Буря в склянцi води. Захоплива фiзика повсякденного життя Елен Черскi Кавовi плями, попкорн та улюбленi магнiтики на холодильнику. Цi речi оточують нас у повсякденному життi. А чи мiркували ви над тим, що спiльного мiж ними та змiною клiмату, енергетичною кризою й медичними iнновацiями? І до чого тут узагалi фiзика? Просто та з гумором Елен Черскi пояснюе, якi науковi iдеi ховаються за буденними явищами та як усе це тiсно переплiтаеться мiж собою. Чому в качок не мерзнуть лапи, коли вони ходять по кризi? Чому кетчуп так повiльно витiкае з пляшки? Чому молоко, яке ми додаемо до кави або чаю, схоже на грозовi хмари? Надзвичайнi фiзичнi закони, пiд вплив яких ми щодня потрапляемо та яких не помiчаемо й не можемо пояснити. Закони, якi е унiверсальними та дiють будь-де – i на вашiй кухнi, i в найвiддаленiших куточках усесвiту. Хелен Черски Буря в склянцi води Захоплива фiзика повсякденного життя Моiм батькам Яновi й Сюзен Коли я навчалася в унiверситетi, то в будинку Бабунi повторювала фiзику. І на Бабуню, практичну уродженку пiвночi, справило велике враження, коли я iй сказала, що вивчаю будову атома. – Ого, – здивувалася вона, – а що за допомогою тих знань можна зробити? І то було дуже слушне запитання. Вступ Ми живемо на самому краечку Землi, на межi з рештою всесвiту. Погожоi ночi кожен охочий може вийти надвiр i захоплюватися безлiччю мерехтливих зiрок – отих звичних i сталих, унiкальних для нашого космiчного закутка орiентирiв. Усi людськi цивiлiзацii бачили зорi, але жодна iх не торкалася. Наш дiм, Земля, – протилежнiсть зiр: невпорядкований, мiнливий, перенасичений новизною та речами, яких ми щодня торкаемось i змiнюемо. Але якщо нам хочеться знати, як влаштований всесвiт, то вiдповiдь на це запитання потрiбно шукати саме на Землi. Фiзичний свiт сповнений приголомшливого розмаiття, а в його основi лежать единi принципи й поеднанi в рiзнi способи однi й тi ж атоми, якi й дають нам настiльки багату рiзноманiтнiсть. І вона не випадкова. Наш свiт справдi аж ряснiе багатоманiтними вiзерунками. Якщо налити молока до чаю, а тодi швидко все розмiшати, то можна побачити водовертi – спiралi двох рiдин, якi кружляють, але майже не торкаються одна одноi. У горнятку двi спiралi кружлятимуть кiлька секунд, i тiльки тодi обидвi рiдини повнiстю змiшаються. Але цього вистачае, щоб помiтити й зрозумiти, що рiдини змiшуються не миттево, а перебувають якийсь час у вiзерунчатих завихреннях. Щось схоже можна побачити в iнших мiсцях i з тiеi самоi причини. Якщо поглянути на Землю з космосу, часто дуже схожi завихрення можна побачити в хмарах, а зумовлюеться це явище тим, що тепле повiтря, танцюючи навколо холодного, змiшуеться з ним не одразу. До Британii вихори мiгрують iз захiдноi Атлантики i зумовлюють нашу горезвiсну мiнливу погоду. Вихори утворюються на межi холодного повiтря на пiвночi та теплого повiтря на пiвднi. Прохолоднi та теплi маси повiтря ходять однi за одними, а iхнi вiзерунки добре помiтнi на знiмках iз супутникiв. Круговертi називаються тропiчними депресiями або циклонами, i ми стаемо свiдками швидких змiн вiтряноi, дощовоi та сонячноi погоди, коли повз нас проносяться рамена iхньоi спiралi. Може здатися, що вирування бурi мае мало спiльного з помiшуванням чаю, але схожiсть iхнiх моделей поведiнки – не простий збiг. Це ключ до розгадки чогось значно фундаментальнiшого. За обома явищами ховаеться системна основа виникнення цих форм – вiдкритих, дослiджених i пiдтверджених у рiзних дослiдах та експериментах, проведених багатьма поколiннями людей. Наука – безупинний процес вiдкриттiв, постiйне вдосконалення, пiдтвердження нашого розумiння, а заразом – докопування до чергового вiдкриття, яке треба збагнути. Інколи той самий вiзерунок легко помiтити в iнших мiсцях. Проте часом зв’язок мае глибинний характер, i коли нарештi ми його виявляемо, то отримуемо навiть бiльше задоволення. Наприклад, не обов’язково думати, що велосипедисти мають щось спiльне зi скорпiонами. Але i тi, i тi використовують ту саму, хоч i протилежну, наукову хитрiсть для виживання. Безмiсячна нiч у пiвнiчноамериканськiй пустелi холодна i тиха. Знайти там щось майже неможливо, оскiльки земля освiчуеться тiльки слабким свiтлом зiр. Але, щоб знайти один конкретний скарб, ви берете спецiальний освiтлювальний прилад i вирушаете в темряву. І цей освiтлювальний прилад мае випромiнювати свiтло, невидиме для нашого виду iстот: ультрафiолетове або ж «чорне свiтло». Коли промiнь «чорного свiтла» блукае поверхнею землi, то навiть точно не скажеш, куди вiн спрямований, бо невидимий. Аж тут бачимо спалах – i темрява пустелi раптом зблискуе моторошною, яскравою, блакитно-зеленою плямкою, що бiжить. Скорпiон. Ось так ентузiасти й знаходять скорпiонiв. Зовнiшнi скелети чорних павукоподiбних мiстять пiгмент, який убирае ультрафiолетове свiтло i якого ми не бачимо, а вiдбивае свiтло, що можна розгледiти. Справдi прегарно, але якщо ви боiтеся скорпiонiв, то ваш захват буде дещо приглушений. Скорпiонова хитрiсть називаеться флуоресценцiею. Блакитно-зелене свiтiння вважаеться пристосуванням до навколишнiх умов, i воно допомагае скорпiонам вiднайти найлiпшу схованку в сутiнках. Ультрафiолетове промiння е всюди i повсякчас, але в темрявi, коли сонце заходить за обрiй, бiльшiсть видимого свiтла зникае – залишаеться тiльки ультрафiолетове. Отже, якщо скорпiон перебувае десь на вiдкритiй мiсцинi, вiн свiтиться i його легко помiтити, бо навколо дуже мало iншого блакитного чи зеленого свiтла. Коли скорпiон хоча б тiльки трiшки видимий, то виявляе свое свiтiння i вже знае, що йому потрiбно ще лiпше сховатися. Дуже витончена й дiева сигналiзацiйна система або принаймнi такою залишаеться, допоки не з’являються люди з ультрафiолетовими лiхтариками. На щастя, для тих, хто потерпае вiд арахнофобii, не потрiбно ходити нiчною пустелею, де мешкають скорпiони, щоб зрозумiти, що таке флуоресценцiя, часто вистачить нудного свiтанку в мiстi. Погляньмо тепер не велосипедистiв, якi переймаються своею безпекою: iхнi добре видимi жилети мають незвично яскраве, порiвняно з оточенням, забарвлення. Здаеться, нiби вони свiтяться, i насправдi так i е. У похмурi днi хмари затуляють видиме свiтло, але багато ультрафiолетового свiтла все ж таки крiзь них пробиваеться. Жилети просоченi пiгментом пiдвищеноi видимостi; пiгмент убирае ультрафiолетове й вiдбивае видиме свiтло. Та сама хитрiсть, до якоi вдаються скорпiони, але застосована з iншою метою. Велосипедисти хочуть свiтiння; якщо вiд них виходить бiльше свiтла, то вони стають помiтнiшими, а це сприяе iхнiй безпецi. Флуоресценцiю люди отримали, немов дармовий обiд; ми не бачимо ультрафiолетового свiтла, тому нiчого не втрачаемо, коли воно перетворюеться на щось корисне для людей. Просто дивовижно, що така крихта фiзики взагалi iснуе, але найбiльше тiшуся тим, що вона – не лишень цiкава сама по собi, але е справжнiм знаряддям, яке щодня можна носити iз собою. Флуоресценцiя може багатьом стати в пригодi. У нашому випадку те саме фiзичне явище допомагае виживати i скорпiонам, i велосипедистам. Пiд дiею ультрафiолетового промiння свiтиться тонiзуюча вода через наявний у нiй флуоресцентний хiнiн. У такий самий спосiб творять своi дива освiтлювачi бiлизни та всiлякi фломастери й маркери. Наступного разу, коли побачите видiлений маркером абзац, пам’ятайте, що чорнило маркера також дiе як детектор ультрафiолету; навiть якщо ви не бачите ультрафiолетового свiтла, завдяки свiтiнню одразу можете сказати, що воно там е. Особисто я вивчала фiзику тому, що вона пояснювала цiкавi для мене речi. Фiзика дозволила уважно до всього придивлятися i бачити механiзми, завдяки яким функцiонуе наш щоденний свiт. Але найбiльше тiшуся тим, що за ii допомогою деякi з механiзмiв я зумiла розробити власноруч, без сторонньоi допомоги. Навiть попри свiй диплом фахiвця в галузi фiзики, для багатьох розроблених мною речей не знадобилося якихось лабораторних дослiджень, складного комп’ютерного програмного забезпечення чи дорогих дослiдiв. Найбiльше задоволення отримувала вiд вiдкриттiв, пов’язаних з випадковими речами, iз якими я просто бавилася, коли взагалi не мала б займатися науковою роботою. Знання основ фiзики перетворюе свiт на чарiвну скриньку з iграшками. Інодi люди ставляться дещо зневажливо до наукових знань, пов’язаних з кухнею, городом чи мiською вулицею. Вважають це дитячою забавкою, тривiальною розвагою юних, але малокорисною для дорослих. Адже доросла людина може купити собi книжку про влаштування всесвiту, а це вже тема, гiдна дорослих. Такий пiдхiд не враховуе дуже важливого факту: та сама фiзика застосовуеться всюди. З принципу дii звичайного тостера можна дiзнатися про найважливiшi закони фiзики, а перевага його в тому, що, маючи цей кухонний прилад удома, i самi можете побачити, як вiн працюе. Фiзика вселяе благоговiйний страх хоча б через те, що ii принципи унiверсальнi: вони дiють i на кухнi, i в найвiддаленiших куточках всесвiту. Перевага вiд розгляду тостера передовсiм полягае в тому, що навiть, якщо ви нiколи не переймалися питанням температури всесвiту, то принаймнi побачите, чому вiн нагрiваеться. І кожен, хто ознайомлений iз принципом, упiзнаватиме його в багатьох iнших речах, а останнi будуть найвизначнiшими досягненнями людського суспiльства. Розумiння науки в побутi – це пряма дорога до здобуття знань про свiт, яких потребуе кожен громадянин суспiльства для того, щоб брати активну участь у ньому ж. Чи доводилося вам колись вiдрiзняти сире яйце вiд вареного, не очищуючи вiд шкаралупи? А це досить легко зробити. Покладiть яйце на гладку тверду поверхню й розкрутiть навколо своеi поперечноi осi. Кiлька секунд потому на мить торкнiться пальцем шкаралупи яйця так, щоб зупинити обертання. Яйце пiсля доторкання може замерти. Але за секунду чи двi воно знову може почати повiльно обертатися. Сире й варене яйця мають зовнi однаковий вигляд, але всерединi вони рiзнi, i це iх видае. Коли ви зупините варене яйце, то зупиняете ввесь предмет. А коли зупиняете сире яйце, то зупиняете тiльки шкаралупу. Рiдина всерединi так i не перестае вирувати, тому за секунду чи двi яйце знову починае обертатися, бо його шкаралупу намагаеться обертати рiдина всерединi. Якщо не вiрите, то вiзьмiть яйце та переконайтеся в сказаному на власному досвiдi. Один iз принципiв фiзики полягае в тому, що предмети схильнi продовжувати той самий вид руху, допоки iх не пiдштовхують або не притягують. У такому випадку загальний обертовий момент бiлка в яйцi залишаеться сталим, бо немае причини для його змiни. Це називаеться збереженням моменту iмпульсу руху. І цей принцип дiе не тiльки в яйцях. Космiчний телескоп «Габбл» – око, що рухаеться орбiтою навколо нашоi планети з 1990 року i зробило багато тисяч вражаючих зображень космосу. Вiд нього ми отримали зображення Марса, кiлець Урана, найстарших зiр Чумацького Шляху, галактики пiд чудовою назвою Сомбреро, а також велетенськоi туманностi Краба. Але коли телескоп отак вiльно плавае в космосi, то як йому вдаеться перебувати в одному положеннi й розглядати такi крихiтнi цятки свiтла? Звiдки вiн знае, куди обернений? Телескоп «Габбл» мае шiсть гiроскопiв, кожен з яких – це колесо, що обертаеться зi швидкiстю 19 200 обертiв за секунду. Збереження моменту iмпульсу руху означае, що тi колеса продовжуватимуть обертатися з такою швидкiстю, бо iх нiщо не сповiльнюе. А вiсь обертання залишатиметься спрямованою виключно в одному напрямку, бо причини для змiни ii спрямування нема. Гiроскопи надають телескоповi опорний напрямок, i його оптика може залишатися нацiленою на вiддалений об’ект так довго, скiльки потрiбно. Цей принцип фiзики, який застосовуеться для спрямування одного з чудес технiки, виробленого нашою цивiлiзацiею, можна продемонструвати в кухнi за допомогою яйця. Ось чому я люблю фiзику. Отриманi знання рано чи пiзно все ж таки знайдуть свое застосування, але то – велика пригода, бо нiколи не вгадаеш, до якого вiдкриття з ними прийдеш буквально вже наступного разу. Наскiльки нам вiдомо, закони фiзики, якi ми спостерiгаемо на Землi, дiють у цiлому всесвiтi. Багато колiщат i гвинтикiв нашого всесвiту е загальнодоступними. Ви можете самостiйно перевiрити iхню дiю. З того, що довiдуемося про яйце, вилуплюеться принцип повсюдноi дii. Коли виходиш iз дому з отаким щойно вилупленим пташеням, то свiт набувае цiлком iншого вигляду. У давнину iнформацiя цiнувалася бiльше, нiж нинi. Кожен ii самородок був тяжко зароблений i вважався дуже коштовним. Нинi ми живемо на березi океану знань, з якого раз за разом здiймаеться цунамi загрожуе нашiй розсудливостi. Якщо нам вдалося дожити дотепер, то навiщо шукати ще бiльше знань, а значить, i бiльше ускладнень? Космiчний телескоп «Габбл» – дуже навiть гарна рiч, але якщо час вiд часу вiн не зиркне донизу, щоб допомогти знайти вашi ключi, коли ви квапитеся на зустрiч, то яке це мае значення? Людей цiкавить свiт, i ми отримуемо багато радостi, задовольняючи свою цiкавiсть. Цей процес навiть ще приемнiший, якщо ми дiзнаемося про щось самостiйно або якщо доходимо до розумiння чогось разом, мандруючи до вiдкриття з кимось. Фiзичнi принципи, про якi дiзнаемося за посередництвом гри, також застосовуються в нових медичних технологiях, метеорологii, стiльникових телефонах, самоочисному одязi та термоядерних реакторах. Сучасне життя вимагае ухвалення складних рiшень: а чи варто платити бiльше за лампочки денного свiтла? А чи безпечно спати з телефоном бiля голови? Чи варто менi покладатися на прогноз погоди? Яка буде рiзниця, якщо моi сонячнi окуляри матимуть поляризацiйнi фiльтри? Деякi основнi принципи часто не дають конкретних вiдповiдей, але вони дають контекст, потрiбний для постановки правильних запитань. А якщо ми навчимося самостiйно доходити до розв’язки завдань, то не почуватимемося безпорадними, коли за першоi спроби не отримаемо чiткоi вiдповiдi. Ми знатимемо, що, трохи подумавши, зможемо щось таки з’ясувати i чимось собi зарадити. Критичне мислення – невiд’емна частина наших намагань зрозумiти свiт, особливо з усiма тими рекламодавцями та полiтиками, якi так гучно розповiдають нам про свою всеосяжну обiзнанiсть. Нам потрiбно вмiти придивлятися до фактiв, а тодi доходити свого висновку про те, що вони нам кажуть. На кону щось значно бiльше, нiж наше щоденне життя. Бо саме ми вiдповiдаемо за цивiлiзацiю. Ми голосуемо, вибираемо, що купувати i як жити, а тодi разом з усiм людством iдемо далi. Нiхто не в змозi зрозумiти всiх деталей нашого складного свiту, але основнi принципи – це безцiннi знаряддя, якi варто захопити iз собою в дорогу. Беручи все це до уваги, думаю, що бавитися фiзичними iграшками з навколишнього свiту – це щось бiльше, нiж «розвага», попри те, що особисто я – велика прихильниця забави заради самоi забави. Наука – це не тiльки збирання та накопичення фактiв – це логiчний процес вiднаходження розв’язкiв. Завдання науки полягае в тому, що кожен може поглянути на певнi данi та на iхнiй основi дiйти обгрунтованого висновку. Спочатку такi висновки можуть вiдрiзнятися один вiд одного, але тодi ви йдете далi й збираете ще бiльше даних, якi допомагають вибрати мiж двома рiзними описами свiту, i, врештi, висновки таки починають збiгатися. Ось саме цим наука й вiдрiзняеться вiд ненаукових дисциплiн, бо наукова гiпотеза дае конкретнi прогнози, якi можна потiм перевiрити. А це означае, якщо хтось мае певну iдею щодо того, як, на його погляд, щось працюе, то наступним кроком мае стати обмiрковування, якi будуть наслiдки запропонованоi iдеi. Особливо наполегливо треба дошукуватися наслiдкiв, якi можна перевiрити, зокрема тих, чию хибнiсть можна довести. Якщо ваша гiпотеза пiдтверджуеться, пройшовши всiлякi випробування, то ми обережно починаемо погоджуватися, що це, мабуть, хороша модель розумiння того, як влаштований свiт. Наука завжди прагне вказувати на помилки, бо це найкоротший шлях до знання того, що насправдi вiдбуваеться. Для експериментування зi свiтом вам не потрiбно бути фаховим науковцем. Обiзнанiсть лишень з основними принципами фiзиками дозволить вам багато чого зрозумiти самостiйно – не залежно вiд iнших. Інодi це навiть не якийсь упорядкований процес, та ось частинки головоломки вже складаються, немов самi по собi в едине цiле. Одна з моiх улюблених подорожей у незвiдане розпочалася з розчарування: я робила варення з чорниць, i воно раптом стало рожевим. Яскраво рожевим, кольору фуксii. Сталося це кiлька рокiв тому, коли я жила на Род-Айлендi i саме займалася залагодженням усiляких справ перед поверненням до Великоi Британii. Я вже майже з усiм попоралася, але залишалася ще одна справа, яку менi дуже хотiлося закiнчити перед вiд’iздом. Я дуже любила чорницi: для мене вони – щось екзотичне, незвичне, а до того ж мають прегарний химерно-синiй колiр. У бiльшостi мiсць, де я жила, чорницю можна було знайти хiба що в дуже мiзернiй кiлькостi, але на Род-Айлендi ii було пребагато – ба бiльше, того року вона вродила навдивовижу рясно. Менi захотiлося зробити з отiеi лiтньоi чорничноi щедростi трохи варення i привезти його до себе у Велику Британiю. Тому останнього ранку перед вiд’iздом я збирала й перебирала чорницю. Найважливiше i найбiльш захопливе в чорничному вареннi – це, безперечно, те, що воно темно-сине. Принаймнi я так гадала. Але природа мала iнший план. Колiр киплячого варення в каструлi можна було назвати яким завгодно, тiльки не темно-синiм. Ось уже наповнила слоiки просто чудовим на смак варенням. Але в’язке розчарування та нерозумiння причин змiни кольору не давали менi спокою разом iз рожевим варенням аж до самоi Великоi Британii. Шiсть мiсяцiв потому знайомий попросив мене допомогти йому в розв’язаннi iсторичноi загадки. Вiн саме готував телевiзiйну передачу про вiдьом, тож казав, що мае записи про «ворожок», якi варили пелюстки вербени у водi, а тодi клали вiдвар людям на шкiру, аби знати, чи iх, бува, не врекли. Його цiкавило, чи вони не виявляли чогось системного попри те, що воно було не тим, що вони доказували. Провела деякi дослiдження i з’ясувала, що саме так все й могло бути. Фiолетовi квiти вербени, як i червона капуста, мальтiйськi помаранчi, а також багато iнших червоних i фiолетових рослин мiстять хiмiчнi сполуки, що називаються антоцiанами. Сполуки е барвниками, якi надають рослинам яскравого кольору. Існуе кiлька рiзновидiв таких барвникiв, тому кольором вони дещо вiдрiзняються, однак усi мають однакову молекулярну будову. Але це ще не все. Колiр також залежить вiд кислотностi рiдини, в якiй перебувае молекула, вiд так званого «значення pH». Коли змiнюеться середовище, тобто стае трохи кислотнiшим або трохи бiльш лужним, то молекули дещо змiнюють свою форму, тому змiнюеться iхнiй колiр. Вони – такi собi показники чи iндикатори, тобто природнi лакмусовi папiрцi. Ними до безкiнечностi можна бавитися на кухнi. Спочатку вiдварюемо рослину, щоб отримати барвник. Для цього треба кинути в окрiп трохи червоноi капусти, а воду потiм остудити (вона буде фiолетовою). Якщо додати крапельку оцту, то вода стане червоною. Розчин прального порошку (а вiн е сильним лугом) зробить ii жовтою або зеленою. Можна створити цiлу веселку кольорiв з того, що ви маете на кухнi. Сама знаю, бо особисто таке робила. Менi дуже сподобалося це вiдкриття, адже антоцiани е скрiзь i доступнi для всiх. Тут не потрiбно навiть хiмiчного набору! Отже, дуже навiть може бути, що ворожки використовували квiти вербени для встановлення значення pH, а не якихось врокiв або чарiвництва. Значення pH шкiри рiзних людей суттево рiзниться, тому накладення на шкiру вербенового вiдвару здатне зумовити рiзне забарвлення в рiзних людей. Коли я спiтнiла вiд довгоi пробiжки, то можу змiнити колiр капустяноi води з фiолетового на блакитний, але вода не змiнюе свого забарвлення, якщо я не робила фiзичних вправ. Знахарки-ворожки могли помiтити, що вiдвар вербени на шкiрi рiзних людей отримував рiзне забарвлення, а тодi витлумачили це явище по-своему. Ми нiколи не дiзнаемося, як було насправдi, але така гiпотеза здаеться правдоподiбною. Ну годi вже про ту iсторii. І тут я згадала про чорничне варення. Чорницi мають темно-синiй колiр, бо мiстять антоцiани. У складi варення чотири iнгредiенти: власне, ягоди, цукор, вода та лимонний сiк. Лимонний сiк сприяе тому, аби пектин, який мiститься в ягодах, активнiше згущував варення. А вiдбуваеться це через те, що… сiк е кислотою. Тобто мое варення стало рожевим, тому що зваренi в каструлi чорницi вiдiграли роль великого лакмусового папiрця. Щоб добре згуснути, воно просто мусило стати рожевим. Захоплення вiд розв’язання загадки з лихвою компенсувало розчарування вiд того, що не вдалося зробити темно-синього варення. Сповна. Бо вiдкриття, що з однiеi ягоди можна отримати цiлу веселку кольорiв, – великий скарб, вартий своеi офiри. У книжцi, що у вас в руках, iдеться про пов’язування малих речей, якi бачимо щодня, з великим свiтом, в якому живемо. Це таке собi бавлення з фiзичним свiтом, коли на прикладах зi смаженою кукурудзою, з калюжами кави та магнiтиками на холодильниках можна пролити свiтло на експедицiю Скотта, медичнi дослiди, навiть посприяти розв’язанню наших майбутнiх потреб в енергоресурсах. Наука – це не про «них», а про «нас», i кожен з нас може пережити ту пригоду по-своему. Кожен роздiл у цiй книжцi розпочинаеться з чогось такого, що ми часто бачимо, але над тим не задумуемося. У кiнцi кожного роздiлу можна побачити, як простi зразки пояснюють найважливiшi досягнення науки й технiки наших часiв. Кожне мiнi-дослiдження корисне саме по собi, але справжня нагорода – складання всiх частинок головоломки в одне цiле. Є також ще одна користь вiд знання того, як влаштований i дiе свiт, але про неi науковцi говорять чомусь недостатньо часто. Розумiння того, що рухае свiтом, змiнить наше бачення. Свiт – мозаiка з фiзичних систем, а коли ми ознайомленi з його основними принципами, то починаемо усвiдомлювати, як вони мiж собою взаемодiють. Сподiваюся, що мiрою прочитання цiеi книжки нау ковi знання-пташенята, якi вилуплюватимуться з кожного роздiлу, швидко вберуться в пiр’я, подорослiшають i стануть iншим способом мислення та баченням свiту. В останньому роздiлi книжки йдеться про те, як рiзноманiтнi зразки вiзерункiв з’еднуються й утворюють три системи життезабезпечення – людське тiло, нашу планету i цивiлiзацiю. Але погоджуватися з моiм баченням не обов’язково. Суть науки – самостiйне експериментування з принципами, обмiркування всiх наявних доказiв, а тодi доходження до власних висновкiв. Склянка – це лишень початок. 1. Кукурудзянi баранцi i ракети Газовi закони Вибухи на кухнi загалом не е чимось бажаним. Але iнодi невеличкi вибухи спричиняються до чогось смачного. Висушенi кукурудзянi зерна мiстять багато iстiвних складникiв, як-от: вуглеводнi, бiлки, залiзо, калiй, але вони надто щiльно запакованi, i дiстатися до тих складникiв нелегко через тверду шкiрку. Їхнiй потенцiал – заманливий, але, щоб вони стали iстiвними, необхiдно пiддати iх докорiннiй перебудовi. Вибух – вхiдний квиток, i дуже навiть зручно, що зерна мiстять осердя власного саморуйнування. Учора ввечерi я вдалася до своерiдних стрiльб на кухнi й приготувала трохи попкорну, тобто кукурудзяних баранцiв. Завжди приемно дiзнаватися, що всерединi за твердою, неприемною шкiркою ховаеться щось м’якше, але чому в цьому випадку замiть того, щоб розiрватися на частинки, зерно перетворюеться на пухнасту хмаринку? Коли олiя на сковорiдцi зашкварчала, я висипала ложку кукурудзяних зерен, накрила кришкою, а тим часом поставила на плиту чайник з водою, щоб заварити чаю. А надворi, за вiкном, знялася буря, стукотiла великими важкими краплями в шибки. Кукурудза смажилася на олii, стиха сичала. Здавалося, що геть нiчого так i не вiдбудеться, аж тут на сковорiдцi розпочалося шоу. У кожному кукурудзяному зернi е зародок, з якого потiм виростае нова рослина, а ще ендосперм, тобто поживне середовище, що вiдiграе роль iжi для новоi рослини. Ендосперм складаеться з крохмалю у виглядi гранул i мiстить близько 14 % води. Коли зерна смажаться в гарячiй олii, вода випаровуеться i перетворюеться на пару. Щойно зерна нагрiються, гарячi молекули починають рухатися швидше, а молекули води буквально гасають всерединi зерен у виглядi водяноi пари. Еволюцiйне завдання оболонки кукурудзяного зерна полягае в тому, щоб витримати облогу ззовнi, але тепер зернятковi доводиться стримувати внутрiшнiй заколот, бо воно перетворюеться на мiнi-скороварку. Молекули води, що випарувалися, не знаходять виходу назовнi, тому тиск всерединi зростае. Молекули газу безперервно наштовхуються одна на одну й на оболонку зернятка, кiлькiсть молекул газу зростае, вони рухаються щораз швидше, щораз сильнiше барабанять по стiнках оболонки зсередини. Принцип скороварки побудований на тому, що гаряча пара дуже швидко все готуе, i те саме вiдбуваеться всерединi кукурудзяного зернятка. Поки я шукала пакетики чаю, крохмальнi гранули перетворювалися пiд дiею температури на драглистий слиз, а тиск зростав i зростав. Зовнiшня оболонка кукурудзяного зернятка якийсь час здатна витримувати такий тиск, але тiльки до певноi мiри. Коли температура всерединi наближаеться до 180 °C, а тиск зростае вдесятеро порiвняно з тиском навколишнього повiтря, то слиз опиняеться за крок вiд перемоги. Я злегка потрусила сковорiдкою i почула в нiй перше глухе потрiскування. За кiлька секунд до мене долинула нiби черга якогось мiнi-кулемета, i я навiть побачила, як пiдстрибуе кришка, обстрiляна зсередини. З кожним почутим вистрiлом щоразу здiймалася невеличка хмарка пари з краю кришки на сковорiдцi. На мить я вiдволiклася, щоб налити чаю, i протягом тих кiлькох секунд град вистрiлiв пересунув кришку, i в повiтря полетiли кукурудзянi оболонки. У момент катастрофи правила мiняються. До тiеi митi стала кiлькiсть водяноi пари перебувала в обмеженому просторi, тому зi зростанням температури постiйно зростав тиск усерединi оболонки. Але коли тверда оболонка все ж таки пiддалася, ii внутрiшнiй вмiст потрапив у середовище з атмосферним тиском, панiвним для решти сковорiдки i без жодних обмежень в об’емi. Крохмальний слиз далi був переповнений гарячими швидкими молекулами, але iх уже нiщо не стримувало. Тож вiн розширився пiд час вибуху, аж поки тиск усерединi не врiвноважився з тиском назовнi. Стиснутий бiлий слиз став бiлою пухнастою пiною, що вивертала цiле зернятко; поки температура спадала, пiна застигла i ствердла. Змiна завершилася. Висипаючи пiдсмаженi, уже вибухлi, зерна кукурудзи зi сковорiдки, помiчаю ще кiлька «недобиткiв». Темнi, обпаленi зерна, що не вибухнули, сумно торохтять на днi сковорiдки. Якщо оболонка зерна пошкоджена, то хай би скiльки було в ньому пари, при нагрiваннi вона просто з нього виходить через трiщину, тому тиск не зростае. Причина того, що однi зерна вистрiлили, а iншi так i залишилися цiлими, полягае якраз у нiздрюватостi оболонки таких зерен. Якщо зерно занадто сухе (можливо, було зiбране в неналежний час), то в ньому бракуе вологи для створення тиску, щоб розiрвати оболонку. Без раптового вибуху неiстiвнi зерна кукурудзи далi залишаються неiстiвними. Узяла миску зi смачно приготованим кукурудзяними баранцями до вiкна. Стояла з чашкою чаю i дивилася на зливу за вiкном. Руйнування не завжди означае щось лихе. Краса – у простотi. А ще приемнiше бачити, як краса постае зi складностi. Для мене закони, що керують поведiнкою газiв, нагадують одну з оптичних iлюзiй, – коли думаеш, що бачиш одну рiч, а тодi клiпнеш оком i бачиш щось цiлком iнше. Ми живемо у свiтi, що складаеться з атомiв. Кожна iз цих крихiтних цяток матерii вкрита характерним вiзерунком негативно заряджених електронiв – компаньйонiв важких позитивно заряджених ядер усерединi. Хiмiя – це iсторiя тих компаньйонiв, якi дiлять своi обов’язки мiж кiлькома атомами, змiнюючи структуру, завжди керуючись суворими правилами квантового свiту, i тримаючи ядра-бранцi у бiльших системах, молекулах. У повiтрi, яким я дихаю, коли ось друкую цi рядки, е пари атомiв кисню (кожна така пара – це одна молекула кисню), що рухаються зi швидкiстю 900 миль[1 - Приблизно 1450 кiлометрiв. (Тут i далi прим. перекл., якщо не зазначено iнше.)] за годину, ударяючись об пари атомiв азоту, що лiтають зi швидкiстю 200 миль[2 - Приблизно 320 кiлометрiв.] за годину, а тодi, можливо, вiдбиваються вiд молекули води i мчать зi швидкiстю 1000 миль[3 - Приблизно 1600 кiлометрiв.]за годину. Це страхiтливо заплутаний безлад – рiзнi атоми, рiзнi молекули, рiзнi швидкостi – у кожному кубiчному сантиметрi повiтря близько 30 000 000 000 000 000 000 (3 x 10 ) окремих молекул, кожна з яких об щось ударяеться близько мiльярда разiв за секунду. Тут виникае думка: а чи не лiпше все це покинути, поки не пiзно, i зайнятися, наприклад, нейрохiрургiею, економiчною теорiею або ж навiть зламом суперкомп’ютерiв. Тобто зайнятися чимось простiшим. Можливо, що першовiдкривачi властивостей газiв про таке штовхання навiть не здогадувалися. Так, невiдання iнодi бувае корисним. Поняття атомiв не приживалося в науцi аж до початку ХІХ сторiччя, а цiлковите доведення iхнього iснування сталося не ранiше 1905 року. У 1662 роцi едине, що мали у розпорядженнi Роберт Бойль i його помiчник Роберт Гук, – то сякий-такий скляний лабораторний посуд, ртуть, трохи закупореного повiтря й достатня кiлькiсть незнання. Вони зробили вiдкриття: коли тиск на повiтряну кишеню збiльшувався, його об’ем ставав меншим. Ось у цьому й полягае закон Бойля – Марiотта, який пояснюе: при постiйнiй температурi об’ем газу в замкнутiй посудинi обернено пропорцiйний тиску. Сто рокiв потому Жак Шарль вiдкрив, що об’ем газу прямо пропорцiйний його температурi. Якщо вдвiчi пiдвищити температуру, то об’ем газу також збiльшуеться вдвiчi. У це важко повiрити. Як настiльки складне атомне завихрення здатне призвести до чогось настiльки простого й послiдовного? Ще один, останнiй, вдих повiтря, ще один спокiйний помах м’ясистим хвостом, i велетень лишае атмосферу позаду. Усе, що цьому кашалоту буде потрiбно для життя протягом наступних 45 хвилин, зберiгаеться в його тiлi, тому починаеться полювання. Здобиччю мае стати велетенський кальмар, гумова потвора, озброена щупальцями, зловiсними присосками та страхiтливим дзьобом. Аби знайти свою жертву, кашалоту потрiбно зануритися глибоко в справжню океанiчну темряву, у мiсця, куди не доходить сонячне свiтло. Зазвичай вiн пiрнае на 500-1000 метрiв, а задокументований рекорд становить два кiлометри. Кит зондуе простiр гiдролокатором, яким з великою точнiстю прощупуе темiнь, очiкуючи на слабке вiдлуння, бо воно означатиме, що десь неподалiк плавае обiд. А велетенський кальмар борознить води, нiчого не усвiдомлюе й не пiдозрюе жодноi небезпеки, бо вiн глухий. Найцiннiший скарб, який кашалот несе iз собою в глибочiнь, – це кисень, необхiдний для пiдтримання хiмiчних реакцiй з наснаження його плавальних м’язiв i всiляких життевих процесiв. Але газоподiбний кисень, отриманий з атмосфери, у воднiй глибочiнi стае киту на завадi: щойно гiгант зникае пiд поверхнею океану, повiтря в легенях, фактично, перетворюеться на важку ношу. З кожним наступним метром занурення вага води щораз сильнiше тисне на кашалота. Молекули азоту та кисню вiдбиваються однi вiд одних, а також вiд стiнок легень кита, i кожне таке зiткнення спричиняеться до крихiтного поштовху. На поверхнi зовнiшнi та внутрiшнi поштовхи врiвноважуються. Але пiд час занурення кашалота величезна вага води над тiлом його буквально розчавлюе, i сила, що тисне ззовнi, переважае силу, що тисне зсередини. Тому стiнки легень пiддаються зовнiшньому тиску аж до урiвноваження зовнiшнiх i внутрiшнiх сил. Рiвновага сил досягаеться завдяки стисканню легень кита; кожна з молекул тепер мае менше мiсця для руху, тому зiткнення вiдбуваються дедалi частiше. А це означае, що об кожен клаптик стiнок легень тепер б’еться бiльше молекул, тиск останнiх усерединi зростае доти, доки не врiвноважуеться натиском молекул зовнi. Десятиметровоi глибини вистачае для отримання тиску ще однiеi додатковоi атмосфери. Навiть на такiй глибинi, коли кит може бачити поверхню (ну раптом гляне вгору), його легенi вже меншi наполовину вiд початкового об’ему. Тобто вiдбуваеться вдвiчi бiльше зiткнень молекул зi стiнками легень, що вiдповiдае подвiйному тиску ззовнi. Але кальмар може перебувати на глибинi навiть одного кiлометра, i тпм величезний тиск води зумовлюе надзвичайне зменшення легень – навiть до 1 % об’ему, який вони мали на поверхнi. І ось нарештi кашалот чуе, як одне з його гучних клацань таки вiдбиваеться. З «усохлими» легенями, керуючись гiдролокатором, кит готуеться до битви у воднiй темрявi. А велетенський кальмар – добре озброений, тому якщо вiн у пiдсумку навiть i здасться, то кит все одно може зазнати серйозних ушкоджень i виплисти на поверхню зi страшенними шрамами. Але звiдки в нього береться енергiя для боротьби без кисню в легенях? Клопiт зi стисненими легенями полягае в тому, що при однiй сотiй того об’ему, який був на поверхнi, тиск газу всерединi них у сто разiв бiльший вiд атмосферного. В альвеолах легень – кiнцевих частинках легень, через стiнку яких здiйснюеться газообмiн кисню та вуглекислого газу у кров i з кровi, – такий тиск впхав би в кров i розчинив в нiй i додатковий азот, i кисень. Це призвело б до крайньоi форми того, що пiрнальники називають «кесонном», або декомпресiйною хворобою, – коли пiд час спливання на поверхню додатковий азот пузириться в кровi i завдае непоправноi шкоди органiзму. Еволюцiйним розв’язанням стало цiлковите закриття альвеол, вiд моменту занурення кита. Іншого виходу просто немае. Але кит i пiд водою мае доступ до запасiв енергii, оскiльки здатний накопичувати велику кiлькiсть кисню в м’язах i кровi. У кашалота вдвiчi бiльше гемоглобiну, нiж у людини, i вдесятеро бiльше мiоглобiну (бiлку, що використовуеться для накопичення енергii у м’язах). Цi потужнi резерви кити поповнюють на морськiй поверхнi. Коли кашалоти пiрнають глибоко пiд воду, то нiколи не використовують кисень, що лишаеться в легенях. Це небезпечно. Також пiд водою вони користуються не лише повiтрям зi свого останнього вдиху. Вони живуть i борються, споживаючи додаткову енергiю, накопичену у м’язах, а також iз прихованих запасiв, якi поновлюються пiд час перебування на поверхнi океану. Ще нiхто не бачив боротьби мiж кашалотом i велетенським кальмаром. Але в шлунках мертвих кашалотiв можна знайти цiлу колекцiю дзьобiв – единоi частини тiла кальмара, яка не перетравлюеться. Тож кожен кит тягае у собi чималеньку кiлькiсть трофеiв – свiдчень переможних битв. Коли кашалот-переможець спливае до сонячного свiтла, його легенi поступово розправляються i знову з’еднуються з кровоносною системою. Коли тиск знижуеться, об’ем легень поволi збiльшуеться, аж поки не набувае початковоi форми. Як не дивно, поеднання складноi поведiнки молекул зi статистикою (остання також не асоцiюються з простотою) дае на практицi вiдносно простий результат. Так, дiйсно дуже багато молекул i дуже багато зiткнень, а також дуже багато рiзних швидкостей, проте iснуе лишень два важливих чинники – дiапазон швидкостей, з якими рухаються молекули, i середня кiлькiсть зiткнень молекул зi стiнками посудини. Рiвень тиску визначаеться кiлькiстю зiткнень i силою кожного зiткнення (залежно вiд швидкостi та маси молекули). Сумарний напiр всього цього зсередини, протиставлений напору ззовнi, е визначальним для об’ему. Тут додаеться ще й вплив температури. – І хто б тепер ще чимось переймався? – Наш вчитель, Адам, одягнений у бiлий кiтель, з-пiд якого радiсно випинаеться чималий животик, бо саме цього й хоче кастингове агентство вiд виконавця ролi великого пекаря. Сильний лондонський акцент кокнi тiльки додае йому колориту. Тицяе пальцем у сумний балабух тiста на столi перед ним – i воно чiпляеться до пальця, наче живе, яким воно, до речi, i е. – Для доброго хлiба, – проголошуе вiн, – нам потрiбне повiтря. – Це я стою в пекарськiй школi i вчуся пекти фокачу – традицiйний iталiйський хлiб. Добре пам’ятаю, що востанне надягала фартух, коли мала, може, рокiв десять. І хоча я вже спекла не одну хлiбину, але жодного разу не бачила настiльки пухкого тiста, а це означае, що я таки вчуся чогось дiйсно нового. Виконуючи всi настанови Адама, ми слухняно починаемо мiсити кожен свое тiсто, як-то кажуть, з нуля. Змiшуемо свiжi дрiжджi з водою, а тодi з борошном i сiллю, працюемо енергiйно, немов якiсь масажисти, а все для того, щоб виробити клейковину – бiлок, який надае хлiбу пружностi. Цiлий час, коли розтягуемо й розриваемо фiзичну структуру тiста, наявнi в ньому живi дрiжджi зайнятi ферментацiею цукрiв i продукуванням вуглекислого газу. Це тiсто, як i всi тi види тiста, що я вимiшувала дотепер, наразi не мае в собi анiтрохи повiтря, а тiльки бульбашки вуглекислого газу. Тягучий, липкий, золотавий бiореактор, всерединi якого перебувають продукти його життедiяльностi. Пiсля купелi в оливковiй олii, коли пройдено перший етап, тiсто далi собi пiднiмаеться, а ми зчищаемо його з своiх рук, столу, а також з дивовижно широкоi площi навколо нас. Пiд час кожноi реакцii бродiння утворюються двi молекули вуглекислого газу, що виштовхують дрiжджi. Вуглекислий газ, або СО – два атоми кисню, причепленi до атома вуглецю, – це невелика молекула, що не вельми часто вступае в реакцiю, але за кiмнатноi температури мае досить енергii, щоб вивiльнитися i поширюватися у виглядi газу. Коли вона потрапляе в бульбашку разом з iншими молекулами вуглекислого газу, то годинами може вдарятися об стiнки тiста, як ота електрична машинка з атракцiону вдаряеться бампером об бампери iнших машинок. Щоразу, коли вона б’еться об iншу молекулу, вiдбуваеться обмiн енергiею, немов у бiльярдi одна кулька вдаряеться об iншу. Бувае, що кулька вдаряеться об iншу кульку, тому перша майже зупиняеться, а друга перебирае вiд неi ледь не всю ii енергiю i мчить iз великою швидкiстю. Інодi енергiя розподiляеться мiж ними. Щоразу, коли молекула вдаряеться об стiнку бульбашки з клейковини, вона, вiдбиваючись, штовхае ii. На цьому етапi бульбашки збiльшуються саме завдяки ось таким зiткненням – кожна з них утримуе дедалi бiльше молекул всерединi себе, тож натиск газу назовнi стае щоразу бiльшим. Бульбашки розширяються, аж поки атмосферний тиск не врiвноважуе тиск молекул СО . Інодi молекули СО , ударяючись об стiнки бульбашки, рухаються швидше, а iнодi – повiльнiше. Пекарям, як i фiзиками, все одно, якi молекули, в якi стiнки i з якою швидкiстю вдаряються, бо це справа статистики. За кiмнатноi температури та атмосферного тиску 29 % таких молекул рухаються зi швидкiстю вiд 350 до 500 метрiв за секунду, i не мае значення, що це за молекули. Адам плескае в долонi, щоб привернути нашу увагу, i плавним помахом руки, нiби якийсь чарiвник, вiдслоняе тiсто, що росте. А тодi робить щось для мене цiлком нове. Вiн розтягае змащене оливковою олiею тiсто i складае його вдвое – з кожного боку. І при цьому намагаеться спiймати якнайбiльше повiтря в складки. Спочатку менi хочеться сказати: «Та ж вiн нас дурить!», – бо я завжди знала, що все «повiтря» в хлiбi – СО з дрiжджiв. Колись я бачила майстра з орiгамi в Японii, який захоплено розповiдав учням, як правильно застосовувати клейку стрiчку до зробленого з паперу коня, тодi вiдчула обурення, дуже схоже на те, яке мене охопило тепер у пекарнi. Але якщо нам потрiбно повiтря, то чому не використати його? Пiсля випiкання i так нiхто нiчого не зауважить. Я послухалася досвiдченого пекаря i покiрно зiгнула свое тiсто. Кiлька годин потому тiсто знову пiдросло, i я його знову кiлька разiв зiгнула, а вiдтак воно ввiбрало в себе стiльки олii, що менi аж не вiрилося, що таке може бути, моя фокача, яка саме народжувалася, з усiма ii бульбашками була готова, щоб ii всадити в пiч. Настав час для «повiтря» обох видiв. У печi хлiб потрапив пiд дiю тепловiй енергii. Тиск усерединi залишався таким, як i зовнi, але температура пiднялася з 20 °C до 250 °C. В абсолютних одиницях з 293 К до 523 К (кельвiнiв), тобто температура майже подвоiлася[4 - Про абсолютну температуру йдеться у роздiлi 6. (Прим. авт.)]. Для газу це означае пришвидшення руху молекул. Для нас е нелогiчним i незрозумiлим, чому окремi молекули не мають своеi власноi температури. Газ – скупчення молекул – може мати температуру, але окрема молекула в газi температури не мае. Температура газу – лишень спосiб вираження того, скiльки енергii руху в середньому мають молекули газу, але кожна окрема молекула постiйно то прискорюеться, то сповiльнюеться, обмiнюючись енергiею з iншими молекулами в зiткненнях. Кожна окрема молекула, немов та машинка в лунапарку: наштовхуеться на iншi молекули-«машинки» з енергiею, яку вона мае в оцю мить. Що швидше вони рухаються, то сильнiше вдаряються об стiнки бульбашок, тим вищий генерують тиск. Коли хлiб усаджений до печi, молекули газу раптом отримують набагато бiльше тепловоi енергii та прискорюються. Середня швидкiсть зростае з 480 метрiв до 660 метрiв за секунду. Тому напiр на внутрiшнi стiнки бульбашок iстотно зростае, а ззовнi залишаеться таким самим. Кожна бульбашка розширюеться пропорцiйно до температури, тисне тiсто назовнi й змушуе його рости. А тепер найцiкавiше: повiтрянi бульбашки (переважно азоту i кисню) розширяються так само, як бульбашки вуглекислого газу. Це останнiй елемент головоломки. Виявляеться, що не мае значення вид молекули. Якщо вдвiчi зростае температура, то вдвiчi збiльшуеться об’ем (за умови, що тиск не змiнюеться). Або якщо об’ем не змiнюеться, а температура пiдвищуеться вдвiчi, то тиск подвоюеться. І байдуже, чи наявнi атоми – однаковi, а чи рiзнi, бо для будь-якоi сумiшi атомiв статистика не мiняеться. Нiхто, дивлячись на спечений хлiб, не може визначити, якi бульбашки були наповненi СО , а якi – повiтрям. Бiлкова та вуглеводнева в’язка речовина навколо бульбашок спеклася й застигла. Усталилися розмiри бульбашок. Бiла, пухка фокача – готова. Властивостi газiв описують так званi «закони iдеального газу», а iдеалiзм виправдовуеться фактом, що тi закони дiйсно дiють. І навiть дуже добре. Закони проголошують: якщо маса газу стала, то його тиск пропорцiйно обернений до його об’ему (якщо тиск подвоюеться, то об’ем зменшуеться вдвое), температура прямо пропорцiйна тиску (пiдвищення температури вдвiчi збiльшуе вдвiчi i об’ем); а також: об’ем при сталому тиску прямо пропорцiйний температурi. І немае значення, яким е газ, – важливо, яка кiлькiсть молекул його складае. Саме закони iдеального газу працюють в двигунах внутрiшнього згоряння, повiтряних кулях, а також… в кукурудзяних баранцях. І iх можна застосовувати не лише коли щось нагрiваеться, а й коли щось охолоджуеться. Пiдкорення Пiвденного полюса людиною було важливою вiхою в iсторii людства. Великi полярнi дослiдники – Амудсен, Скотт, Шеклтон та iншi – справжнi легенди, а книжки про iхнi досягнення стали найвiдомiшими пригодницькими iсторiями усiх часiв i народiв. Так, нiби iм не вистачало злигоднiв, пов’язаних iз холодом, нестачею продовольства, бурхливими океанами та невiдповiдним для таких умов одягом – аж тут супроти них у буквальному значеннi цього слова почав дiяти, ополчився потужний закон iдеального газу. Центральна частина Антарктики – високе, сухе плоскогiр’я. Воно вкрите товстим шаром криги, але рiдко коли там падае снiг. Яскрава бiла поверхня вiдбивае майже все слабке сонячне промiння в космос, а температура може падати до –80 °C. Там тихо. На атомарному рiвнi атмосфера на тiй дiлянцi iнертна, оскiльки молекули повiтря мають мало енергii (через холод) i рухаються досить повiльно. Холодне повiтря опускаеться на плоскогiр’я i крига вiдбирае рештки тепла. Тиск – сталий, тому повiтря втрачае в об’емi i стае щiльнiшим. Молекули розташовуються ближче одна до одноi, рухаються повiльнiше, неспроможнi з достатньою силою тиснути назовнi i протистояти довколишньому повiтрю, що тисне всередину. Позаяк суходiл знижуеться iз центральноi частини континенту до океану, то й холод, неначе повiльний повiтряний водоспад, невпинно скачуеться iз центру разом зi щiльним повiтрям. Сповзае лiйками розлогих долин, набираючи швидкостi, коли цi улоговини спускаються вже назовнi, завжди в бiк океану. Це – стоковий вiтер Антарктиди, i якщо ви хочете дiстатись Пiвденного полюсу, то вiн безперервно дутиме вам в обличчя. Важко уявити щось гiрше, що природа припасла для полярникiв. «Стоковий» – це тiльки означення того виду вiтру, i вiн характерний для багатьох мiсць i не завжди холодних. Коли вiн скочуеться донизу, iнертнi молекули нагрiваються, але тiльки злегка. Проте наслiдки такого нагрiвання часом вражають. У 2007 роцi я жила в Сан-Дiего i працювала в Інститутi океанографii iменi Скрiппса. Оскiльки я походжу з пiвночi, то досить пiдозрiло ставлюся до безперервно сонячноi погоди. Проте я щодня плавала в 50-метровому вiдкритому басейнi, тож не дуже на щось нарiкала. Та й заходи сонця були просто дивовижнi. Сан-Дiего розкинувся на узбережжi з прегарним видом на захiд, тобто на Тихий океан, i вечоровий небокрай там просто приголомшливий. Менi дуже бракувало змiн пiр року. Здавалося, я застигла в часi на одному мiсцi, немов увi снi. Але потiм прийшов вiтер Санта-Анна, спочатку сонячний, теплий i бадьорий, а тодi спекотний i сухий. Санта-Анна з’являеться щоосенi, коли з високо розташованих пустель спадае повiтря i пливе над узбережжям Калiфорнii в напрямку до океану. Це також стоковий вiтер, як i в Антарктидi. Але поки вiн дiстаеться океану, то повiтря нагрiваеться i стае на узбережжi значно теплiшим, нiж на високому плоскогiр’i. Пам’ятаю день, коли iхала на пiвнiч автострадою I-5, у бiк однiеi з великих долин, звiдки гаряче повiтря через вузький прохiд перетiкало до океану. На днi посеред долини простягнулася рiка низьких хмар. За кермом був мiй хлопець. «Ти вiдчуваеш дим?» – запитала я. «Не вигадуй», – сказав вiн. Але наступного ранку я прокинулася в химерному свiтi. На пiвнiч вiд Сан-Дiего шаленiли лiсовi пожежi, якi уперто просувалися долинами, а в повiтрi вiдчутно пахло згарищем. За сухих погодних умов вiд якогось табiрного багаття зайнявся лiс, i тепер вiтер гнав вогонь у напрямку океану. Ота рiка хмар була димом. Люди поспiшали на роботу, декому запропонували залишатися вдома, дехто сидiв бiля радiоприймача, подумки себе запитуючи, а чи, бува, пожежа не дiстанеться i його будинку. Ми чекали. Обрiй узявся iмлою попiльних хмар, видимих навiть з космосу, а захiд сонця видався просто фееричним. Три днi потому дим почав пiднiматися. Дехто з моiх знайомих втратив у вогнi будинки. Усе вкрилося шаром попелу, а влада застерiгала вiд фiзичноi активностi протягом тижня на вiдкритому повiтрi. Там, на високому плоскогiр’i, пустельне повiтря охололо, стало щiльнiшим i сповзало схилами, як тi вiтри, на якi Скотт наразився в Антарктидi. Але до лiсових пожеж спричинилася не лишень сухiсть повiтря, але й також його гарячiсть. А чому б повiтрю ставати щораз гарячiшим, коли воно спускалося з пагорбiв? Звiдки взялася енергiя? І тут знов дiе закон iдеального газу – повiтря мало визначену масу й рухалося настiльки швидко, що не встигало обмiнятися енергiею зi своiм оточенням. Коли потiк щiльного повiтря ринув униз схилами, атмосфера в пiднiжжi пагорбiв почала напирати на нього, бо там тиск вищий. А напирання чогось на щось – це завжди передавання енергii вiд чогось отому «щось». Можна уявити собi, як окремi молекули повiтря вдаряються об стiнки повiтряноi кулi, що рухаються в iхньому напрямку. Пiсля зiткнення вони рухаються з бiльшою енергiею, бо вiдбилися вiд рухомоi поверхнi. Об’ем повiтря у вiтрi Санта-Анна зменшуеться, бо вiн стискаеться пiд впливом довколишньоi атмосфери. І стискання надае молекулам, що перемiщаються, додатковоi енергii, тому й температура вiтру збiльшуеться. Таке явище називаеться адiабатичним процесом. Щороку, коли приходить вiтер Санта-Анна, усi в Калiфорнii уважно пильнують, щоб десь не залишити непогашене джерело вiдкритого вогню. По кiлькох днях вiтру, коли спекотне, сухе повiтря висушить усю вологу з довкiлля, для виникнення лiсовоi пожежi вистачить навiть iскри. І тепло надходить не лише вiд калiфорнiйського сонця, але також е результатом додатковоi енергii, отриманоi молекулами мiрою iхнього стискання пiд дiею щiльнiшого повiтря ближче до океану. Усе, що змiнюе середню швидкiсть молекул повiтря, змiнюе температуру. Те саме, тiльки навпаки, вiдбуваеться, коли порскати збитими вершками з банки. Повiтря, що виходить iз вершкiв, раптом розширяеться i розштовхуе навколишне середовище, тому вiддае свою енергiю й охолоджуеться. Ось чому випускний отвiр балона вершкiв на дотик стае холодним – газ, що виходить крiзь нього, у навколишнiй атмосферi вiддае свою енергiю. У банцi залишаеться менше енергii, тому вона й стае на дотик холодною. Повiтряний тиск – це тiльки мiра того, як сильно всi цi крихiтнi молекули стукають об поверхню. Звичайно, ми його не дуже помiчаемо, бо такий самий вплив чиниться з обох бокiв, – коли тримаемо в повiтрi аркуш паперу, то вiн не рухаеться, бо натиск вiдбуваеться з обох бокiв. Усi ми весь час зазнаемо натиску повiтря, але цього майже не помiчаемо. І людям знадобилося чимало часу, щоб визначити, наскiльки сильним е такий натиск. А коли вiдповiдь стала вiдомою, виявилося, що вона направду приголомшлива. Величину вiдкриття легко було оцiнити з огляду на дуже пам’ятну демонстрацiю. Нечасто важливий науковий експеримент постае у формi театрального дiйства, але демонстрацiя цього експерименту мала усi необхiднi складовi: конi, тривожне очiкування, дивовижний результат, та й ще за всiм спостерiгав iмператор. Складнiсть демонстрацii того, наскiльки сильним е тиск повiтря на якусь рiч, полягае в тому, що потрiбно iз другого боку тiеi речi забрати все повiтря, залишивши там тiльки вакуум. У IV сторiччi до нашоi ери Аристотель оголосив, що «природа не переносить вакууму», i такий погляд залишався панiвним упродовж тисячi рокiв. Створення вакууму видавалося неможливим. Але близько 1650 року Отто фон Герiке винайшов поршневу помпу. Замiсть того щоб писати про свiй винахiд якийсь технiчний звiт, про який дуже швидко забули б, вiн обрав iнший шлях – показати вiдкриття, перетворивши його на видовище[5 - Таке перетворення тепер не вiтаеться в науцi. (Прим. авт.)]. Допомогло йому, певно, те, що вiн був вiдомими полiтиком i дипломатом, тому мав дружнi стосунки з тогочасними правителями. Восьмого травня 1654 року Фердинанд ІІІ, iмператор Священноi Римськоi iмперii i володар великоi частини Європи, приеднався до придворних пiд рейхстагом у Баварii. Отто принiс порожнисту товстостiнну мiдну кулю, що мала 50 сантиметрiв у дiаметрi. Складалася куля з двох окремих половинок, якi припасовувалися одна до одноi гладкими, пласкими поверхнями. Кожна половинка ззовнi мала кiльця, i до них можна було прив’язати двi мiцнi линви, щоб тягти в протилежнi боки. Фон Герiке змастив пласкi поверхнi жиром, з’еднав половинки i за допомогою щойно винайденоi поршневоi помпи вiдкачав з кулi повiтря. Ззовнi нiщо iх не притискало докупи, але пiсля викачування повiтря половинки немовби приклеiлися одна до одноi. Отто усвiдомлював, що завдяки поршневiй помпi може переконатися, наскiльки сильний тиск чинить атмосфера. Мiльярди крихiтних молекул ударялися об зовнiшню поверхню кулi, притискаючи половинки докупи. Але всерединi не було нiчого, що могло б напирало б iз внутрiшнього боку[6 - Ми не знаемо, скiльки повiтря вдалося Отто вiдкачати. Вiн не мiг вiдкачати все, але, видно, йому таки вдалося вiдкачати зачну його частину. (Прим. авт.)]. Двi пiвкулi можна вiдiрвати одна вiд одноi, якщо потягнути iх, доклавши силу, бiльшу, нiж та, що iх стискае докупи, тобто сила напору повiтря. Настала черга коней. До кожноi пiвкулi прив’язали по запрягу, якi щосили тягли свою линву в протилежний бiк, i все це нагадувало грандiозне перетягування канатiв. Імператор i його почет спостерiгали, як тварини змагаються з невидимим повiтрям. Єдине, що утримувало пiвкулi разом, – сила молекул повiтря, якi вдарялися об поверхню пiвкуль, завбiльшки з великий пляжний м’яч. Але сили тридцятьох коней таки не вистачило для роздiлення сфери на половинки. Коли перетягування канату закiнчилося, Отто вiдкрив клапан, впустив у кулю повiтря, i двi ii половинки вiдпали самi по собi. Не було жодного питання щодо переможця. Тиск повiтря виявився сильнiшим, нiж хтось мiг собi уявити. Якщо викачати все повiтря з кулi такого розмiру i пiдвiсити ii вертикально, то тиск газу теоретично може втримати 2000 кiлограмiв, а це маса великого дорослого носорога. Крихiтнi невидимi молекули вдаряються об нас насправдi дуже сильно. Отто здiйснював показ багато разiв для рiзноi публiки, а сфера стала вiдомою як Магдебурзька, названа на честь рiдного мiста дослiдника. Експерименти Отто стали вiдомими почасти завдяки тому, що про нього писали iншi. Його iдеi вперше потрапили до наукового обiгу в книзi Гаспара Скотта, опублiкованiй 1657 року. У нiй iшлося про поршневий насос, який надихнув Роберта Бойля i Роберта Гука на власнi дослiди щодо тиску газiв. Можна й собi поставити схожий експеримент, ну, зрозумiло, вам не потрiбно буде iмператорiв або коней. Знайдiть квадратний товстий плаский шматок картону, достатньо великий, щоб закрити отвiр склянки. Найкраще проводити дослiд над раковиною, про всяк випадок. Наповнiть водою склянку аж по вiнця i покладiть картон зверху. Притиснiть картон до вiнець склянки так, щоб мiж поверхнею води i картоном не залишилося повiтря. А тодi перевернiть склянку догори дном i заберiть знизу руку. Картон, що пiдтримуе всю масу води, залишиться на мiсцi. А тримаеться вiн тому, що молекули повiтря вдаряються в нього знизу, штовхаючи картон вгору. Того натиску досить для утримування води в склянцi. Бомбардування молекул повiтря можна використати не тiльки для втримування чогось на мiсцi. Також процес можна застосувати для перемiщення речей, i люди були не першими, хто до цього додумався. Вiзьмемо, наприклад, слона – одного з найбiльших спецiалiстiв на Землi в манiпулюваннi речами за допомогою повiтря. Африканський слон – чудовий велетень, який мирно походжае собi саваною в сухiй пилюцi. Сiмейне життя слонiв обертаеться навколо гурту самиць. Старша монархиня в матрiархальному стадi веде кожен гурт на пошуки води та iжi, покладаючись на свою пам’ять щодо навколишнiх мiсць. Щоб вижити, цi тварини сподiваються не тiльки на свою вагу. Кожний слон мае громiздке неповоротке тiло, зате його хобот – найделiкатнiший i найчутливiший iнструмент у царствi звiрiв. Коли сiмейний гурт мандруе, слони безперервно дослiджують свiт тим своiм дивним вiдростком: дають ним сигнали, нюхають, iдять i пирхають. Хобот слона – незвичайний орган iз багатьох причин. Це мережа переплетених мiж собою м’язiв, здатних згинатися, пiдiймати та зривати предмети з небаченою спритнiстю. Навiть цього достатньо, щоб упевнено почуватися в саванi, але тим краще, що двi нiздрi збiгають хоботом до самого його низу. Нiздрi слона – це гнучкi трубки, якi з’еднують кiнчик хобота, що пихкае, з легенями тварини, i тут починаеться найцiкавiше. Коли наша слониха та ii сiмейний гурт наближаються до водопою, молекули нерухомого «повiтря» навколо них ударяються одна об одну та штовхаються мiж собою, як i всюди, бомбардуючи слонячу зморщену сiру шкуру, землю та водну поверхню. Монархиня – дещо попереду гурту – хитае хоботом, повiльно входить у калюжу i робить брижi на своему вiдображеннi у водi. Вона занурюе хобот у воду, закривае рот, i велетенськi м’язи навколо ii грудей пiдносять i розширюють слонячу грудну клiтку. Коли легенi розширюються, молекули повiтря всерединi розлiтаються, знайшовши новий простiр. Але це означае, що всерединi в самiсiнькому кiнчику хобота, де холодна вода торкаеться повiтря з його нiздрiв, мiститься менше молекул повiтря, що вдаряються об воду. Тi, що залишилися, далi рухаються з такою самою швидкiстю, але зiткнень мiж ними значно менше. Як наслiдок, тиск усерединi легень слонихи рiзко падае. Тепер атмосфера з молекулами повiтря, якi стукають об поверхню водойми, перемагае молекули газу всерединi слонихи. Натиск зсередини бiльше не стримуе натиск ззовнi, а вода – це те, що перебувае посерединi двох сил. Тож атмосфера штовхае воду вгору хоботом слона, оскiльки всерединi немае сили для протидii. Щойно вода зайняла трохи вiльного мiсця, молекули води всерединi легень знову розташовуються настiльки ж близько одна вiд одноi, як це було спочатку, тому вода далi не просуваеться. Слон не може хоботом пити воду, – якщо, бува, намагаеться, то одразу закашлюеться, як i закашлявся би кожен iз нас, якщо б спробував пити воду носом. Тому щойно слониха мае близько восьми лiтрiв води всерединi хобота, то далi вже не розширюе грудноi клiтки. Зiбгавши хобот пiд себе i вгору, слониха спрямовуе його до рота. Вiдтак використовуе груднi м’язи для стискання грудноi клiтки i зменшуе об’ем легень. Коли молекули повiтря всерединi легень розташовуються щiльнiше, то значно частiше вдаряються об водну поверхню, що вже на пiвшляху вгору хоботом. Перебiг боротьби мiж повiтрям усерединi та повiтрям зовнi змiнюеться на протилежний, тому вода виштовхуеться з хобота в рот звiра. Слониха контролюе об’ем легень i в такий спосiб керуе напором повiтря зсередини назовнi. Якщо вона закривае рот, то едине мiсце, де щось може рухатися, – це ii хобот, а те, що е в кiнцi хобота, заштовхнеться всередину або виштовхнеться назовнi. Хобот слона та легенi – iнструмент для керування повiтрям, але радше повiтря, а не слониха зумовлюе таке штовхання. Те саме вiдбуваеться, коли ми смокчемо якийсь напiй через соломинку[7 - А також коли дихаемо. Повiтря при кожному зробленому нами вдиху проникае в легенi, тому що туди його штовхае атмосфера. (Прим. авт.)]. Коли розширяемо легенi, повiтря всерединi розрiджуеться. У соломинцi стае менше молекул повiтря, якi чинять тиск на поверхню води. Тому атмосфера штовхае решту напою вгору соломинкою. Цей процес ми називаемо смоктанням, але ми не втягуемо напою. Атмосфера штовхае його вгору соломинкою i виконуе за нас роботу. У такий спосiб можна пересувати щось настiльки ж важке, як вода, коли натиск молекул води з одного боку сильнiший, нiж з iншого. Та все ж смоктання повiтря хоботом чи соломинкою мае межi. Що бiльша рiзниця тиску мiж двома кiнцями, то сильнiший напiр. Але найбiльша рiзниця, яку можна досягнути пiд час смоктання, – це рiзниця мiж тиском атмосфери та нулем. Навiть з iдеальним поршневим насосом замiсть легень не вдасться напитися через вертикальну соломинку, довшу за 10,2 метра, бо наша атмосфера не може штовхати воду вище цiеi позначки. Тому щоб повнiстю використати здатнiсть молекул газу до штовхання речей, виникае потреба змусити iх виконувати роботу при високих тисках. Атмосфера може чинити досить сильний тиск, але якщо iнший газ нагрiтий i подати пiд вищим тиском, то вiн штовхатиме ще сильнiше. Якщо зiбрати достатню кiлькiсть крихiтних молекул газу, якi вдаряються об щось достатньо часто й достатньо швидко, можна зрушити з мiсця навiть цивiлiзацiю. Паротяг – дракон, зроблений iз залiза, шипляча, дихаюча, мускулиста потвора. Менше нiж сторiччя тому такi дракони були геть усюди, перевозили промисловi товари та все те, чого потребувало суспiльство, ну, звiсно, розширювали виднокруги пасажирiв. Були паротяги непривабливi, дуже гучнi, до того ж сильно забруднювали довкiлля, але попри те залишалися дуже гарними творiннями iнженерноi думки. Коли тi дракони зiстарiлися, iм не дозволили померти, бо свiт просто не мiг iз ними розлучитися. Паротяги продовжували жити завдяки своiм прихильникам, ентузiастам i великим iхнiм шанувальниками. Я виросла на пiвночi Англii, тому моi дитячi роки були наповненi iсторiею промисловоi революцii: переробними заводами, каналами, фабриками, а найбiльше – парою. Тепер я живу в Лондонi, тому потроху все забулося. Але подорож iз сестрою паровою залiзницею Блюбелл про все те менi вмить нагадала. Був прохолодний зимовий день – чи не найлiпший час для подорожi поiздом iз паровою тягою, коли в кiнцевому пунктi на нас чекав гарячий чай i пшеничнi коржики. На станцii вiдправлення ми затрималися ненадовго, а прибувши до Шеффiлд-Парку, коли зiйшли з потяга, умить опинилися посеред неквапного, але досить настiйливого гамору. Бiля паровозiв безперервно юрмилися люди, однi глядачi змiнювали iнших. Вони здавалися крихiтними створiннями порiвняно з величавими залiзними звiрами. Людей, що мали стосунок до паротягiв, легко було впiзнати: синi комбiнезони, кашкети, усi – в хорошому гуморi, дехто носив бороду, а коли хтось iз них мав вiльну хвилину i не займався паротягом, то обов’язково стояв на щось спершись. Як зауважила сестра, багато хто з них звався Дейвом. Краса паровоi машини полягае в тому, що принцип ii дii фантастично простий, але вироблену такою машиною нестримну силу потрiбно контролювати, спрямовувати й пiдтримувати. Парова машина та ii обслуга – це одна команда. Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/helen-cherski/burya-v-sklyanci-vodi-zahopliva-fizika-povsyakdennogo-zhitty/?lfrom=362673004) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом. notes Примечания 1 Приблизно 1450 кiлометрiв. (Тут i далi прим. перекл., якщо не зазначено iнше.) 2 Приблизно 320 кiлометрiв. 3 Приблизно 1600 кiлометрiв. 4 Про абсолютну температуру йдеться у роздiлi 6. (Прим. авт.) 5 Таке перетворення тепер не вiтаеться в науцi. (Прим. авт.) 6 Ми не знаемо, скiльки повiтря вдалося Отто вiдкачати. Вiн не мiг вiдкачати все, але, видно, йому таки вдалося вiдкачати зачну його частину. (Прим. авт.) 7 А також коли дихаемо. Повiтря при кожному зробленому нами вдиху проникае в легенi, тому що туди його штовхае атмосфера. (Прим. авт.)