Текст книги "Детский университет. Исследователи объясняют загадки мира. Книга первая"

Откуда берутся молния и гром?

Викинги в древние времена отвечали на этот вопрос не задумываясь. Откуда гром и молния? Конечно, от одного из богов. Они верили, что бог-громовержец Тор молотом посылает на землю молнии. А так как гром и молния – пожалуй, единственное, чего побаивались викинги (зубных врачей тогда еще не было), то и бога Тора они почитали как самого главного. Если бы у викингов уже тогда был Детский университет, возможно, они решили бы по-другому. Из этой главы вы узнаете, что гром и молния – проявление силы более могучей, чем бог Тор. Но бояться ее все равно не нужно!

Дэвид Уарем, профессор физики из Тюбингена, обычно исследует, как течет электрический ток в микроскопических цепях. Но разбирается он и в гигантских электрических цепях, соединяющих небо и землю. В Детском университете Тюбингена он рассказал, что общего у молнии в небе и у свитера, который мы снимаем через голову в теплой комнате. Профессор Уарем также проследил, чтобы в эту главу не вкрались ошибки.

Даже сильные летние грозы начинаются с мелочи. Улица пышет жаром, как печка, думать можно только о лимонном мороженом, газировке и открытом бассейне, а у взрослых от пота темнеют спины рубашек. И тут на небе вдруг появляется маленькое облачко. Странно: откуда оно взялось на бескрайнем синем просторе? Куда летит? И что собирается делать? А потом ты с удивлением замечаешь, как оно растет, набухает, обзаводится компанией себе подобных.

Поначалу облака выглядят безобидно, но постепенно они превращаются в большие прожорливые черные тучи, готовые поглотить солнце и синее небо. Вот они откусывают по куску от хорошей погоды. Налетает ветер, небо темнеет, и где-то вдалеке уже слышны первые раскаты, как будто там недовольно рычит, просыпаясь, толстое угрюмое чудище: р-р-р!

Теперь лучше не выходить на долгую прогулку, не лазить по высоким деревьям и не стоять на руках на крыше. Проснувшиеся грозы – попутчики неприятные. Они нападают, как бешеные драконы. Налетают ураганом, плюются огнем, опустошая все на своем пути. Грозы поджигают дома, ломают деревья, затапливают улицы, даже убивают людей и животных. К счастью, наши квартиры достаточно защищены от гроз, и нам можно не бояться удара молнии, а с интересом наблюдать, как бушует за окном непогода. Иногда это интереснее, чем смотреть боевики. Летняя гроза, несомненно, ужасала и наших первобытных предков. Они дрожали в пещерах и боязливо жались друг к другу. Может быть, именно во время грозы они впервые задумались о том, что существуют высшие силы. Монстры. Неземные существа. Боги, способные распоряжаться маленькими беспомощными людьми. И, может быть, однажды в грозу они стали молить этих богов о пощаде, а потом стали приносить им жертвы.

Во всяком случае, боги атмосферных явлений существуют почти во всех ранних религиях мира. Как правило, это самые могущественные боги, которым подчиняются остальные. Они повелевают громом и молнией. В ведической религии, распространенной на территории современной Индии, бог погоды назывался Индра. У кельтов погодой распоряжался Таранис, у викингов – Тор. Верховный бог древних греков Зевс – тоже громовержец. Власть над громом и молнией он получил от циклопов, одноглазых великанов, за то, что освободил их из подземного плена.

Долгое время люди благоговели перед громом, молнией и другими природными стихиями. Как гласит легенда, на территории современной Германии власти богов-громовержцев положил конец христианский миссионер Бонифаций более 1 200 лет назад. Он срубил один из священных дубов бога Донара близ деревни Гайсмар. Присутствовавшие при этом германцы с интересом ждали, ударит ли молния – покарает ли бог дерзкого миссионера за его бесчинство? Но Донар не дал о себе знать, ничего страшного не произошло, и святой Бонифаций благополучно пережил уничтожение дуба.

ГРОМ ДОНАРА

Насколько тесно были связаны гроза и языческие боги, до сих пор заметно по некоторым словам немецкого языка. Слово «Donner» – гром – происходит от имени бога Донара. К имени верховного божества германцев восходит и немецкое название четверга – Donnerstag, «день Донара».

Хотя по профессии Бонифаций был миссионером, в Гайсмаре он повел себя как современный ученый-естествоиспытатель. Чтобы убедить германцев, он показал им научный опыт, провел эксперимент по исследованию природных процессов. Он срубил дерево и таким образом продемонстрировал, что гром и молния подчиняются не богу Донару, а природе. Попутно эксперимент Бонифация доказывает, что человек может безнаказанно вмешиваться в дела природы.

Но до того времени, как человек окончательно провозгласил себя повелителем природы, оставалось еще несколько веков. Для этого люди должны были понять, как действуют силы природы, какая от них может быть польза и как заставить их работать на благо человека. Во времена Бонифация большинство законов природы были еще неизвестны. Миссионер не понимал, как возникают молния и гром, ничего не знал о силе тяжести, об электричестве и о строении материи. Но он показал, каким способом можно подобраться к природным тайнам: путем эксперимента. Через тысячу лет Бенджамин Франклин тоже провел эксперимент, доказавший, что молния и гром производятся естественной силой, одной из четырех крупных природных сил.

Как можно прославиться, не закончив школу?

Бенджамин Франклин родился в Северной Америке, в Бостоне, в 1706 году. Его отец был небогатым мыловаром и торговцем. Бенджамин был пятнадцатым ребенком, и его отец едва мог прокормить свою многочисленную семью. В десять лет Бенджамину пришлось бросить школу, чтобы помогать в лавке. Но мальчик постоянно учился и без школьных учителей. Он был невероятно любознательным и прочитывал все книги, попадавшие ему в руки. Бенджамин так любил читать, что решил стать подмастерьем у брата – владельца типографии, чтобы затем печатать книги самому. В двадцать лет он открыл собственную типографию, но печатное дело – лишь одна из многих областей, которыми на протяжении жизни занимался Франклин.

Из владельца типографии он вскоре превратился в издателя, выпускавшего, помимо книг, и собственную «Пенсильванскую газету». Эта газета знаменита тем, что впервые в мире напечатала карикатуры. Позже Франклин боролся за независимость своей страны, тогда еще английской колонии, и стал одним из отцов-основателей Соединенных Штатов Америки. Кроме того, он учредил первое в США общество страхования от пожаров, писал философские сочинения, изобрел бездымную печь и музыкальный инструмент, состоящий из сосудов с водой.

Но главное научное достижение Бенджамина Франклина, благодаря которому он всегда будет считаться супергероем, – это его опыт с воздушным змеем. С помощью этого грандиозного эксперимента он сумел доказать, что за атмосферными молниями кроется едва изученный в то время природный феномен – электричество.

СИЛЫ ПРИРОДЫ

На сегодняшний день физики открыли четыре вида сил, действующих в нашей природе и вселенной. Две из них – слабое и сильное взаимодействия – не ощущаются человеком, потому что действуют только на мельчайшие частицы материи. Зато две другие знакомы всем. Это сила тяжести и электромагнитная сила. Электричество объясняется электромагнитным взаимодействием.

Как связаны телевидение и янтарь?

Чтобы понять, насколько смелый эксперимент провел Бенджамин Франклин, перенесемся мысленно в его время. В 1752 году никто и не догадывался, какое огромное значение в будущем приобретет электричество. Во всем мире не было еще ни одного электрического прибора, ни одной электростанции, ни одной розетки, не было ни батареек, ни аккумуляторов. С наступлением темноты в домах зажигали свечи, а когда становилось скучно, люди играли в карты или ковыряли в носу. Радио и телевидения у них еще не было.

Но кое-что ученые знали давно. Например, что некоторые материалы, если их потереть, таинственным образом меняются. Один из таких материалов – янтарь, древняя окаменелая смола, которую находят преимущественно на берегу Балтийского моря. Если потереть янтарь рукой или тканью, он будет, как магнит, притягивать волосы, мелкие клочки бумаги и другие легкие предметы. Этому явлению даже придумали название: в 1650 году британский врач Уильям Гильберт предложил назвать загадочную силу притяжения «электричество». Это слово происходит из греческого языка, так как «янтарь» по-гречески – «электрон».

Электричеством тогда интересовались многие исследователи. Один из них – бургомистр Магдебурга Отто фон Герике, соорудивший первую в мире машину для получения статического электричества. Вместо янтаря Отто фон Герике использовал шар из серы, укрепленный на оси. Если вращать ось, одновременно держа ладонь на серном шаре и натирая его, шар заряжается. Позже, в 1745 и 1746 годах, два физика независимо друг от друга установили, что электричество можно накапливать, отводя его по металлическому стержню в бутылку с водой, обернутую оловянной фольгой. Один из этих ученых преподавал в университете голландского города Лейден, поэтому изобретение стало известно под названием «лейденская банка». Бенджамин Франклин тоже читал о новых открытиях в области электричества и о лейденской банке.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФОКУСЫ

В XVIII веке любили показывать фокусы при помощи лейденской банки – устройства, накапливающего электричество. Например, один французский священник, развлекая короля, выстраивал в ряд восковых солдат, а потом прикасался к ним лейденской банкой. От разряда солдатики высоко подпрыгивали. Говорят, что позднее этот же священник заставил одновременно подпрыгнуть более ста живых монахов, держащихся за руки.

Франклин впервые доказал связь молнии с электричеством. Но он был не первым, кому пришла в голову идея о возможной связи этих двух явлений. На несколько десятилетий раньше искры, возникающие в машине статического электричества, изучал английский ученый Френсис Хоксби. Он еще в 1707 году считал, что эти искры напоминают вспышки молнии.

Связь молнии с электричеством не так очевидна, как нам сейчас кажется. Ведь электрический ток обычно не течет в воздухе. Ток вырабатывают на электростанции, а потом по кабелю подводят к домам, как воду в водопроводе. Когда нам нужна электроэнергия, мы подключаемся к сети и ток течет по проводам. Домашнее, «ручное» электричество «сидит» в розетке за двумя дырочками и терпеливо ждет, когда ему дадут работу. И ему никогда не приходит в голову ни с того ни с сего просто так прогуляться вспышкой по комнате. И слава богу!

ЭВАЛЬД ЮРГЕН ФОН КЛЕЙСТ

На самом деле лейденскую банку изобрел немецкий юрист Эвальд Юрген фон Клейст. В 1745 году он открыл, что электричество можно накапливать и хранить. Но так как он не оставил точного описания того, как устроена его «клейстова банка», изобретение стало позже известно под названием «лейденская банка»: на следующий год после открытия Клейста голландский ученый из Лейденского университета Питер ван Мушенбрук еще раз открыл тот же метод.

Тогда почему это происходит в грозу? Почему во время грозы ток вдруг пробегает по небу, вспыхивая яркими километровыми молниями?

Чтобы понять это, рассмотрим внимательнее, что такое электрический ток. Большинство людей думают, что понимают это, но, если их спросить, как связаны электроны и электрические поля, заряды и энергия, – они, как правило, не смогут ответить. А ведь это не такая сложная связь.

Почему в банде маленьких непосед столько энергии?

Электрический заряд возникает из-за того, что некоторые тела способны заряжаться электрической энергией и передавать ее. Например, это отлично получается у янтаря. Достаточно потереть его несколько раз – и он уже заряжен. Но почувствовать электрический заряд можно и без янтаря. Попробуйте снять свитер в сухой теплой комнате. От него сразу полетят искры, потому что он зарядился от трения о тело и теперь разряжается.

Во времена Бенджамина Франклина никто не знал (и не мог знать), почему от трения возникает электрический заряд, ведь модель атома, на основе которой ученые теперь объясняют строение материи, была тогда неизвестна. Согласно этой модели все предметы, все жидкости и даже воздух вокруг нас состоит из маленьких частиц – атомов. Атомы настолько малы, что их невозможно увидеть невооруженным глазом. Если бы их можно было выстроить в цепочку, как бусы, то один-единственный миллиметр бус состоял бы из двух миллионов атомов.

К сожалению, атомы нельзя потрогать. Это невозможно сделать даже самыми малюсенькими атомными щипчиками.

Дело в том, что атомы не просто лежат друг на друге, как кирпичи. Их держат вместе естественные силы, причем очень хитрым способом, на определенном расстоянии друг от друга. В бриллианте атомы упакованы очень плотно и крепко, в воздухе – существуют довольно свободно. В каждом атоме есть небольшое ядро, вокруг которого шныряют электроны. Они носятся с такой бешеной скоростью, что находятся почти везде одновременно и образуют своего рода оболочку. Понятно, что оболочку из шныряющих электронов потрогать нельзя.

КАКОВА СКОРОСТЬ ЭЛЕКТРОНОВ?

Максимальная скорость, с которой электроны носятся вокруг ядра атома, равна примерно одному проценту скорости света. То есть приблизительно за секунду электрон долетел бы от Стокгольма до Мадрида.

Рассказ про атомы звучит невероятно. Получается, что тяжелое кресло, на котором так удобно сидеть и читать книгу «Детский университет», на самом деле – скопление миллиардов и триллионов мчащихся частиц? И даже невидимый воздух тоже состоит из атомов? Трудно поверить. И все-таки нужно согласиться с тем, что так оно и есть. Так считают все серьезные ученые мира. К тому же теперь появились микроскопы, в которые можно разглядеть отдельные атомы: в электронном микроскопе атомы с оболочками выглядят как теннисные мячи. В любом случае, для нас с вами атомная теория сейчас имеет огромный плюс: с ее помощью можно объяснить, что такое электричество.

Бенджамин Франклин предполагал, что за электрический заряд тел отвечает некая невидимая и неощутимая жидкость, перетекающая из одного тела в другое, – флюид. При каждом соприкосновении тел в одном из них возникает избыток, а в другом – недостаток флюида. В своей теории Франклин называл это электрическим «плюсом» и «минусом». Теперь мы знаем, что из одного тела в другое перетекает не флюид, а электроны.

МАЛЕНЬКОЕ ЯДРО АТОМА

В атоме все вращается вокруг ядра. Хотя вес атома почти целиком зависит от ядра, само оно очень маленькое. Если представить себе электронную оболочку размером с кафедральный собор, ядро в его центре было бы размером с муху.

Электроны – маленькие непоседы. Они не знают ни минуты покоя, вечно чем-то заняты и пышут энергией. В отличие от янтаря, электроны не нужно специально заряжать, заряд – их природное свойство. Заряд электронов считается отрицательным и обозначается знаком «минус». «Отрицательным» его называют не потому, что, например, у электронов дурной характер. Это название – просто договоренность, действующая по всему миру и восходящая к идее Бенджамина Франклина об избытке и недостатке флюида. Сегодня во всем мире – в Японии, Корее, Германии, России – та сторона тела, на которой находится больше электронов, обозначается знаком «минус». А та сторона, на которой электронов недостает, – знаком «плюс». Возникает вопрос, почему электроны вообще скапливаются на одной стороне. Может, оставались бы лучше все на своих местах?

ПЛЮС И МИНУС

Объяснить электрический заряд как недостаток и избыток флюида! Немецкий физик и математик Георг Кристоф Лихтенберг был в восторге от этой идеи Бенджамина Франклина и ввел для заряда математические обозначения «+» и «-». Так он хотел заинтересовать электричеством математиков.

На самом деле, если оставить электроны в покое, они будут мирно вращаться вокруг положительно заряженного ядра. Заряды у них у всех одинаковые, так что никто никому не помешает и соседи не поссорятся. Но иногда небольшого трения – например, протирания тряпкой – бывает достаточно, чтобы потревожить электроны. Тогда они мгновенно удирают от своих ядер, вторгаются в соседние атомы, вытесняют другие электроны и устраивают страшную суматоху. И вот уже на одной стороне тела электронов слишком много, а на другой – слишком мало.

Похожее явление хорошо знают те, кто пользуется общественным транспортом. В автобусах очень часто бывает, что в передней части толпа напирает, а сзади – свободно. Всякий, кто когда-нибудь ездил в таком автобусе, знает, какое напряжение в нем создается. Все хотят пройти, толкаются и чуть не бросаются друг на друга. В конце концов толпа просто сносит того незадачливого пассажира, который тормозил движение, и устремляется в заднюю часть автобуса. Напряжение спадает.

Что общего у электрического тока и похода в кино?

В битком набитом автобусе кажется иногда, что толпа у входа создает целое облако злобы, излучая невидимую энергию, которую можно почувствовать аж на другом конце автобуса. Электроны, в отличие от людей, не злятся, у них вообще нет эмоций, но в случае с электричеством есть кое-что другое: тела, в которых электроны распределены неравномерно, окружены полями. Этими полями заряженные тела воздействуют на другие заряженные тела: притягивают их или отталкивают. Каждый электрический провод и электрический прибор создают вокруг себя поле, которое действует на другие электрические приборы.

Поле нельзя увидеть само по себе, но его можно сделать видимым, если, например, рассыпать вокруг заряженного тела мелкие кусочки бумаги. Бумажные клочки будто сами собой выстроятся в линии от «плюса» (положительного полюса) к «минусу» (отрицательному).

Вот еще один важный факт: электрический ток течет только там, где есть полюса – положительный («плюс») и отрицательный («минус»), – как у магнита. В электричестве одинаковые полюса тоже отталкиваются, а противоположные – притягиваются.

ПОЧЕМУ 220 В?

В большинстве стран мира люди договорились поставлять в квартиры электрический ток с напряжением от 110 вольт (в США) до 230 вольт (в Европе). При таком напряжении можно пользоваться электроприборами с нормальной силой тока. Если бы напряжение было выше (например 1000 вольт), это было бы слишком опасно для человека. Если бы оно было ниже (например, 10 вольт), то понадобилась бы более высокая сила тока, чтобы прибор работал с нужной мощностью. А это имело бы нежелательный побочный эффект: все провода и кабели нагревались бы слишком сильно.

Плюс и минус притягиваются, потому что очень хотят обменяться зарядами. Мы уже узнали, что на отрицательном полюсе электронов слишком много, а на положительном – слишком мало. Логично, что электроны убегают туда, где для них больше места: даже непоседам хочется в конце концов найти пристанище. Нам повезло, что электроны не сразу находят себе подходящие атомы, в которые можно переселиться. Дело в том, что существуют тела, которые обычно не впускают в себя электроны. Например, одно из таких тел – изолента.

Если папа обмотает изолентой провод настольной лампы, то электроны не убегут из него. У изоленты слишком большое сопротивление. Правда, существуют и материалы с малым сопротивлением. Например, медная проволока. Иными словами, удастся ли электронам побежать дальше, зависит от того, как велико сопротивление и насколько велика разница между плюсом и минусом. Эта разница называется «напряжение». Чем больше электронов толпится на отрицательном полюсе и чем меньше их на положительном, тем выше напряжение между полюсами. Сложновато сказано, но на самом деле это очень просто.

МЕДЬ

Отлично подходит в качестве материала, проводящего ток. В этом металле электроны могут очень хорошо перескакивать из одного атома в другой. Правда, еще лучше ток проходит по серебру, поэтому устройства в дорогих музыкальных системах лучше соединять серебряными проводами.

Нужно только представить себе мальчика и девочку, которые влюбились друг в друга. Сначала они тайком поглядывают друг на друга, краснея, если кто-то это замечает, и задумчиво рисуют сердечки в тетрадях по математике. Но уже с первой встречи на перемене между ними чувствуется напряжение, оно повисает в воздухе, и разрядить его можно, только если вместе пойти в кино. Но, к сожалению, часто бывает так, что до похода в кино проходит немало времени.

Виновато в этом сопротивление в самых разных видах: например, одноклассники, отпускающие глупые шуточки, неумные родители со своими запретами или компания друзей, которая точно знает, как надо делать и как не надо. Это сопротивление будет удерживать мальчика и девочку от похода в кино до тех пор, пока любовь и напряжение между ними не усилятся в несколько раз. Электрический ток устроен подобным же образом, только здесь, образно говоря, секстиллионы мальчиков и девочек ждут не дождутся, когда можно будет вместе пойти в кино. И наступает момент, когда они преодолевают даже самое большое сопротивление.

Заряды. Поля. Напряжение. Сопротивление. Пожалуй, теперь мы выучили достаточно, чтобы снова обратиться к Бенджамину Франклину и молнии. Как вы помните, Франклин предполагал, что облака перед грозой заряжены электричеством и ищут разрядки. Тогда молния – это такой совместный поход в кино, свидание неба и земли. Но как это доказать?

ВИРТУАЛЬНЫЕ ФОТОНЫ

Подобно тому как музыкальная колонка производит звук, который волнообразно распространяется вокруг нее, электрический заряд создает вокруг себя поле. Но как распространяется это поле? За передачу звука отвечают молекулы, передающие свою энергию соседям. Случай с полем объяснить труднее, потому что здесь вступает в действие квантовая механика – физическая теория, выходящая за рамки нашего опыта. Согласно ей, сила внутри поля передается «виртуальными фотонами» – частицами, лишенными массы, которые появляются из ничего и исчезают в никуда.