Текст книги "Всё о науке за 60 минут"

Великая путаница единиц измерения энергии

По левую руку от меня лежит нераспечатанная пачка печенья с джемом и кремом. Информация о пищевой ценности, напечатанная на упаковке, говорит мне, что энергия, содержащаяся в одном печенье[6]6
  Обычно указывается энергетическая ценность в 100 граммах продукта.


[Закрыть], составляет 75 ккал, что я интерпретирую как 75 килокалорий или 75 000 калорий. Однако тут же сообщается, что энергетическая ценность каждого печенья 312 кДж, или 312 килоджоулей. А в довершение всего – что в одном печенье 75 калорий. Как же все это понимать?

На самом деле все три единицы измерения, килокалории, килоджоули и калории, измеряют одно и то же – энергию. Официальной научной единицей измерения энергии является джоуль, как это определено Международной системой единиц. Эту единицу измерения назвали в честь очень образованного и умного человека – Джеймса Прескотта Джоуля. Беда в том, что энергия приходит к нам в самых разных формах, каждая из которых имеет свою единицу измерения. Например, единица электрической энергии – киловатт-час, а тепловой, содержащейся в газе, – терм. Единица механической энергии – лошадиные силы в час – и британская тепловая единица используются для определения энергетического потенциала автомобилей и систем отопления соответственно, но моя любимая единица энергии – восхитительный эрг. Эрг входил в систему «сантиметр-грамм-секунда», ныне уже ставшую историей. Эту систему в 1873 году ввела Британская ассоциация развития науки. К сожалению, когда ее заменили на гораздо более разумную систему «метр-килограмм-секунда», место эрга занял джоуль.

Если речь идет о продуктах питания, в настоящее время мы используем две единицы: калории и джоули. Первоначально количество энергии, содержащейся в пище, определялось примитивно: путем ее полного сжигания в закрытом контейнере и измерения сопутствующего повышения температуры в небольшом объеме воды. Вот откуда взялось понятие «калория». В 1824 году калорию утвердили в качестве единицы измерения тепла и установили величину одной калории: 1 калория эквивалентна тепловой энергии, необходимой для повышения температуры 1 грамма воды ровно на 1 °C. Таким образом, 1 килокалория может нагреть 1 000 граммов или 1 литр воды на 1 °C.

Однако в наши дни измерение пищевой энергии, или энергетической ценности, как правило, производится совсем не так. Если раньше сжигали саму пищу, то теперь в лабораториях сжигают результат экстракции отдельных компонентов (белков, жиров и углеводов) из продуктов питания. Это так называемая система Этуотера[7]7
  Уилбур Олин Этуотер – американский химик, считается отцом-основателем современной диетологии и основоположником изучения обмена веществ и энергии в организме человека.


[Закрыть]. В соответствии с ней ученые сначала определяют по отдельности количество белков, жиров и углеводов в тестируемой пище. Затем рассчитывается энергия, содержащаяся в пище, с использованием средних значений энергии в белках, жирах и углеводах. Итак, мое печенье содержит 10 г углеводов по 4 ккал/г, что дает 40 ккал на одни лишь углеводы; 1 г белка с калорийностью 4 ккал/г и 3,4 г жира с калорийностью 9 ккал/г. Сложите все это, и у вас получится 74,6 ккал в одном печенье.

Тем не менее калория – довольно маленькая единица энергии. В большинстве порций пищи, которую мы едим, много тысяч калорий. Только в моем печенье 75 000. Получается, что проще измерять энергетическую ценность в килокалориях и просто заменять термин «килокалория» понятием «калория». Однако делается это без какого-либо последовательного подхода, и в результате возникает путаница. Вот почему на упаковке моего печенья указано одновременно и 75 калорий, и 75 ккал. Ну а еще больший сумбур вносит то, что приводится также энергетическая ценность в джоулях.

Само собой, было бы намного проще, если бы все пользовались одной единицей измерения. Но я не знаю, какую из них предпочел бы. Сидящий во мне ученый настаивает на джоулях. Но калория – гораздо более понятная всем нам единица измерения. Как бы то ни было, мы совершенно точно должны прекратить писать «калорий», когда имеем в виду «килокалорий». Учет калорий дает нам возможность узнать энергетическое содержание всей пищи, которую мы кладем в рот. И отсутствие такого учета порой очень плохо сказывается на нашем здоровье.

И все же я избегаю вопроса, который беспокоит меня больше всего. Пока я пишу эти строки, я глубоко взволнован осознанием того, что с помощью энергии, содержащейся всего в двух только что съеденных мной печеньях, можно довести два литра воды комнатной температуры почти до кипения. Пожалуй, лучше я уберу эту пачку, прежде чем еще одно печенье отправится ко мне в рот.

Капающий чайник

Для истинных британцев, к которым я себя причисляю, употребление чая – часть культурного наследия. Поэтому, казалось бы, разобраться с проблемой капающего чайника должны именно мы. Однако окончательный вердикт по этому вопросу вынесла четверка ученых из Лионского университета. Именно они обнаружили, что некоторые особенности чайника все же нельзя предсказать с помощью гидродинамики. (Следует отметить, что открытие было сделано исключительно потому, что до этих французов никто не удосуживался рассмотреть проблему капающего чайника с точки зрения физики.)

Считается, что еще до появления чайников людям удалось установить интересный факт. Когда через трубку (такую как носик чайника) протекает большое количество жидкости, природа поверхности трубки (ее гидрофильность или гидрофобность) не должна иметь значения. Однако сегодня мы точно знаем, что она важна. Традиционное лекарство от капающего чайника – просто смазать маслом край его носика. Но этот давно известный способ всегда казался мне глупой затеей: лучше я пролью половину своего чая на скатерть, чем буду пить его с маслом.

Французская команда ученых обнаружила, что роль играют три фактора. Во-первых, скорость потока жидкости: чем быстрее поток – тем меньше капель. Во-вторых, радиус кривизны края носика: чем он тоньше и острее – тем лучше. Ну и, наконец, природа поверхности: как вы уже наверняка догадались по примеру с маслом, гидрофобный, то есть водоотталкивающий, материал носика гарантирует, что вода не будет стекать по стенке, а соберется в крупную каплю.

Как же формируются капли на носике чайника? Струя чая сбегает с носика, и немного жидкости всегда прилипает к его самому краю. Если поверхность носика не водоотталкивающая, чай прилипает к ней лучше и тянет струю жидкости назад к нижней части носика. Величина, на которую струя чая оттягивается назад, зависит также от угла ее соприкосновения с поверхностью, а он, в свою очередь, определяется кривизной и толщиной стенки носика. Поток чая может оттянуться достаточно далеко назад, цепляться за нижнюю сторону носика и стекать каплями. Но чем выше будет скорость потока жидкости, тем незначительнее окажется это расстояние, а значит, и капель мимо чашки прольется меньше.

Какими бы ни были гидродинамические причины появления этих раздражающих капель из чайника, едва ли вам послужит утешением их понимание, если таким «недугом» страдает ваш собственный чайник. Конечно, вы можете попробовать наливать чай быстрее, но обычно это заканчивается тем, что на столе остается еще больше чая, поскольку в итоге он переливается через край. И все же есть еще один трюк – я подглядел его в китайских ресторанах. Это искусственное изменение носика чайника. Если натянуть на него короткий отрезок прозрачной пластиковой трубки и срезать ее под углом, получится тонкий, острый и, главное, водоотталкивающий носик. Такой трюк действительно решает проблему. Но все же имейте в виду: выглядит это ужасно – независимо от внешнего вида чайника.

Если ни одно из этих решений вам не подходит, все, что вы можете сделать, это нанести на нижний край носика слой гидрофобного материала – только не масла, раз уж мы выяснили, что оно вам не по душе. Современная наука располагает множеством сверхгидрофобных материалов, но, к сожалению, они очень дороги и их трудно достать. Однако есть исключение – самая обычная сажа. Слой сажи, скажем от свечи, обеспечит вам поверхность, которая никогда не будет мокрой: вода просто соберется на ней в каплю и упадет вниз. Подержите носик чайника над пламенем свечи, пока он не почернеет, и вытрите сажу с его верхней части и внутренней стороны. Если все сделать правильно, отныне чайник не будет раздражать вас надоедливыми каплями. Возможно, на нем останутся частички сажи, но, как по мне, это все же лучше, чем масляные разводы в чае.

Кухонные весы и килограмм

На мой взгляд, цифровые кухонные весы – один из величайших даров цивилизации XXI века. Они занимают мало места, невероятно просты в использовании и умеют переключаться между различными единицами измерения. Можно даже поставить сверху чашу и обнулить показания. И все же эти весы почти наверняка будут нам врать.

Скажем, я положу на весы кусок сыра, и они покажут 153 г. Могу ли я быть уверен, что сыр действительно весит 153 г? Если вы внимательно посмотрите на весы и заглянете в инструкцию, то увидите, что у таких устройств всегда есть погрешность – например, у моих весов она ±5 г. Таким образом, на самом деле мой кусок сыра может весить от 148 до 158 г. Конечно, это не имеет большого значения для моих рецептов, но важно понять, могу ли я утверждать, что хотя бы этот диапазон правильный. Возможно ли это в принципе – точно, со стопроцентной уверенностью определить вес чего-либо? Ответ – да, но только если речь идет об одном маленьком объекте во Вселенной.

Скорее всего, мои весы сделаны где-то в Юго-Восточной Азии, и внутри у них есть так называемый тензометрический датчик, который преобразует силу давления груза, положенного на весы, в электрический сигнал. Тензометрические датчики состоят из множества параллельных и невероятно тонких полосок металлической фольги. Когда на весах лежит груз, эти полоски растягиваются и становятся еще тоньше. В результате меняется их электрическое сопротивление, и микропроцессор весов, обнаруживая это изменение, преобразует его в величины на дисплее. В процессе изготовления весов микропроцессоры калибруют таким образом, чтобы они распознавали показания тензометрического датчика для двух реперных точек[8]8
  Реперные точки – точки, на которых основывается шкала измерений. В современных электронных весах часто делают несколько реперных точек и строят сложную градуировочную кривую.


[Закрыть] – 0 граммов и 1 килограмм. Так микропроцессор вычисляет вес всего, что кладется на весы. В ходе калибровки используется тестовый груз, вес которого составляет ровно 1 кг. Работники завода уверены в этом потому, что тестовые гири взвешиваются на еще более точных весах, изготовленных на другом заводе, с применением еще более точных гирь, и так далее. Поскольку любой набор весов опирается на образцовый, а сам образцовый имеет свой образец, каждый последующий стандартный килограмм все больше приближается к идеалу. Но где же заканчивается эта цепочка? Если вы решите проследить ее до самого конца – или, скорее, начала, – она приведет вас в пригород Парижа.

В 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам объявили об учреждении Международной системы единиц, или СИ, как ее теперь принято называть. Этот стандарт определил семь основных единиц измерения и способы их воспроизведения. Конечно, с тех пор система была обновлена, и для всех единиц, кроме одной, стало возможным воспроизведение в эксперименте, хотя и не без трудностей. Например, метр теперь соответствует расстоянию, проходимому светом в вакууме за ¹/_299792458 долю секунды. Секунда – это время, затрачиваемое на 9 192 631 770 циклов излучения, исходящего от атома цезия-133. Единственная нерегулярная единица измерения – килограмм[9]9
  В 2018 году XXVI Генеральная конференция по мерам и весам одобрила определение килограмма, основанное на фиксации численного значения постоянной Планка. Оно вступило в силу 20 мая 2019 года.


[Закрыть]. Он определяется лишь в абсолютном выражении, безотносительно к другим единицам. Это вес куска цилиндрической формы из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), изготовленного в 1889 году и в настоящее время находящегося в хранилище в Севре – коммуне в предместьях Парижа. Однако называть его куском платины и иридия – значит все же несколько занижать его ценность. Этот международный прототип килограмма, как его именуют, представляет собой идеальный, безупречный цилиндр высотой 39,17 мм с таким же диаметром. Точные копии прототипа были разосланы по всему миру, в страны, где национальные институты мер и весов используют эти копии первого поколения, чтобы изготавливать неизбежно менее точные копии второго поколения и так далее, вплоть до гирь, которыми поверяли мои кухонные весы. С каждым шагом в сторону от эталона прототипы становятся все менее точными. Именно поэтому, когда мои весы уверенно говорят мне, что кусок сыра весит 153 г, вероятность того, что это действительно так, все же довольно мала.

Кулинария в союзе с наукой

Одно из самых главных удовольствий в жизни для меня – это приготовление пищи, поэтому вы вряд ли удивитесь, если я скажу, что являюсь большим поклонником кухонных гаджетов. Мои кухонные шкафы и ящики забиты всевозможной посудой и приборами, какие-то из них полезные, другие – не очень. Самый большой и эффектный прибор на моей кухне – индукционная плита. Мне кажется, это чудо техники пришло к нам прямо из вселенной «Звездного пути» или другой научно-фантастической космической оперы по вашему выбору. Поверхность для приготовления пищи представляет собой абсолютно гладкий черный керамический лист, лишенный каких-либо ТЭНов[10]10
  Термоэлектрических нагревателей.


[Закрыть] – традиционных средств получения тепла. Тем не менее, если я поставлю на него кастрюлю с водой и поверну цифровой диск, то мгновенно создам тепло и вода начнет кипеть в считаные секунды. Однако вы поймете, насколько это невероятно, лишь когда снимете кастрюлю с кипящей водой и при этом ненароком положите руку на плиту (если только вы не держали на выключенной плите кастрюлю с кипятком слишком долго): плита покажется вам теплой, но никак не обжигающе горячей. Как же варочная панель смогла вскипятить воду в кастрюле, не нагревшись сама? Что это за хитрость заставляет ее работать?

Индукция, или, если использовать полное название, электромагнитная индукция, была открыта, как и многие другие электрические явления, великим физиком Майклом Фарадеем, работавшим в подвальных лабораториях Королевского института в Лондоне. Удивительно, но мы знаем не только точное место совершения этого открытия, но и дату – 29 августа 1831 года. В письме другу Фарадей писал: «Кажется, я что-то ухватил, но пока не могу сказать, что именно. Ведь это может быть тина вместо рыбы, которую я после всех своих трудов рассчитывал наконец вытащить». Но это оказалась не тина и даже не просто рыба – а целая акула!

Фарадей тогда уловил и в метафорической форме передал следующее. Если рядом с проводом двигать магнитом, то по проводу потечет электрический ток. Что очень важно, верно и обратное утверждение: если вы заставите ток течь попеременно взад и вперед по проводу, он создаст вокруг него магнитное поле[11]11
  Постоянный ток, текущий в одном направлении, тоже создает магнитное поле, но постоянное, то есть не меняющее направления. А переменный ток создает переменное магнитное поле.


[Закрыть]. То есть провод и ток – все, что нужно, чтобы создать электромагнитную индукцию[12]12
  Слово «индукция» произошло от лат. inductio («наведение»), и электромагнитной индукцией называют явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике при прохождении через него магнитного потока, изменяющегося со временем. Здесь же речь идет о магнитной индукции – векторной величине и силовой характеристике магнитного поля.


[Закрыть]. Однако последствия этого открытия оказались далекоидущими.

Возьмите плоскую катушку из проволоки и поместите ее недалеко от провода, по которому течет переменный ток. Согласно законам электромагнитной индукции, этот переменный ток создает переменное магнитное поле, которое само постоянно меняется. У него северный полюс то с одной стороны, то с другой. Если на верхнюю часть катушки положить кусок магнитного металла, такого как сталь например, переменное магнитное поле вызовет в нем ток. И тут сразу выяснится, что нержавеющая сталь не лучшим образом проводит электричество, оказывая ему высокое электросопротивление, так что бóльшая часть энергии токов высокой частоты (а именно они циркулируют в поверхностном слое) превращается в тепло. Таким образом, наш кусок стали, лежащий на проволочной катушке, нагревается, хотя у самой катушки такого эффекта не наблюдается.

Теперь спрячьте катушку проволоки под стильным черным керамическим листом и положите массивный лист из стали на дно кастрюли. Вуаля, вы только что сделали индукционную плиту своими руками! Переменные магнитные поля, создаваемые катушкой из проволоки, будут работать и через керамический лист. Вы даже можете провернуть трюк, использовавшийся продавцами первой индукционной варочной панели, разработанной компанией Westinghouse Electric в 1973 году. Удивляя зевак, они готовили еду через несколько газетных листов, лежавших на плите.

Однако у любознательного девятилетнего мальчика, который как бы сидит у меня на плече, есть раздражающий вопрос, на который я до сих пор не ответил. Почему вся эта электромагнитная индукция вообще существует? Что же такого есть в электричестве и магнетизме, что заставляет их идти рука об руку? Намек на ответ кроется в самом слове «электромагнитный». Дело не столько в том, что они всегда связаны друг с другом, сколько в том, что это одно и то же.

В природе существует только четыре фундаментальные силы. Слабое взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие, удерживающие вместе субатомные частицы в ядре атома; гравитационное взаимодействие, суть которого мы до сих пор до конца не понимаем; и электромагнитное взаимодействие. Электромагнитную волну мы можем очень условно представить себе как две волны, чьи плоскости всегда расположены под прямым углом друг к другу. Одну из этих волн мы называем магнитной, другую – электрической. Их взаимодействие – очень сложный процесс, и лишь ошибочные представления заставляют нас воспринимать эти силы порознь. Таким образом, причина, по которой электричество и магнетизм идут рука об руку, заключается в том, что по существу это одно и то же.

Это возвращает меня к первоначальному убеждению, что индукционная плита – самый замечательный прибор на моей кухне. Возможно, кто-то считает иначе, но я убежден: никакие слайсеры, попкорн-машины, миксеры, рисоварки и хлебопечки не смогут так элегантно продемонстрировать одну из фундаментальных сил природы.

Долой мифы о микроволновке

Если даже у вас нет микроволновки, вы наверняка знаете кого-то, у кого она есть. Этот аппарат для ускоренного приготовления пищи стоит теперь почти на каждом кухонном столе. Но что происходит внутри микроволновой печи и как она работает на самом деле? Загляните в интернет или какой-нибудь подходящий учебник, и вы прочтете, что микроволновые печи нагреваются изнутри. Кроме того, вы узнаете, что микроволны подогревают или готовят пищу, заставляя молекулы воды входить в резонанс. Это почти правда, но, к сожалению, лишь почти.

В далеком 1945 году молодой инженер по имени Перси Спенсер работал над военным проектом для США, который предполагал использование микроволновых передатчиков. В те времена не было такого уровня контроля охраны здоровья и безопасности, и, когда Спенсер неосмотрительно стоял рядом с неэкранированным передатчиком, плитка шоколада в его кармане расплавилась. В тот момент удачливый инженер мало что понял, но это был первый случай приготовления пищи в микроволновой печи. Спенсеру еще повезло, что он сам не сварился!

Микроволновое излучение является частью электромагнитного спектра, совсем как световые лучи, которые мы видим. А отличает их друг от друга длина волны – расстояние между пиками интенсивности. У микроволн это расстояние составляет 12,2 см, в то время как длина волны видимого света примерно в 200 000 раз меньше. Важнейшей частью электромагнитного излучения – в том числе и из микроволновой печи – является его электрическая составляющая. Да, величина напряженности электрического поля растет до положительных величин и снижается до отрицательных.

Теперь представьте себе молекулу, колеблющуюся в потоке микроволн. Если у этой молекулы одна сторона заряжена немного более положительно, чем другая, то эта молекула попытается сориентироваться в соответствии с электрическим полем микроволновой печи. Поскольку электрическое поле постоянно меняет вектор своей напряженности, молекула пытается перевернуться вместе с ним. Как следствие, часть энергии микроволнового излучения передается молекуле. Более того, когда молекула кувыркается, она врезается в другие молекулы вокруг себя и щедро передает им часть своей только что обретенной энергии. Этот тип передачи энергии называется диэлектрическим нагревом, и, как следует из названия, это один из способов нагреть что-либо.

Если наша гипотетическая молекула – молекула воды в миске овощного супа, то она будет характеризоваться сильно неравномерным распределением электрического заряда, поэтому примется легко вращаться в волнах микроволнового излучения. Вскоре молекулы воды в супе начнут активно толкаться, передавая захваченную энергию микроволн друг другу и нагревая суп. Тем не менее не только вода нагреется под действием излучения. Нагреваются и жир, и сахарá, и даже керамические тарелки, если их глазурь содержит соединение с неравномерно распределенным зарядом. Более того, этот процесс не имеет никакого отношения к какому-либо резонансу, тем более в воде. Интересно, что молекулы воды во льду не совершают вращательных движений, поскольку не могут так свободно перемещаться. Именно поэтому размораживание продуктов в микроволновой печи, кажется, длится целую вечность.

Итак, если это физическая причина заставляет микроволновую печь генерировать тепло, получается, что пища греется изнутри? Нет, это тоже заблуждение. Микроволновки разогревают пищу снаружи, как и все остальные печи, но микроволны при этом, вместо того чтобы просто нагревать поверхность, проникают в суп, картофель или остатки карри на пару сантиметров вглубь. То есть тепло попадает в еду. И именно это ускоряет время приготовления. Кроме того, вам не нужно заранее разогревать микроволновую печь, как это делается с духовкой. Микроволновки начинают греть сразу после включения, и вы не теряете никакой энергии на стенках печи. Металлические пластины внутри нее действуют на излучение как зеркало. Волны отражаются от них и снова попадают в пищу, которую вы хотите нагреть. Все это работает в комплексе, и поэтому микроволновая печь так быстро справляется со своей задачей.

Уже более 70 лет прошло с тех пор, как шоколадка Перси Спенсера растаяла у него в кармане. Микроволновые печи стали использовать по всему миру. И все же для многих это устройство по-прежнему остается загадочным и непонятым.