Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Крис Вудфорд

Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Информация от издательства

Научный редактор Азат Гизатуллин

Издано с разрешения Bloomsbury Publishers PLC и литературного агентства Andrew Nurnberg

© Chris Woodford, 2015

© Перевод, издание на русском языке, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2017

Введение

Как вы считаете, много ли у вас общего с великим ученым Альбертом Эйнштейном – родившимся в Германии гением, автором идей, достойных Флэша Гордона[1], среди которых – атомная бомба и солнечная энергия? Скорее всего, вы с ходу ответите: «Нет, немного». А я вас удивлю. Ваша ДНК на 99,9 % совпадает с ДНК Эйнштейна (а еще на 90 % с ДНК шимпанзе и на 50 % с ДНК банана, но эти не слишком приятные подробности можно не учитывать). Вы ненавидели школу? Эйнштейн тоже. Он был очень способным учеником, но бросил школу в выпускном классе – правда, через год продолжил обучение в техническом училище. Вы проваливались на важных экзаменах? И Эйнштейн провалился на вступительных экзаменах в Цюрихский политехнический институт, хотя проявлял блестящие таланты в математике и физике. Он снова вынужден был отложить обучение. Вам было трудно получить желанную работу? Эйнштейн бы вам посочувствовал: по окончании института он безуспешно отправлял заявления на разные преподавательские и научные должности, даже хотел стать страховым агентом, чтобы содержать семью, и в конце концов получил скучнейшую работу в патентном бюро. Один из самых выдающихся и неординарных ученых XX века во многом был таким же неудачником, как и мы с вами[2].

Мы восхищаемся Эйнштейном не потому, что он безмерно талантлив, а потому, что он гений с присущими человеку недостатками. Он был достаточно умен, чтобы знать всё, и в то же время достаточно мудр для того, чтобы не знать ничего. Благодаря его неровным и рваным каракулям на доске человек проник в миры материи, энергии, света и гравитации – узнал фундаментальные научные концепции, которые стали частью удивительной теории относительности, показавшей эластичность времени и пространства. При этом Эйнштейн понял, что наука – это, по существу, просто другой взгляд на мир, а научные идеи, оторванные от радостей и горестей повседневной жизни, мало что значат для большинства из нас. «Сила притяжения, – мудро сказал он однажды, – никак не связана с тем, что нас притягивает к себе любовь».

Наука была для Эйнштейна всей жизнью. Но она, скорее всего, не стала таковой для вас. Вы можете прожить и три, и десять лет, ни разу не задумавшись о ней. Но вы не проживете и долю секунды без использования науки. Она обеспечивает появление новых технологий – от интернета до теплосберегающих окон, от сканирования мозга до ультразвукового исследования плода, – которые делают нашу жизнь всё более осмысленной и совершенной. Бытовые явления часто ставят нас в тупик, хотя каждый из нас много лет изучал разные науки в школе. Последние опросы показывают, что 80–90 % респондентов «испытывают к науке интерес» и признают ее важность. При этом 30–60 % считают современную науку слишком узкоспециализированной и непонятной, а две трети 14-летних подростков – «неинтересной». Мы путаем понятия озонового слоя и глобальных климатических изменений. Мы думаем, что атомная энергия гораздо более опасна, чем переход через улицу. 70 % из нас полагают, что СМИ раздувают из науки сенсацию на ровном месте, но 86 % людей черпают информацию о ее развитии как раз из этих ненадежных источников[3].

Цель этой книги как раз в том, чтобы помочь читателю правильно понять окружающий мир, объяснив научные явления в жизни интересным и доступным языком. Пропутешествовав с ней по своему дому, вы найдете удивительные и увлекательные научные объяснения тому, с чем вы сталкиваетесь каждый день: от булькающих труб и скрипящих полов до заварного крема и блестящих ботинок.

Сделаю важную оговорку. Эта книга – не для ученых, поэтому я использовал минимум детальных пояснений, формул и чертежей. По возможности я избегал математики. Вы найдете в тексте много ссылок на пояснения в разделе «Примечания».

Почему упасть с переносной лестницы так же опасно, как попасть в зубы крокодила? Как лучше строить небоскребы – как желеобразные подвижные структуры или как пирамиду из шоколадного печенья? Сколько атомов нужно расщепить, чтобы зажечь электрическую лампочку? Правильно ли с научной точки зрения вы размешиваете чай? В ответах на эти вопросы нет ничего сверхсложного или озадачивающего; в конце концов, это же не ракетостроение (даже если именно ракетами вы и интересуетесь). В книге мало математики, и вам не будет слишком трудно или скучно. Чтобы понять, о чем здесь идет речь, не обязательно быть Эйнштейном.

Я тоже не Эйнштейн, но читал некоторые из его оригинальных работ и в удивлении почесывал голову над его изящными уравнениями. На мой взгляд, одна из самых глубоких и искренних его мыслей была высказана в одном простом предложении, которое может понять каждый: «Вся наука является не чем иным, как усовершенствованием повседневного мышления». О последнем и пойдет речь в этой книге. Если угодно, это наука для всех нас.

Глава 1. Прочные основания

Есть много дел, которые подвластны только человеку: написание романов, создание живописных портретов, молниеносное касание клавиш фортепьяно при исполнении сонат Бетховена. Но строительство не относится к уникальным человеческим дарованиям. Никто не отрицает, что архитекторы создают одни из самых заметных продуктов человеческой деятельности. Но суть их искусства – проектирование укрытий для человека, которые не может разрушить сила земного тяготения, – близко к тому, что делают и другие представители животного мира. Строительством укрытий – от снежных берлог медведя-гризли до сложных плотин, возводимых бобрами для регулирования скорости водных потоков, – занимаются почти все виды животных на Земле.

Что отличает человека от других строителей? Мы создаем небоскребы 400 м высотой и ангары для сборки гигантских ракет. Человечество гордится каменными пирамидами, которые молчаливо и величественно стоят вот уже 5000 лет. Каждый из нас хоть раз пытался построить карточный домик, который рассыпался за несколько секунд. Мы построили офисные здания, в каждом из которых 50 000 человек одновременно могут стучать по клавишам компьютера или обмениваться шутками у диспенсера с водой. И у нас есть мобильные телефоны, достаточно миниатюрные, но таящие в себе большие секреты. И всё же, несмотря на творческие хитрости и оригинальность наших архитектурных творений, которые мы так тщательно проектируем и возводим, по сути они принципиально не отличаются от убежищ, которые строят для себя животные из веток и глины. Дело в том, что все здания – это убежища; а все убежища – как человека, так и животных – имеют нечто общее: строители применяют фундаментальные научные законы, чтобы побеждать в борьбе с силой земного тяготения, ветром, землетрясениями и старением.

Надежен, как дом?

Возможно, вы не доверяете каждому встречному. Но вы почти всегда убеждены в прочности любого здания, в которое входите. Крайне редко вас посещает мысль: «А оно не развалится?» Люди внушают доверие иногда, а здания – всегда. Немногие из нас живут дольше 90 лет, но многие из существующих в мире архитектурных объектов стоят в 100 раз дольше. Мы говорим: «Надежен, как дом», – веря, что мало что на Земле может быть надежнее. В ночных кошмарах нас часто посещают видения о том, как мы куда-то падаем. Но, если вы не живете на скользком склоне горы или в особо опасной сейсмической зоне в Тихом океане, вы имеет огромный шанс проснуться – благодаря вашему замечательному дому – именно там, где вчера пожелали спокойной ночи своим близким.

Наша уверенность в прочности зданий может быть твердой, как сталь. И в ее основе лежат впечатляющие научные законы и открытия. Но внешне незыблемая природа наших домов, офисных центров и других сооружений порой весьма обманчива. За нашей уверенностью в их устойчивости стоит реальная действительность: они ведут невидимую, но постоянную войну с силами гравитации, давления ветра и сотрясений почвы. Кажущиеся устойчивыми здания пребывают в состоянии постоянно меняющегося равновесия. В большинстве случаев оно выглядит как взаимная компенсация противоположными силами друг друга. Здания никуда не двигаются (ни быстро, ни медленно), потому что силы, пытающиеся их опрокинуть, и силы, удерживающие их в одном положении, находятся в состоянии абсолютного равновесия. И на самом деле трудностей тут гораздо больше, чем нам кажется. Они проявляются внешне только в тех редких случаях, когда гигантские сооружения внезапно падают. Многие ли из нас хотя бы когда-нибудь давали себе труд, несясь на лифте в офисном конгломерате, представить себе хотя бы на секунду все миллионы тонн стали, бетона и стекла, которые нависают над нашими головами, и то, что может произойти, если они в какой-то момент свалятся на нас? Тот факт, что здания разрушаются редко, лишний раз доказывает оправданность нашей веры в науку.

Насколько напряженно трудятся здания?

По научному определению сила – механическое воздействие на предмет, заставляющее его двигаться в определенном направлении. Удар ногой по мячу, переноска мешка с картошкой в багажник автомобиля, откусывание куска шоколадки и забивание гвоздей в стену – типичные примеры применения силы в быту. Сила, которая доминирует в нашей жизни и которая никому из нас не удается избежать, – это сила гравитации, в нашем случае – земного притяжения. Это сила, с которой притягивает к себе Земля, имеющая массу 6 000 000 000 000 000 000 000 000 кг (6 септиллионов килограммов), всё, что находится поблизости от нее. Сила гравитации создает вес – нашу повседневную весомость, которую мы умудряемся почти не замечать, если не озабочены проблемами похудения. Если вы типичный взрослый мужчина, масса вашего тела должна быть где-то в пределах 75 кг. Вы ее даже не замечаете – разве что если представите себе, как носите ее в руках целый день. Вы бегаете вверх и вниз по ступенькам или трусцой, прыгаете, танцуете зажигательную латиноамериканскую сальсу, по сути держа 75-кг пачку сахара на своих коленях.

Звучит пугающе, пока вы не возьмете карандаш и не произведете кое-какие подсчеты. Конечно, толщина коленей важна: пара крепких стволов деревьев будет держать ваш вес лучше, чем два карандаша. Я только что обмерил свои колени и выяснил, что окружность каждого составляет 22 см. Соответственно, площадь одной моей коленки (если представить ее себе в виде круга после мысленного сканирования моей ноги) составляет где-то порядка 40 см². Для удобства отвлечемся от реального строения человеческого тела – тканей, костей и того, как это всё подарочно упаковано в кожу, – и представим себе, что наши ноги – массивные стержни вроде стволов деревьев. Если я вешу 75 кг, то давление на обе мои ноги будет равно силе, давящей на них, деленной на площадь, на которую воздействует эта сила. Это примерно равно атмосферному давлению (давлению воздуха на всё, что нас окружает). Выходит около 1 кг на 1 см², и это примерно половина обычного давления в шинах автомобиля. Или, более наглядно, 7 кг сахарного песка на площадь почтовой марки (когда в следующий раз вы увидите кого-то, хромающего на распухших коленках, то поймете причину). Понятно, что нагрузка на каждую мою коленку – только половина моего веса, и это не так уж плохо. Всё зависит и от того, на чем я стою. Стопа за счет своего размера распределяет этот вес на большую площадь и снижает давление нашего тела на то, что лежит под нами. Асфальт или бетон легко выдерживают вес человека. Мягкий снег или мокрый песок на берегу могут просесть на несколько сантиметров, и на нем останутся наши следы, на которые так весело оглядываться. Зато в грязь или мягкий грунт наши ноги сразу провалятся по щиколотку.

У домов, конечно, коленей нет: весь вес здания и всего, что внутри, не покоится на двух относительно тонких колоннах в его основании. Большинство домов (и сооружений в целом) возводятся как прямые конструкции, перпендикулярные плоскости земли, поэтому чаще всего в разрезе они имеют примерно одинаковую площадь по всей высоте. Небоскребам вроде Эмпайр-стейт-билдинг часто для пущей устойчивости придают конусообразную форму: основания шире последующих этажей, и всё здание сужается кверху. Как можно сравнить приведенные выше показатели с показателями Эмпайр-стейт-билдинг? Вы можете ожидать, что это 102-этажное здание высотой 380 м с колоссальной силой воздействует на свое основание. Так и есть.

Но, как и в случае с нашим телом, главное здесь – не сила, а давление, определяемое площадью, на которую воздействует эта сила. Площадь основания Эмпайр-стейт-билдинг составляет примерно 8000 м², а общая масса здания оценивается в 330 000 т. Столько же весят 4,5 млн человек, или население всего города Калькутта в Индии[4]. Что примечательно, благодаря большой площади пятна застройки этот вес оказывает на почву давление всего лишь в четыре раза больше атмосферного[5]. Конечно, здесь необходимо внести корректировки: здание, как правило, не является монолитным блоком, стоящим на основании. В простейшем случае это некоторые объемы или пустоты, которые покоятся на опорах, установленных по периметру фундамента. Но давайте не углубляться в технические детали того, что поддерживает здание. Допустим, что 10 % его «отпечатка» на земле – это стены, а остальное – пустое пространство. Тогда показатель давления здания на землю нужно увеличить примерно в 10 раз, и он составит приблизительно 40 атмосфер[6]. Звучит очень солидно. Неудивительно, поскольку мы говорим об одном из самых больших, высоких и тяжелых зданий в мире.

Попробуем теперь понять, какое давление на землю оказывает обычный жилой дом. Нам, конечно, необходимо знать, сколько он весит, но вычислить это не так-то легко. Пролистывая архивные подшивки журнала «Популярная механика» (Popular Mechanics), я нашел статью за 1956 год, в которой масса среднего жилого дома оценивалась в 122 т[7]. Несколько лет назад колумнист газеты Sеattle Times Дэррел Хэй оценил массу типичного американского жилого дома в 160 т[8]. Сделаем допущение в большую сторону и будем считать, что масса такого дома составляет 200 т, если прибавить и весь тот хлам, который будет находиться внутри. Это солидно. Взрослый слон весит 5–7 т, так что речь примерно о 30–40 слонах, которые расплющивают ваш дом. Если площадь его застройки представляет собой квадрат со стороной в 10 м и, как и раньше, мы предположим, что основную часть нагрузки несут стены, мы вычислим, что дом давит на участок под ним с силой, равной примерно двукратному атмосферному давлению – или вдвое больше веса, который должны выдерживать ваши ноги. Так что, как ни удивительно, ваши хилые коленки испытывают на себе давление вдвое меньшее, чем стены дома.