Элен Черски "Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса"

Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса
Элен Черски

МИФ Научпоп
Прочитав эту книгу, вы не только пополните свои знания в области физики, но и, возможно, измените отношение к этому предмету, если раньше не очень-то его жаловали. Порой вы даже будете раздосадованы тем, что раньше этого не замечали и не применяли. А удивляться есть чему, поскольку физика буквально пронизывает нашу жизнь; она поистине вездесуща и объясняет многие явления и процессы, от приготовления пиццы, тостов и попкорна, до образования жемчужин, вращения Земли и строительства кораблей для плавания во льдах. И много чего еще… Эта книга будет полезна всем, кого интересует, как устроена Вселенная и что приводит ее в действие. На русском языке публикуется впервые.

Элен Черски

Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Научный редактор Александр Минько

Издано с разрешения Helen Czerski c/o JANKLOW & NESBIT и литературного агентства PRAVA I PREVODI

Все права защищены.

Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

© Helen Czerski, 2016

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2021

?

Моим родителям, Яну и Сьюзен

Будучи студенткой университета (я тогда жила у Наны), я очень много времени проводила за чтением учебника по физике. Нана, простодушная северянка, испытала чувство, близкое к потрясению, когда я ей сказала, что изучаю структуру атома.

«Вот это да! – воскликнула она. – Это что? И что ты сможешь делать, когда прочтешь эту книгу?»

Гм, очень хороший вопрос…

Введение

По сути, мы живем на границе, отделяющей поверхность Земли от остальной Вселенной. В ясную ночь любой из нас может наслаждаться видом множества ярких, неизменных и хорошо знакомых каждому звезд, которые служат для нас ориентирами, определяющими уникальное место Земли в космосе. Эти звезды видели представители всех человеческих цивилизаций, когда-либо существовавших на нашей планете, но никто не мог к ним прикоснуться. Наш же дом здесь, на Земле, – полная противоположность вечному и неизменному звездному небу: он беспорядочный, хаотический, изменчивый, беспрерывно рождающий какие-то новшества и изобилующий вещами, которые можно не только потрогать, но и изменить или использовать в своих целях. Эта книга понравится всем, кто интересуется устройством Вселенной и механизмами ее существования. Физический мир на удивление многообразен, поскольку одни и те же принципы и одни и те же атомы, всячески сочетаясь между собой, порождают несметное число исходных комбинаций. Тем не менее такое разнообразие не игра случая. В нашем мире масса закономерностей и повторяющихся структур.

Если налить немного молока в чашку с чаем и быстро перемешать ложечкой, то перед глазами предстанет нечто наподобие маленького водоворота, спираль из двух жидкостей, увлекающих друг друга в кружение и едва соприкасающихся между собой. В чашке с чаем такая спираль продержится буквально доли секунды, после чего жидкости полностью смешаются. Но даже этого времени достаточно, чтобы заметить характерную картину, которая служит кратким напоминанием о том, что жидкости при смешивании сперва образуют красивую спиралевидную воронку, а не мгновенно превращаются в однородную массу. Аналогичную картину можно наблюдать и в других местах, причем по той же причине. При взгляде на Землю из космоса нередко можно увидеть очень похожие завихрения в облаках – в местах встречи потоков теплого и холодного воздуха, кружащихся вокруг друг друга, вместо того чтобы просто перемешаться между собой. В Британии такие завихрения регулярно перемещаются через Атлантический океан, с запада на восток, чем и объясняется изменчивость британской погоды. Эти воздушные «водовороты» образуются на границе между холодным полярным воздухом, направляющимся с севера, и теплым тропическим воздухом с юга. Холодные и теплые воздушные массы гоняются друг за другом по кругу (что отчетливо видно на спутниковых снимках) и известны как области низкого давления, или циклоны. По мере вращения этих спиралей мы становимся свидетелями быстрых переходов между ветреной, дождливой и солнечной погодой.

На первый взгляд у вращательного движения урагана мало общего с тем, что происходит в чашке чая при помешивании ложечкой, однако сходство наблюдаемых в обоих случаях картин не просто совпадение. Оно указывает на общий, более фундаментальный принцип, под которым скрывается некая систематическая для всех подобных явлений, открытая, исследованная и проверенная в ходе строгих научных экспериментов, проводившихся не одним поколением ученых, основа. Этот процесс открытия и есть наука: непрерывное уточнение и проверка новой трактовки тех или иных явлений окружающего мира, наряду с изысканиями, вскрывающими новые факты, требующие осмысления.

Иногда ту или иную картину или закономерность достаточно легко обнаружить в новых местах, а иногда такая связь не столь заметна, и когда в конце концов ее удается выявить, ученый испытывает истинное удовлетворение. Например, мало кто из нас догадывается о том, что у скорпионов и велосипедистов много общего. А между тем и скорпионы, и велосипедисты применяют для выживания один и тот же научный прием – хотя и с диаметрально противоположными целями.

Безлунные ночи в североамериканской пустыне холодные и тихие. Разглядеть что-либо на земле практически невозможно, поскольку она освещается лишь тусклым светом звезд. Поэтому, чтобы отыскать одно особое сокровище, нужно вооружиться специальным фонарем (он должен излучать ультрафиолетовый, или, как его иногда называют, «черный свет», невидимый невооруженным глазом) и отправиться в темноту ночи. Сказать наверняка, в какое именно место направлен луч такого фонаря, нельзя, потому что он невидим. Но в какой-то момент вы замечаете на земле свечение – точнее говоря, бегущий во тьме яркий зловещий зелено-голубой огонек. Это и есть скорпион.

Именно так охотятся на скорпионов любители этих жутких черных представителей класса паукообразных. В их наружном скелете есть пигменты, поглощающие невидимый для человеческого глаза ультрафиолетовый свет и испускающие за счет этого свет, который мы можем видеть. Это действительно хитрый научный прием, хотя, если скорпионы у вас ничего, кроме чувства страха и отвращения, не вызывают, вы вряд ли оцените его по достоинству. Такой трюк со светом называется флуоресценцией. Считается, что зелено-голубое свечение скорпионов помогает им адаптироваться к окружающей среде и находить в темноте надежные укрытия от врагов. Ультрафиолетовый свет всегда присутствует в окружающем нас мире, но в темноте, когда солнце уже скрылось за горизонтом, видимый свет практически исчезает и остается только ультрафиолетовый. Поэтому, если скорпион выберется из укрытия, он начнет светиться и будет легко обнаружен врагами, поскольку вокруг него не будет ничего, что тоже светилось бы зеленым или голубым светом. Даже если скорпион лишь слегка высунется из своего убежища, он увидит собственное свечение, которое даст ему знать, что нужно спрятаться получше. Весьма элегантная и эффективная система сигнализации, не так ли? По крайней мере она была таковой до появления в пустыне людей с фонарями, излучающими ультрафиолетовый свет.

К счастью для арахнофобов[1 - Арахнофобия – сильнейший, неконтролируемый страх перед пауками. Прим. ред.], чтобы наблюдать явление флуоресценции, вовсе не обязательно отправляться ночью в пустыню, где обитают скорпионы. Это явление зачастую можно наблюдать даже утром в пасмурную погоду в городе. Обратите внимание на велосипедистов, а точнее, на их заметные издалека куртки, которые кажутся чересчур яркими по сравнению с окружающей средой. Создается впечатление, что эти куртки светятся – и это действительно так. В пасмурные дни плотная облачность препятствует проникновению видимого света, однако значительная часть ультрафиолета все же проходит сквозь облака. Специальные пигменты, содержащиеся в куртках велосипедистов, поглощают его и вырабатывают видимый свет. Это полный аналог «технологии», применяемой скорпионами, но с диаметрально противоположной целью. Велосипедисты хотят светиться, поскольку так они станут заметнее на дороге, что минимизирует риск оказаться жертвой ДТП. Такое использование флуоресценции сродни бесплатному завтраку: мы особо не задумываемся о существовании и действии ультрафиолетового света, поэтому ничего не теряем, когда он превращается в нечто, что можно обернуть себе во благо.

Замечательно, что такое вообще возможно, но лично меня радует то, что некое физическое явление оказывается не просто любопытным фактом, а инструментом, помогающим в повседневной жизни. В данном случае оно помогает выжить скорпионам и велосипедистам. Оно же вызывает свечение тоника (газированной воды, добавляемой в крепкие алкогольные напитки), так как хинин, содержащийся в тонике, флуоресцирует под воздействием ультрафиолетового света. На том же принципе основано действие отбеливателей, добавляемых в стиральные порошки, и ручек-маркеров. Увидев в очередной раз фрагмент текста, подчеркнутый маркером, вспомните, что маркерные чернила выступают в качестве детектора ультрафиолетового света: хотя он невидим для человеческого глаза, свечение маркерных чернил говорит о том, что он на них воздействует.

Я изучала физику потому, что она объясняет многие интересующие меня явления. Это дало мне возможность понять механизмы, приводящие в действие окружающий мир, а главное – позволило самой выяснить принцип работы некоторых из них. Несмотря на то что сейчас я могу с полным правом называть себя профессиональным физиком, множество задач мне удалось решить самостоятельно, не прибегая к помощи научных лабораторий, сложных компьютерных программ или дорогостоящего экспериментального оборудования. Открытия, которые принесли мне наибольшее удовлетворение, я сделала абсолютно случайно, когда просто пыталась разобраться в заинтересовавших меня моментах и даже не помышляла о занятии наукой. Уже тогда я пришла к выводу, что знание базовых законов физики превращает окружающий мир в нечто наподобие коробки с игрушками.

Как по мне, рассуждения о науке, которую можно найти на кухне, в саду или на городской улице, всегда отдают снобизмом. Многим кажется, что это просто способ занять детей каким-либо полезным делом, не несущий никакой практической пользы для взрослых. Взрослый человек может, к примеру, купить книгу об устройстве Вселенной; и эта тема считается для него более подходящей. Но при таком подходе мы упускаем из виду нечто очень важное: универсализм и повсеместное действие законов физики. Она повсюду. Обычный тостер может немало поведать о некоторых самых фундаментальных законах физики, к тому же преимущество тостера заключается в том, что он наверняка уже стоит у вас на кухне и вы можете ежедневно наблюдать его в действии. Прелесть физических законов – именно в их универсальности: они актуальны и на кухне, и в самых отдаленных уголках Вселенной. Из наблюдений за работой тостера вы (даже если вас не интересует температура Вселенной) по крайней мере будете знать, почему он выдает вам горячие гренки. Но как только вы усвоите физический закон, на котором основан принцип действия тостера, вы станете распознавать его во многих других местах, причем некоторые из этих «других мест» окажутся одними из самых впечатляющих достижений человеческого общества. Изучение физических законов, применяемых в повседневной жизни, – прямой путь к постижению фундаментальных знаний об окружающем нас мире, которые необходимы каждому гражданину для полноценного участия в жизни общества.

Как отличить сырое яйцо от вареного, не разбивая его? Есть простой способ это узнать. Положите яйцо на гладкую твердую поверхность и придайте ему вращение вокруг собственной оси (примерно так, как запускаете волчок). Через несколько секунд слегка коснитесь яйца пальцем; прикосновение должно быть достаточным лишь для того, чтобы остановить его вращение. Яйцо побудет в неподвижности секунду-другую, после чего может медленно продолжить вращение. Сырое и вареное яйцо внешне выглядят одинаково, но состояние их внутреннего содержимого совершенно разное. В этом и заключается секрет метода, позволяющего их отличить. Касаясь пальцем вареного яйца, вы останавливаете объект с цельной практически твердой «начинкой». В случае сырого яйца вы останавливаете только его оболочку, а жидкое содержимое продолжает вращение и через пару секунд увлекает за собой оболочку, возобновляя ее вращение. Любой из вас может легко проверить эффективность данного метода. Это один из важных физических принципов, гласящий, что объекты стремятся к сохранению движения при отсутствии воздействия сторонних сил. Суммарная величина вращения яичного белка сырого яйца остается неизменной, поскольку не существует каких-либо причин для ее изменения. Это называется сохранением углового момента (количества движения). В вареных яйцах такой механизм просто не срабатывает.

Космический телескоп «Хаббл», вращающийся вокруг Земли с 1990 года, сделал множество впечатляющих снимков космоса. С его помощью мы получили изображения Марса, колец Урана, старейших звезд Млечного Пути, спиральной галактики Сомбреро в созвездии Девы и гигантской Крабовидной туманности. Но когда вы свободно парите в космическом пространстве и видите далекие звезды в виде крошечных светящихся точек, как вы определите свое точное местоположение? Как узнать, где «верх», а где «низ», где «впереди», а где «сзади»? На телескопе «Хаббл» установлено шесть гироскопов, каждый из которых представляет собой нечто вроде колеса, вращающегося со скоростью 19 200 оборотов в секунду. Сохранение углового момента означает, что эти колеса будут вращаться с указанной скоростью ввиду отсутствия внешней силы, способной ее замедлить. А ось вращения каждого колеса неизменно указывает в одном и том же направлении, поскольку каких-либо причин для его изменения нет. Эти гироскопы задают «Хабблу» некое исходное направление (направление отсчета), что позволяет оптической системе телескопа зафиксироваться на требуемом удаленном объекте на сколь угодно долгое время. Физический принцип, используемый для правильного ориентирования в пространстве одного из самых совершенных устройств, созданных нашей цивилизацией, можно продемонстрировать у себя на кухне с помощью обычного яйца.

Именно поэтому я люблю физику. Все, что вы узнаете, обязательно найдет полезное применение в той или иной области человеческой деятельности. Изучение физики – весьма увлекательное приключение, потому что заранее невозможно определить, куда оно нас приведет. Насколько нам известно, физические законы, которые мы наблюдаем на Земле, действуют во всей Вселенной. Со многими из них может познакомиться каждый из нас и самостоятельно проверить их действие. То, что можно узнать с помощью обычного яйца, выливается в повсеместно применяемый принцип. Вооружившись знанием этих принципов, вы начинаете совершенно иначе смотреть на окружающий мир.

В прошлом информация ценилась гораздо больше, чем сейчас. Люди добывали ее по крупицам и потому очень ею дорожили. Сегодня мы живем на берегу океана знаний, где регулярно случаются цунами, угрожающие нашему благоразумию. Зачем же вам, человеку в здравом уме и твердой памяти, искать дополнительные знания и, следовательно, дополнительные сложности? Космический телескоп «Хаббл» замечателен во всех отношениях, но какая от него польза лично вам? Разве время от времени он будет смотреть вниз, чтобы, к примеру, помочь вам найти ключи от квартиры, когда вы опаздываете на важное совещание?

Люди испытывают интерес к окружающему миру, и им нравится удовлетворять свое любопытство. Этот процесс становится еще увлекательнее, когда вы сами открываете для себя что-то новое или совершаете такие открытия совместно с другими. К тому же физические принципы, которые вы постигаете в ходе тех или иных экспериментов, наблюдаются в погодных явлениях, применяются в медицинских технологиях, мобильных телефонах, самоочищающейся одежде и термоядерных реакторах. Современная жизнь полна сложных решений. Целесообразно ли покупать дорогостоящую компактную люминесцентную лампу? Не навредит ли здоровью оставленный на ночь включенным мобильный телефон рядом с кроватью? Следует ли доверять прогнозу погоды? Так ли важно наличие в моих очках поляризованных линз? Знание базовых принципов как таковых зачастую не позволит вам получить правильные ответы, но зато предоставит контекст, необходимый для постановки правильных вопросов. И если мы привыкли работать над собой, то не почувствуем себя беспомощными, не найдя ответа с первой попытки. Мы будем понимать, что ситуация наверняка прояснится, стоит еще немного пошевелить мозгами. Критическое мышление крайне важно для понимания окружающего мира – тем более что рекламодатели и политики изо всех сил пытаются убедить нас в том, что они лучше нас знают, что именно нам нужно. Мы должны уметь анализировать факты и реальные свидетельства и самостоятельно решать, соглашаться ли с тем, что нам пытаются навязать, поскольку на кону нечто большее, чем наша повседневная жизнь. Мы несем ответственность за нашу цивилизацию. Мы голосуем, выбираем, что покупать и как жить, и все вместе составляем часть истории человечества. Никому не дано понять буквально каждую деталь нашего сложного мира, но базовые принципы – это те бесценные инструменты, которыми должен владеть каждый из нас.

Именно поэтому я считаю, что эксперименты с «физическими игрушками», которыми изобилует окружающий мир, представляют собой нечто большее, чем «просто развлечение», хотя я и горячая поклонница развлечений как таковых. Наука – это не просто собирание фактов, а логический процесс их выстраивания. Важный научный принцип состоит в том, что любой из нас может изучить имеющиеся данные и сделать обоснованный вывод. Поначалу эти выводы могут разниться, но по мере сбора исследователями дополнительных данных (которые помогают сделать правильный выбор между разными вариантами описания мира) постепенно сходятся к некоему общему заключению. Именно этим наука отличается от других видов деятельности: любая научная гипотеза должна позволять делать конкретные, поддающиеся проверке предсказания. Это означает, что если у вас сложилось определенное представление о механизме какого-то явления, то вы должны задуматься над тем, какие последствия могут из этого вытекать. В частности, вы должны выявить все последствия, поддающиеся проверке, и особенно те, которые могут оказаться ложными. Если ваша гипотеза успешно проходит все возможные тесты, мы осторожно соглашаемся с тем, что это, вероятно, хорошая модель устройства мира. Наука всегда пытается доказать, что ошибается, поскольку такой подход – кратчайший путь к выяснению истины.

Вам необязательно быть квалифицированным ученым, чтобы экспериментировать с окружающим миром. Знание некоторых базовых физических принципов позволит вам самостоятельно открывать в нем много нового для себя. Этот процесс далеко не всегда должен носить организованный характер: нередко фрагменты головоломки сами укладываются в требуемые места.

Одно из моих самых замечательных путешествий в мир открытий началось с разочарования: я приготовила джем из голубики, а он оказался розовым. Ярко-розовым, как фуксия. Это случилось несколько лет назад, когда я проживала в Род-Айленде и готовилась к возвращению в Великобританию. Большинство дел уже было завершено, но оставался последний проект, который я была намерена во что бы то ни стало реализовать до отъезда. Мне всегда нравилась голубика; ее ягоды казались мне немного экзотичными, нежными на вкус и необычайно голубыми. В большинстве мест, где мне приходилось жить, голубика была большой редкостью, но в Род-Айленде она росла в изобилии. Мне захотелось приготовить из нее джем, обязательно синего цвета, и увезти с собой в Великобританию. Поэтому я потратила утро одного из моих последних дней в Род-Айленде на сбор и сортировку ягод для будущего джема.

Самое важное и волнующее в джеме из голубики – его синий цвет. Во всяком случае, лично для меня. Но природа распорядилась иначе. Содержимое кастрюли с джемом было восхитительно, но его цвет испортил все впечатление: ни малейшего намека на синеву. Я наполнила джемом банки и увезла в Великобританию.

Спустя шесть месяцев один мой друг попросил меня помочь с решением исторической загадки. Он готовил телевизионную программу о ведьмах и колдунах и пересказал мне народные поверья о «мудрых женщинах», которые заваривали в воде лепестки вербены и наносили этот отвар на кожу человека, чтобы определить, околдован ли он злыми ведьмами. Моего приятеля интересовал вопрос, не проводили ли эти «мудрые женщины» каких-либо систематических измерений, даже не имея таких намерений. Я выполнила кое-какие исследования и пришла к выводу, что, возможно, они действительно делали нечто в этом роде.

Красные цветки вербены наряду с краснокочанной капустой, корольком и многими другими растениями красного цвета, содержат химические вещества, называемые антоцианами. Это растительные пигменты, которые придают растениям яркие цвета. Существует несколько разновидностей антоцианов, чем обусловлено некоторое различие в цвете, но их молекулярная структура одинакова. Однако это еще не все. Цвет также зависит от кислотности жидкости, в которой оказывается такая молекула, то есть от того, что называют «водородным показателем», или «показателем pH», этой жидкости. Если сделать среду, в которую попадает такая молекула, чуть более кислотной или более щелочной, молекулы несколько видоизменятся, меняя при этом и свой цвет. Они служат индикаторами, своего рода лакмусовой бумажкой.

Вы можете проводить у себя на кухне увлекательнейшие эксперименты, исследуя данное явление. Отварите соответствующее растение, например краснокочанную капусту, чтобы экстрагировать из него пигмент; отвар (он приобретет фиолетовый цвет) сохраните. Смешайте его часть с уксусом, и полученный раствор станет красным. Добавление раствора стирального порошка (обладающего сильной щелочной реакцией) сделает отвар желтым или зеленым. Из того, что найдется у вас на кухне, можно создать настоящую радугу цветов – проверено собственноручно! Я обожаю такие эксперименты, потому что антоцианы всегда под рукой и доступны каждому. И никакого набора «Юный химик» не требуется!

Вполне возможно, что вышеупомянутые «мудрые женщины» использовали цветки вербены для проверки на pH кожи, а не на колдовство. pH вашей кожи может меняться естественным образом, а нанесение отвара вербены на кожу разных людей могло давать разные цвета. Я могла бы изменить цвет отвара краснокочанной капусты с фиолетового на голубой, если бы нанесла его на свою кожу после длительной утренней пробежки, однако отвар не изменил бы цвет, если бы я утром не выполняла физических упражнений. Возможно, эти «мудрые женщины» заметили, что разные люди заставляют пигменты вербены изменяться по-разному, и придумали для этого явления собственное объяснение. Разумеется, мы никогда не узнаем, как было на самом деле, но моя гипотеза кажется мне вполне разумной.

Впрочем, наш экскурс в историю несколько затянулся. Между тем он заставил меня вспомнить о джеме из голубики. Ягоды голубики синие, поскольку содержат антоцианы. В моем джеме всего четыре ингредиента: ягоды голубики, сахар, вода и лимонный сок. Лимонный сок помогает натуральному пектину из голубики привести джем в требуемое состояние. И достигается это потому, что лимонный сок – это… кислота. Мой джем стал розовым, так как сваренные ягоды голубики в данном случае выступали в роли лакмусовой бумажки. Джем должен был получиться розовым, ибо лишь в этом случае он был бы надлежащей консистенции. Чувство морального удовлетворения, испытанное мной в результате этого открытия, несколько компенсировало чувство глубокого разочарования, постигшего меня из-за того, что джем оказался не синим, а розовым. Однако тот факт, что из одного фрукта можно получить целую радугу цветов, стоил жертвы в виде розового джема из голубики.

В этой книге рассказывается о связи между мелочами, с которыми мы ежедневно сталкиваемся и зачастую не замечаем, с «большим миром», в котором мы живем. Она представляет собой увлекательное путешествие в физический мир и показывает, как экспериментирование с такими вещами, как попкорн, кофейные пятна и магниты на наших холодильниках, может пролить свет на экспедиции Скотта в Антарктиду, медицинские тесты и удовлетворение наших будущих потребностей в энергии. Наука – это не о «них», а о «нас», и у нас множество возможностей заниматься ею по-своему. Каждая глава начинается с упоминания о какой-либо мелочи, с которой мы неоднократно сталкивались в повседневной жизни, но ни разу о ней не задумывались. К концу каждой главы вы получите объяснения, касающиеся тех или иных областей науки и технологических достижений нашего времени. Каждое такое открытие будет само по себе важным и увлекательным, но самое большое вознаграждение вас ожидает в самом конце, когда из отдельных фрагментов сложится единая картина.

Знание того, как устроен мир, имеет еще одно важное преимущество, но ученые говорят о нем не очень часто. Понимание механизмов, которые приводят наш мир в движение, заставляет человека взглянуть на него иначе. Наш мир – мозаика из разных физических принципов. И как только вы усвоите основы физики, то начинаете понимать связь этих принципов друг с другом. Я надеюсь, что в процессе чтения книги зачатки научных знаний, которые вы получите по мере изучения ее глав, изменят ваше восприятие окружающего мира. Последняя глава (#litres_trial_promo) книги представляет собой исследование того, как совместное действие физических принципов формирует три системы, поддерживающие нашу жизнь: человеческое тело, нашу планету и цивилизацию. Но у вас есть право не согласиться с моей точкой зрения. Суть науки – в самостоятельном экспериментировании с этими принципами, учете всех известных вам фактов и свидетельств и последующем формулировании собственных выводов.

Чашка чая – только начало.

Глава 1. Попкорн и ракеты

Законы поведения газов

Взрывы на кухне, конечно же, плохая идея. Но в исключительных случаях малюсенький взрывчик способен привести нас в восторг. Сердцевина высушенной кукурузы содержит массу полезных питательных компонентов – углеводов, белков, железа и калия, – но все они чрезвычайно плотно упакованы и скрываются под очень прочной оболочкой. Поэтому, чтобы сделать их пригодными для употребления в пищу, требуется соответствующая переработка. Подходящим вариантом в данном случае мог бы послужить взрыв, и, к счастью для нас, кукурузные зерна содержат в себе все необходимое для собственного разрушения. Прошлым вечером я занималась чем-то наподобие баллистического приготовления еды – делала попкорн. Каждый раз испытываешь чувство невероятного облегчения, когда узнаешь, что под жесткой и непривлекательной наружностью скрывается мягкое и приятное содержимое, – но почему разрушение такой оболочки приводит к образованию пенистой структуры, а не мелких частиц?

Когда масло в кастрюле нагрелось, я насыпала в нее столовую ложку кукурузных зерен, накрыла кастрюлю крышкой и оставила на огне, а сама стала заваривать чай. На улице шел сильный дождь, сопровождавшийся порывами ветра, и дождевые капли громко барабанили по оконному стеклу. Зерна прогревались в масле, которое тихо шипело. Мне казалось, что ничего особенного не происходит, но внутри кастрюли представление уже началось. В каждом ядре кукурузы есть зародыш, который дает начало новому растению, и эндосперм, служащий для него питанием. Эндосперм состоит из крахмала, упакованного в гранулы, и содержит примерно 14 % воды. Когда кукурузные зерна попадают в горячее масло, вода начинает испаряться, образуя пар. Горячие молекулы перемещаются быстрее, и по мере прогревания каждого ядра появляется все больше молекул воды, пребывающих в состоянии пара. Эволюционное предназначение оболочки кукурузного зерна – защита содержимого сердцевины от внешних неблагоприятных воздействий (например, механических повреждений), но, находясь в кипящем масле, она представляет собой нечто наподобие котла с плотно завинченной крышкой, внутри которого разворачивается процесс, все интенсивнее воздействующий на крышку изнутри. Молекулам воды, превратившейся в пар, некуда деваться, давление внутри оболочки нарастает. Молекулы газа (роль которого в данном случае исполняет пар) постоянно сталкиваются друг с другом, ударяются о стенки оболочки и ввиду увеличения их количества и скорости перемещения все сильнее воздействуют на внутреннюю стенку оболочки.

Работа пароварок основана на этом же принципе, поскольку горячий пар существенно ускоряет приготовление пищи. В этом смысле процесс ничем не отличается от происходящего внутри оболочки кукурузного зерна. Я уже говорила, что, пока кукурузные зерна прогревались в горячем масле, я заваривала чай. Тем временем гранулы крахмала постепенно превращались в желатинообразную массу, находящуюся под давлением, которое продолжало расти. Наружные оболочки кукурузных зерен могут выдерживать такое давление лишь до определенной степени. Когда внутренняя температура возрастает до 180 ?, а давление почти в десять раз превышает нормальное давление окружающей атмосферы, представление, разворачивающееся внутри кастрюли с кипящим маслом, достигает кульминации.

Я слегка встряхнула кастрюлю и услышала, как внутри нее раздался первый, пока еще глухой хлопок. Через пару секунд звуки, исходившие из кастрюли, напоминали короткие очереди, выпускаемые из маленького автомата; крышка кастрюли начала слегка подпрыгивать, словно по ней стреляли изнутри. Каждый отдельный хлопок-выстрел сопровождался весьма впечатляющим выбросом пара из-под крышки кастрюли. Я буквально на мгновение отошла от плиты за чаем, но этих нескольких секунд хватило, чтобы давление изнутри приподняло крышку кастрюли и в воздух поднялось пенообразное облако.

В момент катастрофы правила меняются. До этого фиксированный объем водяного пара удерживается внутри оболочки, и давление, оказываемое им на ее внутренние стенки, увеличивается по мере повышения температуры. Но когда твердая оболочка наконец уступает давлению, ее содержимое попадает под воздействие атмосферного давления в остальной части кастрюли, то есть ограничение на объем снимается. Крахмалистая желатинообразная масса по-прежнему полна горячих ударяющихся молекул, но они уже не испытывают противодействия снаружи. В результате происходит ее взрывообразное расширение, которое продолжается до тех пор, пока внутреннее давление не сравняется с наружным. Компактная белая желатинообразная масса превращается во вспушенную пену, увеличивающуюся в объеме; кукурузные зерна выворачиваются наизнанку. По мере охлаждения масса затвердевает. Трансформация завершена.

Поворошив ложкой содержимое кастрюли, мне удалось выявить несколько жертв эксперимента. Подгорелые нелопнувшие зерна усеивали дно кастрюли. Если наружная оболочка зерна повреждена, то в процессе нагревания водяной пар свободно из нее выходит и давление внутри оболочки не нарастает. Причина, по которой кукурузные зерна при нагревании лопаются, в отличие от зерен других злаков, заключается в том, что оболочки последних имеют пористую структуру. Если зерно чересчур сухое (возможно, потому что урожай собран в неподходящее время), влаги внутри оболочки оказывается недостаточно для создания давления, позволяющего ее разорвать. А без разрушительного воздействия взрыва несъедобное зерно останется несъедобным.

Я выплеснула в окно остатки чая и идеально приготовленного мной попкорна. За окном по-прежнему хлестал дождь и завывал ветер. Как видите, разрушение – это не всегда плохо.

?

В простоте есть своя прелесть. Однако еще больше удовольствия мне доставляет красота, возникающая из сложности. Законы, которые описывают поведение газов, напоминают мне оптические иллюзии, когда вам кажется, что вы видите что-то одно, но, зажмурившись на секунду, а потом открыв глаза, созерцаете нечто совершенно иное.

Наш мир состоит из атомов. Каждая из этих крошечных частиц материи представляет собой оболочку из отрицательно заряженных электронов, неизменных спутников тяжелого положительно заряженного ядра атома. Химия, по сути, – история об этих спутниках, обслуживающих несколько атомов, но всегда подчиняющихся строгим правилам квантового мира и удерживающих плененные ими ядра в более крупных структурах, называемых молекулами. В воздухе, которым я дышу, когда пишу эти строки, присутствуют пары атомов кислорода (каждая такая пара – одна молекула кислорода), которые движутся со скоростью 1400 км/ч, соударяясь с парами атомов азота, которые движутся со скоростью 320 км/ч, а затем, возможно, отскакивая от молекулы воды, летящей со скоростью свыше 1600 км/ч. Все это выглядит ужасно сложно и беспорядочно – разные атомы, разные молекулы, разные скорости, – причем в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится примерно 30 000 000 000 000 000 000 (3 ? 10

) отдельных молекул, каждая из которых сталкивается приблизительно миллиард раз в секунду с другими молекулами. Вам может показаться, что самый разумный подход в данном случае – послать все это куда подальше и заняться чем-нибудь более понятным, например хирургией мозга, экономической теорией или взломом суперкомпьютеров. Одним словом, чем-то попроще. В конце концов, ученые, которые в свое время открыли законы поведения газов, вполне обходились без знания всех этих нюансов. У невежества есть свои преимущества. Теория об атомах вообще не была частью науки вплоть до начала XIX века, а неопровержимые доказательства существования атомов появились примерно в 1905 году. В далеком 1662-м в распоряжении Роберта Бойля и его помощника Роберта Гука была лишь стеклянная посуда, ртуть, пузырь с закачанным в него воздухом – и умеренная порция невежества. Они выяснили, что при возрастании давления, оказываемого на пузырь с воздухом, его объем уменьшается. В этом и заключается суть закона Бойля, который гласит, что давление газа обратно пропорционально его объему. Спустя столетие Жак Шарль обнаружил, что объем газа (при одном и том же давлении) прямо пропорционален его температуре. Если температуру газа повысить вдвое, его объем также увеличится в два раза. Невероятно! Как же свести все сложности, касающиеся атомов, к чему-то более простому и упорядоченному?

?

Последний вдох, одно уверенное движение могучим хвостом – и огромное млекопитающее скрывается в морской пучине. Весь запас воздуха, необходимый этому кашалоту, чтобы провести следующие сорок пять минут под водой, умещается в его теле. Охота начинается! Добыча – гигантский кальмар, монстр, вооруженный щупальцами, устрашающими присосками и наводящим ужас клювообразным выступом. Чтобы отыскать его, кашалоту приходится нырять на достаточно большую глубину, куда никогда не проникает солнечный свет. Типичная глубина погружений кашалота – 500–1000 метров, а рекордная – примерно 2 километра. Кашалот «прощупывает» водную толщу своим высокочувствительным сонаром, ожидая получить слабый эхосигнал, указывающий на то, что добыча где-то рядом. А гигантский кальмар спокойно плывет на глубине и ничего не подозревает, ведь он глухой.

Самое ценное, что берет с собой кашалот, отправляясь за добычей, – это кислород, требуемый для поддержания химических реакций, которые снабжают питанием мышечные ткани животного и сохраняют ему жизнь. Но газообразный кислород, поставляемый из атмосферы, на глубине становится источником проблем. Фактически, как только кашалот начинает погружение, воздух в его легких превращается в проблему. В ходе погружения кита вес каждого очередного метра воды оказывает дополнительное давление на его тело. Молекулы азота и кислорода сталкиваются друг с другом и внутренними стенками легких, и каждое такое столкновение означает микротолчок. Когда кашалот находится на поверхности воды, такие микротолчки, оказываемые на его тело снаружи и изнутри, уравновешивают друг друга. Но когда гигант опускается на некоторую глубину, на него дополнительно давит водная толща, находящаяся над ним, и толчок снаружи превосходит толчок изнутри. В результате стенки легких вдавливаются внутрь до установления равновесия, при котором давление снаружи и изнутри снова сбалансируется. Это достигается за счет того, что при сжатии легких кашалота для каждой из молекул остается меньше пространства и столкновения между ними учащаются. То есть молекулы все чаще соударяются с внутренними стенками легких животного, что приводит к повышению давления, направленного изнутри наружу. Так продолжается до установления равновесия между внутренним и наружным давлением. Десяти метров водной толщи достаточно для того, чтобы оказывать дополнительное давление, эквивалентное атмосферному. Поэтому даже на глубине, куда проникает солнечный свет и еще видна поверхность воды, объем легких кита сокращается в два раза по сравнению с их исходным объемом. Это означает, что внутренние стенки легких испытывают в два раза большее количество соударений с молекулами, вследствие чего внутреннее давление уравновешивает возросшее наружное давление. Но гигантский кальмар может скрываться на глубине до километра, а на таких глубинах объем легких должен сократиться до одного процента по сравнению с исходным объемом, то есть объемом на поверхности воды.

Но вот кашалот улавливает эхосигнал сонара. Имея лишь некоторый запас кислорода в сжавшихся легких и сонар, позволяющий ориентироваться в пространстве, кит должен приготовиться к битве в кромешной тьме. Гигантский кальмар неплохо вооружен, и даже если он в конечном счете сдастся, раны кашалота тоже будут ужасны. Откуда же ему брать силы для сражения, если в легких не останется кислорода?

Проблема уменьшившихся легких состоит в том, что, когда их объем составляет лишь одну сотую от того, который был на поверхности, давление газа внутри легких в сто раз превышает атмосферное давление. На альвеолах, нежной и чувствительной части легких, где кислород поступает в кровь, а углекислый газ удаляется из нее, это повышенное давление приводило бы к растворению в крови кашалота дополнительного количества кислорода и азота. Результатом стала бы ситуация, которую водолазы называют «кессонной болезнью»: когда кит всплыл бы на поверхность, в его крови образовались бы пузырьки избыточного азота, что могло бы повлечь за собой тяжелейшие последствия для организма. Эволюционное решение – полностью перекрыть альвеолы с момента, когда кашалот покидает поверхность воды. Альтернативы нет. Но животное может задействовать свои энергетические резервы, поскольку его кровь и мышцы способны запасать огромное количество кислорода. В крови кашалота вдвое больше гемоглобина и в десять раз больше миоглобина (белка, который используется для хранения энергии в мышцах), чем в крови человека. Пока кит находится на поверхности, он «перезаряжает» эти огромные энергетические резервуары. Кашалоты никогда не пользуются легкими при глубоких погружениях. Это для них слишком опасно. Они не делают как можно более глубокий вдох, перед тем как отправиться на глубину. Они существуют и борются за счет запасов, накопленных в мышцах во время пребывания на поверхности.

Никто никогда не видел сражения между кашалотом и гигантским кальмаром. Но в желудках мертвых кашалотов нередко находят остатки клювов кальмаров – единственной части, которую не переваривает желудок кашалота. Таким образом, каждый кит ведет собственный «внутренний» счет одержанных побед. Когда кит-победитель возвращается к солнечному свету, его легкие постепенно расширяются и восстанавливают контакт с системой кровоснабжения. По мере снижения давления их объем снова увеличивается до тех пор, пока не достигнет исходной величины.

Как ни странно, сочетание сложного молекулярного поведения и статистики (которая обычно не ассоциируется с простотой) на практике порождает относительно простой результат. Речь действительно идет об огромном множестве молекул, огромном множестве столкновений и огромном множестве разных скоростей, но важны здесь только два фактора: диапазон скоростей движения молекул и среднее количество столкновений молекул со стенками емкости, в которую они заключены. Величина давления зависит от числа столкновений и силы каждого из них (определяемой скоростью и массой молекулы). Соотношение между внутренним давлением (вызванным всеми этими столкновениями) и наружным определяет объем. Что же касается температуры, то она оказывает несколько иной эффект.

?

«Кто мне ответит: о чем мы обычно должны беспокоиться на данном этапе?» Наш учитель, Адам, носит белую рубаху, туго облегающую его круглое брюшко, – идеальный образ булочника, который готовит выпечку для какой-нибудь солдатской столовой. Обилие в его речи словечек и оборотов, характерных для диалекта «кокни», не портит общего впечатления, а, наоборот, придает Адаму дополнительный шарм. Он тычет пальцем в комок теста, лежащий перед ним на столе. Тесто прилипает к пальцу и тянется за ним, как живое; впрочем, оно и впрямь живое. «Чтобы испечь хороший хлеб, – объявляет Адам, – нужен воздух». Я учусь в школе пекарского мастерства, где нам рассказывают, как приготовить фокаччу, традиционный хлеб итальянской кухни. Я уверена, что не надевала фартук с тех пор, как мне исполнилось десять. И хотя мне неоднократно приходилось печь хлеб, я никогда не видела теста, похожего на то, которое лежит перед Адамом. Одним словом, мне есть чему поучиться.

Следуя инструкциям Адама, мы приступаем к самостоятельному приготовлению теста с нуля. Каждый из нас смешивает свежие дрожжи с водой, затем добавляет муку и соль и месит тесто с терапевтической решительностью, способствуя выработке клейковины (глютена) – белка, который придает хлебу эластичность. Все время, пока мы формируем соответствующую физическую структуру, живые дрожжи, присутствующие в ней, заняты важной работой: ферментированием сахаров и выработкой углекислого газа. В этом тесте, как и в любом другом, которое мне приходилось когда-либо готовить, воздуха нет, зато в нем множество пузырьков углекислого газа. Тесто – тягучий и вязкий биореактор; в нем заключены продукты жизнедеятельности, поэтому оно поднимается. Когда завершается первая стадия, тесто принимает восхитительную ванну из оливкового масла и продолжает подходить, а мы тем временем чистим от его остатков ладони и стол. Каждая отдельно взятая реакция ферментации порождает две молекулы углекислого газа, которые выделяются дрожжами. Углекислый газ, или CO

 – два атома кислорода, присоединенные к атому углерода, – это маленькие инертные молекулы (то есть не вступающие в химические реакции с другими молекулами), обладающие при комнатной температуре достаточной энергией, чтобы свободно парить в пространстве, подобно любому другому газу. Когда эта молекула в сочетании с другими молекулами углекислого газа образует пузырек, она может часами перемещаться туда-сюда, соударяясь с другими такими же молекулами. Каждый раз при соударении происходит обмен энергией, точно так же как при соударениях бильярдных шаров. Иногда одна молекула почти останавливается, а другая приобретает удвоенную энергию и отскакивает с высокой скоростью, а иногда энергия распределяется между молекулами в иной пропорции. Каждый раз, когда какая-либо молекула сталкивается со стенкой пузырька, насыщенной глютеном, она отскакивает от нее. На этой стадии пузырьки увеличиваются, поскольку в них накапливается все большее количество молекул и их соударения с внутренними стенками пузырьков учащаются. Пузырек «надувается» до тех пор, пока наружное (атмосферное) давление не уравновесит давление молекул CO

изнутри пузырька. Порой при соударении со стенками пузырька молекулы CO

движутся быстро, порой – медленно. Пекарям, как и физикам, все равно, с какими именно скоростями те или иные молекулы CO

соударяются со стенками пузырька, поскольку это вопрос статистики. При комнатной температуре и атмосферном давлении 29 % молекул CO