Текст книги "Могут ли числа быть вампирами? И ещё 320 вопросов о науке и технологиях"

3. Силы природы

66. ЧТО ТЫ ЗНАЕШЬ О НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ ПО ФИЗИКЕ?

Нобелевскую премию по физике впервые присудили в 1901 году вместе с премиями в области химии, медицины и литературы. В последующие годы Нобелевские премии вручались, только если было сделано какое-то особенное открытие. В 1916, 1931, 1934, 1940, 1941 и 1942 годах награду никто не получил. Одной из причин, конечно, стала Вторая мировая война, длившаяся с 1940 по 1945 год.

До сих пор только пять женщин стали лауреатами Нобелевской премии по физике:

• 1903 г., Мария Кюри за исследование радиоактивного излучения (см. факт 262);

• 1963 г., Мария Гёпперт-Майер за исследование структуры и оболочки ядра атома;

• 2018 г., Донна Стрикленд за исследование в области лазерной физики;

• 2020 г., Андреа Гез за исследование чёрных дыр;

• 2023 г., Анн Л’Юилье за исследование сверхкоротких импульсов света.

Физику Джону Бардину Нобелевскую премию по физике вручили дважды. В 1956 году – за изобретение транзистора, прибора для усиления или переключения электрических сигналов. На их основе работают компьютерные чипы. В 1972 году Бардину снова присудили Нобелевскую премию, на этот раз за исследование, посвящённое сверхпроводимости.

Некоторые лауреаты Нобелевской премии очень молоды. Лоренс Брэгг получил награду в 1915 году, когда ему было всего 25 лет. Они с отцом, Вильямом Генри Брэггом, изучали структуру кристаллов с помощью рентгеновского излучения.

А вот Артуру Эшкину было аж 96, когда в 2018 году он совместно с Донной Стрикленд получил Нобелевскую премию за исследование в области лазерной физики.

67. САМЫЙ УМНЫЙ ФИЗИК НА СВЕТЕ – СЭР ИСААК НЬЮТОН

В 1665 году у Исаака Ньютона было много свободного времени. Он тогда учился в Кембриджском университете, но тот был временно закрыт из-за вспышки чумы. Исаак увидел, как с дерева падает яблоко, и тогда его вдруг осенило. Яблоко не полетело вверх или в сторону – оно просто упало на землю. Из этого наблюдения Ньютона вскоре выросла теория тяготения: она гласит, что все тела, обладающие массой (см. факт 71), притягивают друг друга. Идея была совершенно новой и имела большое значение для физики.

Исаак Ньютон стал одним из известнейших учёных в истории. В 1687 году был опубликован его самый главный труд: «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), или просто «Начала». В своей книге он описывает три закона Ньютона, которые объясняют связь между движением предмета и действующими на него силами. Они и положили основу классической, или ньютоновской, механики. Благодаря этим законам стало возможно, к примеру, рассчитать орбиты планет вокруг Солнца и объяснить существование приливов и отливов.

А вот преподавание давалось Ньютону хуже. Ему было не очень интересно читать лекции и общаться со студентами, поэтому иногда на его занятиях вообще никто не появлялся. Тем не менее все понимали, что учёный он выдающийся. Королева Анна посвятила Ньютона в рыцари, а похоронили его в Вестминстерском аббатстве. Там находятся могилы многих других известных людей: например, учёного Чарльза Дарвина (см. факт 263), писателя Чарльза Диккенса и путешественника Давида Ливингстона.

68. ПЕРВЫЙ ЗАКОН НЬЮТОНА МОЖЕТ СДЕЛАТЬ БОЛЬНО

Представь, что ты сидишь в машине и ждёшь, пока загорится зелёный свет. Автомобиль не двигается, то есть находится в состоянии покоя.

Сзади подъезжает ещё одна машина. Её водитель не замечает тебя или замечает слишком поздно и врезается. Вторая машина прикладывает силу к первой. Из-за этого первая катится вперёд.

Ты сидишь в первой машине. Твоё тело находится в состоянии покоя в момент столкновения и не сразу приходит в движение. По первому закону Ньютона, объект, который находится в состоянии покоя, остаётся в покое. Автомобиль и сиденье движутся вперёд, а твоё тело остаётся на месте.

Действие первого закона Ньютона бывает очень болезненным. В момент столкновения шея водителя выгибается назад. От этого можно получить хлыстовую травму, то есть повредить позвоночник.

Первый закон Ньютона гласит, что тело, пребывающее в состоянии покоя, остаётся в покое, пока на него не действуют никакие силы. А движущийся предмет без действия внешних сил находится в равномерном прямолинейном движении. Кроме того, первый закон Ньютона демонстрирует, что не всегда нужно прикладывать силу, чтобы объект двигался, – даже без неё он может продолжать движение по инерции. Вот почему этот закон называют законом инерции. Объект сопротивляется изменению движения. Сила нужна только для увеличения скорости, изменения направления или торможения (и тут мы переходим ко второму закону Ньютона).

69. ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА ОБЪЯСНЯЕТ, ПОЧЕМУ КАМЕНЬ ПОДНЯТЬ СЛОЖНЕЕ, ЧЕМ ПЁРЫШКО

Перед тобой лежат два мешка одинакового размера. Один наполнен камнями, а второй – перьями. Не нужно даже пытаться их поднять, ведь ты знаешь и так: мешок с камнями поднять сложнее, чем мешок с перьями.

А теперь представь, что катаешься на велосипеде. Чем сильнее ты крутишь педали, тем большую силу прикладываешь и тем быстрее едешь.

Это примеры работы второго закона Ньютона: если на тело действует внешняя сила, оно будет двигаться с ускорением, которое зависит от величины этой силы и массы тела.

Формула такова:

сила = масса × ускорение

Таким образом, закон говорит, что ты способен изменить скорость или направление движения объекта, приложив к нему силу. Ускорение может иметь и отрицательное значение, тогда оно становится торможением.

Вернёмся к примеру с велосипедом. Если масса (твоя и велосипеда) остаётся неизменной, для ускорения нужно прикладывать больше силы. То есть, чтобы ехать быстрее, тебе надо активнее крутить педали. И наоборот: чем больше нагружен твой багажник (камни вместо перьев), тем сложнее затормозить.

Второй закон Ньютона говорит нам не только о величине ускорения или торможения. Сила нужна и для того, чтобы изменить направление движения. Например, когда теннисист ударяет ракеткой по мячу под углом, тот летит в определённом направлении.

70. ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА: СИЛА ДЕЙСТВИЯ РАВНА СИЛЕ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ

Третий закон Ньютона звучит просто: действие равно противодействию.

Сила _{действия} = сила _{противодействия}

Попробуем объяснить этот закон на примере футбола. Ты совершил нарушение и собираешься бить штрафной. Ты ставишь мяч в нужную точку и разбегаешься, чтобы хорошенько ударить по нему. Когда твоя нога пинает по мячу, ты прикладываешь к нему силу. Это сила действия. Футбольный мяч противостоит удару твоей ноги. Это сила противодействия. Попробуй заменить футбольный мяч булыжником такого же размера. Тогда ты сразу поймёшь, о чём идёт речь.

Третий закон Ньютона гласит, что, когда предмет А (ты) прикладывает силу к предмету Б (мячу), предмет Б (мяч) прикладывает к предмету А (тебе) равную по величине силу, но в противоположном направлении. То есть сила никогда не бывает одна, они возникают попарно. Сила противодействия не является следствием силы действия. Они всегда возникают одновременно.

71. СИЛА ТЯГОТЕНИЯ – ЭТО ПРИТЯЖЕНИЕ МЕЖДУ ПРЕДМЕТАМИ, ИМЕЮЩИМИ МАССУ

Благодаря силе тяготения ты можешь стоять на земле. Впрочем, если ты упадёшь, то и это тоже произойдёт из-за неё.

Сэр Исаак Ньютон был первым учёным, описавшим силу тяготения в своей книге «Начала». Легенда гласит, что учёный сидел в своём саду, когда ему на голову упало яблоко. Исаак задумался, почему оно не полетело вверх (см. факт 67). Размышляя над этим вопросом, он пришёл к выводу, что существует невидимая сила, притягивающая яблоко к земле. Он назвал её gravitas, или сила тяготения. Она притягивает друг к другу все объекты во Вселенной. Сила тяготения разная на разных планетах и зависит от массы планеты (см. факт 72). Она также объясняет, как притягивают друг друга объекты в космосе. Именно из-за неё Луна вращается вокруг Земли, а все планеты – вокруг Солнца.

Ньютон записал своё открытие в виде закона: любое тело прикладывает силу к любому другому телу. Этот закон физики описывает притяжение между объектами из-за силы тяготения. Сила тяготения, в свою очередь, зависит от двух вещей: массы обоих объектов и расстояния между ними.

Чем больше масса, тем больше сила тяготения. Чем больше расстояние, тем меньше сила тяготения.

72. НИКОГДА НЕ ПУТАЙ МАССУ И ВЕС

Иногда значения слов в науке и в реальной жизни различаются. Взять, например, «массу» и «вес». Для человека, далёкого от науки, они, возможно, похожи, а вот для физика это два совершенно разных понятия, которые и тебе стоит отличать друг от друга.

Масса предмета зависит от количества вещества в нём. Чем больше его масса, тем сильнее он будет притягивать к себе другие объекты. Мы обычно измеряем массу в килограммах (кг).

Вес предмета – это сила, которую он прикладывает к той поверхности, где сам находится. Вес измеряется в Ньютонах (Н). Формула для расчёта выглядит так:

вес = масса × ускорение свободного падения

Ускорение свободного падения g – это ускорение, которое придаёт предмету сила тяжести (тяготения). Когда он падает, его притягивает гравитация Земли. Приближаясь к Земле, он будет падать всё быстрее, то есть ускоряться. Значение g зависит от планеты, на которой мы находимся. На Земле оно составляет 9,8 метра в секунду в квадрате.

Итак, сила, с которой ты давишь на весы, зависит от силы тяготения – то есть от твоей массы и ускорения свободного падения. Так что весы отображают не массу, а эту силу. Но для удобства её принято обозначать в килограммах силы. Это вес, поделённый на ускорение свободного падения. Он будет разным на разных планетах, даже несмотря на то, что масса у тебя везде одинаковая.

73. ТЫ ВЕСИШЬ ПО-РАЗНОМУ НА РАЗНЫХ ПЛАНЕТАХ

К сожалению, этот факт проверить тебе не удастся, но учёные рассчитали, какой у тебя был бы вес на других планетах. Придётся поверить! На Марсе и Меркурии ты намного легче, чем на Земле, а на Юпитере – намного тяжелее.

Из факта 72 тебе уже известно, что вес определяется массой предмета и ускорением свободного падения. На Земле ускорение свободного падения составляет 9,8 метра в секунду в квадрате, но на других планетах его значение отличается. На самом деле ускорение свободного падения зависит от массы объекта: чем тяжелее планета, тем оно больше и тем больше вес объектов на ней.

Если на Земле ты встанешь на весы и они покажут 50 килограмм, то на других планетах показания весов будут такими:

• 19 килограмм на Меркурии,

• 19 килограмм на Марсе,

• 45,5 килограмма на Венере,

• 46 килограмм на Уране,

• 53 килограмма на Сатурне,

• 59,5 килограмма на Нептуне,

• 118 килограмм на Юпитере.

На Солнце твой вес был бы аж 1350 килограмм. А на Луне всего лишь чуть больше 8.

74. СИЛА ТЯЖЕСТИ ЕСТЬ ВЕЗДЕ

Возможно, этот заголовок тебя удивит. Разве сила тяжести действительно есть везде? А как же космос? Ведь астронавты на Международной космической станции (МКС) парят в невесомости?

Но поверь: сила тяжести есть везде, даже в космосе.

В факте 71 мы объяснили тебе закон всемирного тяготения Ньютона. Он говорит о том, что между предметами, имеющими массу, существует сила притяжения (или сила тяготения). Чем больше масса, тем больше эта сила. Чем больше расстояние между двумя объектами, тем эта сила меньше.

На МКС живут от четырёх до девяти космонавтов. Они постоянно вращаются вокруг Земли, делая примерно 16 оборотов в день на высоте около 400 километров. Как ты помнишь, с увеличением расстояния притяжение между двумя объектами уменьшается, поэтому сила тяготения на МКС меньше, чем когда стоишь ногами на Земле. И всё же она есть – просто на высоте 400 километров составляет лишь 90 процентов от той силы тяжести, которую мы испытываем, стоя на земле.

А знаешь, почему космонавты на МКС парят в воздухе? Всё дело в том, что станция постоянно движется вокруг Земли и, по сути, находится в свободном падении. Когда человек находится в свободном падении, как космонавт на борту МКС, он действительно становится невесомым. Что-то похожее можно почувствовать в лифте, когда он вдруг начинает быстро опускаться. Конечно, это не настоящее свободное падение – иначе мы бы тоже парили в лифте. (А ведь было бы круто, правда?!)

75. СКОРОСТЬ ЗВУКА – ПОЧТИ 1235 КИЛОМЕТРОВ В ЧАС

Звук возникает в результате колебаний. Они перемещаются в пространстве и превращаются в звуковые волны. Но колебаться обязательно должна среда – например, воздух или вода. Если не будет среды, то нечему будет колебаться, и звука не будет. В космосе нельзя услышать звуки, потому что там почти идеальный вакуум и нет ни воздуха, ни воды, ни какой-либо другой среды, а значит, нечему колебаться.

Чем сильнее колебания, тем громче будет звук. Уровень громкости определяется амплитудой колебаний и измеряется в децибелах (дБ). Чем больше амплитуда, тем больше число децибелов и тем громче звук. Чем быстрее колебания следуют друг за другом, тем выше будет звучание. Это свойство звука называется частота. Она измеряется в герцах (Гц). Чем быстрее колебания следуют друг за другом и чем выше звук, тем больше число герц.

Когда звук распространяется по воздуху при комнатной температуре, скорость звука составляет примерно до 343 метров в секунду или 1234,8 километра в час. В других средах и при других температурах она будет отличаться.

Человеческое ухо выдерживает звуки до 80 дБ. Если долго слушать более громкие звуки, они могут повредить твой слух. Музыка на дискотеке часто играет с громкостью 105 дБ, сирена пожарной машины доходит до 120 дБ, а грохот фейерверка – до 140 дБ. 140 дБ – это болевой порог. Все звуки громче причинят твоим ушам боль.

Мы воспринимаем частоту от 20 до 20 000 Гц, но многие животные слышат больше звуков. Уху собаки доступны звуки частотой от 10 до 35 000 Гц, а летучей мыши – от 100 до 100 000 Гц. Рекорд принадлежит большой восковой моли, которая может улавливать звуки частотой до 300 000 Гц.

76. КАК РАССЧИТАТЬ, НАСКОЛЬКО ДАЛЕКО ОТ ТЕБЯ ГРОЗА?

Тебе тоже во время грозы бывает немного страшно? Это нормально, ведь гроза – очень впечатляющее природное явление. А ты знаешь, что можно определить, далеко ли она от тебя, посчитав время от вспышки молнии до удара грома?

Сначала всегда видно молнию, а удар грома слышится уже после. Так происходит потому, что звук перемещается медленнее, чем свет. Скорость света составляет 300 000 километров в секунду – больше 1 миллиарда километров в час. А вот скорость звука – примерно 1235 километров в час (она может немного различаться в зависимости от температуры). То есть почти в миллион раз меньше скорости света!

Чтобы примерно узнать, далеко ли от тебя гроза, начни считать, как только увидишь молнию. Остановись, когда услышишь гром. Каждые три секунды, которые ты насчитаешь, соответствуют удалённости грозы (и удара молнии) примерно на один километр. То есть чем больше секунд у тебя получится, тем дальше от тебя гроза…

77. ПОЧЕМУ, КОГДА МИМО ПРОЕЗЖАЕТ СКОРАЯ ПОМОЩЬ, ЗВУК СИРЕНЫ МЕНЯЕТСЯ?

Хороший вопрос! На него могут прекрасно ответить физики.

Звук распространяется в виде звуковых волн. Когда источник звука неподвижен, звук расходится от него кругами, которые распределяются равномерно. Но если источник звука находится в движении, как, например, машина скорой помощи, проезжающая мимо с сиреной, ситуация меняется.

Если скорая помощь едет в твою сторону, то приближает каждое колебание среды к предыдущему, поэтому их частота увеличивается. А когда машина проезжает мимо тебя и начинает удаляться, то колебания, наоборот, отдаляются друг от друга, и частота понижается. И чем быстрее одна волна следует за другой, тем выше частота (см. факт 75). Именно поэтому, когда скорая помощь приближается к тебе, звук сирены более высокий, а когда она удаляется от тебя, – более низкий. Это явление называется эффект Доплера. Теперь, если мимо будет проезжать скорая помощь, ты сможешь объяснить, что же происходит со звуком её сирены.

78. РЕБЯТА, ПРЕКРАТИТЕ МАРШИРОВАТЬ!

Обычно солдаты маршируют в ногу. Но иногда им не помешало бы сбиться с ритма, например, когда они идут по мосту, иначе тот может обрушиться. Виной всему так называемый резонанс.

Каждый объект обладает определённой частотой, с которой он еле заметно колеблется. Её называют собственной частотой объекта. Представь, что ты сидишь на качелях и хочешь раскачаться выше. Для этого нужно, чтобы кто-то тебя подтолкнул или самому сделать несколько взмахов ногами. При этом ты двигаешь ими не хаотично. Отталкиваться ногами от воздуха необходимо только тогда, когда максимально отлетаешь назад. Иначе, вместо того чтобы раскачаться сильнее, ты, наоборот, начнёшь тормозить. Всё дело в том, что у качелей есть собственная частота. Отталкиваясь в нужный момент, ты сообщаешь качелям дополнительную энергию, которая в конце концов увеличит их колебания, то есть раскачает сильнее. Это и будет резонанс.

Иногда колебания настолько сильны, что способны разрушить объект. Оперные певцы могут разбить стакан при помощи голоса, если частота их пения совпадёт с собственной частотой стакана. Ещё один пример резонанса!

Но вернёмся к нашим солдатам, марширующим по мосту. Как и у всех объектов, у него тоже есть собственная частота. Когда по мосту в общем ритме шагает большой отряд, есть риск, что частота шагов совпадёт с собственной частотой моста. В самом деле, ноги опускаются всегда одновременно, что вызывает сильные колебания. Из-за этого мост может частично или даже полностью обрушиться. Вот почему солдатам иногда следует идти не в ногу.

Ветер тоже способен заставить объект колебаться на собственной частоте. Так случилось с мостом Такома-Нэрроуз в американском штате Вашингтон. Висячий мост длиной 1,6 километра обрушился 7 ноября 1940 года из-за колебаний, вызванных сильным ветром, – всего через 4 месяца после того, как был открыт для движения транспорта.

79. УДАР ХЛЫСТОМ ИЗДАЁТ СВЕРХЗВУК

Когда объект движется быстрее скорости звука, то говорят о сверхзвуковой скорости. В этот момент объект обгоняет звуковые волны и притом сам порождает новые. Звуковые волны сильно сжимаются и образуют что-то вроде конуса. Это явление называют конусом звукового удара (или конусом Маха). Щёлканье, которое ты слышишь при ударе хлыстом, – хороший пример эффекта, возникающего при переходе на сверхзвуковую скорость.

Представь, что ты видишь реактивный истребитель или очень быстрый самолёт. Он летит со сверхзвуковой скоростью, но, пока он перед тобой, ты ничего не слышишь. Зато как только его кончик пролетит мимо, ты вдруг услышишь громкий звук. Это сверхзвуковой хлопок, или звуковой удар. Сейчас НАСА тестирует специальный истребитель Х-59, звуковой удар от полёта которого почти не будет слышен.

Пассажирский самолёт «Конкорд» летал на сверхзвуковой скорости, но только над морем. Он добирался из Лондона в Нью-Йорк чуть меньше чем за 3,5 часа, тогда как обычно самолёту требуется в два раза больше времени, чтобы пролететь это расстояние.

Программу запустили ещё в 1969 году, но после большой катастрофы полёты «Конкордов» были приостановлены, а с 2003 года прекращены.

А знаешь, что даже без самолётов и автомобилей людям удавалось преодолеть звуковой барьер? 14 октября 2012 года Феликс Баумгартнер прыгнул из корзины воздушного шара с высоты почти 40 километров. Он падал 4 минуты и 19 секунд, пока не раскрылся парашют. Его максимальная скорость составила 1357 километров в час! Он стал первым человеком, отважившимся преодолеть звуковой барьер. Неудивительно, что его называют Бесстрашный Феликс.

80. ГЕЛИЙ ДЕЛАЕТ ГОЛОС ВЫШЕ, А КСЕНОН – НИЖЕ

Возможно, тебе доводилось вдыхать гелий из воздушного шарика. Тогда ты знаешь, что после этого голос на какое-то время становится очень высоким и смешным.

В факте 75 мы узнали, что звук появляется в результате колебаний, распространяющихся в той или иной среде. В случае с голосом эта среда – воздух. Когда ты говоришь, голосовые связки смыкаются и размыкаются, создавая колебания разных частот. Воздух в гортани начинает вибрировать, и звуковые волны превращаются в голос. Гортань усиливает определённые частоты колебаний. Это явление называется резонансной частотой, или собственной частотой (см. также факт 78). На ней звук будет вибрировать сильнее всего.

Когда ты вдыхаешь гелий, звуковые волны пойдут не по воздуху, а по его смеси с гелием. В гелии они распространяются почти в три раза быстрее. А значит, звук из гортани выйдет не такой, как обычно, когда она наполнена только воздухом. И стоит тебе заговорить – твои голосовые связки при этом станут смыкаться и размыкаться, – усилятся только волны с высокими частотами. А голос получится писклявым.

Благородный газ ксенон оказывает противоположный эффект. Скорость распространения звука в нём ниже, чем в воздухе, поэтому голос тоже будет звучать ниже.

81. ЭНЕРГИЯ НИКУДА НЕ ИСЧЕЗАЕТ И НЕ ПОЯВЛЯЕТСЯ ИЗ НИОТКУДА

Энергия солнца наполняет яблоко. Когда ты его съедаешь, эта энергия переходит к тебе. Ты используешь её, чтобы расти и двигаться. То есть энергия еды частично превращается в энергию движения (или кинетическую энергию).

При горении бензин производит тепловую энергию. Когда автомобиль едет, то двигатель превращает тепловую энергию в кинетическую.

Внутри Солнца происходит ядерный синтез, и благодаря ему появляются свет и тепло. Растениям они нужны для фотосинтеза: с помощью энергии света они получают из углекислого газа сахара, которыми и питаются. Потом растения съедают животные, а полученную энергию используют для движения.

Всё это примеры закона сохранения энергии: энергия не исчезает и не возникает из ничего. Согласно ему, энергия может видоизменяться, но её нельзя создать или уничтожить.

Закон кажется простым, но играет важную роль в нашей повседневной жизни.

82. ЧТО ПРОИСХОДИТ С ВЕЩЕСТВАМИ ПРИ АБСОЛЮТНОМ НУЛЕ?

Материя состоит из молекул, а молекулы – из атомов. Эти атомы колеблются и находятся в свободном движении. Чем выше температура, тем быстрее они движутся. Чем она ниже, тем они движутся медленнее. В теории можно настолько их остудить, что они в конце концов вообще остановятся.

Такая температура называется абсолютный ноль. Он одинаков для всех газов и равен 0 кельвинам. Эта мера названа так в честь лорда Кельвина, который описал абсолютную температурную шкалу. 0 кельвинов соответствуют – 273℃.

Когда температура газов приближается к абсолютному нолю, они приобретают особые свойства. Например, они могут стать сверхпроводящими и сверхжидкими. Последнее называется сверхтекучестью, и больше о ней ты узнаешь из следующего факта.

83. ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ГЕЛИЙ СТАНОВИТСЯ СВЕРХТЕКУЧИМ

Если вещество остудить до температуры, близкой к абсолютному нолю, то есть 0 по Кельвину, или –273 ℃, оно может проявить удивительные свойства. Некоторые вещества, например, становятся сверхтекучими. Гелий становится сверхтекучим при 2 кельвинах (или –271 ℃).

При сверхтекучести жидкость теряет свою вязкость, а значит, течёт без сопротивления. Она не сдерживается даже границами стакана или миски, в которой находится. При этой температуре гелий будет выползать через края миски и вытекать из неё. Иногда даже появляется фонтанчик, который бурлит без остановки. Необычное зрелище!

84. ГОРЯЧО, ЕЩЁ ГОРЯЧЕЕ… 141 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ГРАДУСОВ ЦЕЛЬСИЯ

Тепловая энергия выражается в температуре. Чем активнее молекулы двигаются, тем температура будет выше. Но насколько быстро могут двигаться атомы и молекулы? Каков предел?

Наряду с абсолютным нолём (0 кельвинов или –273 ℃, см. факт 82), при котором атомы не двигаются, бывает также максимально возможная температура. Немецкий физик Макс Планк открыл существование такого максимума, определяющего скорость движения атомов и молекул. Максимальная, или планковская, температура имеет невероятное значение: 141 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ℃.

Учёным неизвестно, что происходит при значениях, близких к такому абсолюту или выше него. Пока нет даже предположений. Это максимальная мыслимая температура, и в теории при ней молекулы стали бы настолько большими, что превратились бы в чистую энергию. А чёрные дыры бы испарились!

По мнению Макса Планка, абсолютный температурный максимум был однажды достигнут на мельчайшую долю миллисекунды сразу после Большого взрыва, в результате которого появилась Вселенная (см. факт 290).

Так что всё началось с максимально возможной температуры…

85. ПО ТВОЕМУ ТЕЛУ НОСЯТСЯ МИЛЛИАРДЫ НЕЙТРИНО (НО ТЫ ЭТОГО НЕ ЗАМЕЧАЕШЬ)

Нейтрино – крошечные частицы, наиболее распространённые во Вселенной после фотонов[3]3
  Фотоны – элементарные частицы, которые двигаются со скоростью света. Свет и другие виды излучения состоят из фотонов.


[Закрыть]. Их очень сложно заметить. Нейтрино чем-то похожи на электроны (негативно заряженные элементарные частицы), но у них нет электрического заряда, то есть они нейтральны. Учёные долго считали, что нейтрино не обладают массой, но сейчас уже известно, что крошечная масса у них всё же есть. Поэтому двигаются нейтрино почти так же быстро, как фотоны, у которых масса нулевая. Большая часть тех, что достигают Земли, исходит от Солнца.

Поскольку у этих частиц нейтральный электрический заряд и крошечная масса, они могут двигаться сквозь материю. За то время, пока ты читаешь этот текст, через твоё тело пролетают миллиарды нейтрино. Вот почему учёные их ещё называют частицами-призраками.

Нейтрино обнаружил в 1956 году Фредерик Райнес, за что в 1995 году получил Нобелевскую премию по физике. Но учёные предполагали существование подобных крошечных частиц задолго до того: ещё в 1930 году их описал Вольфганг Паули.

86. ПОЧЕМУ НЕКОТОРЫЕ НАСЕКОМЫЕ МОГУТ БЕГАТЬ ПО ВОДЕ

Ты закрываешь кран, и на нём остаётся висеть капля. Или наливаешь полный стакан, и вода поднимается над ним горкой. А может, тебе доводилось наблюдать, как насекомое скользит по глади озера? Всё это примеры поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение возникает, когда на границе жидкости и газа – например, воздуха – образуется тонкий упругий слой. Причины этого явления в том, что молекулы воды притягиваются друг к другу силами Ван-дер-Ваальса и формируют водородные мостики или крепкие связи. Поверхностное натяжение настолько сильное, что насекомые скользят по воде, как конькобежцы, а очень лёгкие предметы могут на ней лежать.

Мыло уменьшает силу поверхностного натяжения, поскольку разрушает много водородных мостиков между молекулами воды. Молекулы мыла частично состоят из участков, притягивающих воду (гидрофильных), а частично – из участков, отталкивающих её (гидрофобных). Гидрофобные участки поднимаются над её поверхностью. А гидрофильные создают связи с молекулами воды на поверхности, но эти связи намного слабее, чем между самими молекулами воды, поэтому поверхностное натяжение уменьшается.

Попробуй провести такой эксперимент. Опусти что-нибудь невесомое, например скрепку, в стакан воды. Если предмет достаточно лёгкий, он будет плавать на поверхности. Затем добавь в воду каплю жидкости для мытья посуды – и ты увидишь, как он опустится на дно стакана.

87. ГЕЛИЙ МОЖЕТ НЕ ТОЛЬКО ПОДНЯТЬ ШАР В ВОЗДУХ

Гелий (Не) – очень лёгкий газ. Он намного легче воздуха, поэтому его используют для полётов на воздушных шарах и даже дирижаблях. Тогда воздух опускается, а гелий поднимается. А вот водород, хотя он тоже легче воздуха, использовать в воздушных шарах и надувных шариках опасно. Дело в том, что он крайне легко воспламеняется и даже взрывается. Не лучший исход для вечеринки!

Ещё один способ использовать гелий – для охлаждения. Среди всех элементов у него самая низкая температура кипения.

Гелий не ядовитый, но он вытесняет кислород и может вызвать удушье. Так что будь осторожнее, когда вдыхаешь гелий из шарика.

Гелий делает твой голос забавным и писклявым (см. факт 80), но, если вдохнуть его слишком много, это может навредить и даже привести к смерти.

88. ЗАЧЕМ ДОРОГИ ЗИМОЙ ПОСЫПАЮТ СОЛЬЮ?

Температура кипения воды соответствует 100 ℃. Температура замерзания – 0 ℃. Эти значения можно изменить, добавляя в воду разные вещества. Температура кипения становится выше, а температура замерзания ниже, если в воде растворить, например, соль. В зимние морозы мы посыпаем ею улицы: благодаря этому лёд образуется не при 0 ℃, а при более низкой температуре. От количества соли зависит, насколько понизится точка замерзания. Повлиять на температуру кипения и замерзания воды могут и другие вещества, например сахар.

Лёд состоит из молекул воды, связанных между собой водородными мостиками. Когда мы добавляем что-нибудь в воду, то частицы этого вещества располагаются между её молекулами и мешают им устанавливать связи. Вот почему подобная жидкость замерзает не так быстро. Например, если добавить в воду соль, получится солевой раствор, благодаря которому дороги будут покрываться льдом медленнее.

Конечно, при сильных морозах соль уже не справится со льдом, поэтому посыпать ею улицы в Сибири неэффективно. Так что в странах с суровыми зимами часто используют не хлорид натрия (NaCl), который мы в быту называем поваренной солью, а хлорид кальция (CaCl₂). Он позволяет растопить лёд при ещё более низкой температуре, но и стоит намного дороже.

89. ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНО НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ВОЗДУХ СТАНОВИТСЯ ЖИДКИМ

Каждый день ты делаешь около 14 500 глубоких вдохов в день и наверняка думаешь, что уж воздух-то тебе хорошо знаком. Но знаешь ли ты, что он может быть… жидкостью?

Правда, для этого тебе придётся охладить его до очень низкой температуры. Воздух переходит из газообразного состояния в жидкое только при –194,35 ℃.

Жидкий воздух немного похож на воду. Вода остаётся в своём агрегатном состоянии при температуре до 100 ℃ и превращается в газ, если нагреть её ещё больше. Эту температуру называют точкой кипения воды.

Обычный воздух состоит из следующих газов: азота (N₂, 78 %), кислорода (О₂, 20 %), аргона (Ar), углекислого газа (СО₂) и других. Сжижение воздуха – один из способов извлечь из него эти чистые вещества.

Но зачем нужен жидкий воздух? Например, для хранения и перевозки энергии. Объём воздуха в жидком состоянии примерно в тысячу раз меньше, чем в газообразном, то есть он занимает намного меньше места. Когда нам понадобится энергия, достаточно будет нагреть его, и он снова станет газом. При этом воздух сильно расширяется, и с его помощью можно, например, запустить турбину, производящую электрический ток. Хорошая альтернатива для тех случаев, когда энергии ветра и солнца недостаточно – воздух-то есть всегда и везде. Хоть для того, чтобы извлечь из него энергию, и придётся потрудиться.

90. СУХОЙ ЛЁД НЕ ТАЕТ

Лёд – это вода в твёрдой форме. Когда он тает, остаётся лужица, то есть вода в жидкой форме. Через некоторое время лужица испарится: вода превратится в газ.