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

В Северной Атлантике[21]21
  А также вблизи берегов Антарктики.


[Закрыть] вода охлаждается по мере того, как ветер выдувает оттуда тепло. Там, где на водной поверхности образуется лед, он представляет собой практически пресную воду: соль остается внизу. В совокупности эти процессы делают морскую воду холоднее, солонее и плотнее, поэтому она начинает опускаться на дно, расталкивая по пути менее плотную воду. Здесь сказывается действие все той же гравитации. Когда эта вода медленно скользит вдоль морского дна, она движется подобно реке, по «руслу», образованному подводными долинами, а путь ей преграждают горные хребты. Из Северной Атлантики она течет по дну океана со скоростью нескольких сантиметров в секунду на юг и примерно через тысячу лет достигает своего первого препятствия, Антарктики. Не имея возможности пробираться дальше на юг, вода поворачивает на восток, где на ее пути встает Южный океан[22]22
  Южный океан – часть Мирового океана, окружающая Антарктиду и находящаяся ниже 60-й параллели южной широты. Площадь океана 76,2 млн км², наибольшая измеренная глубина 8428 м (Южно-Сандвичев желоб). Прим. ред.


[Закрыть]. Этот океан, опоясывающий огромным водным кольцом «нижнюю оконечность» нашей планеты, связывает воедино всю морскую воду на Земле, поскольку на своем пути вокруг Антарктики (или, как ее еще называют, «белого континента») сливается с нижними краями Атлантического, Индийского и Тихого океанов. Огромный, медленный поток воды из Северной Атлантики обтекает Антарктику, пока снова не повернет на север, продолжая свое путешествие и вливаясь в воды Индийского или Тихого океанов. Постепенное смешивание с окружающими водами снижает плотность прибывшей из Северной Атлантики воды, и – примерно через 1600 лет, на протяжении которых до нее не добирался солнечный свет – она мало-помалу устремляется к поверхности. Здесь дождевая вода, речные стоки и расплавленный лед дополнительно снижают в ней концентрацию соли, в то время как океанские течения, подгоняемые ветрами, несут эту воду дальше, пока она наконец не завершит свое великое путешествие в водах Северной Атлантики – возможно, чтобы повторить этот цикл. Данный процесс называется термохалинной циркуляцией (thermohaline circulation: thermo – нагрев, haline – соль), или «океанской конвейерной лентой», и хотя нарисованная мной картина несколько упрощена, эти течения действительно опоясывают всю планету и приводятся в движение гравитацией. Поверхностные течения, вызываемые преобладающими направлениями ветра, на протяжении многих столетий служили неплохим подспорьем мореплавателям и торговцам. Но океанская конвейерная система в целом обеспечивает человеческой цивилизации доставку груза не меньшей важности – тепла.

На экваторе поглощается больше солнечного тепла, чем в любой другой части планеты, так как у экватора Солнце стоит над горизонтом выше, чем в любом другом месте Земли, и охват Земли по экватору – самый протяженный, вследствие чего здесь самая большая площадь для поглощения. Для нагрева океанских вод даже на сотую долю градуса требуется колоссальное количество энергии, поэтому теплые океаны похожи на гигантский аккумулятор солнечной энергии. Движение океанских вод перераспределяет эту энергию в масштабе всей планеты, а термохалинная циркуляция определяет на ней картину погоды. Значительная часть нашей тонкой и переменчивой атмосферы располагается над постоянным резервуаром тепла, непрерывно поставляющего энергию разным частям планеты и сглаживающего крайности.

Вся слава достается атмосфере, но именно океаны поддерживают трон. Глядя в следующий раз на глобус или снимок Земли, сделанный со спутника, не воспринимайте океаны как пустые голубые пятна, разделяющие столь интересные для нас континенты. Вспомните о мощном воздействии на них гравитации и попытайтесь воспринимать эти голубые пятна как грандиозный механизм, обеспечивающий жизнь на планете.

Глава 3. Маленький – значит замечательный
Поверхностное натяжение и вязкость

Кофе – фантастически ценный глобальный товар, а сеанс черной магии, позволяющий извлечь все лучшее из маленького и невзрачного на вид кофейного зерна, – постоянный источник споров (и некоторой доли снобизма) для кофеманов. Но мой конкретный интерес к этому напитку не зависит от способа обжарки кофейных зерен или степени давления пара в вашей кофеварке. Меня восхищает картина пролитого кофе[23]23
  Прошу прощения, но это действительно так. В утешение истинным ценителям натурального кофе могу лишь сказать, что все, описанное ниже, относится в равной степени и к растворимому кофе. Поэтому вам не придется растрачивать драгоценные порции дорогостоящих сортов кофе на проведение научных экспериментов.


[Закрыть]. Это одна из тех повседневных странностей, которые уже не удивляют моих знакомых. Лужица кофе на твердой поверхности совершенно непримечательна – обычная маленькая лужица слегка выпуклой формы. Но если вы дадите ей высохнуть, то найдете на ее месте лишь темно-коричневый контур, слегка напоминающий линию, нарисованную мелом вокруг тела жертвы в детективной драме. Поначалу вся область внутри контура была заполнена пролитым кофе, но в процессе высыхания он переместился на ее границу. Внимательное разглядывание лужицы кофе, с целью понять, как все происходит на самом деле, похоже на наблюдение за процессом высыхания краски, но даже при попытке отследить весь процесс от начала до конца вы вряд ли увидите очень много. Физика перемещения кофе при высыхании лужицы действует в очень малых масштабах, поэтому увидеть что-либо собственными глазами невозможно. Но зато мы можем оценить последствия этого процесса.

Если бы вы могли многократно увеличить масштаб изображения лужицы кофе, то заметили бы множество молекул воды, пребывающих в непрерывном движении и постоянно сталкивающихся друг с другом, а также гораздо более крупные по размеру сферические коричневые частицы кофе, спокойно дрейфующие посреди всей этой толчеи. Молекулы воды очень сильно притягивают друг друга, и если какая-то из них слегка приподнимается над поверхностью, она тотчас же возвращается обратно, чтобы воссоединиться с ордой молекул внизу. Это означает, что водная поверхность ведет себя подобно эластичному листу, притягиваемому водой под ним, в результате чего поверхность всегда остается гладкой. Эта очевидная эластичность поверхности называется поверхностным натяжением (подробнее мы поговорим о нем чуть позже). По краям лужицы кофе водная поверхность плавно загибается вниз, к месту своего соединения со столом, удерживая лужицу от дальнейшего растекания. Но в помещении, наверное, достаточно тепло для того, чтобы время от времени та или иная молекула воды полностью отрывалась от водной поверхности и в виде водяного пара плавала над лужицей. Это испарение, происходит оно постепенно и относится только к молекулам воды. Кофе не может испаряться, поэтому никуда не девается из лужицы.

Интереснее становится по мере того, как все большее число молекул покидают поверхность воды, поскольку ее край «приклеен» к столу (ниже мы поймем, почему), причем настолько прочно, что остается неподвижным. Но испарение по краям интенсивнее, чем в середине лужицы, потому что именно там высокая доля молекул воды соприкасается с воздухом. Конечно, вы не можете видеть, что содержимое лужицы пребывает в непрерывном движении (тем более что параллельно пытаетесь убедить приятеля, с которым распиваете кофе, что наблюдение за ее высыханием действительно увлекательное занятие). Жидкий кофе должен растекаться из середины лужицы к ее краям, возмещая потерю воды. Молекулы воды переносят частицы кофе, как пассажиров, и избавляются от них, когда настает их черед испаряться. Поэтому частицы кофе постепенно перемещаются к краям лужицы, а когда вода полностью высыхает, на месте происшествия остается лишь кольцо из покинутых частиц кофе.

Это явление кажется мне особенно увлекательным потому, что происходит буквально у вас под носом, но самые интересные подробности, к сожалению, невозможно увидеть невооруженным глазом. Микромир, в котором они разворачиваются, совершенно не похож на привычный нам мир; он живет по собственным законам и подчиняется собственным правилам. Тем не менее привычные для нас силы, такие как гравитация, действуют и в нем. Но роль других сил – возникающих вследствие «танцев» молекул вокруг друг друга – возрастает. Если вы углубитесь в микромир, вам многое покажется странным. Оказывается, правила, действующие в столь малых масштабах, способны объяснить практически все, что происходит в «большом» мире – макромире: почему на молоке уже нет сливок, почему запотевают стекла и как пьют воду деревья. Но мы также учимся использовать эти правила для применения в макромире. Их знание может помочь спасти миллионы жизней путем совершенствования планировки больничных палат и разработки новых медицинских тестов.

⁂

Прежде чем заняться предметами, настолько малыми, что их невозможно разглядеть невооруженным глазом, вы должны знать об их существовании. И здесь человек сталкивается с тупиковой ситуацией: если вы не знаете о существовании чего-либо, то как вы можете искать то, о чем даже не подозреваете? Но все изменилось в 1665 году, после публикации книги Роберта Гука «Микрография», ставшей первым в мире научным бестселлером.

Роберт Гук был куратором экспериментов при Лондонском королевском обществе, человеком разносторонних знаний, энциклопедистом, любившим возиться со всевозможными научными игрушками своего времени. В «Микрографии» рассказывалось о богатых возможностях микроскопа, что должно было произвести впечатление на читателей и продемонстрировать им потенциал этого новейшего научного инструмента. К тому же время было самое подходящее – эпоха великих экспериментов и грандиозных достижений в научном понимании окружающего мира. К тому времени линзы уже давно были известны человечеству, но не находили серьезного применения в науке. Но с опубликованием «Микрографии» их час пробил.

Особенно замечательно то, что, несмотря на флер респектабельности и авторитетности, подобающих изданию Королевского общества, эта книга, несомненно, – плод творчества ученого, который рассматривал науку как увлекательную игру. В ней масса подробных описаний и превосходных иллюстраций, она богато издана и умело представлена публике. Но ее главное достоинство в том, что ее автор делал, по сути, то же, что и каждый ребенок, которому впервые в жизни подарили микроскоп: пытался с его помощью рассмотреть буквально все, что попадается под руку. Микроскоп позволяет получить чрезвычайно подробные изображения бритвенных лезвий и жгучих волосков крапивы, крупиц песка и сгоревших овощей, человеческого волоса, искровых разрядов, рыбной чешуи, червей и шелка. Детали, выявленные в этом крошечном мире, были шокирующими. Кто знал, что глаз мухи так прекрасен? Несмотря на тщательность выполненных наблюдений, Гук не претендовал на проведение глубоких научных исследований. В разделе, посвященном «песку в моче» (кристаллы, обычно наблюдаемые на внутренних поверхностях мочеприемников), он рассуждает о способах излечения этого недуга, оставляя право на фактическое решение столь непростой задачи более компетентным в этом вопросе людям:

Таким образом, проблема песка в моче, возможно, потребует более подробного исследования врачами или химиками, которые как специалисты более сведущи в этой области. Я же перейду к дальнейшему изложению фактов…

И он переходит к подробному рассказу о том, что увидел, рассматривая под микроскопом плесень, перья птиц, морские водоросли, зубы улитки, жало пчелы и т. п. В процессе он придумывает термин «клетка», описывающий элементы, из которых состоит древесная кора, что знаменует собой возникновение биологии как самостоятельной научной дисциплины.

Гук не просто указал нам путь в микромир: он распахнул в него дверь и пригласил всех желающих в гости. «Микрография» стала источником вдохновения для ряда знаменитых ученых последующих столетий, которые широко пользовались микроскопом в своих исследованиях, а также разожгла научный аппетит светского Лондона. Этот внезапно пробудившийся интерес объяснялся тем, что объекты исследования находились буквально под рукой у каждого, кто мог себе позволить приобрести микроскоп. Надоедливая черная мушка, вьющаяся над гниющим мясом, при ближайшем рассмотрении под микроскопом оказывалась крохотным монстром с волосатыми ножками, выпученными глазками, щетиной и блестящими доспехами. Это стало поистине шокирующим открытием. К тому времени уже были сделаны многие великие географические открытия, знаменитые путешественники составили описания ранее неведомых земель и народов, в атмосфере витало нетерпеливое ожидание новых открытий, которые предстояло совершить в еще более отдаленных местах. Мало кто в то время понимал, что внимательное изучение того, что находится рядом, может поведать об окружающем мире ничуть не меньше, чем путешествия в самые отдаленные уголки планеты. Ведь после того как вы испытаете первый шок от вида волосатых ножек блохи, вы можете приступить к изучению того, как эти ножки работают. Представший перед нами мир был механическим, постижимым, а микроскоп объяснял людям смысл вещей, которые они давно замечали, но не могли понять.

Но даже это было лишь началом путешествия в микромир. Прошло еще два столетия, прежде чем существование атомов было доказано научным путем. Каждый атом настолько мал, что вам понадобилось бы 100 000 атомов, чтобы составить цепочку такой длины, как у клетки древесной коры. Как сказал много лет спустя знаменитый физик Ричард Фейнман в одноименной лекции, «там, внизу, – много места». Люди обитают примерно в середине шкалы размеров, не замечая микроскопических структур, из которых, как из кирпичиков, построен окружающий мир. Но через 350 лет после выхода книги Роберта Гука «Микрография» представления людей о мире радикально изменились. Сегодня мы уже не просто всматриваемся в него подобно ребенку, с любопытством разглядывающему музейные экспонаты, помещенные под стекло, к которым запрещено прикасаться. Сейчас мы учимся работать с отдельными атомами и молекулами, которые находятся у самого дна шкалы размеров (именно это и имел в виду Ричард Фейнман), а изучаемые «музейные экспонаты» уже не отделены от нас стеклом – мы получили возможность не только их трогать, но и работать с ними. Теперь в моду входит «нано».

На микроуровне все устроено и функционирует по-другому – не так, как на привычном для нас макроуровне, – что делает микромир столь волнующим и чрезвычайно полезным для нас То, что представляется невозможным для человека, вполне может оказаться жизненно важным умением для блохи. И в том и в другом случае действуют одни и те же физические законы: блоха существует в той же физической вселенной, что и человек. Но на микроуровне более высокий приоритет имеют иные силы[24]24
  Мы можем существенно углубиться в микромир, не сталкиваясь со странностями квантовой механики. Законы последней начинают проявляться, лишь когда мы пытаемся разобраться с тем, что происходит на уровне отдельных молекул и атомов. Между тем есть много чего такого, что по своим размерам больше, чем молекулы и атомы, но меньше, чем то, что можно увидеть невооруженным глазом. Все, что находится в промежутке между видимым миром и атомарным уровнем, также чрезвычайно интересно для нас, поскольку мы способны понять его хотя бы интуитивно (что, по определению, совершенно невозможно, когда речь идет о правилах квантового мира).


[Закрыть]. В привычном для нас мире есть два доминирующих влияния. Первое – гравитация, которая притягивает нас в направлении к центру Земли. Второе – инерция: поскольку мы довольно массивные существа, требуется немалая сила, чтобы сдвинуть нас с места или затормозить, когда мы движемся. Но по мере уменьшения размера объектов сила земного притяжения и инерция тоже уменьшаются, становясь соизмеримыми с другими, более слабыми силами, которых мы не замечаем по причине их очень малой величины. В частности, речь идет о силе поверхностного натяжения, перемещающей частицы кофе в ходе высыхания кофейной лужицы. А еще есть вязкость (или внутреннее трение текучей среды). Именно по причине ее наличия в микромире нам уже не удается получить красивый слой сливок поверх молока.

Они прилетали к нам только ради бутылок с молоком, закрытых золотистыми и серебристыми крышечками из алюминиевой фольги. Если вы вставали достаточно рано и осторожно выходили на крыльцо дома, то у вас появлялся шанс застукать их на месте преступления. Проворные маленькие птички, усевшись сверху на горлышко бутылки, проклевывали дырочки в тонких алюминиевых крышках и поспешно хватали клювами комочки сливок, не забывая при этом поглядывать по сторонам. Как только они замечали, что их обнаружили, они поспешно улетали (возможно, чтобы попытать счастья на крыльце соседнего дома). В течение примерно пятидесяти лет лазоревки (а это были именно они) в Великобритании промышляли похищением сливок, снискав славу настоящих мастеров этого дела. Передавая друг другу опыт, они выяснили, что под тонкой фольгой, которой в то время закрывались бутылки с молоком, скрывается настоящее сокровище – вкусные и питательные сливки. Вскоре это знание стало достоянием всей популяции лазоревок, обитающих в Великобритании. Похоже, им удалось сохранить свое знание в тайне от других видов птиц – во всяком случае этим мелким воровством занимались только они. Конец их промыслу пришел совершенно неожиданно, и вовсе не потому, что бутылки с алюминиевыми крышечками сменили пластиковые бутылки. Случилось нечто более фундаментальное. Пока коров доили фермеры, поверх молока образовывались сливки. В наши дни ситуация изменилась.

Бутылка, которую брали приступом лазоревки, содержала целый комплекс питательных веществ. Большую часть молока (почти 90 %) составляет вода, но в нем содержатся также сахара (лактоза, которую многие люди не переносят), белковые молекулы, сгруппированные в виде микроскопических круглых клеток, и более крупные шарики жира. Все эти составляющие перемешаны, но если дать молоку отстояться, возникает определенная структура. Шарики жира в молоке крошечные – от 1 до 10 микрон в диаметре, а это означает, что в миллиметровом слое такого жира по вертикали помещается от 100 до 1000 шариков. Они обладают меньшей плотностью, чем окружающая их вода, то есть в одном и том же объеме пространства содержится меньшее количество «материала». Пока шарики перемешаны со всеми остальными компонентами молока, нет особой разницы, в каком направлении они движутся. Гравитация тянет воду, окружающую эти шарики жира, вниз чуть сильнее, чем сами шарики, и жир постепенно (очень медленно) поднимается. Это означает, что его плавучесть невелика.

Возникает вопрос: как быстро поднимется жир? Важную роль в этом процессе играет вязкость. Я уже говорила, что вязкость определяется как внутреннее трение текучей среды. Иными словами, это показатель силы трения, возникающей между разными слоями текучей среды. Представьте, что вы помешиваете ложечкой чай в чашке. В ходе круговых движений ложечки жидкость вокруг нее также приходит в движение, перемещаясь рядом с другими, соседними слоями жидкости. Вода – не очень-то вязкая жидкость, и разные слои скользят друг мимо друга, практически не встречая сопротивления. А теперь вообразите, что помешиваете ложечкой густой сироп в чашке. Каждая молекула сахара крепко цепляется за другие его молекулы, находящиеся поблизости. Чтобы перемещать эти молекулы мимо друг друга, вы должны разрушать силы сцепления между ними. Помешивать ложечкой густой сироп гораздо труднее, чем обычный чай, и мы говорим, что он вязкий.

Шарики жира в молоке выталкиваются вверх по причине их плавучести. Но чтобы действительно двигаться вверх, им необходимо расталкивать в стороны окружающую их жидкость. В процессе выталкивания шариков жира окружающие их слои жидкости должны скользить друг мимо друга. Именно поэтому так важна вязкость жидкости. Чем она более вязкая, тем большее сопротивление приходится преодолевать шарикам жира в ходе подъема.

Этот процесс происходит прямо под лапками лазоревки. Каждый шарик жира выталкивается наверх по причине своей плавучести, но испытывает на себе действие силы лобового сопротивления, поскольку окружающая его жидкость должна «расступиться», чтобы уступить ему дорогу. К тому же одни и те же силы, воздействующие на одну и ту же разновидность шариков жира, приходят к разным компромиссам для разных размеров шарика. Сила лобового сопротивления оказывает большее воздействие на шарик меньшего размера, потому что площадь поверхности шарика велика по сравнению с его массой. У такого шарика весьма небольшая плавучесть, которая помогала бы ему расталкивать в стороны достаточное количество окружающего его «материала» в процессе всплытия. Поэтому, несмотря на то что маленький шарик жира находится в той же самой жидкости, он поднимается медленнее, чем шарик крупного размера. В микромире вязкость гораздо важнее, чем гравитация. Частицы движутся медленно. Размер имеет огромное значение.

В молоке более крупные шарики жира поднимаются быстрее, сталкиваются с некоторыми шариками поменьше, замедляют их и склеиваются с ними, образуя кластеры. На эти кластеры сила лобового сопротивления воздействует слабее, поскольку их размеры больше, чем отдельных шариков, а потому они поднимаются быстрее. Лазоревке, усевшейся на бутылку с молоком, остается лишь набраться терпения – и завтрак прибудет прямо к ее ногам.

А затем наступил черед гомогенизации[25]25
  Как человек, которому нравится разнообразие и наличие хотя бы какой-то доли пикантности в жизни, я всякий раз немного огорчаюсь, встречая слово «гомогенность», то есть однородность. У стандартизации, несомненно, немало достоинств, но порой мне кажется, что она делает нашу жизнь более унылой и скучной. Особенно если вы – лазоревка.


[Закрыть]. Производители молока выяснили, что, пропустив его под очень высоким давлением сквозь очень тонкие трубки, можно раздробить шарики жира и уменьшить их диаметр примерно в пять раз. В результате масса каждого шарика снижается в 125 раз. Теперь слабая подъемная сила, воздействующая на каждый шарик и обеспечиваемая его плавучестью, полностью подавляется силами внутреннего трения текучей среды, то есть вязкостью. Гомогенизированные шарики жира поднимаются настолько медленно, что этот процесс можно вообще не принимать в расчет[26]26
  Их подъем еще больше замедляется дополнительной белковой оболочкой, которая окружает каждый новый шарик меньшего размера; это создает дополнительную нагрузку на шарики, что еще больше снижает их плавучесть. Все это подтверждается соответствующими скрупулезными измерениями. Вы бы немало удивились, узнав, какие серьезные научные исследования проводились с молоком!


[Закрыть]. Простая операция по уменьшению размера шариков жира переносит сражение на другую территорию, где вязкость побеждает вчистую. Сливки уже не появляются на поверхности молока. Лазоревкам пришлось искать другие источники пропитания.

Таким образом, силы остаются теми же, но их иерархия иная[27]27
  Если вы хотите расширить свои познания в этом вопросе, могу порекомендовать знаменитое короткое эссе под названием On being the right size («Кое-что о правильном размере»), написанное биологом J. B. S. Haldane в 1920-х годах. С этим эссе можно ознакомиться на сайте https://www.phys.ufl.edu/courses/phy3221/spring10/HaldaneRightSize.pdf. Самая запоминающаяся фраза из него звучит до боли правильно: «Для мыши и любого другого мелкого животного сила тяжести не представляет практически никакой опасности. Бросьте ее с высоты в тысячу ярдов – упав, она испытает легкий шок и, как ни в чем не бывало, побежит по своим делам при условии, что, поверхность была не слишком твердая. Если с такой же высоты бросить крысу, она убьется, если человека – он переломает себе все кости, если лошадь – от нее останется лишь мокрое место». Насколько мне известно, еще никто не проводил подобных экспериментов. Не советую вам быть первым. Во всяком случае, не обвиняйте меня в том, что именно я сподвигла вас на это.


[Закрыть]. Вязкостью обладают и жидкости, и газы: хотя молекулы газа не сцепляются друг с другом, как это происходит в жидкостях, они интенсивно сталкиваются, приводя к тому же эффекту внутреннего трения текучей среды, то есть вязкости. Именно поэтому насекомое и железное ядро не падают в воздухе с одинаковой скоростью (если, конечно, вы не поместите их в вакуум). Вязкость воздуха играет огромную роль для насекомого и практически никакой роли для железного ядра. В вакууме гравитация – единственная сила, которая важна в обоих случаях. А крошечное насекомое, пытающееся лететь в воздухе, использует те же приемы, что и мы для плавания в воде. Вязкость доминирует в окружении насекомых точно так же, как в отношении нас, когда мы плаваем в бассейне. Мельчайшие насекомые не столько летают, сколько плавают в воздухе.

Гомогенизированное молоко демонстрирует определенный принцип, но его применение выходит далеко за пределы нашего дома. Когда вы чихнете, попытайтесь оценить размер капелек, разлетающихся из вашего рта по комнате. То же явление, которое не позволяет взойти сливкам, способствует распространению эпидемических заболеваний.

С давних времен туберкулез считался бичом человечества. Самое первое свидетельство о нем найдено в древних египетских мумиях (примерно 2400 год до н. э.). Гиппократу он был известен как «фтизис» (phthisis) (приблизительно 240 год до н. э.), а европейцы в Средние века знали его под названием «проклятие королей». Когда в результате промышленной революции многие начали перебираться из деревень в города, в 40-е годы XIX века «чахотка», болезнь городской бедноты, стала причиной четверти всех смертей в Англии и Уэльсе. Возбудитель болезни, крошечная бактерия под названием Mycobacterium tuberculosis, была обнаружена лишь в 1882 году. Чарльз Диккенс красочно описал чахоточный кашель, но не мог написать об одном из самых важных аспектов этого тяжелого недуга, поскольку не мог его увидеть. Туберкулез – болезнь, передающаяся воздушно-капельным путем. Каждый приступ кашля больного туберкулезом приводит к извержению из его легких тысяч мельчайших капелек, переносчиков смертельно опасного заболевания. Некоторые из них будут содержать микроскопические палочки туберкулезных бактерий, длина каждой из которых составляет лишь три тысячных миллиметра. Сами по себе капельки жидкости начинают свой полет с достаточно больших размеров – возможно, порядка десятых долей миллиметра. Эти капельки притягиваются вниз гравитацией и, упав на пол, не распространяют инфекцию дальше. Но падение не происходит быстро, поскольку вязкость присуща не только жидкостям. Воздух тоже ею обладает, и когда капельки движутся в воздухе, им приходится его расталкивать на своем пути. Устремляясь вниз, капельки наталкиваются на молекулы воздуха, которые замедляют скорость их падения. Точно так же как сливки медленно поднимаются к горлышку бутылки, преодолевая вязкость молока, эти капельки мокроты медленно опускаются, преодолевая вязкость воздуха, и падают на пол.

Впрочем, на пол падают не все капельки мокроты. Поскольку они состоят в основном из воды, в течение нескольких первых секунд пребывания в воздушной среде она испаряется. То, что вначале было каплей, достаточно крупной, чтобы гравитация могла пронести ее сквозь вязкий воздух, теперь становится микроскопической крапинкой – тенью бывшей себя. Если поначалу это была капелька мокроты, внутри которой плавала туберкулезная бактерия, то теперь она представляет собой туберкулезную бактерию, аккуратно упакованную в некий остаточный органический материал. Гравитационное притяжение этой новообразовавшейся микроскопической частицы не идет ни в какое сравнение с силой сопротивления воздуха. Куда движется воздух, туда и бактерия. Подобно искусственно измельченным капелькам жира в нынешнем гомогенизированном молоке, туберкулезная бактерия просто пассажир. И если она попадает в дыхательные пути человека с ослабленной иммунной системой, то может стать очагом зарождения новой колонии бактерий, медленно разрастающейся до тех пор, пока они не будут готовы к попаданию в воздух в составе мокроты, откашливаемой человеком, заразившимся туберкулезом.

Туберкулез поддается лечению при наличии надлежащих лекарств. Именно поэтому он редкий гость в западных странах. Но на данный момент туберкулез по-прежнему остается вторым по масштабам убийцей человечества после ВИЧ/СПИД, и это огромная проблема для развивающихся стран. В 2013 году туберкулезом заболели 9 миллионов человек, из них умерло 1,5 миллиона. Бактерии туберкулеза приспосабливаются к антибиотикам, приобретая устойчивость ко все новым и новым видам лекарств, из чего следует, что искоренить его с помощью только медицины невозможно. Появляется все большее число штаммов туберкулеза, устойчивых ко многим разновидностям лекарств. Вспышки заболевания время от времени возникают в больницах и учебных заведениях. Поэтому в последнее время внимание ученых переключилось на микроскопические капельки мокроты. Вместо того чтобы лечить туберкулез после того, как человек уже заболел, не подумать ли нам над устройством наших жилищ, чтобы предотвратить распространение болезнетворных бактерий туберкулеза и их попадание в дыхательные пути человека?

Профессор Кэт Ноукис работает на кафедре гражданского строительства в Лидском университете и пытается решить именно эту проблему. Кэт – сторонник поиска максимально простых решений любых проблем. Вместе с коллегами она пришла к выводу, что механизм перемещения микроскопических частиц, плавающих в воздухе, вовсе не зависит от их конкретного содержимого и от длительности пребывания в воздухе, а целиком определяется совокупностью воздействующих на них сил, а действие этих сил, в свою очередь, зависит от размера частиц. Оказалось, что даже более крупные капельки могут путешествовать в воздухе гораздо дальше, чем кто-либо предполагал, по причине турбулентности воздушной среды[28]28
  Если долго размешивать молоко в стакане, сливки не поднимутся наверх, поскольку перемешивание не позволяет им отделиться от остальной жидкости. Тот же принцип действует и в случае микроскопических частиц, плавающих в воздухе: они не опускаются на пол, потому что все время смешиваются с воздухом и поднимаются в результате воздушных потоков, которые перемещаются быстрее частиц, опускающихся вниз.


[Закрыть]. Самые крошечные частицы могут плавать в воздухе по нескольку суток, хотя ультрафиолет и синий свет повреждают их. Зная размер интересующих вас частиц, вы можете прикинуть, куда они способны добраться в ходе «путешествия». Следовательно, проектируя систему вентиляции в больнице, можно планировать удаление частиц определенных размеров или создание препятствий для их перемещения, контролируя таким образом распространение болезнетворных бактерий. Кэт объясняет, что каждый вид заболеваний, передаваемых воздушно-капельным путем, может требовать особого плана борьбы с ним в зависимости от количества болезнетворных бактерий, необходимого, чтобы человек заболел (в случае кори очень малого), и места возникновения в организме очага заболевания (бактерия туберкулеза по-разному воздействует на легкие и дыхательное горло). Сейчас эти исследования пребывают лишь в начальной стадии, но продвигаются очень быстро.

Долгие годы человечество было беззащитно перед туберкулезными бактериями, но сейчас мы имеем четкое представление о механизмах их распространения, что дает нам шанс обуздать эту опасную болезнь. Там, где наши предки видели лишь грязное помещение, полное таинственных миазмов, мы – силой своего воображения, вооруженного научным знанием, – видим движение воздуха вокруг каждого пациента и разнообразные перемещения (и их возможные последствия) тех или иных болезнетворных бактерий. Результаты этих исследований будут учитываться при проектировании будущих больниц. Надлежащее проектирование на макроуровне позволит нам спасти многие жизни, воздействуя на те или иные частицы на микроуровне.

Вязкость имеет значение при движении объектов малого размера через определенную жидкость: шарики жира поднимаются в молоке или крошечные болезнетворные бактерии опускаются в воздухе. Поверхностное натяжение, партнер вязкости в микромире, сказывается в месте соприкосновения двух разных текучих сред. В повседневной жизни мы наблюдаем это явление при соприкосновении воздуха с водной поверхностью. Типичный пример смешивания воздуха с водой – воздушный пузырек[29]29
  Особенно это относится ко мне: в конце концов, моя специальность – физика пузырьков воздуха.


[Закрыть]. Итак, начнем с пенистой ванны.

Звук наполняющейся водой ванны вызывает у нас приятные ощущения. Он объявляет о заслуженном вознаграждении после тяжелого трудового дня, возможности восстановиться после напряженного теннисного матча или просто немного себя побаловать. Но как только вы наливаете пену для ванн, звук меняется. По мере образования пены глубокий рокот затихает и смягчается, и определить границу, где поверхность ванны соприкасается с воздухом, становится сложно. Воздушные карманы захватываются внутрь водяных клеток, и все, что для этого понадобилось, – немного жидкости из флакона с пеной для ванны.

Честь разгадать тайну поверхностного натяжения принадлежит группе европейских ученых, сделавших это в конце XIX века. Люди викторианской эпохи обожали пузырьки. С 1800 по 1900 годы производство мыла резко увеличилось, поскольку творцам промышленной революции без него было не обойтись. Мыльная пена давала людям викторианской эпохи обильную пищу для морализаторства, будучи идеальным символом моральной чистоты и безгрешности. К тому же она была замечательным примером классической физики в действии – буквально за несколько лет до появления специальной теории относительности и квантовой механики, которые всадили острую иглу в непомерно раздувшееся к тому времени представление о такой аккуратной, уютной и добропорядочной Вселенной. Но даже серьезные джентльмены в лоснящихся цилиндрах и с солидными бородами не смогли проникнуть в тайны науки о пузырьках. Пузырьки были настолько универсальны, что никто не решался к ним подступиться, за исключением Агнес Поккельс, которую зачастую описывают как «простую немецкую домохозяйку», хотя в действительности она была довольно проницательной и критически мыслящей личностью, использовавшей весьма ограниченный набор материалов и изрядную долю находчивости, чтобы самостоятельно исследовать поверхностное натяжение.