А как же тепло передается от кофе чашке, а от нее – кухонному столу? Это происходит из-за столкновений между частицами и вследствие передачи кинетической энергии. Вот как это выглядит: мельтешащие в чашке частицы то и дело наталкиваются на стенки. В свою очередь частицы чашки, двигаясь все быстрее и все сильнее вибрируя, наталкиваются на частицы кухонного стола, раскачивая их. А поскольку тепло всегда передается по направлению к более прохладному месту, стол под чашкой нагревается.
Теперь мы понимаем, почему кофе когда-нибудь остывает – именно по той же причине, по которой с течением времени остановится приведенный в движение маятник.
При каждом столкновении частицы взаимно тормозят одна другую, и так до тех пор, пока все не обретут комнатную температуру – иными словами, «комнатную скорость».
Все частицы, как и вся Вселенная со всем своим содержимым, подпадают под действие первого закона термодинамики. Его можно соотнести с законом сохранения энергии, который гласит: она не исчезает бесследно и может быть только преобразована. Другими словами, энергия всегда постоянна. Если одна частица получила дополнительную энергию, это значит, что то же количество в каком-то другом месте убыло. Когда частица, столкнувшись с другой, передает ей свою энергию, эта другая частица ускоряется, а отдавшая энергию должна замедлиться. Иначе получалось бы, что энергия возникала бы из ничего, а так не бывает. Согласно законам термодинамики, уничтожить энергию тоже нельзя – вот почему физики и химики, бывает, негодуют, заслышав расхожую фразу о «растрачивании энергии». (Если среди ваших знакомых есть физики или химики, попробуйте при них употребить это выражение.)
* * *
Прежде чем продолжить рассказ о своем дне, хочу поделиться еще одним умозрительным экспериментом в связи с моделью частиц. Возможно, это самое интересное: где бы вы сейчас ни находились, вам будет казаться, что окружающие предметы на ощупь разной температуры. При этом в закрытом помещении температура у всех предметов одна – комнатная. Но почему же тогда металлическая ложка явно холоднее деревянного стола?
Ну да, есть кое-что в этой комнате не комнатной температуры, и это что-то – ваше тело. У него она выше (во всяком случае я надеюсь, что это так). И то, что вы чувствуете, прикасаясь к ложке или к кухонному столу, не что иное, как тепло вашего собственного тела! Если ваше тепло уходит быстро, предмет кажется холодным на ощупь, а если медленно – теплым.
Когда я беру в руку ложку, частицы моего тела сталкиваются с ее частицами и приводят их в движение. Чем быстрее колеблются атомы металла в ложке, тем теплее она становится. Металл – хороший проводник тепла: частицы моего пальца сталкиваются с частицами металла, и это движение распространяется по ложке. Хорошая теплопроводность металла обусловлена особенностями его химических соединений. С ними мы ближе познакомимся в главе 8. А пока представьте себе конструкцию для лазания из канатов, какие бывают на детских площадках. Когда ребенок раскачивается на одном из канатов, это движение быстро передается всей конструкции. Ребенок, находящийся на другой ее стороне, тоже будет раскачиваться. По закону сохранения энергии движение прыгающего ребенка будет одновременно гаситься: передавая свою кинетическую энергию сетке из канатов и другому ребенку, сам он замедляется. Его движение амортизируется. Говоря языком термодинамики, он замедляется, его запас энергии уменьшается, то есть он охлаждается.
А бывают еще конструкции из твердых балок. Когда ребенок лазает по ней, это не сильно воздействует на его товарища по играм. Движения почти не амортизируются, и их энергия никуда не передается, поэтому сам он (с точки зрения химии) быстрее, а следовательно, теплее. Эти конструкции делают из материалов, плохо проводящих тепло, например из дерева. Положив руку на деревянный стол, вы приведете в движение только те его частички, которые находятся в непосредственной близости от руки. По дереву колебания и движение частичек хорошо передаваться не будут. И на ощупь деревянный стол окажется теплее, чем металлическая ложка.
Поняв, что температура есть не что иное, как движение частиц, можно лучше понять второй закон термодинамики. Он гласит: тепло всегда передается от теплого к холодному, но никак не в обратном направлении.
Если вы поставили бутылку колы в ведерко со льдом, то не холод будет передаваться ото льда к бутылке, а наоборот: тепло от бутылки будет переходить к кубикам льда, они будут нагреваться, а бутылка – остужаться.
Теперь, вооруженные этим знанием, в следующий раз, услышав от кого-то фразу «закрой окно, оттуда холод», вы не оставите эту формулировку без внимания и заметите: «Ты имеешь в виду, тепло уходит?»
А если ваш слух заденет чья-нибудь фраза насчет «разбазаривания энергии», вот вам шанс выступить в роли истинного «ботана». Да, ведь только что вы прошли вводный курс в физическую химию. Поздравляю! Возможно, даже кофе еще допить не успели.
* * *
На кухню входит Маттиас и ласково гладит меня по голове.
– Прости, забыл сказать, что собираюсь сегодня на пробежку.
– Да ладно уж! – отвечаю я. – Мне так и так придется снова настраивать ритм сна.
Теоретически я подкована, но мне все же больше нравится высыпаться по выходным, чем каждые субботу-воскресенье загонять себя в социальный джетлаг[3 - Синдром смены часового пояса, рассогласование циркадного ритма человека с природным суточным ритмом, вызванное быстрой сменой часовых поясов при авиаперелете. – Прим. ред.]. Конечно, мой циркадный ритм не может делать различий между рабочими днями и выходными. Ну да, выходные – дело хорошее, но это современный социальный конструкт, к которому наш организм пока что не очень приспособился. Естественный уровень мелатонина по-прежнему в той или иной степени зависит от солнца, но на восходе я чувствую себя жутко уставшей: слишком поздно ложусь спать. Постоянно возникающие ложные раздражители и соблазны – кофе, искусственный свет, громкие будильники и мобильники – и сбивают организм с толку. Ученые смогли установить, что неделя, проведенная на природе в палатках, возвращает мелатониновый цикл к солнечному времени. Жаль, что я не любительница туризма с палатками.
Но вот что на самом деле странно: наши внутренние часы в принципе работают и без света. Так уж устроен человек, что его внутренние часы с небольшими отклонениями настроены именно на сутки в 24 часа. Свет помогает настраивать эти часы – проще говоря, синхронизировать дни и приспосабливаться, например, к джетлагу.
В 2017 году Нобелевскую премию в области медицины получили трое американских ученых, расшифровавших механизм работы внутренних часов человека. Для наблюдений они держали плодовых мушек – дрозофил – в двух камерах, которым дали названия «Нью-Йорк» и «Сан-Франциско», потому что в них имитировалась освещенность, соответствующая солнечным ритмам этих приморских городов. Дрозофил периодически сажали в «самолет» (то есть в банку), и они перелетали в другой «город». Ученые отслеживали, как дрозофилы приспосабливались к трехчасовому джетлагу.
Выяснилось, что на внутренние часы существенно влияют два гена. Когда дело касается генов, химия становится особенно увлекательной! Наша ДНК не только сама является молекулой, но и способствует образованию других жизненно важных молекул.
В генах закодирована вся необходимая для нашей жизни информация, в том числе и о внутренних часах. Этот код можно считывать и расшифровывать благодаря тому, что гены запускают производство различных белков. Иными словами, в генах заложен план, а белки его воплощают. (Белки – это такие хитроумные молекулы, о которых мы еще поговорим подробнее.)
Итак, эти два «часовых» гена образуют два «часовых» белка[4 - Механизм этого процесса гораздо сложнее.].
С течением дня концентрация этих белков растет. Затем эти двое соединяются в единое целое, и такой командой они в состоянии затормозить образование самих себя. Да, вы правильно прочитали, именно так: белки образуются с целью остановить производство самих себя. Они достигают этого тем, что обеспечивают неспособность своих генов быть считанными. Как и в случае с кортизолом и стрессом, мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Концентрация «часовых» белков падает, когда перестают образовываться новые. В конечном счете их концентрация понижается настолько, что считывание генетического кода перестает тормозиться, и образование белков начинается заново. И весь этот цикл длится как раз 24 часа. Так что смена дня и ночи закодирована в наших генах.
Впрочем, у меня такое чувство, будто с моими генами что-то не так. Я уверена, что мой организм создан для 30-часового дня – мне и день бы подлиннее, и сна намного больше. Хорошо бы когда-нибудь обследоваться на этот счет.
* * *
– Мне надо идти, – говорит Маттиас.
Мой мобильник вибрирует, пришло сообщение. Странно, это Кристина. В такое время и не спит? «Кажется, Йонасу конец», – пишет она. «Сейчас перезвоню», – отвечаю я.
Маттиас, уже одевшийся для пробежки, еще раз просовывает голову в открытую дверь и спрашивает, брать ли ему ключ.
– Не надо, – говорю, – закрой дверь, а то тепло уходит.
2. Смерть от зубной пасты
– Ты где сейчас? – спрашиваю я, когда Кристина наконец отвечает на звонок.
– На пути в лабораторию. – Судя по голосу, она раздражена.
– Так что там с Йонасом?
– Я как раз у него была, – фыркает она.
– Значит, ты у него ночевала? И как?..
– Май, он пользуется НАТУРАЛЬНОЙ ЗУБНОЙ ПАСТОЙ, – перебивает она мой вопрос.
– Чего-чего?
– Без фторидов.
Вот те раз, думаю я. Йонас – очень симпатичный физик, с которым у Кристины буквально две недели назад завязался роман. Вообще-то мы и раньше знали его через общего приятеля Ханнеса, тоже физика. Кристина Йонасом особенно не интересовалась, хотя он очень привлекательный. Я бы назвала свою подругу сапиосексуальной, то есть эмоционально и физиологически ее привлекают только умные партнеры. С тех пор как Ханнес как-то упомянул, что Йонас «семи пядей» и каждый семестр был лучшим из студентов, Кристина вдруг резко на него запала. Тем более что за ужас: он чистит зубы пастой без фторидов!
– Ты уверена? – спрашиваю я. – Может, дело в тюбике? Нынче это модный маркетинговый прием – все якобы «био». И есть же, наконец, растительная зубная паста с фторидами…
– Нет, там на тюбике большими буквами написано: «БЕЗ ФТОРА». И состав я тоже прочитала.
– Ясно. Ну и что же тут такого, если в пасте нет фторидов? Их ведь чем-то можно заменить? Ты подумала…
– Об этом сейчас речи не идет, – снова перебивает меня Кристина.
Ой-ой-ой. Если у нее нет желания даже поразмышлять о составе, дело действительно швах.
– Полный облом. Думаю, Йонас для меня умер. Ничего себе диагноз: «смерть от зубной пасты», подумала я. По иронии именно то, чего Йонас как раз и опасается.
– Ну ты его хотя бы спросила? Может, не заметил, когда покупал.
– Он говорит, фториды обызвествляют эпифиз. И при этом он даже не знает точно, где эпифиз находится!
Ну да, физики же – не химики, подумала я.
– Гидроксиапатит, – вдруг без всякой связи говорит Кристина.
– Что?
– Заменитель фторида в этой зубной пасте на травах, – фыркает она. – Обхохочешься.
– Ты имеешь в виду тот самый гидроксиапатит, как в зубной эмали?
– Да! И почему это только разрешено, не понимаю.
– Интересно, – говорю я.
– А ты запиши видео на эту тему, – предлагает Кристина. – Я сейчас в лаборатории. Позже поговорим.
Видеоролик о фторидах и зубной пасте – действительно неплохая идея. Многим кажется странным, что я училась на химика, писала диссертацию – и все для того, чтобы теперь делать что-то там для средств массовой информации. Но я поступаю так по убеждению. Чтобы служить человечеству, ученый не обязательно должен заниматься только лабораторными исследованиями. Не менее важно о науке говорить. Потому что непрофессионалам и в самом деле чертовски трудно получить доступную пониманию и в то же время корректную информацию. В Сети полно всякого – от полуправды до откровенной чуши, – и все это впаривается с пугающей убедительностью. Надежную информацию можно найти в специальной литературе, а результаты последних исследований – в научных журналах, но читать эти источники – просто страшный сон, даже специалистам они порой не по зубам. Наука – как элитарный клуб с тайным зашифрованным языком. Конечно, есть смысл в том, чтобы эксперты общались между собой на профессиональном языке. Но, с другой стороны, это вообще-то абсурд: не-специалистам этих публикаций не понять, а ведь подумайте – большая часть исследовательских работ финансируется из государственных средств. И получается, что налогоплательщики не могут понять, на что именно уходят их деньги. Поэтому я считаю, что и на YouTube, и на телевидении могло бы быть больше ученых-популяризаторов, чтобы «переводить» с языка науки.
* * *
Пока я тут спокойно завтракаю, давайте для разминки начнем с различий между фторидом и фтором. Я сейчас жарю яичницу, это как раз будет в тему моей тефлоновой сковородки – держите это в голове, а я пока сделаю разбег, дав предварительную информацию.
Фториды – это соединения фтора с другими элементами. Взгляните на периодическую систему элементов (она, кстати, приведена в конце этой книги). Фтор (обозначен буквой F) вы найдете в группе VII; входящие в эту группу элементы называют галогенами. Фтор – это газ, напоминающий запахом всем известный бассейновый галоген – хлор. Надеюсь, однако, что вам никогда не доведется его понюхать, потому что фтор чертовски опасен.
Почему я говорю «чертовски опасен»? Да потому что даже самые мизерные количества газа фтора, если будут содержаться в воздухе, вызовут у человека ожог глаз и легких. Столь агрессивные свойства обусловлены высокой реактивностью этого газа. Здесь действует правило, в общих чертах звучащее так: чем проще и быстрее вещество вступает в химическую реакцию с другим веществом, тем менее оно поддается контролю и, следовательно, тем опаснее. Существуют и другие причины, почему субстанция может быть опасной и токсичной, но об этом позднее.
Так вот: при реакции с водой фтор образует фтороводородную, или плавиковую, кислоту[5 - В промышленности фтороводородную кислоту получают другими реакциями: например, между фторидом кальция и серной или фосфорной кислотой или путем пиролиза фторида кальция водяным паром при высокой температуре. – Прим. науч. ред.]. Термин под стать жутким свойствам кислоты: случайно попав на руку, она не только сожжет кожу, но и, просочившись до самой кости, растворит ее. По сравнению с ней другие опасные кислоты, например соляная (соответствующая кислота хлора), представляются почти безобидными.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=63432505&lfrom=174836202) 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
Westdeutscher Rundfunk («Вестдойчер Рундфунк») – телерадиокомпания земли Северный Рейн – Вестфалия. – Прим. науч. ред.
2
Днем тоже можно чувствовать себя уставшим, даже если солнце светит в глаза. – Прим. науч. ред.
3
Синдром смены часового пояса, рассогласование циркадного ритма человека с природным суточным ритмом, вызванное быстрой сменой часовых поясов при авиаперелете. – Прим. ред.
4
Механизм этого процесса гораздо сложнее.
5
