В книге рассказывается о воде - самом распространенном и в то же время самом загадочном веществе на Земле. Приведены гипотезы, объясняющие происхождение воды на планете, раскрывается роль воды в формировании атмосферы, океанов, климата и как движителя научно-технического прогресса на протяжении всей истории человечества.
Фрадкин Борис Захарович
Москва: Недра, 1983 - с.92
Необыкновенным называют все, что резко отличается от привычного, повседневного. Необыкновенное поражает наше воображение и не сразу воспринимается нашим разумом.
Вспомним, как было потрясено человечество первым полетом на воздушном шаре; какую сенсацию вызвали открытие радио, лучей Рентгена, полупроводников, ультразвука. МирФ был изумлен мужеством доктора Хавкина, испытавшего на себе вакцину смертоносной чумы, и рукоплескал Кристиану Барнарду, совершившему первую пересадку человеческого сердца. Мир подавленно замер от грохота атомных разрывов в Хиросиме и Нагасаки и ликовал, приветствуя полет пионера космоса - Юрия Гагарина.
Таких событий бесконечное множество. Каждое из них, подобно взрыву, ослепительной вспышке света, открывает новое направление в пауке и технике. Но... проходит некоторое время и самое революционное свершение превращается в рядовое, будничное дело.
Мы уже не удивляемся посадкам космических кораблей на Луну. Десятки людей годами живут с пересаженными сердцами. Мирный атом трудится на благо человечества. Полупроводники-транзисторы прочно вошли в наш быт. Все стало привычным, понятным, перекочевало на страницы школьных учебников.
Однако существует область исследований, заглядывая в которую уже не одно поколение мыслителей восклицает: "Необыкновенно!". Это - вода.
Да, да, та самая вода, которая заполняет моря, озера, реки, падает на землю дождями, ложится на нее снежными покровами. Та самая вода, без которой немыслимо существование не только человека, но и всего живого.
Во все времена естествоиспытатели не обходили своим вниманием воду, пытаясь постичь секрет ее удивительных свойств. И каждый раз отступали, признаваясь в своем бессилии.
А вода с каждой эпохой приобретала все большее значение для человечества. Сначала она понесла на себе первые утлые суденышки. Потом ею научились орошать поля, создали первые примитивные водопроводы. И вот уже она привела в движение первый двигатель - водяное колесо.
По истории общения человека с водой можно было бы написать своеобразную историю возникновения древних цивилизаций, историю развития техники, и, наконец, историю появления основных направлений в сегодняшней науке. Вот лишь несколько примеров.
Объединение древнего Двуречья вокруг Вавилона было продиктовано необходимостью создания единой ирригационной системы. Массовое рытье каналов стимулировало замену бронзовых орудий труда железными. Резкий рост урожайности способствовал расцвету культуры Вавилона, развитию ремесел, росту военного могущества. Увы, неразумное орошение привело к заболачиванию земель, катастрофическому снижению урожайности и способствовало ... распаду царства Вавилонского.
В середине 60-х годов XVIII в. английский физик Генри Кавендиш открыл "горячий воздух", рождающий воду (водород). Тем самым он доказал, что вода - сложное вещество. Дальнейшие исследования свойств воды и ее химического состава привели другого английского физика Джона Дальтона к созданию атомной теории вещества. А в наше время эта теория обернулась атомной бомбой и атомными реакторами.
В начале XVIII в. англичанин Томас Ньюкомен первым заставил трудиться водяной пар - он изобрел пароатмосферную машину. Усовершенствованная его соотечественником Джеймсом Уаттом, она открыла новую эру в истории человечества - эру промышленного капитализма. "Революционер - пар", по выражению Карла Маркса, вызвал появление самого прогрессивного класса, гробовщика угнетателей - пролетариата.
Исследование тепловых свойств водяного пара привело французского физика Никола Леонар Сади Карно (начало XIX в.) к открытию идеального цикла работы теплового двигателя. На основа этого цикла были теоретически обоснованы, а затем выполнены в металле сначала поршневые, затем турбореактивные и, наконец, ракетные двигатели. Таким образом, водяной пар предопределил появление железнодорожного транспорта, автомобилей, самолетов и космических кораблей.
Подлинным преобразователем природы вода стала в нашей стране после установления в ней Советской власти. Только вдумайтесь в эти цифры: по решению XXVI съезда КПСС в 11-й пятилетке будет дополнительно орошено 3,7-3,9 млн. га засушливых земель, что превышает площадь такого государства, как Бельгия.
На сотни и тысячи километров протянулись в нашей стране рукотворные реки-каналы, превратившие мертвые пустыни в цветущие края. Вода привела в движение самые мощные в мире турбины ГЭС и наполнила искусственные моря-водохранилища.
Примеры роли воды в научно-техническом прогрессе можно было бы продолжить. И по сей день вода остается источником открытий в тех науках, которые, на первый взгляд, не имеют к ней никакого отношения.
Но самое удивительное заключено в самой воде. Если в микромире человек расширяет свои познания за счет открытия новых, прежде неведомых элементарных частиц, в космическом пространстве - за счет открытия качественно иных звезд - протонных, нейтронных, черных дыр, пульсаров и пр., то в мире воды он делает это, имея перед собой все ту же привычную обыкновенную воду. На протяжении всей истории общения человека с водой она продолжает оставаться примелькавшимся веществом и в то же время с поразительной последовательностью, век за веком, год за годом раскрывает перед исследователями все новые свои свойства, одно увлекательнее другого.
Мы вправе рассматривать воду как необъятную самостоятельную область познания - безбрежный океан, усыпанный белыми пятнами загадок. И едва удается раскрыть одну загадку, как появляется две, пять, ..., десять новых, еще более невероятных. Совершить путешествие по этому "океану" мы и приглашаем читателя.
В этой книге сделана попытка обобщить в популярной форме все известное науке о воде. Мы расскажем о ее наиболее уникальных свойствах, одни из которых раскрыты достаточно полно, другие продолжают оставаться волнующими тайнами, предметом смелых, оригинальных, но зачастую противоречивых гипотез. Поскольку каждая гипотеза есть не более как логически обоснованное предположение, автор берет на себя смелость высказать и свои собственные прогнозы относительно роли воды в безостановочном процессе преобразования нашей планеты, в эволюции всего живого на ней, в том числе и Человека.
Автор искренне благодарит профессора А. С. Шкляева, В. В. Вольского, О. В. Эстерле и Г. Г. Жидкову за ценные замечания.
Древняя Греция на заре своего становления знала семь мудрецов.. И самым прославленным из них был Фалес из Милета (VI в. до н. э.). Он первым из мудрецов древности сделал попытку постичь первооснову всего сущего. "Самое замечательное - вода! - воскликнул Фалес. - Только ее можно встретить одновременно в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Вода - вот первооснова всего сущего. Из воды вещи зарождаются в самом начале и в нее превращаются при окончательном уничтожении, причем первооснова остается неизменной, а меняются только ее состояния".
Фалес Милетский был недалек от истины, став два с половиной тысячелетия назад, по словам Ф. Энгельса, одним из первых представителей "стихийного материализма". В воде возникла жизнь. Мировой океан - колыбель жизни. Без воды немыслимо существование органического вещества. Наша кровь состоит на 90% из воды, наши мускулы - на 75%; даже самое "сухое" в нас - кости, и те содержат 28% воды. В целом наше тело в зрелом возрасте состоит на 65% из воды.
Ежегодно мы пропускаем через себя количество воды, равное более чем пятикратному весу нашего тела, а в течение жизни каждый из нас поглощает около 25 т воды. Лишить человека воды - значит, лишить жизни.
Значение воды для человека становится особенно понятным тогда, когда он ее лишается. Без пищи человек может существовать 40 дней, а без воды умирает на восьмые сутки. При потере живым организмом 10% воды наступает самоотравление, а при 21% - смерть. Без воздуха жизнь возможна. Есть бактерии, обходящиеся без кислорода (так называемые анаэробы). Но без воды пока неизвестна никакая форма жизни. Лишить природу воды - значит обратить ее в мертвый холодный камень.
Не знавшие поражения легионы римского полководца Марцелла осадили сицилийский город Сиракузы. Начался штурм крепостных стен. И тогда произошло непредвиденное. Хитроумные рычащие машины начали сбрасывать со стен толпы атакующих римлян, швырять в них огромные камни, метать тучи копий. С моря к стенам Сиракуз подошел римский флот. Но и здесь машины своими "журавлиными клювами" цепляли за нос галеры и, приподняв, бросала обратно в воду, превращая их в обломки. "Придется прекратить войну против этого проклятого геометра", - невесело пошутил Марцелл.
Не отвага защитников Сиракуз обратила в бегство прославленные римские легионы, а мудрость Архимеда. Далеко за пределы Сицилии разнеслась молва о необыкновенных выдумках первого в истории человечества инженера. Казалось, нет такой задачи, которая была бы не под силу его могучему уму. Но однажды Архимеду довелось изведать горечь бессилия.
В честь победы над римлянами царь Сиракуз повелел отлить корону из чистого золота. Однако, когда корона была готова, в душу тирана закрались сомнения: не утаили ли мастера часть золота, подменив его более дешевым серебром?
Уличить мастеров в обмане поручили мудрейшему из мудрых - Архимеду. Но как заглянуть в тайну сплава, который внешне ничем не отличался от чистого золота? Все решенные до того и составившие славу Архимеда задачи показались ему теперь детской забавой в сравнении с той, к которой он даже не знал, как подступиться.
Кто знает, какой силы достигло отчаяние мудреца? Все его размышления были тщетными, от них лишь росло чувство собственной беспомощности. И быть может, именно в тот день, когда Архимед собрался сложить оружие, пришло озарение. Влезая в наполненную до краев ванну, он вдруг увидел то, на что сотни, а может быть и тысячи раз смотрели его глаза. Смотрели, да не видели. По мере того как тело Архимеда погружалось в воду, она переливалась через края ванны.
Острая, яркая, как молния, сокрушающая своей простотой мысль едва не лишила его сознания: ведь объем выливающейся воды в точности равен объему его тела! Если же массу тела поделить на этот объем, получится число, свойственное только этому телу. Только этому и никакому более! В наши дни это число называется плотностью, или объемной массой.
Неистовая радость открытия заставила великого старца выскочить из ванной и с криком "Эврика! Эврика!" помчаться по улицам Сиракуз. В тот же день Архимед приказал изготовить слиток чистого золота с массой, равной массе короны. Поочередно погружая в воду корону и слиток, он определил их объемы, нашел плотность того и другого, сравнил и... уличил обманщиков!
Так вода помогла Архимеду решить задачу века и стала первым инструментом познания одного из свойств вещества.
Несколько позднее, продолжая опыты в ванне, Архимед сформулировал свой знаменитый закон о плавающих телах и тем положил начало гидравлике.
Мрачные века средневековья... Надломленный пытками в застенках святой инквизиции старец Галилео Галилей вынужден был отречься от учения Коперника. Однако, как повествует молва, выйдя из судилища и оглянувшись на святых отцов, Галилей воскликнул:
- А все-таки она вертится!
Дорого обошлись ему эти слова. Он был изгнан из родной Флоренции и дни свои закончил на чужбине.
Но еще более мужественным Галилей оказался в науке. Он отважился опираться не на авторитет великих предшественников, а на опыт, на силу собственной логики. Полет его мысли, казалось, не знал предела: им открыт закон инерции; он - основоположник законов колебаний маятника и законов падения тел; он изобрел телескоп и первым заглянул в глубины Вселенной, открыл горы на Луне, пятна на Солнце, фазы Венеры и спутников Юпитера.
Но вот его внимание привлекла вода. Рассуждая над неподвижным сосудом с водой, Галилей пришел к поразившему его выводу: сила давления на дно сосуда могла превышать массу налитой в сосуд воды (рис. 1). Ошибки в рассуждениях быть не могло, ибо эти рассуждения опирались на законы логики и, конечно же, на повседневный опыт. Судите сами: на одной чаше весов (см. рис. 1,в) в сосуде находится 5 л воды, а на дно давит сила в 10 кгс (В Международной системе единиц (СИ) 1 кгс = 9,8 Н); на другой - гиря в 5 кг давит на чашу весов с силой в 5 кгс. Откуда же взялись дополнительные 5 кгс? Этого Галилей объяснить не смог. Тогда он начал изучать поведение движущейся воды. Тут его подкараулила еще более сокрушительная неудача: законы логики никак не желали ладить с законами течения обыкновенной воды. С горечью Галилей признался своим единомышленникам: "Легче установить закономерность движения бесконечно удаленных светил, нежели закономерность движения ручья, текущего у наших ног".
Рис. 1. Гидростатический парадокс. а - вес гири соответствует силе давления воды на дно (G = P); б - вес гири в 3 раза больше силы давления воды на дно (чашку весов), но равновесие сохраняется (G = 3P); в - вес гири в 2 раза меньше силы давления воды на дно (чашку весов) - равновесие по-прежнему сохраняется (G = 0,5P)
Не дрогнувший перед инквизицией, талантливый мыслитель и экспериментатор отступил перед неразрешимыми загадками заурядного вещества - воды. Вода оказалась для него самым непостижимым объектом исследований.