Текст книги "Магия физики. Как управлять тайными силами материи, создавать вещества из квантового мира и вызывать кристаллы из хаоса"

Процесс получения знаний о стекле очень похож на трехступенчатую последовательность изменения отношения к фокусам. Сначала вы просто наслаждаетесь зрелищем: природа создала твердое вещество, которое течет! Затем, на втором этапе, наступающем чуть позже, вы познаете технику, скрывающуюся за фокусом, и распространяете ее на более широкое мировоззрение. Стекло – жидкость; ничего удивительного, что оно течет. Погодите, вы разве не знали, что стекло – жидкость? Пфф. На этом этапе легко застрять. Но если вам очень повезет, еще чуть позже вы перейдете с него на третий – поймете, что вам не следовало так легко отказываться от веры в волшебство. Стекло – это аморфное твердое вещество или переохлажденная жидкость (то есть жидкость при температуре меньшей температуры замерзания), и существует огромное множество таких не поддающихся классификации материалов. Хотя они на виду, их скрывают от нас наши попытки разложить все по категориям. Мир все-таки волшебен, и теперь вы можете оценить зрелище, опираясь на знания профессионального фокусника.

Итак, хотя твердые вещества нам знакомы, у них могут быть свои тайны. А как обстоит дело с остальными стихиями?

Жидкости, представленные в классических стихиях водой, неустойчивы к напряжению сдвига. Вспомним, как фокусник сдвигает карты с колоды: если бы колода была жидкой, она растеклась бы в лужу. В наномасштабе жидкость беспорядочна. Тем не менее жидкости, как и твердые вещества, обладают плотностью. Газы, которые в наборе классических стихий представляет воздух, тоже неустойчивы к напряжению сдвига, но, кроме того, у них в отличие от жидкостей нет постоянной плотности. Плотность газа зависит от массы составляющих его молекул. На этом основан фокус с левитацией, который я однажды видел в исполнении профессора Кари Дальноки-Вересса, называющего область своих исследований «хлюпающей физикой». Дальноки-Вересс сделал бумажный кораблик и поместил его в пустой аквариум. Как по волшебству, кораблик не упал на дно, а стал плавать по аквариуму, как если бы там была вода. На самом деле аквариум был наполнен ксеноном – невидимым газом тяжелее воздуха. Ксенон был настолько плотным, что бумажный кораблик оказался легче ксенона и плавал в соответствии с законом Архимеда. Затем Дальноки-Вересс показал еще один фокус – с превращением: он сделал свой голос неестественно низким. Если вдохнуть ксенон, голос становится ниже; точно так же, если вдохнуть гелий, который легче воздуха, голос становится выше. Чтобы показать этот фокус, профессору пришлось встать на голову, так как иначе тяжелый ксенон осел бы в его легких и задушил бы его.

Плазма, которую представляет огонь, отличается от газа тем, что она «ионизована»: некоторые из ее атомов и молекул стали ионами, то есть приобрели электрический заряд. Хороший повседневный пример плазмы дает огонь: поскольку в нем содержатся свободно движущиеся ионы, он естественным образом проводит электричество. Еще один неплохой повседневный (или по меньшей мере встречающийся несколько раз в год) пример плазмы – это молния. Она, несомненно, тоже электропроводна, хотя проверять это при помощи омметра бурной ветреной ночью может прийти в голову разве что совсем безумному ученому.

Хочется спросить, почему некоторые газы превращаются в плазму. Поскольку плазма менее знакома нам по опыту обычной жизни, нам кажется, что она требует более подробного разъяснения. На самом деле плазма – это самое распространенное состояние конденсированной материи во Вселенной; звезды представляют собой огромные шары плазмы. По сути, плазма возникает при высоких энергиях, когда атомы возбуждаются настолько, что теряют электроны. Вообще говоря, при переходе от низкой энергии к более высокой материя преобразуется в следующей последовательности: земля – вода – воздух – огонь. В качестве аналогии можно представить себе сборище волшебников: при низкой энергии все они сидят и серьезно беседуют о важных материях, как атомы твердого вещества. Но тут среди них начинает ходить слух о только что открытом новом заклинании. Волшебники начинают бродить по залу, что-то бормоча себе под нос, – как атомы жидкости. Слух обрастает подробностями: говорят, что было открыто очень важное заклинание; волшебники начинают возбужденно подпрыгивать и бегать кругами, спрашивая друг друга, о каком именно заклинании идет речь. Их быстрые движения напоминают поведение атомов газа. Наконец слух подтверждается: обнаружено долгожданное заклинание, которое позволяет волшебнику найти потерявшуюся шляпу, – возможно, самое желанное заклинание за всю историю колдовства! Волшебники впадают в неистовство и носятся туда и обратно, как атомы плазмы, подбрасывая в воздух свои шляпы и теряя их.

Какая из классических стихий соответствует металлам? Тот факт, что при нормальных условиях металлы по большей части находятся в твердом состоянии, заставляет подумать о земле. Но они к тому же проводят электричество, что напоминает об огне. Если перевести эти рассуждения из древних терминов в современные, оказывается, что приблизительно так дело и обстоит. Металлы – твердые вещества, но их атомы образуют связи друг с другом, высвобождая по одному или нескольку электронов. При этом они становятся положительно заряженными ионами, неподвижными среди плазмы свободно движущихся отрицательных зарядов. Значит, плазма встречается чаще, чем кажется на первый взгляд, и для ее существования не требуются ни огромные энергии, ни высокие температуры.

Оказывается, четыре классические стихии, взятые вместе, на удивление хорошо соответствуют состояниям материи, которые мы наблюдаем вокруг себя, – коллективному поведению, возникающему из взаимодействия атомов. Но на самом деле состояний гораздо больше, чем четыре, и с некоторыми из них мы хорошо знакомы.

Пятый элемент

Идея четырех состояний материи была так хороша, что успешно просуществовала не одно тысячелетие. Однако при этом она несколько ограничила наше мышление, скрыв от нас другие состояния, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Один из примеров таких состояний – жидкие кристаллы, которые используются в лэптопах и телевизионных экранах. Их молекулы выстраиваются в определенном порядке, чего не бывает в жидкостях, но в то же время эти вещества нельзя считать твердыми: их молекулы не образуют упорядоченных решеток, как в кристаллах, и перемещаются быстрее, чем в стеклах. Гели (например, желе) и коллоидные системы (например, молоко) обладают свойствами, отличающимися от свойств любого из четырех классических состояний. Коллоид – это взвесь твердых сгустков в жидкости: молоко представляет собой взвесь сгустков жира в воде.

Однако самым знакомым явлением, не поддающимся классификации в системе четырех элементов, можно, наверное, признать магнетизм.

Магнит ведет себя именно так, как можно ожидать от состояния материи: магнитное поле возникает из коллективного поведения множества взаимодействующих атомов. Существуют магнитные твердые вещества, магнитные жидкости и магнитные газы. Плазма магнитна по самой своей природе: в стандартной конструкции термоядерного реактора – токамака – плазма удерживается магнитным полем. В таком реакторе происходит термоядерный синтез – соединение атомных ядер с высвобождением энергии такое же, как внутри Солнца. При этом не образуются вредные побочные продукты, невозможно возникновение неуправляемой реакции, а в качестве топлива нужен только водород. Водорода существует настолько много, что термоядерный синтез считается возобновляемым источником энергии. Коммерческое внедрение синтеза пока не осуществлено; одна из причин этого связана с техническими трудностями: удержание плазмы магнитным полем иногда сравнивают с удержанием желе в равновесии на натянутой проволоке. В задачу специалистов по физике плазмы – некоторые из них считают, что занимаются физикой конденсированного состояния, а некоторые так не думают, смотря кого спросить, – входит разработка уравнений, которые сделают возможным эту невероятную эквилибристику.

Хотя магниты привычны, они остаются достаточно таинственными, чтобы сохранять свои волшебные свойства. Если вы увидите, как некий предмет движется по столу как бы под воздействием чьей-то мысли, вы, вероятно, первым делом заподозрите, что в этом фокусе используются магниты. Честно говоря, в том, что магниты позволяют перемещать объекты на расстоянии, действительно есть нечто волшебное! Люди впервые познакомились с ними в виде «магнитного железняка» или магнетита – естественно намагниченного минерала. Как именно намагничивается магнетит, никто точно не знает; наиболее правдоподобной считается гипотеза, согласно которой это происходит под действием молний. Это предположение подкрепляет то обстоятельство, что намагниченные минералы, по-видимому, встречаются только вблизи земной поверхности.

Природные магниты связаны с еще одним из ранних проявлений физики конденсированного состояния и всегда были связаны с волшебством. Одно из первых сохранившихся упоминаний о них встречается в китайской книге «Гуй Гу-цзы» (– «Книга Учителя из долины Демонов»), относящейся к IV веку до н. э. Вот этот отрывок:

Желающий знать начинает с себя и, лишь познав себя, может знать других. Знающий друг – что рыба камбала, у которой оба глаза на одном боку. Познавший другого подобен эху, вторящему голосу. Постигший чувства другого подобен тени, неотступно следующей за телом. Вникать в слова другого – все равно что магнитом притягивать иглу или языком облизывать кость[14]14
  Цит. по: Малявин В. В. Китайская наука стратегии. М.: Белые альвы, 1999.


[Закрыть].

Современные исследователи полагают, что в книге «Гуй Гу-цзы» собраны мысли разных авторов. Считается, что Учитель был реальным историческим персонажем и действительно жил в некой долине Демонов (или Духов), давно затерявшейся в тумане прошлого. У нас имеются относящиеся ко II веку до н. э. упоминания об использовании магнетита для изготовления «волшебной ложки», которая при помещении ее на гладкую поверхность всегда указывает на юг: теперь мы называем такое устройство компасом. Английское название магнетита – lodestone – происходит от существовавшего в среднеанглийском языке слова lode, которое означало путь или дорогу[15]15
  В сочетании со словом stone (камень) получается «путеводный камень». – Примеч. перев.


[Закрыть]. Следы этого употребления существуют до сих пор: мой любимый паб, построенная в XV веке таверна на реке Северн, называется Lower Lode Inn («Корчма на Нижней дороге»). Его легче всего найти, отправившись на юг из средневекового города Тьюксбери. Паб окажется прямо перед вами, за широким течением Северна. Посмотрите направо, и вы увидите столб, на котором висит колокол; позвонив в него, можно вызвать паромщика, который приплывет за вами через реку. Иначе приходится долго идти через поля или гораздо, гораздо дольше ехать на машине. Лучше всего добираться по нижней дороге.

Природные магниты подробно обсуждаются в вышедшей в 1558 году книге «Природная магия» (Magia Naturalis), которую написал Джамбаттиста делла Порта. Делла Порта, прозванный «профессором тайн», был неаполитанским ученым-энциклопедистом, занимавшимся, в частности, криптографией, оптикой, астрономией, метеорологией, физиологией и драматургией. Он основал первое в мире научное общество под названием Academia Secretorum Naturae (Академия тайн природы). Каждый желающий вступить в это общество должен был разъяснить по меньшей мере одну из неизвестных до тех пор тайн природы. Это требование до сих пор остается условием получения ученой степени в естественных науках: в современных терминах речь идет о представлении оригинального научного открытия. Академия была распущена папой римским по подозрению в колдовстве; делла Порту допрашивала инквизиция, а многие его друзья попали в заключение. Это его не смутило: он изобрел способ передачи им тайных посланий, записанных внутри вареных яиц[16]16
  В главе IV книги XVI «Природной магии», озаглавленной «Как можно писать внутри яйца», описываются целых шесть способов. Должен признаться, что мне не удалось повторить результаты делла Порты; единственный способ, демонстрацию которого я нашел в интернете, состоит в следующем: нужно вырезать в яйце небольшое отверстие и вложить в него записку. – Примеч. автора.


[Закрыть]. Если четыре стихии иллюстрируют первоначальные изыскания в физике конденсированного состояния, то «Природная магия», несомненно, иллюстрирует первоначальное состояние научно-популярной литературы. Делла Порта перечисляет множество древних представлений по двадцати темам, от «необычных стекол» до «подделки славных камней». При этом он не просто регистрирует существующие верования, но и описывает свои собственные опыты, проверяющие их достоверность, и не стесняется отмечать случаи, в которых древние авторитеты несли чушь. В книге VII, «О чудесах магнитного камня», мы находим главы с не нуждающимися в пояснениях заглавиями: «Глава LIII: Неверно, будто алмаз ослабляет достоинства магнита» или «Глава LIV: Козья кровь не освобождает магнит от заклятия алмаза». Он скрупулезно указывает источники своих сведений, а многие из его собственных наблюдений оказываются точными и проходят проверку опытом.

Хотя козья кровь действительно никак не влияет на свойства магнита, на них могут воздействовать другие магниты. Как именно они воздействуют, зависит от типа этого магнита. Наиболее очевидны магнитные свойства материалов, обладающих собственным магнетизмом, – ферромагнетиков. Приставка «ферро-» отсылает к железу, которое является типичным примером ферромагнетика: любой кусок чистого железа можно намагнитить при помощи другого магнита. Затем существуют материалы, сами по себе не магнитные, но проявляющие магнитные свойства, если поместить их рядом с магнитом, к которому они при этом притягиваются. Если их вывести из магнитного поля, они лишаются магнитных свойств. Эти вещества называются парамагнетиками; к этой категории относится большинство элементов периодической системы.

Третий тип распространенных магнитов – это диамагнетики. Они тоже не магнитны сами по себе, но проявляют магнитные свойства, будучи помещены в поле другого магнита. Однако если парамагнетики притягиваются магнитами, диамагнетики ими отталкиваются. Если вы когда-нибудь прижимали магнит к другим предметам, вы, вероятно, находили примеры ферромагнетиков и парамагнетиков, но вряд ли замечали какие-либо диамагнетики. Однако они распространеннее всего – просто диамагнетизм проявляется так слабо, что мы его не замечаем. В число диамагнетиков входят вода, древесина, многие металлы, многие пластмассы и большинство органических материалов. Например, вы сами тоже являетесь диамагнетиком.

Диамагнетизм можно весьма хитроумно использовать в колдовстве. Он позволяет добиться левитации любого предмета в магнитном поле, достаточно быстро изменяющемся в пространстве. У этого явления есть практические применения: например, левитация мышей дает возможность моделировать состояние невесомости, не покидая Земли. Благодаря диамагнитной левитации я получил один из самых ясных в моей жизни опытов трехэтапного восприятия природной магии. Это произошло, когда я приехал в Сент-Эндрюсский университет в Шотландии. Зайдя в кабинет каких-то аспирантов, я увидел висящий в воздухе над полкой маленький, тонкий кристалл. Первая стадия восприятия была очевидной: левитирующий кристалл! Я не видел ни лесок, ни обманчивого освещения, ни зеркал, скрывающих опору. Когда я подтолкнул кристалл, он сдвинулся, но остался парить в воздухе. Я был убежден, что его левитация имеет магнитную природу; к этому моменту я переходил ко второй стадии восприятия волшебства: пытался рационализировать его, опираясь на знакомые мне концепции. Но тут у меня возникло затруднение, потому что существует математическое доказательство невозможности левитации магнитов в статической конфигурации – так называемая теорема Ирншоу. Вы можете убедиться в ее справедливости на собственном опыте: как бы вы ни старались, вам не удастся добиться, чтобы один магнит завис в равновесном состоянии над другим, не используя никаких опор. Я задумался, не может ли кристалл очень медленно вращаться: это было бы одним из решений проблемы. Я спросил о кристалле у аспирантов, и они сказали, что он висит там уже не первый месяц. Это исключало возможность вращения, так как сопротивление воздуха постепенно остановило бы его. К слову, аспирантам даже не пришло в голову показать мне этот левитирующий кристалл – именно потому, что он был у них уже несколько месяцев; они к нему привыкли. Но для меня он был внове, и его волшебство становилось тем сильнее, чем дольше мне не удавалось понять его.

В конце концов они признались, что кристалл представлял собой невероятно сильный диамагнетик. Это был кусок пиролитического графита – в обычных условиях этот материал является самым сильным из всех известных диамагнетиков, – а парил он над подложкой из невероятно сильного ферромагнетика – неодима. Теорема Ирншоу исключает статическую магнитную левитацию только для ферромагнетиков, а здесь речь шла о диамагнетике. Так что теперь я перешел на третью ступень восприятия: я понимал, как именно получается левитация кристалла, но все равно мог оценить техническое мастерство исполнения и необычайно редкие образцы диамагнетиков и ферромагнетиков, настолько сильных, что они обеспечивают левитацию без подачи энергии.

Магнитные свойства всех материалов возникают из магнитных полей отдельных атомов – атомных спинов. Само слово «спин»[17]17
  От англ. spin – «вращаться». – Примеч. перев.


[Закрыть] указывает на происхождение этих полей: при вращении электрически заряженного объекта вокруг него возникает магнитное поле. Тот спин, о которым мы говорим, представляет собой квантово-механическую величину, к которой трудно подобрать аналогии из повседневной жизни. Но в качестве запоминающейся иллюстрации вы можете представить себе, что спин атома возникает в результате того, что отрицательно заряженные электроны движутся по орбитам вокруг атомного ядра так же, как Луна вокруг Земли. Движущийся по круговой траектории электрический заряд порождает магнитное поле (на этом принципе основаны электромагниты, в которых магнитное поле создает электрический ток, текущий по спиральной проволочной обмотке).

Ферромагнетизм уникален среди трех типов магнетизма тем, что это чисто эмерджентное свойство: оно появляется только из-за магнитного взаимодействия многочисленных спинов, приводящего к их ориентации в одном и том же направлении. Напротив, парамагнетизм и диамагнетизм можно понять из модели, в которой спины всех атомов ведут себя независимо друг от друга; их общее поведение представляет собой всего лишь сумму составляющих и не более того. По этой причине кое-кто утверждает, что только ферромагнетики – это истинное состояние материи, а остальные два типа таковыми не являются. Лично я считаю такое разделение слишком строгим. Одна из причин, по которым я так думаю, связана с тесным родством между механизмом превращения ферромагнетиков в парамагнетики и механизмом превращения жидкой воды в газ. Такие преобразования не менее важны, чем сами состояния.

Фазовые переходы

Ближайшим аналогом четырехчастного деления природы по Эмпедоклу в древнекитайской философии была концепция у-син, которая выделяла пять элементов: дерево, огонь, землю, металл и воду. Во времена появления у-син были известны пять планет, и число 5 вошло во многие классификации. Было пять направлений (север, юг, восток, запад, центр), пять основных цветов (черный, красный, яшмовый, белый желтый), по одному типу чая на каждый цвет и пять тонов пентатонической музыкальной гаммы[18]18
  Сходного и родственного мировоззрения придерживались западные алхимики – например сэр Исаак Ньютон, – но в их время известных планет было не пять, а семь. Ньютон решил, что в радуге семь цветов, потому что в музыкальной октаве было семь основных нот, которые соответствовали семи планетам. Нас до сих пор учат, что в радуге семь цветов, что в высшей степени неестественно, потому что достаточно даже беглого взгляда, чтобы увидеть, что цвета радуги образуют непрерывный спектр. – Примеч. автора.


[Закрыть]. Название «у-син» точнее переводится как «пять движений», и изначально оно относилось именно к перемещениям планет среди неподвижных звезд. То обстоятельство, что переходам между состояниями придавалось не меньшее значение, чем самим состояниям, очень важно. Изменения состояния материи называются «фазовыми переходами». Фазы вещества – это обозначение чуть более конкретное, чем его состояния. Например, лед может содержать несколько разных структур атомного масштаба. Это и есть разные фазы, но все они относятся к твердому состоянию. В настоящее время известно восемнадцать кристаллических фаз льда и одна аморфная фаза. Как фазы, так и состояния соединяются фазовыми переходами. Рассмотрим эти явления более подробно на примере воды и ее превращения в пар.

Хотя вода хорошо нам знакома, она остается веществом весьма волшебным, многие проявления которого мы пока не можем объяснить. Например, сонолюминесценция – это эффект возникновения света из мельчайших пузырьков воздуха в воде при их схлопывании под воздействием звуковой волны. Установившегося общего мнения о том, как или почему это происходит, до сих пор нет. Или же можно взять эффект Мпембы. В 1960-х годах, когда физик Денис Осборн посетил школу в Танганьике, в которой учился тринадцатилетний Эрасто Мпемба, тот спросил, почему вода, нагретая до 100 °C, замерзает быстрее, чем такой же объем воды при 35 °C, если и ту и другую воду поместить в морозильную камеру. Одноклассники и учителя подняли его на смех, но Осборн проверил это утверждение на опыте, который, как ему показалось, подтвердил его справедливость. В 1969 году Осборн и Мпемба опубликовали статью об этом явлении. Общепринятого объяснения механизма этого явления у нас тоже нет; идут споры о том, в самом ли деле оно существует и не является ли этот эффект следствием недостаточного учета других факторов: например, того обстоятельства, что горячая вода сильнее испаряется, и замораживается меньшее ее количество.

Вода обладает множеством странных свойств. Это единственное химическое вещество, которое может существовать в нормальных условиях в виде твердого вещества, жидкости и газа. Другое необычное свойство состоит в том, что вблизи температуры замерзания жидкая вода плотнее, чем твердая: именно поэтому лед плавает, а не тонет. Благодаря этому странному свойству вода у дна водоемов не замерзает, что позволяет рыбам переживать зиму. Если бы у воды не было этого свойства, мы, возможно, не могли бы удивляться его необычности, просто потому что не существовали бы. В общем, переходы из твердого состояния в жидкое не так просты.

Но непросты и переходы из жидкости в газ. Воздух, как и вода, одновременно знаком и загадочен. (Разумеется, газообразная форма воды – это на самом деле не воздух, а пар, то есть воздух, содержащий высокоэнергетические молекулы воды.) Большинством замечательных свойств воздуха в большей или меньшей степени обладают и другие газы, но, поскольку воздух повсеместно присутствует на Земле, именно этот газ используется в большинстве практических приложений. Главным среди его необычных свойств является его невероятная теплоизоляционная способность: одежда согревает благодаря заключенному в ней воздуху; волосяной покров тела создает теплоизолирующий слой воздуха, который позволяет нам выживать в Арктике или сидеть в сауне; пенистые термоизоляционные материалы, используемые в строительстве, тоже работают, удерживая воздух. Вы и сами могли самостоятельно убедиться в превосходных теплоизоляционных свойствах воздуха, если когда-либо слишком долго держали зажженную спичку: вы не ощущаете жар пламени, пока оно не окажется в каком-нибудь миллиметре от вашего пальца. Доминик заметила одно из проявлений магии воздуха, сидя рядом со мною, когда я писал эту книгу. Она попыталась подогреть на плите кружку с чаем, но обнаружила, что вогнутое дно кружки мешает эффективному нагреванию на плите. Однако потом мы поняли, что кружка сделана такой специально и эта особенность полезна. Все кружки имеют вогнутое снизу дно, под которым остается воздух, изолирующий содержимое кружки от поверхности, на которой она стоит (и обычно не дающий этому содержимому остыть). Именно поэтому след, который остается от кружки на столе, имеет форму кольца, а не диска[19]19
  Есть и другие причины, по которым у кружек делают вогнутое дно. Во-первых, если бы дно было плоским, возможные мелкие неровности выступали бы из него и кружка была бы менее устойчивой. Во-вторых, во время обжига в печи кружка стоит на кольце, что позволяет покрыть глазурью ее вогнутое дно. – Примеч. автора.


[Закрыть]. Яснее всего эта способность воздуха проявляется в аэрогеле – искусственном твердом веществе, почти полностью состоящем из воздуха. Есть знаменитая фотография, на которой цветок лежит на пластинке из аэрогеля толщиной около миллиметра над синим пламенем: цветок остается невысохшим. Кроме того, аэрогель невероятно легок, прозрачен и способен выдерживать вес, во много раз превышающий его собственный (двухграммовый брикет из аэрогеля легко выдерживает вес, в тысячу раз больший). Его применение для теплоизоляции зданий позволяет сэкономить массу места и энергии. К 2011 году поразительные способности аэрогеля были отмечены 15 рекордами в Книге рекордов Гиннесса; многие из них – это попросту практические применения свойств воздуха. А свойства воздуха, как и свойства других газов, порождаются его низкой плотностью.

Газообразная форма любого вещества бывает гораздо менее плотной, чем жидкая. С точки зрения волшебников, это означает, что плотность является примером «параметра порядка» – некоего свойства, существенно изменяющегося при фазовом переходе. Существуют два типа фазовых переходов, и разобраться в них можно, рассмотрев поведение параметров порядка.

Первый тип – это так называемые фазовые переходы первого рода. Они отличаются резким изменением параметра порядка. Предположим, вы кипятите воду. После нагревания жидкой воды до температуры кипения – 100 °C – для ее превращения в газ требуется дополнительная энергия, которую называют скрытой теплотой. Интересно отметить, что для превращения воды, нагретой до 100 °C, нужно приблизительно вдесятеро больше энергии, чем для ее нагревания от комнатной температуры до 100 °C. Если вы готовите напиток, не требующий кипящей воды, – например кофе или зеленый чай, – вы можете сэкономить немало энергии (и следовательно, денег), если выключите чайник по достижении нужной температуры, вместо того чтобы доводить воду до кипения и давать ей остыть. Чтобы увидеть, на что расходуется эта энергия, достаточно заметить, что в течение большей части процесса нагревания чайник остается практически неподвижным, а за несколько секунд до закипания начинает сильно дрожать. Это дрожание, требующее большого количества энергии, – следствие внезапного образования крупных пузырей при превращении жидкости в газ и резком уменьшении плотности.

Фазовые переходы первого рода находят практическое применение в так называемых материалах с фазовым переходом. Я помню, как заворожила меня грелка для рук, которую мне подарили в детстве на Рождество. Она представляла собой пакет с гелем, в котором был маленький металлический диск. Когда я сжимал диск, гель моментально затвердевал и нагревался. Как такое возможно? Неужели производители этой штуки не слыхали о законе сохранения энергии? Откуда берется это тепло? Впоследствии я узнал, как работает это устройство. В него заранее подается энергия, превращающая материал из твердого в жидкий: если поместить пакет в микроволновку[20]20
  …или в кипящую воду. – Примеч. перев.


[Закрыть], его потом можно использовать повторно. Твердое состояние характеризуется меньшей энергией, но для замерзания жидкости необходимо преодолеть энергетический барьер. Сжимание металла позволяет произойти фазовому переходу, при котором выделяется скрытая теплота: он образует поверхность, на которой может начаться рост твердого кристалла. Сейчас материалы с фазовым переходом используются в энергетических системах с возобновляемыми источниками – например солнечными батареями, – в которых в одни дни может случаться избыток энергии, а в другие – нехватка. Избыточную энергию можно сохранить в виде скрытой теплоты, а затем, когда она понадобится, высвободить в виде тепла.

Переходы второго типа называют непрерывными или фазовыми переходами второго рода. Хороший пример такого превращения – образование ферромагнетика. При высоких температурах железо обладает парамагнитными свойствами: спины отдельных его атомов направлены случайным образом. Хотя атомы ощущают магнитные поля друг друга, при высокой температуре их энергия так велика, что не допускает их ориентации в одном направлении и коллективного поведения. Однако при охлаждении железа до температуры ниже 768 °C происходит фазовый переход, и железо становится ферромагнитным. На наномасштабе происходит ориентация спинов, а на макромасштабе – намагничивание железа[21]21
  Строго говоря, спины ориентируются в одном и том же направлении в пределах так называемых магнитных доменов, то есть областей размером от одного микрона до одного миллиметра; разные домены могут быть намагничены в разных направлениях, если нет внешнего магнитного поля, которое придает им одинаковую ориентацию. – Примеч. автора.


[Закрыть]. Намагниченность играет роль параметра порядка, так же как плотность при закипании воды. Разница в том, что при намагничивании нет никакой скрытой теплоты. Намагничивание происходит по мере уменьшения температуры не резким скачком, а непрерывно. От такого непрерывного изменения параметра порядка и происходит название этого типа фазового перехода. В качестве понятной аналогии можно представить себе, что два типа фазовых переходов соответствуют двум элементам ландшафта: оба описывают изменение высоты, но непрерывный переход подобен пологому склону, а переход первого рода – отвесной скале. При уменьшении давления на воду температура ее кипения снижается. Этот факт был хорошо известен путешественникам и исследователям XIX века, которые оценивали по температуре закипания воды высоту над уровнем моря. Он так же хорошо известен и всем тем волшебникам, которые пытались заваривать чай на горных перевалах. Для получения полноценного вкуса черного чая его нужно заваривать водой при температуре, близкой к 100 °C; поэтому настоящий волшебник знает, что в горные походы лучше брать зеленый чай, который следует заваривать менее горячей водой. При повышенном давлении – например на дне глубокой шахты – температура кипения, напротив, увеличивается. Если у вас нет под рукой такой шахты, можно просто вскипятить воду в герметически закрытом сосуде: давление будет увеличиваться по мере нагревания воды.

Однако при достаточно высоком давлении происходит нечто поистине замечательное: различия между жидкостью и газом полностью исчезают. Результат оказывается весьма странным и на удивление полезным.

Сверхкритические флюиды

Представьте себе, что вы собираетесь приготовить весьма хитроумным способом некий живительный эликсир: возжигаете огонь под своим аламбиком, дабы получить настой сушеных листьев растения Camellia sinensis. Или, проще говоря, кипятите воду, чтобы заварить себе чаю. Когда вода закипает в чайнике, ее плотность резко изменяется – это отвесная скала фазового перехода первого рода. Однако передвигаясь по скале ко все более высоким давлениям, мы обнаруживаем, что высота скалы уменьшается: разница плотности жидкости и газа становится меньше. В конце концов вершина скалы оказывается на уровне моря и исчезает: фазовый переход, отделяющий жидкость от газа, перестает существовать. Именно в этой точке фазовый переход между водой и паром превращается из перехода первого рода в переход непрерывный – точно так же вы можете плавно перейти из моря на вершину скалы только в том месте, где скала встречается с морем. Температуру и давление, при которых это происходит, называют критической точкой. Критическая температура воды равна 373,9 °C, а ее критическое давление в 218 раз больше атмосферного.

За критическими давлением и температурой больше нет фазового перехода, отделяющего жидкость от газа. В этой области получается нечто совершенно новое – сверхкритический флюид. Флюид – это обобщающий термин, обозначающий некую текучую среду. В отличие от газа сверхкритический флюид невозможно сконденсировать в жидкость путем уменьшения его температуры. В отличие от жидкости его нельзя испарить, то есть превратить в газ путем уменьшения давления. Эти результаты впервые получил ученый и изобретатель Шарль Каньяр де ла Тур (1777–1859). Когда Каньяр перекатывал кремневый шарик внутри запечатанного пушечного ствола, наполовину наполненного жидкостью, он слышал всплеск каждый раз, когда шарик попадал в жидкость. Но по достижении некоторого давления этот звук внезапно прекратился. Граница между жидкостью и газом исчезла: все содержимое ствола превратилось в сверхкритический флюид.