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 ракетыЗаконы 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 5001000 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.