Читать книгу Буря в склянці води. Захоплива фізика повсякденного життя - Хелен Черски - Страница 2

Вибухи на кухні загалом не є чимось бажаним. Але іноді невеличкі вибухи спричиняються до чогось смачного. Висушені кукурудзяні зерна містять багато їстівних складників, як-от: вуглеводні, білки, залізо, калій, але вони надто щільно запаковані, і дістатися до тих складників нелегко через тверду шкірку. Їхній потенціал – заманливий, але, щоб вони стали їстівними, необхідно піддати їх докорінній перебудові. Вибух – вхідний квиток, і дуже навіть зручно, що зерна містять осердя власного саморуйнування. Учора ввечері я вдалася до своєрідних стрільб на кухні й приготувала трохи попкорну, тобто кукурудзяних баранців. Завжди приємно дізнаватися, що всередині за твердою, неприємною шкіркою ховається щось м’якше, але чому в цьому випадку заміть того, щоб розірватися на частинки, зерно перетворюється на пухнасту хмаринку?

Коли олія на сковорідці зашкварчала, я висипала ложку кукурудзяних зерен, накрила кришкою, а тим часом поставила на плиту чайник з водою, щоб заварити чаю. А надворі, за вікном, знялася буря, стукотіла великими важкими краплями в шибки. Кукурудза смажилася на олії, стиха сичала. Здавалося, що геть нічого так і не відбудеться, аж тут на сковорідці розпочалося шоу. У кожному кукурудзяному зерні є зародок, з якого потім виростає нова рослина, а ще ендосперм, тобто поживне середовище, що відіграє роль їжі для нової рослини. Ендосперм складається з крохмалю у вигляді гранул і містить близько 14 % води. Коли зерна смажаться в гарячій олії, вода випаровується і перетворюється на пару. Щойно зерна нагріються, гарячі молекули починають рухатися швидше, а молекули води буквально гасають всередині зерен у вигляді водяної пари. Еволюційне завдання оболонки кукурудзяного зерна полягає в тому, щоб витримати облогу ззовні, але тепер зерняткові доводиться стримувати внутрішній заколот, бо воно перетворюється на міні-скороварку. Молекули води, що випарувалися, не знаходять виходу назовні, тому тиск всередині зростає. Молекули газу безперервно наштовхуються одна на одну й на оболонку зернятка, кількість молекул газу зростає, вони рухаються щораз швидше, щораз сильніше барабанять по стінках оболонки зсередини.

Принцип скороварки побудований на тому, що гаряча пара дуже швидко все готує, і те саме відбувається всередині кукурудзяного зернятка. Поки я шукала пакетики чаю, крохмальні гранули перетворювалися під дією температури на драглистий слиз, а тиск зростав і зростав. Зовнішня оболонка кукурудзяного зернятка якийсь час здатна витримувати такий тиск, але тільки до певної міри. Коли температура всередині наближається до 180 °C, а тиск зростає вдесятеро порівняно з тиском навколишнього повітря, то слиз опиняється за крок від перемоги. Я злегка потрусила сковорідкою і почула в ній перше глухе потріскування. За кілька секунд до мене долинула ніби черга якогось міні-кулемета, і я навіть побачила, як підстрибує кришка, обстріляна зсередини. З кожним почутим вистрілом щоразу здіймалася невеличка хмарка пари з краю кришки на сковорідці. На мить я відволіклася, щоб налити чаю, і протягом тих кількох секунд град вистрілів пересунув кришку, і в повітря полетіли кукурудзяні оболонки.

У момент катастрофи правила міняються. До тієї миті стала кількість водяної пари перебувала в обмеженому просторі, тому зі зростанням температури постійно зростав тиск усередині оболонки. Але коли тверда оболонка все ж таки піддалася, її внутрішній вміст потрапив у середовище з атмосферним тиском, панівним для решти сковорідки і без жодних обмежень в об’ємі. Крохмальний слиз далі був переповнений гарячими швидкими молекулами, але їх уже ніщо не стримувало. Тож він розширився під час вибуху, аж поки тиск усередині не врівноважився з тиском назовні. Стиснутий білий слиз став білою пухнастою піною, що вивертала ціле зернятко; поки температура спадала, піна застигла і ствердла. Зміна завершилася.

Висипаючи підсмажені, уже вибухлі, зерна кукурудзи зі сковорідки, помічаю ще кілька «недобитків». Темні, обпалені зерна, що не вибухнули, сумно торохтять на дні сковорідки. Якщо оболонка зерна пошкоджена, то хай би скільки було в ньому пари, при нагріванні вона просто з нього виходить через тріщину, тому тиск не зростає. Причина того, що одні зерна вистрілили, а інші так і залишилися цілими, полягає якраз у ніздрюватості оболонки таких зерен. Якщо зерно занадто сухе (можливо, було зібране в неналежний час), то в ньому бракує вологи для створення тиску, щоб розірвати оболонку. Без раптового вибуху неїстівні зерна кукурудзи далі залишаються неїстівними.

Узяла миску зі смачно приготованим кукурудзяними баранцями до вікна. Стояла з чашкою чаю і дивилася на зливу за вікном. Руйнування не завжди означає щось лихе.

Краса – у простоті. А ще приємніше бачити, як краса постає зі складності. Для мене закони, що керують поведінкою газів, нагадують одну з оптичних ілюзій, – коли думаєш, що бачиш одну річ, а тоді кліпнеш оком і бачиш щось цілком інше.

Ми живемо у світі, що складається з атомів. Кожна із цих крихітних цяток матерії вкрита характерним візерунком негативно заряджених електронів – компаньйонів важких позитивно заряджених ядер усередині. Хімія – це історія тих компаньйонів, які ділять свої обов’язки між кількома атомами, змінюючи структуру, завжди керуючись суворими правилами квантового світу, і тримаючи ядра-бранці у більших системах, молекулах. У повітрі, яким я дихаю, коли ось друкую ці рядки, є пари атомів кисню (кожна така пара – це одна молекула кисню), що рухаються зі швидкістю 900 миль[1] за годину, ударяючись об пари атомів азоту, що літають зі швидкістю 200 миль[2] за годину, а тоді, можливо, відбиваються від молекули води і мчать зі швидкістю 1000 миль[3]за годину. Це страхітливо заплутаний безлад – різні атоми, різні молекули, різні швидкості – у кожному кубічному сантиметрі повітря близько 30 000 000 000 000 000 000 (3 x 10¹⁹) окремих молекул, кожна з яких об щось ударяється близько мільярда разів за секунду. Тут виникає думка: а чи не ліпше все це покинути, поки не пізно, і зайнятися, наприклад, нейрохірургією, економічною теорією або ж навіть зламом суперкомп’ютерів. Тобто зайнятися чимось простішим. Можливо, що першовідкривачі властивостей газів про таке штовхання навіть не здогадувалися. Так, невідання іноді буває корисним. Поняття атомів не приживалося в науці аж до початку ХІХ сторіччя, а цілковите доведення їхнього існування сталося не раніше 1905 року. У 1662 році єдине, що мали у розпорядженні Роберт Бойль і його помічник Роберт Гук, – то сякий-такий скляний лабораторний посуд, ртуть, трохи закупореного повітря й достатня кількість незнання. Вони зробили відкриття: коли тиск на повітряну кишеню збільшувався, його об’єм ставав меншим. Ось у цьому й полягає закон Бойля – Маріотта, який пояснює: при постійній температурі об’єм газу в замкнутій посудині обернено пропорційний тиску. Сто років потому Жак Шарль відкрив, що об’єм газу прямо пропорційний його температурі. Якщо вдвічі підвищити температуру, то об’єм газу також збільшується вдвічі. У це важко повірити. Як настільки складне атомне завихрення здатне призвести до чогось настільки простого й послідовного?

Ще один, останній, вдих повітря, ще один спокійний помах м’ясистим хвостом, і велетень лишає атмосферу позаду. Усе, що цьому кашалоту буде потрібно для життя протягом наступних 45 хвилин, зберігається в його тілі, тому починається полювання. Здобиччю має стати велетенський кальмар, гумова потвора, озброєна щупальцями, зловісними присосками та страхітливим дзьобом. Аби знайти свою жертву, кашалоту потрібно зануритися глибоко в справжню океанічну темряву, у місця, куди не доходить сонячне світло. Зазвичай він пірнає на 500-1000 метрів, а задокументований рекорд становить два кілометри. Кит зондує простір гідролокатором, яким з великою точністю прощупує темінь, очікуючи на слабке відлуння, бо воно означатиме, що десь неподалік плаває обід. А велетенський кальмар борознить води, нічого не усвідомлює й не підозрює жодної небезпеки, бо він глухий.

Найцінніший скарб, який кашалот несе із собою в глибочінь, – це кисень, необхідний для підтримання хімічних реакцій з наснаження його плавальних м’язів і всіляких життєвих процесів. Але газоподібний кисень, отриманий з атмосфери, у водній глибочіні стає киту на заваді: щойно гігант зникає під поверхнею океану, повітря в легенях, фактично, перетворюється на важку ношу. З кожним наступним метром занурення вага води щораз сильніше тисне на кашалота. Молекули азоту та кисню відбиваються одні від одних, а також від стінок легень кита, і кожне таке зіткнення спричиняється до крихітного поштовху. На поверхні зовнішні та внутрішні поштовхи врівноважуються. Але під час занурення кашалота величезна вага води над тілом його буквально розчавлює, і сила, що тисне ззовні, переважає силу, що тисне зсередини. Тому стінки легень піддаються зовнішньому тиску аж до урівноваження зовнішніх і внутрішніх сил. Рівновага сил досягається завдяки стисканню легень кита; кожна з молекул тепер має менше місця для руху, тому зіткнення відбуваються дедалі частіше. А це означає, що об кожен клаптик стінок легень тепер б’ється більше молекул, тиск останніх усередині зростає доти, доки не врівноважується натиском молекул зовні. Десятиметрової глибини вистачає для отримання тиску ще однієї додаткової атмосфери. Навіть на такій глибині, коли кит може бачити поверхню (ну раптом гляне вгору), його легені вже менші наполовину від початкового об’єму. Тобто відбувається вдвічі більше зіткнень молекул зі стінками легень, що відповідає подвійному тиску ззовні. Але кальмар може перебувати на глибині навіть одного кілометра, і тпм величезний тиск води зумовлює надзвичайне зменшення легень – навіть до 1 % об’єму, який вони мали на поверхні.

І ось нарешті кашалот чує, як одне з його гучних клацань таки відбивається. З «усохлими» легенями, керуючись гідролокатором, кит готується до битви у водній темряві. А велетенський кальмар – добре озброєний, тому якщо він у підсумку навіть і здасться, то кит все одно може зазнати серйозних ушкоджень і виплисти на поверхню зі страшенними шрамами. Але звідки в нього береться енергія для боротьби без кисню в легенях?

Клопіт зі стисненими легенями полягає в тому, що при одній сотій того об’єму, який був на поверхні, тиск газу всередині них у сто разів більший від атмосферного. В альвеолах легень – кінцевих частинках легень, через стінку яких здійснюється газообмін кисню та вуглекислого газу у кров і з крові, – такий тиск впхав би в кров і розчинив в ній і додатковий азот, і кисень. Це призвело б до крайньої форми того, що пірнальники називають «кесонном», або декомпресійною хворобою, – коли під час спливання на поверхню додатковий азот пузириться в крові і завдає непоправної шкоди організму. Еволюційним розв’язанням стало цілковите закриття альвеол, від моменту занурення кита. Іншого виходу просто немає. Але кит і під водою має доступ до запасів енергії, оскільки здатний накопичувати велику кількість кисню в м’язах і крові. У кашалота вдвічі більше гемоглобіну, ніж у людини, і вдесятеро більше міоглобіну (білку, що використовується для накопичення енергії у м’язах). Ці потужні резерви кити поповнюють на морській поверхні. Коли кашалоти пірнають глибоко під воду, то ніколи не використовують кисень, що лишається в легенях. Це небезпечно. Також під водою вони користуються не лише повітрям зі свого останнього вдиху. Вони живуть і борються, споживаючи додаткову енергію, накопичену у м’язах, а також із прихованих запасів, які поновлюються під час перебування на поверхні океану.

Ще ніхто не бачив боротьби між кашалотом і велетенським кальмаром. Але в шлунках мертвих кашалотів можна знайти цілу колекцію дзьобів – єдиної частини тіла кальмара, яка не перетравлюється. Тож кожен кит тягає у собі чималеньку кількість трофеїв – свідчень переможних битв. Коли кашалот-переможець спливає до сонячного світла, його легені поступово розправляються і знову з’єднуються з кровоносною системою. Коли тиск знижується, об’єм легень поволі збільшується, аж поки не набуває початкової форми.

Як не дивно, поєднання складної поведінки молекул зі статистикою (остання також не асоціюються з простотою) дає на практиці відносно простий результат. Так, дійсно дуже багато молекул і дуже багато зіткнень, а також дуже багато різних швидкостей, проте існує лишень два важливих чинники – діапазон швидкостей, з якими рухаються молекули, і середня кількість зіткнень молекул зі стінками посудини. Рівень тиску визначається кількістю зіткнень і силою кожного зіткнення (залежно від швидкості та маси молекули). Сумарний напір всього цього зсередини, протиставлений напору ззовні, є визначальним для об’єму. Тут додається ще й вплив температури.

– І хто б тепер ще чимось переймався? – Наш вчитель, Адам, одягнений у білий кітель, з-під якого радісно випинається чималий животик, бо саме цього й хоче кастингове агентство від виконавця ролі великого пекаря. Сильний лондонський акцент кокні тільки додає йому колориту. Тицяє пальцем у сумний балабух тіста на столі перед ним – і воно чіпляється до пальця, наче живе, яким воно, до речі, і є. – Для доброго хліба, – проголошує він, – нам потрібне повітря. – Це я стою в пекарській школі і вчуся пекти фокачу – традиційний італійський хліб. Добре пам’ятаю, що востаннє надягала фартух, коли мала, може, років десять. І хоча я вже спекла не одну хлібину, але жодного разу не бачила настільки пухкого тіста, а це означає, що я таки вчуся чогось дійсно нового.

Виконуючи всі настанови Адама, ми слухняно починаємо місити кожен своє тісто, як-то кажуть, з нуля. Змішуємо свіжі дріжджі з водою, а тоді з борошном і сіллю, працюємо енергійно, немов якісь масажисти, а все для того, щоб виробити клейковину – білок, який надає хлібу пружності. Цілий час, коли розтягуємо й розриваємо фізичну структуру тіста, наявні в ньому живі дріжджі зайняті ферментацією цукрів і продукуванням вуглекислого газу. Це тісто, як і всі ті види тіста, що я вимішувала дотепер, наразі не має в собі анітрохи повітря, а тільки бульбашки вуглекислого газу. Тягучий, липкий, золотавий біореактор, всередині якого перебувають продукти його життєдіяльності. Після купелі в оливковій олії, коли пройдено перший етап, тісто далі собі піднімається, а ми зчищаємо його з своїх рук, столу, а також з дивовижно широкої площі навколо нас. Під час кожної реакції бродіння утворюються дві молекули вуглекислого газу, що виштовхують дріжджі. Вуглекислий газ, або СО₂ – два атоми кисню, причеплені до атома вуглецю, – це невелика молекула, що не вельми часто вступає в реакцію, але за кімнатної температури має досить енергії, щоб вивільнитися і поширюватися у вигляді газу. Коли вона потрапляє в бульбашку разом з іншими молекулами вуглекислого газу, то годинами може вдарятися об стінки тіста, як ота електрична машинка з атракціону вдаряється бампером об бампери інших машинок. Щоразу, коли вона б’ється об іншу молекулу, відбувається обмін енергією, немов у більярді одна кулька вдаряється об іншу. Буває, що кулька вдаряється об іншу кульку, тому перша майже зупиняється, а друга перебирає від неї ледь не всю її енергію і мчить із великою швидкістю. Іноді енергія розподіляється між ними. Щоразу, коли молекула вдаряється об стінку бульбашки з клейковини, вона, відбиваючись, штовхає її. На цьому етапі бульбашки збільшуються саме завдяки ось таким зіткненням – кожна з них утримує дедалі більше молекул всередині себе, тож натиск газу назовні стає щоразу більшим. Бульбашки розширяються, аж поки атмосферний тиск не врівноважує тиск молекул СО₂. Іноді молекули СО₂, ударяючись об стінки бульбашки, рухаються швидше, а іноді – повільніше. Пекарям, як і фізиками, все одно, які молекули, в які стінки і з якою швидкістю вдаряються, бо це справа статистики. За кімнатної температури та атмосферного тиску 29 % таких молекул рухаються зі швидкістю від 350 до 500 метрів за секунду, і не має значення, що це за молекули.

Адам плескає в долоні, щоб привернути нашу увагу, і плавним помахом руки, ніби якийсь чарівник, відслоняє тісто, що росте. А тоді робить щось для мене цілком нове. Він розтягає змащене оливковою олією тісто і складає його вдвоє – з кожного боку. І при цьому намагається спіймати якнайбільше повітря в складки. Спочатку мені хочеться сказати: «Та ж він нас дурить!», – бо я завжди знала, що все «повітря» в хлібі – СО₂ з дріжджів. Колись я бачила майстра з оріґамі в Японії, який захоплено розповідав учням, як правильно застосовувати клейку стрічку до зробленого з паперу коня, тоді відчула обурення, дуже схоже на те, яке мене охопило тепер у пекарні. Але якщо нам потрібно повітря, то чому не використати його? Після випікання і так ніхто нічого не зауважить. Я послухалася досвідченого пекаря і покірно зігнула своє тісто. Кілька годин потому тісто знову підросло, і я його знову кілька разів зігнула, а відтак воно ввібрало в себе стільки олії, що мені аж не вірилося, що таке може бути, моя фокача, яка саме народжувалася, з усіма її бульбашками була готова, щоб її всадити в піч. Настав час для «повітря» обох видів.

У печі хліб потрапив під дію тепловій енергії. Тиск усередині залишався таким, як і зовні, але температура піднялася з 20 °C до 250 °C. В абсолютних одиницях з 293 К до 523 К (кельвінів), тобто температура майже подвоїлася[4]. Для газу це означає пришвидшення руху молекул. Для нас є нелогічним і незрозумілим, чому окремі молекули не мають своєї власної температури. Газ – скупчення молекул – може мати температуру, але окрема молекула в газі температури не має. Температура газу – лишень спосіб вираження того, скільки енергії руху в середньому мають молекули газу, але кожна окрема молекула постійно то прискорюється, то сповільнюється, обмінюючись енергією з іншими молекулами в зіткненнях. Кожна окрема молекула, немов та машинка в лунапарку: наштовхується на інші молекули-«машинки» з енергією, яку вона має в оцю мить. Що швидше вони рухаються, то сильніше вдаряються об стінки бульбашок, тим вищий генерують тиск. Коли хліб усаджений до печі, молекули газу раптом отримують набагато більше теплової енергії та прискорюються. Середня швидкість зростає з 480 метрів до 660 метрів за секунду. Тому напір на внутрішні стінки бульбашок істотно зростає, а ззовні залишається таким самим. Кожна бульбашка розширюється пропорційно до температури, тисне тісто назовні й змушує його рости. А тепер найцікавіше: повітряні бульбашки (переважно азоту і кисню) розширяються так само, як бульбашки вуглекислого газу. Це останній елемент головоломки. Виявляється, що не має значення вид молекули. Якщо вдвічі зростає температура, то вдвічі збільшується об’єм (за умови, що тиск не змінюється). Або якщо об’єм не змінюється, а температура підвищується вдвічі, то тиск подвоюється. І байдуже, чи наявні атоми – однакові, а чи різні, бо для будь-якої суміші атомів статистика не міняється. Ніхто, дивлячись на спечений хліб, не може визначити, які бульбашки були наповнені СО₂, а які – повітрям. Білкова та вуглеводнева в’язка речовина навколо бульбашок спеклася й застигла. Усталилися розміри бульбашок. Біла, пухка фокача – готова.

Властивості газів описують так звані «закони ідеального газу», а ідеалізм виправдовується фактом, що ті закони дійсно діють. І навіть дуже добре. Закони проголошують: якщо маса газу стала, то його тиск пропорційно обернений до його об’єму (якщо тиск подвоюється, то об’єм зменшується вдвоє), температура прямо пропорційна тиску (підвищення температури вдвічі збільшує вдвічі і об’єм); а також: об’єм при сталому тиску прямо пропорційний температурі. І немає значення, яким є газ, – важливо, яка кількість молекул його складає. Саме закони ідеального газу працюють в двигунах внутрішнього згоряння, повітряних кулях, а також… в кукурудзяних баранцях. І їх можна застосовувати не лише коли щось нагрівається, а й коли щось охолоджується.

Підкорення Південного полюса людиною було важливою віхою в історії людства. Великі полярні дослідники – Амудсен, Скотт, Шеклтон та інші – справжні легенди, а книжки про їхні досягнення стали найвідомішими пригодницькими історіями усіх часів і народів. Так, ніби їм не вистачало злигоднів, пов’язаних із холодом, нестачею продовольства, бурхливими океанами та невідповідним для таких умов одягом – аж тут супроти них у буквальному значенні цього слова почав діяти, ополчився потужний закон ідеального газу.

Центральна частина Антарктики – високе, сухе плоскогір’я. Воно вкрите товстим шаром криги, але рідко коли там падає сніг. Яскрава біла поверхня відбиває майже все слабке сонячне проміння в космос, а температура може падати до –80 °C. Там тихо. На атомарному рівні атмосфера на тій ділянці інертна, оскільки молекули повітря мають мало енергії (через холод) і рухаються досить повільно. Холодне повітря опускається на плоскогір’я і крига відбирає рештки тепла. Тиск – сталий, тому повітря втрачає в об’ємі і стає щільнішим. Молекули розташовуються ближче одна до одної, рухаються повільніше, неспроможні з достатньою силою тиснути назовні і протистояти довколишньому повітрю, що тисне всередину. Позаяк суходіл знижується із центральної частини континенту до океану, то й холод, неначе повільний повітряний водоспад, невпинно скачується із центру разом зі щільним повітрям. Сповзає лійками розлогих долин, набираючи швидкості, коли ці улоговини спускаються вже назовні, завжди в бік океану. Це – стоковий вітер Антарктиди, і якщо ви хочете дістатись Південного полюсу, то він безперервно дутиме вам в обличчя. Важко уявити щось гірше, що природа припасла для полярників.

«Стоковий» – це тільки означення того виду вітру, і він характерний для багатьох місць і не завжди холодних. Коли він скочується донизу, інертні молекули нагріваються, але тільки злегка. Проте наслідки такого нагрівання часом вражають.

У 2007 році я жила в Сан-Дієґо і працювала в Інституті океанографії імені Скріппса. Оскільки я походжу з півночі, то досить підозріло ставлюся до безперервно сонячної погоди. Проте я щодня плавала в 50-метровому відкритому басейні, тож не дуже на щось нарікала. Та й заходи сонця були просто дивовижні. Сан-Дієґо розкинувся на узбережжі з прегарним видом на захід, тобто на Тихий океан, і вечоровий небокрай там просто приголомшливий.

Мені дуже бракувало змін пір року. Здавалося, я застигла в часі на одному місці, немов уві сні. Але потім прийшов вітер Санта-Анна, спочатку сонячний, теплий і бадьорий, а тоді спекотний і сухий. Санта-Анна з’являється щоосені, коли з високо розташованих пустель спадає повітря і пливе над узбережжям Каліфорнії в напрямку до океану. Це також стоковий вітер, як і в Антарктиді. Але поки він дістається океану, то повітря нагрівається і стає на узбережжі значно теплішим, ніж на високому плоскогір’ї. Пам’ятаю день, коли їхала на північ автострадою I-5, у бік однієї з великих долин, звідки гаряче повітря через вузький прохід перетікало до океану. На дні посеред долини простягнулася ріка низьких хмар. За кермом був мій хлопець. «Ти відчуваєш дим?» – запитала я. «Не вигадуй», – сказав він. Але наступного ранку я прокинулася в химерному світі. На північ від Сан-Дієґо шаленіли лісові пожежі, які уперто просувалися долинами, а в повітрі відчутно пахло згарищем. За сухих погодних умов від якогось табірного багаття зайнявся ліс, і тепер вітер гнав вогонь у напрямку океану. Ота ріка хмар була димом. Люди поспішали на роботу, декому запропонували залишатися вдома, дехто сидів біля радіоприймача, подумки себе запитуючи, а чи, бува, пожежа не дістанеться і його будинку. Ми чекали. Обрій узявся імлою попільних хмар, видимих навіть з космосу, а захід сонця видався просто феєричним. Три дні потому дим почав підніматися. Дехто з моїх знайомих втратив у вогні будинки. Усе вкрилося шаром попелу, а влада застерігала від фізичної активності протягом тижня на відкритому повітрі.

Там, на високому плоскогір’ї, пустельне повітря охололо, стало щільнішим і сповзало схилами, як ті вітри, на які Скотт наразився в Антарктиді. Але до лісових пожеж спричинилася не лишень сухість повітря, але й також його гарячість. А чому б повітрю ставати щораз гарячішим, коли воно спускалося з пагорбів? Звідки взялася енергія? І тут знов діє закон ідеального газу – повітря мало визначену масу й рухалося настільки швидко, що не встигало обмінятися енергією зі своїм оточенням. Коли потік щільного повітря ринув униз схилами, атмосфера в підніжжі пагорбів почала напирати на нього, бо там тиск вищий. А напирання чогось на щось – це завжди передавання енергії від чогось отому «щось». Можна уявити собі, як окремі молекули повітря вдаряються об стінки повітряної кулі, що рухаються в їхньому напрямку. Після зіткнення вони рухаються з більшою енергією, бо відбилися від рухомої поверхні. Об’єм повітря у вітрі Санта-Анна зменшується, бо він стискається під впливом довколишньої атмосфери. І стискання надає молекулам, що переміщаються, додаткової енергії, тому й температура вітру збільшується. Таке явище називається адіабатичним процесом. Щороку, коли приходить вітер Санта-Анна, усі в Каліфорнії уважно пильнують, щоб десь не залишити непогашене джерело відкритого вогню. По кількох днях вітру, коли спекотне, сухе повітря висушить усю вологу з довкілля, для виникнення лісової пожежі вистачить навіть іскри. І тепло надходить не лише від каліфорнійського сонця, але також є результатом додаткової енергії, отриманої молекулами мірою їхнього стискання під дією щільнішого повітря ближче до океану. Усе, що змінює середню швидкість молекул повітря, змінює температуру.

Те саме, тільки навпаки, відбувається, коли порскати збитими вершками з банки. Повітря, що виходить із вершків, раптом розширяється і розштовхує навколишнє середовище, тому віддає свою енергію й охолоджується. Ось чому випускний отвір балона вершків на дотик стає холодним – газ, що виходить крізь нього, у навколишній атмосфері віддає свою енергію. У банці залишається менше енергії, тому вона й стає на дотик холодною.

Повітряний тиск – це тільки міра того, як сильно всі ці крихітні молекули стукають об поверхню. Звичайно, ми його не дуже помічаємо, бо такий самий вплив чиниться з обох боків, – коли тримаємо в повітрі аркуш паперу, то він не рухається, бо натиск відбувається з обох боків. Усі ми весь час зазнаємо натиску повітря, але цього майже не помічаємо. І людям знадобилося чимало часу, щоб визначити, наскільки сильним є такий натиск. А коли відповідь стала відомою, виявилося, що вона направду приголомшлива. Величину відкриття легко було оцінити з огляду на дуже пам’ятну демонстрацію. Нечасто важливий науковий експеримент постає у формі театрального дійства, але демонстрація цього експерименту мала усі необхідні складові: коні, тривожне очікування, дивовижний результат, та й ще за всім спостерігав імператор.

Складність демонстрації того, наскільки сильним є тиск повітря на якусь річ, полягає в тому, що потрібно із другого боку тієї речі забрати все повітря, залишивши там тільки вакуум. У IV сторіччі до нашої ери Аристотель оголосив, що «природа не переносить вакууму», і такий погляд залишався панівним упродовж тисячі років. Створення вакууму видавалося неможливим. Але близько 1650 року Отто фон Ґеріке винайшов поршневу помпу. Замість того щоб писати про свій винахід якийсь технічний звіт, про який дуже швидко забули б, він обрав інший шлях – показати відкриття, перетворивши його на видовище[5]. Допомогло йому, певно, те, що він був відомими політиком і дипломатом, тому мав дружні стосунки з тогочасними правителями.

Восьмого травня 1654 року Фердинанд ІІІ, імператор Священної Римської імперії і володар великої частини Європи, приєднався до придворних під рейхстаґом у Баварії. Отто приніс порожнисту товстостінну мідну кулю, що мала 50 сантиметрів у діаметрі. Складалася куля з двох окремих половинок, які припасовувалися одна до одної гладкими, пласкими поверхнями. Кожна половинка ззовні мала кільця, і до них можна було прив’язати дві міцні линви, щоб тягти в протилежні боки. Фон Ґеріке змастив пласкі поверхні жиром, з’єднав половинки і за допомогою щойно винайденої поршневої помпи відкачав з кулі повітря. Ззовні ніщо їх не притискало докупи, але після викачування повітря половинки немовби приклеїлися одна до одної. Отто усвідомлював, що завдяки поршневій помпі може переконатися, наскільки сильний тиск чинить атмосфера. Мільярди крихітних молекул ударялися об зовнішню поверхню кулі, притискаючи половинки докупи. Але всередині не було нічого, що могло б напирало б із внутрішнього боку[6]. Дві півкулі можна відірвати одна від одної, якщо потягнути їх, доклавши силу, більшу, ніж та, що їх стискає докупи, тобто сила напору повітря.

Настала черга коней. До кожної півкулі прив’язали по запрягу, які щосили тягли свою линву в протилежний бік, і все це нагадувало грандіозне перетягування канатів. Імператор і його почет спостерігали, як тварини змагаються з невидимим повітрям. Єдине, що утримувало півкулі разом, – сила молекул повітря, які вдарялися об поверхню півкуль, завбільшки з великий пляжний м’яч. Але сили тридцятьох коней таки не вистачило для розділення сфери на половинки. Коли перетягування канату закінчилося, Отто відкрив клапан, впустив у кулю повітря, і дві її половинки відпали самі по собі. Не було жодного питання щодо переможця. Тиск повітря виявився сильнішим, ніж хтось міг собі уявити. Якщо викачати все повітря з кулі такого розміру і підвісити її вертикально, то тиск газу теоретично може втримати 2000 кілограмів, а це маса великого дорослого носорога. Крихітні невидимі молекули вдаряються об нас насправді дуже сильно. Отто здійснював показ багато разів для різної публіки, а сфера стала відомою як Магдебурзька, названа на честь рідного міста дослідника.

Експерименти Отто стали відомими почасти завдяки тому, що про нього писали інші. Його ідеї вперше потрапили до наукового обігу в книзі Ґаспара Скотта, опублікованій 1657 року. У ній ішлося про поршневий насос, який надихнув Роберта Бойля і Роберта Гука на власні досліди щодо тиску газів.

Можна й собі поставити схожий експеримент, ну, зрозуміло, вам не потрібно буде імператорів або коней. Знайдіть квадратний товстий плаский шматок картону, достатньо великий, щоб закрити отвір склянки. Найкраще проводити дослід над раковиною, про всяк випадок. Наповніть водою склянку аж по вінця і покладіть картон зверху. Притисніть картон до вінець склянки так, щоб між поверхнею води і картоном не залишилося повітря. А тоді переверніть склянку догори дном і заберіть знизу руку. Картон, що підтримує всю масу води, залишиться на місці. А тримається він тому, що молекули повітря вдаряються в нього знизу, штовхаючи картон вгору. Того натиску досить для утримування води в склянці.

Бомбардування молекул повітря можна використати не тільки для втримування чогось на місці. Також процес можна застосувати для переміщення речей, і люди були не першими, хто до цього додумався. Візьмемо, наприклад, слона – одного з найбільших спеціалістів на Землі в маніпулюванні речами за допомогою повітря.

Африканський слон – чудовий велетень, який мирно походжає собі саваною в сухій пилюці. Сімейне життя слонів обертається навколо гурту самиць. Старша монархиня в матріархальному стаді веде кожен гурт на пошуки води та їжі, покладаючись на свою пам’ять щодо навколишніх місць. Щоб вижити, ці тварини сподіваються не тільки на свою вагу. Кожний слон має громіздке неповоротке тіло, зате його хобот – найделікатніший і найчутливіший інструмент у царстві звірів. Коли сімейний гурт мандрує, слони безперервно досліджують світ тим своїм дивним відростком: дають ним сигнали, нюхають, їдять і пирхають.

Хобот слона – незвичайний орган із багатьох причин. Це мережа переплетених між собою м’язів, здатних згинатися, підіймати та зривати предмети з небаченою спритністю. Навіть цього достатньо, щоб упевнено почуватися в савані, але тим краще, що дві ніздрі збігають хоботом до самого його низу. Ніздрі слона – це гнучкі трубки, які з’єднують кінчик хобота, що пихкає, з легенями тварини, і тут починається найцікавіше.

Коли наша слониха та її сімейний гурт наближаються до водопою, молекули нерухомого «повітря» навколо них ударяються одна об одну та штовхаються між собою, як і всюди, бомбардуючи слонячу зморщену сіру шкуру, землю та водну поверхню. Монархиня – дещо попереду гурту – хитає хоботом, повільно входить у калюжу і робить брижі на своєму відображенні у воді. Вона занурює хобот у воду, закриває рот, і велетенські м’язи навколо її грудей підносять і розширюють слонячу грудну клітку. Коли легені розширюються, молекули повітря всередині розлітаються, знайшовши новий простір. Але це означає, що всередині в самісінькому кінчику хобота, де холодна вода торкається повітря з його ніздрів, міститься менше молекул повітря, що вдаряються об воду. Ті, що залишилися, далі рухаються з такою самою швидкістю, але зіткнень між ними значно менше. Як наслідок, тиск усередині легень слонихи різко падає. Тепер атмосфера з молекулами повітря, які стукають об поверхню водойми, перемагає молекули газу всередині слонихи. Натиск зсередини більше не стримує натиск ззовні, а вода – це те, що перебуває посередині двох сил. Тож атмосфера штовхає воду вгору хоботом слона, оскільки всередині немає сили для протидії. Щойно вода зайняла трохи вільного місця, молекули води всередині легень знову розташовуються настільки ж близько одна від одної, як це було спочатку, тому вода далі не просувається.

Слон не може хоботом пити воду, – якщо, бува, намагається, то одразу закашлюється, як і закашлявся би кожен із нас, якщо б спробував пити воду носом. Тому щойно слониха має близько восьми літрів води всередині хобота, то далі вже не розширює грудної клітки. Зібгавши хобот під себе і вгору, слониха спрямовує його до рота. Відтак використовує грудні м’язи для стискання грудної клітки і зменшує об’єм легень. Коли молекули повітря всередині легень розташовуються щільніше, то значно частіше вдаряються об водну поверхню, що вже на півшляху вгору хоботом. Перебіг боротьби між повітрям усередині та повітрям зовні змінюється на протилежний, тому вода виштовхується з хобота в рот звіра. Слониха контролює об’єм легень і в такий спосіб керує напором повітря зсередини назовні. Якщо вона закриває рот, то єдине місце, де щось може рухатися, – це її хобот, а те, що є в кінці хобота, заштовхнеться всередину або виштовхнеться назовні. Хобот слона та легені – інструмент для керування повітрям, але радше повітря, а не слониха зумовлює таке штовхання.

Те саме відбувається, коли ми смокчемо якийсь напій через соломинку[7]. Коли розширяємо легені, повітря всередині розріджується. У соломинці стає менше молекул повітря, які чинять тиск на поверхню води. Тому атмосфера штовхає решту напою вгору соломинкою. Цей процес ми називаємо смоктанням, але ми не втягуємо напою. Атмосфера штовхає його вгору соломинкою і виконує за нас роботу. У такий спосіб можна пересувати щось настільки ж важке, як вода, коли натиск молекул води з одного боку сильніший, ніж з іншого.

Та все ж смоктання повітря хоботом чи соломинкою має межі. Що більша різниця тиску між двома кінцями, то сильніший напір. Але найбільша різниця, яку можна досягнути під час смоктання, – це різниця між тиском атмосфери та нулем. Навіть з ідеальним поршневим насосом замість легень не вдасться напитися через вертикальну соломинку, довшу за 10,2 метра, бо наша атмосфера не може штовхати воду вище цієї позначки. Тому щоб повністю використати здатність молекул газу до штовхання речей, виникає потреба змусити їх виконувати роботу при високих тисках. Атмосфера може чинити досить сильний тиск, але якщо інший газ нагрітий і подати під вищим тиском, то він штовхатиме ще сильніше. Якщо зібрати достатню кількість крихітних молекул газу, які вдаряються об щось достатньо часто й достатньо швидко, можна зрушити з місця навіть цивілізацію.

Паротяг – дракон, зроблений із заліза, шипляча, дихаюча, мускулиста потвора. Менше ніж сторіччя тому такі дракони були геть усюди, перевозили промислові товари та все те, чого потребувало суспільство, ну, звісно, розширювали виднокруги пасажирів. Були паротяги непривабливі, дуже гучні, до того ж сильно забруднювали довкілля, але попри те залишалися дуже гарними творіннями інженерної думки. Коли ті дракони зістарілися, їм не дозволили померти, бо світ просто не міг із ними розлучитися. Паротяги продовжували жити завдяки своїм прихильникам, ентузіастам і великим їхнім шанувальниками. Я виросла на півночі Англії, тому мої дитячі роки були наповнені історією промислової революції: переробними заводами, каналами, фабриками, а найбільше – парою. Тепер я живу в Лондоні, тому потроху все забулося. Але подорож із сестрою паровою залізницею Блюбелл про все те мені вмить нагадала.

Був прохолодний зимовий день – чи не найліпший час для подорожі поїздом із паровою тягою, коли в кінцевому пункті на нас чекав гарячий чай і пшеничні коржики. На станції відправлення ми затрималися ненадовго, а прибувши до Шеффілд-Парку, коли зійшли з потяга, умить опинилися посеред неквапного, але досить настійливого гамору. Біля паровозів безперервно юрмилися люди, одні глядачі змінювали інших. Вони здавалися крихітними створіннями порівняно з величавими залізними звірами. Людей, що мали стосунок до паротягів, легко було впізнати: сині комбінезони, кашкети, усі – в хорошому гуморі, дехто носив бороду, а коли хтось із них мав вільну хвилину і не займався паротягом, то обов’язково стояв на щось спершись. Як зауважила сестра, багато хто з них звався Дейвом. Краса парової машини полягає в тому, що принцип її дії фантастично простий, але вироблену такою машиною нестримну силу потрібно контролювати, спрямовувати й підтримувати. Парова машина та її обслуга – це одна команда.