Читать книгу "Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…"

Метеорист Le Pétomane умел петь и издавать различные звуки анусом

На женщинах от смеха лопались корсеты. С одним мужчиной произошел сердечный приступ (Мулен Руж воспользовался этим, чтобы пригласить медицинских сестер и развесить предупреждения об опасностях шоу, что, естественно, лишь дополнительно привлекало публику). И если вы слишком стыдливы, чтобы признаваться в пристрастии к подобным шуткам, или слишком консервативны, чтобы смеяться над ними, знайте, что среди поклонников и приятелей Пюжоля были Ренуар, Матисс и Равель. Рассказывают, что у Фрейда на стене висел портрет Пюжоля, который он рассматривал во время работы над теорией анальной фиксации. Посмотреть выступление метеориста приходил (инкогнито) даже король Бельгии.

В чем биологическая суть способности Пюжоля? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять, что такое кишечные газы. Отчасти это воздух. Вместе с пищей и водой мы обязательно проглатываем несколько миллилитров воздуха. Основная часть этого воздуха возвращается в воздух через рот. Но небольшое количество попадает в желудок и кишечник (особенно если есть лежа) и продвигается вниз.

Около 75 % объема кишечных газов создается кишечными бактериями в процессе ферментации (брожения). Для нас брожение обычно ассоциируется с пивоварением, однако этот процесс распространен гораздо шире: брожение происходит тогда, когда углеводы в бескислородной среде расщепляются на более мелкие молекулы. Бактерии захватывают и расщепляют углеводы до диоксида углерода, водорода и метана. В результате выделяется газ, который заполняет наш кишечник. Некоторые пищевые продукты способствуют усиленному образованию кишечных газов, поскольку в них содержатся такие углеводы, которые плохо расщепляются в желудке и, следовательно, способствуют очень высокой активности кишечных бактерий (например, лактоза в молоке или раффиноза в белокочанной капусте и брокколи).

В среднем взрослый человек выделяет в сутки около полутора литров газа, примерно в двадцать приемов. Однако эти показатели варьируют в широком диапазоне. Le Pétomane мог единовременно втянуть через анус до двух литров воздуха, а в медицинской литературе описан человек, который испускал газы сотню раз в день. Если такое количество газа задержится в организме и не найдет выхода, может произойти разрыв кишечника. В одном ужасном случае при хирургическом прижигании участка толстой кишки произошло воспламенение пузыря газа, пробившего в брюшине пациента пятнадцатисантиметровую дыру.

Возможно, вы удивитесь, но более 99 % кишечных газов не имеют запаха. Даже метан, несмотря на плохую репутацию, не пахнет. Неприятный запах кишечным газам придают такие следовые компоненты, как сероводород (H₂S, запах тухлых яиц), метилмеркаптан (CH₃SH, запах тухлых овощей) и диметилсульфид (CH₃SCH₃, тошнотворно сладкий запах). Эти газы относятся к летучим соединениям серы, и их тоже производят кишечные бактерии. Эти же газы объясняют появление неприятного запаха изо рта (постарайтесь не зациклиться на этой теме).

Вот так образуются кишечные газы. Однако все это не имеет никакого отношения к истории Пюжоля. Он ведь не объедался брокколи и не обпивался сырым молоком, чтобы наполнить кишечник газом. Он втягивал в себя обычный воздух, а потом выпускал его назад. Поэтому его кишечные газы, по крайней мере на сцене, не имели никакого запаха. Вообще говоря, в своих выступлениях он воздерживался от непристойных шуток, считая их вульгарными. Он считал себя кем-то между певцом и пародистом, примерно как «человек тысячи голосов».[26]26
  Речь идет о талантливом американском актере озвучивания Мелвине Бланке (1908–1989).


[Закрыть]

И это подводит нас к серьезному и странному вопросу. Пути для проведения воздуха располагаются на обоих концах нашего тела, так почему же мы не «разговариваем» задним проходом?* Apriori никаких очевидных препятствий к этому нет. Безусловно, на задней стороне у нас нет голосовых связок, но дело не в них, они просто заслоняют дыхательные пути от пищи и воды; а анальный сфинктер вполне мог бы выполнять функцию рта трубача. Важнее, что сзади (слава богу!) у нас нет губ и языка, с помощью которых мы превращаем поток воздуха в звуки и слова. Однако для примитивного общения нам хватило бы и не такого сложного аппарата. Таким образом, эволюция вполне могла пойти по пути создания U-образной системы с более сложным анусом и с ректальной речевой функцией.

Например, по некоторым данным, сельди могут общаться друг с другом именно путем выделения кишечных газов.

После нескольких лет успешных выступлений Пюжоля в Мулен Руж у него возникли разногласия с хозяином кабаре. Однажды его застали за «пением» на ярмарке, где он пытался привлечь клиентов для своего друга, торговавшего имбирными пряниками. Хозяин кабаре обвинил его в нарушении контракта, утверждая, что Le Pétomane не имеет права испускать газы вне стен его заведения (газетчики сочли это заявление невероятно смешным). В результате артист ушел из кабаре и основал свой собственный клуб, что вызвало еще больший скандал, особенно после того, как хозяин Мулен Руж нанял на место Пюжоля артистку с таким же амплуа. Выяснилось, что это была фальшивка: у нее под юбкой была спрятана гармошка (в начале карьеры, когда Пюжоля обвиняли в обмане, он был вынужден выступить голышом перед несколькими врачами и пройти соответствующий осмотр).

Пюжоль перестал быть самым высокооплачиваемым артистом во Франции, но на протяжении двух десятилетий вел весьма благополучную жизнь, пока 1914 год не перевернул все вверх дном. Больше ни у кого не было времени на развлечения, да и в семье Пюжоля многое изменилось: два его сына были искалечены на фронте. Кроме того, после применения отравляющих газов на фронтах Первой мировой войны «газовая комедия» уже не казалась такой смешной.

После войны Пюжоль открыл пекарню и, как говорят, выпекал лучшие в округе кексы из отрубей. После его смерти в 1945 г. (через месяц после Дня Победы) несколько докторов просили членов семьи предоставить им тело артиста, чтобы выяснить, каким образом ему удавалось засасывать воздух через задний проход. Мы так никогда этого и не узнаем, поскольку семья отказалась передавать тело врачам. Как сказал сын Пюжоля, «к некоторым подробностям из его жизни следует относиться с уважением».

Глава пятая
Контролируемый хаос

Вода (H₂O) может находиться в атмосфере в разной концентрации в зависимости от климатической зоны и погодных условий; при каждом вдохе мы поглощаем от нескольких миллиардов до нескольких квадриллионов молекул

Обычно вызов на суд императора Священной Римской империи не предвещал ничего хорошего. Однако по мере продвижения на юг бургомистр Магдебурга Отто Герике все больше верил в свои силы. В конце концов, он поставил, может быть, самый великий научный эксперимент в истории.

Герике был типичным джентльменом-ученым. И его очень занимала идея вакуума – замкнутого пространства с пустотой внутри. В то время большинство людей знали о вакууме лишь то, что сформулировал Аристотель, а именно, что природа не терпит пустоты*. Однако Герике подозревал, что природа устроена сложнее, и в начале 1650-х гг. попытался создать вакуум. В первой попытке он выкачивал воду из бочки с помощью насоса местной пожарной бригады. Поначалу бочка была полна воды и полностью изолирована, так что в ней не могло быть воздуха. Поэтому откачивание воды должно было привести к появлению пустого пространства. К сожалению, через несколько минут после начала процедуры клепка начала течь, и в бочку проник воздух. Затем Герике попытался таким же образом опустошить полый медный шар. Шар продержался дольше, но в середине процесса взорвался так, что от грохота у экспериментатора зазвенело в ушах.

Сила взрыва потрясла Герике и еще больше подстегнула его интерес. Каким-то образом небольшое давление воздуха – или, точнее, разность давлений снаружи и внутри шара – привело к взрыву. Неужели газ настолько силен, чтобы разрушить металл? Это казалось маловероятным. Газы такие мягкие, такие податливые! Однако Герике не видел иного ответа, и это был переломный момент во взаимоотношениях между человеком и газами. Возможно, впервые в истории кто-то осознал, какими сильными могут быть газы, какими мощными и упрямыми. В концептуальном плане между этим моментом и созданием парового двигателя в период Промышленной революции был всего один шаг.

Однако до Промышленной революции было еще далеко, и Герике предстояло убедить современников в том, что газы обладают невероятной силой; к счастью, у него был для этого немалый научный опыт. Его эксперимент за десять лет наделал столько шума в Центральной Европе, что император Фердинанд III лично вызвал его ко двору.

Герике отправился в трехсоткилометровое путешествие к югу, прихватив с собой две медные полусферы. Эти полусферы складывались в шар диаметром около 50 см. Стенки полусфер были достаточно прочными; кроме того, Герике приделал к ним кольца, через которые можно было пропустить веревку. Но главное, Герике проделал в одной из полусфер отверстие и закрыл его с помощью хитроумного воздушного клапана, позволяющего воздуху проходить только в одном направлении.

Явившись ко двору, Герике обнаружил там 30 лошадей и ожидавшую его многочисленную толпу. В эти дни четвертовали и разрывали лошадьми приговоренных к казни преступников, и Герике объявил толпе, что он приготовил такое же испытание для своей медной сферы: он считал, что самые лучшие лошади Фердинанда не смогут разделить ее на две половинки. Последовавшее за этим веселье объяснить легко: если полусферы не удерживать руками, они сами отделялись друг от друга под действием собственной тяжести. Не обращая внимания на насмешки, Герике извлек из кареты главный элемент оборудования – некий цилиндр на треноге. Из цилиндра выходила трубочка, которую Герике присоединил к клапану на одной из полусфер. Потом он попросил нескольких местных кузнецов – самых сильных мужчин, которых ему удалось найти, – начать орудовать рычагами и поршнями аппарата, издававшего свистящие звуки. Герике называл аппарат «воздушным насосом».

Устроен насос был следующим образом. Внутри цилиндрического корпуса находилась герметичная камера, в которой в вертикальном направлении перемещался поршень. Сначала поршень был опущен, и поэтому в камере не было воздуха. На первой стадии кузнец должен был поднять поршень. Камера была соединена с медной сферой через трубку, поэтому воздух из сферы мог перетекать в камеру. Для наглядности давайте предположим, что в начале эксперимента внутри сферы было 800 молекул воздуха (что, конечно же, невероятно мало, но мне нравится это красивое круглое число). Когда поршень достиг верхнего положения, примерно половина молекул воздуха перешла из сферы в цилиндр: 400 осталось в сфере, 400 оказалось в цилиндре.

Дальше следовала ключевая стадия. Герике перекрыл клапан на сфере и открыл другой, расположенный на насосе, а затем просто опустил поршень, так что 400 молекул из камеры вышли наружу. В результате этой процедуры Герике откачал из сферы половину находившегося в ней изначально воздуха.

Важно, что при этом инструмент вернулся в исходное положение – с опущенным поршнем. Можно было открыть клапан на сфере и повторить процесс. В этот раз из сферы в насос вновь перешла половина молекул (200 из 400). Перекрыв клапан на сфере, можно было вновь опустошить камеру насоса, выбросив наружу 200 молекул воздуха. В следующем цикле из сферы было удалено еще 100 молекул, потом 50 и т. д. Каждый раз кузнецам было все труднее поднимать поршень, но каждый раз из сферы удалялась половина оставшегося воздуха.

По мере опустошения сферы давление внешнего воздуха на нее усиливалось. Объясняется это тем, что снаружи о поверхность сферы постоянно ударялось огромное количество молекул воздуха. Конечно, каждая молекула имеет крошечный размер, но все вместе они оказывают гигантское давление. В обычном состоянии давление воздуха изнутри уравновешивает давление снаружи. Но по мере выкачивания воздуха из сферы неравенство давлений усиливалось, и под действием внешнего давления полусферы прижимались друг к другу все сильнее и сильнее. Учитывая размер сферы, при приближении к вакууму эта сила достигла примерно 25 000 ньютонов. Герике не знал всех этих подробностей, и мы не знаем, как близко он смог подобраться к состоянию истинного вакуума. Но после взрыва первой медной сферы он осознавал неимоверную силу воздуха, которая, по его мнению, превышала силу тридцати лошадей.

Когда кузнецы удалили весь воздух (и исчерпали свои силы), Герике отсоединил сферу от насоса, продел веревку через кольца с каждой стороны и привязал к лошадям. Толпа затихла. Быть может, какая-то девушка подбросила и уронила шелковый платок. Канаты натянулись, сфера задрожала. Лошади храпели и били копытами; на их шеях вздулись вены. Но сфера не поддалась – лошади не смогли разделить ее на две половинки. Когда эксперимент окончился, Герике взял сферу и открыл пальцем клапан. Пшшшш. Воздух заполнил сферу, и через секунду она распалась на две части в руках экспериментатора. Совершить подобное чудо – как вынуть меч из камня – по плечу только избранным. Фокус в такой степени поразил императора, что вскоре он присвоил Отто Герике дворянский титул, превратив его в Отто фон Герике.[27]27
  Легенда гласит, что король Артур был единственным человеком, который смог вынуть вложенный в камень меч, чем доказал свое право на престол.


[Закрыть]

Эксперимент по «четвертованию» сферы, осуществленный Отто фон Герике из Магдебурга (Рисунок любезно предоставлен фондом Wellcome Trust)

В последующие годы фон Герике и его помощники выполнили и другие невероятные эксперименты, связанные с вакуумом и давлением воздуха. Они выяснили, что, если из стеклянного сосуда удалить воздух, колокольчик в нем не звенит, доказав тем самым, что для передачи звука необходим воздух. Они также выяснили, что в вакууме раскаленный железный нож не расплавляет масло и, следовательно, в вакууме нет конвекции тепла. Они повторили опыт со сферой в разных местах, распространяя открытие фон Герике о невероятной силе воздуха. Среди всех достижений фон Герике именно это открытие оставило самый глубокий след в истории. Обычное атмосферное давление на уровне моря составляет около 1 кг/см². Возможно, эта цифра вас не впечатляет, однако в пересчете на квадратный фут это давление достигает тонны. И такое давление испытывают на себе не только медные полусферы: на тело взрослого человека постоянно воздействуют 20 т силы. Мы не чувствуем этого неимоверного груза по той причине, что он уравновешен давлением изнутри нашего организма. Но даже если мы знаем о существовании такого равновесия, ситуация все равно кажется ненадежной. Теоретически известно, что лист алюминиевой фольги не прорвется, если на него с двух сторон с одинаковым напором лить воду из пожарных шлангов, но кто захочет рисковать? Вот так же наша кожа и органы находятся в очень шатком положении между двумя мощными силами.

К счастью, ученые не убоялись этой мощи. Они усвоили преподнесенный фон Герике урок о том, что газы обладают невероятной силой, и извлекли из него новые идеи. В каких-то случаях это были практические решения, например создание парового двигателя. В других случаях эти идеи послужили для развлечений, в частности для запуска воздушных шаров. А некоторые идеи, такие как производство взрывчатых веществ, оказались смертельно опасными. Но все эти приложения были основаны на использовании физической силы газов.

Промышленная революция началась со сломанной игрушки. В конце 1750-х гг. Университет Глазго нанял угрюмого мастера по имени Джеймс Уатт для создания и обслуживания демонстрационного оборудования. Одна из возложенных на него задач заключалась в починке уменьшенной копии парового двигателя Ньюкомена, который служил для откачки воды из угольных шахт. Это демонстрационное устройство пятидесятисантиметровой высоты было сделано из латуни и никогда толком не работало. Профессор, который пользовался им в классе, попросил Уатта починить неудачную игрушку, но чем больше Уатт исследовал этот маленький паровой двигатель, тем лучше понимал, как его усовершенствовать. Эта задачка превратилась в дело всей его жизни.

Люди очень давно используют воду в механических целях*, однако пар почти не находил применения в промышленности до тех пор, пока в 1606 г. англичанин Томас Севери не придумал устройство в помощь шахтерам из Корнуолла. В Корнуолле было много олова и других полезных ископаемых, но даже самые неглубокие шахты неизбежно затопляла вода. Воду откачивали ведрами с помощью гигантского колеса, которое крутили десятки лошадей или волов, – это была медленная, тяжелая и дорогая работа. И вот Севери придумал машину, которая могла выполнять эту работу вместо лошадей. Машина состояла из двух частей: вакуумного насоса, как у фон Герике, – для выдавливания воды на поверхность, и второго насоса, который поднимал воду еще выше с помощью сжатого пара. Рекламируя свое изобретение, Севери назвал его «другом рудокопов», как будто это была собака. Однако устройство больше походило на дракона: в высоту оно достигало нескольких метров, а в животе у него бушевало пламя. При оформлении патента Севери дал своему изобретению почти мифическое название: «Устройство для подъема воды с помощью огня».

«Друг рудокопов» работал эффективнее волов и лошадей, но тоже имел недостатки. Прежде всего вакуумный насос Севери не мог поднимать воду на высоту более 10 м. Причина этого недостатка связана с принципом работы вакуумного насоса. В то время считалось, что вакуумный насос поднимает воду за счет того, что каким-то образом ее всасывает. Но это не так. Технически вакуум не может ничего поднять или всосать – подумайте о том, что такое вакуум! В вакууме нет буквально ничего, так как же он может обладать силой или совершать работу? На самом деле происходит вот что: когда вы удаляете из вакуумной камеры весь воздух, жидкость, которая давит извне, больше не встречает никакого сопротивления. В результате она переливается в пустое пространство. Таким образом, вакуумный насос не выдавливает жидкость – он просто позволяет ей занять свободный объем.

А что же служит «поршнем», выталкивающим воду из шахты? Давление воздуха. Представьте следующую схему: у вас есть шахта с водой на дне, вакуумный насос на уровне земли и шланг, протянутый от насоса на дно шахты. Когда насос начинает работать, вода поднимается вверх по шлангу. Но дело не в том, что насос каким-то образом толкает воду вверх: это воздушный столб давит на поверхность воды. Вам это кажется странным: воздух давит вниз, а вода поднимается вверх? Но это именно так. Представьте дрожжевое тесто. Положите на него руку и сильно надавите. Что происходит? Под пальцами тесто сжимается, но между пальцами выпячивается наружу. Другими словами, осаждение теста в одном месте приводит к его подъему в другом. То же самое происходит с водой, когда на нее давит столб воздуха. Воздух давит почти на всю поверхность воды, но под действием этой силы в любом месте, где давление ослабевает (например, в шланге, присоединенном к вакуумному насосу), вода поднимается наверх.

Должно быть, все эти рассуждения о вакууме и давлении воздуха показались вам слишком заумными. Пожалуй, это действительно не лучший способ объяснить, почему газированная вода из стакана поднимается по соломинке (прошу вас, не мучьте никого рассказами о том, что напиток поднимается в рот не под действием силы легких, а под давлением воздушного столба, хотя это именно так). Однако когда речь идет о подъеме жидкости на несколько метров, это уже важно. Дело в том, что в таком случае влияние силы тяжести становится весьма заметным.

Чтобы оценить противостояние силы тяжести и давления воздуха, представьте шахтера, пытающегося поднять воду со дна шахты с помощью вакуумного насоса Севери. Я избавлю вас от расчетов, но скажу, что, если Севери закачивал в шланг столб воды высотой 30 см, на этот столб жидкости действовала сила тяжести 0,027 атм. Такой столб жидкости удерживается давлением воздуха 1 атм. Поскольку 1 атм больше 0,027 атм, давление воздуха побеждает. Если в шланг закачивали 60 см воды, сила тяжести возрастала вдвое и достигала 0,05 атм – все еще меньше 1 атм. Но в какой-то момент сила тяжести превышает 1 атм, и столб воды перестает подниматься. Несложный расчет показывает, что это происходит на высоте около 10 м.

Именно до этого предела и дошел Томас Севери. На самом деле на Земле нет такого вакуумного насоса*, даже идеального, который мог бы поднять воду на высоту более десяти метров; у нашей атмосферы просто не хватает для этого мышечной силы. Но насос Севери не был идеальным, и поэтому поднимал жидкость не более чем на 9 м.

Постоянно повышая давление пара, теоретически можно поднять столб жидкости даже до Луны.

И теперь пришло время вспомнить о второй части устройства, которая позволяла дополнительно поднять столб жидкости с помощью пара. Это устройство не имело внутренних ограничений. Постоянно повышая давление пара, теоретически можно поднять столб жидкости даже до Луны. Проблема заключалась в том, что в 1690-х гг. не существовало таких клапанов и соединительных трубок, которые выдержали бы очень высокое давление. Поэтому вторая часть устройства позволяла поднять жидкость еще на 10 м. В целом насос Севери поднимал воду на высоту до 18 м. Лучше, чем лошадь, но хотелось большего.

Наконец, в 1710-х гг. кузнец Томас Ньюкомен разработал более совершенное устройство. Оно тоже состояло из двух частей. Первая часть представляла собой камеру с поршнем, который двигался вверх и вниз под действием пара. Чтобы понять принцип действия этой конструкции, сначала представьте поршень в верхнем положении. Поршень удерживается облаком пара и не движется с места, пока в камере есть пар. Но как только поршень начинает оседать, под ним открывается клапан, и ситуация изменяется. Через клапан в камеру проникает холодная вода, уничтожающая пар. Пар конденсируется, превращаясь в воду, которая вытекает через трубку на дне цилиндра (в этот момент, как рассказывали свидетели, из насоса доносилось сопение). Важно, что в результате конденсации пара поршень уже не удерживается в верхнем положении, а спускается вниз под давлением внешнего воздуха. Однако, прежде чем он ударяется о дно цилиндра, открывается другой клапан. При этом в камеру опять начинает поступать пар, выталкивающий поршень вверх. Кризис преодолен, поршень покоится на облаке пара – пока опять не открывается подлый клапан, впуская холодную воду и возобновляя цикл.

В данном устройстве поршень не качает воду – он только обеспечивает необходимую для этого энергию. Перекачивание воды происходит в другом отсеке. Над поршнем располагается гигантская деревянная балка, раскачивающаяся вверх и вниз, как нефтяная вышка (шахтеры импортировали эти 12-метровые громадины из девственных лесов Британской Колумбии или с берегов Балтийского моря). Одним концом балка привязана к поршню и поэтому опускается и поднимается вместе с ним. Это движение приводит в действие насос, связанный с дальним концом балки. Честно говоря, такое устройство нельзя назвать полноценным насосом. По большому счету, это просто бадья, которая в каждом цикле поднимает воду на несколько десятков сантиметров. Однако, в отличие от хитроумного вакуумного насоса, устройство не имеет ограничений, связанных с атмосферным давлением. И каким бы примитивным ни казался этот аппарат, рабочая часть насоса Ньюкомена – паровой поршень – обеспечивала такую мощность, что шахтерам удавалось поднять воду на высоту до 45 м – невероятное достижение для начала XVIII в.

К сожалению, воспользоваться насосом могли немногие. Стоимость устройства достигала фантастической суммы в 1000 фунтов. Кроме того, насос ежедневно потреблял невероятное количество угля. Крупные шахты не могли без него обойтись, но одни только расходы на топливо грозили разорением. Насос больше походил на вымогателя, чем на друга, но заменить его было нечем.

И тут на сцену вышел Джеймс Уатт. Занимаясь починкой сломанной игрушки для университета, он заметил некоторые недостатки конструкции Ньюкомена, особенно избыточное потребление топлива. Сегодня мы говорим об этом в терминах тепловой энергии, однако в то время ученые еще не сформулировали основных понятий термодинамики, и поэтому Уатт говорил о «потерях пара». Теперь это выражение звучит старомодно, однако оно было совершенно справедливо. В то время пар действительно был ценным продуктом.

У Уатта не было научного образования, так что он занялся проблемой потерь пара по-своему. По утрам он собирал пар от чайника и что-то плавил. По вечерам засиживался над книгами о флогистоне или проводил химические опыты. И он все же приобрел некоторые знания благодаря беседам с шотландским профессором химии Джозефом Блэком, открывшим диоксид углерода. Блэк занимался изучением фазовых переходов – переходов веществ из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразное и т. д. И именно эти исследования позволили Уатту найти то, что он искал.

Представьте кувшин с холодной водой. Начнем греть воду от 0 до 1 °C, потом до 2 °C и т. д., пока не достигнем температуры кипения воды. Каждый раз для повышения температуры на один градус расходуется примерно одинаковое количество энергии, около 1 ккал/кг воды. Однако если вы захотите согреть воду выше 100 °C, произойдет нечто странное. Вода кипит при температуре 100 °C, а при 101 °C она превращается в пар. На основе сказанного выше можно предположить, что нагревание пара от 100 до 101 °C требует таких же энергетических затрат, как нагревание воды от 99 до 100 °C. Ничего подобного. Между жидкой водой и паром пролегает глубочайшая пропасть. Для нагревания воды от 0 до 100 °C требуется намного меньше энергии (в пять раз), чем для превращения того же количества воды в пар от 100 °C. Это как марафон, который заканчивается высоко в горах: первые 40 км преодолеваются намного легче заключительных сотен метров. Дело в том, что пар поглощает гораздо больше энергии, чем вода.

Блэк называл эту избыточную энергию пара «скрытой теплотой», и Уатт использовал данную идею для объяснения низкой эффективности насоса Ньюкомена. Вспомним, что в начале цикла Ньюкомена поршень находился в верхнем положении. Затем поршень опускался в результате конденсации пара при проникновении в цилиндр холодной воды. Очевидно, что холодная вода охлаждала пар до температуры ниже 100 °C. Не так очевидно, что вода, кроме того, охлаждала еще и поршень и цилиндр. В противном случае на горячей поверхности металла только что образовавшиеся капельки конденсата тут же вновь превращались бы в пар. По этой причине в цилиндр нужно было заливать гораздо больше холодной воды, чем кажется на первый взгляд, что приводило к дополнительным потерям времени и энергии. Однако самые большие потери происходили в обратном процессе. Для подъема поршня из нижнего положения нужна была следующая порция пара. Но, к сожалению, теперь металлические поверхности были холодными, так что поначалу весь пребывающий пар конденсировался на холодных стенках и поршне. Другими словами, холодная поверхность, как вампир, высасывала энергию пара, превращая его в непригодные для работы капельки воды. Чтобы преодолеть эту проблему, приходилось добавлять больше пара, а значит, кипятить больше воды, сжигать больше угля и тратить больше денег. В общем, эффективность данного процесса была невелика. Уатт рассчитал, что насос Ньюкомена понапрасну растрачивал 80 % пара. Иными словами, четыре из пяти долларов выбрасывались на ветер. Вот почему Уатт жаловался на «потерянный пар»: пар содержит так много «скрытой энергии», что все, что снижает эффективность действия пара, снижает эффективность всего процесса.

Чтобы справиться с проблемой, Уатту нужно было придумать, как избежать повторяющихся циклов нагревания и охлаждения цилиндра. Но, прежде чем он это сделал, жизнь внесла свои коррективы. Уатт должен был кормить жену и маленьких детей, и поэтому ему пришлось оставить игры с паровым двигателем и на несколько лет стать инспектором каналов. Однако эти годы не прошли впустую. Как и при строительстве шахт, при строительстве каналов тоже нередки случаи затопления, и периодически возникает необходимость проведения дренажных работ. Поэтому Уатт несколько лет пользовался насосами Ньюкомена, хотя это устройство до крайности раздражало его невероятно низкой производительностью.

В эти годы Уатт начал переписываться с группой ученых джентльменов, живших в 350 км к югу от Глазго, в Бирмингеме. В каком-то смысле тогдашний Бирмингем можно сравнить с современной Кремниевой долиной: это было техническое чудо, привлекавшее туристов со всей Европы, которые желали поглазеть на водяные колеса и автоматические ткацкие станки. Причем все это было настоящим. Рабочие беспрерывно кашляли, от них пахло машинным маслом, глаза были налиты кровью. У тех, кто работал на медеплавильных печах, волосы окрашивались в зеленоватый цвет.

Несмотря на рабочее происхождение Уатта, его приняли в круг бирмингемской элиты, в частности, он сблизился с членами знаменитого Лунного общества (в которое входили Джозеф Пристли, Уильям Гершель и Эразм Дарвин). Члены общества встречались по вечерам раз в месяц, обычно в ближайший к полнолунию понедельник, и горячо обсуждали литературные и философские проблемы. Теперь такая зависимость от фаз Луны кажется забавной или мистической, однако она объяснялась весьма прозаическим образом. В лунном свете членам Общества легче было разглядеть дорогу домой.[28]28
  Уильям Гершель (1738–1822) – английский астроном и музыкант; открыл планету Уран, а также несколько спутников Урана и Сатурна.


[Закрыть]

Уатт особенно подружился с одним из «лунатиков», промышленником Мэттью Болтоном. Болтон вел размеренную жизнь, управляя фабрикой, которая производила пряжки для обуви, столовое серебро, термометры и дешевые стеклянные шарики, с помощью которых европейцы выманивали индейцев с их родных земель. Ручей, питавший энергией фабрику Болтона, зимой замерзал, и приходилось либо останавливать производство, либо нанимать лошадей, чтобы крутить мельничные колеса. В период летней засухи возникала такая же проблема. Поэтому Болтон начал уговаривать Уатта переехать в Бирмингем и придумать паровой двигатель для его фабрики.

В ответ Уатт бормотал нечто невразумительное, пока у него в семье не случилась трагедия: в 1773 г. умерла его жена. И тогда он решил сняться с места и перейти на фирму Болтона в Бирмингеме. Уатт знал только одно средство от скорби – работать до изнеможения. И он полностью погрузился в работу над созданием парового двигателя, как несколькими годами позже погрузился в изучение терапевтических свойств газов, когда заболела туберкулезом его дочь Джесси. Именно в этот период Уатт создал знаменитый двигатель.