Текст книги "Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса"

На самом деле кухонные весы измеряют силу притяжения – великую силу, не только обеспечивающую существование человеческой цивилизации, но и удерживающую всю Солнечную систему. Тем не менее эта сила чрезвычайно слаба и немощна. Масса Земли составляет 6 × 10²⁴ килограмма (6 тысяч миллиардов миллиардов тонн, если вы предпочитаете более крупные единицы измерения), но она может притягивать миску с мукой с силой весьма тонкого эластичного бинта. Впрочем, это тоже хорошо, поскольку в противном случае жизнь на Земле была бы невозможна. Однако это позволяет взглянуть на мир несколько иначе. Каждый раз, поднимая какой-либо объект, вы преодолеваете силу притяжения целой планеты. Солнечная система огромна, потому что гравитация слаба. Но у гравитации есть одно важное преимущество по сравнению со всеми другими фундаментальными силами – ее вездесущность. Она может быть слабой и становиться еще слабее по мере отдаления от Земли, но в космосе простирается на огромные пространства, притягивая другие планеты, звезды и галактики. При всей ничтожности сил тяготения именно это слабое силовое поле придает нашей Вселенной определенную структуру.

Тем не менее, чтобы поднять даже такой легкий объект, как готовый морковный кекс, понадобится некоторое усилие. Когда морковный кекс покоится на столе, поверхность стола оказывает на него давление снизу, толкая его вверх. Силы этого давления достаточно, чтобы уравновесить силу притяжения между кексом и планетой. Чтобы поднять кекс, вам нужно приложить несколько большую (буквально на самую малость) силу, достаточную для того, чтобы суммарная сила обеспечила его поднятие вверх. Нашей жизнью управляет не то, какие именно отдельные силы действуют на нас и окружающие предметы, а то, каков их результирующий баланс. Это существенно упрощает задачу. Действие тех или иных мощных сил можно вообще игнорировать, если они уравновешиваются действием других мощных сил. Проще всего представить эту ситуацию на примере твердых объектов, поскольку они сохраняют форму при воздействии тех или иных сил. А знаменитый разводной Тауэрский мост в центре Лондона с двумя грациозными башнями, несомненно, очень прочный объект.

Гравитация может стать серьезной помехой, потому что иногда вам приходится удерживать те или иные объекты «на весу», то есть в воздухе. Для этого нужно преодолеть силу притяжения, направленную вниз. В противном случае предметы, которые вы пытаетесь удержать, падали бы на пол. Жидкости стекают вниз – по-другому не бывает. С твердыми предметами все несколько иначе. Такая концепция, как опора, позволяет эффективно нейтрализовать действие силы тяжести, применяя принцип детских качелей: доска, центр которой помещен на опору. В случае Тауэрского моста одна половина таких «качелей» скрыта от глаз зрителей. Мост покоится на двух рукотворных островах-опорах, каждый из которых расположен на трети расстояния через Темзу. Башни моста напоминают двух стражников, охраняющих въезд в Лондон со стороны моря. По мосту проходит дорога, соединяющая северную и южную части столицы.

На пешеходной дорожке через мост всегда полно туристов, увешанных фотокамерами и оживленно обсуждающих открывающийся замечательный вид. По проезжей части движется нескончаемый поток такси, автобусов и мотоциклов. Кое-где теснятся сувенирные лавки, кафе, маленькие магазинчики. Наша экскурсионная группа во главе с гидом пробирается сквозь этот хаос, устремляясь к конечной цели путешествия – «чреву» моста, чтобы увидеть механизм, обеспечивающий разведение его двух половин. Проникнув туда, мы оказываемся в царстве медных манометров, гигантских рычажных механизмов, клапанов и прочих механических устройств, символизирующих собой изобретательность и надежность инженерной мысли викторианской эпохи. Неповторимый внешний вид Тауэрского моста и его башен в стиле сказочных замков славится во всем мире, однако в данном случае нас интересует его внутренняя «начинка».

Лондон вот уже два тысячелетия является крупным портом. Особая прелесть города, раскинувшегося на берегах реки, в том, что в вашем распоряжении есть два берега, а не один, как в случае городов, расположенных на берегу океана. Однако Темза – не только путь для всего, что способно плавать, но и серьезное препятствие для всего, что перемещается на «своих двоих» или ездит на колесах. Через Темзу переброшено немало мостов, однако к 70-м годам XIX века город остро нуждался в еще одном. При его строительстве предстояло решить важную проблему: мост должен был не только удовлетворять потребность людей в свободном перемещении с одного берега Темзы на другой, но и не создавать препятствий для прохождения по Темзе достаточно высоких морских судов. Конструкторы Тауэрского моста предложили гениальное решения проблемы.

Мы спускаемся по крутой винтовой лестнице внутрь моста и проходим через несколько огромных каменных гротов, скрывающихся в основании башни. В первом расположены оригинальные гидравлические насосы, а в следующем, более крупном, мы наталкиваемся на деревянного монстра: бочку высотой с двухэтажный дом, которая служит временным накопителем энергии – чем-то вроде неэлектрической батареи. Но больше всего меня интересует третий, самый большой грот. Это камера, в которой размещается противовес.

Путь между двумя башнями фактически разделяется на две половины – крылья моста. Примерно тысячу раз в году под мостом проходят суда, и всякий раз при этом движение по мосту прекращается. Каждое крыло моста одним своим концом поднимается вверх, а по другую сторону оси, где оно закреплено в темной камере под башней, его скрытый конец – противовес – опускается вниз. Я всматриваюсь в этот противовес и пытаюсь прикинуть, сколько может весить такая махина. Словно угадав мои мысли, наш гид, Глен, заявляет: «Между прочим, внутри этой штуковины примерно 460 тонн свинцовых болванок и чугунных чушек. Они никак не закреплены и свободно перекатываются туда-сюда внутри противовеса, что хорошо слышно во время разведения крыльев моста. Когда на мосту проводят ремонтные работы, в противовес обычно добавляют или, наоборот, убирают какое-то количество болванок, чтобы крылья оставались идеально сбалансированными». (Похоже, мы стояли перед самой большой погремушкой в мире!)

Вот этот баланс и есть ключ к разгадке секрета таких «качелей». Чтобы развести крылья моста в сторону, не нужно прикладывать огромных усилий для их поднятия. Все, что требуется от механизма разведения моста, – слегка наклонить крылья. Концы крыла, расположенные по обе стороны оси, вокруг которой происходит поворот, идеально сбалансированы между собой. Это означает, что для приведения крыла в движение достаточно совсем незначительного усилия, необходимого только для того, чтобы преодолеть трение в подшипниках. Гравитация перестает, по сути, быть проблемой, поскольку сила тяжести по одну сторону оси точно сбалансирована с силой тяжести по ее другую сторону. Мы не можем избавиться от гравитации, но можем использовать ее против самой себя. К тому же мы можем создать очень большие «качели», что и сделали инженеры викторианской эпохи.

После экскурсии я немного прогулялась вдоль реки, а затем повернула в сторону моста. Мой взгляд на него полностью изменился, и мне нравилось, что теперь я воспринимаю его совершенно по-другому. У инженеров викторианской эпохи не было электроэнергии, компьютеров, которые могли бы управлять теми или иными процессами, новых материалов с уникальными свойствами (например, пластмасс или железобетона). Но они хорошо знали простые физические принципы. Простота конструкции Тауэрского моста – вот что мне особенно импонирует. Возможно, именно благодаря ей он продолжает исправно служить людям и после 120 лет эксплуатации (притом что за это время в его конструкцию было внесено минимальное число доработок и усовершенствований). Готическое возрождение, неоготика (этим техническим термином обозначают стиль fairy-castle – сказочный замок), – лишь оболочка, под которой скрываются гигантские «качели». Если инженеры когда-нибудь соорудят нечто подобное, то, я надеюсь, они догадаются сделать часть конструкции прозрачной, чтобы каждый мог оценить гениальную простоту их конструкторских решений.

Этот прием, позволяющий снизить остроту проблем гравитации, можно наблюдать повсеместно. Представьте, например, ось, расположенную на высоте 4 метра над поверхностью земли, с двумя 6-метровыми половинами «качели», балансирующими друг друга по обе ее стороны. Это не мост. Это тираннозавр, знаменитое плотоядное животное мелового периода. Две короткие толстые ноги удерживают его в вертикальном положении, а ось находится в области бедер. Причина, почему он раз за разом не падал плашмя на землю, мордой вниз, заключается в том, что крупная тяжелая голова хищника с острыми клыками уравновешивалась длинным мускулистым хвостом. Однако в жизни этой ходячей «качели» была одна проблема. Даже самый решительный и целеустремленный тираннозавр иногда испытывал потребность изменить направление движения. По оценкам ученых, тираннозаврам требовалось от одной до двух секунд, чтобы повернуться на 45°, что делало их чуть более неповоротливыми, чем умный и проворный тираннозавр из «Парка юрского периода». Что же могло в такой степени ограничивать огромного и мощного динозавра? Ответить на этот вопрос нам поможет физика.

Вращение фигуристки вокруг собственной оси вызывает у зрителей массу положительных эмоций: эстетическое удовольствие, изумление и восхищение безграничными возможностями человеческого тела. Но почему фигуристка, разведя руки в стороны, вращается медленнее, а прижав руки к телу, быстрее? Пример вращения фигуристки на льду полезно разобрать, потому что трение коньков о лед ничтожно и когда фигуристка вращается вокруг собственной оси, она обладает неким фиксированным «количеством» вращения. Кажется, нет ничего, что могло бы замедлить ее вращение. Поэтому действительно интересно, что, когда фигуристка изменяет свою форму, она изменяет и скорость вращения. Оказывается, по мере удаления тех или иных частей вращающегося тела от оси вращения при каждом очередном обороте им приходится совершать больший путь, в результате чего они, по сути, принимают на себя большую долю наличного «вращения»[16]16
  Точнее говоря, вращательного момента, или момента импульса.


[Закрыть]. Если вы раскинете руки в стороны, они окажутся дальше от оси вращения и скорость вращения замедлится в качестве компенсации. В сущности, именно с этой проблемой столкнулся тираннозавр. С помощью ног он был способен вырабатывать лишь определенную величину поворачивающей силы (так называемый вращающий момент), а поскольку его огромная голова и хвост выступали далеко в стороны, подобно очень толстым, тяжелым чешуйчатым версиям рук фигуристки, его повороты были замедленными. Любое небольшое, но проворное млекопитающее (например, какой-либо из наших очень далеких предков) оказалось бы в большей безопасности, если бы знало об этой особенности тираннозавров.

Те же соображения объясняют, почему мы раскидываем руки в стороны, когда думаем, что падаем. Если я стою прямо, а затем внезапно начинаю клониться вправо, я поворачиваюсь вокруг своих лодыжек. Если перед тем, как начать падать, я раскину руки в стороны или вверх, та же опрокидывающая сила не успеет сместить меня настолько, насколько сместила бы в противном случае, и у меня останется больше времени, чтобы внести в свою позу поправки и удержать равновесие. Вот почему гимнасты, выполняющие упражнения на бревне, почти всегда держат руки вытянутыми в стороны: это увеличивает их момент инерции и у них остается больше времени, чтобы скорректировать свою позу и не упасть на пол. Разводя руки в стороны, поднимая их вверх и опуская вниз, вы можете совершать вращения вокруг собственной оси; кроме того, это помогает сохранять равновесие.

В 1876 году итальянская цирковая артистка Мария Спелтерина стала первой в мире женщиной, прошедшей над Ниагарским водопадом по натянутому канату. Сохранилась фотография, на которой она запечатлена на полпути через Ниагарский водопад, невозмутимо балансируя на канате (для усиления драматического эффекта ее ноги были «обуты» в корзинки для переноски персиков). Но самым заметным вспомогательным средством на фотографии был длинный горизонтальный шест в руках Марии – лучший инструмент для сохранения равновесия. Размаха рук для этого недостаточно, а длинный горизонтальный шест справляется с задачей гораздо эффективнее, позволяя Марии точно контролировать перемещения по натянутому канату[17]17
  Впоследствии она проделала тот же путь с руками и ногами, закованными в наручники, а также с повязкой на глазах.


[Закрыть]. Если бы она начала терять равновесие, это бы происходило очень медленно, поскольку большое расстояние между концами шеста означает, что тот же самый вращающий момент сказывается гораздо слабее. Конечно, Мария могла упасть с каната в результате сильного наклона в одну сторону, но длинный шест существенно затруднял возможность переворота слева направо. То же самое относится к тираннозавру. Тот же физический принцип, который служил Марии лучшей защитой от падения с 50-метровой высоты и верной смерти в бурных водах Ниагарского водопада, за 70 миллионов лет до того не позволял тираннозавру быстро изменять направление движения.

Гравитация, то есть притягивание одних твердых тел другими, – хорошо знакомая нам концепция главным образом потому, что мы сами представляем собой «твердые объекты», испытывающие на себе силу притяжения. Однако наш мир населяют не только твердые объекты, но и жидкости. Вода и воздух перемещаются туда-сюда под влиянием действующих на них сил. Мне очень жаль, что перемещение жидкостей мы обычно не можем видеть столь же отчетливо, как опадание листьев или разведение мостов. Жидкости ощущают на себе воздействие тех же сил, но у них нет какой-то определенной формы – именно в этом и состоит прелесть мира динамики жидкостей: устремляющихся вдаль, образующих водовороты, извивающихся, удивляющих нас и вездесущих.

Лично мне пузырьки симпатичны тем, что они повсюду. Я рисую их в своем воображении как невоспетых героев физического мира, образующихся и лопающихся в котлах и тортах, биореакторах и ваннах, выполняющих всевозможные виды полезной работы, но проживающих уж очень короткую жизнь. Они – столь привычная часть нашего быта, что мы почти не обращаем на них внимания. Несколько лет назад я спрашивала у разных групп детей от пяти до восьми лет, где им встречаются пузырьки, и они наперебой рассказывали о газированных напитках, ваннах и аквариумах. Но в последней группе, с которой мне довелось общаться в тот день (это было уже под конец дня, и дети выглядели уставшими), мой вопрос о пузырьках был встречен раздраженным молчанием и отсутствующими взглядами. После долгой паузы и переминаний с ноги на ногу один шестилетний малыш поднял руку. «Итак, – сказала я с воодушевлением, – где ты мог видеть пузырьки?» Мальчик посмотрел на меня с нерешительностью, а затем громко объявил: «Сыр… и сопли». Мне не в чем было его упрекнуть, хотя ничего подобного ранее не приходило мне в голову. Вполне возможно, что с пузырящимися соплями ему приходилось иметь дело чаще, чем мне. Впрочем, я могу назвать по меньшей мере одного представителя животного мира, для которого пузырящиеся сопли – ключ ко всему его образу жизни. Я имею в виду фиолетовую морскую улитку, Janthina janthina.

Эти улитки, обитающие в море, обычно передвигаются по морскому дну или скалам. Если сковырнуть такую улитку со скалы и опустить в воду, то она утонет. Древнегреческий ученый Архимед (вы, конечно, помните его знаменитое «Эврика!») первым открыл принцип, определяющий условия, при которых некий предмет плавает или тонет. Скорее всего, Архимеда интересовал вопрос плавучести морских судов, но тот же принцип применим к улиткам, китам и всему остальному, что погружено или полупогружено в какую-либо жидкость. Архимед выяснил, что между погруженным объектом (улиткой) и водой, которая была бы на месте улитки, если бы она не была погружена в воду, происходит своего рода соревнование. И улитка, и вода вокруг нее притягиваются вниз, к центру Земли. Поскольку вода это жидкость, предметы в ней могут перемещаться легко. Сила притяжения объекта прямо пропорциональна его массе: удвойте массу улитки и вы удвоите ее силу притяжения. Но вода вокруг нее тоже притягивается вниз, к центру Земли, и если вода притягивается сильнее, улитка будет всплывать вверх, освобождая для нее место. Принцип Архимеда, сформулированный для нашего злополучного моллюска, гласит, что на улитку действует направленная вверх сила выталкивания, равная направленному вниз гравитационному притяжению того объема воды, которая могла бы занимать место, занимаемое улиткой. Действие этой так называемой выталкивающей силы (архимедова сила) испытывает на себе каждый погруженный в воду предмет. С практической точки зрения это означает следующее: если улитка обладает большей массой, чем вода, заполняющая пространство в форме улитки, то она выиграет гравитационное сражение и пойдет ко дну. Но если масса улитки меньше (и, следовательно, меньше плотность), чем воды, победу одержит вода и улитка всплывет на поверхность. У большинства морских улиток большая плотность, чем у морской воды в целом, и поэтому они тонут.

Значительную часть своей истории морские улитки тонули в воде. Но в какой-то момент в прошлом у «обычной» морской улитки день, что называется, не задался, и в ее защитную оболочку попал воздушный пузырек. Важная особенность плавучести заключается в том, что реальное значение для нее имеет лишь средняя плотность рассматриваемого объекта. Чтобы обеспечить его плавучесть, необязательно изменять его массу. Достаточно изменить величину занимаемого им пространства – а воздушные пузырьки занимают его немало. Однажды, очень давно, в защитную оболочку улитки попал более крупный воздушный пузырек, баланс нарушился и первая морская улитка начала постепенно подниматься со дна навстречу солнечному свету. Путь на поверхность моря был открыт – но лишь для улитки, которая запаслась довольно большим воздушным пузырьком. В действие вступили законы эволюции.

В наши дни Janthina janthina, наследница первых улиток, которые давным-давно ушли в небытие, – типичный обитатель теплых морей. Улитки, приобретшие ярко-фиолетовый цвет, выделяют такую же слизь, как и та, следы которой вы можете наблюдать ранним утром на камнях у себя в саду, и используют свое мускульное подножие для ее сворачивания и захватывания воздуха из атмосферы. Они строят для себя что-то наподобие плота из воздушных пузырьков, зачастую большего, чем они сами, чтобы их суммарная плотность всегда была меньше плотности морской воды, в которой они обитают. Они всегда плавают «вверх ногами» (плот из воздушных пузырьков вверху, раковина внизу), охотясь на проплывающих мимо медуз. Если на берегу моря вам встретится раковина фиолетовой улитки, вспомните все, что узнали о них из моей книги.

Плавучесть может быть весьма полезным свойством, способным кое-что поведать о содержимом плавучего объекта. Например, если вы возьмете две банки одинакового объема с газированными напитками – один диетический (с низким содержанием сахара), а другой обычный, сладкий на вкус, – то увидите, что банка с диетическим напитком плавает в воде, а со сладким – тонет. Объем банок один и тот же, разница в их содержимом. Все дело в большой плотности сахара. В стандартной (330 мл) банке со сладким газированным напитком содержится 35–50 граммов сахара, и именно эта дополнительная масса делает такую банку более плотной, чем вода, из-за чего банка в ней тонет. Масса подсластителя в банке с диетическим напитком ничтожна: по сути, в такой банке лишь вода и воздух, поэтому она плавает. Более полезный пример в этом отношении – сырое яйцо. Плотность свежего сырого яйца превышает плотность воды, поэтому оно тонет в холодной воде и лежит плашмя на дне сосуда. Но если свежее сырое яйцо полежит несколько дней в холодильнике, оно постепенно подсохнет, а, по мере того как вода будет просачиваться сквозь скорлупу яйца наружу, молекулы воздуха будут проникать в воздушный «карман» на скругленной стороне яйца, заполняя образовавшуюся пустоту. Яйцо, пробывшее в холодильнике примерно неделю, утонет в воде, но будет стоять вертикально, опираясь на свою заостренную сторону (дополнительный воздух, появившийся в яйце, будет располагаться ближе к поверхности воды). Но если такое яйцо целиком плавает на поверхности воды, значит, оно слишком долго лежало в холодильнике – так что лучше съешьте на завтрак что-нибудь другое!

Разумеется, если у вас есть возможность регулировать количество воздуха, который вы носите с собой, а также занимаемый им объем, то вы можете выбирать, плавать вам на поверхности воды или тонуть. Когда я начала изучать свойства воздушных пузырьков, я натолкнулась на статью, написанную в 1962 году. В ней безапелляционно заявлялось следующее: «Пузырьки создаются не только волнами, разбивающимися о скалы, но и гниющими материалами, отрыжкой рыб и метаном, выделяющимся с морского дна». Отрыжкой рыб? Для меня было очевидно, что эту статью писал один из так называемых кабинетных ученых, проводивший большую часть времени в каком-нибудь лондонском клубе, для кого бутылка портвейна гораздо ближе, чем реальный мир. Это показалось мне очень смешным, и я высказала свое мнение по этому поводу. Три года спустя, исследуя подводный мир у острова Кюрасао, я наткнулась на огромного тарпона (примерно полтора метра длиной), проплывшего мимо меня, выбрасывая через жабры большие количества отрыжки. На самом деле у многих костистых рыб есть воздушный карман, известный как плавательный пузырь, который помогает им управлять своей плавучестью. Умение настраивать свою плотность в соответствии с плотностью окружающей среды позволяет пребывать в состоянии равновесия и покоя. Плавательные пузыри тарпона необычны (тарпон – редкий пример рыбы, которая способна дышать непосредственно воздухом, а также извлекать кислород с помощью жабр), но я вынуждена признать, что тарпон действительно может отрыгивать через жабры. Тем не менее я настаиваю на том, что отрыжка рыб не может вносить существенный вклад в количество воздушных пузырьков в океане[18]18
  Когда эти плавательные пузыри только появились в ходе эволюции, они обеспечивали огромное преимущество за счет уменьшения энергии, необходимой для того, чтобы оставаться на одной и той же глубине. Но в последнее время они превратились в существенный недостаток, поскольку плавательные пузыри очень легко обнаружить с помощью акустической гидролокации. Одной из важнейших технологий, которая обеспечила хищнический вылов рыбы в наших морях, стал рыбопоисковый прибор, настроенный на обнаружение воздушных пузырей и, следовательно, рыбы. Он помогает выявлять, преследовать и вылавливать огромные косяки рыбы – и все из-за предательского поведения плавательных пузырей.


[Закрыть].

Последствия гравитации зависят от того, что к чему притягивается. Тауэрский мост – твердый объект, поэтому гравитация может изменить его положение, но не форму. Улитка также твердый объект; она перемещается в океанской воде, которая может ее обтекать, внося соответствующую поправку. Но газы обладают свойством текучести (благодаря этой способности и жидкости, и газы называются текучими средами). Твердые объекты, на которые воздействует сила притяжения, могут перемещаться в газах: шарик, наполненный гелием, и дирижабль поднимаются вверх по той же причине, по какой всплывает улитка с прилипшими к ней воздушными пузырьками. Они ведут «битву гравитации» с окружающими их текучими средами – и проигрывают.

Таким образом, присутствие постоянной гравитационной силы может порождать неустойчивость, что вообще-то означает наличие несбалансированных сил, и объекты будут менять свое положение до тех пор, пока не достигнут баланса. Если какой-либо твердый объект становится нестабильным, он переворачивается или падает, а любая окружающая его жидкость или газ просто обтекают его со всех сторон, создавая пространство для перемещения. Но что происходит, когда нестабильная вещь не отдельно взятый твердый объект наподобие шарика с гелием, а сама текучая среда?

Чиркните спичкой, зажгите фитилек свечи – и вспыхнет сноп яркого, раскаленного газа. Пламя свечи веками озаряет своим мягким теплым светом человека, склонившегося над рукописью, группу заговорщиков, школьников, корпящих над домашними заданиями, и влюбленных. Воск – мягкое, непритязательное топливо, и потому его преобразования еще более удивительны. Но это столь знакомое каждому из нас желтое пламя представляет собой компактную мощную печь, выделяемого тепла которой вполне достаточно для разрушения молекул и создания крошечных алмазов – причем все это формируется и «вылепливается» гравитацией.

Когда вы зажигаете фитилек свечи, тепло, исходящее от спички, плавит воск как в фитиле, так и вблизи него, в результате чего происходит первая трансформация в жидкость. Твердые парафины – это углеводороды, молекулы, представляющие собой длинные цепочки с углеродным «позвоночником», состоящим из большого числа атомов (от двадцати до тридцати). Нагрев не только придает им энергию для того, чтобы наползать друг на друга, образовывая нечто, похожее на клубок змей (а именно так выглядел бы жидкий парафин, если бы вы могли видеть его молекулы), но и некоторые из молекул приобретают энергию, позволяющую полностью оторваться от фитиля. Формируется столб раскаленного газообразного горючего такой высокой температуры, что он выталкивается в окружающий воздух, занимая огромное пространство по сравнению с относительно небольшим числом находящихся в нем молекул. Количество молекул остается неизменным, следовательно, результирующая сила гравитации, воздействующая на них, также не меняется. Но теперь эти молекулы занимают гораздо больше места, поэтому сила гравитации, воздействующая на каждый кубический сантиметр, снижается.

Подобно скользкой, покрытой пузырьками улитке в океане, этот раскаленный газ должен подниматься, поскольку находится в окружении холодного плотного воздуха, пытающегося проскользнуть под ним. Горячий воздух вздымается невидимым столбом, смешиваясь по пути с кислородом. Еще до того, как вы уберете горящую спичку от свечи, это топливо начинает распадаться и сгорать в кислороде, еще больше повышая температуру газа. Это те самые синие языки пламени, температура в которых достигает ошеломляющих 1400 ℃. Фонтан зажженного вами огня усиливается по мере того, как раскаленный воздух еще быстрее выталкивается вверх. Пламя свечи подпитывается снизу, потому что фитиль – это просто длинная тонкая губка, вбирающая другие молекулы воска, расплавленного горящим фитилем.

Но топливо не сгорает идеально. В противном случае пламя оставалось бы синим и свечи были бы бесполезны в качестве источников света. Когда молекулы в виде длинных цепочек захватываются и «перемалываются» в процессе горения, часть их «обломков» не сгорает из-за нехватки кислорода в окружающей газообразной смеси. Крошечные частицы углерода (которые можно было бы назвать миниатюрными угольками) поднимаются и нагреваются, воспроизводя успокаивающее желтое свечение, когда их температура достигает 1000 ℃. Свечение свечи – лишь побочный продукт столь сильного нагрева, результат нагрева миниатюрных угольков в огне. Эти крошечные частицы углерода нагреваются так сильно, что испускают в окружающую среду избыточную энергию в виде свечения. Выявлено, что процессы, происходящие в горящей свече, приводят к образованию не только нагара в форме графита (материала, который мы представляем себе как черный углерод), а и крошечных количеств более экзотических структур, которые могут возникать в результате объединения атомов углерода: бакибола (или фуллерена), углеродных нанотрубок и алмазных микрочастиц. Подсчитано, что в среднем пламя свечи порождает каждую секунду 1,5 миллиона наноалмазов.

Свеча – идеальный пример того, что происходит, когда текучей среде необходимо перестроиться, чтобы сбалансировать силу притяжения. Раскаленное сгорающее топливо поднимается очень быстро, когда холодный воздух подбирается снизу, в результате чего образуется непрерывный конвекционный поток. Если задуть свечу, столб раскаленного газообразного горючего еще в течение двух-трех секунд будет продолжать подниматься над свечой, а если вы поднесете сверху к фитилю вниз горящую спичку, то увидите, что пламя перекинется на фитиль, когда столб этих раскаленных газов зажжется вновь[19]19
  В 1826 году Майкл Фарадей, знаменитый физик-экспериментатор XIX века, автор множества научных открытий, имеющих большое практическое значение, организовал цикл лекций в Королевском институте в Лондоне, рассчитанных на детей. (Они читаются и поныне и называются RI Christmas Lectures.) Его собственным вкладом в это мероприятие стала серия из шести лекций под общим названием «Химическая история свечи». В ходе своих лекций Фарадей знакомил детей с наукой о свечах, иллюстрируя многие важные научные принципы, нашедшие немало практических применений. Я уверена, Фарадей испытал бы настоящее потрясение, узнав о наноалмазах. Наверняка ему было бы приятно узнать, что обыкновенная свеча по-прежнему продолжает преподносить всевозможные сюрпризы.


[Закрыть].

Конвекционные токи наподобие описанного выше способствуют переносу энергии и ее более равномерному распределению в случаях, когда та или иная текучая среда подогревается снизу. Именно наличием конвекционных токов объясняется столь высокая эффективность нагревателей для садков с рыбой, систем обогрева полов и кастрюль на кухонной плите. Без гравитации эти и подобные им устройства были бы совершенно бесполезны. Когда мы говорим, что «тепло поднимается», это не совсем так. Правильнее было бы сказать, что «более холодная текучая среда, выигрывая гравитационное сражение, опускается». Но вряд ли вы дождетесь слов благодарности за такое уточнение.

Плавучесть важна не только для воздушных шаров, улиток и романтических ужинов со свечами. Океаны – огромные двигатели нашей планеты – приводятся в действие гравитацией, как и все остальное на Земле. Океанские глубины не пребывают в неподвижности. Воды, которые не видели солнечного света много веков, обтекают нашу планету на своем долгом и медленном пути обратно к нему вдоль и поперек. Но прежде чем заглядывать в глубь океана, взглянем вверх. Когда в следующий раз увидите в ясный день высоко в небе крошечный движущийся объект – пассажирский самолет, летящий на крейсерской скорости, – попытайтесь прикинуть высоту, на которой он летит: примерно 10 километров. Затем представьте, что стоите на дне Марианского желоба – самой глубокой морской впадины. Расстояние от вас до поверхности океана будет примерно таким же, как от океанской поверхности до самолета[20]20
  Крейсерская высота полета гражданских самолетов составляет примерно 10 000 метров, а глубина «Бездны Челленджера», самого глубокого места Марианского желоба, – 10 994 метра.


[Закрыть]. Даже средняя глубина океанов составляет 4 километра, то есть чуть меньше половины расстояния от их поверхности до самолета. Океан покрывает 70 % поверхности Земли. Так что воды на нашей планете более чем достаточно.

На этих огромных глубинах скрывается хорошо знакомая нам картина. Тот же механизм, который заставляет изюминки «танцевать» в бутылке с лимонадом, приводит в действие безбрежные океаны на Земле, обеспечивая неспешное перемещение вод по планете. Несмотря на разницу в масштабах и практических последствиях этих двух явлений, их базовый физический принцип точь-в-точь один и тот же. Землю нередко называют «голубой планетой», и эта «голубизна» пребывает в непрерывном движении.

Но чем обусловлено это движение? У океанов были миллионы лет, чтобы прийти в состояние равновесия и покоя. Что же мешает им застыть в неподвижности? Две вещи – нагрев и соленость воды. То и другое влияет на плотность морской воды, а любая текучая среда, имеющая области с разной плотностью, приходит в движение, когда разворачивается битва гравитации. Хотя общеизвестно, что морская вода соленая, я всякий раз не перестаю удивляться, думая о том, какое огромное количество соли в ней растворено. Чтобы сделать воду в обычной ванне, установленной в наших квартирах, такой же соленой, как морская вода, в ней нужно растворить до 10 килограммов соли, то есть небольшое ведро. Ведро соли на одну ванну! Концентрация соли в морской воде неодинакова во всех частях Мирового океана и колеблется приблизительно от 3,1 до 3,8 %. Хотя эта разница кажется не такой уж существенной, она играет немаловажную роль. Подобно тому как добавление сахара в газированный напиток делает его плотнее, колоссальное количество соли в морской воде делает ее более плотной, чем пресная вода. У холодной воды большая плотность, чем у теплой. Между тем температура морской воды колеблется примерно от 0 ℃ вблизи полюсов до 30 ℃ вблизи экватора. Таким образом, холодная насыщенная солью вода опускается на дно, а более теплая и менее насыщенная солью устремляется вверх. Этот простой механизм движения морской воды обусловливает ее непрерывное перемещение в масштабах планеты. Возможно, проходит не одна тысяча лет, пока какая-то определенная капля воды не вернется в ту же точку Мирового океана, в которой когда-то уже успела побывать.