здоровьем; также он используется для взятия проб на допинг у спортсменов. Если бы не силы, создаваемые вращением, выполнить такое измерение было бы гораздо труднее и обошлось бы оно намного дороже. Применить эти силы можно к объектам побольше, чем пробы крови. Одна из крупнейших центрифуг в мире предназначена для вращения человека.

Многие из нас завидуют астронавтам, которые за время пребывания на борту космического корабля получают незабываемые впечатления: могут наблюдать нашу прекрасную планету из космоса, проводить потрясающие научные эксперименты и даже выходить в открытый космос, а после возвращения на Землю рассказывать всевозможные забавные истории из жизни обитателей космической станции и выслушивать слова восхищения в адрес обладателей самой необычной и трудной профессии в мире, доступной лишь немногим избранным. Но спросите у людей, в чем основная причина такой зависти, и чаще всего услышите в ответ: невесомость. Возможность свободно плавать в пространстве, где отсутствуют такие понятия, как «верх» и «низ», и где вы не испытываете чувства тяжести своего тела, как правило, приводит людей в восторг. Именно поэтому людям прежде всего кажется странным, что в процессе подготовки астронавтов так много внимания уделяется решению обратной проблемы: умению справляться с воздействием на человеческий организм сил, намного превосходящих силу земного притяжения. Единственный (по крайней мере на данный момент) способ доставить человека в космос – это усадить его в ракету, которая способна преодолеть силу гравитации за счет движения с огромным ускорением. Еще более сложную проблему приходится решать при возвращении космического корабля на Землю: его вхождение в земную атмосферу может создавать силы, в четыре-восемь раз превосходящие силу гравитации. С воздействием примерно аналогичных сил приходится справляться пилоту современного истребителя, совершающего фигуры высшего пилотажа на огромной скорости. Если во время подъема в скоростном лифте вы испытываете легкий приступ тошноты, можно с уверенностью сказать, что профессии военного летчика и астронавта не для вас. В зависимости от направления дополнительных сил ускорения происходит либо резкий прилив крови к мозгу, либо резкий ее отток от мозга, причем порой и тот, и другой настолько сильные, что могут разрушить мельчайшие кровеносные сосуды (капилляры), пронизывающие кожу человека. Последствия подобного разрушения бывают не самыми приятными. Но люди способны не только пережить воздействие таких сил, но и работать при этом. Именно эти испытания выпадают на долю астронавтов при возвращении космического корабля на Землю. И чтобы астронавты с честью их преодолевали, необходимы упорные и продолжительные тренировки на земле.

Все нынешние астронавты и космонавты проводят много времени в Центре подготовки космонавтов имени Юрия Гагарина, расположенном в Звездном городке на северо-востоке от Москвы. Среди многочисленных лекционных залов, помещений с медицинским оборудованием и макетов космических кораблей вы обнаружите центрифугу ЦФ-18. Из центра огромного круглого зала тянется 18-метровая стрела центрифуги. Капсулу, закрепленную на конце стрелы, можно заменять в зависимости от того, что испытывается в том или ином случае. Тест, который предстоит пройти кандидату на полет в космос, сводится к следующему: его усаживают в капсулу центрифуги, после чего стрела начинает вращаться со скоростью один оборот за каждые две или четыре секунды. Такая скорость вращения на первый взгляд не слишком впечатляет, но, выполнив несложные подсчеты, можно выяснить, что сама капсула при этом движется по кругу со скоростью либо 190, либо 95 километров в час. Как только станет понятно, что кандидат на полет в космос способен выдержать такие условия, ему предлагают выполнять в них ту или иную работу. При этом непрерывно отслеживается состояние его организма. Тестирование на центрифуге проходят не только будущие космонавты, но и будущие летчики-испытатели, а также летчики современных истребителей. На центрифуге может попробовать свои силы любой желающий – если, конечно, в состоянии выложить за это кругленькую сумму. Следует лишь иметь в виду, что испытание на центрифуге вызывает не самые приятные ощущения. А если точнее, то очень неприятные. Но если вы хотите проверить себя на прочность воздействием очень большой силы, то лучшего способа, чем испытание на центрифуге, не найти.

Центрифуга – один из способов применения сил, создаваемых вращением. Она позволяет сгенерировать очень большую силу, действующую в одном направлении и рассматриваемую как искусственная гравитация. Но существует и второй способ применения сил, возникающих при вращении. И помешиваемый ложечкой чай, и велосипедист на велотреке, и астронавт в центрифуге помещены в довольно жесткие рамки: все они двигались лишь по кругу, поскольку для них был воздвигнут прочный барьер, отталкивающий их в обратную сторону и не позволяющий вырваться за его пределы. Но что, если при вращении вовне нет ничего такого, что могло бы принуждать вас двигаться по строго фиксированному круговому пути? Вот довольно типичный сценарий. Мячи для игры в регби, вращающиеся волчки и «летающие тарелки» вращаются без воздействия какой-либо внешней силы, толкающей их внутрь. Давайте рассмотрим это на примере чего-нибудь хорошо знакомого и съедобного, скажем пиццы.

На мой взгляд, у идеально приготовленной пиццы должно быть тонкое и хрустящее основание – жизненно важный, но зачастую недооцениваемый фундамент, который придает особенно привлекательный и аппетитный вид ее начинке. Заготовка для пиццы имеет вид круглого комка хорошо вымешанного теста. Чтобы сделать из него тонкий лист, не порвав, требуется незаурядное мастерство. Более того, многие превращают его в подлинное искусство, а процесс приготовления основы для пиццы принимает вид некоего театрального действа. Повара, специализирующиеся на приготовлении пиццы, освоили чрезвычайно зрелищный прием, положившись на свойства вращения. Зачем вручную раскатывать комок сырого теста, если можно задействовать один из фундаментальных законов физики – особенно когда летающий диск из теста создает вокруг вас мистический ореол кулинара-кудесника!

Подбрасывание и верчение комка теста превратилось в своего рода спортивное состязание – сейчас даже проводят ежегодные чемпионаты мира по жонглированию тестом для пиццы. Более того, даже появились люди, которые называют себя пицца-акробатами. Они проделывают с заготовкой для пиццы (или даже с двумя) всевозможные трюки: в течение нескольких минут подбрасывают ее высоко в воздух, ловят на лету, вращают на пальце, прокатывают вокруг собственного тела и даже демонстрируют всевозможные приемчики в положении вверх ногами и опираясь лишь на одну руку. Вряд ли кто-то отведает пиццу, претерпевающую столько манипуляций, но само по себе зрелище производит неизгладимое впечатление. Однако рядовые мастера не работают на публику: им достаточно непродолжительного вращения заготовки из теста, чтобы получить очень тонкий лист, который послужит основой для превосходной на вид и аппетитной пиццы. Какова же роль вращения в создании тонкого листа из теста?

Несколько моих друзей, больших любителей пиццы, недавно пригласили меня в один уютный ресторанчик с открытой кухней. Я спросила у кого-то из обслуживающего персонала, можно ли понаблюдать за процессом приготовления заготовок для пиццы. Молодые итальянские повара посмеялись в ответ, но потом выбрали добровольца, который согласился продемонстрировать свое мастерство. Немного смущаясь, но в то же время гордясь возможностью покрасоваться на публике, он слегка размял и расплющил в руках комок теста, придав ему форму небольшого толстого диска. Затем поднял этот диск в руке и легким движением придал ему вращение. Диск набрал обороты.

Дальнейшие события происходили с молниеносной быстротой. Диск взмыл в воздух, внезапно освободившись от воздействия каких-либо сторонних сил. Процессы, происходящие при этом, проще всего объяснить, рассматривая какую-либо отдельно взятую точку на краю диска. Она движется по кругу – но только потому, что является составной частью диска и он втягивает ее внутрь. Эта тянущая сила, направленная внутрь, необходима, чтобы объект вращался. В случае велосипедиста, движущегося по велотреку, дорожка все время отталкивает велосипед от наружной части велотрека, заставляя велосипедиста постоянно сворачивать внутрь и кружить таким образом по треку, вместо того чтобы продолжать двигаться по прямой линии. Когда речь идет о заготовке для пиццы, именно стягивающая сила, действующая из середины заготовки, заставляет ее края принимать форму окружности. В том и другом случае должна действовать сила, направленная к центру вращения. Но заготовка для пиццы мягкая и эластичная. Если вы тянете ее, она растягивается. Середина заготовки стягивает ее края внутрь, но это говорит о наличии силы, действующей в обратном направлении и тянущей края заготовки наружу. Поэтому заготовка должна растягиваться. Когда любой твердый объект вращается, это вращение создает внутри него невидимые силы. Сила, тянущая внутрь и придающая заготовке компактную круглую форму, растягивает заготовку, и ее края расходятся все дальше и дальше от центра. Особая ценность этого обстоятельства для мастера по приготовлению пиццы заключается в том, что сила, тянущая внутрь, действует строго равномерно и симметрично по всей площади заготовки. Вращается вся заготовка целиком, поэтому вся она растягивается равномерно и симметрично в направлении от центра.

Иногда вы можете ощутить действие сил, тянущих внутрь, на самом себе. Если взять в руки сумку с каким-либо достаточно тяжелым предметом внутри и попытаться вращаться «волчком» вокруг собственной оси, то вы почувствуете действие тянущей силы, растягивающей вашу руку. Эта сила, тянущая сумку к оси вращения, обеспечивает возможность ее вращения по кругу. К счастью для вас, ваша рука куда менее эластичная, чем тесто для пиццы, поэтому она остается неизменной. Но чем длиннее ваша рука и чем быстрее вы вращаетесь, тем большую тянущую силу будете ощущать.

Итак, пока тесто для пиццы вращалось в воздухе, та же тянущая сила, которая поддерживала движение его края по окружности, постепенно растягивала его от центра в стороны. Я полагаю, тесто находилось в воздухе менее секунды, но это был довольно толстый блин, когда оно поднималось, и красивый тонкий гладкий круг, когда опускалось. Мастер продолжил вращать заготовку и еще раз отправил ее в воздух. Однако на сей раз тянущие силы оказались настолько большими, что она разорвалась посередине. Одним словом, мне показалось, что мастер слегка перестарался. Будто отвечая на невысказанную мною мысль, он скромно улыбнулся: «Именно поэтому мы обычно ограничиваемся лишь одним сеансом вращения. Вообще говоря, тесто, из которого получается наилучшая пицца, не очень-то подходит для вращения, потому что слишком мягкое. Поэтому нам не остается ничего другого, как раскатывать его вручную на доске»[61]. Кстати, заготовки, используемые во время соревнований пицца-акробатов, изготавливаются на основе особого рецепта – потому они такие прочные и эластичные. Если из такого теста приготовить пиццу, не факт, что она вам понравится. Сила, тянущая внутрь и действующая на краях пиццы, может в пять-десять раз превысить силу земного притяжения. Именно поэтому заготовка растягивается гораздо быстрее, когда вы ее вращаете, чем в случае, когда просто поднимаете в воздух и отпускаете, после чего она падает под действием собственного веса.

За вращением заготовки для пиццы интересно наблюдать, потому что она изменяет свою форму в ответ на силы, скрывающиеся в ней самой. Вращение чего бы то ни было (например, мяча для регби или диска «фрисби» – «летающей тарелки») создает тянущую силу, направленную от центра к краю, но вы можете даже не подозревать о ее существовании в твердых предметах наподобие мяча для регби или «летающей тарелки», поскольку они настолько прочны, что не растягиваются. По крайней мере растягиваются так мало, что это невозможно заметить. Однако растяжение происходит в любом случае. Это утверждение относится даже к Земле.

Вращаясь вокруг Солнца, наша планета вращается и вокруг собственной оси и, подобно тесту для пиццы, растягивается силами, которые втягивают каждый ее кусочек внутрь, заставляя его вращаться по кругу. К счастью, гравитация достаточно велика, чтобы предотвратить последствия вроде повреждения заготовки для пиццы, и Земля в основном сохраняет свою сферическую форму. Впрочем, у Земли есть нечто под названием «экваториальное утолщение». Этот термин выглядит как эвфемизм для обозначения тех, кто не привык отказывать себе в еде. Находясь на экваторе, вы оказываетесь на 21 километр дальше от центра планеты, чем тот, кто стоит на Северном полюсе. Земля существует как единое целое благодаря силе гравитации, но форму ей придает вращение вокруг собственной оси. Таким образом, несмотря на то что Эверест – самая высокая гора на планете, ее вершина не является точкой наибольшего удаления от центра Земли, такой точкой будет Чимборасо, вулкан в Эквадоре. Его высота – 6268 метров над уровнем моря, тогда как высота Эвереста – 8848 метров над уровнем моря, но Чимборасо расположен на вершине экваториального утолщения. Поэтому, стоя на вершине Чимборасо, мы находимся примерно на 2 километра дальше от центра Земли, чем тот, кому удалось взобраться на вершину Эвереста. Впрочем, покорение вершины Чимборасо вряд ли принесет вам такую же славу, как восхождение на Эверест.

В целом силы, генерируемые вращением, могут быть полезны в двух отношениях. Один из примеров – пицца. Вращение объекта в условиях отсутствия какие-либо внешних ограничителей создает тянущую силу, направленную внутрь этого объекта и обеспечивающую его целостность во время вращения. Другой пример – велосипедист на велотреке: если для некоего вращающегося объекта создать преграду, отталкивающую его в обратную сторону, то на объект будет воздействовать значительная сила, подобная силе земного притяжения. Но общее у этих двух примеров то, что любая тянущая сила, направленная внутрь, должна откуда-то исходить. При ее исчезновении объект не сможет продолжить круговое движение.

Сохранять свою целостность способен лишь твердый объект вроде теста для пиццы. Жидкостям и газам это не присуще[62]. Такая разница чрезвычайно полезна при наличии смеси твердых объектов и жидкостей, которые необходимо отделить друг от друга. Работа центрифуги для отжима белья заключается в том, что мокрое белье загружается в барабан, который в процессе вращения толкает мокрое белье внутрь, заставляя вращаться вместе с собой. Но воду, которой пропитано белье, ничто не удерживает. Поскольку ее движение ничем не ограничивается, она может свободно вытекать сквозь поры в материале. Вода будет двигаться по кругу, только если будет отталкиваться внутрь от чего-либо твердого. В противном случае она будет постепенно продвигаться от центра к стенкам барабана, и когда на ее пути встретится в них одно из отверстий, она покинет пределы барабана.

Когда вы раскручиваете какой-либо объект, а затем предоставляете его самому себе, вы сначала оказываете на него тянущее воздействие, направленное внутрь, заставляя его двигаться по кругу, а затем внезапно прекращаете оказывать тянущее воздействие. В результате у объекта нет причины продолжать движение по кругу. Поэтому он начинает двигаться по прямой линии. Этот физический принцип революционизировал средневековые средства ведения войны в Европе и восточной части Средиземноморья, позволив инженерам создавать гигантские осадные орудия, способные разрушать толстые крепостные стены. И я воспользовалась им, участвуя в соревнованиях по метанию резиновых сапог на дальность, правда, не столь эффективно.

Когда мне сообщили о присвоении ученой степени доктора философии, я, безусловно, была на седьмом небе от счастья. Представитель экзаменационной комиссии, сообщивший мне эту радостную весть, улыбнулся и спросил, как я намерена провести остальную часть столь знаменательного для меня дня. Наверное, он рассчитывал услышать, что я закачу шумный банкет в ресторане или нечто в этом роде. Однако он никак не ожидал, что я скажу, что собираюсь отыскать в кембриджширских окрестностях какого-нибудь фермера, который согласился бы одолжить мне одну или две старые шины от колесного трактора. Я объяснила, что придумала оригинальное устройство для метания резиновых сапог, которое намерена соорудить из подручных материалов и подходящего хлама на свалке. Поскольку ближайшие соревнования по метанию резиновых сапог на дальность должны были состояться уже через неделю, времени на изготовление придуманного мною устройства оставалось в обрез и я не намерена была его тратить на такие пустяки, как банкет. Когда экзаменатор выслушал мои объяснения, на его лице появилось выражение недоумения. В конце концов он сделал вид, что ничего у меня не спрашивал, а я, соответственно, ничего не рассказывала. Он предпочел быстро переключиться на обсуждение моих ближайших научных планов. Но то, что я ему сказала, было чистой правдой. К тому времени я уже согласилась стать членом исключительно женской команды, чтобы участвовать в соревнованиях под названием Scrapheap Challenge, суть которых состояла в создании какого-либо оригинального приспособления для метания резиновых сапог. В нашей команде было три человека, очень мало денег и времени. И насколько мне казалось, единственный осуществимый вариант в этих условиях сводился к использованию древней и весьма эффективной технологии – катапульты.

Катапульта – чрезвычайно остроумное приспособление, которое разрабатывалось и совершенствовалось на протяжении многих столетий с участием нескольких цивилизаций: Древний Китай, Византия, древние исламские государства и, наконец, Западная Европа. На рубеже XI–XII веков катапульта выглядела громадным неуклюжим хищником, способным уничтожать крепостные сооружения, считавшиеся неприступными. Катапульта могла метать 100-килограммовые камни на расстояния, измеряемые сотнями метров. Появление осадных орудий наподобие катапульты привело в конечном счете к полному исчезновению такого способа защиты городов, как частокол, укрепленный земляным валом. Единственным средством защиты с тех пор стали массивные каменные стены.

Для меня и моей команды преимущества катапульты оставались такими же, как и в древности: простота с инженерной точки зрения и высокая эффективность с точки зрения достигаемого результата. Строительные леса мы позаимствовали на ближайшей стройке; в контейнере для крупногабаритного мусора, установленном во дворе колледжа, раскопали материалы, необходимые для изготовления пращи; уговорили техников из Кавендишской лаборатории одолжить нам пятиметровую стальную балку, свели все это воедино на одной из игровых площадок колледжа и приступили к работе. К тому времени колледж Черчилля в Кембриджском университете стал для меня родным домом – ведь я провела в нем восемь лет. За это время его персонал успел привыкнуть и ко мне, и к моим изобретениям. Оглядываясь назад, я не перестаю изумляться долготерпению его работников и даже их доброжелательному отношению к сумасбродным идеям, время от времени зарождавшимся в головах студентов. На противоположной стороне игровой площадки, где мы сооружали катапульту, на той же неделе кто-то проверял работу воздушного шара, который они намеревались отправить в стратосферу, подвесив к нему плюшевого медвежонка.

В принципе конструкция катапульты (точнее, ее разновидности, называемой требушет) очень проста. Вы сооружаете раму, которая создает центр вращения, находящийся на расстоянии 2–3 метров от земли. Затем прикрепляете к ней длинную балку наподобие детских качелей (в виде доски, уравновешенной в центре), но, в отличие от них, ось вращения устанавливается таким образом, чтобы длина балки по одну сторону от нее была гораздо больше длины балки по другую ее сторону. Теперь у вас получилась А-образная рама, которая выглядит так, словно поверх нее положили длинную палку. В исходном положении длинный конец балки касается земли. Вы прикрепляете к нему пращу и укладываете ее на землю под рамой. День, когда мы впервые собрали эту конструкцию, был почти безветренным и солнечным. Одним словом, условия для испытаний были близки к идеальным.

С самого начала мы столкнулись с проблемой. Восхитительная особенность требушета (если, конечно, вы не мишень для камня) в том, что для придания вращения балке (и, соответственно, праще) используется сила земного притяжения. Вы прикрепляете тяжелый груз к короткому концу балки, и, когда отпускаете его, он очень быстро тянет вниз ее короткий конец. Вся балка начинает вращаться вокруг оси, описывая в воздухе вертикальный круг; праща также вращается вместе с другим концом балки. В результате создается очень быстрое вращение, а метательный снаряд в праще вращается вокруг оси, поскольку со стороны пращи на него воздействует тянущая сила, направленная внутрь. Поначалу процесс развивался так, как и должен. Наша первая задача состояла в том, чтобы добраться до этого момента, но нам не удавалось найти достаточно большой груз, который привел бы весь механизм в действие. Я предложила себя в качестве такого груза, однако мой вес оказался недостаточным. Мы пришли в замешательство. В тот вечер я выплеснула все накопившееся раздражение на нескольких друзей, которые предложили мне съесть побольше пирожных, чтобы срочно набрать вес. Затем кто-то из них выдвинул идею утяжелить вес, надев снаряжение аквалангиста. Она показалась мне разумной. На следующий день я надела десятикилограммовый утяжеляющий пояс, которым обычно пользуются аквалангисты, и мы повторили попытку. На этот раз эксперимент удался на славу. Я качнулась под ось, а праща качнулась в противоположную сторону, оказавшись над осью. Механизм требушета обеспечивал вращение. Теперь настал момент сделать следующий шаг.

Праща подвешивается на балку небольшой петлей. Нужно, чтобы в момент, когда праща окажется почти в самой высокой точке, петля соскользнула с балки. При этом праща, по сути, разрушается. Это означает, что сила, которая тянула метательный снаряд внутрь и заставляла двигаться по кругу, внезапно исчезла. Прямо перед этим метательный снаряд в праще очень быстро двигался вперед и вверх. Как только на него перестает действовать тянущая сила, направленная внутрь, он начинает двигаться по прямой линии. Поскольку до этого он двигался вперед и вверх, то продолжает движение по прямой, направленной вперед и вверх. Но он не движется непосредственно из центра вращения, а продолжает движение по касательной к окружности вращения. По крайней мере так гласит теория. Мы поместили в пращу туфлю и приготовились к метанию. Я уселась на короткую сторону «качели», лицом к ее длинной стороне, и налегла на нее всем своим весом. Другой конец «качели» качнулся вверх и потянул за собой пращу, подняв над осью. Точно в нужный момент (с первого раза!) праща освободилась и туфля пронеслась над моей головой, упав на другом конце площадки. У меня никогда не возникло бы желания провести такой же эксперимент с камнем – туфли оказалось вполне достаточно. Оставалось проверить, справится ли наш требушет с резиновым сапогом, который нам предстояло метать во время соревнований. Попрактиковавшись немного и убедившись, что с сапогом тоже не должно возникнуть проблем, мы разобрали катапульту. Ведь уже завтра предстояло доставить ее к месту соревнований.

Прибыв на следующий день на соревнования, мы утратили уверенность, переполнявшую нас накануне. Команды, с которыми нам предстояло сразиться, состояли в основном из мужчин среднего возраста. По-видимому, они провели не один месяц в гаражах, конструируя оригинальные метательные приспособления. Даже беглого взгляда на представленные ими механизмы было достаточно, чтобы понять, насколько серьезно они отнеслись к созданию этих устройств, каждое из которых можно было принять за выставочный экспонат. Наша катапульта, наскоро собранная из подручных средств и хлама, найденного на свалках, выглядела весьма непрезентабельно на фоне этих шедевров инженерной мысли. Мы, конечно, постарались напустить на себя важный вид и быстро ее собрали. Организаторы соревнований (также мужчины среднего возраста) подошли к нам поближе, чтобы взглянуть на наше изобретение. «Метать с помощью этого устройства – глупая затея, – заявил один из них. – Вам следовало бы поучиться у оружейных мастеров Средневековья и просто тянуть рычаг вниз с помощью каната. Такой механизм был бы намного эффективнее». Мои возражения, что именно противовес был изобретением, обеспечившим успех этого механизма, были встречены скептическими ухмылками. Причина, из-за которой он не стал мощным осадным орудием вплоть до XI века, в том и заключается, что люди пытались приводить его в действие мускульной силой человека. Но наши оппоненты продолжали настаивать на своем, доказывая, что гораздо разумнее было бы тянуть за канат, намекали, что таким неопытным, хоть и полным энтузиазма женщинам, как мы, было бы неплохо прислушаться к советам мужчин, понимающих толк в технике, и вообще, быть благодарными за помощь. Эти препирательства длились бы не один час, если бы мои подруги не проявили мудрость, согласившись с доводами оппонентов. Времени для споров у нас не было – приближался момент начала соревнований.

В рамках первого задания нужно было в течение двух минут метнуть как можно больше резиновых сапог за отметку примерно в 25 метрах от места метания. Лучшие пять команд допускались ко второму этапу соревнований, в ходе которого предстояло метать сапоги на дальность. Итак, секундомер был включен. Мы втроем тянули за канат, поворачивали «качель» и запускали пращу. Но первый сапог едва не расшиб нам головы. Нам не удавалось тянуть вниз достаточно быстро, чтобы заставить «качель» вращаться должным образом. Мы попытались еще раз. И еще раз. Затратив примерно минуту, мы поняли, что придется отказаться от навязанной нам идеи тянуть канат. Я убедила подруг вернуться к первоначальной идее, надела на себя утяжеляющие приспособления аквалангиста, вскочила на небольшой шкаф для хранения документов, который мы использовали в качестве платформы, и нырнула под поворотную ось катапульты. Р-р-раз! И первый сапог просвистел над моей головой, улетев далеко за 25-метровую отметку. Помещаю в пращу следующий сапог, вскакиваю на платформу, наваливаюсь всем своим весом на короткое плечо «качели» – сапог проносится со свистом над моей головой! Следующий сапог… Но тут раздался свисток: наше время истекло. Двух сапог, перелетевших 25-метровую отметку, было недостаточно. Нас не допускают к следующему этапу. Мужчины среднего возраста сочувствуют нам: в другой раз вам повезет больше. Мне не хотелось встречаться глазами с тем из них, кто посоветовал тянуть за канат. Я опасалась, что если заговорю с ним, то выскажу все, что думаю о нем и его советах. Тем не менее я испытывала чувство большого удовлетворения: предложенная мной конструкция сработала – причем именно так, как я ожидала! Нам удалось сражаться на равных с метательными приспособлениями, создатели которых потратили не один месяц, чтобы довести их до совершенства. Единственное, что нас подвело, это изменение плана буквально в последнюю минуту[63]. Между прочим, насколько я могла понять, большинство других конструкций, использованных нашими конкурентами, основывалось на значительно менее эффективных методах. У них был привлекательный внешний вид, зато на нашей стороне – физическая эффективность и простота.

Таким образом, мой личный опыт применения требушетов несколько ограничен, но восемьсот лет назад эта простая и элегантная идея революционизировала методы ведения войны. Способность метать тяжелые камни с высокой точностью означала, что вы можете методично долбить одно и то же место крепостной стены, пока она в этом месте не разрушится. Примерно на протяжении двух веков конструкции требушетов непрерывно совершенствовались, а их размеры становились все больше. Они даже получали красноречивые названия вроде «Камнеметатель господень» и «Вервольф». Для создания огромных катапульт требовалось много древесины, но способность запускать каждые несколько минут в сторону врага очередной 150-килограммовый камень того стоила. Вращение пращи с камнем вокруг оси позволяет достичь очень высокой скорости за очень короткий промежуток времени. Это вращение может быть кратковременным – вы используете его лишь как способ достичь высокой скорости. Как только метательный снаряд обретет ее, вы убираете тянущую силу, направленную внутрь, в тот самый момент, когда он окажется в нужной точке описываемой им окружности (то есть, по сути, когда снаряд, будучи освобожден от действия тянущей силы, станет двигаться в нужном вам направлении). До момента, когда надежность пороха стала достаточной для того, чтобы пушка превратилась в важнейший вид оружия, требушет, с точки зрения разрушительной силы, оставался непревзойденным оружием своего времени.

Вращение – неизменный атрибут нашей жизни. Например, прямо сейчас вы и я вращаемся. Раз в сутки мы совершаем полный оборот вокруг земной оси, хотя мы, конечно, этого не ощущаем, поскольку Земля так велика, что мы очень медленно изменяем направление движения. Если бы мы находились на экваторе, наша скорость движения составляла бы 1670 километров в час. В Лондоне, где я пишу эти строки, моя скорость равна 1050 километров в час, так как я нахожусь ближе к оси вращения. Но если мы обитаем на огромной планете, вращающейся вокруг собственной оси и если любой незакрепленный объект, находящийся на поверхности вращающегося предмета, обязательно слетит с нее и умчится по прямой линии, когда мы перестанем его удерживать, – то почему мы не срываемся с поверхности Земли и не улетаем по прямой в открытый космос? Ответ заключается в том, что сила тяжести, направленная к центру Земли, достаточна для того, чтобы удержать нас на ее поверхности. Вообще говоря, даже когда вы находитесь на околоземной орбите, планета продолжает удерживать вас. А когда поднимаетесь с поверхности Земли на околоземную орбиту, дополнительная скорость, придаваемая вам вращением Земли, может стать чрезвычайно полезным фактором.

Небольшой металлический шарик под названием «Спутник» подал первые сигналы с околоземной орбиты 4 октября 1957 года, что возвестило о начале космической эры. Мир с открытым ртом прислушивался к этим слабым сигналам. Первый искусственный спутник Земли стал огромным технологическим достижением человечества. Спутник совершал один полный оборот вокруг Земли каждые девяносто шесть минут, и если у вас был коротковолновый приемник, то каждый раз, когда спутник пролетал над вами, вы могли слышать его отчетливые сигналы: «бип… бип… бип…» В тот день Америка проснулась, уверенная в своем безоговорочном превосходстве над остальными странами, а к вечеру ее уверенность успела развеяться, как утренний туман. А примерно через год Советский Союз отправил на околоземную орбиту второй, более крупный спутник с собакой по имени Лайка на борту. Запаниковавшие американцы в космос никого не отправили, но учредили НАСА (Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства). Начались нешуточные «космические гонки».

Но в чем заключалось реальное достижение создателей спутника? Дело в том, что его нужно было не только каким-то образом доставить на высоту околоземной орбиты, но и удержать на ней ровно столько, сколько нужно исследователям, запустившим его в космос. На спутник, вращающийся вокруг Земли по околоземной орбите, продолжает воздействовать сила земного притяжения, а это значит, что он все время падает в направлении Земли – но ему никак не удается с ней сблизиться!

Спутник был запущен в космос из казахстанских степей – того места, которое сейчас называется космодромом Байконур. Ракета, доставившая спутник на околоземную орбиту, преодолела плотные слои атмосферы, двигаясь вертикально вверх, а затем изменила направление полета, совершив ускорение по горизонтали – вдоль кривой, огибающей поверхность Земли. К моменту, когда отработала и отвалилась последняя ступень ракеты, спутник начал вращаться вокруг Земли со скоростью около 8,1 километра в секунду. Когда вы движетесь по околоземной орбите, движение происходит не за счет силы, направленной вверх, а за счет силы, направленной вбок.

Маленький металлический шарик отнюдь не избавился от воздействия силы земного притяжения. Более того, он мог оставаться на околоземной орбите лишь за ее счет. В противном случае, преодолев плотные слои атмосферы и выйдя в космос, он продолжал бы все больше и больше отдаляться от Земли. Когда спутник движется с огромной скоростью по орбите, сила притяжения Земли, воздействующая на него, остается почти такой же, как и непосредственно у поверхности Земли[64]. Но поскольку спутник движется с огромной орбитальной скоростью, за то время, в течение которого он слегка снижается над Землей («падает»), он успевает продвинуться вперед настолько, что поверхность Земли вследствие своей кривизны успевает отдалиться от спутника в точности на такое же расстояние, на которое он с ней сблизился. В ходе движения спутника по орбите эта картина все время повторяется: под действием силы земного притяжения спутник все время понемногу снижается, а поверхность Земли вследствие своей кривизны все время понемногу отдаляется от спутника, в результате чего оба процесса взаимно компенсируют друг друга. Этот замечательный баланс постоянно поддерживается, в частности из-за того, что при движении спутника по околоземной орбите практически отсутствует сопротивление воздуха и поэтому спутник может в течение очень длительного времени продолжать движение по орбите.

Чтобы выйти на околоземную орбиту, орбитальная скорость должна быть достаточно высокой: только в этом случае возможно поддержание указанного баланса. А Казахстан изначально обладает весьма значительной боковой скоростью, совершая один полный оборот вокруг земной оси за одни сутки. Чем дальше вы находитесь от оси вращения, тем выше ваша орбитальная скорость. Поэтому, запуская ракеты из какого-либо места вблизи экватора, вы получаете весьма существенное начальное преимущество. Орбитальная скорость порядка 8 километров в секунду необходима для движения по низкой околоземной орбите. Скорость вращения на широте Казахстана приблизительно равна 400 метров в секунду. Поэтому, если запуск осуществляется в восточном направлении, то, учитывая вращение Земли вокруг собственной оси, лишь за счет запуска с территории Казахстана, а не с Северного полюса вы можете сэкономить 5 % энергии, необходимой для достижения требуемой орбитальной скорости.

В центрифуге стиральной машины корпус барабана толкает белье внутрь, не позволяя ему разлететься в стороны. На велодроме тянущая сила, направленная внутрь и не дающая велогонщику вылететь за пределы велотрека, обеспечивается за счет высокой крутизны велотрека. А в случае спутника, возвестившего своими скромными сигналами «бип… бип… бип…» о прорыве человечества в космос, аналогичную функцию выполняла гравитация. Для всего, что вращается, требуется сила, которая все время тянула или толкала бы вращающийся объект в направлении центра вращения. Если бы такая сила внезапно исчезла, то белье в центрифуге стиральной машины и спутник на околоземной орбите начали бы двигаться по прямой линии.

Таким образом, гравитация продолжает играть важную роль даже на высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли. Но, безусловно, самым волнующим событием для человека, оказавшегося в космосе, стала невесомость. Вспомним астронавтов, которые, пребывая в условиях практически нулевой гравитации, отчаянно пытаются не пролить ни капли жидкости, иначе она будет сутками плавать в воздухе. Сейчас на околоземной орбите постоянно находится Международная космическая станция (МКС). Астронавты, пребывающие на ее борту, с гордостью говорят, что выполняют важные задания, но я отнюдь им не завидую. Подумать только: человеку, отправляющемуся на полгода работать на МКС, предстоит в течение шести месяцев падать на Землю! Да-да, они не летят – а все время падают. Подобно спутнику, все время падающему на Землю, астронавты, работающие на борту МКС, пребывают в состоянии непрерывного падения.

Находясь в состоянии свободного падения, вы не можете чувствовать силу тяжести ввиду отсутствия силы, которая толкала бы вас в обратную сторону. Поскольку астронавты не могут испытывать на себе действие какой-либо силы, которая толкала бы их в обратную сторону, они не могут утверждать, что на них действует сила тяжести. Это подобно моменту начала движения лифта, опускающегося вниз: вы ощущаете кратковременное снижение своего веса. Все дело в том, что пол не толкает вас в противоположную сторону с такой же силой, как до этого. Если бы лифт перешел в состояние свободного падения (допустим, у лифта очень глубокая шахта), то вы ощутили бы невесомость. На орбите невозможно избежать гравитации – она просто не ощущается. Но при этом все равно присутствует: ее тянущая сила, направленная к Земле, позволяет вам вращаться вокруг нашей планеты.

Вращение полезно во многих отношениях, но иногда становится досадной помехой. Например, почему бутерброд падает маслом вниз? Вы только что вынули из тостера поджаренный кусочек хлеба и намазали на него слой масла, которое сразу же начало плавиться. В предвкушении удовольствия у вас уже потекли слюнки, но, протянув руку за чашкой чая, вы совершаете неосторожное движение, толкаете локтем тост, и он оказывается на самом краю стола. Остановившись там на какую-то долю секунды и покачнувшись, словно в нерешительности, он в конце концов падает на пол – конечно же, маслом вниз. Подтаявший слой масла, который должен был вызвать у вас массу положительных эмоций, превратился в жирное пятно на полу. И вместо наслаждения поглощением аппетитного тоста вам приходится его убирать, проклиная злой рок, который, как всегда, перевернул ваш бутерброд маслом вниз. Ну почему он переворачивается именно так, а не наоборот?

Все объясняется действием неумолимых законов природы. Разные люди проводили многочисленные эксперименты, в ходе которых безжалостно и целенаправленно сталкивали бутерброды со стола, и в подавляющем большинстве случаев бутерброд падал на пол именно маслом вниз. Конечно, кое-что в этом процессе зависит от начальной фазы его падения, то есть как именно вы сталкиваете его со стола. Но в целом здесь действует неумолимый закон природы, который мы не в силах отменить. Сразу же нужно отметить, что это никак не связано с дополнительным весом масла. Большая его часть уже расплавилась и проникла до середины тоста, но даже если бы масло не расплавилось, в совокупной массе бутерброда его вес составляет лишь незначительную долю.

Прежде всего возникает вопрос: почему бутерброд вообще переворачивается? Это происходит настолько быстро, что заметить момент переворота практически невозможно (с другой стороны, если бы вы внимательно следили за бутербродом, то, наверное, не сбросили бы его со стола, не так ли?). Впрочем, вы можете понаблюдать за этим процессом, если готовы пожертвовать тостом[65] (или хотя бы подставкой под горячее или книжкой подходящих размеров). Итак, положите плашмя тост, который решили принести в жертву, у края стола и столкните его на пол. Обратите внимание: в момент, когда половина тоста пересечет край стола, произойдут две вещи. Во-первых, тост начнет поворачиваться вокруг края стола, который в данном случае играет роль оси вращения. Во-вторых, тост начнет самостоятельно, без внешнего воздействия, соскальзывать за край стола. Соскальзывание, переворот, шлепок на пол.

Итак, вращение начинается, как только большая часть тоста пересечет край стола, поскольку именно в этот момент стол начинает поддерживать меньшую часть тоста. Сила тяжести тянет вниз весь тост. Стол толкает его вверх, но воздух не оказывает практически никакого сопротивления. В момент, когда на краю стола оказывается ровно половина тоста, силы тяжести, которая действует на его свисающую половину, едва хватает на то, чтобы приподнимать ту половину тоста, которая все еще находится на столе. У физиков эту точку, соответствующую половине тоста, принято называть «центром массы». В случае детских качелей она соответствует положению идеального равновесия, когда доска качелей пребывает в строго горизонтальном положении без какого-либо внешнего воздействия.

В момент, когда вы осознали, что тост падает, уже поздно что-либо предпринимать. Как только тост соскользнул с края стола, его падение займет фиксированное количество времени. Если высота стола примерно 75 сантиметров, то на падение уйдет меньше, чем полсекунды. Но как только началось вращение, нет никаких причин для его остановки и в процессе падения тост продолжает вращаться[66]. Поскольку сила земного притяжения всегда одна и та же, а высота всех столов примерно одинакова, тост всегда имеет одинаковую скорость вращения. За 0,4 секунды он повернется на 180 градусов. Так как падение тоста началось с момента, когда масло было вверху, закончится оно в момент, когда масло окажется внизу. Каждый раз физика падения тоста остается в основном одной и той же: тост всегда падает маслом на пол.

Интересно отметить, что в ситуации с падением тоста вы в действительности можете сделать только одно для изменения конечного результата падения[67], но здесь достаточно высок риск неожиданных последствий. Поняв, что нечаянно толкнули тост и он покачнулся на краю стола, вы, согласно законам физики, должны для исправления ситуации придать ему значительную боковую скорость, то есть толкнуть его еще сильнее. После этого, если ваше движение окажется достаточно резким, тост может перелететь через всю комнату, но поскольку в его распоряжении окажется меньше времени на совершение переворота через край стола, скорость его вращения будет гораздо меньше и в процессе падения ему может не хватить времени на переворот на 180 градусов. В результате у вас появляется шанс, что тост не упадет маслом на пол. Правда, без гарантии, что он не упадет на диван или не угодит в вашу собаку.

Тост начинает вращаться, потому что соблюдаются два условия, необходимые для возникновения вращения: во-первых, наличие оси, вокруг которой оно будет совершаться, и, во-вторых, наличие силы, которая заставит тост совершить поворот вокруг оси вращения. Неважно, что эта сила направлена строго вниз и не заставляет тост продолжать движение по окружности. Важно лишь то, что ее вполне достаточно, чтобы придать тосту движение (а становится достаточно после того, как центр массы тоста сместится с края стола и повиснет в воздухе), и что она вынуждает тост совершить поворот вокруг оси вращения хотя бы на небольшой угол. Как только будет инициирован процесс вращения, он продолжится до тех пор, пока что-нибудь его не остановит.

Этот принцип лежит в основе вращения яиц, о котором рассказывалось во введении. Если вы поразмышляете о тех или иных свободно вращающихся объектах – «летающих тарелках», подброшенных вверх монетках, мячах для игры в регби, волчках, – то обратите внимание, что они продолжают вращение как бы сами по себе. Было бы очень странно, если бы подброшенная вверх монетка, находясь в воздухе, внезапно прекратила вращаться еще до того, как опустится вам в ладонь[68]. Все, что вращается, обладает моментом импульса, который является показателем количества вращения соответствующего объекта. Если действие какого-либо фактора (например, трения или сопротивления воздуха) не замедляет вращения, то объект будет вращаться бесконечно долго. Это свойство называется законом сохранения момента импульса. Вращающийся объект будет продолжать вращение, если какое-либо внешнее воздействие его не остановит.

Я совершенно уверена, что в детстве воспринимала головокружение как своего рода игрушку, которая всегда со мной и которую никто не может у меня отнять. Если вам было скучно, вы всегда могли вертеться на месте волчком и наблюдать, кто продержится дольше других, а кто свалится на пол. Мы покатывались со смеху, глядя, как кто-нибудь из нашей компании, совершив столько-то оборотов вокруг собственной оси и остановившись, валился на пол от головокружения. Похоже, что само по себе вращение не создавало проблем. Кратковременная и забавная дезориентация в пространстве наступает, когда вы его прекращаете. Жаль, что взрослые не играют в эту игру: мы могли бы лучше понять себя, если бы вели себя, как в детстве. Ощущение дезориентации в пространстве наступает из-за чего-то происходящего в ваших ушах, что вы не можете видеть, но ваш мозг, несомненно, знает.

Давайте вернемся к вращению сырых и вареных яиц, о котором я рассказывала во введении. Каждое яйцо, еще не очищенное от скорлупы, кладется на бок и раскручивается. Предоставив яйцам возможность вращаться в течение двух-трех секунд, вы быстро касаетесь каждого из них, чтобы остановить вращение. Оба яйца останавливаются. Вы убираете пальцы. После этого одно из яиц возобновляет вращение. Яйцо, будучи твердым предметом, должно остановиться полностью, когда вы останавливаете вращение оболочки. И яйцо, и его оболочка должны вращаться вместе. Но, останавливая сырое яйцо, вы останавливаете только его оболочку. Жидкость внутри нее продолжает вращаться; она не скреплена прочно с оболочкой и поэтому у нее нет причин останавливаться. Таким образом, жидкость толкает оболочку до тех пор, пока та не возобновит вращение.

Когда вы вращаетесь вокруг собственной оси, большая часть вашего тела, к счастью, ведет себя подобно яйцу, сваренному вкрутую: вращается как единое целое. Поэтому, когда вы перестаете вращаться, ваш мозг, и нос, и уши также перестают. Однако это не относится к внутреннему уху. Внутри каждого уха есть небольшие каналы в виде полуокружий, наполненные жидкостью, и именно поэтому они ведут себя подобно сырому яйцу. Жидкость не вращается вместе со своей оболочкой, поскольку к ней не прикреплена. Такое устройство уха наряду с другими механизмами, заложенными в ваш организм, позволяет вашему телу ориентироваться в пространстве: крошечные волоски отслеживают перемещения этой жидкости, а ваш мозг согласует эту информацию с тем, что вы видите. Когда вы поворачиваете голову, жидкость в криволинейном канале не успевает повернуться с той же скоростью; она движется по своим каналам, не поспевая за поворотом вашей головы. Но если вы вращаетесь вокруг собственной оси достаточно долго, эта жидкость также начинает вращаться. Требуется всего две-три секунды, чтобы скорость ее вращения сравнялась со скоростью вращения вашего тела, после чего жидкость в ваших ушах продолжает устойчиво вращаться вместе с каналами, синхронно с движением своего «контейнера». Когда вы внезапно прекращаете вращение, жидкость не останавливается. Подобно сырому яйцу, «контейнер» остановился, но жидкость продолжает вращаться. Таким образом, ваше внутренне ухо сообщает мозгу о том, что вы вращаетесь, а ваши глаза говорят ему, что вы остановились. Именно в момент, пока ваш мозг разбирается, что же происходит на самом деле, вы ощущаете головокружение. Со временем жидкость в вашем внутреннем ухе прекращает вращаться (потому что остановился ее «контейнер») и головокружение проходит.

Это одна из причин, почему балерины, которые крутят фуэте (то есть быстро-быстро вращаются на одном месте), стараются как можно дольше смотреть в одном направлении, а затем, когда тело повернется на достаточно большой угол, очень быстро поворачивают голову вслед за телом (опережая скорость его вращения), чтобы вернуть ее в исходное положение. При столь быстром движении по принципу «старт-стоп» жидкость во внутреннем ухе не успевает синхронизировать свое движение с ритмичным вращением тела, в результате чего балерина, остановившись, не испытывает головокружения.

В сохранении вращательного момента существуют два аспекта. Во-первых, невращающемуся объекту требуется некий начальный толчок, приводящий его во вращение. Объект не может начать вращаться сам по себе. Во-вторых, вращающийся объект будет продолжать вращаться до тех пор, пока на него не подействует внешняя сила, которая остановит вращение. В повседневной жизни роль такой внешней силы играет трение. В результате его действия волчок в конце концов перестает вращаться, а вращающаяся монетка настолько замедляет вращение, что в конце концов переворачивается и падает плашмя. Но в ситуациях, когда сила трения отсутствует, вращение длится бесконечно долго. Именно этим обусловлена смена времен года на Земле.

В северной части Англии регулярная смена времен года задает ритм, вызывающий у меня самые приятные воспоминания. Долгие прогулки в жаркие летние дни вдоль Бриджуотерского канала, хоккейные матчи в сырые и промозглые осенние дни, возвращение домой на рождественские каникулы в морозные зимние дни, улучшение настроения оттого, что весной дольше светит солнце, – разнообразие и смена впечатлений всегда были для меня источником радости. Когда я жила в Калифорнии, мне труднее всего было смириться с отсутствием ритма в природе: создавалось впечатление, что время здесь застыло навсегда. Это сбивало меня с толку и приводило в замешательство. Сейчас я по-прежнему остро чувствую смену времен года. Мне нравится отождествлять свое место в каждом очередном цикле смены времен года по каким-то особым приметам, как ни странно, сохранившимся даже в современном мире: животные, свежий воздух, растения и чистое небо. А основа этого разнообразия и регулярной смены времен года – фундаментальные физические законы, один из которых гласит, что объекты продолжают вращение до тех пор, пока какая-либо внешняя сила не остановит их.

У вращения есть направление, задаваемое осью, вокруг которой оно происходит. Воображаемая ось вращения Земли представляет собой прямую линию, проходящую от Южного к Северному полюсу, немного выступающую с той и другой стороны и указывающую куда-то в космическое пространство. Но поскольку наша Земля давным-давно была ушиблена громадным космическим обломком, бороздившим просторы Солнечной системы (кстати, в результате этого столкновения образовалась Луна), то ось космического волчка, которым, по сути, и есть наша планета, изменила свое направление. Представьте, что вы смотрите на Солнечную систему сверху вниз, причем Солнце находится посередине, а все планеты Солнечной системы вращаются вокруг него в одной плоскости. Ось Земли слегка наклонена влево. И теперь, поскольку Земля вращается вокруг этой слегка наклоненной оси, она в процессе движения вокруг Солнца должна продолжать вращаться вокруг той же оси, а ось – сохранять свое направление. Таким образом, когда Земля расположена, скажем, слева от Солнца, конец этой оси, выступающий из Северного полюса, указывает в сторону от Солнца, куда-то в космос. Но через шесть месяцев, когда Земля окажется по правую сторону от Солнца, конец оси, выступающий из Северного полюса, будет по-прежнему указывать влево – на сей раз в направлении Солнца. Ось вращения Земли вокруг собственной оси не изменяет направления по мере вращения Земли вокруг Солнца: на нее не воздействуют никакие внешние силы, поэтому она не меняет ориентации в пространстве. Но это означает, что Северный полюс получает больше или меньше солнечного света в зависимости от того, в каком месте своей орбиты находится Земля. Эта особенность вращения Земли вокруг Солнца и является причиной смены времен года[69]. Суточный цикл (регулярная смена дня и ночи) обусловлен вращением Земли вокруг собственной оси, а сезонный цикл (регулярная смена времен года) – наклоном земной оси[70].

Вращение – неотъемлемая часть нашей жизни, и тому есть множество подтверждений. Но у одного устройства, принцип действия которого основан на вращении, большое будущее. Я имею в виду маховое колесо, или просто маховик. Все, что вращается, обладает дополнительной энергией, и ее наличие обусловлено именно вращением. Таким образом, если вращающийся объект продолжает вращаться бесконечно долго, это означает, что он может исполнять роль хранилища энергии. Если вы можете ее изъять для той или иной цели, замедлив вращение, то вы, по сути, получаете некое подобие «механической батареи». В этом заключается принцип действия махового колеса. Оно используется на протяжении многих сотен лет, и ничего нового в этом нет. Но в нашу жизнь вскоре может ворваться новая волна маховиков, которые будут представлять собой эффективные современные устройства, способные помочь нам решить одну непростую проблему.

Один из серьезнейших вызовов для любой сети электроснабжения – согласование предложения и спроса на очень коротких отрезках времени. Если все население страны внезапно решит заняться приготовлением еды и одновременно включит электроплиты, то энергопотребление по стране резко возрастет и будет оставаться на этом уровне около часа, а затем столь же резко упадет. В идеале некто, отслеживающий функционирование сети электроснабжения, должен увеличить приток электроэнергии в сеть, когда в этом возникнет необходимость, и согласовать таким образом энергетический спрос и предложение. Но если электроэнергия поступает с угольной теплоэлектростанции, для запуска и остановки которой требуется не один час, возникает серьезная проблема. Более того, величина вырабатываемой электроэнергии и моменты, когда должен обеспечиваться ее дополнительный приток, могут вообще быть нам неподконтрольны. Одна из трудностей со многими возобновляемыми источниками энергии заключается в том, что вы не можете им указывать, когда именно генерировать энергию: легко заготавливать сено (или запасать энергию), когда светит солнце, но как быть, если оно светит не тогда, когда вам это особенно нужно?

Разумеется, вы можете ответить на это так: все, что нам требуется, это батарея, которая будет хранить дополнительную энергию до тех пор, пока она нам не понадобится. Но электрические аккумуляторные батареи не решают данную проблему. Они дороги в изготовлении, для их производства нужны довольно редкие металлы, количество циклов заряда/разряда у них весьма ограниченно, как и скорость запасания и извлечения энергии. Впрочем, в последние годы появились шансы решить эту задачу в связи с разработкой прототипов махового колеса, позволяющих запасать энергию путем преобразования одного ее вида в другой. Маховое колесо представляет собой тяжелый диск или цилиндр, который вращается на подшипниках, обеспечивающих предельно малую силу трения. Будучи приведен во вращение, такое маховое колесо может вращаться очень долго. А поскольку с вращением связана дополнительная энергия, оно может ее запасать. Любую избыточную энергию, появляющуюся в электросети, можно использовать для приведения махового колеса во вращение, и оно будет продолжать вращаться, используя эту избыточную энергию. Затем, когда она вам понадобится, вы будете замедлять вращение махового колеса, отбирая накопленную в нем энергию и преобразуя в электричество. Количество таких циклов «заряда/разряда» у махового колеса не ограничено, а высвобождение накопленной в нем энергии происходит очень быстро. Вы теряете всего около 10 % энергии, которая нужна для приведения махового колеса во вращение. К тому же для его поддержания в рабочем состоянии требуется лишь минимальное техобслуживание. Более того, вы можете приспособить маховое колесо для собственных нужд: небольшое колесо, которое работало бы в сочетании с солнечными панелями у вас на крыше, или группа больших маховиков для сглаживания резких перепадов напряжения в сети электроснабжения в целом. Проводятся испытания небольших мобильных маховиков для использования в транспортных средствах гибридного типа, например в автобусах. Запасание энергии в таких маховиках происходит при каждом очередном торможении автобуса, а возвращение – при развитии скорости. Привлекательность маховых колес заключается в том, что принцип их действия основан на гениально простой идее – преобразовании вращательного момента. Куриные яйца, волчки и чай, помешиваемый в чашке ложечкой, – все подчиняется одному и тому же принципу. Но чтобы этот простой физический принцип позволял решить сложные практические задачи, требуются эффективные современные технологии. Их новое воплощение сейчас пребывает лишь на начальном этапе развития, но вполне возможно, читатели этой книги станут свидетелями гораздо более широкого применения вращающихся маховиков в повседневной жизни.

Глава 8. Когда противоположности притягиваются

Электромагнетизм

Сумка, которая самостоятельно наводит порядок внутри себя, – звучит как несбыточная мечта, но тем не менее она может оказаться реальностью. В прошлом году я посетила лондонский Музей науки, где намеревалась купить несколько симпатичных сферических магнитов (для себя и одной из своих подруг; сувенир с научным подтекстом – лучший подарок, не так ли?). Я остановилась выпить чашку горячего шоколада, а заодно и полюбоваться новыми приобретениями, а затем положила слипшиеся между собой магниты в верхний карман дорожной сумки и отправилась домой. Двумя днями позже, в Корнуолле, я вспомнила, что давненько не любовалась «новыми игрушками», и принялась копаться у себя в дорожной сумке. Я обнаружила их на дне сумки, причем слегка потолстевшими за счет семи монет, двух скрепок для бумаг и металлической кнопки. Я уже поздравляла себя с тем, что мне удалось изобрести новый способ навести порядок в сумке, как вдруг заметила, что далеко не все монеты, валявшиеся на дне сумки, притянулись к магнитам. Я попыталась разобраться, в чем разница между монетами, которые притянулись к магнитам и которые не реагировали на них. Ответить на этот вопрос оказалось не так-то просто. Некоторые из десятипенсовиков притянулись к магнитам, тогда как другие не желали этого делать. Монеты достоинством выше 20 пенсов вообще не притягивались. Большинство одно- и двухпенсовиков притягивались; исключение составляли лишь выпущенные до 1992 года.

Вообще говоря, магниты ведут себя очень избирательно. Большинство материалов – пластмассы, керамические изделия, вода, дерево и живые существа – ими не притягиваются. Другое дело – железо, никель или кобальт. Изделия из этих материалов охотно тянутся к магнитам. Это может показаться странным, но если бы железо не было одним из самых распространенных материалов в мире, то мы, наверное, никогда не столкнулись бы с магнетизмом в повседневной жизни. Лишь на один этот элемент приходится 35 % массы Земли, а сталь (состоящая в основном из железа с добавлением некоторых примесей) составляет существенную часть современной инфраструктуры. Если бы дверцы холодильников не изготавливались с применением стали, то симпатичные магниты, которыми многие домохозяйки украшают их, было бы невозможно прикрепить. Но изделия из стали встречаются буквально повсюду, поэтому магнетизм знаком большинству из нас.

Магниты в моей дорожной сумке рассортировали монетки согласно их химическому составу. Современные одно- и двухпенсовики имеют стальную основу, покрытую снаружи тонким слоем меди. До 1992 года монеты такого достоинства были на 97 % медными. Для меня старые и новые однопенсовики на вид почти неотличимы, но магниты реагируют на их разный качественный состав[71]. «Серебряные» двадцатипенсовики не притягиваются магнитами, поскольку, как ни странно, состоят главным образом из меди. То же можно сказать о более старых десятипенсовиках, но все монеты, которые начали чеканить с 2012 года, имеют стальную основу с никелевым покрытием. Все монеты, притягивающиеся магнитами – даже так называемые медяки, – преимущественно состоят из стали.

Любой магнит окружен магнитным полем – тем, что можно назвать «силовым полем». Это подразумевает наличие вокруг магнита области, которая может притягивать и отталкивать другие объекты, даже если сам по себе магнит к ним не прикасается. На первый взгляд это кажется странным, но так уж устроен физический мир. Проблема с магнитными полями заключается в том, что они невидимы и неосязаемы для нас, поэтому нам трудно их представить. Однако мы можем наблюдать производимое ими действие, и это будит наше воображение, заставляя его строить те или иные научные модели. Самое важное, что можно сказать о магнитах, – у каждого из них есть два особых, четко выраженных конца: северный и южный полюс.

Северный полюс одного магнита будет притягивать южный полюс другого магнита, но северные полюса двух разных магнитов будут отталкиваться друг от друга. Изначально мои монетки не обладали свойствами магнитов, но магниты применили хитрый прием, чтобы притянуть их к себе. Внутри каждого из моих новых однопенсовиков разные участки железа имеют магнитные поля, указывающие в разных направлениях. Эти участки называются доменами, а магнитные поля атомов внутри каждого из них действуют строго однонаправленно. Каждый домен обладает собственным магнитным полем, но поскольку северные полюса всех доменов указывают в разных, притом случайных, направлениях, у железной основы однопенсовой монетки все эти разнонаправленные магнитные поля взаимно компенсируются. Когда я подношу такую монетку к одному из магнитов, его сильное магнитное поле начинает воздействовать на все отдельные домены в монетке. Сами по себе атомы в доменах не движутся, но их магнитные поля переориентируются таким образом, чтобы их северные полюса оказались как можно дальше от северного полюса моего магнита. При этом все южные полюса доменов в монетке выстраиваются как можно ближе к магниту. А учитывая, что противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу, южный полюс монетки притягивается к северному полюсу магнита и монетка прилипает к нему. Стоит оторвать монетку от магнита, и все ее магнитные домены снова станут ориентированы почти случайным образом.

Это явление может показаться странным, однако люди научились им пользоваться, причем с такими примерами мы часто сталкиваемся в повседневной жизни. Речь идет не только о монетках, скрепках для бумаг и магнитах на дверцах холодильников. Магниты также играют важную роль в выработке электроэнергии. В основе каждого устройства, доставляющего ее в электросеть, есть магнит. Однако сами по себе магниты не решают задачу, а магнетизм – лишь половина дела. Магнетизм связан фундаментальным образом с электричеством. Все это имеет жизненно важное значение для современного общества, хотя многие из нас этого просто не замечают.

Однажды писатель-фантаст Артур Кларк сказал, что «любая достаточно продвинутая технология неотличима от волшебства». Электричество и магнетизм в совокупности лежат в основе большинства самых продвинутых современных технологий, даруя нам их поистине волшебные возможности. Если внимательно изучить эти две невидимые силы – электричество и магнетизм, – можно понять, что это две стороны одного и того же явления: электромагнетизма. Они неразрывно связаны между собой, влияя друг на друга. Но прежде чем рассматривать эту связь, давайте копнем поглубже в ту сторону, которая знакома нам гораздо лучше: электричество. К сожалению, первый в жизни опыт непосредственного контакта с электричеством, как правило, малоприятен: мы испытываем удар электрическим током.

Штат Род-Айленд – крошечный дружелюбный кусочек американского северо-востока, где я прожила два года. Род-Айленд еще называют «Океанским штатом». Местные жители совершенно забыли об ироническом подтексте этого названия самого маленького штата Америки, данного в честь самого обширного образования на планете, океана. Менталитет жителей Род-Айленда покоится на двух столпах: побережье и лето. Жизнь – это морские прогулки, домики на берегу, салат из улиток[72] и пляж. Однако зимой здесь бывает очень холодно. Туристы куда-то пропадают, местные жители впадают в зимнюю спячку, а оливковое масло у меня на кухне загустевало, если я выключала отопление, когда приходилось надолго отлучаться.

В наиболее памятные для меня зимние дни я просыпалась с ощущением необычной тишины и неподвижности в природе. Еще до того как открыть глаза, я могла сказать, что ночью выпал первый снег. Для того, кто родился и вырос в сером и скучном Манчестере, такие эмоции были весьма волнующими. Все это мне нравилось – за исключением единственного, повторяющегося из раза в раз момента. Обувшись в уютные зимние ботинки, расчистив снег у наружной двери и с дорожки и посмеявшись вдоволь над белками, копошащимися в снегу, я топала к своему автомобилю. И каждый раз, едва прикоснувшись к нему, ощущала довольно болезненный удар электрического тока. Черт побери, как же я в очередной раз забыла об этом!

Почему-то мне всегда казалось, что всему виной автомобиль. Разумеется, он был вовсе ни при чем. Пока я к нему шла, я тащила на себе группу крошечных и беспокойных пассажиров. Они внимательно высматривали маршрут, по которому могли бы от меня сбежать. Болезненное ощущение в моей руке было лишь побочным эффектом их поспешного бегства. Этими пассажирами были электроны, невероятно маленькие частицы материи, относящиеся к числу самых фундаментальных строительных блоков нашего мира. Одно из их самых удивительных свойств – это то, что обнаружить их движение можно без помощи дорогостоящих ускорителей элементарных частиц и сложных научных экспериментов. В надлежащей ситуации тело человека может выявить движение электронов самым непосредственным образом. Жаль только, что оно регистрирует его как болевые ощущения.

Все начинается с атома. Внутри каждого атома находится тяжелое ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Оно обладает внушительным положительным электрическим зарядом, поэтому почти никогда не бывает в одиночестве. Электрический заряд – странная концепция, но на ней держится наш мир. Существует всего три вида строительных блоков, из которых состоит практически все, что нас окружает: протоны, электроны и нейтроны. Каждый из них обладает собственным, присущим лишь ему электрическим зарядом. Протоны гораздо массивнее электронов и являются носителями положительного заряда. Нейтроны имеют примерно такие же размеры, как и протоны, но электрического заряда у них нет. Электрон гораздо меньше по размерам, чем протон или нейтрон, но величина его отрицательного электрического заряда в точности совпадает с величиной электрического заряда протона. Это сочетание строительных блоков определяет структуру всего физического мира. В центре каждого атома сочетание протонов и нейтронов образует тяжелое ядро. Но атом должен быть электрически сбалансированным. Электрические заряды влияют на мир, поскольку разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются (как мы уже видели на примере магнитов и монет). Таким образом, крошечные электроны кружатся вокруг массивного ядра, потому что заряжены отрицательно и, следовательно, притягиваются к положительному заряду в центре атома. В целом все положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, но силы притяжения удерживают атом, не позволяя ему развалиться на части. Вся окружающая нас материя полна электронов, но поскольку все сбалансировано, мы их не замечаем. Они дают о себе знать, только когда движутся[73].

Проблема в том, что, когда вам приходится иметь дело со столь малыми и проворными объектами, как электроны, баланс время от времени нарушается. При соприкосновении двух разных материалов электроны довольно часто переходят из одного материала в другой. Это происходит постоянно, но обычно не имеет большого значения, так как избыточные электроны, как правило, довольно быстро возвращаются назад. Хождение по дому в носках не было проблемой: с каждым очередным шагом немногочисленные электроны перебирались с синтетического коврика мне на ноги, но вскоре возвращались обратно на коврик. Ситуация переменилась, как только я надела ботинки с утеплителем из натуральной шерсти и резиновой подошвой. «Бродячие» электроны, как и прежде, перебирались с синтетического коврика на резиновые подошвы моих ботинок. Но какими бы шустрыми они ни были, есть материалы, проникнуть в которые электронам крайне трудно; это так называемые электрические изоляторы, и резина один из них. У резины хватает собственных электронов, но она очень неохотно вбирает в себя любые «посторонние» электроны. Пока я складывала в сумку все, что может мне пригодиться днем, подбирала одежду по погоде и убирала после завтрака, я постепенно накапливала на себе электроны. В результате на поверхности моего тела их скопилось изрядное количество. К моменту, когда я вышла из дому, я несла на себе несколько тысяч миллиардов избыточных электронов – гигантское количество, которое все же составляло лишь микроскопическую долю электронов, принадлежащих моему собственному телу.

Почему же эти избыточные отрицательно заряженные электроны не желали покидать мое тело? Каждый из них отталкивался другими электронами; покинуть меня было бы для них более приемлемым вариантом, чем оставаться на мне. Но непреодолимым препятствием на их пути становились мои ботинки с резиновой подошвой. Помимо стекания на землю, электроны могли бы покидать меня через влажный окружающий воздух. Он содержит множество молекул воды, у каждой из которых есть положительный участок, который мог бы приютить лишний электрон на какое-то время. В большинстве других случаев скопившиеся на мне избыточные электроны постепенно «рассосались» бы, присоединяясь один за другим к молекулам воды. Но в морозные дни после сильного снегопада в воздухе очень мало влаги. Поэтому избыточные электроны, скопившиеся на моем теле, не могли рассосаться постепенно и незаметно для меня.

Таким образом, каждый сухой, снежный день я шла по дорожке от коттеджа к автомобилю, забыв о миллиардах отрицательно заряженных пассажиров на моем теле – по крайней мере до того момента, пока им не представлялся удобный случай от меня сбежать. Мой автомобиль стоял на земле, представляя собой огромный резервуар сбалансированных электронов и ядер. В то самое мгновение, когда мои пальцы прикасались к металлу автомобиля, словно открывался туннель для массового бегства электронов, накопившихся на моем теле. Металл прекрасный электрический проводник, поэтому электроны могут стекать на него практически беспрепятственно. Мои «электронные пассажиры» рванули толпой через небольшой участок кожи на кончике моего пальца, поспешно стекая на металлический корпус автомобиля. Нервные окончания в коже, получив мощный электрический импульс от потока электронов (по сути, электрического тока), вздрогнули не на шутку. Забыв на мгновение об очаровании первого снега и бодрящей свежести морозного воздуха, я невольно чертыхнулась.

В наше время удар электрического тока для большинства из нас – это непосредственное и яркое напоминание об электричестве. Между тем в повседневной суете мы забываем о его вездесущности в нашей жизни. Стены зданий, всевозможные электронные устройства, автомобили и осветительные приборы, часы и электрические фены – буквально все вокруг пронизано электричеством. Но электричество – это не только электрические розетки и провода, электрические цепи и плавкие предохранители. Все это лишь зримые свидетельства способности человека использовать данное явление в своих целях. Наша планета буквально жужжит от пронизывающего ее электричества, причем его можно обнаружить в самых неожиданных местах. Примером может служить обычная пчела.

Представьте теплый погожий летний день в каком-нибудь английском саду. В аккуратно подстриженной траве порхают с места на место в поисках корма птички. Цветы, высаженные на клумбе заботливыми руками хозяев, ведут неспешную, но тем не менее ожесточенную борьбу друг с другом за воду, питательные вещества, солнечный свет и внимание со стороны насекомых-опылителей. По травке стелется аромат жасмина и душистого горошка, рекламируя достоинства того и другого. Над клумбой деловито жужжит пчела, проверяя, нельзя ли здесь чем-нибудь поживиться. На человека такая сцена производит расслабляющее впечатление, но для пчелы это тяжелый труд, расслабляться ей некогда. Чтобы держаться в воздухе, пчела вынуждена прилагать немалые усилия. Ей приходится непрестанно махать своими крошечными крылышками, совершая примерно двести взмахов в секунду. Это постоянное взбивание воздуха настолько интенсивно, что мы способны слышать создаваемые им вибрации – жужжание. Для пчелы оказываемое воздухом сопротивление ощущается гораздо сильнее, чем для человека. С каждым взмахом крылышек ей приходится преодолевать значительное сопротивление со стороны молекул воздуха. Когда вы летите, изо всех сил колошматя крыльями воздух, ваш полет кажется не столь величественным и элегантным, как парение орла. Но если у вас нет иного способа перемещаться по воздуху, то годится и такой. Пчела останавливается в полете на секунду возле розовой петунии, прежде чем решить, что этот цветок заслуживает более тщательного обследования. Подлетев к цветку, но еще не успев прикоснуться к нему, пчела совершает неожиданный маневр. Пыльца, сосредоточенная в центре петунии, внезапно вздымается в воздух, оседая на волосках «воротника», в который укутана пчела. Усевшись на цветок, пчела принимает на себя дополнительную порцию пыльцы. Она еще не успела отведать нектар цветка, но уже приняла на себя покров из ДНК растения, причем все выглядит так, будто пыльца сама «перебралась» на тело пчелы.

Оказывается, полет делает пчелу очень привлекательной – в буквальном смысле слова. Но объясняется это вовсе не ее внешним видом или поведением, а тем, что пчела электрически заряжена – правда, заряд очень слабый. Все дело в том, что, как и в случае с электрическим зарядом, который ударил меня током в момент прикосновения к автомобилю, пчела тоже переносит электроны. Впрочем, на этот раз обошлось без пострадавших.

Собственные электроны пчелы концентрируются возле молекул в ее крылышках. Если что-то проносится мимо пчелы очень быстро (например, воздух) и что-то должно быть сброшено, то этим «чем-то», скорее всего, будет электрон. Именно так все и происходит. Это то же самое, что потереть воздушный шарик о шерстяной свитер: статическое электричество накапливается, а это означает, что в каком-то месте возникает избыток или нехватка электронов. Когда крылышки неистово расталкивали молекулы воздуха на своем пути, электроны смахивались с них в окружающий воздух. На теле пчелы образовывался небольшой положительный заряд, потому что количества оставшихся электронов уже не хватало, чтобы компенсировать положительный заряд всех протонов в ее теле. Однако этот положительный заряд очень мал – и уж во всяком случае недостаточен для того, чтобы человек ощутил удар электрического тока.

Приближаясь к цветку, пчела притягивает отрицательно заряженные электроны и отталкивает положительные заряды. Как северный полюс магнита притягивает к себе свою противоположность (магнитные южные полюса), так и положительно заряженная пчела притягивает к себе отрицательно заряженные электроны. Когда она находится очень близко к цветку, но еще не касается его, ее положительный заряд притягивает поверхность пыльцы с силой, достаточной, чтобы поднять часть пыльцы в воздух и преодолеть небольшой зазор между цветком и пчелой. Затем пыльца прилипает к волоскам на теле пчелы, так же как прилипает к стенке воздушный шарик, на котором скопилось статическое электричество. Когда пчела перелетает к следующему цветку, она переносит на себе всю налипшую на нее пыльцу. Опыление пчелами происходило бы и без статического электричества – исключительно за счет прикосновения к пыльце волосков на теле пчелы, когда она опускается на цветок. В этом случае пыльца прилипала бы к волоскам именно из-за своей липкости. Однако ввиду разности зарядов пыльцы и тела пчелы процесс прилипания существенно ускоряется, начинаясь еще до того, как пчела опустится на цветок[74].

Электроны – крошечные очень подвижные частицы, поэтому, когда электрический заряд перемещается в пространстве, его переносят, как правило, электроны. Несмотря на высокую подвижность электронов, обычно мы не замечаем их движения. Отрицательно заряженные электроны отталкиваются друг от друга, так что, если большое их количество сконцентрируется в каком-то одном месте, они отталкиваются друг от друга и разлетаются в стороны. Значительный заряд никогда не накапливается. Но есть две возможные ситуации, в которых электроны перестают разлетаться в стороны и происходит некоторое накопление заряда: либо электронам просто некуда деваться, либо они не могут двигаться. Когда пчела летит, положительному заряду действительно некуда деваться, поэтому он накапливается снаружи тела пчелы.

Но другая ситуация – когда электроны не могут двигаться – дает нам возможность управлять электричеством. Если пчела опустится на пластмассовый цветочный горшок, положительный заряд не сможет переместиться на пластмассу, поскольку это электрический изолятор. Это означает следующее: хотя в пластмассе предостаточно собственных электронов, они жестко связаны со своими молекулами и не могут свободно перемещаться в таком материале. Сложно добавить в пластмассу хотя бы небольшое число дополнительных электронов или изъять их оттуда, потому что они не могут проскользнуть между собственными электронами пластмассы. Именно в этом особенность электрических изоляторов: они не могут принимать в себя дополнительные электроны или отдавать их. Поэтому, когда пчела садится на пластмассовый цветочный горшок, положительный заряд остается на ней. Если бы пчела опустилась, к примеру, на металлические вилы, то сразу бы лишилась положительного заряда: металлы – превосходные проводники электричества и электроны чрезвычайно легко стекают в них. Причина такого поведения металла заключается в том, что все его атомы охотно делятся друг с другом своими наружными электронами, в результате чего внутри металла образуется нечто наподобие огромного облака, состоящего из электронов, свободно мигрирующих от одного атома к другому. Поскольку эти электроны все время движутся от одного атома к другому и ни один из них не принадлежит какому-то определенному атому, добавление в металл дополнительных электронов или изъятие их оттуда не представляет проблемы.

Люди могут генерировать электрический ток и управлять им лишь потому, что имеют оба типа материалов – и проводники, и изоляторы. Это все, что вам нужно: мозаика из материалов, создающая нечто вроде лабиринта для электронов, где одни пути гораздо легче других, что позволяет управлять движением электронов, заставляя их поток выполнять те или иные полезные функции. Овладев основами такого управления, вы получаете возможность контролировать многие процессы в физическом мире.

Статическое электричество – только начало, истинные перспективы открываются, когда вам удается обеспечить систематическое и упорядоченное движение электронов и электрических зарядов. Электрическая сеть, которую мы используем для передачи электроэнергии на расстояние, – источник безграничных возможностей. Продвигая электрические заряды по проводам и управляя их потоком с помощью всевозможных переключателей и преобразователей, мы можем доставлять электроэнергию в места, где она будет использоваться для удовлетворения тех или иных потребностей человека. Электросеть – лишь один из способов перераспределения электроэнергии. Самое важное качество любой электрической цепи – то, что это цепь. То есть любая электрическая цепь должна представлять собой замкнутый контур, по которому электроны могли бы свободно перемещаться, не накапливаясь где-нибудь «на дальнем конце». Каждая электрическая цепь должна начинаться и заканчиваться на источнике питания – устройстве, которое поддерживает движение электронов, принимая их с одного конца, продвигая по цепи и возвращая обратно в цепь на другом конце. Источник питания немного напоминает лифт, доставляющий детей от подножия горки, по которой они скатываются к ее началу, на самый верх. Дети могут круглосуточно кататься на таком лифте вверх и спускаться по горке – до тех пор, пока лифт будет работать и сможет служить источником достаточной энергии, чтобы каждый раз доставлять пассажиров в ту точку, с которой они начали свой путь по горке. Правило любой электрической цепи гласит, что вы должны потратить всю дополнительную энергию, полученную от источника питания, чтобы доставить электроны обратно в то место, из которого они стартовали.

Что же заставляет электрон двигаться по электрической цепи? Первое обязательное условие – наличие электрического проводника, то есть того, что создает путь, по которому будет перемещаться электрон. Второе – наличие силы, которая будет продвигать электрон по проводнику.

Магнитик, закрепленный на дверце холодильника, и воздушный шарик, несущий на себе электрический заряд, имеют одно общее свойство – демонстрируют возможность создания невидимого силового поля, наличие которого выражается в том, что один стационарный объект отталкивает или притягивает к себе другой объект, находящийся поблизости. Это сходство не случайно, но истинная связь между тем и другим становится очевидной лишь при перемещении электрического или магнитного поля в пространстве. Прежде всего давайте вернемся к принципу силового поля. Нужно заметить, что полями могут пользоваться не только люди.

Дно ручья напоминает мутновато-коричневый лабиринт, устланный камнями, растениями и корнями деревьев. Примерно на метровой глубине под водой едва различимы два усика в виде антенн, осторожно высовывающихся из-за края валуна. Кажется, будто эти усики-антенны тщательно обследуют окружающую обстановку. Рядом появляется какой-то движущийся предмет, и усики мгновенно скрываются за валуном. Это пресноводная креветка – мусорщик, которая питается всевозможными отбросами, случайно попадающими в ручей. Она голодна, но очень чувствительна и осторожна. Где-то выше по течению в воде появился потенциальный враг. Он движется по водной поверхности к середине ручья, энергично загребая воду своими перепончатыми лапами, затем закрывает глаза, зажимает нос, затыкает уши и ныряет. Утконос проголодался и намерен отобедать.

Если креветка будет пребывать в полной неподвижности, это сохранит ей жизнь. Утконос плывет быстро, уверенно продвигаясь вперед, хотя сейчас он ничего не видит, не слышит и не обоняет. Его плоский клюв рыскает из стороны в сторону, сканируя ил, скопившийся на дне ручья. Еще одна креветка – потенциальная добыча утконоса, чувствует его приближение по характерным колебаниям воды, резко поджимает хвост и скрывается под галькой, усеивающей дно ручья. Утконос направляется в ее сторону. Сигнал, приведший к резкому сокращению хвостовой мышцы креветки, был электрическим. Этот электрический импульс создал кратковременное электрическое поле, сосредоточенное на креветке. Электрическое возмущение, передаваясь через воду, кратковременно воздействовало на близлежащие электроны. Хотя оно и заняло какую-то долю секунды, но этого оказалось достаточно. На верхней и нижней поверхностях клюва утконоса сосредоточен массив из примерно сорока тысяч электрических датчиков. Одновременного колебания воды и электрического импульса хватило, чтобы определить нужное направление и расстояние. Клюв ударяет дно ручья в нужном месте – и креветка отправляется в желудок животного.

Шевеление креветки выдало ее с головой, потому что изменило ее электрическое поле. Каждый электрический заряд притягивает или отталкивает другие близлежащие электрические заряды. Электрическое поле – лишь способ описания того, насколько сильно это притягивание или отталкивание в тех или иных местах. Когда же речь идет об электрических сигналах, это означает, что произошло перемещение электрического заряда и нечто, находящееся от него поблизости, уловило это, так как изменилось (увеличилось или уменьшилось) воздействие на это «нечто». Поскольку все мышечные движения сопровождаются перемещением электрических зарядов в мышцах, все эти движения генерируют электрические поля. Поэтому улавливание электрических сигналов – надежный способ ведения подводной охоты, если охотник находится недалеко от своей потенциальной добычи, никакая маскировка не поможет заглушить электрический сигнал. Рано или поздно любое живое существо будет вынуждено пошевелиться, и даже мельчайшее движение создаст электрический сигнал, который выдаст свой источник.

Если это так, то почему же мы не ощущаем электрические поля, которые сами же и создаем? Отчасти потому, что они довольно слабые, но главным образом потому, что в воздухе, который не проводит электричество, электрические поля быстро затухают. Поток воды (а особенно соленая морская вода) – очень хороший проводник электричества, поэтому электрические сигналы удается улавливать на гораздо больших расстояниях, чем в воздухе. Почти все виды живых существ, которые обладают органами, способными улавливать электрические сигналы, – это обитатели морей (к числу известных нам исключений относятся пчелы, ехидна и тараканы).

В электрической цепи электроны движутся потому, что в проводе существует электрическое поле. Оно толкает каждый электрон, продвигая его по проводу. Но откуда берется электрическое поле? Чтобы ответить на этот вопрос, лучше всего начать с батареи. Батареи бывают разных форм и размеров, но одну из их разновидностей я не забуду никогда. Это были специальные морские батареи, и я очень волновалась за их судьбу (они попали в сильный шторм во время проведения важного эксперимента), поскольку от них питался один из научных приборов.

Чтобы изучать физику поверхности океана во время шторма, нам нужно было выходить в море и наблюдать за поведением водной поверхности. Океан – очень сложная среда. Строить всевозможные теории, сидя в кресле в теплом кабинете, можно до бесконечности, только вряд ли такое теоретизирование способно принести реальную пользу, если вы собственными глазами не видели, как все происходит на самом деле. Но даже когда вы оказываетесь в реальной обстановке, на борту корабля в штормящем море, очень трудно «пощупать» именно тот водный слой, который интересует меня больше всего: слой на глубине двух-трех метров от поверхности воды. Знание того, что происходит на этой глубине, позволит нам понять, как «дышит» океан, что поможет давать более точные прогнозы погоды и строить более точные климатические модели. Но чтобы узнать подробности, вам нужно оказаться на указанной глубине, а это очень беспокойное и опасное место. Я не могу плавать в такой воде, но свои эксперименты должна проводить именно там. Для экспериментов с использованием научной аппаратуры требуется электропитание, которое могут обеспечивать электрические батареи. Но им придется работать непосредственно в море, болтаясь вверх и вниз на волнах, невдалеке от корабля. К моему счастью, электрические цепи способны работать не только на суше, но и на море, не боясь волн и болтанки.

Боцман окинул сердитым взглядом горизонт, засунул руки глубоко в карманы своей непромокаемой куртки с капюшоном и направился в мою сторону. Дело было в ноябре, в северной части Атлантики. Мы уже четыре недели не ступали на берег и не видели вокруг себя ничего, кроме серого моря, которое, куда ни обрати взор, сливалось на горизонте с таким же беспросветно серым небом, и непрестанно раскачивались на волнах: вверх-вниз, вверх-вниз… Моток электрического кабеля, который я только что вытащила на палубу, отвлек меня на какое-то время от унылого однообразия морского пейзажа. Я уже успела частично распутать этот моток, и теперь кабель тянулся поперек палубы, упираясь концом в башмак боцмана. Характерный и, на мой взгляд, смешной бостонский акцент боцмана казался совершенно неуместным в столь суровой обстановке. «Сколько вы собираетесь возиться со всем этим?»

Самое неприятное для меня в экспериментах на море – это последние проверки, которые я обязана провести, прежде чем завершить работу. Я немного нервничала, поскольку я, и только я, несла ответственность за данный этап эксперимента. Чтобы определить характеристики воздушных пузырьков, которые образуются непосредственно под бушующими волнами, я использовала большой желтый буй с закрепленными на нем всевозможными измерительными приборами. Боцман отвечал за маневрирование судна возле буя (например, не задевать его корпусом судна и не создавать каких-либо помех работе научной аппаратуры, закрепленной на буе). Приближавшийся шторм обещал быть достаточно серьезным, и я ожидала получить ценную информацию по результатам своего эксперимента. «Мне осталось только подключить электрические батареи, после чего можно приступать», – сказала я. Огромный желтый 11-метровый буй был все еще надежно закреплен на палубе. Подключение батарей я начала с бронированной камеры, установленной наверху буя. Положив ладонь на место подсоединения кабеля питания к камере, я провела рукой по проводу, тянущемуся до дна буя, где были закреплены массивные электрические батареи, и вставила вилку в разъем. Затем таким же способом подсоединила к батареям акустические резонаторы. Нащупать место подсоединения кабеля питания к очередному устройству, провести ладонью по кабелю питания до места его подсоединения к батареям и вставить вилку в разъем. Это называется проверкой надежности подсоединения к источнику питания. Семь раз проверь, один раз измерь – вот мое правило. В ходе этих экспериментов могут проводиться невероятно тонкие и сложные манипуляции в физическом мире, но только при наличии электропитания. В моем случае оно обеспечивалось четырьмя массивными свинцово-кислотными морскими аккумуляторными батареями, весом около 40 килограммов каждая. Эти батареи были изобретены еще в 1859 году, и с тех пор их конструкция не претерпела существенных изменений. Тем не менее они очень надежные.

Когда пришел момент опустить буй с аппаратурой на воду, мы, ученые, в своих непромокаемых комбинезонах, собрались на дальнем конце палубы, а за работу принялась команда судна. С помощью лебедки они приподняли нашего желтого монстра с палубы и осторожно опустили в темные воды. Оказавшись в одиночестве среди бескрайнего бушующего моря, он уже не производил впечатления монстра – скорее, напоминал маленькое желтое пятнышко, которое с трудом угадывалось за вздымающимися вокруг него волнами. Экипаж и ученые, столпившись возле поручней, начали оживленно обсуждать посадку буя на воду и скорость, с которой он удалялся от корабля. Но я не задумывалась об этом. Я думала об электронах.

Там, под водой, началась их гонка. Они отчаливали от батареи, обегали электрические цепи научной аппаратуры, закрепленной на буе, и возвращались в батарею – с другого ее конца. В этих кольцевых гонках по электрическим цепям устройств, задействованных в эксперименте, участвовало фиксированное количество электронов; все они обегали одно и то же кольцо. Электроны не покидали его пределов, никуда не «расходовались» – просто наматывали круг за кругом. Задача заключалась лишь в том, чтобы постоянно подпитывать систему энергией, которая бы заставляла электроны совершать свое поступательное движение. Наматывая круг за кругом по кольцу, электроны затрачивают определенную энергию. Ее источником является батарея, а это весьма хитроумное устройство.

«Фишка» батареи в том, что она организует некую цепочку событий, где каждое звено служит источником электронов, необходимых следующему звену. Таким образом, как только к какой-либо электрической цепи подключают батарею, создаются условия, обеспечивающие движение электронов по этой цепи. У каждой из наших морских батарей было два вывода, с помощью которых они подсоединялись к любой электрической цепи, обеспечив ее питание. Внутри батареи каждый вывод был подсоединен к одной из двух свинцовых, не соприкасавшихся между собой пластин. Пространство между ними было заполнено кислотой (именно поэтому батареи называются свинцово-кислотными). Свинец может вступать в реакцию с кислотой двумя способами. Для одного необходим приток дополнительных электронов, а другой обеспечивает такой приток, вырабатывая дополнительные электроны. Свинцово-кислотная батарея считается полностью заряженой, когда эти две реакции между свинцом и кислотой заходят настолько далеко, насколько это возможно.

Подсоединив научную аппаратуру к батарее, я, по сути, создала путь, пролегающий от одной свинцовой пластины через электрические схемы всей научной аппаратуры к другой свинцовой пластине. Оставалось добавить в этот лабиринт последний, но принципиально важный, недостающий фрагмент: вследствие химических реакций, протекающих на свинцовых пластинах, в проводах возникло электрическое поле. Именно оно приводит в движение электроны, заставляя их перемещаться от одной свинцовой пластины к другой. Но поскольку электроны не могут перемещаться в кислоте, им ничего не остается, как двигаться длинным окольным путем: по «наружной» электрической цепи. Как только электрическое поле создаст для электронов возможность продвижения по электрической цепи, реакции на свинцовых пластинах начинают идти в обратном направлении из-за образования замкнутой электрической цепи. Одна из свинцовых пластин (точнее, следовало бы говорить об «одном комплекте» свинцовых пластин) отдает электроны кислоте, а затем кислота передает этот заряд на другую свинцовую пластину (опять-таки, следовало бы говорить о «другом комплекте» свинцовых пластин), которая в процессе химической реакции принимает на себя электроны. В целом процесс движения электронов по цепи поддерживается, поскольку существует наружная электрическая цепь, по которой они могут возвращаться к первому комплекту пластин. Самое главное, что в процессе перемещения по наружной электрической цепи электроны теряют часть энергии. Такое их перемещение называется электрическим током. Если его прохождение по сложной электрической цепи приводит к выполнению какой-либо полезной функции, реализуемой этой электрической цепью, то это означает, что с помощью электрической батареи вам удалось заставить электрическую энергию работать.

Все эти мысли проносились в моей голове, пока я, перегнувшись через поручни на палубе, наблюдала за желтым буем, пляшущим на волнах. Камера должна была включиться, создав путь для электронов от батареи, которые добрались по проводу до отсека с камерой. Пути прохождения электронов нужно все время контролировать, памятуя о том, что они всегда выбирают самый легкий для себя путь. Пути для движения электронов создаются с помощью проводящих материалов. Кабель питания изготавливается из металла. Продвигаться по металлу электронам гораздо легче, чем по пластмассовой оболочке кабеля, поэтому можете быть уверены, что они будут двигаться именно по кабелю, а не рваться наружу через его пластмассовую оболочку. Помимо управления электрическим током путем комбинирования проводящих и непроводящих материалов, самым основным элементом управления электрическим током является переключатель. Замкнутый переключатель – то место в электрической цепи, где соприкасаются две части электрического провода. Они не соединены между собой «намертво», но когда соприкасаются, электроны могут свободно перетекать из одной части в другую. Чтобы остановить их движение, достаточно просто рассоединить эти части электрического провода. Поток электронов остановится, лишившись легкого пути, чтобы перебраться из одной части провода в другую.

Добравшись по проводу до отсека с камерой, поток электронов разветвляется по двум направлением: одно ведет к компьютеру, а другое – к собственно камере. Говорят, что все дороги ведут в Рим. Применительно к электрическим цепям можно сказать, что они ведут к батарее. Массивный желтый буй был лишь наружной оболочкой для этого ветвящегося потока электронов, а сами они генерировали электрические и магнитные поля, приводя в движение шторки камеры, выполняя роль секундомеров, создавая световые вспышки и фиксируя данные в виде огромной и чрезвычайно сложной синхронизированной последовательности электрических импульсов, прежде чем вернуться к батарее.

И все это происходило во время шторма, разыгравшегося в Северной Атлантике, когда буй раскачивался на огромных волнах (иногда их высота достигала 8–10 метров). Мы маневрировали, отдавшись во власть стихии, рядом с буем на исследовательском судне, где сила земного притяжения была весьма ненадежным товарищем и где видимость порядка поддерживалась лишь стальными тросами, пеньковыми канатами и эластичными шнурами. Через три-четыре дня течение химической реакции в батареях подошло к концу – они снова вернулись в свое первоначальное, незаряженное состояние. Запас электрической энергии на буе закончился, исчерпалась сила, заставлявшая электроны перемещаться по электрическим цепям. Буй превратился в безжизненную оболочку из металла, пластика и полупроводниковых материалов. Но собранные нами данные уже хранились в полупроводниковой памяти компьютера, и это было очень надежное хранилище информации.

Через несколько дней, когда шторм стих, мы подтянули буй к судну и затащили на борт. Я всегда испытывала безмерное восхищение мастерством экипажа нашего исследовательского судна, наблюдая за тем, как умело они вылавливают из воды всевозможные предметы. Корабль нельзя заставить двигаться вбок; он медленно поворачивается и меняет направление. Чтобы получить шанс выловить буй и поднять его на борт, капитану нашего 75-метрового судна нужно было поставить его так, чтобы не повредить буй, но стать рядом с ним настолько близко, чтобы боцман мог зацепить его длинным багром. Как правило, этот маневр удавался капитану с первого раза.

Теперь наступала наша очередь. Батареи подключались к дизель-генератору. Электроэнергия, подаваемая с него, запускала в них обратные химические реакции, которые обеспечивали заряд батарей. Научную аппаратуру, за исключением камеры, извлекали из буя и заносили в помещения. Камеру мы оставляли на холоде, так как у танца электронов есть оборотная сторона и моему бедному аспиранту пришлось бы заплатить соответствующую цену.

Возможно, самый фундаментальный из известных нам физических законов – который из раза в раз подтверждает свою точность и его еще никогда и никому не удавалось опровергнуть – это закон сохранения энергии. Он гласит, что энергию нельзя создать или уничтожить, а можно лишь преобразовывать из одной формы в другую. Батарея заключала в себе химическую энергию, а химические реакции преобразовывали ее в электрическую энергию, после чего она перемещалась где-то между одним терминалом батареи и другим. Но где конкретно? Что-то происходило: камера делала снимки, выполнялись компьютерные программы, на носители информации записывались данные. Но ни одно из этих устройств не сохраняло электрическую энергию в каком-либо новом месте. Она просто незаметно куда-то «вымывалась». За целенаправленное перемещение электронов всегда приходится платить определенную цену, и такой ценой становится тепловыделение. Любое электрическое сопротивление заставляет платить некий «энергетический налог» на электрическую энергию, проходящую через него. Несмотря на то что электроны всегда выбирают путь наименьшего сопротивления, какой-то «налог» приходится платить в любом случае[75].

Камера была заключена в толстый пластмассовый корпус – материал, очень плохо проводящий тепло. Когда она работала, вся энергия электронов, перемещающихся по электрическим цепям, постепенно преобразовывалась в тепло. Пока камера пребывала в воде, это не имело особого значения, так как температура морской воды в то время составляла примерно 8 ℃ и вода интенсивно вбирала в себя тепло, эффективно охлаждая корпус камеры. Но воздух гораздо хуже справлялся с этой задачей. В лаборатории при загрузке данных из камеры в компьютер камера перегревалась. Мы делали все, что было в наших силах, но единственным решением, которое нам удалось найти, было оставлять камеру снаружи, в ведре, наполненном водой вперемешку со льдом (благо у нас на корабле был агрегат для его приготовления). Таким образом, моему аспиранту приходилось тратить по девять-десять часов, запуская и останавливая загрузку данных, чтобы предотвратить перегрев камеры и возможную потерю данных, собранных с таким трудом. Вот так творится наука в полевых условиях!

Вот почему в процессе использования нагреваются ноутбуки, пылесосы и фены. Электрическая энергия должна куда-то выходить, и если она не преобразовывается в какие-то другие виды энергии, то неизбежно выделяется в виде тепла. В фенах это свойство используется для нагрева воздуха: они так устроены, чтобы преобразовывать электрическую энергию в тепло очень концентрированным способом. Но производителям ноутбуков приходится думать над тем, как избавиться от тепла, выделяемого в ходе работы устройства, потому что перегрев снижает эффективность функционирования электронных схем. За использование электрической энергии неизбежно приходится платить «тепловой налог»[76].

Таким образом, упорядоченное перемещение электронов обеспечивается действием электрического поля. В действительности батарея не является источником электронов – в окружающем нас мире их более чем достаточно. Задача – создать электрическое поле, действие которого обусловливает упорядоченное перемещение электронов. Если электрическая цепь замкнута, это электрическое поле заставит электроны двигаться по образовываемому ею контуру. На первый взгляд ничего сложного. Но что означают все эти числа, нанесенные на электрические разъемы и указанные мелким шрифтом в рекомендациях по соблюдения мер безопасности? Возможно, лучше всего воспользоваться типично британским подходом к решению любых проблем: найти коробку печенья и поставить на плиту чайник?

Главная особенность такого подхода заключается в том, что он включает и перерыв, и чай. Некоторые из моих американских коллег никогда этого не понимали и во время чаепития продолжали говорить о работе. Но для истинного британца «поставить чайник на плиту» означает смену ритма. Я собираюсь сделать это сейчас, причем в данном случае воспользуюсь электрическим чайником. Для этого мне нужно наполнить его водой и вставить вилку в розетку. Я разрешаю своему мозгу расслабиться ненадолго, пока чайник выполняет порученную ему работу.

Нажатие кнопки включения выполняет очень простую функцию: сдвигает маленькую металлическую пластину, в результате чего в электрическую цепь добавляется последний фрагмент, превращающий ее в замкнутый контур, по которому электрический ток может проходить от одного штырька вилки до другого. Правда, в данном случае источник электрического поля не батарея, а гнезда настенной электрической розетки.

У стандартной трехконтактной вилки сверху есть один длинный штырек. Он называется штырьком заземления и полностью отделен от остальной электрической цепи. По сути, он выполняет ту же задачу, что и мой автомобиль холодным снежным утром, – создает путь для отвода избыточных электронов, которые могут накапливаться в нежелательном для нас месте (скажем, на поверхности корпуса чайника). Этот путь не имеет никакого отношения к пути, по которому проходит электрический ток, нагревающий мой электрочайник.

Другие два штырька меньшего размера – это составные элементы электрической цепи, которая служит для нагрева электрочайника. Один из них ведет себя как фиксированный положительный заряд, а другой – как фиксированный отрицательный заряд. Нажимая кнопку включения, я добавляю недостающее звено в электрическую цепь, в результате чего она становится замкнутой. Под действием электрического поля в ней начинается упорядоченное движение электронов. Они отталкиваются от штырька – носителя отрицательного заряда и, проходя через цепь электрочайника, притягиваются к положительно заряженному штырьку. Итак, пока я ищу заварочный чайник и пакетики с чаем, электроны продолжают циркулировать по замкнутой цепи моего электрочайника.

В нижней части электрочайника указано, что он может питаться от сети напряжением 230 вольт (230 V). Напряжение означает силу электрического поля, которое обусловливает упорядоченное движение электронов в замкнутой электрической цепи. Чем сильнее это электрическое поле, тем большую энергию должен потратить каждый электрон при прохождении электрической цепи. Таким образом, величина напряжения говорит нам о количестве энергии, используемой при прохождении электрической цепи. Выше мы приводили аналогию с перемещением людей в кабине лифта. Если ее продолжить, то напряжение – это высота, с которой электрон скатывается по горке электрической цепи к другому штырьку вилки. Чем выше напряжение, тем больше энергии понадобится каждому электрону при прохождении электрической цепи.

Я ополоснула заварочный чайник и опустила в него пакетик с чаем. Чашка и молоко готовы. Остается подождать, пока нагреется вода в чайнике. Для этого требуется всего пара минут, но когда я испытываю жажду, мне не терпится. Скорее же! Я знаю, какое напряжение в электросети, но это далеко не все. Чем оно выше, тем больше энергии может отдать каждый электрон. Но это не говорит о том, сколько электронов проходит по электрической цепи. Чтобы отдать в воду как можно большее количество энергии, нужно, чтобы по цепи двигалось как можно больше электронов. Это называется силой электрического тока, которую мы измеряем в амперах. Чем сильнее ток, тем больше электронов проходит через определенную точку в проводе за одну секунду. Если напряжение источника питания умножить на силу тока, протекающего по цепи, вы получите суммарную величину энергии, выделяющейся за одну секунду. Напряжение, подаваемое на мой электрочайник, равняется 230 вольт, сила тока, протекающего в цепи электрочайника, составляет 13 ампер, так что, умножая, получим 230 × 13 = 3000 (приблизительно). Согласно паспортным данным моего электрочайника, его мощность равна 3000 ватт (3000 W), что соответствует 3000 джоулям энергии, выделяющейся за одну секунду. Этого достаточно, чтобы нагреть воду до кипения менее чем за две минуты. Правда, какая-то часть тепла при этом рассеивается в окружающей среде, так что на практике кипячение воды в таком чайнике занимает примерно две с половиной минуты.

У меня нет никакого желания это проверять, пока я готовлю чай, но говорят, что «напряжение бьет, а ток убивает». Разница напряжений между мной и моим автомобилем тогда, в морозный день в Род-Айленде, составляла, наверное, 20 000 вольт. Но через мой палец прошла лишь крошечная величина электрического заряда, поэтому он не причинил мне особого вреда. Сила тока была незначительна, и энергии было передано мало. Если бы я прикоснулась пальцами к оголенным проводам, которыми подсоединяется к электросети настенная розетка у меня дома, ситуация оказалась бы совершенно иной. Сильный электрический ток означает упорядоченное перемещение огромного количества электронов, каждый из которых является носителем одного и того же количества энергии. Суммарное количество энергии огромно ввиду колоссального числа ее носителей. Испытать на себе действие энергии такой величины гораздо опаснее, чем удар статического электричества в результате прикосновения к автомобилю, несмотря на то что величина напряжения, подаваемого на электрочайник, составляет лишь сотую долю напряжения, возникающего между моим пальцем и автомобилем. Главную опасность для человека представляет не величина напряжения, воздействующего на него, а сила тока.

Когда электроны проходят через металл нагревательного элемента электрочайника, они движутся под действием электрического поля. Оно придает им некоторое ускорение, но поскольку проводник состоит из множества атомов, эти ускорившиеся электроны неизбежно соударяются с препятствиями, возникающими на их пути, и в результате теряют энергию, нагревая то, с чем соударяются. Таким образом, заставляя огромное количество зарядов упорядочено перемещаться по нагревательному элементу, вы принуждаете их соударяться с препятствиями. В результате огромного числа таких соударений происходит сильный нагрев. Именно в этом и заключается принцип работы электрочайника: ускорение электронов при прохождении через его нагревательный элемент приводит к их многочисленным соударениям с препятствиями, вследствие чего электроны отдают свою энергию в виде тепла. Сами по себе электроны в цепи дрейфуют довольно медленно, со скоростью примерно 1 миллиметр в секунду[77]. Но этого вполне достаточно.

В кипящей воде масса дополнительной энергии. Самое поразительное, что вода получает ее от соударения невообразимо крошечных электронов с препятствиями, возникающими на их пути. Удивительно, но факт: мой чай вскипятился в результате нагрева, вызванного воздействием электрических полей на электроны в проводнике! Это, наверное, простейший из возможных вариантов использования электрической энергии: ее непосредственное преобразование в тепло. Но как только люди научились создавать всевозможные электрические цепи и источники электропитания, варианты применения электричества начали усложняться, причем с нарастающей скоростью.

Существует фундаментальная разница между движением электронов, вызванным электрической батареей, и происходящим при подключении какого-либо из устройств к настенной электрической розетке. В любом устройстве, работающем от батареи, электроны всегда движутся в одном направлении. Такое их упорядоченное одностороннее движение называется постоянным током (direct current – DC). Стандартная электрическая батарейка типоразмера AA обеспечивает постоянный ток напряжением 1,5 вольта. Но ток, получаемый из настенной электрической розетки, принципиально отличается от постоянного тока – он переменный (alternating current – AC). Переменный ток меняет свое направление со скоростью примерно сто раз в секунду[78]. Переменный ток во многих отношениях более удобен в использовании, чем постоянный ток.

Можно ли переходить с применения переменного тока на постоянный и наоборот? Можно, но это вызывает дополнительные проблемы. С ними сталкивается каждый, кто часто возит с собой ноутбук: в дополнение к нему приходится обязательно брать небольшую, но довольно увесистую коробочку – неотъемлемую часть кабеля питания ноутбука. Это адаптер, преобразующий переменный ток, получаемый от настенной электрической розетки, в постоянный, требуемый для питания ноутбука. Альтернативный источник питания устройства – внутренняя аккумуляторная батарея, которая представляет собой источник постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный требуются трансформаторы, это катушки проводов и довольно сложные электрические цепи, поэтому сделать адаптеры очень маленькими пока не удается[79].

Сегодня мы воспринимаем электронику как нечто само собой разумеющееся. Но в пору становления она доставляла нам немало хлопот своей капризностью и непредсказуемым поведением. Мой дедушка хорошо помнит те времена, когда электроника лишь робко входила в наши дома, принося вместе с собой сложности, которые были весьма необычны для живущих тогда людей.

Мой дедушка Джек был одним из первых телевизионных инженеров. В те времена электроника была громоздкой, выделяла много тепла и даже «сильно воняла», как утверждает моя бабушка. Ее описания неисправностей, которые приходилось устранять дедушке, живо напоминали мне об особенностях первых электронных устройств, напрочь забытых в наши времена повсеместного распространения смартфонов и Wi-Fi. Слушая воспоминания бабушки, я не переставала удивляться ее познаниям в области телевизионной техники того периода. Я никогда не слышала, чтобы она интересовалась техникой как таковой, но когда речь заходила о старых телевизорах, бабушка подчас употребляла технические термины, которые были незнакомы даже мне. Однажды она рассказывала: «Важным компонентом был строчный выходной трансформатор. Когда с ним возникали проблемы, из корпуса телевизора вился легкий дымок и чувствовался запах гари». Ее ярко выраженный акцент северянки напоминал мне о том, что люди с севера Англии вообще очень сдержанны в своих эмоциях и высказываниях: возможно, бабушка что-то недоговаривала и в