Читать книгу Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски - Страница 5

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.