Есть много дел, которые подвластны только человеку: написание романов, создание живописных портретов, молниеносное касание клавиш фортепьяно при исполнении сонат Бетховена. Но строительство не относится к уникальным человеческим дарованиям. Никто не отрицает, что архитекторы создают одни из самых заметных продуктов человеческой деятельности. Но суть их искусства – проектирование укрытий для человека, которые не может разрушить сила земного тяготения, – близко к тому, что делают и другие представители животного мира. Строительством укрытий – от снежных берлог медведя-гризли до сложных плотин, возводимых бобрами для регулирования скорости водных потоков, – занимаются почти все виды животных на Земле.

Что отличает человека от других строителей? Мы создаем небоскребы 400 м высотой и ангары для сборки гигантских ракет. Человечество гордится каменными пирамидами, которые молчаливо и величественно стоят вот уже 5000 лет. Каждый из нас хоть раз пытался построить карточный домик, который рассыпался за несколько секунд. Мы построили офисные здания, в каждом из которых 50 000 человек одновременно могут стучать по клавишам компьютера или обмениваться шутками у диспенсера с водой. И у нас есть мобильные телефоны, достаточно миниатюрные, но таящие в себе большие секреты. И всё же, несмотря на творческие хитрости и оригинальность наших архитектурных творений, которые мы так тщательно проектируем и возводим, по сути они принципиально не отличаются от убежищ, которые строят для себя животные из веток и глины. Дело в том, что все здания – это убежища; а все убежища – как человека, так и животных – имеют нечто общее: строители применяют фундаментальные научные законы, чтобы побеждать в борьбе с силой земного тяготения, ветром, землетрясениями и старением.

Возможно, вы не доверяете каждому встречному. Но вы почти всегда убеждены в прочности любого здания, в которое входите. Крайне редко вас посещает мысль: «А оно не развалится?» Люди внушают доверие иногда, а здания – всегда. Немногие из нас живут дольше 90 лет, но многие из существующих в мире архитектурных объектов стоят в 100 раз дольше. Мы говорим: «Надежен, как дом», – веря, что мало что на Земле может быть надежнее. В ночных кошмарах нас часто посещают видения о том, как мы куда-то падаем. Но, если вы не живете на скользком склоне горы или в особо опасной сейсмической зоне в Тихом океане, вы имеет огромный шанс проснуться – благодаря вашему замечательному дому – именно там, где вчера пожелали спокойной ночи своим близким.

Наша уверенность в прочности зданий может быть твердой, как сталь. И в ее основе лежат впечатляющие научные законы и открытия. Но внешне незыблемая природа наших домов, офисных центров и других сооружений порой весьма обманчива. За нашей уверенностью в их устойчивости стоит реальная действительность: они ведут невидимую, но постоянную войну с силами гравитации, давления ветра и сотрясений почвы. Кажущиеся устойчивыми здания пребывают в состоянии постоянно меняющегося равновесия. В большинстве случаев оно выглядит как взаимная компенсация противоположными силами друг друга. Здания никуда не двигаются (ни быстро, ни медленно), потому что силы, пытающиеся их опрокинуть, и силы, удерживающие их в одном положении, находятся в состоянии абсолютного равновесия. И на самом деле трудностей тут гораздо больше, чем нам кажется. Они проявляются внешне только в тех редких случаях, когда гигантские сооружения внезапно падают. Многие ли из нас хотя бы когда-нибудь давали себе труд, несясь на лифте в офисном конгломерате, представить себе хотя бы на секунду все миллионы тонн стали, бетона и стекла, которые нависают над нашими головами, и то, что может произойти, если они в какой-то момент свалятся на нас? Тот факт, что здания разрушаются редко, лишний раз доказывает оправданность нашей веры в науку.

По научному определению сила – механическое воздействие на предмет, заставляющее его двигаться в определенном направлении. Удар ногой по мячу, переноска мешка с картошкой в багажник автомобиля, откусывание куска шоколадки и забивание гвоздей в стену – типичные примеры применения силы в быту. Сила, которая доминирует в нашей жизни и которая никому из нас не удается избежать, – это сила гравитации, в нашем случае – земного притяжения. Это сила, с которой притягивает к себе Земля, имеющая массу 6 000 000 000 000 000 000 000 000 кг (6 септиллионов килограммов), всё, что находится поблизости от нее. Сила гравитации создает вес – нашу повседневную весомость, которую мы умудряемся почти не замечать, если не озабочены проблемами похудения. Если вы типичный взрослый мужчина, масса вашего тела должна быть где-то в пределах 75 кг. Вы ее даже не замечаете – разве что если представите себе, как носите ее в руках целый день. Вы бегаете вверх и вниз по ступенькам или трусцой, прыгаете, танцуете зажигательную латиноамериканскую сальсу, по сути держа 75-кг пачку сахара на своих коленях.

Звучит пугающе, пока вы не возьмете карандаш и не произведете кое-какие подсчеты. Конечно, толщина коленей важна: пара крепких стволов деревьев будет держать ваш вес лучше, чем два карандаша. Я только что обмерил свои колени и выяснил, что окружность каждого составляет 22 см. Соответственно, площадь одной моей коленки (если представить ее себе в виде круга после мысленного сканирования моей ноги) составляет где-то порядка 40 см². Для удобства отвлечемся от реального строения человеческого тела – тканей, костей и того, как это всё подарочно упаковано в кожу, – и представим себе, что наши ноги – массивные стержни вроде стволов деревьев. Если я вешу 75 кг, то давление на обе мои ноги будет равно силе, давящей на них, деленной на площадь, на которую воздействует эта сила. Это примерно равно атмосферному давлению (давлению воздуха на всё, что нас окружает). Выходит около 1 кг на 1 см², и это примерно половина обычного давления в шинах автомобиля. Или, более наглядно, 7 кг сахарного песка на площадь почтовой марки (когда в следующий раз вы увидите кого-то, хромающего на распухших коленках, то поймете причину). Понятно, что нагрузка на каждую мою коленку – только половина моего веса, и это не так уж плохо. Всё зависит и от того, на чем я стою. Стопа за счет своего размера распределяет этот вес на большую площадь и снижает давление нашего тела на то, что лежит под нами. Асфальт или бетон легко выдерживают вес человека. Мягкий снег или мокрый песок на берегу могут просесть на несколько сантиметров, и на нем останутся наши следы, на которые так весело оглядываться. Зато в грязь или мягкий грунт наши ноги сразу провалятся по щиколотку.

У домов, конечно, коленей нет: весь вес здания и всего, что внутри, не покоится на двух относительно тонких колоннах в его основании. Большинство домов (и сооружений в целом) возводятся как прямые конструкции, перпендикулярные плоскости земли, поэтому чаще всего в разрезе они имеют примерно одинаковую площадь по всей высоте. Небоскребам вроде Эмпайр-стейт-билдинг часто для пущей устойчивости придают конусообразную форму: основания шире последующих этажей, и всё здание сужается кверху. Как можно сравнить приведенные выше показатели с показателями Эмпайр-стейт-билдинг? Вы можете ожидать, что это 102-этажное здание высотой 380 м с колоссальной силой воздействует на свое основание. Так и есть.

Но, как и в случае с нашим телом, главное здесь – не сила, а давление, определяемое площадью, на которую воздействует эта сила. Площадь основания Эмпайр-стейт-билдинг составляет примерно 8000 м², а общая масса здания оценивается в 330 000 т. Столько же весят 4,5 млн человек, или население всего города Калькутта в Индии[4]. Что примечательно, благодаря большой площади пятна застройки этот вес оказывает на почву давление всего лишь в четыре раза больше атмосферного[5]. Конечно, здесь необходимо внести корректировки: здание, как правило, не является монолитным блоком, стоящим на основании. В простейшем случае это некоторые объемы или пустоты, которые покоятся на опорах, установленных по периметру фундамента. Но давайте не углубляться в технические детали того, что поддерживает здание. Допустим, что 10 % его «отпечатка» на земле – это стены, а остальное – пустое пространство. Тогда показатель давления здания на землю нужно увеличить примерно в 10 раз, и он составит приблизительно 40 атмосфер[6]. Звучит очень солидно. Неудивительно, поскольку мы говорим об одном из самых больших, высоких и тяжелых зданий в мире.

Попробуем теперь понять, какое давление на землю оказывает обычный жилой дом. Нам, конечно, необходимо знать, сколько он весит, но вычислить это не так-то легко. Пролистывая архивные подшивки журнала «Популярная механика» (Popular Mechanics), я нашел статью за 1956 год, в которой масса среднего жилого дома оценивалась в 122 т[7]. Несколько лет назад колумнист газеты Sеattle Times Дэррел Хэй оценил массу типичного американского жилого дома в 160 т[8]. Сделаем допущение в большую сторону и будем считать, что масса такого дома составляет 200 т, если прибавить и весь тот хлам, который будет находиться внутри. Это солидно. Взрослый слон весит 5–7 т, так что речь примерно о 30–40 слонах, которые расплющивают ваш дом. Если площадь его застройки представляет собой квадрат со стороной в 10 м и, как и раньше, мы предположим, что основную часть нагрузки несут стены, мы вычислим, что дом давит на участок под ним с силой, равной примерно двукратному атмосферному давлению – или вдвое больше веса, который должны выдерживать ваши ноги. Так что, как ни удивительно, ваши хилые коленки испытывают на себе давление вдвое меньшее, чем стены дома.

Это вопрос из разряда тех, которыми дети всё время донимают взрослых. Как ни странно, многие из нас вполне довольны своим ответом вроде «потому что у дома есть фундамент». Но очень часто он не помогает отделаться от любознательного семилетнего мальчугана, который, скорее всего, задаст следующий вопрос: «А почему тогда не уходят под землю фундаменты?» Тот факт, что в абсолютном большинстве случаев дома остаются стоять именно там, где их построили, показывает нам нечто очень важное с точки зрения взаимодействия действующих на них сил: эти силы бывают двух видов. Есть статические (которые объясняют неподвижность домов и сооружений) и динамические (которые объясняют, почему скейтборды и ракеты движутся). А правильно понял законы их взаимодействия мрачноватый английский математик с переменчивым характером, чье имя слышал всякий и которого многие считают величайшим ученым в истории человечества: сэр Исаак Ньютон.

Из всех идей, которыми Ньютон обогатил современную физику, лучшие и гениальные касаются взаимодействия различных сил. А самые простые и фундаментальные изложены в трех уравнениях, которые называются законами движения. Первая из них (она же первый закон Ньютона) утверждает, что объект находится в состоянии покоя до тех пор, пока на него не начнет действовать какая-то сила. Этот закон следует помнить, когда вы забываете, куда положили ключи от машины или очки: вещи сами по себе не двигаются. Второй закон Ньютона рассказывает, что происходит с объектами, когда к ним прикладывается сила, заставляющая их двигаться. Вы бьете ногой по мячу (прикладываете к нему силу), и он взмывает в воздух, приобретая ускорение. Третий закон во многих смыслах самый интересный. Он гласит, что, когда на объект действует какая-нибудь сила, ей противодействует точно такая же по величине сила. Часто этот закон записывается в такой форме: «Все тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению»[9].

Как это применимо к зданиям? В случае небоскреба, который высится всей своей громадой в центре города и никуда не двигается, первый и второй законы Ньютона позволяют сделать вывод, что на него не воздействуют никакие силы. Первый закон гласит, что на тела в состоянии покоя никакие силы не действуют. Второй утверждает, что тело начинает двигаться только под действием каких-то сил. Вместе оба закона позволяют сделать вывод, что небоскреб остается в состоянии покоя, потому что на него не действуют никакие силы. Но мы знаем, что гравитация – сила земного притяжения – воздействует на здание постоянно. Если Ньютон был прав, то мы можем сказать, что все здания должны были бы под воздействием гравитации всё время «вгрызаться» в Землю. Хотя бы до того времени, пока их не растопит в кипящий суп чудовищный жар ядра нашей планеты.

Так почему этого не случается? Когда сила земного тяготения действует на тело строго вертикально вниз, земля с такой же силой противодействия выталкивает здание вверх. Две силы компенсируют друг друга, и здание никуда не двигается. Почему же его фундамент не уходит в землю? Потому что земля выталкивает его наверх. Даже самые высокие и тяжелые небоскребы редко дают усадку сверх допустимой. Многие из них покоятся на сваях, забитых глубоко в грунт. Эти сваи обычно либо достигают прочных скальных слоев, либо удерживаются на месте за счет высокой силы трения между их поверхностью и грунтом. Движение возникает только тогда, когда противоположные силы перестают компенсировать друг друга. Если здание начинает «плыть» в мягком грунте, то, с точки зрения физики, объясняется это тем, что он не создает достаточной противодействующей силы, которая удерживала бы здание от ухода под землю. Излишек силы, которая действует по направлению вниз (разница между весом здания и выталкивающей его вверх силой), и создает то движение, которое обеспечивает «усадку».

Если фундаменты не предотвращают падение зданий, откуда берутся силы, которые не дают им уйти под землю? Всё в мире построено из примерно 100 разных видов атомов – кирпичиков конструктора жизни, которые мы знаем как химические элементы (например, железо, серебро, углерод и кислород). Группы атомов составляют более крупные структуры, называемые молекулами: например, два атома водорода и один атом кислорода образуют молекулу воды (Н₂О). Большинство сил, с которыми мы встречаемся каждый день, возникают между атомами, внутри молекул или между молекулами. Об атомах и молекулах будет больше рассказано в следующих главах, а сейчас вкратце рассмотрим, как они могут создавать силы внутри зданий.

Представьте себе, что вы строите дом на огромном куске железа. Он состоит из атомов железа, выстроенных в очень жесткую структуру, подобную той, которая получилась бы, если бы мы плотно подгоняли сотни мраморных шариков один к одному в коробке. Каждый атом похож на шарик. Внутри него обычно заключено пустое пространство, но, как в большинстве сладостей, самое интересное начинается ближе к центру. На границах атомов есть «мягкие» облака электронов с отрицательным электрическим зарядом (как нижний конец батарейки). В центре атома расположено ядро, состоящее из очень плотно взаимосвязанных протонов и нейтронов и имеющее положительный заряд (как верх батарейки). Отрицательно и положительно заряженные части атомов не дают им слишком близко подойти друг к другу. Вы не можете сколь-нибудь заметно сжать кусок железа, потому что отрицательно заряженное электронное облако одного атома не может существовать вблизи такого же облака другого атома. Атомы взаимно отталкиваются друг от друга, как одноименно заряженные полюса магнита. Чем ближе вы придвигаете атомы друг к другу, тем труднее их сжать.

Если вы построите дом на огромной железной плите, то немного сблизите его атомы друг с другом, но лишь настолько, насколько они позволят. В этот момент вес вашего дома, давящий вниз, будет компенсирован противоположной силой, которая возникает между атомами и действует по направлению вверх. Мы обычно не строим дома на железных плитах, но тот же принцип действует и в случаях скального грунта, почвы и других жестких оснований. Вы можете уплотнить почву, поскольку она состоит из частиц, между которыми есть небольшие «карманчики» воздуха. Вы можете сжать песок, потому что «цепкие» песчинки способны двигаться друг относительно друга. Однако настанет момент, когда земля будет максимально уплотнена и «сжать» ее еще больше не получится. Дальшейшие попытки уплотнить ее – сизифов труд. Другие виды сил (имеющие отношение к электричеству, магнетизму или ядерной энергии) тоже возникают внутри атомов.

Каждый материал сжимается под действием сил на него, даже если сжатие микроскопическое и сопоставимо с диаметрами нескольких атомов. Интересно, что высотное офисное здание в центре города выше на микроскопическую величину ночью, когда оно пустое, чем днем, когда в нем находятся тысячи людей, вес которых добавляется к весу здания и вместе с ней давит вниз на основание. Насколько короче может быть здание днем? Для обычного небоскреба около 400 м высотой с примерно 50 000 людей внутри сжатие может составить порядка 1,5 мм[10].

Прочное основание крепко поддерживает ваш дом, но не всегда обеспечивает его полную устойчивость. Представьте себе простейший дом, который вы можете построить: из уложенных друг на друга камней или плотно утрамбованного песка на пляже. На этих примерах легко увидеть, как различные силы удерживают вместе разные вещи. Обычный дом – целый набор материалов, каждый из которых обладает собственным весом в результате гравитации – силы, которая действует на него вертикально вниз. Иными словами, дом в основном стоит за счет сил сжатия, которые вжимают стены в землю, а атомы земли выталкивают сооружение вверх.

В доме не могут быть одни только стены. Между ними много связующих элементов: балок, полов, обрешетки крыши и т. д. Все эти горизонтальные структуры испытывают напряжение (под которым их нижние части выгибаются) и сжатие (под которым их верхние части сгибаются) и передают свой вес и другую нагрузку на стены, придавая дому большую жесткость. Многие здания и сооружения стоят десятилетиями и даже столетиями, потому что применяемые при их строительстве материалы – дерево, камень и бетон – чрезвычайно прочны на сжатие. Это их свойство хорошо иллюстрируется конструкторами Lego, где используются плотно соединяемые пластиковые «кирпичики». Конструктор способен выдержать вес 375 000 таких кирпичиков, поставленных друг на друга. При этом высота конструкции может достичь 3,5 км. С точки зрения понятий силы каждый маленький строительный блок Lego может выдержать давление массы в 350 кг (вес в примерно 3500 Н)[11], то есть вес 4–5 человек[12]. «Да, впечатляет», – подумаете вы, если только не наступили случайно на один из таких «кирпичиков» голой ногой, убирая конструктор за малышом.

Здания падают по разным причинам, но в основе лежит одна: какой-то разрушительный фактор создает силу, большую, чем та, что связывает строение. Пожары так поражают конструкцию зданий потому, что огонь прежде всего разрушает деревянные несущие балки полов, обрешетку крыш и даже (при очень высоких температурах) стальные конструкции. Вес самих перекрытий и нагрузка, которую они несут, становится непосильной, и рушится прежде всего внутренняя конструкция здания. Внешние стены относительно редко разваливаются в результате пожаров, но сильно страдают от падающих вниз тяжелых фрагментов кровли. Часть несущей балки обычно падает первой и какое-то время свисает. Когда следом отрывается вторая часть, возникает эффект рычага, и балка с огромной силой разбивает стены здания.

Многие художественные галереи, библиотеки и другие общественные здания часто называют в честь людей, которые внесли наибольший вклад в их создание. А в метрической системе измерений присутствуют имена ученых, которые внесли заметный вклад в соответствующую область науки. Выдающийся вклад Исаака Ньютона в изучение сил, действующих в природе, отмечен так же. В современной науке многие силы измеряются в ньютонах (Н).

Как же понимается эта единица измерения? Известна история о том, что Ньютон создал закон притяжения, когда яблоко сорвалось с дерева и упало ему на голову (многие считают эту историю выдумкой). Если яблоко весит в среднем около 10 0 г, сила притяжения, действующая на нее, составляет около 1 Н. Если вспомнить то, что мы говорили выше о взаимной компенсации сил, то, положив яблоко на ладонь своей руки и удерживая его в таком положении, вы будете прилагать в направлении вверх силу в 1 Н.

Мы можем перевести массу в вес, умножив соответствующее значение на 10. Ведь Земля притягивает к себе любой объект весом 1 кг с силой в 10 Н. Если ваша масса составляет 75 кг, то сила земного притяжения, действующая на вас, составит 750 Н. Вроде всё просто. А как насчет других объектов, встречающихся нам в повседневной жизни? Если ваш дом имеет массу 200 т (200 000 кг), на него действует сила земного притяжения, равная 2 млн Н (2 меганьютонам). В табл. 1 для сравнения приведены и другие примеры.

Таблица 1. Сравнение сил. Силы – разнонаправленные внешние воздействия, которые заставляют объекты двигаться. Если они взаимно компенсируются, объект остается в состоянии покоя. В таблице приведены силы различных размеров

Почему небоскребы не сдувает ветром?

Если обычные дома пугают, потому что могут провалиться сквозь землю, то высотные здания создают другую причину для переживаний: а вдруг их может повалить ветер?

Крепкие ноги

Небоскребы обычно поражают своей высотой. Если вас спросить, во сколько раз небоскреб выше своей ширины, что вы ответите? 10 раз? 15? 20? Еще больше? К удивлению большинства людей, оказывается, что высота даже самых высоких зданий редко превышает их ширину в основании более чем в семь раз.

Секрет небоскребов в том, что мы обычно не замечаем их «крепкие ноги». Эмпайр-стейт-билдинг имеет ширину в основании около 100 м и 380 м в высоту. Соотношение высоты к ширине составляет всего лишь 4: 1. А у Эйфелевой башни это соотношение еще меньше – всего 2,4: 1.

Ваше «основание» с расставленными на ширину плеч ногами обычно составляет 30–50 см, так что в качестве «небоскреба» вы в четыре-пять раз больше ширины в основании. За указанные выше пределы таких соотношений выходят очень немногие небоскребы. «Костлявый» жилой Хайклифф в Гонконге имеет удивительное соотношение 20: 1. При таком показателе для удержания здания необходимо уже не только большое основание, но и особые инженерные решения.

Секреты городских ветров

Удивительнее всего в небоскребах не то, что они остаются на месте, где их построили, а то, что они как раз «не стоят на одном месте». По причинам, о которых мы расскажем в главе 15, скорость перемещения воздушных масс стремительно увеличивается с ростом высоты. Так что здание, возвышающееся на 500 м и одновременно достаточно широкое для того, чтобы быть устойчивым, представляет собой очень привлекательную цель для всех кружащих вокруг него ветров. Закрепленный намертво у земли, но подверженный воздействию мощных сил наверху (прежде всего силы ветра), которые давят на него горизонтально, небоскреб почти все время представляет собой гигантский рычаг. Достаточно сильный порыв ветра может разломать его пополам или вырвать с корнем, как дерево.

Казалось бы, из этого можно сделать вывод, что нам нужно строить здания, максимально устойчивые и жесткие к внешним воздействиям. Но оказывается, что колеблющееся высотное сооружение имеет гораздо больше шансов выжить. На интуитивном уровне вы можете понять это, если сравните эффект от колебаний желе на длинной палочке и вертикальной пирамиды из печенья. Как и желе, небоскребы спроектированы так, чтобы медленно колебаться под порывами ветров. «Башни-близнецы», например, были известны тем, что амплитуда колебательных движений в их верхней точке составляла целый метр, а «Тайбэй 101» (гораздо более новое и не такое известное высотное здание на Тайване) имеет в своей высшей точке колебания порядка 8 см[14].

Использование в небоскребах противовесов

Наиболее важен с точки зрения устойчивости небоскребов не столько сам предел их колебаний и их скорость. Небоскребы раскачиваются из стороны в сторону через определенные и предсказуемые промежутки времени. Высотное здание в Чикаго Башня Джона Хэнкока совершает одно колебание за 8,3 секунды (то есть колеблется с частотой в восемь раз меньшей частоты вращения секундной стрелки часов)[15]. Если колебания будут чаще, то у находящихся в здании людей может начаться морская болезнь. Небоскребы не падают, потому что ветер и подземные толчки заставляют их раскачиваться на манер маятников. По мере таких движений воздействующие на них силы исчезают, и небоскребы снова встают во весь свой «рост».

▲ Демпфирование (подавление) колебаний небоскреба на примере здания «Тайбэй 101». Огромный железный шар массой 660 т, который называется «инерционный демпфер», используется для придания устойчивости и противодействия силе ветра в небоскребе «Тайбэй 101». Шар динамично закреплен в верхней части строения с помощью гидравлических амортизаторов, работающих по принципу автомобильных. При сильных порывах ветра, ударяющих в здание слева или справа, тяжелый виброгаситель стремится прийти в исходное положение, отклоняясь на гигантских амортизаторах в сторону, противоположную наклону здания. Это позволяет компенсировать колебания здания, чтобы предотвратить приступы морской болезни у обитателей верхних этажей[16].

Что общего между пощечиной; шумными хлопками крыльев голубей, взлетающих с крыши вашего дома; шипением содовой таблетки от похмелья; подмигиванием красного зрачка пожарной сигнализации в ночи и мухой, пойманной и спеленутой смертельной паутиной? Всё это формы энергии[17]. Невидимая и непостижимая, она остается главной загадкой природы. Мы не можем ее себе представить, но она сама помогает нам ее понять. Поищем хорошее применение энергии мысли: попробуем понять, что такое энергия.

Вы энергичный спортивный человек – любитель бегать по лестницам или предпочитаете бочком проскальзывать в лифт (на эскалатор) и подниматься вверх на них? Чем вы упитаннее, тем ниже вероятность того, что вы захотите скакать по ступенькам. Большинство людей приписывают такое поведение исключительно лени, но на самом деле в его основе лежит серьезное и убедительное научное обоснование. Представьте себе двух инженеров – Энди и Боба, которые должны исправить вышедший из строя мотор лифта на Эмпайр-стейт-билдинг в небе над Манхэттеном. Энди – 95-кг здоровяк, а его помощник Боб – 65-кг жилистый спортивный человек. Поскольку лифт вышел из строя, подняться на небоскреб они могут только по ступеням лестницы, а их ужасно много: 1870… 1871… 1872.

Инстинктивно каждый понимает, что подниматься по лестнице – очень тяжелая работа. Чем выше вы забираетесь, тем больше энергии затрачиваете для преодоления притяжения Земли. Менее очевидно то, что более тяжелые люди должны совершать больше работы, чем стройные. Чем больше ваше тело и его масса, тем больше энергии нужно, чтобы передвигать ее вверх. Почему это меньше бросается в глаза? Потому что не каждому приходится проводить такой эксперимент: брать на плечи какой-то вес, подниматься с ним на какую-то высоту, затем через 10 минут брать другой и делать то же самое, а потом сравнивать ощущения.

Но различия в ощущениях, несомненно, есть, и очень значительные. Если вы потаскаете пакеты с покупками из супермаркета по лестнице, то быстро всё поймете.

Насколько больше энергии использует Энди, чтобы подняться на небоскреб? Эту задачу из программы средней школы можно решить одним росчерком ручки. К нашему удивлению, ответ будет 120 килоджоулей[18] (кДж), а решение мы поясним ниже. Это примерно столько же, сколько вы израсходуете на то, чтобы вскипятить воду на кружку кофе. Это дополнительное количество работы, которую должен совершить Энди только потому, что он тяжелее Боба. Когда они наконец достигают верха здания, обессиленные и молящие Бога о помощи, Энди лезет в свой ящик с инструментами в поисках упаковки печенья с шоколадной глазурью. «Я это заработал», – говорит он, широко улыбаясь и засовывая две печенюшки в рот. Остаток пачки он перебрасывает Бобу. Коллега Энди, внимательно всмотревшись в маленькие буковки на упаковке, вежливо отказывается: два печенья содержат 108 килокалорий (450 кДж). Теоретически, если бы вся энергия печенья была полностью использована на то, чтобы поднять тело Энди по лестнице (100 % этой энергии было бы преобразовано в то, что мы называем энергией механической), этого было бы более чем достаточно на подъем, который они только что совершили. «В следующий раз, – тихо бормочет Боб себе под нос, – Энди будет еще тяжелее подняться вверх»[19].

В чем-то мы понимаем энергию, а в чем-то нет. Мы все знаем, что энергия – невидимое топливо, которое приводит в движение всю нашу жизнь. Мы знаем, что должны залить бензин в автомобиль, чтобы он двигался. Мы знаем, что должны поесть два-три раза в сутки, чтобы шли наши внутренние часы. И мы знаем, что должны оплачивать счета за газ, если хотим иметь горячий душ и уютный теплый дом. Но многие ли из нас могут точно сказать, какое количество электричества они использовали вчера (дома, на работе или в школе), сколько энергии ежегодно потребляют такие большие города, как Нью-Йорк или Нью-Дели, или сколько электростанций мы должны построить в следующем десятилетии, чтобы не лишиться света? В общих чертах несложно понять, что такое энергия. Мы хорошо понимаем ее качественно, однако нам сложно оценить ее количественно. Именно поэтому нас так раздражают счета за газ и мы так волнуемся о том, что мир постоянно балансирует на грани энергетического кризиса (возможно, не в последнюю очередь объясняющегося и нашим поведением). Ведь мы всё больше тучнеем и потребляем в форме пищи гораздо больше энергии, чем необходимо, а в итоге сами подвергаем себя риску. Измерение энергии – важный источник знаний о ней и о том, как она движет миром. Об этом мы и поговорим ниже.

Люди твердят, что нельзя управлять тем, что вы не можете измерить. То же относится и к науке, но с небольшим нюансом. Здесь это звучит так: «Вы не способны познать то, что не можете измерить». Самый верный путь к познанию научных явлений, в том числе энергии, – начать «приделывать» им числа. Мы можем сравнить количество энергии, которое используем для повседневных нужд, с тем количеством, которое можем генерировать различными способами. Забираясь на Эмпайр-стейт-билдинг, мы тратим больше энергии, чем на съедение печенюшки наверху? Кажется, что нет (а на самом деле да). Можем ли мы произвести с помощью одного ветряного двигателя достаточно энергии для целого поселка? Да. Если мы подсоединим велосипедную динамо-машину к чайнику и будем, как сумасшедшие, крутить педали, сколько нам потребуется времени, чтобы вскипятить миску воды? Ответ – 21 час, а профессиональный велосипедист, вращающий хороший электрический генератор, мог бы справиться с этим за четверть часа[20].

Ученые измеряют энергию в единицах, которые называются джоулями, по имени известного английского физика Джеймса Джоуля, жившего в XIX веке и осуществившего первые эксперименты по измерению энергии (которую он любил называть vis viva, в переводе с латыни «живая сила»)[21]. В науке 1 джоуль – единица измерения энергии, но чему он равен? Как он выглядит и как его ощутить? Выше мы уже видели: чтобы вскипятить кружку воды, нужно 120 килоджоулей (120 000 джоулей). Так что один джоуль – не слишком впечатляющая величина. Возьмите апельсин, который весит приблизительно 100 г, и поднимите его на 1 м. При этом вы затратите примерно 1 Дж энергии. Немного, правда? Но посмотрим на это с другой стороны. Кипячение кружки воды требует 120 000 Дж. Это то же самое, как поднять 120 000 апельсинов (12 т) на высоту 1 м. Или забросить один апельсин на 120 км в высоту (это в 14 раз выше горы Эверест). Вот теперь впечатляет.

В принципе несложно теоретически подсчитать количество энергии, которое нужно нам в повседневной жизни: от езды на велосипеде до участия в марафонском забеге (табл. 2). Это «расходная» часть энергетического бюджета. Достаточно легко посчитать, сколько энергии содержится в одном шоколадном печенье, автомобильном аккумуляторе или куске угля, и понять, как ее использовать. Это другая, «доходная» часть энергетического бюджета. Благодаря трудам Джеймса Джоуля мы знаем, что энергетический бюджет в природе всегда сходится: количество энергии в «доходной» части точно соответствует количеству в части «расходной».

Таблица 2. Сравнение энергии. Чтобы почувствовать, что такое энергия, можно сравнить наши потребности в ней на разные нужды с возможностями ее генерации разными способами. Ниже мы сравниваем способы производства энергии (курсив) с путями ее применения (обычный шрифт). Для каждого пункта таблицы я высчитал показатель задействованной в нем энергии в джоулях (с этой единицей многие на практике не знакомы), киловатт-часах (единицы, по сумме которых нам выставляют счета электрические и газовые компании) и «восхождениях на Эмпайр-стейт-билдинг» – минимальном количестве энергии, которое потребуется среднему 75-кг мужчине для подъема на верх небоскреба по лестницам[22]. Из таблицы видно, что разряд молнии содержит столько же энергии, сколько нужно для 17 000 восхождений на Эмпайр-стейт-билдинг, а час плавания забирает столько же энергии, сколько семь таких восхождений

Представлять себе различные количества энергии, конечно, интересно, но не всегда полезно. Скажем, если восхождение на Эмпайр-стейт-билдинг и потребует от вас некоторого количества энергии, важнее то, сколько времени это займет. Вообразите себе, что подниматься вы будете за щедро отведенные вам восемь часов, постоянно останавливаясь, чтобы полюбоваться открывающимися видами. Это значит, что вы будете продвигаться вверх на четыре ступени в минуту. Занятие, конечно, скучное, но не станет слишком большой нагрузкой для вашего организма. Поставьте перед собой гораздо более амбициозную цель: добраться до верха небоскреба за полчаса. Тогда вам придется, задыхаясь, двигаться со скоростью ступень в секунду, что, конечно, не в пример труднее. Так что, когда речь идет об использовании или генерации энергии, очень важна продолжительность соответствующих действий.

Решить эту проблему мы можем, введя понятие мощности, которое отражает показатель использования или производства энергии (количество энергии, деленное на время, необходимое для ее использования или генерации). Как и в случае с самой энергией, мы можем лучше представить себе мощность, измерив ее. Это мы делаем с помощью показателя Дж/с, или ватт (Вт). 100-ваттная лампочка потребляет 100 Дж энергии в секунду. Если Энди пробежится до верха Эмпайр-стейт-билдинг за полчаса (и не свалится от остановки сердца), то он разовьет среднюю мощность порядка 200 Вт[23].

В вопросах генерации энергии ватт становится слишком малой единицей мощности. Пусковой рукояткой автомобиля можно произвести 10 Вт мощности. Но если вы пробовали генерировать энергию для чего-то вроде настольной лампы или ноутбука (а мне однажды довелось), то вы, наверное, знаете, что это утомительный физический труд[24]. Создание значительной мощности – трудоемкая задача. Крупный ветряной двигатель выдает примерно 2 мВт мощности (2 млн Вт), что равно мощности работающих одновременно 200 000 пусковых рукояток или 10 000 условных Энди, одновременно взбирающихся на Эмпайр-стейт-билдинг. Большая тепловая (работающая на угле) или атомная станция выдает уже 2 гВт мощности (2 млрд Вт), что равно мощности 1000 одновременно работающих ветряков. Именно поэтому в последнее время ветряные двигатели появляются всюду, как грибы после дождя. Дело не в том, что людям нравится их строить, а в том, что тысяча таких сооружений может произвести такое же количество электричества, как и одна большая электростанция.

Мощность – это энергия, деленная на время. Если вы хотите выяснить, сколько энергии использовано неким механизмом, например сушкой для белья, то можете умножить ее потребляемую мощность, указанную в техническом паспорте (она может составлять порядка 3000 Вт, или 3000 Дж/с), на время ее работы. Если механизм работал в течение часа, то это 60 минут, или 3600 секунд. Таким образом, суммарное использованное количество энергии составит 3000 Дж/с × 3600 с, или порядка 10 мДж (10 млн Дж, или 10 000 кДж).

Таблица 3. Разница в мощности различных механизмов и тел. Мощность – количество энергии, создающейся или используемой в единицу времени. Трудно представить себе, какую мощность может создать паровоз, не говоря уже об электростанции или космической ракете. Однако, если мы соотнесем их мощность с мощностью мотора Porsche Turbo (хорошего спортивного автомобиля) или хомячка, бегающего в колесе, то дело начнет проясняться. Это не значит, что вы можете заменить все эти источники энергии двигателем от Porsche Turbo (который никогда не выведет вас в космос, поскольку для работы ему нужен кислород) или колесом с хомячком (который сразу выбьется из сил). Если атомная электростанция за десятилетия существования может выработать гигантское количество энергии, то хомячок, выдав доступную ему мощность, упадет от истощения. И количество выработанной им энергии всегда будет мизерным[25]

Каждый может подсчитать, насколько трудно выполнять повседневные действия. Если для кипячения кружки воды для кофе необходимо 120 кДж, то за какое время справился бы с этой задачей хомячок? Грызун производит 0,5 Вт, или 0,5 Дж/с. Ему потребовалось бы 240 000 секунд, или около трех дней. С помощью пусковой рукоятки мы можем создать мощность 10 Вт, значит, смогли бы получить кружку кипятка в 20 раз быстрее, примерно за три часа[26]. А как бы обстояли дела, если бы у вас была своя личная АЭС? Подключенная к подходящему кипятильнику, она дала бы вам 1,5 млн Дж энергии всего за секунду. И вода для вашего кофе вскипела бы примерно за сотую долю секунды. Вот уж действительно быстро!

В энергии нас больше всего смущает то, что мы за нее платим. Ваши счета за газ и электроэнергию, скорее всего, выставляются в киловатт-часах. Вроде бы единица мощности (ведь в ее названии присутствует слово «ватт»), но на самом деле это единицы измерения количества энергии. Мощность – энергия, деленная на время. Поэтому энергия, деленная на время, а затем снова умноженная на него же, снова становится собой. Киловатт-час энергии (1 кВт × ч) – это такое ее количество, которое потребляется за час работы прибора мощностью 1 кВт. Как эти единицы измерения работают на практике?

Деньги не появляются на вашем банковском счете и не исчезают из кошелька необъяснимым образом. Мы зарабатываем и тратим в процессе постоянного обмена с другими. С энергией происходит то же самое. Если вы нуждаетесь в ней, вы должны где-то ее «заработать» (потребив некоторое количество пищи или залив в бак своего автомобиля бензин). Если вы хотите что-то сделать, вы «тратите» свою энергию и сокращаете имеющиеся запасы. С финансовой системой можно манипулировать, печатая или даже подделывая деньги и заставляя их появляться буквально из ниоткуда, а с энергией такие трюки не проходят, сколько бы вы ни старались. Во Вселенной есть строго определенное количество энергии, и мы можем только «торговать» ею с нулевым результатом: если где-то мы получаем какое-то количество энергии, где-то ее ресурсы на такую же величину уменьшаются. Это фундаментальный закон физики, который называется законом сохранения энергии (не путайте с тем, что в быту мы понимаем под экономией энергии).

Эксперименты Джеймса Джоуля помогли представить этот закон в его самой известной и действующей до сих пор форме: мы не можем ни создавать, ни уничтожать энергию; мы способны только переводить ее из одного вида в другой. В подтверждение своей теории Джоуль предложил остроумный и живописный пример с водопадом, показав, что температура воды в месте ее падения будет чуть выше, чем в месте срыва вниз. Причина в том, что часть энергии падающей воды превращается в тепло. Произведя несколько быстрых вычислений, Джоуль подсчитал, что температура воды в нижней точке Ниагарского водопада должна быть на 0,2 градуса выше, чем в верхней[29]. К сожалению, практический эксперимент Джоуля по доказыванию этой гипотезы не удался (во время медового месяца он пробовал провести его на водопадах в Шамони во Франции с использованием высокочувствительных термометров). Вода при падении на ложе водопада разбивалась на слишком мелкие капли, и ученый не смог измерить ее температуру достаточно точно[30].

Что происходит, когда вы кипятите литр воды? Вы сообщаете сосуду, в котором находится вода, энергию в количестве 378 кДж. Это может быть соответствующий объем электроэнергии, который поступит по электропроводу к тепловыделяющему элементу электрочайника и превратится в тепло. Или соответствующий объем газа, который сгорит в конфорке и сообщит такую же энергию воде. Теоретически, если удастся исключить все тепловые потери у сосуда с водой, это могут быть 378 кДж энергии, произведенной сверхбыстрыми движениями вашего запястья с ложкой. В этом случае источником энергии станет ваше тело – возможно, пополнившее свои ресурсы за счет шоколадного печенья, которое вы до этого съели. Предположим, вам все же удалось разогреть ложкой литр воды. К моменту, когда она закипит, ваше тело должно потерять 378 кДж энергии, а вода получит столько же в виде тепла. Если вы потом выпьете эту горячую воду, то вернете себе часть затраченной энергии. Вода согреет ваше тело и восполнит количество энергии, которое вам нужно для поддержания нормальной температуры.

Когда мы начинаем понимать, что такое количество энергии, то более ясно осознаём и многие другие явления нашей жизни, которые вроде бы прямого отношения к ней не имеют. Например, почему страдают машины во время аварий; почему ожог паром болезненнее, чем ожог кипятком, и почему так опасно падать с лестницы. Во всех случаях ответ один: потому что энергия должна во что-то трансформироваться. Здесь тоже действует закон ее сохранения.

Если вы едете по скоростному шоссе со скоростью 150 км/ч (40 м/с) в полуторатонной спортивной машине, в процессе движения она приобретает энергию. Мы называем эту энергию кинетической и можем рассчитать ее по простой формуле: это половина массы движущегося тела, умноженная на скорость в квадрате[31]. Подставив нужные числа, вы легко найдете, что машина обладает энергией немного более 1 мДж. Как только она сталкивается с препятствием, ее скорость падает до нуля и она утрачивает кинетическую энергию. Так что разбить автомашину в ДТП значит высвободить энергию в 1 мДж в мгновение ока. А появляющаяся в результате мощность будет равна энергии, деленной на количество секунд, в течение которых происходит авария. Так что если ваша машина сжимается в гармошку, скажем, в течение половины секунды, то возникает мощность: 1 мДж / 0,5 с = 2 мВт. Это (как видно из табл. 3) примерно равно мощности паровоза. Именно поэтому автоаварии часто приводят к летальному исходу и поэтому машина в процессе серьезного ДТП так деформируется. Чем дольше длится сам процесс аварии, тем меньше время воздействия сил (на сам автомобиль и сидящих в нем людей), и тем больше у ее участников шансов выжить.

Если вам посчастливилось выйти из ДТП невредимым, скажите спасибо за то, что конструкция многих современных автомобилей способна поглощать при ударе максимум энергии, минимизировать действие внешних сил на пассажиров и спасать их жизни. Чем хуже выглядит машина после аварии, тем сердечнее стоит поблагодарить судьбу. Вы выживаете за счет того, что гибнет машина. Современный автомобиль жертвует собой, чтобы спасти вас. Теоретически человек может создать неразрушимые машины, которые из всех ДТП будут выходить только с царапинами. Но в этом случае не будет объекта, который «высасывает» энергию столкновения, воздействующие на вас силы будут огромными и даже небольшой удар может оказаться роковым[32].

Тот же принцип применим и к ситуации, когда вы обжигаетесь чайником: энергия кипящей воды должна куда-то уйти, и она уходит в ваши пальцы, поражая живую плоть. Пар при температуре 100 °C содержит гораздо больше энергии, чем кипящая вода той же температуры. Ведь для отделения молекул воды друг от друга в паре необходимо вложить в него большую энергию. Если ваша рука попадает в струю пара, она испытывает двойное поражающее действие высокой температуры. Сначала она абсорбирует ее и превращает пар в кипящую воду, а затем охлаждает воду до температуры вашего тела.

Чтобы забраться на строительную лестницу, нужна энергия. Если вы упадете с нее, то эта энергия (которая называется потенциальной, поскольку существует в накопленном виде и ее можно использовать в будущем) должна будет высвободиться и куда-то перейти. Она и перейдет – в ваше тело. Если вы забираетесь по лестнице на крышу дома (высота около 10 м) и весите 75 кг, то потенциальная энергия составит 7500 Дж[33]. Стоит вам сорваться с лестницы и при падении удариться головой о бетон при длительности импульса удара около 0,1 секунды, на ваше тело обрушится мощность в 75 000 Вт (75 кВт). Сила, которая будет при этом воздействовать на вашу голову, обратно пропорциональна времени воздействия: чем быстрее уйдет энергия, тем больший ущерб она нанесет. Если вы подставите числа в соответствующее уравнение, то получится, что при ударе на вашу голову будет действовать такая же сила, как если бы на ней сомкнулись челюсти крокодила[34]. Этого достаточно, чтобы сломать кости и даже убить человека. Почему же вам может быть нанесен такой ущерб? Почему вы можете даже погибнуть? Потому что энергия должна перейти в другую форму и переместиться на другой объект.

Разговоры о джоулях, ваттах и даже – что для вас, наверное, важнее – о деньгах четко доказывают: для всего, что мы делаем, нужна энергия, и ее надо выработать, затратив некие ресурсы. Это неприятная сторона закона сохранения энергии. Но есть и хорошая новость. Использование энергии не всегда настолько же бессмысленно, как сжигание денег для получения тепла: иногда мы можем получить ее назад.

Если вы заберетесь вверх по лестнице в своем доме, то превратите потребленную вами пищу в энергию, в «хитрую» ее разновидность – потенциальную, которую можно использовать для различных целей. Если вы удачливы (и эксцентричны), то можете установить дома пожарный шест и спускаться по нему со второго этажа на первый. При этом вы переведете свою потенциальную энергию в вид кинетической (движение и скорость). Теоретически вы можете устроить сложное ременно-шкивное устройство (что-то вроде колеса для хомячка), которое будет сообщать вращение ротору и преобразовывать вашу кинетическую энергию от движения вниз в энергию электрическую. Разумеется, поскольку на каждом этапе процесса будут иметь место потери энергии (например, в виде тепла и звуков от трения), вы не произведете столько электрической энергии при спуске, сколько генерировали потенциальной энергии при подъеме. Но все равно какую-то часть энергии вы сохраните. Что точно невозможно – так это вернуть обратно изначальный источник всей этой энергии, калорийное печенье. Хотя закон сохранения энергии и допускает это, мы пока не придумали способа возвращать из небытия еду после спуска с Эмпайр-стейт-билдинг (которую вы потребили перед восхождением вверх). Это важный урок для всех нас. Большая часть энергии, которую мы используем – в наших голодных желудках и прожорливых спортивных машинах, – исчезает бесследно, унося бесценные ресурсы (подробнее об этом см. главу 13 и главу 14). Энергия очень ценна. В Земле сосредоточено определенное конечное ее количество, и нам нужно очень тщательно продумывать ее использование еще до того, как мы потеряем какую-то ее часть.

Вы вряд ли ощущаете себя супергероем. Но вы как раз супергерой. Вы можете рушить стены, пробивать отверстия в кирпичной кладке и поднимать автомашину голыми руками. Как? Конечно, не с помощью вашего слабого тела, а с использованием научных трюков, «упакованных» в домашний инструмент вроде молотков, гвоздодеров и отверток, а также более сложную технику: кофемолки, стиральные машины, пневматические ключи и моющие аппараты высокого давления.

За исключением редких моментов, когда мы повреждаем или даже ломаем кости, мы не задумываемся о нашем скелете – костной структуре, которая прикрыта кожей. Мы стараемся обойтись без напоминаний о нашей смертности. «С глаз долой, из сердца вон». Это выражение дважды истинно для тех белых формирований и трубок в нашем организме, существование которых мы принимаем как должное. Причем наш скелет не является подобием тех невидимых железных каркасов, которые держат небоскребы. Он не только несет на себе наш вес, но и помогает увеличивать силу наших мышц так, что мы можем ходить, бегать, поднимать тяжести и вообще делать всё, что должны. В общем, наш скелет – машина, спрятанная внутри нас.

В быту мы ассоциируем понятие «машина» с кранами, бульдозерами и разного рода двигателями или роботизированными конвейерами, на которых машины шьют одежду или сваривают корпуса автомобилей. В науке же машины выглядят проще. И мы можем называть их именно так. Простая машина – любое приспособление, которое увеличивает нашу силу: от крошечной чайной ложечки до скрипучей тачки, от шариковой ручки до отвертки. Наши тела – тоже простые машины, потому что наш скелет гораздо эффективнее, чем веревочки и ниточки безжизненных марионеток. Почти каждая кость и сустав в нашем теле работают как составляющие рычага: пальцы, руки, ноги и т. д. Наша жизнь основана на действии рычагов, и если оставить в стороне мозг и кровь, то люди – прежде всего простые машины.

Загляните в ближайший хозяйственный магазин. Вы найдете там сотни инструментов и приспособлений, которые можно подразделить на три или четыре вида. В основе каждого находится либо рычаг, либо колесо, либо клин. Всё это простые машины. Тачки, например, построены на принципе рычага. Но на нем же построено и колесо, и передачи, и различные блоки и шкивы. Кухонные ножи и стамески работают так же, как наклонные плоскости, по которым вы поднимаетесь и спускаетесь. Так же работают и шурупы. Всё множество задач, для выполнения которых мы используем инструменты, может быть объяснено всего лишь десятком научных идей.

Архимед (лысеющий бородатый древний грек, который стал одним из основателей современной науки) однажды заявил, что если бы ему дали достаточно длинный рычаг, то он смог бы перевернуть Землю. (По моим расчетам, такой рычаг должен был бы иметь длину 80 квинтиллионов километров, или 500 млрд расстояний от Земли до Солнца[35].) Рычаг – прародитель всех машин: большинство инструментов и приспособлений в той или иной степени используют рычаги разных видов. В принципе рычаг – стержень, который имеет с одного конца точку опоры. Им может быть обычный лом. Чем больше расстояние от точки опоры до конца рычага, тем больше он увеличивает приложенную к нему силу. Иногда это могут быть даже вызывающие улыбку невероятные величины. Отсюда и логика Архимеда, который хотел перевернуть с помощью рычага планету. В быту мы обычно сталкиваемся с более понятными принципами рычага, например когда открываем дверь или завинчиваем крышку на банке с джемом. Различные инструментальные и гаечные ключи, а также ломы и ломики – самые наглядные образцы рычагов. Но работа различных дверных и прочих ручек, выключателей и даже рулонов бумажных полотенец тоже основана на принципе рычага.

Интересно, что в колесе, по сути, тоже используется принцип рычага. Вы легко можете убедиться в этом на примере круглых водяных кранов, которые вы поворачиваете то в одном, то в другом направлении, чтобы либо пустить, либо остановить воду. Во многих кранах есть спицы – по сути не что иное, как маленькие рычаги. Чем спицы длиннее, тем легче открывать или закрывать воду: тем больше сила, которую вы через рычаг сообщаете крану. Если у вас артрит или другое заболевание рук, для вас могут изготовить специальные, более длинные спицы, которые можно сдвигать даже легкими движениями кистей или локтей. У многих современных кранов круглые ручки. При наличии воображения их можно представить себе как бесконечное множество миниатюрных спиц, которые расположены на манер лепестков маргаритки на стебле и создают круг. Если же ваш кран имеет ручку, то она одновременно работает и как рычаг, и как колесо.

В рычагах и колесах замечательно то, что вы можете использовать их по-разному, чтобы самостоятельно увеличивать либо силу, либо скорость движения. Когда вы закрываете кран, то при повороте ручки прилагаете большую силу к его оси. Это всё равно что использовать гаечный ключ, создавая значительное усилие для отворачивания туго поддающейся ржавой гайки в центре воображаемого круга, где расположена головка ключа. Но вы можете вращать рычаг и с другой стороны. Именно это и происходит, когда вы работаете топором. Тогда ваши плечи остаются в центре круга, а рычаг в виде длинного топорища сообщает большую скорость лезвию на его конце, которое быстро врезается в дерево. Мы изучим эти варианты работы рычага подробнее, когда в следующей главе рассмотрим принцип работы велосипеда.

Когда мы говорим о великих изобретениях, на ум сразу приходит колесо, которое сопровождает нас уже более 5000 лет. Оно переносит нас из нашего дома во многие другие места. Но и там, где мы живем, оно работает на полную катушку. Стиральные машины, блендеры, электрические дрели, кофемолки, дисководы компьютеров, DVD-проигрыватели используют принцип колеса. Если учесть распространенность разнообразных колес в нашей жизни, а также то, что колесо – одно из величайших изобретений человечества, оно вполне заслуживает того, чтобы мы больше рассказали вам о принципах его работы.

Заключенный в колесе принцип рычага относится к самому простому из двух секретов работы колеса: чем больше оно в диаметре, тем большую силу дает человеку. Поверните окружность колеса на некоторое число градусов, и его центр (по сути, точка опоры рычага) повернется на то же число градусов, но значительно медленнее и со значительно большей силой. Именно поэтому до того, как в автомобилях повсеместно стали использоваться гидравлические усилители, у старых грузовиков и автобусов были гигантские рулевые колеса. Но у колеса есть и еще один секрет, причем гораздо менее известный.

Почему туалетная бумага скручивается со втулки?

Английская компания Andrex продавала по 13 млн км туалетной бумаги ежегодно под лозунгом «мягкая, прочная и очень, очень длинная» благодаря одному забавному и милому рекламному клипу. Он изображал очаровательного игривого щенка, который тянул зубами за свободный конец рулона туалетной бумаги и очень быстро покрывал ею пол во всем доме.

За этим смешным трюком стоит вполне солидное научное объяснение. Ведь рулон туалетной бумаги – всего лишь колесо. А колесо действует как рычаг: чем больше его диаметр, тем большего усиления можно достичь. Гораздо легче раскрутить целый рулон бумаги: стоит приложить небольшое усилие, и в центре рулона величина действующих сил станет больше. Когда рулон начинает вращаться, он приобретает импульс[36] – это научный термин, объясняющий, почему тяжелые грузовики и нефтеналивные танкеры так трудно остановить. Полный рулон весит больше, чем пустой, а его масса распределена относительно центра полой трубки, на которую он намотан (в науке мы говорим, что у него больше момент инерции[37]). Начав вращаться, он продолжает вращение ввиду сохранения импульса так же, как тяжелый маховик на старых моделях автомобилей со сцеплением. Так и выходит, что за несколько секунд туалетная бумага покрывает весь пол в вашем доме.

Насадите четыре колеса на две оси – и перед вами основа для конструкции, с помощью которой перемещать тяжелые вещи гораздо легче, чем перенося их в руках или волоча по земле. Все это знают, но как это объяснить? Как колёса облегчают передвижение предметов? Всё это имеет отношение к вопросу о силах и к тому, что колёса вращаются вокруг осей. Представьте себя лежащим на земле и привязанным к веревке, за которую вас волочет лошадь. Это наверняка очень больно: все ваше тело будет с большой силой тереться о землю. Лошади тоже будет тяжело, потому что ей придется преодолевать силу трения (из-за взаимного трения между твердой поверхностью земли и поверхностью вашего тела).

Теперь превратим вас в человека-повозку. Представьте себе, что к большим пальцам ваших рук и ног (они будут осями) прикрепили четыре колеса. Вы можете поддерживать тело в ровном напряженном положении и не касаться земли. Что вы при этом почувствуете? Вместо того чтобы ощущать все шероховатости земли, вы будете только чувствовать некие вращательные движения колес вокруг ваших пальцев. Огромная сила трения, с которой вы имели дело раньше, во много раз уменьшилась. Мы перенесли ее с объекта (ваше тело) на воображаемые оси (пальцы ваших рук и ног).

Это и есть секрет работы колес: они резко уменьшают трение с землей за счет трения между колесами и осью. Чтобы передвигать повозку, по-прежнему нужны усилия: вы все равно должны преодолевать трение. Но теперь оно намного меньше. И именно здесь помогает принцип работы рычага, заключенный в колесе. Когда вы толкаете повозку сзади, колёса работают как рычаги и увеличивают силу, с которой вы толкаете объект, облегчая преодоление того остаточного трения, которое сохраняется в месте крепления колес к осям.

Чтобы нагрузить грузовик гравием, нужно изрядно поднапрячь спину, если вы просто заполняете им мешки и переносите их руками. Гораздо легче грузить гравий в тачки и завозить его в грузовик по мосткам. Тачка – прекрасный образец машины, который мы рассмотрим позже, но мостки – тоже машина. Если представить себе, как движется груз, то мостки тоже будут своего рода рычагом. Когда вы толкаете груз по ним, вы тоже используете принцип рычага.

Действие мостков легче представить себе в понятиях энергии. Если вам нужно поднять 200 кг гравия на высоту 1 м от земли, вы должны использовать одно и то же количество энергии, независимо от того, как вы это делаете (закон сохранения энергии). При этом вы должны потратить минимум 2000 Дж[38]. Если гравий упакован в мешок и вы поднимаете его на метр, сгибая колени и затем выпрямляясь, то вы развиваете мощность порядка 2000 Вт, то есть такую же, как электрический чайник или тостер. Но если тот же гравий насыпан в тачку и вы толкаете ее перед собой по наклонной плоскости, достигая той же высоты примерно за 4 с, вы можете генерировать то же количество энергии – 2000 Дж – вчетверо медленнее, создавая мощность всего 500 Вт (это мощность небольшого ручного блендера). Таким образом, если мы абстрагируемся от силы трения и потери энергии на создание звуковых колебаний, которые сопровождают вашу работу с ржавой тачкой, вам все равно придется приложить вчетверо меньшую мощность, чем если бы вы просто поднимали груз. Толкать тачку по наклонной плоскости вчетверо легче, чем поднимать тот же груз вертикально. Но здесь есть и маленькая хитрость: приходится толкать тачку на большее расстояние в течение большего времени, так что количество затраченной энергии будет одинаковым. Вам будет вчетверо легче, но работа займет вчетверо больше времени.

Представьте себе остроконечный холм, похожий на рожок мороженого, на котором ложбинка бежит снизу вверх. Сожмите высоту холма до размеров вашего мизинца и вообразите его сделанным из стали – и вы получите шуруп. Он имеет такую же наклонную плоскость, которая вьется спиралью вокруг его оси. И работает он точно так же, как описанные выше мостки.

Представьте себе, что вы хотите установить в своей комнате полки для книг, опирающиеся на кронштейны. Кронштейны можно прикрепить к стене, просто прибив их шурупами, как гвоздями. Это потребовало бы значительных усилий, а стена была бы изуродована. Обычно в таких случаях применяется другой вариант: вы вворачиваете шурупы в стену при помощи отвертки. С каждым ее поворотом вы совершаете достаточно большое круговое движение. А шуруп входит в стену на меньший угол. Точно так же, как вы поступаете, поднимаясь на автомобиле по серпантину или двигая вверх тачку по наклонной плоскости, вы уменьшаете потребляемую мощность и прилагаете меньшую силу. Для вас это легче, но требует большего времени. Ваши рука и запястье при ввинчивании шурупа действуют как колесо, помогая вам увеличивать создаваемую вами силу. Некоторые отвертки имеют боковые рукоятки, которые дополнительно увеличивают используемую силу рычага.

Рычаги, колеса и наклонные плоскости – научная тайна, окружающая почти все известные нам инструменты. Большинство устройств и приспособлений, которыми мы пользуемся при самостоятельном ремонте, как правило, объединяют в себе две-три умные идеи, что приносит отличный результат.

Тачка – отличный образец того, как несколько простых машин соединены в одно очень нужное приспособление. Тачка опирается на ось переднего колеса и работает как рычаг. Если вам нужно переместить тяжелый груз, лучше всего положить его в переднюю часть тачки, ближе к колесу. Опирающийся на колесо длинный металлический контейнер и присоединенные к нему ручки работают по принципу рычага, облегчая поднятие тяжестей. Когда вы поднимаете тачку и толкаете ее вперед, вы используете все физические преимущества колеса, опирающегося на переднюю ось. А если вам нужно высыпать содержимое в грузовик, вам здорово помогут пологие мостки, ведущие к кузову.

Если вам нужно расколоть деревянные чурбаки, необходим мощный тяжелый колун. Его длинная ручка работает как рычаг, продолжая замах ваших рук, которые опираются на ваши плечи. Те, в свою очередь, используют рычаг верхней части тела, опирающейся на поясницу. А если вы сделаете более энергичный замах, то можете включить в движение и ноги, которые прочно опираются о поверхность земли. Таким образом, в этой работе вы задействуете сразу три рычага. Их задача в том, чтобы придать максимальное ускорение лезвию топора. Само заостренное лезвие и клиновидная форма топора работают по принципу наклонной плоскости. Когда лезвие вонзается в дерево, последнее раздвигается по диагонали под действием большой силы, возникающей благодаря клиновидной форме колуна. Это похоже на перемещение тачки вверх по наклонной плоскости.

Принцип работы молотка не отличается от принципа работы топора. Чем длиннее у молотка ручка, тем больше плечо рычага, когда вы размахиваетесь, и с тем большей силой происходит удар. Но с помощью молотка вы делаете другую операцию: пытаетесь загнать гвоздь как можно глубже в стену или доску. Молоток помогает вам достичь этой цели двояко. Поскольку его головка по площади значительно больше шляпки гвоздя, сила удара сосредоточивается на маленькой поверхности. Это сообщает гвоздю высокую силу проникновения, и он легко входит в стену.

Вдобавок молоток значительно тяжелее гвоздя. Представьте себе, что молоток и гвоздь – это бутса футболиста и мяч, которые соприкасаются во время удара. Чем быстрее движется бутса (надетая на стопу мускулистой ноги, увеличивающей плечо рычага, который ускоряет движение ноги спортсмена), тем большей кинетической энергией она обладает. Из закона сохранения энергии мы знаем, что суммарная энергия ноги и бутсы до удара по мячу должна быть равна суммарной энергии ноги, бутсы и мяча после удара. Если нога футболиста в этот момент останавливается, то вся энергия переходит на мяч[40]. Поскольку он меньше и легче ноги спортсмена и бутсы вместе взятых, он летит по своей траектории с большой скоростью. То же происходит с молотком и гвоздем: обычный гвоздь весит в 100 раз меньше, чем обычный молоток. Большая разница в их массе позволяет загнать гвоздь глубоко в стену.

Многое из того, что в обычной жизни мы не воспринимаем как инструменты, работает по строго научным принципам. Например, цилиндры передают постепенное давление поршня на жидкость, что приводит к ее выбросу в любое узкое отверстие на ее пути. Понять принцип действия цилиндра легко, если помнить, что жидкости почти не сжимаются. Попробуйте сдавить литр воды в хотя бы немного меньший объем – и вы поймете, что это невозможно. Именно поэтому падение на живот на водную поверхность гораздо болезненнее, чем падение на матрас. А прыжок в реку с высокого моста часто заканчивается летальным исходом. Молекулы воды сопротивляются сжатию примерно так же, как твердая почва под домом предотвращает его проваливание в грунт. Падение в воду на большой скорости практически равнозначно по эффекту падению на бетон.

Если вы не любитель самостоятельного ремонта, вы, скорее всего, с трудом различаете типы отверток и вовсе не интересуетесь техническими характеристиками дрели и вопросом, почему она работает. Но прожить без простых машин все же трудно. Вся кухонная утварь (от ножей, которые используют принципы рычага и клина, до миксеров, которые использует различные колесики и передачи) в большинстве своем основана на одних и тех же научных принципах. Они применяются и в вашем автомобиле: всевозможные рычаги, колеса, передачи и даже гидравлические тормоза (которые, по сути, являются теми же цилиндрами). Даже если вы расслабляетесь по выходным, вокруг вас опять же действуют принципы физики – когда вы занимаетесь бегом или плаванием, играете в футбол или гольф (во всех этих видах спорта руки и ноги человека используются как рычаги).

Если оставить в стороне все сложные вопросы стратегии и тактики игр с мячом, все они, по сути, сводятся к одному: как наиболее эффективно передать энергию от тела мячу (иногда используя бейсбольную биту или другое приспособление) так, чтобы он полетел как можно дальше по заранее заданной контролируемой траектории. В футболе вы используете свои ноги для того, чтобы применить в отношении мяча принцип рычага и сообщить ему импульс. Соотношение масс ноги и мяча определяет, насколько эффективно энергия передается мячу. Чем дольше соприкосновение вашей ноги с мячом, тем больше импульс, определяющий продолжительность приложения силы к объекту, и тем больше количество движения снаряда. Именно поэтому спортсмены так много внимания уделяют «сопровождению удара» (продолжению движения конечностей для продления контакта с мячом). Спортивный физик из Австралии Род Кросс подсчитал, что теннисисты, игроки в софтбол и бейсбол наиболее эффективно передают энергию тела мячу тогда, когда их руки примерно в шесть раз тяжелее биты, а бита примерно в шесть раз тяжелее мяча[42]. Вот почему мяч с такой скоростью отлетает после удара битой или теннисной ракеткой: вся энергия спортивных снарядов должна куда-то уходить.

Гольф освоить сложно, поскольку основной его прием – свинг, то есть замах с ударом, – основан одновременно на многих законах физики. Всё ваше тело вращается вокруг бедер, создавая эффект рычага, в тот же момент, когда вращается и ваша клюшка, также используя принцип рычага, но в другой плоскости. Клюшка передает свою энергию мячу в зависимости от того, насколько правильно и насколько долго она находится в контакте с ним. Как и в теннисе, здесь важно соотношение масс ракетки, клюшки и мяча. Плюс ко всему при ударе мы обязаны учитывать законы баллистики и аэродинамики (угол возвышения и полета мяча, при котором он пролетит наибольшее расстояние; то воздействие, которое оказывают на мяч специальные ямочки на его поверхности, которые в принципе должны делать его более устойчивым; эффект обратного вращения, или подкрутки и т. д.). Сложите все эти факторы, и вы получите сложную задачу, которую ваш мозг должен приучиться решать путем применения принципа «совершенство достигается только практикой».

Чемпионы не могут не думать о научных достижениях в своих видах спорта – ведь для них малейшее улучшение результата может иметь решающее значение. Но наукой не следует пренебрегать и любителям. Она развивается по так называемому научному методу, который состоит в выдвижении гипотез на основе наблюдений и постепенного сбора всё большего числа надежных доказательств с использованием экспериментов. Например, я научился плавать, рассматривая передвижение человеческого тела в воде в качестве научной проблемы. Согласно третьему закону Ньютона, вы должны отталкивать воду назад, чтобы двигаться вперед, и вертикально ударять по ней ногами, чтобы оставаться на плаву. Вот и вся теория. Несколько простых бултыханий около берега показали, что она вполне работоспособна. Во всех ваших занятиях: высококлассном теннисе или скоростном нарезании моркови на кухне – применим тот же принцип. Потратьте немного времени на осмысление научной основы любого дела – а затем используйте ее, чтобы добиваться победы.

Как можно хитрить с велосипедом? Например, создать машину длиной с автобус и высотой в три человеческих роста? Или велосипед, на котором умещаются 24 человека? Или такую машину, которая может следовать за гоночным автомобилем в потоке разреженного воздуха со скоростью поезда? Согласно Книге рекордов Гиннеса, всё это уже сделано.

Однако способов обмана в велосипедном спорте гораздо больше. Это подтвердит семикратный победитель престижнейшей велогонки «Тур де Франс» американец Лэнс Армстронг, который использовал сильнодействующий допинг, чтобы прибавить себе сил, когда он, словно паровоз, мчался к победам в своей знаменитой желтой майке лидера[43]. Признание Армстронгом своей вины вызвало взрыв возмущения среди профессиональных велосипедистов. И это было справедливо. Но пораженные спортсмены не заметили, что велосипед – один сплошной обман. Всё в велосипедном спорте крутится вокруг того, как передвигаться быстрее, дальше и эффективнее, чем на своих ногах. Наука зачастую помогает нам решать рутинные проблемы. И велосипед – один из лучших тому примеров.

Задолго до того как вы начинаете крутить педали велосипеда, почти касаясь ими земли, он начинает демонстрировать вам свои чудеса. Помните, как мы рассчитывали давление на почву, создаваемое типовым жилым домом, и обнаружили, что оно в принципе не отличается от давления, которое оказывает наше тело на наши колени? А что происходит, когда вы катите на велосипеде?

Когда вы садитесь в седло, весь ваш вес опирается на два или больше пустых круга (колеса), связанных несколькими металлическими прутами или трубками. Чем внимательнее вы вглядитесь в велосипедное колесо, тем более впечатляющим оно покажется. Первые колеса представляли собой сплошные кругляши дерева, и можно было ясно видеть, как они несут на себе вес груза. Дерево крепких пород практически невозможно сильно сдавить. Его атомы давят вверх, сопротивляясь давлению груза. Этого вполне хватает, чтобы преодолеть эффект сжатия и спокойно выдерживать соответствующее напряжение в деревянном массиве. Сплошные деревянные колеса выдерживают нагрузку в несколько тонн. Но и сами они весят тонну, а то и больше. Поэтому так тяжело сдвинуть с места покоящуюся на них повозку, а тем более толкать ее вверх или через препятствия. Потому-то люди изобрели спицевые колеса. Большая часть тяжелого дерева в них отсутствовала, остались лишь несколько прочных опор внутри колеса, которые и несли на себе вес. Этот проверенный долгим человеческим опытом принцип используется и по сей день при конструировании колес для автомобилей. Но не для велосипедов.

Велосипедные колеса устроены иначе. Обычно треугольная рама покоится на двух втулках. Те опираются на оси, а колеса прикреплены к втулкам и вращаются вокруг осей. Но взгляните внимательно на эти колеса.

Внутри них есть спицы. Каждая спица с виду довольно непрочная. Она сделана из той же проволоки, что и дешевые вешалки, которые вы можете согнуть одной рукой. Не будет преувеличением сказать, что 99 % поверхности велосипедного колеса – пустое пространство. Сидя на своем велосипеде, вы по сути опираетесь практически на воздух. Конечно, секрет в количестве спиц. У обычного гоночного велосипеда в каждом колесе 24 спицы (иногда 32, 36 и даже 40). Таким образом, в двух колесах 48 спиц. Предположим, вы весите 75 кг, а сам велосипед – 25 кг. Значит, все его спицы должны поддерживать этот груз. Для облегчения расчетов допустим, что всего спиц 50. Получается, что на каждую из них приходится 2 кг (или 20 Н). Могли бы вы расположить две пачки сахара, каждая по 1 кг, на проволочных плечиках для одежды без риска погнуть их? Сомнительно. Значит, с точки зрения науки здесь должны действовать еще какие-то силы.

Вы можете легко согнуть велосипедную спицу, но, сколько бы вы ни старались, вам не удастся растянуть ее. В этом и состоит секрет работы велосипедного колеса. В отличие от обычного колеса повозки, на которое давит только сила сжатия, спицы велосипедного колеса испытывают еще и силы натяжения, подобно струнам скрипки, нитям паутины или тросам подвесного моста. Если вы представите себе, что вес велосипеда давит на втулки колес, как вес подвесного моста на опоры, то поймете, что велосипед к тому же висит на своих спицах подобно тому, как мост висит на своих тросах. В любой момент спицы над втулками велосипеда более натянуты, чем расположенные под втулками. Но все спицы велосипедного колеса постоянно испытывают напряжение.

Еще интереснее, чем кажущаяся непрочность велосипедных спиц, представляется их расположение вокруг втулки. В отличие от простого колеса, спицы велосипедного идут не прямо из обода к центру втулки. Они соединяются с ней под определенным углом. Такое соединение называется тангенциальным. Поскольку втулка велосипедного колеса достаточно широка, одни спицы прикрепляются к ней с одной стороны, а другие – с другой. В результате мы получаем туго натянутую сеть из спиц, на которые равномерно распределяется вес ездока и самого велосипеда. Сеть может выдерживать не только его, но и нагрузки, которые возникают при поворотах, когда велосипед наклоняется в их сторону. Система велосипедных спиц и колес является трехмерной структурой, находящейся под сильным механическим напряжением, которая может противодействовать силам, действующим на нее в разных направлениях. Если вы вспомните, что каждая спица велосипедного колеса – довольно непрочная проволока, которую можно согнуть рукой, то поймете, что велосипедное колесо – настоящее инженерное чудо.

Спицы и колеса велосипедов – это только начало. Хотите увидеть еще несколько трюков? Вспомните о том «несправедливом» преимуществе, которое рычаги дают нам, когда мы хотим увеличить прилагаемую к тому или иному объекту силу. А теперь посчитайте рычаги, которые вы видите на велосипеде.

Руль велосипеда – рычаг, который помогает вам поворачивать переднее колесо даже при плотном соприкосновении шины с поверхностью дороги. Гораздо легче управлять горным велосипедом, у которого широкие и длинные ручки руля, чем гоночным, у которого ручки узкие и специально изогнуты так, чтобы велосипедисту было легче принимать позицию, которая позволяет снизить сопротивление воздуха. Рычаг руля имеет еще одно полезное свойство. Он помогает прочнее удерживать руль, когда на него воздействуют силы от неровностей дороги. Например, представьте себе, что переднее колесо велосипеда попадает в ямку, в результате чего он резко отклоняется в какую-то сторону. Сила, которая при этом воздействует на вас, значительно уменьшается за счет противодействия ей рычага на руле. В результате человеку легче выдерживать при езде на велосипеде прямую траекторию.

Педали (подобие пусковой рукоятки, концы которой упираются в ваши ноги), по сути, также являются рычагами, которые помогают вам увеличивать мышечную силу ваших ног при их движении вниз и вверх. Разумеется, и руль, и педали должны соотноситься по размеру в определенных пропорциях. Теоретически чем длиннее ручки руля, тем легче управлять велосипедом (вспомните: большие рули на грузовиках или автобусах – более мощные рычаги). И чем длиннее шарнир педалей велосипеда, тем легче их вращать. Но размах ручек вашего велосипеда не может быть больше, чем размах ваших рук, а шарнир педали не должен задевать землю.

Колеса велосипеда – тоже, по сути, рычаги, хотя с первого взгляда это и неочевидно. Как мы видели в предыдущей главе, многие рычаги, облаченные в формы молотков, пусковых рукояток и гаечных ключей, предназначены для того, чтобы увеличивать вашу силу: вы поворачиваете длинный конец с имеющейся у вас силой на большее дуговое расстояние, чем поворачивается его центр, который движется медленнее, но создает большее усилие. Мы обычно пользуемся велосипедом, чтобы попасть куда-нибудь быстрее, чем если бы шли пешком. Мы хотим, чтобы в велосипеде традиционные рычаги работали в порядке, обратном обычному. Так и происходит.

Если вы вытянете руку вперед и поднимете ее на 90°, как будто хотите бросить крикетный мяч, ваша кисть опишет гораздо более длинную дугу, чем ваше плечо. Она преодолеет большее расстояние, причем (хотя это может быть незаметно) с меньшим усилием. Именно поэтому высокие теннисисты бьют по мячу с большей силой, чем их низкие соперники. А приложение некоторого усилия в центре колеса дает большую мгновенную скорость движения точки на краю колеса. Именно так и работает колесо велосипеда. Чем больше его диаметр, тем больше плечо рычага и тем большую скорость вы получаете, хотя прикладываемая сила уменьшается. Поэтому гоночные велосипеды, которые должны развивать более высокую скорость, имеют колеса большего диаметра, чем их горные собратья, для которых нужна меньшая скорость, но большее усилие при преодолении крутых склонов. Первые велосипеды имели гигантские колеса для достижения скорости. Но ездить на них было так же непросто, как и на слонах (кто захочет использовать лестницу, чтобы сесть на велосипед; и представьте себе, что произойдет, если вы с него упадете).

Если вы живете, как я, на высоте 100 м над уровнем моря и в 10 минутах от него, спуск к берегу на велосипеде и подъем на нем назад покажутся вам гораздо более проблематичными, чем поход вниз пешком, а назад – на автобусе. В одну сторону нужно всё время двигаться вниз, а в другую – всё время вверх. Если бы наш мир был абсолютно плоским, использование велосипеда в путешествиях на такое короткое расстояние было бы отличным вариантом. Однако в реальности вы имеете дело с надоедливыми холмами, которые постоянно встают на вашем пути.

Старинные велосипеды оснащались огромными колесами только ради скорости. Даже при большом желании вам не удалось бы подняться на таком велосипеде вверх по малейшему уклону. Там использовался принцип рычага только в одном направлении. Вы нажимаете на педаль, соединенную с центром переднего колеса, и оно вращается значительно быстрее, но с меньшей силой, чем его центр. Сил для того, чтобы подняться на холм, вам не хватает. Легко понять, как сделать скоростной велосипед: просто увеличить диаметр колес. Но, чтобы забираться по дороге вверх, нужна иная конструкция: велосипед с небольшими колесами, на которые передается увеличенная сила от нажатия на педали. Вы вращаете их быстро, а велосипед продвигается вперед медленно, но с силой, достаточной для того, чтобы преодолевать подъем. Звучит отлично. Так что мне нужны два велосипеда: один для спуска в город к побережью, который увеличивает скорость и уменьшает необходимую силу давления на педали; и другой для того, чтобы забираться обратно на холм, который за счет меньшей скорости обеспечивает большую силу на внешнем диаметре колеса. Можем ли мы соединить две машины в одной? Да, и тут нам помогут велосипедные передачи.

Велосипедная трансмиссия – набор шестерней, которые могут зацепляться зубцами одно за другое или за цепь. Пара зубчатых колес может либо увеличить скорость вашего велосипеда и уменьшить силу, действующую на колеса, либо сделать с точностью до наоборот. Но никогда шестерни не могут сделать это одновременно.

На первый взгляд в зубчатой передаче все дело именно в зубцах. Однако углубления во внешней окружности колеса служат лишь для того, чтобы они не проскальзывали по отношению друг к другу. Секрет работы передачи состоит в соотношении окружностей двух колес, которые зацепляются друг за друга. Если одно работает как рычаг, то два соприкасающихся колеса работают в точке соприкосновения как соединяющиеся рычаги. Если вы повернете центр первого колеса, то его окружность сместится быстрее, но с меньшей силой. Второе колесо, соприкасающееся с первым, должно повернуться по окружности на точно такое же расстояние, что и первое. Центр второго колеса повернется медленнее, но с большей силой. Если первое колесо больше второго, мы увидим более быстрое вращение второго, хотя и с меньшей поворотной силой (она называется крутящим моментом). Если больше второе колесо, то первое будет вращаться быстрее, а второе медленнее, но с большим крутящим моментом.

На велосипеде заднее колесо имеет фиксированный размер, как и ведущее, с которым жестко соединены шарниры и педали. Если соотношение между ведущей и ведомой шестернями велосипеда жесткое, то, подбирая размеры шестерней, вы можете сконструировать велосипеды двух типов: либо для того, чтобы мчаться на высокой скорости по ровной поверхности, либо для того, чтобы забираться вверх с гораздо меньшей скоростью. Но вы не можете добиться этого одновременно. Так что мы возвращаемся к тому, с чего начали: к необходимости иметь два велосипеда для спуска с возвышенности и подъема на нее.

К счастью, в велосипедах есть одно техническое достижение: ведущие и ведомые шестерни соединены цепью и имеют целый набор шестеренок разных размеров, которые можно по-разному соединять при помощи этой цепи. Передвигая специальные рычажки на системе передач, вы перебрасываете цепь с шестерни на шестерню, создавая между ними различные соотношения. Это хитрое механическое устройство, которое называется переключателем скоростей, позволяет вам делать это даже на ходу. И один велосипед способен работать в двух противоположных режимах. На высокой передаче, когда вы быстро едете по ровной дороге или под уклон, заднее колесо вращается гораздо быстрее, чем ведущее колесо каретки (быстрее и с меньшей силой). На низкой передаче, наоборот, заднее колесо будет вращаться медленнее, чем шестерня каретки. На этом колесе будет создаваться большее усилие, необходимое для езды по сложному покрытию или грунту, а также для подъема на склоны.

Как на практике соотносятся скорости велосипедов с работой передач? Если вы олимпийский чемпион, гонящийся за максимальной скоростью, то соотношение передач (количество зубцов на приводной шестерне заднего колеса по отношению к количеству зубцов ведущей шестеренки каретки) может составить 1:5. То есть вы умножаете один полный поворот ведущего колеса на пять оборотов ведомого. Если колеса вашего велосипеда имеют примерно 62 см в диаметре, а длина их окружности составляет около 2 м, один полный поворот педалей уносит вас вперед на 10 м[44].

Как и все домашние инструменты и приспособления, о которых мы говорили в предыдущей главе, все эти «хитрости» велосипедов – рычаги, колеса и передачи – должны подчиняться фундаментальным законам физики. Передачи могут сообщить вашему велосипеду большую скорость или большую силу тяги, но не обе одновременно. Если бы это было возможно, то вы «выжимали» бы из заднего колеса больше энергии, чем вкладываете в педали. Как мы видели в предыдущих главах, это невозможно, поскольку идет вразрез с законом сохранения энергии.

Легко увидеть, как мы остаемся в строгих рамках этого закона, если сравнить силу, скорость и энергию на педалях велосипеда и его заднем колесе. Предположим, вы двигаетесь на высокой передаче по ровной дороге. Возможно (например), вы делаете один полный оборот педалей, а заднее колесо делает при этом два оборота. Так вы увеличиваете свою скорость вдвое и вдвое же уменьшаете силу, приходящуюся на заднее колесо. Вы нажимаете на педали с определенной силой и каждый раз затрачиваете на один поворот колес велосипеда определенную энергию. Энергия, нужная вам для того, чтобы совершить определенную работу (например, поднять апельсин), равна применяемой вами силе, умноженной на расстояние, на котором вы ее используете (насколько высоко вы поднимаете тот же апельсин). На колесах велосипеда сила уменьшается вдвое, зато скорость вдвое возрастает. Последнее подразумевает, что за то же время вы преодолеваете вдвое большее расстояние. Таким образом, вы используете половину силы для прохождения вдвое большего расстояния, что равнозначно использованию изначальной силы для преодоления изначального расстояния. Следовательно, вы тратите точно такое же количество энергии. Ура! Законы физики вновь доказали свою жизнеспособность.

В езде на велосипеде замечательно то, что это занятие чрезвычайно эффективно с точки зрения физики. Автомобиль весит где-то в 20 раз больше, чем вы, а вес велосипеда составляет от одной пятой до четверти вашего веса. То есть обычная машина весит в 100 раз больше обычного велосипеда, даже если вы единственный пассажир[45]. Когда вы движетесь вверх по склону холма, то поднимаете несколько металлических или алюминиевых трубок, два круга резины, немного пластика и несколько десятков тонких спиц. Когда же вы едете вверх по тому же склону на автомашине, то преодолеваете силу земного тяготения для массы в одну или две тонны. Попробуйте подтолкнуть вверх заглохшую машину (я однажды так делал), и вы быстро ощутите разницу.

По сравнению с ездой на машине прогулка на велосипеде кажется чем-то почти невесомым. Но если вы понаблюдаете за профессиональными велогонщиками-шоссейниками или любителями езды по горам, то отметите, что они трудятся изо всех сил. Почему? Их тяжелая работа подразумевает, что, помимо перемещения собственного веса и веса велосипеда, они на что-то еще затрачивают много энергии. Куда она девается? Может показаться, что, поднимаясь вверх по склону на велосипеде, мы теряем энергию. Но это не так. Вы сопротивляетесь силе земного притяжения, но приобретаете энергию потенциальную. Это значит, что вы можете со свистом спуститься по противоположному склону холма, не затрачивая почти никаких усилий. В это время потенциальная энергия перейдет в кинетическую. Так что в целом потери энергии в процессе путешествия будут незначительными. И все же ясно, что при езде по любой местности велосипедисты безвозвратно теряют часть энергии. Куда же она уходит? При езде на велосипеде есть три пути потери энергии: трение, сопротивление ветра и сопротивление качению.

Как вы уже знаете из предыдущей главы, принцип работы колеса состоит в том, что трение передвигаемого тела о землю переносится на трение вокруг осей транспортного средства. При езде на велосипеде энергия теряется на сопротивление трению в каретке, когда вы крутите педали; в осях самих колес, в оси руля при поворотах и т. д. Когда вы нажимаете на рукоятку тормоза, то сдавливаете обод колеса твердыми резиновыми пластинами, и велосипед останавливается. Кинетическая энергия при этом превращается в тепловую, которая нагревает и тормозные колодки, и сами колеса. Это тоже потери энергии. И они могут считаться безвозвратными: вы никак не можете с пользой применить ту же тепловую энергию, образующуюся при езде.

Одно из высших удовольствий при езде на велосипеде – ощущение упругого давления встречного воздуха на лице и теле. Но тут тоже тратится энергия. Когда вы идете пешком, воздух кажется вам невидимым, «ничем», которое служит одной цели: дать вам возможность дышать. Но это не вакуум: воздух полон молекул, которые находятся на вашем пути. Идти в воде гораздо труднее: вы должны проталкивать тело сквозь вязкую жидкость. Езда на велосипеде сродни движению в воде. Всё дело в степени различия. Разумеется, она не требует стольких же усилий и таких же потерь энергии. Но какое-то ее количество все равно теряется. Чем быстрее вы едете, тем больше сопротивление воздуха и тем больше энергии вы теряете. Спортсмен, мчащийся на гоночном велосипеде на высокой скорости, около 80 % энергии, которую он затрачивает на вращение педалей, использует для того, чтобы «пробить» путь сквозь воздух. На горном велосипеде на это уходит около 20 % вашей энергии: его скорость относительно невелика из-за ям и рытвин на горных дорогах[46].

Куда же уходит 80 % энергии (в случае горного велосипеда) или 20 % ее же (в случае велосипеда гоночного)? Вам доводилось месить тесто для хлеба? Пробовали ли вы в течение нескольких минут подряд переминать слои теста? Это на удивление тяжелая работа, ведь вам приходится все время менять порядок молекул в массе, сближая одни и отдаляя другие. При этом тесто приобретает вид, очень далекий от изначального. Меняется и его структура: ведь вы проделали большую работу и вложили в нее много энергии. Езда на велосипеде очень напоминает этот процесс. Вы заставляете колеса вращаться, и шины и находящийся в них воздух постоянно подвергаются растяжению (вверху) и сжатию (внизу). Вращение шин требует энергии. Она затрачивается на преодоление сопротивления качению. Если тесто после разминания становится более упругим, то езда на велосипеде никак не меняет шины. При этом затрачиваемая энергия переводится в тепло (и звук) при растяжении и сжатии шин. Толстые и плотные шины горного велосипеда имеют более высокое сопротивление качению, чем тонкие и эластичные шины велосипеда гоночного. Оставшаяся часть вашей энергии, затрачиваемой на езду на велосипеде, расходуется на преодоление сопротивления качению. На горном велосипеде на это уйдет 80 %, а на гоночном – 20 % энергии.

Можно ли что-то сделать, чтобы уменьшить потери энергии при езде на велосипеде? Если энергия у нас теряется тремя способами, то и сохранять ее мы можем тоже по трем направлениям.

На первый взгляд борьба с трением должна быть самой легкой задачей: вам всего лишь нужно как следует смазывать втулки, передачи и цепь. Но те потери, которые связаны с работой подшипников, шестеренок и т. п., – самые легкие заботы. Гораздо большие потери от трения происходят, когда вы тормозите и растрачиваете впустую весь импульс, который приобрели. При этом вы безвозвратно переводите его в тепло. Опытные велосипедисты стараются избежать этой проблемы, минимизируя необходимость торможения. Обычно вы заранее можете предвидеть, когда нужно будет остановиться (например, на светофоре), и заблаговременно снижаете усилия, прилагаемые к педалям. Тормоза-то вы используете реже, но это не спасает вас от потери кинетической энергии при остановке. Здесь вы ничего не можете поделать. Гибридные автомашины и электропоезда используют так называемое регенеративное (рекуперативное) торможение: энергия торможения преобразуется в электрическую и накапливается в специальных аккумуляторах для повторного использования. Как мы увидим в следующей главе, эта техника очень эффективна для больших и тяжелых транспортных средств, перемещающихся с высокой скоростью (там доля регенерируемой энергии велика). Но она не очень хорошо работает в случае легких транспортных средств, двигающихся на относительно малых скоростях с небольшой энергией (велосипедов в том числе).

Наверняка вам доводилось видеть велосипедистов-любителей, которые путешествуют, затянутые в тонкие трико из лайкры и в каплевидных шлемах на голове. Эти люди стараются снизить те 80 % расхода энергии, которая теряется на преодоление сопротивления воздуха. Обращали внимание, как они выстраиваются в линию друг за другом? Если вы попадаете в разреженный воздух за следующим перед вами гонщиком, то можете сэкономить от четверти до трети усилий, которые вы затрачиваете, когда едете в одиночку[47]. И это только начало. Профессиональные гоночные велосипеды имеют различные приспособления для улучшения аэродинамики. Это и специальный руль, на который вы можете опираться локтями, снижая сопротивление воздуха; и спицы в виде пластин, которые служат той же цели. Группирование спортсмена в форме «черепахи» позволяет ему нестись вперед со скоростью зайца, а обтягивающая одежда предназначена для того, чтобы двигаться быстрее. Хотя для среднего велосипедиста, наслаждающегося поездками по воскресеньям, все это куда менее важно, чем для среднего олимпийца.

А как вы смотрите на бритье ног для того, чтобы мчаться на велосипеде быстрее? Я внимательно просматривал научно-технические журналы в поисках доказательств того, что бритье ног может улучшить результаты велосипедиста, но не нашел их. Неудивительно. Как провести такие исследования? Вряд ли вы можете выступить на соревнованиях, побрить ноги и выступить снова. Не можете вы побрить и одну ногу, чтобы сравнить с другой. Чтобы установить истину, нужно организовать хитрый эксперимент в продувочном тоннеле. Можно в нем установить манекен велосипедиста и «продуть» его сначала с приклеенными к ногам «волосами», а затем без них. Наверное, от бритья ног спортсмены могут получать дополнительную уверенность. Для вас же, как простого любителя, все преимущества могут состоять в облегчении массажа ног после тренировки или обработки ран, которые вы можете получить при падении. Олимпийские чемпионы борются за каждую долю секунды, но для остальных такие ухищрения по преодолению сопротивления воздуха имеют минимальный эффект[48].

Лосось может выпрыгивать высоко из воды, потому что его тело похоже на очень гладкую трубу, которая движется навстречу и параллельно потоку воды. Профессиональные велосипедисты достигают высоких скоростей тогда, когда пытаются использовать такое природное явление в своих интересах. Лучший способ резко снизить сопротивление воздуха – использовать лежачие велосипеды (лигерады) вместо обычных машин. В таких велосипедах, которые расположены низко к земле, вы лежите или полулежите на спине, словно в гамаке на колесах. Лежачие велосипеды передвигаются быстрее других двухколесных машин. Поскольку вы находитесь в отклоненном положении, вы прорезаете воздух так же, как лосось воду, вместо того чтобы ударяться о воздушный поток всем телом с ловкостью грузовика.

Если вы относитесь к езде на велосипеде серьезно, то можете легко «заболеть» всеми этими идеями. Группы велосипедистов, носящихся по дорогам с бритыми ногами и затянутых в лайкру, – хорошее тому доказательство. Но нужно помнить и о главном. Велосипеды – хитроумные машины, которые доставляют нас из одной точки в другую с поразительной эффективностью. Используя научные принципы, они значительно превосходят по эффективности электромобили, мотоциклы, дизельные автомобили, паровозы и даже человеческое тело. Езда на велосипеде гораздо удобнее и продуктивнее ходьбы, ведь вам не нужно приноравливаться к дороге. Вы затрачиваете меньше мышечной энергии на тот же путь. Вы теряете так мало энергии при передвижении на велосипеде, что глупо (и чудовищно неблагодарно) страдать из-за скрипящих тормозов, комковатых шин или даже волосатых ног.

На нашей планете 1 млрд автомобилей[50]. Попробуйте их сосчитать! Поставьте их один на другой, и у вас получится гора в 170 000 раз выше Эвереста. Этого достаточно, чтобы достичь Луны четыре раза. Выстройте эти машины бампер к бамперу – и они покроют расстояние с запада на восток США 1200 раз. Миллиард (тысяча миллионов) – величина, которую трудно себе вообразить. Подскажу: население Земли чуть больше 7 млрд человек; в день оно потребляет 2 млрд чашек кофе. В мире около 6 млрд мобильных телефонов[51] и от 1 до 2 млрд овец[52]. Если вы можете вообразить овцу за рулем «Ягуара», болтающую по мобильному телефону, который зажат у нее между мордой и плечом, то вы наверняка способны представить себе миллиард автомобилей.

Мне интереснее не то, что в мире так много автомашин, а почему их так много. Почему всего за один век автомобиль стал одним из самых успешных изобретений человечества? Неудивительно, что ответ связан с наукой.

Автомобиль – химическая лаборатория на колесах. Звучит скучновато, но это во многом и объясняет его популярность. Уберите кожаные сиденья, сверкающий хром, покраску, которая так и подгоняет машину ехать быстрее, и все остальные примочки – и останется несколько жестянок, которые называются цилиндрами, где бензин взрывается, высвобождая энергию. Машины создаются вокруг моторов, и эти моторы (полное название – двигатели внутреннего сгорания) сжигают бензин в смеси с кислородом, чтобы высвободить заключенную в топливе энергию. Мы часто представляем себе горение как огонь, но на самом деле это химическая реакция между различными видами топлива и кислородом, которая случайно производит тепло и пламя в качестве побочных продуктов. Простая наука, связанная в нашем сознании с машиной, настолько приземленная, что мы подчас даже не задумываемся о ней: залей бензин в бак, поверни ключ в замке зажигания – и вперед! Но если поразмыслить об автомобиле серьезнее, то можно понять, насколько он удивителен.

Предположим, обычный городской семейный седан потребляет примерно 7 л бензина на 100 км. Это значит, что чайной ложки топлива (около 0,004 л) достаточно, чтобы сдвинуть автомобиль на 60 м, примерно на 15 его корпусов. Представьте себе, как трудно тронуть машину с места, и я уверен, что вы согласитесь: это удивительно. Бензин – замечательное вместилище энергии: это второе по энергоемкости вещество на земле, уступающее по этому показателю только урану (атомная энергия). И это гораздо лучше, чем любая другая причина – включая свободу передвижения, независимость и социальный статус, которые дает автомобиль, – объясняет его популярность.

Ездить на машине – почти то же самое, что быть человеком-снарядом. Автомобиль может нести вас над землей с огромной скоростью, преодолевая большие расстояния на одной заправке. Если бак вашей машины вмещает 70 л, а расход топлива составляет 7 л на 100 км, на одном баке вы можете переместиться на 1000 км. Остановившись для заправки всего четыре раза, вы можете пересечь США от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса.

Звучит впечатляюще, но на самом деле не так уж автомобиль и замечателен, как кажется. Конечно, если вы задались целью пересечь Америку, то он гораздо удобнее велосипеда. Во всяком случае, тогда, когда вы не готовы прикладывать сверхчеловеческие усилия. Здесь автомобиль, безусловно, самое быстрое и удобное средство передвижения, если не брать в расчет самолет или поезд.

Но представьте себе такую картину: вы хотите забраться на Эверест, и у вас есть три варианта – пешком, на велосипеде или на машине. И здесь сразу же приходит мысль: «Неужели мне необходимо тащить наверх весь этот металлолом?» Нести вверх велосипед – тоже удовольствие сомнительное, но если вы едете в гору на машине, то поднимаете не только свой вес, но и массу всего автомобиля (около 1,5 т). В этом и заключается его недостаток. Куда бы вы ни поехали на машине, вы чувствуете себя узником, к ноге которого цепью прикован металлический шар размером 4–5 м, весящий в 20 раз больше, чем вы сами. Если вы все же умудритесь добраться до вершины горы, то будете понимать, что 95 % потребленной энергии было истрачено впустую на подъем самой машины. И только 5 % тратятся на полезную работу, которая для вас важна: перемещение вашего тела на вершину. Именно поэтому автомобили пожирают столько бензина и потребляют столько воздуха. То, что я сказал о подъеме в гору, применимо к поездке на автомашине по любой поверхности. Куда бы вы на машине ни отправились, вы тащите с собой целую гору металла и тратите на это ценную энергию. И совсем неслучайно, что спортивный суперкар Ariel Atom, одна из самых быстрых машин в мире, является в то же время одной из самых легких. Она весит около 500 кг, от четверти до трети массы обычного малолитражного автомобиля[56].

Одним словом, во всех автомашинах, работающих на углеводородах, есть один громадный недостаток: они слишком тяжелы. И этот вывод мы можем сделать сразу, еще не разбирая подробно других причин их неэффективности. Фундаментальная проблема автомобилей заключается в том, что они используют только 15 % энергии, заключенной в бензине. Остальное теряется разными способами: потери производимого тепла в цилиндрах, потери на трение в механической части, даже на звук, который издает двигатель, на работу электросхемы и т. д. Если бы коэффициент полезного действия автомобиля составлял 100 %, а энергия жидкого топлива полностью преобразовывалась в кинетическую, наши машины покрывали бы на том же количестве топлива в 5–10 раз большее расстояние. Это значит, что одной чайной ложки бензина нам хватало бы на полкилометра, а то и больше.

▲ На что автомобиль тратит энергию? Машины ужасно неэффективны. При поездке по городу только примерно 15 % энергии топлива, которое вы купили, генерирует полезную мощность для колес. Всё остальное – потери двигателя (например, потеря тепла в радиаторе), «паразитические» потери (ими мы «обязаны» генератору, который отнимает энергию для производства электричества) и потери трансмиссии, которая сообщает энергию колесам. По материалам Министерства энергетики США, Управления по транспортному сообщению и качеству воздуха[58].

Чем больше людей в машине, тем выше ее полезная нагрузка по отношению к собственному весу и тем больше эффективность ее использования. Именно поэтому грузовики, автобусы и дизель-поезда достаточно эффективны, хотя и используют тяжелые дизельные двигатели. Но какой бы эффективной вы ни делали машину или другой вид транспорта с двигателем внутреннего сгорания, принцип их работы остается одним: сжигание топлива и выброс в атмосферу загрязняющих веществ от сажи до углекислого газа, становящихся причиной глобального потепления. Как же создать более совершенное, чистое и эффективное средство передвижения типа машины? Что говорит наука?

Хитроумные изобретатели в разное время предлагали самые разные типы двигателей для автомашин. До того, как появились бензиновые двигатели, существовали двигатели паровые. Но они оказались очень неэффективными и непригодными для использования в автомобилях. Кроме того, уголь тяжел, грязен и выбрасывает в атмосферу огромное количество загрязняющих веществ. Дизельные двигатели, которые представляют собой промышленный вариант бензиновых, тоже достаточно стары (они появились в конце XIX века) и также используют эффект внутреннего сгорания в цилиндрах. Многие думают, что электрические двигатели для автомобилей появились относительно недавно, но это не так. Это произошло задолго до расцвета империи Генри Форда, также в конце XIX века. Фердинанд Порше, более известный как создатель линейки современных спортивных автомобилей, стал пионером гибридного автомобилестроения, создав машину с электрическим двигателем в 1900 году[59].

Набросать на бумаге рисунок нового обтекаемого электромобиля легко. Гораздо труднее создать надежную конструкцию, которая позволит передвигаться как можно дальше и как можно быстрее. Возможно, вы считаете, что после 100 лет прогресса можно было бы создать электромобиль, более эффективный, чем машина с бензиновым двигателем. Но здесь есть фундаментальная проблема: современные батареи и аккумуляторы по уровню энергоемкости не идут ни в какое сравнение с жидкими энергоносителями: бензином, керосином (топливо для самолетов) и этилом (топливо для ракет). Даже кусок дерева или пакет сахарного песка содержат больше энергии, чем эквивалентные по массе перезаряжаемая батарея или аккумулятор. И если автомашину с бензиновым двигателем вы можете «перезарядить» за пару минут, залив ее бак бензином, то тихая перезарядка электрических аккумуляторов может требовать многих часов[60].

Защитники окружающей среды любят рисовать ужасные картины всемирного заговора, направленного нефтяным и автомобильным лобби против электромобилей, которые до сих пор ожидают своей очереди на обочине технического прогресса. А тем временем грязные и дорогие пожиратели углеводородов продолжают загрязнять атмосферу планеты. Правда гораздо проще: бензин является и в ближайшей перспективе останется гораздо более эффективным энергоносителем, чем электрические батареи и аккумуляторы. Наука, а не политика объясняет, почему большинство из нас по-прежнему ездит на автомобилях с бензиновыми двигателями, а не на электромобилях.

▲ Почему мы (пока) не ездим на электромобилях. Если измерять содержание энергии в килограмме энергоносителей, то электрические батареи могут запасти лишь очень небольшую часть той энергии, которая заключена в жидких углеводородах, таких как бензин и дизель. Водород заметно опережает по энергоемкости все остальные носители. Но это очень летучий и крайне пожароопасный газ, поэтому его трудно эффективно транспортировать и хранить[61].

Мы не обязательно будем ездить на бензиновых двигателях завтра. Мы не можем уверенно сказать, когда истощатся природные запасы нефти, когда она будет такой дорогой, что альтернативные источники энергии станут более привлекательными. Но этот день когда-нибудь придет. Сотни миллионов лет потребовались нашей планете на то, чтобы превратить в нефть сгнившие деревья и растения, а также морских животных. И всего один век понадобился человечеству для того, чтобы использовать почти все ее запасы. Нефть образуется каждый день. Так что, если мы остановим эксплуатацию ее месторождений и вернемся к ним через миллион лет, мы найдем множество новых естественных подземных хранилищ, из которых сможем черпать этот энергоресурс. Нравится вам это или нет, но факт остается фактом: сегодня будущее – за накопителями электрической энергии, хотя пока они не так энергоемки и удобны, как жидкие углеводороды.

Объемные и массивные батареи, возможно, и являются серьезным недостатком электромобилей, но эти блестящие и бесшумные транспортные средства имеют и много достоинств. Теоретически они значительно легче обычных автомобилей, потому что лишены тяжелого, чудовищного бензинового или дизельного двигателя, цилиндров с бегающими в них поршнями и стирающей металл коробки передач. На практике, однако, обнаруживается неприятный нюанс: груз тяжелых аккумуляторов. Но даже при этом электромобили легче работают, что делает их весьма эффективными.

Одним из важнейших факторов, которые делают КПД автомашин на жидких углеводородах столь низким, оказывается наш обычный городской стиль езды, который предполагает частые остановки и разгоны. Как мы видели в главе 2, любая работа требует энергии. Если вы когда-либо толкали сломавшуюся машину, то должны знать, как мучительно всего лишь преодолеть ее инерцию (состояние покоя концентрированной массы) и сдвинуть ее с места. Если ваша машина весит 1,5 т и едет по городу со скоростью 65 км/ч, то она обладает солидной кинетической энергией. Произведите необходимые вычисления, и вы поймете, что эта энергия равна примерно 240 кДж и ее (согласно расчетам в той же главе) достаточно, чтобы подняться пешком на Эмпайр-стейт-билдинг.

Возможно, эти числа вас не впечатлили, но здесь есть загвоздка. Каждый раз, когда вы «бьете» по тормозам, чтобы не задавить ребенка, бросившегося за мячом, или кота, который презирает правила дорожного движения, эти 240 кДж энергии растворяются в воздухе. Когда тормозные колодки захватывают тормозные диски и машина замирает, вся эта энергия превращается в визг резины и легкий дымок. На гонках серии «Формула-1» резина спортивных машин может разогреваться до 750 °C – температуры, достаточной для того, чтобы колеса загорелись, если бы они были сделаны из дерева[62]. Когда же вы давите на педаль газа, чтобы набрать скорость после полной остановки, двигатель снова должен превратить большее количество бензина в энергию. Чудовищно расточительный цикл повторяется вновь и вновь.

Электромобили имеют здесь большое преимущество, поскольку приводятся в движение электродвигателями. В своей простейшей схеме такие двигатели имеют ротор – вращающуюся часть, которая движется внутри неподвижной, статора (иногда в качестве такового используются магниты). При включении двигателя в сеть медная обмотка ротора генерирует переменное магнитное поле, которое отталкивается от магнитного поля статора. Ротор вращается внутри статора, и мы можем использовать силу его крутящего момента в самых разных устройствах и машинах: от домашнего пылесоса до скоростного электропоезда. Замечательное свойство электродвигателей состоит в том, что вы можете «запустить» процесс и в обратном направлении. Если вы быстро прокрутите ротор электрического двигателя рукой, то добьетесь того, что электромагнитное поле, индуцируемое обмоткой, поменяет направление (таков принцип работы асинхронного двигателя). Так электродвигатель станет генератором электрической энергии. Теоретически вы можете использовать любую бытовую электротехнику, чтобы, вращая роторы двигателей, «накачивать» электроэнергию в сеть. Если вы при этом выдернете штепсель из сети, то по идее на нем должно будет появиться электромагнитное поле. Разумеется, на практике подобная схема не сработает для пылесоса. А вот для электромобиля – сработает.

Электромобили используют свои двигатели очень эффективно. Когда вы едете на машине вперед, ее толкает электрический ток, поступающий из аккумуляторов в двигатели. При нажатии на тормоз вы прекращаете подачу тока в моторы, но колеса машины по инерции продолжают вращаться. В этот момент от привода вращаются и двигатели, и они начинают «закачивать» электроэнергию в батареи. В ходе этого же процесса электромобиль приостанавливает свой ход. Таким образом, вместо того чтобы терять энергию при торможении, он использует по крайней мере какую-то часть кинетической энергии для подпитки своих аккумуляторов. В технике это называется регенеративным (рекуперативным) торможением. Оно повышает КПД обычного электромобиля на 10 % (между прочим, электропоезда таким образом могут повышать свою эффективность на 15 %, что равносильно беззатратной езде каждого седьмого электрического поезда)[63].

Представьте себе, что вы решили сконструировать максимально эффективный автомобиль. Что может у вас получиться? Вы, видимо, выберете что-то с минимумом движущихся частей, чтобы по максимуму исключить потери энергии. В идеале машина также должна быть как можно легче, чтобы вам не пришлось затрачивать много энергии на перемещение груды металла, пластика и стекла. Она должна будет использовать топливо, которое широко распространено в природе и очень энергоемко. Возможно, что-то на основе углерода и органических веществ. Если у вас нет принципиальных возражений против небольших скоростей (порядка скромных 6 км/ч) и использования топлива вроде жиров и растительных масел, то ваша идеальная машина будет очень похожа на человеческое тело. Она не требует больших затрат на ремонт, имеет достаточно высокий КПД и не создает проблем с парковкой. Она не ржавеет, не теряет свою стоимость и в большинстве случаев стареет красиво.

Клеить или не клеить – вот в чем вопрос. Как ни странно, его мы задаем себе тысячами разных способов каждый день. Вы можете не пользоваться клеем часто. Вы можете даже не иметь его дома. Но всё, что вы делаете, подразумевает либо склеивание предметов, либо допущение их скольжения друг по другу. С каждым вашим вдохом невидимый глазу газ через огромное количество живых трубок проскальзывает в ваш организм, не задерживаясь по пути. То же происходит с пищей и жидкостями, которые вы глотаете. Вы можете подняться по лестнице благодаря тому, что «прилипаете» (на очень короткое время) к ковролиновому покрытию или деревянным брускам паркета. И мы еще не начали обсуждать очевидные явления вроде собственно клея или того, почему он прочно удерживает марку на конверте. В большинстве случаев разницу в прилипании и скольжении поверхностей мы видим только тогда, когда результат неудачен: клейкие предметы скользят по другим поверхностям, а скользкие на них удерживаются. Объявление «Внимание, мокрый пол» в супермаркете, свисающие лохмотья обоев или картонные подложки под бокалы с пивом, которые приклеиваются к их дну, – типичные напоминания о том, как сильно мы зависим от научных объяснений эффекта прилипания и скольжения в быту.

Маленький смешной магнитик прилипает к вашему холодильнику под действием невидимой силы – магнитного поля, которое скрепляет металлы. Там и в помине нет никакого клея. То же относится к любому виду прилипания, независимо от того, есть там клей или нет. Если предметы приклеиваются друг к другу, между ними действуют силы, их соединяющие. Если предметы не склеиваются или скользят друг по другу, те же силы присутствуют, но слишком незначительны, чтобы связать вещи друг с другом.

Допустим, вы хотите поклеить в своем доме очень красивые, но довольно тяжелые обои. А они не прилипают к стене и, скручиваясь, падают вниз. Что происходит? Незамысловатая схватка между силой земного тяготения (которая тянет обои вниз и отрывает от стены) и клеем (который и создает силу, удерживающую их на стене). Звучит просто, но, по сути, мы имеем дело с тремя разными силами, которые удерживают обои на стене. Клей должен лечь ровным слоем на бумагу и удерживаться на ней. Открытой стороной он должен присоединиться к стене. Кроме того – что не так заметно невооруженному глазу, – молекулы клея должны соединиться сами с собой. Когда обои отлипают от стены, вы видите на них остатки клея. Дело в том, что клей пристает к обоям и стене, но не склеивается сам. Другой пример подобного явления – когда вы делаете себе бутерброд с джемом, а потом разрываете кусочек хлеба надвое. При этом клей – джем – падает первым, потому что он не может сам с собой склеиться с такой силой, с которой он держится на хлебе.

Если мы посмотрим на ситуацию более внимательно, то увидим, что вместо трех сил прилипания на самом деле действуют только две: вещи либо слипаются между собой, либо прилипают к другим вещам. Мы называем эти виды сил силами сцепления или силами притяжения. Мы называем клеи «адгезивами» (от англ. adhesive – притягивающие другие тела). Но на самом деле каждый хороший клей должен быть и хорошим «когезивом» (от англ. cohesive – сцепляющий), то есть крепко сцеплять молекулы самого клея друг с другом. Точнее клеи можно назвать «адгезивно-когезивными адгезивами», чтобы подчеркнуть тройственность их эффекта.

Вода – один из замечательных и лучше всего знакомых нам примеров работы сил сцепления и притяжения. В ней работают серьезные силы сцепления, поэтому она так легко собирается в массы. Дождь падает в виде капель, потому что молекулы воды крепко сцепляются между собой. Возникает вопрос: почему же тогда дождь не собирается в единую гигантскую каплю? Ответ в том, что большие капли неустойчивы. Столкновения между ними и трение о воздух при падении разделяют их на маленькие капли, поэтому обычно они не превышают в диаметре 5 мм[65]. Вообще вода по своим свойствам скорее когезивная (сцепляющая), чем адгезивная (притягивающая). Именно поэтому вы можете видеть каплю воды у себя на ладони или на листе пальмы. В дождливый день, когда дождь стучит в окно, можно заметить, как капли стекают по внешней поверхности стекла ручейками с определенными руслами. Дело в том, что молекулы воды сцепляются между собой. Каждая новая капля стремится соединиться со своими предшественницами, а не пробивать себе отдельное русло. Молекулы воды так хорошо сцепляются друг с другом и так плохо с другими веществами, что дома мы вынуждены применять специальные химические вещества, которые помогают наносить ее на поверхности ровным слоем или увлажнять вещи целиком. Мы вернемся к этому в главе 17, когда будем изучать, почему вода так хорошо очищает вещи от грязи.

Так что приклеивание – все же явление скорее из области сил притяжения. На них и сосредоточимся. Мы можем разделить приклеивание на три разных вида. Это постоянное склеивание (его обеспечивают различные клеи), временное приклеивание (когда мы идем по полу или муха ползет по стене) и полное отсутствие склеивания (когда бритва с гелем скользит по вашему подбородку или вы скользите по снегу либо льду). Кажется, силы абсолютно разные, но они основаны на очень схожих близкодействующих силах, которые возникают между двумя близко расположенными поверхностями.

Чтобы приклеить одну вещь к другой, вы должны создать очень сильные физические или химические связи между ними. Предположим, вы привариваете металлическую пластину к вашей машине, заменяя старую и проржавевшую. При этом вы расплавляете два металла так, что их атомные структуры соединяются и они становятся одним целым. Это не физическая связь: вы начинаете с двух металлов, а в итоге получаете один. Такой процесс вы и склеиванием не назвали бы, верно?

А что будет, если вы пойдете в мастерскую по ремонту обуви и попросите, чтобы вам поменяли старую резиновую подошву на новую? В чем отличие от первого примера? Приварить новую резиновую подошву к ботинку невозможно без нанесения непоправимого вреда. И что делают сапожники? Они используют клей в качестве промежуточного вещества для соединения двух поверхностей. Сапожник наносит его ровным слоем и на нижнюю часть ботинка, и на подошву и сильно прижимает их друг к другу. Процесс и прочность склеивания зависят от типа используемого клея и материалов, из которых сделаны две части обуви. Некоторые виды клея глубоко проникают в поры и структуру верха и низа ремонтируемой обуви и образуют прочные физические связи между ними. Другие вызывают на нанесенной ими поверхности химические реакции, в результате которых между частями ботинка возникают устойчивые химические связи. Третий тип клеев частично поглощается обеими поверхностями и создает между ними электростатические связи. И, наконец, четвертый вид клея приводит к замене молекул на двух склеиваемых поверхностях и их соединению, или диффузии.

Для меня интереснее всего третий способ. Некоторые виды клеев соединяют при помощи электричества (правда, у них кошмарный запах, и названия ингредиентов на тюбиках выглядят пугающе). Это звучит необычно только до тех пор, пока вы не задумаетесь о статическом электричестве и о том, как оно притягивает вещи друг к другу, словно магнитом. Если вы потрете воздушный шар о свой свитер, вы можете «приклеить» его к себе или к стене. И никакого клея не понадобится.

Как это работает? Все объекты состоят из атомов. А атомы, если вы помните, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны имеют минимальный положительный электрический заряд, а заряд электронов отрицательный. В целом атомы электрического заряда не имеют, потому что внутри них заряды протонов и электронов компенсируют друг друга. Но не все атомы одинаковы: некоторые более жадные, чем другие. Если вы потрете друг о друга два непохожих материала, атомы одного из них могут «украсть» электроны у атомов другого. Это, в частности, происходит, когда вы трете воздушный шарик о свитер. «Грабитель» (свитер или другой материал, «ворующий электроны») получает отрицательный электрический заряд, а несчастная жертва (воздушный шарик с меньшим количеством электронов) остается с положительным зарядом. Как и противоположные полюса магнита, противоположные заряды притягиваются друг к другу. И вот уже воздушный шарик прилипает к вашему свитеру.

То же происходит и при использовании особых видов клеев. Когда вы соединяете их с другими материалами, каждая молекула клея может притягивать или отталкивать электроны того вещества, на которое вы их наносите. Так создаются электростатические связи. В мастерской по ремонту обуви клей имеет положительный заряд, а ботинок – отрицательный. В результате они склеиваются. Задействованные здесь силы работают на очень малых расстояниях и обладают значительной величиной[66]. Под «малыми расстояниями» подразумеваются миллиардные доли метра. Если, как и мне, вам трудно представить себе визуально такие малые величины, то, когда мы увеличим их в 100 000 раз, получим толщину человеческого волоса (примерно 0,1 мм), который мы можем видеть своими глазами. Увеличенный в 100 000 раз человеческий волос будет иметь ширину около 10 м, что примерно равно длине двух машин, стоящих бампер к бамперу. При склеивании подошвы с ботинком важную роль играет не только сверхмалая дистанция работы притягивающих сил. Важно то, что эти силы работают между каждой молекулой клея и каждой молекулой материалов, из которых сделан ботинок. Так что эффект здесь усиливается в триллионы раз. Очень большая капля воды, весящая 0,1 г, содержит три секстиллиона молекул – 3 000 000 000 000 000 000 000! Это столько, во сколько раз увеличивается притягивающий эффект одной молекулы в клее, созданном на основе воды[67]. Поэтому, используя на первый взгляд незначительную силу статического электричества, такие клеи могут работать с удивительной силой.

С какой же именно? Суперклей, нанесенный на один квадратный миллиметр поверхности, может удержать вес двух килограммовых пакетов сахара. Звучит впечатляюще! Но этот показатель бледнеет в сравнении с самой клейкой субстанцией в мире – живущей в воде бактерией под названием Caulobacter crescentus, сила склеивания которой втрое больше (она достигает 70 Н на 1 мм²)[68]. Этот удивительный натуральный суперклей имеет широкие перспективы использования в области медицины. Пока же электростатические клеи вполне удовлетворяют наши повседневные потребности. Они завораживают наше воображение уже с конца 1950-х, когда их разработку начал профессор-химик Вернон Крибль[69], который использовал одну каплю такого клея, чтобы оторвать человека от пола, в популярной телеигре «У меня есть секрет» (I’ve Got a Secret)[70].

Знание «электрической» схемы работы клея дает нам ключ к пониманию и второго типа склеивания – временного. Это сила трения, которая не дает нам поскользнуться, когда мы быстро идем по полу. Если бы не она, ходить было бы невозможно. Каждый раз, когда вы ставили бы ногу на пол, он ускользал бы из-под вас. Невозможно было бы ездить на машине: колеса просто прокручивались бы, и вы бы оставались на месте. Трение – разновидность клея, действующего в течение определенного времени. Оно «приклеивает» ногу или колесо именно настолько, насколько нужно для того, чтобы продвинуться вперед.

Трение работает по тому же принципу, что и электростатический клей, действие которого мы рассматривали чуть выше. Когда встречаются две поверхности, атомы одной из них находятся в непосредственной близости от атомов другой (точнее, на расстоянии пяти атомных диаметров)[73]. Этого достаточно, чтобы удержать на короткое время две поверхности рядом. Если трение работает по принципу клея, почему поверхности не склеиваются на долгое время? Если вы припарковали машину на улице, почему она не приклеивается к дорожному покрытию навсегда? Почему вы можете на ней уехать?

Всё дело в масштабах. Трение (приклеивание с малой силой) и адгезия (приклеивание с большой силой) различаются силой притягивания поверхностей. Сила трения между шинами припаркованной машины и дорогой достаточно велика для того, чтобы преодолеть обычные силы, на нее воздействующие. Сила гравитации (обусловленная массой машины) не может сдвинуть ее с места, как, например, и та сила, которой располагаете вы. Машина оказывается как будто «приклеенной» к земле. Но вы можете легко преодолеть эти силы, медленно тронувшись на ней вперед. С другой стороны, если угол наклона поверхности, на которой стоит автомобиль, превышает определенную величину, машина покатится вниз. При критической величине этого угла сила трения уже не удержит его.

Машины – большие и тяжелые устройства. И даже игрушечные машинки (с каким-то образом зафиксированными колесами) не останутся на месте, если их поставить на поверхность с сильным уклоном. Но представьте себе совсем маленькие и легкие машинки с большими и очень мягкими шинами. Каждая бороздка их протекторов состоит, в свою очередь, из еще более мелких шин, а те – из еще более мелких. Если сконструировать такую структуру правильно, мы получим миллиарды микроскопических шин, прикрепляющихся к поверхности. Если машина с такими шинами не будет слишком тяжелой, мы можем разместить ее на стене и она способна будет даже проехаться по потолку. Так мы создадим автомобиль-геккон – разновидность Человека-паука в виде ящерицы, который может забираться на стены. Геккон способен ходить по стенам и потолку благодаря уникальной конструкции своих лап. На его пальцах есть очень тонкие щетинки, которые называются setae. Они, в свою очередь, покрыты тысячами еще более мелких, микроскопических щетинок с плоскими концами, которые называются spatula. Все вместе они образуют невидимый глазу волосяной покров на лапках ящерицы, который создает очень значительную силу электростатического притяжения. Так что гекконы «прилипают» к любым поверхностям под воздействием сил электрического поля[74]. Именно поэтому они могут легко бегать по стенам и потолку. Если бы ваши руки и ноги создавали такую же притягивающую силу, как лапки гекконов (разумеется, относительно вашего веса), то вы смогли бы передвигаться по потолку с 20-т рюкзаком на плечах[75].

Сила трения как сила временного прилипания может быть преодолена другой, более значительной силой. Это утверждение справедливо для клея любого вида, как бы прочно он ни скреплял поверхности. Приложите к месту склеивания достаточно большую силу, и она разорвет либо силы притяжения (адгезии) между клеем и поверхностью, либо силы сцепления (когезии) в самом клее. Или, если клей достаточно сильный, скрепленные им материалы могут разрушиться, высвободив этот клей, который, надеюсь, не принесет вам никакого вреда.

Если склеивание (постоянное приклеивание) и трение (приклеивание временное) вызваны какими-то силами, то скольжение легче всего описать как отсутствие таких сил. Если вы хотите, чтобы достаточно грубая поверхность скользила по такой же грубой поверхности, вам нужно минимизировать силы трения между ними. Как же?

Чтобы сделать пол скользким, вы должны покрыть его каким-то снижающим трение материалом. Вода подойдет для этого идеально. Будет еще лучше, если в нее вы добавите немного мыла или мыльного порошка. Тогда вода не будет собираться лужицами из-за когезии отдельных капель, а распределится ровно по полу. Мокрый пол может быть скользким по двум причинам. Как мы видели в главе 3, вода не способна сжиматься. Вы не можете заставить ее занять меньший объем. Будучи достаточно плотной и тяжелой, вода нелегко покидает место своего нахождения. Если на вашем пути на покрытом ламинатом полу есть лужица воды и вы наступаете на нее, вода не разбрызгивается моментально по сторонам и не сжимается, как губка. На какое-то мгновение между вашей ногой и полом окажется слой воды. Она не сжимается, но текуча. Когда вы наступаете на нее, она создает своеобразную «подушку» между грубыми поверхностями, снижая силу трения между ними.

Но всё не так просто. Вода на полу – не единый слой вещества вроде цельной доски. Она состоит из нескольких слоев, расположенных друг над другом. Каждый такой слой, называемый lamina (тонкая пластина), может скользить относительно слоев, расположенных под ним. Скорее всего, вы наблюдали это явление на берегу моря. Когда вода относительно спокойна, на прибрежный песок накатывают небольшие волны, под которыми обратно в море скатываются волны, достигшие берега чуть раньше. В общем, водные слои могут легко скользить друг по другу. И когда вы наступаете на мокрый пол, то наступаете на все слои воды. Каждый из них немного сдвигается, но вы успеваете поскользнуться и упасть. Это феномен можно использовать для развлечения, которое называется скимбординг[76]: люди катаются на специальных досках по прибрежному мелководью или мокрому песку. Это пример явления, которое называется ламинарным течением и к которому мы вернемся в главе 15.

Если природа создала самое клейкое на планете вещество (водная бактерия, о которой я рассказывал выше), то должна быть и его полная противоположность. Что же можно считать самым скользким веществом из тех, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни? Это синтетическое соединение под техническим названием PTFE – политетрафторэтилен, которое в быту мы называем тефлоном. Это не пригорающее и скользящее покрытие кухонной утвари, которое не допускает прилипания нашего омлета к сковороде. В природе встречается кое-что еще более скользкое – насекомоядное растение саррацения, по листьям которого мухи, пауки и даже лягушки попадают внутрь своеобразных полых «кувшинов» – стеблей, где и находят свою погибель. Точно так же, как в случае с мокрыми полами или промежуточными слоями воды, в этих растениях образуются слои, которые создают минимальные силы трения[77].

Теоретически ни снег, ни лед не должны быть скользкими. Лед обладает плотной структурой, подошвы ваших ботинок тоже плотные. А мы знаем, что если приблизить друг к другу плотные поверхности – например, шину автомобиля и асфальт, – то создается достаточно большая сила трения, которая способна предотвратить движение объектов друг относительно друга. Так почему же лед скользкий? Обычно это объясняют так: фундаментальные законы физики говорят о том, что при сжатии предметов их температура повышается. Поэтому, например, разогревается ручной насос, когда вы накачиваете им шины своего велосипеда. Так что теоретически, когда вы стоите на льду, вы сжимаете его верхний слой, он разогревается и тает. Между подошвами вашей обуви и твердым льдом возникает тонкий слой воды, который достаточен для того, чтобы стать своего рода смазкой. Вы скользите не по льду, а по тонкому слою воды под вашими ногами. Эту теорию развивают дальше применительно к таким зимним видам спорта, как бег на коньках или фигурное катание: вы стоите на острых и тонких лезвиях, которые эффективнее растапливают лед под ногами и позволяют двигаться по нему с большей скоростью. Для этого нужно очень мало воды, она сразу замерзает после проезда спортсмена, и каток не превращается в озеро[78].

Так, во всяком случае, до сих пор объясняли это ученые, даже такие знаменитые, как лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман[79]. Но наука постоянно развивается и будет развиваться дальше по мере того, как мы стараемся придать более понятные формы нашим «сферическим коровам». Мы уже знаем, что структура льда сложнее, чем мы раньше себе представляли. Истинная причина его скользкости не имеет никакого отношения к давлению на него конькобежца или фигуриста, которого недостаточно для того, чтобы превратить лед в «смазывающий» слой воды. Точного объяснения до сих пор нет, но одна из самых популярных на сегодня теорий состоит в том, что сам лед в своей структуре имеет собственное подобное жидкости покрытие, которое увеличивается в размерах по мере того, как его температура повышается[80]. Лед скользкий потому, что он скользкий. Это природное качество воды, независимо от того, катаетесь вы по льду или нет.

Если вам предстоит идти по льду, как удержаться на ногах? Необходимо максимально увеличить силу трения, поэтому обувь с грубой подошвой, желательно с чем-то вроде микроприсосок, будет идеальным вариантом. Подойдет и обувь с влагопоглощающей подошвой вроде кожаной. Она будет впитывать в себя воду и уменьшать скользкость льда под вами. А как насчет снегоступов? Теоретически более широкие подошвы должны распределять ваш вес на большую площадь, поэтому вам будет в них легче не проваливаться в снег. Но они не так эффективны на льду, где провалиться порой лучше, если это остановит скольжение. Лучший вариант здесь – специальные шипы (они крепятся на обувь), которые сосредоточивают ваш вес на минимальной площади. Как и горный ледоруб, острые концы шипов моментально пробивают поверхностный скользкий слой льда и «вгрызаются» в его плотную структуру.

Но можете сдаться на волю физики и покататься в свое удовольствие.

«Внутри мы все одинаковы». Эта фраза воодушевляла таких борцов за человеческие права, как Роза Паркс и Мартин Лютер Кинг. Она же является основополагающим постулатом науки и догматом социальной справедливости. Оказывается, она же значительно шире любых идей равенства людей. Ведь она применима буквально ко всему, что есть на Земле. Человеческая и воловья кожа, упаковочный полиэтилен и кора деревьев состоят из атомов. И атомы материальны, если только вам интересно, что такое материя.

Что определяет человеческое поведение? Если вы не знаете человека очень близко, вы не можете предсказать, как он поведет себя в той или иной ситуации. Его действие будет определяться его внутренним миром: где он родился, как рос, чему учился, с кем дружил и общался, что видел и делал. То же и с вещами. Хрустальный графин для сока и костяные палочки для еды, стеклопластиковую доску для серфинга и пушистый ковер из овчины объединяет одно: их внешний вид зависит от внутреннего строения. «Жизнь» им дают атомы и молекулы, движущиеся внутри, и порядок, в котором они соединены друг с другом.

Если сейчас вы дома, вас, возможно, окружают предметы из разных материалов: бумаги, картона, дерева, пластмасс, стекла, керамики (фарфор и другая посуда), клеи, ткани, например хлопок, шерсть и полиэстер, не говоря уже о живых организмах вроде растений на подоконниках или хот-дога на тарелке. В отличие от людей, которые делают карьеру преимущественно по воле случая, каждая окружающая нас вещь прекрасно приспособлена именно к тому действию, для которого мы ее используем. Знаменитый «принцип Питера» в науке о менеджменте гласит, что люди продвигаются по службе до тех пор, пока не достигают «уровня некомпетентности». Но различные вещества и материалы достигают пика совершенства без всяких усилий. У вас иногда возникает чувство, что если бы старое кресло могло говорить, то оно нашептывало бы вам, как деревенский викарий читал потрепанную Библию, о той счастливой жизни, которую оно провело, играя свою роль.

Многие вещи и материалы настолько приспособлены к своим функциям, что мы даже не замечаем их. Только культурный шок, который постигает нас при взгляде на художественные произведения вроде чайного набора с меховой оторочкой (Мерет Оппенгейм)[81] или кривых часов, плавящихся на солнце (Сальвадор Дали), вызывает мысли о том, как хорошо, что окружающие нас вещи заняты своим делом. Появление новых материалов – основа нашей цивилизации. От топоров каменного века до стекла в экранах новых поколений iPhone нас сквозь века сопровождал прогресс. Люди постоянно находили способы всё лучше использовать новые материалы.

Посмотрите через мощный микроскоп на мир, и вы получите широчайшее энциклопедическое представление о нем. Вы поймете, что всё – от трубкозубов («земляных поросят»), единственных трубкозубых в мире, до калейдоскопа – представляет собой не что иное, как скопление атомов. Как вы, наверное, и предполагали, газы вроде гелия (которым наполняют веселые шарики для праздников) состоят из легчайших и простейших атомов, а тяжелые металлы вроде урана (ядерное топливо) – из крупных и тяжелых. Всё в мире состоит из примерно сотни разновидностей этих мельчайших частиц, деталей своеобразного конструктора лего. На самом деле почти всё возможно создать из еще меньшего количества видов атомов. Их можно буквально по пальцам пересчитать. Из атомов углерода, водорода, азота и кислорода люди способны создать материал для конструирования большинства живых организмов в природе и огромного количества объектов неживой природы (например, из этих четырех атомов состоит большинство пластмасс).

Мы знаем, что атомы очень маленькие, но насколько? Измерьте при помощи линейки обычный атом (оставьте на секунду мысли о том, что это за линейка и как вы будете ее держать), она покажет вам результат – 0,25 нанометра (0,25 миллиардной доли метра). Представить себе такую величину сложно, но попробуем. Если вы возьмете миллиметр (тысячную часть метра) и разделите его на миллион равных частей, а затем такую часть разделите еще на четыре части, то получите размер атома. По-прежнему не можете себе это вообразить? Попробуйте вот что.

На Земле живет около 7 млрд человек. Если бы люди были атомами и встали друг другу на голову, они достигли бы высоты среднего человеческого роста. Вот насколько мал атом.

Одно вещество или материал отличают от другого не только составляющие его атомы, но и характер связей между ними. Одна из самых ярких иллюстраций тому – самое известное и распространенное вещество на Земле: вода. Точно так же, как атомы являются мельчайшими составляющими различных химических элементов (как, например, серебро или золото), молекулы – строительные блоки более сложных объектов. Соедините несколько атомов, и вы получите молекулу. Если вы соедините два атома водорода с одним атомом кислорода, то получите молекулу воды (Н₂О). Если вы поместите несколько секстиллионов молекул воды на кончик своего пальца, то увидите на нем маленькую каплю. Переместите ее в холодильник – и вы получите микроскопическую льдинку. А если вы стряхнете и каплю, и льдинку в чайник и включите его, то получите маленькое облачко пара. Одни и те же атомы, одни и те же молекулы – но совершенно разные субстанции.

Почему? В льдинке молекулы располагаются в непосредственной близости друг от друга и связаны между собой прочнее, хотя и сохраняют определенное движение. В горячей воде расстояние между молекулами значительно больше, и они могут скользить одна по другой: потому-то вода и текуча. В паре молекулы расходятся на большое расстояние и быстро двигаются, как гоночные автомобили. Или так: кусочек льда благополучно лежит в стакане с газировкой и никуда не двигается. Опрокиньте ведро воды – и в вашей комнате образуется лужа, которая растечется от стены до стены. А пар, поднимающийся над кастрюлькой с кипящей водой, может быстро заполнить всю кухню. Налейте литр воды в пластиковую бутылку и заморозьте ее в холодильнике. Бутылка немного расширится (вода при замерзании увеличивается в объеме). Разморозьте бутылку, вылейте воду в кастрюльку и вскипятите ее. Пар от такого количества воды заполнит всю комнату. Дело в том, что пар занимает объем в 1600 раз больший, чем та же масса воды. Это всё, что вам нужно знать для того, чтобы понять, почему если оставить чайник кипящим всего лишь на несколько минут, то ваша кухня из-за пара будет выглядеть как прачечная. А теперь представьте, что тот же трюк можно проделать с обычным облаком. При этом образуется огромная масса холодной воды, которой будет достаточно для того, чтобы заполнить олимпийский плавательный бассейн[82].

Если мы не можем видеть атомы, откуда мы знаем об их существовании? Как я могу убедить вас, что под полом вашего дома есть атомы, с большим успехом, чем я могу доказать вам, что на чердаке у вас скребется мышь? В чем атомная физика отличается от транса верующих, убежденных в том, что они могут обнять Господа? В отличие от религии, наука основана на доказательствах. И в том, что именно атомы становятся строительными кирпичиками нашего мира, нас убеждают многочисленные факты, которые человечество собирало на протяжении последних 2500 лет. В атомы верили даже древние греки. Само слово в переводе с древнегреческого означает «неделимый». Оно было изобретено Демокритом – первым человеком, который населил наш мир этими «невидимыми и неделимыми» элементами. Это было замечательное достижение человеческого разума, особенно с учетом того, что в то время очевидных доказательств существования атома не было.

Сегодня такие доказательства получены четырьмя различными способами: химическим, электрическим, явлением радиоактивности и делением атома. Первый способ простой – химия. Если вы знаете, что два разных газа (например, водород и кислород) соединяются и образуют воду всегда в соотношении 2: 1 (2 атома водорода и 1 атом кислорода), то такое же соотношение можно установить и для других химических веществ и атомов, из которых они состоят. Скажем, если вы смешаете мягкий металл натрий с ядовитым газом хлором, то получите хлорид натрия, то есть пищевую соль, которую вы используете при приготовлении еды. В ней один атом натрия приходится на один атом хлора. Если пронаблюдать за сотнями химических реакций, как это сделал известный английский химик Джон Дальтон в 1803 году, то можно установить, что базовые химические элементы всегда находятся в их соединениях в простых соотношениях: один к одному, два к одному, три к одному и т. д. Если эти элементы расставить в систематическом порядке, то вы получите нечто вроде кухонных шкафчиков, в которых вещества организованы в периодическую таблицу. Это полный список химических элементов, которые мы имеем в своем распоряжении.

Простые химические реакции заставляют нас предположить, что атомы существуют. Но вот вопрос: если вещества вроде воды или соли состоят из атомов, из чего состоят сами атомы? Если следовать логике древних греков, этот вопрос не имеет смысла: ведь атомы и так являются мельчайшими «неделимыми» единицами в природе и не сделаны ни из чего. Такое объяснение вполне удовлетворяло ученых до середины XIX века, когда Андре-Мари Ампер, Алессандро Вольта и Майкл Фарадей начали свои знаменитые опыты по раскрытию тайн электричества. Когда в 1897 году англичанин Джозеф Томсон открыл базовый элемент электрического поля, известный сейчас как электрон, появилось еще одно важное свидетельство в пользу существования атомов. И не только их, но и таинственного субатомного мира внутри них[83]. К счастью, Томсона не обескуражила реакция его кузена, когда в школьные годы последний спросил будущего ученого, чем бы он хотел заняться в будущем. «Проводить научные исследования», – ответил Томсон. «Не будь таким глупцом!» – фыркнул кузен[84]. Что произошло бы, если бы великий ученый оставил свою мечту и стал врачом или бухгалтером? Что произошло бы, если бы электрон не был открыт еще несколько десятилетий? Отложилась бы революция в области высоких технологий и электроники еще лет на пятьдесят? Спорить об этом теперь уже бесполезно – но очень увлекательно.

Еще более убедительное доказательство существования сложной жизни внутри атома было получено примерно в то же время во Франции. В 1896 году Анри Беккерель открыл явление радиации и установил, что в ходе ее атомы испускают некие элементарные частицы. Это явление было похоже на рентгеновское излучение (тоже недавно открытое), но гораздо более мощное. Явление радиоактивности, как мы теперь его называем, легко понять, если предположить, что гигантские атомы наполнены несравненно более мелкими элементарными частицами. Некоторые атомы существуют в возбужденных, нестабильных формах, которые известны как изотопы. Те стремятся прийти в более спокойное состояние, отторгая нежелательные или ненужные микрочастицы.

Мария Кюри (и ее муж Пьер) развили работы Беккереля. Эти исследования стоили Марии Кюри жизни, но ее жертва стала благородной: со времени ее смерти до настоящего дня открыто множество различных способов лечения с помощью радиоактивного облучения страшных болезней, в том числе рака[85]. Многие годы спустя научные открытия часто кажутся заслуживающими восхищения. Судьба супругов Кюри в 1943 году вдохновила кинодеятелей из Голливуда на создание прекрасного фильма с Гриер Гарсон и Уолтером Пидженом в главных ролях. Однако повседневная научная работа очень далека от романтики. Мы часто вспоминаем рассказы о блестящих озарениях и находках разных ученых, но забываем о рутинной, тяжелой и зачастую скучной работе, которая за этим стоит.

Открытие Марии Кюри потребовало проведения за четыре года 5677 опытов, в ходе которых она нагревала в колбах 8 т растворов урана (в переводе с немецкого – «злосчастного минерала»), чтобы в результате получить всего 1 г радиоактивного радия[86].

Нас пугают рискованные эксперименты Марии Кюри, потому что мы знаем, как закончилась ее жизнь. Она осталась ярким пятном в истории исследования атома и радиоактивности, которая все же заставляет нас с недоверием относиться к ядерной энергии. Грибовидное облако над Хиросимой еще долго будет проходить период полураспада. Катастрофы в Чернобыле и Фукусиме породили глубокие сомнения в ценности ядерной энергии – хотя от естественной радиоактивности люди умирают едва ли не чаще, чем от рака[87]. Однако дух первопроходца, руководивший Марией Кюри, жив и поныне. Журнал Popular Science в 1955 году опубликовал очень занимательную статью о непрофессиональных исследователях урановой проблемы, которые под покровом ночи работали со счетчиком Гейгера, выписанным по каталогу. Мотивировало их обещание некой награды от Комиссии по атомной энергии.

В феврале 2014 года 13-летний английский школьник Джейми Эдвардс стал первым человеком в мире, который добился реакции ядерного синтеза (когда более мелкие атомы соединяются в более крупные). Деньги на счетчик Гейгера Джейми сэкономил из рождественских подарков[89]. Джозеф Томсон гордился бы им.

Нестабильные атомы, например радиоактивного урана, распадаются, создавая более стабильные изотопы. Но это не единственный вид изменений, который могут претерпевать атомы. Четвертый вид научных доказательств их существования дал науке убедительные свидетельства того, что они не только содержат более мелкие частицы – такие как электроны, – но и у них имеется своя сложная внутренняя структура.

Человеком, который «разделил атом», считается новозеландец Эрнест Резерфорд. Но на самом деле честь первооткрывателя принадлежит множеству ученых, которые «возились» с атомной проблемой в первые 20 лет XX столетия.

Резерфорд широко известен своим выдающимся экспериментом, который он провел в Манчестере в 1910 году вместе со своими двумя молодыми ассистентами: Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом. Направляя положительно заряженные частицы атомов гелия на золотую фольгу, экспериментаторы увидели, что большинство из них прошло мимо атомов золота без ущерба для себя, некоторые (примерно 1 частица из 8000) отклонялись под невероятными углами, а отдельные вообще отклонились назад в том направлении, из которого исходили. Резерфорд был поражен. Он заявил, что у него создавалось ощущение, «будто он стреляет 300-миллиметровым снарядом по листу бумаги, а снаряд возвращается и попадает в него». Для нас объяснение уже вполне очевидно. Положительно заряженные частицы гелия попадали в положительно заряженное ядро атомов золотой фольги, которое отталкивало их назад (или «рассеивало», как говорят ученые), как это происходит между одноименными полюсами магнита.

Точные и изящные эксперименты Резерфорда позволили раскрыть потрясающую тайну строения атомов. В основном внутри них находится пустое пространство, а значительная часть их массы заключена в положительно заряженном ядре, вокруг которого вращаются в облаках «пустоты» электроны.

Сегодня делением атомов уже никого не удивишь. Современные последователи Резерфорда в искусстве «ускорения» частиц добились деления атомов на частицы, а тех, в свою очередь, на еще более мелкие элементарные частицы. Мы знаем десятки элементарных субатомных частиц, от старых друзей вроде протонов и нейтронов до новых (и очень трудно уловимых) бозонов Хиггса, за которыми ученые охотятся десятилетиями, а человечество тратит на это миллиарды евро, вложенных, в частности, в огромный ускоритель, построенный недавно под Женевой: Большой адронный коллайдер (БАК)[92].

А ведь для того чтобы разделять атомы, не нужно особых затрат времени и денег. Вплоть до недавнего времени большинство из нас занималось этим каждый вечер дома в гостиной. Старые телевизоры с катодными трубками работают на принципе нагревания специальных металлических элементов, которые излучают пучки электронов (исторически за ними закрепилось название «катодные лучи»), которые разгоняются по специальным стеклянным трубкам и с помощью магнитов направляются на покрытый фосфоресцирующим составом экран, высвечивая на нем изображение.

За исключением еды, напитков и некоторых необходимых нам жидкостей вроде моющих средств и т. п., большинство вещей, окружающих нас дома, сделаны из твердых материалов. Каждый такой материал имеет разное строение – атомы и молекулы в них по-разному организованы и по-разному связаны между собой. И то, что вы вставляете в окна стекла, а стены делаете из кирпичей, и никак иначе, имеет под собой стройное научное объяснение. Хорошо бы «вскрыть» различные вещества и материалы и заглянуть внутрь, чтобы увидеть, как расположены там атомы и молекулы. В разных веществах вы увидели бы разную картину, которая и делает их наиболее подходящими для той или иной задачи.

Давайте совершим такую экспресс-экскурсию по обычным материалам и посмотрим, как они работают.

Железо – один из самых простых по структуре материалов. Если «открыть» его, как картонную коробку, и заглянуть внутрь, то можно увидеть что-то вроде сотен маленьких мраморных шариков. Каждый такой прочный шарик представляет собой один атом железа. Атомы плотно «упакованы» в ряды, которые расположены друг над другом[94]. Но как это объясняет свойства железа? Оно сравнительно твердое (значительно тверже, например, мелка или сыра), поскольку атомы в его структуре расположены очень близко друг к другу. Конечно, можно сказать, что железо и относительно мягкое (мягче стали или алмаза). С помощью молотка железному бруску можно придать форму, поскольку ряды его атомов способны двигаться друг относительно друга. А в отличие от стекла, другого твердого материала, железо гнется, потому что это допускает его атомная структура. Стекло же разрушается: его атомы не способны занимать новое положение, если вся структура не распадается (об особенностях стекла мы поговорим в следующей главе).

Железо хорошо проводит электричество: электроны в его плотно прилегающих друг к другу атомах объединяются в подобие потоков, которые движутся внутри железа, перенося электрический заряд от одного конца бруска к другому. Железо – также хороший проводник тепла, которое передается от атома к атому в ходе невидимой игры по принципу: «Тише, пропусти его вперед». При сильном нагревании оно краснеет, поскольку его атомы легко поглощают энергию. Но столь же легко они отдают ее назад.

Даже такой относительно простой элемент, как железо, хранит научные тайны. Например, если его достаточно разогреть и добавить сверху немного алюминия, то после остывания можно обнаружить, что атомы алюминия проникли внутрь кристаллической решетки железа. Один металл может растворяться в другом, образуя то, что в физике называется «твердыми растворами».

Металлы относительно просты. Иногда они просто хорошие, иногда просто плохие. Одна из проблем железа состоит, например, в том, что оно относительно слабо на изгибание и растяжение. Но если в него добавить углерод так, чтобы атомы последнего вошли в кристаллическую решетку железа и укрепились бы там, то можно получить гораздо более прочный материал. Так производятся чугун, кованое железо и сталь. Всё это сплавы (смесь металла с одним или более другими элементами). Сталь прочнее железа, потому что связанные с его атомами маленькие атомы углерода не позволяют атомам железа легко перемещаться друг относительно друга.

Другая проблема железа в том, что оно легко поддается коррозии. Можно решить ее, постоянно крася и перекрашивая металлические конструкции вроде моста Форт-Бридж[95]. Есть решение получше: добавить определенное количество хрома в железно-углеродную смесь, чтобы создать более сложный сплав, который называется нержавеющей сталью. Возможно, вы удивляетесь тому, что ножи и вилки на вашей кухне не ржавеют, хотя на 90 % состоят из железа и минимум половину жизни проводят в контакте с агрессивными продуктами вроде соленой рыбы или чипсов. Дело в том, что атомы хрома в столовых приборах вступают в реакцию с кислородом, находящимся в воздухе, и формируют на поверхности ножей и вилок тонкую пленку оксида хрома, которая не дает кислороду и воде проникать в железо, содержащееся под пленкой.

Нам кажется, что изделия из пластмассы – дешевые, яркие и очень доступные. В этом смысле мы и понимаем слово «пластмасса». Но уместнее было бы говорить о пластиках (существуют десятки, если не сотни их разновидностей), которые по своей природе пластичны и могут использоваться самыми разными способами. Пластмассе легко придать вид металлов, дерева, стекла, волокон и вообще практически чего угодно. Но сходство будет только внешним.

Если кусок железа состоит из атомов железа, то кусок пластмассы не имеет в своей структуре атомов пластмассы. Пластмассы состоят из гигантских молекул – полимеров, в которых обычно присутствуют атомы углерода, водорода, кислорода и азота. Полимер представляет собой бесчисленное повторение более мелких молекул, которые называются мономерами, и часто выглядит как длинная цепочка мономеров. Если представить себе, что состав с углем – это полимер, то мономеры – вагоны, следующие за локомотивом. Пластмасса обычно гибкая, но по своей структуре она достаточно тверда и устойчива к внешним воздействиям.

Если вы когда-либо принимали участие в кампании по очистке пляжей от мусора, то знаете, что большая часть выносимого волнами на берег мусора – изделия из пластмассы. И некоторые из них живут на удивление долго. По оценкам ученых, обычный пластик способен просуществовать в земных условиях до 500 лет. Это частично объясняется высокой сопротивляемостью длинных полимерных цепочек воздействию воздуха, воды, тепла, света и других факторов, которые разрушают более простые материалы вроде бумаги или дерева. Важно и то, что никакие живые существа на Земле (за исключением небольшого числа особых всеядных бактерий) не потребляют пластмассу и не умеют ее переваривать[96]. Тех изделий из пластмасс, которые окружают нас сегодня повсюду, 100 лет назад вообще не существовало[97]. Поэтому интересно попытаться представить себе, как будет выглядеть наш мир через 500 лет, если уже сегодня он задыхается от неразрушимого пластика. Конечно, трудно мерить время таким масштабами, но можно хотя бы представить себе вот что: если бы в эпоху короля Генриха VIII (1491–1547) существовал пластик, то мы и сегодня находили бы в археологических раскопках принадлежавшие ему зубные щетки.

▲ Долгая жизнь пластикового мусора. Неудивительно, что пластмассы в обычных условиях существуют дольше, чем природные материалы. Удивительно, что пластик может существовать так долго: до нескольких сотен лет. Долговечность элементов или веществ определяет то, насколько естественные условия, такие как солнечный свет, вода, тепловое воздействие или бактерии, могут разрушать их внутреннюю структуру, превращая их в полезные отходы[98].

Несмотря на свою долговечность, многие изделия из пластмассы мягкие и гибкие, потому что полимерные цепочки в них связаны относительно слабо. В отличие от металлов, в которых существуют неисчерпаемые запасы электронов, переносящих электричество и тепло, в пластмассах электроны достаточно прочно удерживаются в атомах элементов, из которых они состоят. Разумеется, нельзя утверждать, что абсолютно все пластмассы обладают такими свойствами – не все они мягкие и непрочные. Например, кевлар, близкий родственник нейлона, состоит из микроскопических, плотно связанных между собой и ориентированных в одном направлении волокон, которые похожи на спички в полном коробке. Он в пять раз прочнее стали, если сравнивать фрагменты одинакового веса. Если сшить вместе 30 слоев кевлара, можно получить суперпрочный «пластиковый мешок», который может остановить выпущенную из пистолета пулю, летящую со скоростью 1500 км/ч[99].

Верните человека в его природное состояние – сбросьте с него несколько тысяч лет культуры и изобретений, а также то, что в наши дни сходит за цивилизованное поведение. Мы превратимся в племя охотников и собирателей, принципиально не отличающихся от кротов, сурикатов и всё разнюхивающих трубкозубов. Но стоит наступить дождливому воскресному вечеру, и мы пожелаем оказаться дома, сидя за мокрыми окнами с хорошей книгой, черно-белым фильмом, бокалом красного вина и развлечениями. Большинство видов животных способны создавать для себя какие-то убежища, а мы научились строить здания, которые объединяют в себе всё лучшее из окружающих нас миров. Мы можем лежать дома, уютно свернувшись калачиком, но, благодаря гениально встроенным в наш дом стеклянным панелям, одновременно быть не дома. Металлы и пластмассы, как мы видели в предыдущей главе, – скучные материалы, которые мы используем в повседневной жизни тысячей способов. Стекло же необычно и интригующе. Мы его не видим, но оно существует.

Этот удивительный прозрачный материал относится к числу самых старых. Еще 5000 лет назад его использовали в Месопотамии, но для создания блестящих цветных шариков или бисера, которые походили на ювелирные изделия, а не для устройства больших вертикальных поверхностей из ничего[100]. Стеклянные окна впервые появились самое позднее в Древнем Риме[101]. Вы можете решить, что на этом история стекла и заканчивается: что еще можно сказать о том, чего мы не видим? Но люди усовершенствуют стекло по сей день. Что скажете о стеклах, которые моют себя сами, освещают или затемняют жилище при одном щелчке выключателя? А как насчет суперпрочного стекла на экранах смартфонов и планшетов? Не так давно люди боялись взять в руки стеклянную вещь. Сегодня мы об этом даже не задумываемся. Стекло – настоящее чудо. И всё благодаря законам физики.

Вот простой рецепт получения стекла. Идите на пляж с ведром и совком и насыпьте в ведро немного песка. Разведите большой костер. Бросьте в него песок, доведите до жидкого состояния и быстро охладите. И тут – опаньки! – вы получите стекло. Вам нужно будет добавить еще несколько ингредиентов, чтобы улучшить его качество (например, натрий и карбонат кальция облегчают процесс варки, а металлы, например селен, железо или медь, могут придавать ему различные цвета – от розового до зелено-голубого)[102]. Однако, по сути, всё, что нужно для стекла, – сваренный пляжный песок, который следует подавать охлажденным. Когда Роберт Оппенгеймер и его коллеги построили первую атомную бомбу в пустыне Нью-Мексико, проведенные ими 16 июля 1945 года испытания дали впечатляющие результаты. Их костер, который достиг небес, в момент превратил круг песка диаметром три четверти километра, прямо под вышкой с бомбой, в радиоактивное зеленое стекло[103].

Если вы растопите лед, превратите его в воду и заморозите ее, то получите примерно то же, с чего начали: воду (забудем о потерях тепла на испарения и прочие мелочи). С песком всё иначе. Если вы расплавите его до жидкого состояния, а затем эту жидкость охладите, вы не получите твердого вещества, с которого начали. Под воздействием высокой температуры атомы в твердом веществе расходятся и начинают активно двигаться. Расплавленный песок вы можете разливать, как жидкость, заливать его в формы и создавать из нее различные изделия. Но, даже когда стекло остынет, атомы не займут в нем упорядоченного положения, которое свойственно твердому веществу. Внутри стекла создается случайная структура, нечто среднее между хаосом и упорядоченностью твердого вещества[104]. Такое состояние называется аморфным, или полутвердым, а также состоянием замерзшей жидкости. В книгах часто говорится, что стекло – жидкость (это ошибка, причину я объясню ниже).

Чтобы было легче представить себе, что происходит внутри стекла, можно провести аналогию с толпами людей. Вообразите, что несколько сотен одетых в деловые костюмы человек быстро двигаются по платформам вокзала в час пик. Замените людей атомами – и вы получите картину движения атомов газа. А теперь вообразите себе толпу людей, которые двигаются внутри театрального фойе перед началом спектакля. Они значительно ближе друг к другу, протискиваясь к кассам, гардеробу или буфету. Они могут двигаться, но в замедленном темпе. Это аналог жидкости. Выстройте людей в колонны и шеренги, как солдат. Это будет твердое вещество. Атомы в нем все равно могут немного двигаться, но, будучи тесно связанными, они не способны покинуть структуру, и сама она не может существенно измениться.

Что же такое аморфное вещество? Что произойдет, если в 4:00 утра вы поднимете по тревоге роту солдат и дадите им ровно минуту на то, чтобы одеться и подготовиться к построению? Между всеми последующими криками и бегом, между наполовину натянутой формой и на четверть проснувшимися лицами, ровно через 60 секунд вы подаете команду «Стой!» и заставляете людей замереть на месте. При этом многие из них будут находиться в промежуточном состоянии между порядком и хаосом. Вы увидите некоторые признаки сбора людей в строй, вы увидите, что многие из них двигаются в правильном направлении. Это будет гораздо ближе к структуре твердого вещества, чем жидкости. Но всё же это не будет строгой и правильной кристаллической решеткой, которая образовалась бы, если бы вы дали людям больше времени. Аморфное вещество как раз представляет собой состояние перехода к твердому веществу. Стекло – не единственный пример.

Вы можете создать аморфный лед, если очень быстро заморозите воду. В повседневной жизни мы редко встречаемся с этим, но такое вещество существует во Вселенной: это космический лед, из которого в основном состоят кометы[105].

Стекло находится где-то посередине между твердым веществом и жидкостью, но это не значит, что оно сможет когда-нибудь затвердеть окончательно. Оно настолько твердо, насколько возможно. Но неправильно говорить, что полутвердая субстанция подобна жидкости, текущей с очень малой скоростью. В детских научных книжках часто можно прочесть, что у старых окон низ толще, чем верх, потому что стекло медленно «стекает» вниз. Доказано, что это неправда. Ученые считают, что причиной заблуждения стал традиционный метод изготовления стекла (так называемого кронгласа): толстое стекло раскатывали в большие круги, резали по размеру, а затем вставляли в оконные рамы. Оно часто было неравномерной толщины, и обычно его помещали в раму толстым концом вниз[106].

Стекло часто ведет себя, как актриса из погорелого театра. Оно как будто все время призывает: «Посмотрите на меня, посмотрите же на меня!» Но при первой же беде оно трескается, раскалывается и разлетается вдребезги. Большинство твердых тел так себя не ведут. Ударьте кулаком по столу – он даже не подумает рассыпаться. Ударьте свою машину о стену, и вы отделаетесь царапинами на корпусе и разбитым бампером, но не будете сидеть в обломках рассыпавшегося автомобиля. Так что же особенного в стекле?

Как мы видели в предыдущей главе, все свойства веществ и материалов зависят от их внутренней структуры. У металлов она плотная, с близко расположенными и плотно взаимодействующими атомами. Их расположение можно немного изменить, приложив значительную энергию. Например, металлическому изделию можно придать другую форму с помощью кувалды или пресса. Поскольку атомы в железе обладают некоторой подвижностью, они способны поглощать энергию внешнего воздействия на них вроде ударов молота. Стекло же имеет открытую, аморфную структуру. Атомы в нем расположены в случайном порядке и не связаны тесно между собой. Если в стекло попадает пуля, его атомы не могут быстро восстановить свою структуру. Они не способны поглотить или рассеять энергию снаряда. Поэтому структура распадается. Стекло треснет, даже если слегка ударить по нему.

«Пуленепробиваемое стекло» – терминологическая нелепица. Такого материала не существует. То, что продается под таким названием, не является ни «пуленепробиваемым», ни «стеклом». Этот материал можно назвать «пулесопротивляющимся». Изготавливается он из нескольких слоев стекла и пластмасс наподобие пленки. Если выстрелить в него, энергия пули рассеется по слоям. Появятся трещины, но пленка предупредит распадание на куски и поглотит большую часть энергии летящего тела. Если даже пуля пробьет такой материал насквозь, ее скорость и кинетическая энергия значительно уменьшатся.

Все повара знают, что не нужно ударять по стеклу (а тем более стрелять по нему), чтобы разбить его. Опустите горячее стекло в холодную воду, и оно легко треснет. Причина снова в его аморфной структуре. Она не может быстро измениться под воздействием высокой температуры, чтобы поглотить ее энергию. Погрузите бокал в горячую воду, и он вберет в себя очень мало ее энергии. Разные атомы в его структуре изменят свое положение друг относительно друга на разную величину. Быстро охладите бокал, и «разошедшиеся» атомы не будут способны быстро занять прежние места. Именно этим «сбоем» в структуре стекла будет объясняться трещина[107] – и рассыпание бокала на куски.

Повара избегают таких проблем, используя жаростойкое боросиликатное стекло под торговой маркой Pyrex. В принципе это обычное стекло, только в его состав добавляется около 13 % оксида бора, который придает ему характерный голубоватый цвет. Это своеобразный «сплав». Оксид бора позволяет ему расширяться в объеме при нагревании на треть больше, чем обычному стеклу, и на треть же больше уменьшаться при охлаждении. Поэтому аморфная атомная структура такого стекла испытывает меньшее напряжение, чем у обычного, и оно более устойчиво к температурным колебаниям[108].

Если вы видели, как рабочие устанавливают стекла в витринах магазинов, этот вопрос наверняка приходил вам в голову. После многолетних размышлений над этой проблемой я пришел к выводу, что причины этого явления отчасти физические, но в значительно большей степени психологические.

Стекло, хотя бы в каком-то смысле, – твердое тело. Объем листа стекла размером 2 × 3 м и толщиной 2 см составляет 0,12 м³, или 120 л. Легко представить себе, сколько будут весить 120 литровых бутылок с водой (примерно 120 кг, то есть вдвое больше средней массы человека). Стекло же – твердое вещество, а не жидкость. Если бы лист таких же размеров был бы сделан из металла, то он имел бы массу около 1 т (1 м³ стали имеет массу 8 т). Стоит ли удивляться, что стекло такое тяжелое! При равном объеме вес листового стекла – где-то посередине между льдом и металлом[109]. Например, наш лист стекла должен иметь массу около 300 кг, то есть столько же, сколько четыре-пять взрослых мужчин.

Удивляться же весу стекла нас заставляет психология. Поскольку оно прозрачно и не похоже ни на что на Земле, мы воспринимаем его как нечто несуществующее. И нам кажется, что стекло должно быть легким. Но чем бы мы себе его ни представляли – жидкостью, твердым телом или чем-то между, – оно состоит из огромного множества атомов. Мы их не видим, но они есть. И тут возникает самый важный вопрос из возможных.

За тысячи лет до того, как появился пластик – дешевая имитация стекла, – стекло было единственным материалом, через который можно было наблюдать мир (разумеется, за исключением нескольких других природных объектов, таких как вода или крылышки стрекозы). И по сей день стекло остается единственным прозрачным материалом на планете. Прозрачность определяется тем, что сквозь него может проходить свет. Но почему он не может проходить через другие материалы, например металлы?

Дело не в толщине слоя вещества. Тонкие листы бумаги могут пропускать свет, но они не прозрачны (не позволяют вам увидеть то, что происходит за ними). Очень тонкая папиросная бумага позволяет вам опознать объект, на который она положена, но не даст возможности увидеть объект, находящийся на расстоянии, потому что частично отражает свет (под углом, равным углу падения света), частично пропускает его и частично рассеивает (под случайными углами, делая фокусированное распространение света невозможным). Существует алюминиевая фольга толщиной всего 0,2 мм (тоньше тончайшей бумаги). Но сквозь нее вы ничего не можете увидеть.

Прозрачность или светопроницаемость материалов определяется тем, как они взаимодействуют со светом, который пытается проникнуть сквозь них. Металлы легко поглощают частицы падающего на них света, которые называются фотонами, а также некоторые виды излучения неоптического диапазона, например рентгеновские лучи (подробнее об этом речь пойдет в главе 10). Атомы металлов окружены облаками свободных электронов, которые легко поглощают фотоны света и эффективно обмениваются ими. Схожую картину мы можем наблюдать, когда игроки ловят мяч и отбрасывают его сопернику. Блестящие металлы вроде алюминия и серебра отражают фотоны всех оптических частот (видимых цветов), при этом частично поглощая их энергию и нагреваясь. Именно поэтому алюминий и серебро используются при производстве зеркал. Цветные металлы, например медь и золото, отражают фотоны на одних частотах, но поглощают (или проводят) на других. Например, медь отражает фотоны красного спектра, но поглощает другие спектры – от желтого и зеленого до голубого и фиолетового.

Чем же отличается от перечисленных материалов стекло? Все дело в его внутренней атомарной структуре. В стекле все электроны полностью связывают его аморфную структуру, свободных электронов нет. Для их возбуждения нужна значительная энергия. Они не могут поглощать фотоны видимого света, как металлы. Поэтому эти фотоны свободно «пронзают» структуру стекла. Атомы последнего даже не «замечают» их, не взаимодействуют с ними. Если мы используем ультрафиолетовый свет, фотоны которого обладают большей энергией по сравнению с видимой частью спектра, то их стекло поглощает. Именно поэтому под ультрафиолетовым освещением оно выглядит непрозрачным и темным[110]. Когда стекло окрашивается путем добавления атомов различных металлов, совмещаются атомарные структуры обоих материалов: стекло пропускает свет, а атомы металлов внутри него определяют цвет видимого света.

Твердое вещество, сквозь которое мы можем видеть: стекло – привычный нам материал, одновременно удивительный и банальный. Мы воспринимаем его как часть жизни. Мы часто не замечаем окон, пока какой-нибудь неосторожный воробушек не ударится о них. Я не утверждаю, что стекло совершенно. Вовсе нет. Оно хрупкое и острое, собирает на себя огромное количество грязи, легко пропускает жар и (как последняя ябеда) выдает наши секреты всем, кто ими интересуется. К счастью, последние научные достижения позволяют преодолеть эти недостатки. В последнее время появилось много видов умного стекла.

Сидя в кресле зимой у окна, можно продрогнуть, и не только потому, что в местах крепления стекла к раме обязательно будут микрощели: само стекло пропускает комнатное тепло наружу. Если вам не совсем понятно, почему твердое стекло пропускает тепло, представьте, что вы сидите у костра или камина. Если вы расположитесь слишком близко к огню, то почувствуете, как у вас разогреются щеки, хотя между вами и огнем будет приличная воздушная прослойка. Как будто на вас действуют какие-то невидимые тепловые лучи. Именно это и происходит.

Тепло может распространяться даже в вакууме, например между Солнцем и Землей, в форме инфракрасного излучения. Оно похоже на свет и передвигается в пространстве с такой же скоростью – около 300 000 км/с. Правда, его волны несколько длиннее световых[111]. В радуге, где цвета располагаются от красного снаружи до голубого внутри дуги, инфракрасное излучение обнаружится только на границе красного спектра, причем оно будет невидимым. Если тепловые лучи похожи на световые волны и распространяются одинаково, неудивительно, что тепло проникает сквозь стекло. Там, где проходит свет, пройдет и тепло.

Решение простое: сделайте зеркальные окна, покрыв стекло очень тонкой пленкой оксида какого-нибудь металла (отлично подойдет диоксид титана). Если толщина покрытия составит всего несколько атомов, то это не помешает свету проникать сквозь стекло. Но в полуденную летнюю жару эта почти невидимая пленка будет великолепно отражать тепловые (инфракрасные) лучи, помогая сохранять прохладу в доме. А холодными зимними ночами, когда в доме значительно теплее, чем снаружи, любое производимое в помещении тепло (с помощью центрального отопления или электрических рефлекторов) будет отражаться от металлического покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность окон, и оставаться в доме.

Многим нравятся чистые и сверкающие окна. Но не все жаждут добиваться этой чистоты с помощью высоких стремянок, губки со специальным моющим раствором и чистого куска замши для протирки насухо. Возможно, вы спросите: почему окна домов там, где дожди идут чаще, чем светит солнце, не очищаются от грязи сами собой под потоками дождевой воды? На деле грязь накапливается на внешней стороне стекол, и на нее налипает новая грязь. Вот и вся помощь от дождика.

К счастью, уже появились инновационные самоочищающиеся окна. Однако в отличие от лобовых стекол на машинах, очищающихся с помощью скрипучих дворников и омывающих жидкостей, в самоочищающихся окнах работает не механика, а химия. Так же как теплозащитные окна, эти стекла покрыты диоксидом титана. Любители позагорать на пляжах хорошо знают, что солнечный свет имеет в своем составе невидимый, но достаточно опасный для человека компонент под названием ультрафиолетовое излучение. Оно сморщивает кожу человека, как излишний жар – куриную кожицу. В крайних случаях излишнее воздействие ультрафиолета на кожу человека может вызывать рак кожи. Ультрафиолет – «синий» аналог инфракрасного излучения. Длина волн у него чуть меньше, чем у нормального голубого света. Он невидим, но его можно обнаружить на границе голубого спектра радуги. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение можно представить себе невидимыми «стойками на книжной полке», между которыми располагаются видимые глазу спектры света.

Хотя ультрафиолет и опасен для кожи человека, он во многом полезен. Когда ультрафиолетовые лучи попадают на молекулы диоксида титана на самоочищающихся окнах, они выбивают из них электроны (это явление известно как фотоэффект). Электроны ударяются о молекулы воды, содержащиеся в воздухе, и превращают их в гидроксильные радикалы[112]. Из молекулы воды «выбивается» один атом водорода, и возникает гидроксильный радикал ОН⁻. Он работает как сильный окислитель и моющее средство, измельчая скопившуюся на стеклах грязь в микроскопические образования. Во время дождя мельчайшие частицы грязи смываются начисто.

По крайней мере так это работает в теории. Внутренним поверхностям окон, которые мы должны мыть своими руками, стоит устыдиться.

Одно из самых интересных, даже обескураживающих свойств стекла состоит в том, что когда вы сквозь него смотрите, то видите обманчивую картину того, что происходит за ним. Если вы прогуливаетесь по улице и случайно бросаете взгляд в окно магазина или чьего-то дома, то видите очень немногое. Когда же вы внутри помещения и видите, что кто-то заглядывает через окна, вам кажется, что этот человек может рассмотреть всё вокруг вас в деталях. Именно поэтому люди используют разные шторы, занавески, жалюзи и т. д.

Но на самом деле всё совсем не так. Причина в том, что внутри помещения обычно гораздо меньше света, чем снаружи. Насколько? Очевидно, что это зависит от времени года, времени суток, состояния погоды и вашего местоположения на Земле (что в конечном счете влияет на ваше положение по отношению к Солнцу). Однако в широком смысле естественная освещенность вне помещения в среднем в 2000 раз превышает таковую внутри него[113].

Если вы в комнате, то за ее окном значительно светлее. Поэтому вы легко можете видеть световые лучи, проникающие в помещение и приносящие изображение происходящего снаружи. Вне помещения вас окружает много света. Но внутри дома его гораздо меньше, и еще меньше его проникает наружу сквозь окна. Хотя стекло и выглядит прозрачным, оно пропускает не весь свет, падающий на него. Около 10–15 % этого света оно отражает[114]. Даже если в помещении и есть свет, не весь он может проникнуть сквозь окна наружу. Именно поэтому, как ни удивительно, окна обычно хранят тайны вашей частной жизни, даже если на них нет штор.

Ночью, разумеется, всё меняется с точностью до наоборот. Когда садится солнце и мы остаемся с уличным освещением и слабым молочным светом луны (если она полная), на открытом пространстве света остается очень мало. Обычная внутренняя освещенность помещений в 500 раз выше, чем освещенность внешнего пространства луной[115]. Если при включенном комнатном освещении вы в темноте посмотрите в окно, то едва разглядите человека, заглядывающего в ваше окно снаружи. В лучшем случае вы увидите в окне свое отражение. А вот человек на улице увидит вас и всё происходящее в комнате очень отчетливо.

Большинство из нас защищают свою личную жизнь от посторонних глаз при помощи штор, жалюзи или даже ставень. Но у всех них есть существенные недостатки – в первую очередь тот факт, что нужно постоянно поддерживать их чистоту. Как хорошо было бы, если бы нам удалось избавиться от них и превращать окна из прозрачных в непрозрачные щелчком выключателя. Уже есть окна, в которых используются стекла, меняющие прозрачность и цвет. Они называются электрохромными (способными менять цвет) и работают по тому же принципу, что и аккумуляторные батареи в ноутбуках или смартфонах.

В аккумуляторных батареях есть два электрода (положительный и отрицательный, анод и катод) и расположенное между ними химическое вещество, называемое электролитом. Когда батарея заряжается, катионы лития (атомы без электронов) двигаются по электролиту в одном направлении, запасая энергию. Когда батарея отсоединена от зарядного устройства и используется в ноутбуке, ионы лития движутся в ней в обратном направлении, высвобождая энергию в форме электрического поля.

То же происходит и в электрохромных окнах – своеобразном очень тонком аналоге аккумуляторной батареи (между двумя листами стекла расположено три слоя активного химического вещества). Получается что-то вроде многослойного бутерброда. Два листа стекла выполняют функции положительного и отрицательного электродов. Три слоя в середине «бутерброда» устроены так: верхний – источник ионов лития, средний – электролит, который проводит ионы, а нижний – кристаллизованный оксид вольфрама, хорошо поглощающий ионы. Когда стекло работает в нормальном режиме, позволяя свету проходить сквозь него, ионы расположены в верхнем слое. Когда вы хотите затемнить окно и сделать его непрозрачным, вы поворачиваете выключатель. Под действием электрического поля ионы из первого слоя сквозь электролит начинают поступать в кристаллы оксида вольфрама и удерживаются ими. В результате стекло резко темнеет, свет сквозь него уже не проходит. Если пустить ток в обратном направлении, ионы начнут возвращаться в первый слой «бутерброда», и стекло снова станет прозрачным[116].

У известной певицы Джанет Джексон во время суперконцерта на Суперкубке в 2004 году в Хьюстоне произошел инцидент с одеждой, и публика секунду созерцала ее грудь. Этот случай стал темой миллионов заголовков, но в конце концов был признан «неувязкой с гардеробом». Нас окружают вещи и материалы, которые могут неожиданно подвести. Сколько мужчин по утрам скребут щетину безопасной бритвой, проклиная сам факт, что нержавеющая сталь может так затупляться? Сколько полов в мире заскрипело, затрещало или застонало с того момента, как вы начали читать это предложение? А может, вы сами сейчас вертитесь в кресле, удивляясь тому, что оно стало продавленным и не пружинистым (а ведь когда-то было таким удобным!). Все это указывает на то, что совершенных материалов не существует и даже прочные вещи из металла не могут служить вечно.

Но и это не все. Материалы часто подводят нас в самый неподходящий момент. Неожиданные прокол шины или несработавшие тормоза не обязательно доведут до беды, но, когда происходит разрыв обшивки фюзеляжа самолета, летящего на высоте 10 000 м, у его пассажиров мало шансов выжить. В начале 1950-х много шума было из-за семи катастроф первых пассажирских коммерческих реактивных самолетов Havilland Comet. В итоге выяснилось, что причиной стала излишняя напряженность металла вокруг окон кабины и салона. Легко представить себе, как кусок бумаги – тонкий слой высушенных древесных волокон – рвется в ваших руках на две части. Гораздо труднее определить, почему такие прочные материалы, как сталь, разрушаются неожиданно и безо всякой видимой причины или почему ваши любимые домашние шорты со смешными рисунками из мультика про Симпсонов через год обвисают и теряют приличный вид.

Мы уже знаем, как успешно работают многие окружающие нас дома материалы: дерево, стекло, клей. Но что становится причиной проколов?

Я часто думаю, что мог бы прыгнуть с крыши небоскреба или с моста. Раскачиваясь на ходящей ходуном крыше, цепляясь за ограждение, почему бы не прыгнуть в неизведанное? Как ученый я убежден в теории упругости, и если бы я прыгнул, то будьте уверены: мою талию охватывал бы надежный пояс с прикрепленным к нему суперэластичным тросом. Упругость – материальное воплощение поворота времени вспять: будущее похоже на прошлое, в которое всегда можно вернуться.

Как появились эластичные материалы? У вас дома наверняка есть эластичные резинки, жгуты, ремешки для часов, клеящаяся пленка и т. п. Хотя по сути эластичных материалов не существует. Этим термином мы называем более-менее растягивающиеся материалы. В главе 1 мы заметили, что высочайшие здания мира раскачиваются с амплитудой до метра на самом верху. Так что даже такое неподходящее к определению «растягивающееся» сооружение, как небоскреб, по сути, обладает этим свойством (иначе оно упало бы). Если говорить точно, то упругие материалы являются эластомерами. Самый известный из них – каучуковая резина (причем это эластомер природный). Эластомеры – материалы, которые состоят из больших перевитых молекул. Когда вы их растягиваете, молекулы расходятся и выпрямляются, но сразу возвращаются в первоначальное состояние, как только вы прекращаете воздействовать на материал с силой.

Каучук иногда используется в неожиданных местах. Раньше жевательную резинку делали из натурального каучука – чикла. Он до сих пор используется в праздничных воздушных шариках и авторезине[118]. Современные жевательные резинки изготавливаются из синтетических каучуков вроде стирол-бутадиена (он может входить и в состав подошв ваших туфель) или поливинилацетата (который содержится в скользком клее-карандаше)[119]. Так что не стоит глотать такую жвачку.

Иногда под «эластиками» мы понимаем любые эластичные материалы, но с научной точки зрения упругость – почти полностью обратимая растяжимость. Когда вы растягиваете резиновую ленту и отпускаете ее, она возвращается в свои первоначальные размер и форму. Если вам не наскучит, вы можете повторить это упражнение сотни раз с тем же эффектом.

Как неправильно называть все эластичные вещи «эластиками», так же неправильно называть и все сделанное из пластмассы «пластиками». Под ними мы подразумеваем яркие изделия вроде пластмассовых сосудов или зубных щеток. Однако пластичный в строгом научном понимании означает «мягкий, податливый, изменяемый». Пластические материалы (для простоты будем называть их пластмассами) не обязательно податливы или мягки, когда находятся в ваших руках. Но основа, из которой они сделаны (в основном это различные смеси углеводородов), изначально была мягкая и горячая. Поэтому из нее можно создавать яркие изделия для вашего дома путем закачивания ее в формы, сжатия или раскатывания (различных видов деформации). Другая причина податливости пластмасс состоит в том, что мы можем производить из них очень тонкие волокна. Например, волоски зубной щетки сделаны путем пропуска расплавленной пластмассы через специальные устройства с тысячами маленьких отверстий, называемые многоканальными мундштуками. Волокна пластмассы в нейлоновых чулках еще тоньше. Поразительно, но в одном обычном нейлоновом чулке содержится около 9 км тончайших нейлоновых волокон. И они при этом имеют массу всего около 15 г.

Изделия из пластмасс обладают упругостью. Вы можете немного изогнуть толстую ручку зубной щетки, и она сразу же вернется в первоначальное положение. Если вы приложите больше усилий и отогнете ее сильнее, то поймете, почему пластмассы получили такое название. Возьмите красную щетку и сильно изогните ее ручку. Вы увидите в структуре материала бело-розовые полоски. Если вы посмотрите на этот участок в поляризационный микроскоп (который пропускает свет только определенной поляризации[120]), то сможете увидеть удивительную картинку радуги, обусловленную явлением фотоупругости[121]. И вы можете изгибать пластмассу до тех пор, пока она не сломается.

Вы можете заметить неприятный запах при сильном изгибании или переломе пластмассового изделия. Он вызван напряжением в структуре и теплом от воздействующей силы. Запах дают полимеры в структуре пластика. Пластмассовые изделия сами по себе могут иметь неприятный запах. Дорогие пластмассовые куклы часто начинают сильно вонять, потому что старые мочевинно-формальдегидные смолы, использованные в их изготовлении, разлагаются. Поэтому опытные торговцы бижутерией испытывают незнакомые сорта пластмасс, погружая их в горячую воду или быстро натирая, а затем принюхиваясь к запаху. Например, целлулоид на основе нитрата целлюлозы пахнет нафталином. Производимые на основе формальдегидов бакелит и галалит пахнут горелым молоком, а ацетатно-целлюлозные пластики издают запах уксуса.

Пластмассы в какой-то мере упруги. Но иногда подобные материалы теряют это свойство – либо неожиданно, либо постепенно. Если вы растянете резиноподобный материал слишком сильно, вы можете превысить уровень его упругости. Он будет и дальше растягиваться, но уже не вернется в изначальную форму.

Даже металлы отчасти упруги. Иначе езда на машине приводила бы к быстрой деформации ее корпуса, двигателя и всех соединений, которых в ней множество. Резиновые шины автомобиля и металлические амортизаторы поглощают много энергии, но вибрация по-прежнему остается для него серьезной проблемой – хоть и не фатальной[122]. Стиральные машины не распадаются на куски, потому что большинство их металлических деталей микроскопически растягиваются и сжимаются, своей упругостью компенсируя действующие на устройство силы. Если слегка ударить по столу камертоном, он издаст звук «до» средней октавы, потому что его концы эластично вибрируют с так называемой резонансной частотой, которая составляет несколько сот колебаний в секунду. Но вы не можете воздействовать на металл слишком сильно и не вызвать его пластическую деформацию (долговременное изменение формы).

Сталь растягивается примерно в 200 000 меньше, чем резина, которую вы легко можете растянуть в несколько раз[123]. Но в этом деле и резина – не чемпион. В соревновании на упругость ее побеждают гидрогели. Их можно растягивать в 20 раз[124]. Если бы щеки джазового трубача-виртуоза Диззи Гиллеспи были сделаны из гидрогеля, то каждую он смог бы растянуть до размеров своего желудка. Но, возможно, и это не предел. В 1970 году профессор Джеймс Гордон в своей книге «Конструкции», одной из лучших книг о природных материалах, составил таблицу самых прочных и самых эластичных материалов. Среди последних первое место заняла «рубашка» эмбриона беременной саранчи, которая оказалась в 35 раз растяжимей резины[125].

Эластичные материалы теряют упругость при превышении пределов их гибкости или растяжимости и под влиянием времени. Со временем снижается упругость резинового жгута, пусть и не очень значительно. Попытайтесь поносить резинку на запястье два-три месяца, и вы всё увидите сами. Сначала она будет держаться на руке плотно, затем растянется и обвиснет, а в итоге порвется. Почему? Каждый раз, когда вы подтягиваете жгутик вверх или опускаете вниз, вы раздвигаете молекулы резины, не давая им возможность занять первоначальное положение. Если вы несколько раз потрете резину в ладонях и приложите ее к губам, то почувствуете, что она стала теплее. Это тепло представляет собой энергию, которую вы уже никогда в резину не вернете. Чтобы вызвать долговременную деформацию вулканизированной резины (той, что используется в автошинах и производится смешением каучука с серой), необходимо гораздо больше циклов воздействия и энергии, чем для того, чтобы деформировать, скажем, воздушный шарик или резинку на руке[126].

После нескольких сот подтягиваний и отпусканий резинки молекулы в ней уже не возвращаются в первоначальное положение. Она по-прежнему растягивается, но уже менее охотно принимает первоначальную форму. То же относится и к другим растяжимым материалам: от эластичных компонентов женского бюстгальтера до пружин кровати. Более того, этот принцип действует и в отношении вашей кожи. Многомиллиардный рынок средств от морщин у женщин основан на простом и неизбежном научном факте: все эластичные материалы, включая человеческую кожу, со временем свою эластичность теряют. С 10 до 70 лет кожа утрачивает примерно треть своей эластичности. Главным образом это происходит к возрасту 40 лет. Тому есть и механические причины (например, появляются морщины от смеха и проявлений других эмоций), но сильнее всего на кожу воздействует солнечный свет. Кожа на щеках теряет эластичность вдвое быстрее, чем на закрытых участках тела, скажем предплечьях[127].

Упругость и пластичность не всегда можно четко различить. Когда я учился в школе, мы любили гнуть пластиковые линейки до тех пор, пока они неожиданно с громким треском не ломались. Тогда вместо деревянных линеек стали использовать блестящие линейки из пластмасс. Они разламывались на мелкие осколки, похожие на стекло. Производители позже разработали другие, более «безопасные» изделия, из более пластичного и одновременно эластичного акрила, который сгибался и напрягался, но хотя бы звуком предупреждал о том, что вот-вот сломается.

Ломающиеся материалы тоже эластичны, но в такой незначительной степени, что мы этого не замечаем. Предел их упругости значительно меньше, чем у резины. Даже стекло эластично: более того, оно вдвое эластичнее стали[128]. Когда вы попадаете футбольным мячом в стекло и он отскакивает от него, стекло проявляет свою пусть незначительную, но эластичность. При этом стекло вибрирует, и так же вибрирует отражение в нем. Самый безопасный способ демонстрации эластичности стекла – щелчок ногтем по стеклянному бокалу или проведение мокрым пальцем по его верхнему краю. При этом бокал издает звук. Стекло в силу своей эластичности немного вибрирует, и это порождает звук.

Пределы воздействия на стекло значительно меньше, чем на по-настоящему эластичные или пластичные материалы, а также на более жесткие материалы вроде стали. Трудно поверить, что стекло эластичнее стали и при этом так легко разрушается. Но тут нет противоречия. Стекло разбивается из-за того, что достаточно небольшой энергии, чтобы нарушить его структуру и вызвать в нем трещины. Но это не значит, что оно разбивается всегда. Вы можете уронить бокал или чашку, и если вам повезет, то они останутся целы. Почему? В следующий раз понаблюдайте повнимательнее, и вы заметите, что оброненный стеклянный предмет меняет свое положение в пространстве. Значительная часть энергии тратится на изменение траектории его движения или вращение. Стеклянный предмет поглощает меньше энергии – соответственно, уменьшается и вероятность его разрушения.

У пластичных материалов всегда есть предел пластичности. Вы можете несколько раз сгибать и выпрямлять металлическую линейку (это значит, что металл пластичен – вы можете его деформировать). Но в какой-то момент она распадется на две части. Это отлично видно на примере металлических скрепок для бумаги. Если вы согнете и разогнете скрепку с десяток раз, она, скорее всего, сломается. Почему? Потому что в кристаллической решетке металла нарушается порядок расположения атомов. Повторное воздействие силы заставляет деформироваться новые слои атомов, что в итоге приводит к разрыву структуры. На финальной стадии для структуры энергетически выгоднее распасться, чем оставаться единой. В критической точке (в науке она называется критической длиной трещины Гриффитса) этот разрыв может получить изнутри материала достаточно энергии для того, чтобы разъединить его части.

Некоторые материалы разрушаются в силу своей непрочности. В других разрушения могут происходить из-за ошибок производства, когда наибольшая нагрузка падает на самые слабые места. В злополучных самолетах Havilland Comet причина состояла в том, что вырезы в фюзеляже для окон и дверей ослабили металлическую конструкцию корпуса. В результате систематического воздействия гигантских сил на фюзеляж ослабли заклепки и другие соединения, что привело к фатальным последствиям. Производитель протестировал самолеты и определил срок их службы в небе в 10 лет, но ошибся. Реальные нагрузки оказались втрое больше тех, которые инженеры обнаружили при лабораторных испытаниях. В результате произошли трагические катастрофы этих самолетов после пары лет эксплуатации[130]. Грубо говоря, эти аппараты были похожи на металлические скрепки, которые без конца сгибались и разгибались огромной силой сопротивления воздуха. Эти случаи стали классическими примерами того, что мы называем усталостью металла: неожиданное его разрушение под воздействием кумулятивного эффекта от постоянного механического напряжения.

Признаки возможного разрушения материалов не всегда надежны. Если вы живете в старом доме со скрипящими полами, то можете так привыкнуть к ним, что даже будете находить в этом какое-то очарование. Вы начнете узнавать каждую доску по звуку и даже научитесь проходить на цыпочках между скрипящими половицами, когда встаете ночью. Но если вы живете в современном многоквартирном доме и неожиданно оказываетесь на чьих-то скрипящих полах, то вас может посетить мысль: а насколько безопасно это жилище? Не означает ли этот скрип ослабление и обветшание всей конструкции дома? А вдруг он и вовсе обрушится вам на голову?

Поющие и скрипящие полы – обычно благоприятный признак. Это значит, что дерево сжимается и разжимается, успешно поглощая давление и напряжение. Деревья на ветру тоже постанывают, и это вовсе не значит, что они вот-вот упадут (хотя при сильном ветре такое случается). Почему дерево скрипит и издает звуки, похожие на стон, а другие материалы нет? Дерево – единственный природный растительный материал, который используется для строительства больших сооружений, несущих значительную нагрузку. Оно состоит из полых трубчатых волокон, плотно сжатых в прочной структуре. По мере того как эта структура сжимается и растягивается, волокна внутри ее трутся друг о друга, издавая разные звуки. Полы в домах поют, когда половицы трутся друг о друга, а также в местах сочленения с основанием пола – брусьями или лагами. Особо прочные породы дерева обычно малоэластичны и не издают звуков. Чем мягче и эластичнее дерево, тем больше движения происходит между его волокнами и тем чаще оно «поет». Изменения температуры и влажности тоже заставляют дерево расширяться или сжиматься, поэтому громкость и тон скрипов в доме могут меняться от сезона к сезону. Полы обычно больше скрипят летом, когда они суше, чем зимой, когда они более холодные и влажные, а волокна дерева набухшие.

Изношенность – понятие растяжимое. Например, изношенными можно назвать туфли, подошвы которых разрушились от трения. Каждый раз, когда вы поскальзываетесь в них, вы стираете несколько слоев атомов, и в какой-то момент у вас ничего не остается. Изгибание кожаного верха туфель похоже на сгибание и разгибание скрепки для бумаги, хотя благодаря наличию коллагенов (протеинов) кожа более упруга и может выдержать тысячи сморщиваний, прежде чем разрушится. Разумеется, живая кожа животного еще эластичнее, но выделанная гораздо более долговечна, поскольку в процессе дубления из нее удаляется вода и создаются прочные взаимосвязи между молекулами протеина – вроде тех перекрестных связей, которые мы видим в вулканизированной резине[134]. Мы чистим обувь, чтобы смазать волокна коллагена и придать им эластичность и мягкость (разумеется, при этом мы не забываем и о блеске обуви, а также защите от влаги). Но к обуви мы еще вернемся в главе 18.

Когда кожаные ботинки полностью изнашиваются, это означает, что мы довели составляющие их материалы до точки разрушения. Но, чтобы расстаться с любимым платьем или рубашкой, не обязательно дожидаться появления дыр. Возможно, вас начнут раздражать их потрепанный вид или выгоревшие краски. Почему же выгорает текстиль? Обычно причина в том, что текстиль в большинстве случаев окрашен (путем добавления химических веществ в волокна ткани). Солнечный свет обесцвечивает вещи прежде всего потому, что он содержит ультрафиолет (тот самый высокочастотный свет, который дарит нам загар). Когда ультрафиолет попадает на молекулы красителей, он вызывает процесс фотодеградации: молекулы перестраиваются в другую структуру, которая уже не отражает свет так же, как раньше. Вы наверняка замечали, что чеки из магазинов (и факсы) быстро бледнеют на солнечном свете. Они печатаются не чернилами, а термочувствительными химикатами (лейкосоединениями), которые бывают двух типов: бесцветными и цветными. Когда термопринтер проводит нагретой печатной головкой по термочувствительной бумаге, возникают значки и буквы, потому что лейкосоединения трансформируются из бесцветной формы в черную. Ультрафиолет вновь заставляет лейкомолекулы перестраивать порядок, обесцвечивая напечатанный текст[135].

Пластмассы тоже фотодеградируют, причем быстро и сильно. Когда лондонский стадион Уэмбли реконструировали за очень большие деньги, там было установлено около 27 000 ярко-красных кресел. Но очень скоро 17 000 из них вылиняли до розового цвета[136]. Вы, наверное, уже замечали, что белый пластик со временем мутнеет или даже приобретает отвратительный желтоватый оттенок. В этом опять-таки виновата фотодеградация. Через прозрачный пластик (вроде того, что используется в бутылках для питьевой воды) световые волны проходят практически без изменений. Когда молекулы пластика желтеют, они могут пропускать только часть видимого спектра, поглощая остальное. При этом пропускаемый ими свет в основном относится к красному и зеленому спектрам, поэтому старая пластмасса приобретает желтый оттенок. Вдобавок такая пластмасса становится очень хрупкой и легко разрушается. Процесс разложения пластика неприятен, но это один из лучших способов его уничтожения в природных условиях. Если бы не было естественных явлений, таких как фотодеградация, пластмассы окружали бы нас всегда и всюду.

Не все материалы разрушаются под действием физических законов. С некоторыми это происходит в результате химических или биологических процессов. Когда ваша машина начинает ржаветь, а со временем и разваливается на куски, то это происходит под влиянием химических явлений. Там, где содрана краска, происходит контакт стального корпуса с атмосферным кислородом и водой. В результате появляется окись железа, более известная как ржавчина. В отличие от крепкого и прочного железа, его диоксид – порошкообразное вещество. Так что ржавчина ослабляет металлические изделия, изготовленные из железа и стали. Как мы видели в главе 7, добавление хрома в железо создает на нем защитную «пленку» из оксида хрома, которая защищает атомы железа от атак кислорода и воды, оберегая их (хотя и не полностью) от ржавления. Краска выполняет ту же функцию. В детстве я думал, что люди красят машины для того, чтобы они красивее выглядели. Но это достоинство автокрасок случайно. Главное их предназначение – предохранять корпус и другие металлические детали от коррозии. Алюминиевые корпуса машин и судов не нуждаются в покраске. Вокруг этого металла сам собой образуется защитный слой оксида алюминия, придавая ему блеск.

Гниение сродни ржавлению. Но его вызывают микроорганизмы, которые поражают прежде всего дерево, а не металл. Решение здесь такое же, как и для металлических поверхностей: создать барьер между деревом и наполненным этими микроорганизмами воздухом. Но здесь нас подстерегает другая проблема. Покрасьте оконные рамы, и вскоре вам придется беспокоиться не о целостности дерева, а о целостности красочного покрытия. Оно «дышит», расширяется и сужается в зависимости от температуры воздуха. В результате в нем возникают трещины, оно отслаивается и отсоединяется от дерева, снова делая его беззащитным. Для защиты деревянных сооружений применяется креозот – угольная смола, включающая в себя около 100 различных элементов и работающая по иному принципу. Он защищает дерево изнутри, а не снаружи. Креозот крайне токсичен для любых микроорганизмов (бактерий, грибков) и насекомых, живущих в дереве. Именно поэтому им покрывают деревянные заборы и телеграфные столбы. Проблема креозота в том, что он опасен для окружающей среды. Он не только токсичен, но и канцерогенен[137]. Так что, решая с его помощью одну проблему, вы можете заполучить другую.

Деревья могут раскачиваться на ветру сотни лет, а оконные рамы служат несколько десятилетий. Почему живое дерево не гниет гораздо дольше, чем изделия из «мертвого» дерева, вроде дверей и оконных рам? Дело в том, что живое дерево защищает кора, которая богата смолами и воздействует на жучков и насекомых подобно креозоту. Поэтому, например, в Лапландии кора березы традиционно используется при изготовлении водоотталкивающей одежды и обуви[138]. Целлюлоза в дереве (базовый материал, из которого оно состоит) и лигнин (сложный полимер в стенках клеток растений) вместе создают очень плотную субстанцию, которая предотвращает проникновение в дерево воды и живущих в ней микроорганизмов. Незащищенная древесина в деревянных сооружениях обычно более влажная и теплая – это-то и нужно различным грибкам для буйного пиршества.

У вас никогда не возникало чувства, что даже наедине с собой вы не одиноки? Оторвите на секунду взгляд от страницы и рассмотрите комнату, в которой находитесь. Что вы видите? Диван, компьютер, книги, растения, винные бокалы, детские игрушки и вещи, разбросанные там и сям? И тем не менее, как это ни удивительно, вы не видите ничего. Потому что на самом деле вы видите только свет. И еще более удивительно то, что, хотя вы можете видеть только свет, его-то вы и не распознаете. Как он выглядит? Где находится? Посмотрите вокруг себя еще внимательнее, и вы заметите, что, например, в космосе света нет. Можно сказать, что космос – это пустота, самое темное из всего, что можно себе представить.

Свет всегда был загадкой. Он легкий и манящий, как бабочка. И многие думали, что они эту бабочку поймали. Исаак Ньютон, блестящий, но угрюмый английский ученый, с которым мы встречались в главе 1, к 1704 году понял многое из того, что мы знаем сегодня о свете[140]. Тогда он опубликовал очень смелый и подробный труд о природе света, который назвал «Оптика» (Opticks). Многие из его умозаключений справедливы и поныне, включая его поразительное для того времени открытие, что белый свет можно разделить на семь цветов радуги, а также его интуитивную веру в то, что свет состоит из микроскопических частиц (корпускул), попадающих на сетчатку нашего глаза[141]. Современники Ньютона, особенно англичанин Роберт Гук и голландец Кристиан Гюйгенс, напротив, утверждали, что природу света гораздо легче объяснить с точки зрения волн, проходящих через пустоту. Эти волны представлялись им слишком малыми для того, чтобы их можно было обнаружить глазом, но именно волновая теория позволяла, по их мнению, понять волшебство света. По сей день ученые (и, как вы узнаете из этой книги, ученые-популяризаторы) не выработали единых взглядов на природу света и описывают его и как волновое, и как корпускулярное явление[142].

Частицы света мы называем фотонами. Этот термин мы используем для описания всего, что происходит со светом у нас дома, начиная от глазка домофона и заканчивая солнечной панелью на крыше. Из того, как много мы говорим о фотонах, можно было бы сделать вывод о том, что мы давно решили все загадки света. Но здравый смысл подсказывает нам, что это не так. В начале XX века, когда многим физикам казалось, что им остается только связать кое-где концы с концами[143], Альберт Эйнштейн обнаружил пробелы в наших познаниях о природе. Его новая революционная теория относительности гарантировала многим поколениям физиков огромный объем работы на многие годы вперед. (Одна из центральных идей его теории – о том, что скорость света остается величиной постоянной, как бы вы ее ни измеряли, – порождает огромное количество загадок, начиная с того, что космические ракеты во время старта становятся тяжелее, и заканчивая тем, что идентичные близнецы могут стареть с разной скоростью.) Эйнштейн был достаточно уверен в себе, чтобы не бояться демонстрировать несовершенство собственного знания: «Каждый физик уверен в том, что знает, что именно представляет собой фотон. Я потратил всю свою жизнь на то, чтобы понять, чем же являются на самом деле фотоны, и до сих пор не понимаю, что это такое. Мы не знаем о свете очень многого, но кое-что все-таки знаем»[144].

Вкратце – это энергия, которую мы видим. Но этот краткий ответ описывает только внешнюю сторону явления. Большинство проблем, с которыми мы сталкиваемся при изучении природы света, проистекают из того, что мы считаем свет замечательным и уникальным феноменом.

Для большинства из нас свет становится главным источником информации. От трети до половины времени кора нашего головного мозга тратит на обработку информации, которую ей поставляют глаза, отражая явления окружающего мира[145]. Ученые же считают свет крайне важным совсем по другой причине. Со времен Эйнштейна они узнали о нем нечто особенное. Это его скорость, самая высокая величина, с которой объект может перемещаться в пространстве. Интересно, что скорость света вошла в соответствующие уравнения не в результате того, что человек смог увидеть или почувствовать ее. Самым важным в этом смысле является знаменитейшее уравнение Эйнштейна Е = mc². Из него следует, что энергия и масса – одно и то же, а связывает их скорость света. Эта идея до сих пор вводит в ступор многих людей, которые никак не могут поверить в нее[146]. Как, например, можно сравнить «пивной живот» человека (масса) с утренним пением дрозда (энергия)? Для зашоренного разума, мыслящего обыденными категориями, это бессмыслица. Как же это всё объяснить? Мы очень поверхностно представляем себе свет как некую эманацию лучей от гигантского космического факела, которые пронзают космос и темноту только для того, чтобы нам было удобно. Свет существует в силу гораздо более фундаментальных и сложных причин. А наше зрение (случайное преимущество, созданное эволюцией) всего лишь ловко воспользовалось им.

Иными словами, слово свет имеет принципиально разное значение для ученых и простых людей. Чтобы пролить больше света на сам свет, на его природу, необходимо смотреть философски. Человек воспринимает окружающий мир эгоцентрически. Воспринимая узкую полоску света, который поступает через защитный барьер ресниц на хрусталик глаза, мы считаем, что видимое нами – и есть весь наш мир, и соответственно строим нашу жизнь по человеческим меркам.

Ученые видят другие реальности, которые и значительно шире, и значительно уже масштабов видения человека. Они видят астрономические расстояния, измеряемые световыми годами (9,5 трлн км, которые свет пробегает за один год); или наблюдают микромир с атомами и молекулами, где теряется человеческое представление о сущем[147]. Для ученых свет – не просто «энергия, которую мы можем видеть». Это скорее «очень специфический вид энергии, которая распространяется с постоянной и чудовищной скоростью и только небольшую часть которой наш глаз способен различать».

В предыдущих главах мы увидели, насколько искажены наши представления об окружающем мире. Мы узнали об инфракрасном и ультрафиолетовом излучениях, которые находятся по краям видимого спектра. Инфракрасный свет невидим для глаза потому, что он слишком красный, а ультрафиолетовый – потому что он слишком синий. Но что случится, если вы продолжите «сгущать краски», сделаете инфракрасное излучение еще краснее? Возьмите световые волны (длиной около 550 нм, примерно в сто раз меньше толщины человеческого волоса) и растяните их в сотни тысяч раз. Вы получите микроволны, которые помогут готовить еду и доставлять ваши звонки с мобильных телефонов друзьям, а от них – вам. Растяните их еще больше, и вы получите радиоволны, которые приносят в ваш дом звуки радио и изображение на телеэкранах. Возьмите ультрафиолетовое излучение и сделайте его еще голубее. Зажмите получившиеся волны в воображаемые микроскопические тиски. Сожмите их до одной тысячной их длины, и получите рентгеновские лучи. Продолжайте сжимать – и выйдут гамма-лучи, самое энергонасыщенное рентгеновское излучение[148].

Вы можете обоснованно заключить, что все эти названия – свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, микроволны, радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-излучение – означают разные явления. Но явление одно и то же, разница только в размерах волн. Гамма-излучение отличается от рентгеновских лучей и микроволн так же, как красный свет от зеленого: длиной волн и количеством энергии, которое они переносят. Всё это вместе составляет то, что в науке называется электромагнитным спектром, где свет (видимый) занимает место как раз в центре.

Названия различных частей этого спектра складывались исторически и зачастую случайно. Но все они представляют собой принципиально одно и то же. Ученые определяют всё это как свет – хоть мы и не всегда его видим. Это энергия, которая распространяется с постоянной скоростью с помощью волн, которые бывают как гигантскими (длина некоторых радиоволн достигает сотен метров), так и микроскопическими (как гамма-лучи, длина которых в тысячи раз меньше диаметра атома). Если бы наши глаза были способны видеть рентгеновские лучи, то мы могли бы различать темный силуэт бомбы в чемодане или видеть трещины в своих костях (конечно, сначала нам нужно было бы сделать себе рентген, но это уже детали). Если бы мы видели микроволны или радиоволны, а в мозге было бы устройство для их расшифровки, то мы могли бы смотреть телешоу или слушать радиошоу без телевизоров и радиоприемников, прямо в голове.

Когда мы говорим об электрическом свете, то обычно имеем в виду тот, который наполняет комнату после щелчка выключателя. Томас Эдисон полагал, что именно он изобрел лампу, и вы, возможно, тоже так считаете. Но вы неправы. Любой свет – это электричество. И так было всегда, задолго до того, как электричество было открыто. Просто тогда не было слова для его обозначения.

Любой свет (в самом широком смысле) – от мерцающих свечей или потрескивающего в камине огня до радиоволн или микроволн и рентгеновских лучей – состоит из электрического и магнитного полей, которые вместе пронизывают пространство. Если бы мы могли замедлить распространение света и посмотреть на него на атомарном уровне, то увидели бы, что он движется как электромагнитная волна. Представьте себе, что пространство между вашими глазами и Солнцем – огромный океан электромагнетизма. Когда солнечный свет попадает в ваши глаза, электромагнитные волны пробивают к вам себе дорогу сквозь космическую пустоту подобно тому, как волны движутся по поверхности океана.

Океанские волны могут нести на себе серферов со скоростью до 40 км/ч, а свет гораздо более скор на ногу – в 27 млн раз, если быть точным[149]. Он может покрыть расстояние в 300 000 км (семь раз обогнуть экватор) за секунду. Так что достичь Земли от Солнца для него – дело восьми минут. Вот почему мы не можем видеть движение света в пространстве так, как переливы волн на воде. Вдобавок свет имеет микроскопическую природу. В видимом спектре каждая световая волна имеет длину всего несколько сотен нанометров (в несколько тысяч раз больше, чем обычный атом), поэтому наши шансы увидеть воочию световую волну в буквальном смысле исчезающе малы[150].

А как насчет фотонов? Если свет состоит из них, почему мы не можем их видеть? И вот здесь мы вступаем в область сюрреалистического, как в сказке про Алису в Стране чудес, в мир квантовой теории – таинственных идей, которые помогают нам понять, что на самом деле происходит на субатомном уровне. Оказывается, фотоны тоже ничтожно малы и не имеют массы. Это чистая энергия. Высчитать, какой энергией обладает один фотон, несложно (хотя эта величина будет различаться в зависимости от цвета светового луча). Например, гелий-неоновый лазер испускает устойчивый поток красных фотонов, и энергия каждого из них составляет примерно 0,0000000000000000003 Дж[151]. Обычная электрическая лампочка обычного карманного фонарика излучает примерно два квинтиллиона (2 000 000 000 000 000 000) фотонов в секунду[152]. Как можно вообразить такое число? Представьте себе, что каждый человек, живущий на Земле, имел бы внутри себя 300 млн своих маленьких «копий». Сложите общее число «копий» на планете, и вы получите количество фотонов, которое испускает каждую секунду электрическая лампочка. Представив себе примерную ширину луча, можно получить приблизительное представление о размере фотона: каждую секунду в нем находится в 300 млн раз больше фотонов, чем людей на Земле.

Из главы 2 мы узнали, что энергия не возникает ниоткуда и не исчезает никуда. Поскольку свет – разновидность энергии, из закона сохранения энергии следует, что он тоже должен возникать из чего-то, откуда-то должна появляться энергия, которую он переносит. Источник света может быть любым: факел, старая восковая свеча, спрятанная давным-давно на случай перебоев с электричеством и найденная под мойкой, или современная экономичная неоновая лампа.

Откуда же берется свет? Он возникает из атомов. Как мы уже видели ранее, атом – мельчайшая частица материи, основная масса которой сосредоточена в ядре, состоящем из протонов и нейтронов. На периферии атома находятся легкие частицы – электроны. Их обычно столько же, сколько и протонов[153]. Чтобы представить себе электроны, которые вращаются вокруг атомного ядра по своим орбитам, представьте себе, что эти орбиты – поперечные срезы головки лука. Но в целом картинки строения атомов, которые мы рисуем (или видим), можно считать правдивыми только с большой натяжкой. Как рассказывает в своей книге об истории деления атома Брайан Кэткарт, ядро атома сравнимо по размерам с «мухой в кафедральном соборе» или с фасолиной в центре футбольного поля[154].

Забудем на секунду мух, фасоль и футбол и сосредоточимся на электронах, которые заполняют в атоме пустое пространство. Если атому сообщить некоторую энергию, он «возбудится». При этом один или несколько электронов, двигающихся по удаленным от ядра орбитам, «перепрыгивают» на еще более далекие от ядра орбиты. Теперь, чтобы «вытолкнуть» электрон еще дальше, нужна дополнительная энергия (так же, как вам нужна энергия, чтобы подниматься по приставной лестнице и удаляться от земли). Так атом поглощает энергию извне. Как и люди на приставных лестницах, которым не нравится шататься наверху и которые стараются побыстрее спуститься, атом хочет поскорее вернуться в первоначальное состояние, называемое стабильным. К сожалению, он может достичь этого, только отдав энергию, которую поглотил (можете сравнить его с грабителем, который старается побыстрее закопать добычу). Атом совершает это, «выбрасывая» фотон света примерно через наносекунду (миллиардная доля секунды) после того, как поглотил порцию энергии. После этого электрон внутри него занимает первоначальную орбиту. Именно тогда и возникает свет: атомы поглощают энергию (из тепловых или электрических источников), становятся неустойчивыми и «выбрасывают» свет. Почти любой свет возникает в ходе подобного простого процесса, который называется спонтанной эмиссией (излучением).

Откуда берется теплый солнечный свет в погожий день? Всего около 8,5 минуты назад он находился на поверхности Солнца, за 150 млн км от Земли. По сути, солнечный свет – очень успешный экспортный продукт, производимый ядерными фабриками в глубинах космоса. Миллиарды лет Солнце бурлит ядерными реакциями, в ходе которых атомы водорода превращаются в атомы гелия, выделяя колоссальные объемы энергии. Эта энергия, рожденная термоядерным синтезом, возбуждает атомы и заставляет их излучать огромное количество света, включая ультрафиолет, который обжигает кожу, и видимый свет, который освещает улыбки ваших друзей. Задумайтесь: слова, которые вы сейчас читаете, были некоторое время назад парой атомов, которые слились в синтезе на Солнце[155].

До электричества человечество пользовалось открытым огнем: свет тогда получали термическим способом. Для освещения был необходим процесс горения или тления. Когда вы разжигаете костер, зажигаете камин или свечи в канделябре, вы запускаете химическую реакцию (горения), в ходе которой топливо (дерево, воск, уголь или другой материал) окисляется, выделяя тепло и свет. Внешняя энергия возбуждает атомы в топливе. Возвращаясь в исходное состояние, они эмитируют энергию в виде инфракрасного излучения (когда вы ощущаете тепло) и видимого света (в котором присутствуют красный, оранжевый, желтый и белый цвета). По яркости освещения последнее место, наверное, занимают свечи. Мерцающего света одной свечи иногда еле хватает для того, чтобы читать. Но при горении свеча нагревается до очень высокой температуры (около 1400 °C), что значительно выше температуры вулканической лавы[156].

Старомодные электрические лампочки служат нам до сих пор и работают на принципе накаливания. В отличие от существовавших во времена их появления других ламп накаливания, в которых горел фитиль с топливом, электрическая лампочка питается электроэнергией. Когда электричество проходит через тонкую металлическую проволоку, атомы в ней возбуждаются настолько, что уже не в состоянии удерживать в себе электроны. Чем тоньше проволока, тем труднее электрическому току проходить по ней – здесь возникает то, что мы называем электрическим сопротивлением. Поддерживая напряжение на должном уровне, вы можете добиться разогрева проволоки до красного или даже белого цвета. Загвоздка в том, что в таких случаях легко сжечь проволоку. Поэтому ее заключают в стеклянную вакуумную оболочку, внутри которой нет кислорода. Если бы люди не додумались до этого, наши электролампочки работали бы всего несколько минут. В вакууме электричество, проходя по проволоке, разогревает ее, заставляя атомы «выбрасывать» свет.

«Долгоиграющая» нить накаливания появилась только в 1880 году, когда Томас Эдисон запатентовал свою электрическую лампочку. Обычно историю изобретения величайшего устройства всех времен, ставшего символом человеческой изобретательности, подают так, будто оно ждало своей очереди в ряду других блестящих изобретений Эдисона. Но это миф. Еще до Эдисона многие занимались идеей создания электрического освещения. И даже сам Эдисон добился успеха скорее в результате упорного труда, а не озарения. В лаборатории в Менло-Парке, которую охранял сидевший на цепи медведь, Эдисон испытал около 6000 разных вариантов нитей накаливания, от бамбука и хлопка до рыжего волоса из бороды шотландца, пока наконец не нашел единственный вариант: вольфрамовую нить накаливания, заключенную в стеклянную колбу, в которой создан искусственный вакуум. Эта классическая лампочка служит нам по сей день. Главной находкой Эдисона была, конечно, вакуумная колба. Без нее любая нить накаливания обречена на такое же быстрое сгорание, как капризная голливудская звезда[157].

Главная проблема с лампами накаливания в том, что они излучают вместе со светом и огромное количество тепла. По некоторым подсчетам, при их эксплуатации до 90 % потребляемой электроэнергии теряется на разогрев нити, окружающего ее стекла и воздуха вокруг. Современные энергосберегающие лампы гораздо эффективнее, потому что генерируют столько же света, сколько и прежние, при значительно меньшем производстве тепла. Но если нет тепла, откуда берется энергия для того, чтобы заставить атомы производить свет? Она получается в результате столкновения атомов.

Флуоресцентная лампа представляет собой закрытую стеклянную трубку с двумя полюсами (электродами). Когда вы включаете лампу в электрическую цепь, атомы заполняющего трубку газа превращаются в ионы и начинают быстро двигаться внутри трубки. Атомы, электроны и ионы часто сталкиваются друг с другом. При каждом столкновении энергия от него возбуждает атомы, и возникает вспышка невидимого ультрафиолетового света. Этот свет был бы для нас невидимым, если бы внутренняя поверхность стеклянных трубок не была покрыта порошкообразным фосфором. Когда ультрафиолет попадает на атомы фосфора, они тоже возбуждаются, и электроны в них «перепрыгивают» на более высокие орбиты. Затем атомы возвращаются в первоначальное состояние. При этом вместо ультрафиолета, который они поглотили, они «выбрасывают» фотоны видимого света. Почему флуоресцирующие лампы всегда белые, а не прозрачные? Как раз потому, что изнутри они покрыты фосфорсодержащим материалом.

Неоновые лампы работают по тому же принципу, но они заполнены специальным газом (неоном), который создает красный свет при пропускании через него электрического тока. Неоновыми называют большую группу ламп, и не все они заполнены неоном. В других используются «благородные» газы ксенон и аргон (или смесь разных газов, известных как инертные). Они используются для получения разных цветов свечения, а также различных эффектов.

Для получения флуоресцентного света не нужно электричество. Всё, что способно атаковать атомы с достаточной энергией, может «выбить» из них вспышку света. Поэтому, например, некоторые леденцы светятся во рту, когда вы разгрызаете их зубами. Ваши зубы становятся источником энергии укуса и «жевания», а компоненты леденцов (обычно это винтергрен метилсалицилат) превращают ее в видимый свет примерно так же, как фосфорное покрытие во флуоресцентных лампах. Но свет получается голубой, а не белый.

Почему разные типы света различаются по эффективности? Закон сохранения энергии говорит нам, что свет от лампы производится другой энергией. Чем легче мы заставим электроны генерировать свет, тем меньше будут потери энергии и тем более эффективным окажется ее источник. Поэтому флуоресцентные лампы (где атомы просто сталкиваются) намного эффективнее ламп накаливания (которые требуют нагревания нити или элемента накаливания), а лампы накаливания гораздо эффективнее свечей (где для получения света мы должны уничтожить гигантский кусок воска).

Получается, что самым эффективным способом получения света может стать только организация направленного движения электронов. Именно это и происходит в светодиодных лампах, которые по эффективности и долговечности превосходят даже компактные флуоресцентные. Диод – самый простой микрочип. Он работает наподобие улицы с односторонним движением для электронов. Электрический ток может течь в диоде только в одном направлении. Светодиод, как подсказывает его название, – особый вид диода, который светится при пропускании через него электричества. Это кремниевый (а лучше полупроводниковый) эквивалент нити накаливания.

Как он работает? Диоды изготавливаются из маленьких кристаллов кремния (маленькие черные точки на вашей ладони, если на нее высыпать немного сухого песка)[158]. Вырастите этот маленький фрагмент в кристалл, и вы получите сырье для внутренностей компьютеров, мобильных телефонов и других электронных устройств. В нормальном состоянии кремний не очень хорошо проводит электричество. Чтобы заставить его работать в светодиодах, к нему необходимо добавить примеси других материалов. Разрежьте кристалл на две части и к одной из них добавьте атомы бора. В результате некоторые атомы кремния потеряют свои электроны, на их местах останутся «дырки», и атомы получат некоторый положительный заряд (так называемая акцепторная примесь). К другой половине кристалла кремния добавьте атомы сурьмы; в нем появятся лишние электроны и отрицательный заряд (так называемая донорная примесь). Главное произойдет, когда вы соедините два этих «легированных»[159] кристалла кремния вновь. Включите их в цепь (она будет называться диодной), и вы увидите, что электрический ток течет в ней только в одном направлении. По мере протекания тока лишние электроны «перепрыгивают» через место контакта кристаллов и занимают свои места в дырках, в результате чего их атомы рекомбинируют с облегчением – излучением фотона. Вот что происходит в светодиоде: электроны перепрыгивают через область контакта двух кристаллов. Именно поэтому это такой эффективный способ получения света: впустую не тратится практически ни капли энергии.

Живые организмы тоже могут излучать свет. Но не для того чтобы читать в темноте или освещать себе путь, а чтобы привлекать партнеров или отпугивать хищников. На земле хвосты светящихся червяков и светлячков мерцают, точно огонек свечи в ночи. В глубинах океанов замечены величественные кальмары, сардины и морские звезды, которые освещают океанскую толщу таинственным голубоватым светом. По-научному этот подводный фейерверк называется биолюминесценцией. Он порожден возбужденными атомами, которые выплескивают избыточную энергию.

Разумеется, живые существа создают свет по-своему. Светлячки не поджигают себя, как свечи, и не работают на батарейках, как карманные фонарики. Они заставляют химические вещества, которые накапливаются в их теле (люциферин и люциферазу), взаимодействовать друг с другом и генерировать свет. Это похоже на химические фонари, которые развешивают по стенам поездов на случай аварии. Разломите такой фонарь пополам, и вы разрушите стеклянный контейнер, смешав два вещества и создав свет в качестве побочного продукта реакции. От личинок или светлячков много света получить невозможно. Чтобы добиться яркости свечи, нужно более сотни светлячков[160]. Однако само явление выглядит впечатляюще.

Земля, воздух, огонь и вода – классические элементы природы, известные еще с давних времен. Некоторые древние мыслители, достаточно прозорливые, чтобы понять, что четырех элементов мало, полагали, что в природе, возможно, есть еще пятый, квинтэссенция. Его часто называли эфиром (или даже «светящимся эфиром») и считали таинственной, волшебной, воздухоподобной субстанцией, чем-то вроде пустоты, которая заполняет нашу Вселенную, предположительно позволяя свету распространяться в пространстве. Только в 1887 году ученые поняли, что эфир – миф, а свет может проникать всюду без посредников[163]. Это соответствовало популярной тогда гипотезе о том, что на самом деле свет – разновидность электромагнитного излучения, имеющая волновую природу. А в начале XX века появился очень практичный способ мгновенной передачи информации на расстояние: радио.

Но так было не всегда. Несколько столетий назад о связи с людьми на далеких континентах никто и не думал. Жизнь была гораздо более локализована, и обычный разговор, в крайнем случае крик были достаточно эффективными способами донести свое сообщение до окружающих. Звук распространяется быстро, со скоростью чуть более 1200 км/ч, но его недостатки очевидны всем. Когда молния вспыхивает на другом конце города, раскаты грома доносятся до нас только через несколько секунд. Свет доходит до нас мгновенно, а звуку, который возникает практически одновременно с ним, необходимо около трех секунд, чтобы преодолеть километр расстояния.

Если бы мы полагались только на звуковые волны, современные виды связи были бы невозможны. Нам кажется, что Boeing-747 на большой высоте движется со скоростью несколько сантиметров в секунду, а ведь звук быстрее этого самолета всего на 30 %. Представьте себе разговор между Нью-Йорком и Лос-Анджелесом (разделенными почти 4000 км), при том что ваш голос распространялся бы со скоростью звука. Он бы летел меж облаков чуть быстрее реактивного самолета. Чтобы одно предложение дошло от одного собеседника до другого на таком расстоянии, потребовалось бы около 3 часов. И столько же шел бы ответ. Обычный разговор, когда собеседники обмениваются примерно 30 предложениями за две минуты, растянулся бы на четыре дня и ночи. Свет же превращает нашу Землю в маленькую точку. Луч света достигает Луны примерно за секунду, Солнца – за 10 минут, а Марса – за 20. Ограниченность скорости света становится понятна только тогда, когда мы начинаем мыслить межгалактическими и вселенскими масштабами.

Оглянитесь, и вы сразу увидите, что большая часть входящей информации попадает к вам на волшебном ковре электромагнитного излучения. Радио, телевидение, телефон и интернет основаны на электромагнитных волнах. Даже когда вы смотрите в окно, мечтая о будущем, ваши глаза получают информацию в виде световых волн и направляют ее на обработку в ваш мозг. Случайно ли, что разные виды электромагнитного излучения становятся незаменимыми переносчиками информации? Или здесь есть какая-то хитрость? И почему электромагнитные волны так быстро распространяются в пространстве?

Многие полагают, что связь со скоростью света – нечто принципиально новое, хотя даже мобильным телефонам, в которых данные передаются с помощью радиоволн, уже больше 40 лет[164]. Но на самом деле связь между людьми со световой скоростью – явление очень древнее. Вспомните доисторические способы связи с помощью сигнальных дымов или использовавшиеся во флоте семафорные флажки. А яркие костры, разведенные на вершинах холмов, чтобы сигнализировать о вторжении противника? А подмигивающие маяки или светящиеся семафоры на железной дороге? Так информация передается визуально, со световой скоростью, пусть и не всегда на значительное расстояние.

По иронии судьбы, развитие электричества сделало связь медленнее, а не быстрее, по крайней мере вначале. Отправить сообщение по проводам занимает больше времени, чем по воздуху в виде луча света. Ничего быстрее скорости света в природе не существует. Однако сначала именно электричество произвело революцию в связи. Люди даже попытались проложить подводный кабель между Великобританией и Северной Америкой. Но, когда линия была завершена, для передачи подписанного королевой Викторией первого трансатлантического сообщения понадобилось 16 с половиной часов вместо 12 дней. Позже такие сообщения передавались за считаные минуты[165]. Звучит впечатляюще, если только вы не вспомните, что лучу света для перелета из Лондона в Нью-Йорк нужны всего две сотые доли секунды[166].

После того как в XIX веке Майкл Фарадей и Томас Эдисон изобрели способы эффективной генерации электричества, телеграф стал популярным и практичным способом передачи информации. Но и у него были недостатки. Да, теперь вместо света для передачи сообщений стало использоваться электричество. Телеграф соединил разные страны, но отправка сообщений по нему требовала много времени – не в последнюю очередь потому, что слова приходилось переводить в специальные символы, азбуку Морзе. Сообщения передавались медленно, чтобы не возникало путаницы с точками и тире, которые их отображали[167]. Телефон частично улучшил ситуацию, но звонить на дальние расстояния по-прежнему было сложно. Каждый разговор должен был проходить через оператора, который постоянно переключал (коммутировал) провода на специальной панели.

Один из пионеров телефонии Александр Белл интуитивно понимал, что его знаменитое изобретение неудобно для связи на большие расстояния. Звуковые сигналы, преобразованные в электрические, шли по проводам, и связь была возможна только между соединенными между собой в определенных географических точках абонентами. В 1880 году, через четыре года после получения патента на телефон, Белл набросал схему прототипа «фотофона», который должен был посылать звук и изображение не по электропроводам, а по воздуху в форме световых волн. Это был первый шаг к мобильной телефонии. Если бы Беллу удалось развить свою идею, чопорные викторианцы в вагонах своих поездов могли бы развлекать друг друга болтовней по прототипам мобильников, как современные люди.

Большинство современных средств связи – спутниковая навигация, мобильные телефоны, телевидение, мобильный интернет – получили путевку в жизнь в работах Генриха Герца, отца радио. Итальянский шоумен-предприниматель Гульельмо Маркони обычно считается изобретателем радио[170], но на самом деле он был всего лишь его популяризатором. И он мог лишиться даже этого звания. Когда он уехал из Италии в 1896 году в мировое турне для демонстрации своих прототипов радио, помимо других высокопоставленных лиц, и директору почтового ведомства Великобритании, на границе его остановили таможенники, заподозрив, что таинственное оборудование, которое вез Маркони, – на самом деле сложная бомба.

Теория радиосвязи появилась на свет благодаря веселому шотландскому физику Джеймсу Максвеллу. Связав электричество и магнетизм четырьмя простыми уравнениями, он в 1873 году создал первую общую теорию электромагнетизма. Суть в том, что электричество и магнетизм – не разные вещи, как тогда учили в школе, а две стороны одной медали (одно не может существовать без другого). Герц расширил эту теорию и через 14 лет осуществил первую в истории передачу радиоволн. Как мы видели в предыдущей главе, радиоволны – только разновидность света. У них больше длина волны (расстояние между двумя пиками) и, следовательно, меньше частота (количество колебаний в секунду). Но в остальном радиоволны и световые волны практически ничем не отличаются. Герц доказал это в потрескивающей и шипящей лаборатории в Германии в том же году, в котором два американских физика, Альберт Майкельсон и Эдвард Морли, окончательно похоронили идею об эфире как повсеместно присутствующей субстанции. Родилось радио.

Как ловко продемонстрировал Маркони, радиоволны прекрасно переносили звуки на расстояния. Когда другие изобретатели придумали, как с их помощью переносить изображение, родилось телевидение. Молодой фермер Фило Фарнсуорт, американский «собрат» Джона Бэрда[171], придумал способ создания телевизионной картинки (путем электронного сканирования параллельных линий) во время вспашки одного из полей своего отца[172]. Не будучи никогда признанным как создатель телевидения, Фарнсуорт почил на диване в гостиной – он был нищим алкоголиком[173].

Но использование радиоволн не ограничилось телевидением. Широкое применение нашло их свойство отражаться от объектов, обнаруживая их и определяя расстояние до них и скорость движения объектов. Так родился радар. Сейчас радиоволны передаются на спутники и обратно на Землю, чтобы переносить телефонные и телевизионные сигналы, а также сигналы интернета в разные уголки Земли буквально за доли секунды. За исключением оптоволоконных систем связи, использующих лазерное излучение, почти все магистральные (передающие на большие расстояния) системы передачи используют сегодня радиоволны. Но как они работают? Как албанский певец проникает в ваш телевизор за долю секунды, используя всего лишь колебания в пространстве?

Представьте себе, что вы хотите поговорить с другом в Африке, но у вас есть только один электрон. Одна из «мух», которые жужжат в пустом кафедральном соборе атома. Сможете ли вы решить свою задачу? Теоретически да. Когда по проводам идет электрический ток, он создает магнитное поле. Вы сможете увидеть это, если положите компас рядом с электропроводом: вы заметите, как задвигается его стрелка. Дело в том, что вокруг провода с электрическим током образуется магнитное поле. Оно и заставляет стрелку двигаться. А переменное (колебательное) магнитное поле создает поле электрическое. Когда вы крутите педали велосипеда с включенным динамо, то заставляете ротор в виде катушки медной проволоки вращаться внутри статора – магнита. Магнитное поле в катушке постоянно пульсирует, то есть совершает колебания, индуцируя электричество, питающее лампочку велосипеда[174]. За исключением солнечной энергии, практически всё электричество, используемое нами, производится электромагнитными генераторами того или иного типа.

Представьте себе, что вы берете единственный электрон и сильно встряхиваете его вверх и вниз, как бутылку с застрявшим кетчупом. У электрона отрицательный заряд, и его перемещения создают магнитное поле. Колебания магнитного поля создают поле электрическое. Перемещение заряда вверх и вниз генерирует одновременные взаимосвязанные электрическое и магнитное поля, которые обусловливают друг друга. Электромагнитное излучение исходит вовне от двигающегося электрона в виде волн со скоростью света. Именно их мы и имеем в виду, когда говорим о радиоволнах.

В практическом смысле для генерации радиоволн лучше всего заставить электрон двигаться вверх и вниз по металлическому стержню – радиоантенне. Можно превратить принимаемую радиоволну в электрические заряды, сигналы и звуки, которые вы услышите с помощью второй антенны (у приемника), так же как вибрацию электрона – в излучаемую радиоволну (из передатчика). Длина антенны должна составлять половину длины радиоволны, которую она передает или принимает. В случае мобильных телефонов, которые работают в диапазоне частот порядка 2 ГГц, микроволны, несущие речевое сообщение, имеют длину порядка 15 см[175], так что антенна должна быть длиной примерно с ваш мизинец (она может выдвигаться из корпуса телескопически либо, как в современных устройствах, быть встроенной в корпус). Транзисторные радиоприемники, работающие в диапазоне FM, используют более низкие частоты, чем мобильные телефоны (и большую длину волны). Как и более старые мобильники, эти радиоприемники оборудуются телескопическими антеннами длиной 1–1,5 м. Посчитайте, и вы увидите, что это примерно половина длины волны обычной радиопередачи в диапазоне FM[176].

Как и световые волны, радиоволны распространяются чаще всего по прямой. Если бы это было всегда так, то радиопередатчики приносили бы нам не больше пользы, чем маяки. Их сигналы просто «уходили» бы в космос, не позволяя использовать их для передачи сигнала на расстояние больше 15–30 км[177]. Радиоволны так хороши для связи, поскольку способны легко огибать сферическую поверхность Земли. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, если высокая радиомачта соединена с Землей, планета сама служит нижним плечом антенны. Представьте себе, что радиомачта стоит на поверхности озера с абсолютно спокойной водой. Если посмотреть со стороны, то мачта покажется вдвое выше: сама антенна плюс ее отражение в озере. То же происходит с заземленной радиомачтой: планета проводит электричество и служит подобием зеркального продолжения мачты. Когда радиоволна исходит от передающей антенны, она естественным образом окружает контуры планеты, превращаясь в поверхностную волну[178].

Вторая причина, по которой радиоволны могут распространяться на очень дальние расстояния, еще интереснее. Если вы используете радиоприемник на средних волнах, то ночью можете услышать треск и шипение зарубежных станций, которые не слышны днем. Здесь свою роль играет часть земной атмосферы, называемая ионосферой. Она занимает слой высотой от 60 до 500 км (по меньшей мере в шесть раз выше, чем летают пассажирские самолеты). В ней содержатся ионы с положительным зарядом. Она проводит электричество. Ионосфера находится под сильным воздействием солнечной радиации, поэтому ее поведение днем и ночью разительно различается. Днем нижние слои ионосферы поглощают радиоволны и не дают им распространяться далеко. Ночью эффект уменьшается, и более высокие слои ионосферы отражают радиоволны, как зеркало. В этих слоях отражаются и направляются к поверхности Земли сигналы, которые иначе вырвались бы в просторы космоса. Некоторые радиоволны постоянно курсируют между поверхностью Земли и ионосферой, путешествуя с одной стороны планеты на другую.

Чудо природы – способность радиоволн отражаться от небес – привело в восторг и одновременно вызвало конфликт у величайших умов своего времени. Когда Маркони отправил свои радиоволны из местечка Полду в Британии и они достигли отстоявшего от него на 3200 км Ньюфаундленда, Александр Белл не поверил, что это правда. Он сказал: «Я сомневаюсь, что Маркони сделал это. Это невозможно». Томас Эдисон проявил большую открытость, заявив: «Я хотел бы увидеться с этим отважным молодым человеком, который рискнул предпринять такую попытку и достиг успеха в запуске электрической волны через Атлантику»[179].

Объяснение этому явлению – теория о том, что ионосфера отражает радиоволны, – пришло в голову Оливеру Хевисайду[180], первоклассному английскому физику, имя которого сегодня помнят только в академических кругах[181]. Еще в молодости он совершил революцию в области телекоммуникаций, но позже начал чудить. Он поменял свою одежду на кимоно, выбросил из дома мебель и заменил ее гранитными глыбами, оклеил стены неоплаченными счетами за газ, жил на молоке и печенье и завалил соседей вежливыми жалобами на них, которые подписывал «Его червячное превосходительство профессор Оливер Хивсайд»[182]. Удивительно, насколько иногда прогресс науки и техники зависит от людей, балансирующих на грани гениальности и сумасшествия. Была ли это милая эксцентричность, которая придавала красок скучной академичной жизни, или душевная болезнь, которая лишила человечество какой-то части замечательных идей? Мы никогда этого не узнаем. Близкий друг Хевисайда, известный физик Джордж Сирл, описывал его как «первоклассного чудака», но ни в коем случае не «психически больного»[183].

Идея Хевисайда о том, что ионосфера помогает распространению радиоволн, которую он выдвинул в 1902 году, легла в основу работы глобального радио– и телевещания. Что может быть лучше, чем иметь высоко в небе своеобразное зеркало, отражающее радиосигналы и посылающее их по всей планете? Проблема здесь одна: ионосфера – природное явление, и ее способность отражать и перенаправлять радиосигналы зависит от времени суток и погодных условий. Разве не лучше запустить в ионосферу настоящее зеркало, которое свяжет все уголки нашей планеты надежнее? Эта идея послужила основой для создания спутников связи.

Такие идеи посещали раньше и других людей, но ее разработка приписывается фантасту Артуру Кларку, который впервые написал о целесообразности создания космического корабля, который находился бы на орбите и действовал в качестве космического зеркала. В 1945 году Кларк предложил разместить три искусственных спутника на постоянных орбитах над различными частями нашей планеты, которая совершала бы внутри этой «цепи» свое обычное вращение[184]. Подразумевалось, что спутники должны висеть над Землей на расстоянии 36 000 км, двигаясь по орбитам, которые сегодня мы называем геостационарными[185]. Эта идея оставалась умозрительной до 1957 года, когда СССР запустил первый в мире искусственный спутник Земли. Это не был спутник связи, и его орбита не была геостационарной, но это был большой шаг в верном направлении. Три года спустя США сделали второй важный шаг, запустив свое устройство «Эхо» – первый прототип спутника связи, представлявший собой в буквальном смысле «космическое зеркало».

В отличие от современных спутников связи, представляющих собой металлические контейнеры размером с грузовик, напичканные электронной аппаратурой, питающиеся энергией от солнечных батарей, разработка которых стоит сотни миллионов долларов, «Эхо» представлял собой гигантский шар, 30 м в диаметре, из пластичного волокна майлар[186]. Он служил простым подтверждением идеи отражения радиоволн, которые направлялись и возвращались с него на Землю, словно мячики после удара о стену. Через два года после этого успешного эксперимента был запущен настоящий спутник связи Telstar. К 1965 году появился первый геостационарный спутник системы INTELSAT I Early Bird, который был способен передавать на Землю 240 телефонных каналов или один телевизионный. Современные спутники гораздо сложнее. Они могут одновременно ретранслировать сотни телеканалов.

Если все виды электромагнитного излучения по сути одно и то же, почему для связи мы используем радиоволны, а не рентгеновские или гамма-лучи? Ведь у них очень маленькая длина волны, поэтому и в передатчиках, и в приемниках можно было бы использовать гораздо меньшие по размерам и более удобные миниатюрные антенны.

Ответ состоит из двух частей. Во-первых, длина волны электромагнитного излучения обратно пропорциональна ее частоте. Чем длиннее волна, тем меньше частота, а следовательно, энергия[187]. В случаях рентгеновского и гамма-излучения при длине волны, сопоставимой с размером атома, частота невероятно высока. Мы измеряем радиоволны обычно в мегагерцах. А у рентгеновских и гамма-лучей частота (и энергия) в триллион раз выше. В большом количестве они вредны для человека. Стоит ли бомбардировать наши дома атомными лучами смерти?

Некоторые волны с большими длинами тоже вредны для нас. Сразу приходят на ум микроволновые печи. Их рабочее пространство защищено специальным металлизированным покрытием, которое предотвращает утечку вредного излучения. 13-см волны в микроволновках очень походят на те, на которых работают мобильные телефоны. Разница в том, что микроволновые печи используют в сотни раз больше энергии. Современные ученые (и не только) спорят, безвредны ли для нас мобильные телефоны, и чаще всего звучит аргумент о том, что именно разница в излучаемой энергии гарантирует, что микроволны могут поджарить вам корочку цыпленка в индийском блюде корма, но не воздействуют на кору головного мозга[188]. Говорят, что если попытаться разогреть ужин с помощью мобильника, то он в лучшем случае справится с этой задачей в несколько тысяч раз медленнее, чем микроволновая печь: дней за восемь[189].

Во-вторых, мы используем радиоволны, поскольку они гораздо дальше распространяются. Как следы мифического гиганта в небесах, они способны огибать и проникать сквозь здания, деревья, машины, практически не теряя при этом энергии. Вы можете принимать сигнал радиостанции в бетонном доме или металлической машине. С помощью длинных радиоволн Международная служба британской радиостанции ВВС может послать гимн «Боже, храни королеву» вокруг планеты – во все рассеянные по всему миру осколки распавшейся Британской империи. Но если бы передатчики ВВС были переделаны так, чтобы излучать вместо радиоволн рентгеновские лучи, то вряд ли они пробились бы с ними даже на соседнюю улицу. Ультракороткое рентгеновское излучение легко поглощается многими обычными материалами и объектами, а сквозь тяжелые металлы вроде свинца[190] проникнуть не может.

Человечество прошло долгий путь от сигнальных дымов до спутников связи. Но процесс развивался по спирали. В древности человек общался с себе подобными со скоростью света. И сейчас он делает то же самое. Различие в том, что теперь людям не нужно видеть друг друга, а «свет», который обеспечивает общение, может представлять собой (хотя бы теоретически) любой вид излучения. Для отправки информации нет ничего лучше света, потому что нет ничего быстрее его. Но почему так? Что в свете особенного?

Обычно мы воспринимаем свет только как средство освещения. Половину дня нашу жизнь озаряет солнечный свет; в темное время суток заботу об этом берут на себя электрические светильники. Свет дает нам зрение. Но если с нами произойдет несчастье и мы ослепнем, мы постепенно можем привыкнуть жить без света. Да, со светом хорошо, но вроде бы он в нашей жизни играет не главную роль. Мир не рушится тогда, когда мы закрываем глаза.

Но если представить себе свет как безостановочное электромагнитное излучение, пронизывающее Вселенную, или посмотреть на уравнение Эйнштейна E = mc², в котором с (скорость света) является связующим звеном между энергией (Е) и материей (массой, m), то станет понятно, что «свет» (электромагнитное излучение) – не просто освещение. Когда мы говорим по телефону или слушаем радио, то тесно соприкасаемся со скрытым от наших глаз атомарным миром. Солнечные лучи, проникающие сквозь окна, радиоволны в антенне, спутники связи, легко передающие ваш голос друзьям в далекие страны, приближают нас к загадке материи.

Почему свет так быстр? Вопрос бессмыслен. Свет кажется быстрым человеческим существам, которые разместились на песчинке в Млечном Пути. Он не показался бы вам таким быстрым, если бы на другом краю Вселенной вы ждали электронного сообщения в течение 100 млрд лет. Если вы тщательно поразмыслите, то вскоре из области физики вопрос перекочует в область философии: «Почему свет вообще существует?» и «Что же такое свет?» Но на такие вопросы не ответит никто.

Говард Хьюз[191], этот идол современных отшельников, наверное, наслаждался бы нашей нынешней жизнью. Только представьте себе: вы можете посмотреть триллер «К северу через северо-запад»[192], загрузить последнее издание «Гарри Поттера», поболтать по видеосвязи со своей сестрой в Гонконге, заказать кусочек копченой селедки и кукурузные хлопья на завтрак, ответить на рабочие электронные сообщения и сделать много другое, не выходя из дома. Да что там – даже не вставая с кровати! И все это благодаря не интернету и не компьютеру, а кое-чему гораздо более фундаментальному. Сегодняшний мир вращается вокруг одного вроде бы простого, но гениального изобретения: информацию любого рода, начиная от теоретических знаний и культуры и заканчивая новостями и нашими эмоциями, легко перевести в длинные цепочки цифр (0 и 1), которые могут передаваться из одного уголка планеты в другой со скоростью света.

Если вы помните 1970-е и 1980-е, то вы знаете совершенно иной мир. Скорее всего, тогда у вас была полка с любимыми хрупкими пластинками (Astral Weeks, Tubular Bells и Trout Mask Replica) или книжный шкаф, в котором стояли книги с затасканными переплетами вроде «Жестяного барабана» или «Уловки-22»[193]. Ваши расплывчатые студенческие фотографии хранились в альбомах, аккуратно прикрепленные к страницам четырьмя уголками. Если вы записывали свои тайные мысли или переживания в блокнот, то, наверное, хранили его в ящике с носками, чтобы никто ваш дневник найти не мог. Скорее всего, счета и банковские письма, которые вам нужно было сохранять, вы держали в одном из ящиков в шкафу или в коробке из-под обуви.

Как изменилась наша жизнь! Теперь вся ваша коллекция музыки умещается в плеере, который тоньше колоды карт. Возможно, у вас есть книжные шкафы, но нужная вам литература помещается в электронных устройствах. Семейные фотографии? Возможно, вы храните их в компьютере, на сайтах Flickr или Instagram. А может, вы сразу «твитите» их знакомым с мобильного телефона (ведь главный стимул к запечатлению важных для вас моментов – возможность поделиться с друзьями и знакомыми). Письма друзей? Многие из нас теперь ассоциируют их с электронными сообщениями. Они витают в «облаках» бог знает где. А если прибавить Facebook и Twitter, то можно забыть о тайне личной жизни. Откройте ящик с носками и смело делитесь своим секретами со всеми в цифровом мире.

Какой у вас рост? Предположим, вы отметили его на стене с помощью карандаша (так мерят рост детей). Полоса штукатурки или обоев от пола до этой отметки становится «аналогом» вашего роста. Такие измерения ученые называют аналоговыми. Возможно, это интересно (особенно для детей, которым нравится мерить свой рост каждые несколько месяцев, чтобы видеть, как они растут), но вряд ли полезно. Если кто-то хочет узнать ваш рост, что ему толку с того, если вы покажете ему черту на стене? Он может на глаз определить ваш рост, просто взглянув на вас.

Гораздо полезнее перевести аналоговые измерения в цифровой эквивалент. С помощью рулетки соответствующий вашему росту отрезок на стене вы можете перевести в число, скажем 183 см. Цифровые измерения гораздо легче сравнивать. Я выше вас или нет? Мы можем проверить это, встав спинами друг к другу. Но для этого нам нужно как минимум быть в одной комнате одновременно. Если вы хотите купить пальто онлайн, сравнение цифровых измерений вашего тела с размерами товара намного эффективнее, чем угадывание на глазок. Измерения важны не только для внешней оболочки тела, но и для внутренней стороны. Многие современные медицинские аппараты проводят цифровые измерения работы внутренних органов: частоты сердечных сокращений, артериального давления и т. д. Сравнивая свои показатели с нормой, можно дать оценку состоянию своего здоровья и безопасности.

Предположим, процесс цифровых измерений распространился на все органы и системы организма и вы превратились в каталог технической информации, похожий на каталоги машин или аудиотехники. Сколько вы весите? Какова длина внутренней стороны вашей ноги? Каков коэффициент вашего умственного развития? Если отказаться от фантазий, легко превратить себя в сумму измерений. Тогда вы уподобитесь мобильным телефонам, цифровым камерам, CD-плеерам, цифровому радио и компьютерам: преобразуете себя из аналоговой формы в цифровую. Если вы поклонник онлайн-знакомств, то увидите, как легко будет компьютеру-своднику подобрать вам пару по цифровым параметрам.

Оказывается, цифровые технологии «рулят» нашей жизнью не только в любви. Достаточно проехаться в электричке, чтобы увидеть, как много людей либо болтают по мобильным телефонам, либо щелкают пальцами по клавиатуре или экранам компьютеров. Мир цифр имеет не только достоинства, но и недостатки. Что на самом деле вы собой представляете? Просто набор цифр? И если нет, почему мы считаем, что можем сжать полотно Пикассо в цифровую фотографию или разбить сонату Бетховена на части в МР3? Что мы приобретаем, живя в цифровом мире? И что теряем?

Мы аналоговые животные: слышим звуки, видим изображение, испытываем эмоции. Всё это нелегко перевести в слова, не говоря уже о цифрах. Компьютеры – цифровые устройства: они всё делают в цифровой форме. Не в привычных нам цифрах от 0 до 9, а в бинарной (двоичной) системе: компьютеры способны преобразовать любую информацию в нули и единицы. Компьютер переводит понятное нам число 12345 в 11000000111001. Так ему легче обрабатывать и хранить 12345 при помощи электронных элементов в интегральных микросхемах, которые принимают только два состояния: «включено» (1) и «выключено» (0). В наши дни самые мощные интегральные микросхемы (чипы) могут иметь до 2 млрд таких элементов, называемых транзисторами, которые умещаются на площади с ноготь вашего мизинца. Восемь транзисторов могут хранить одну букву или цифру (один байт информации). На вашем ногте могут разместиться 250 млн знаков или 400 объемных книг – достаточно для солидной домашней библиотеки.

Разница между «аналоговыми» людьми и «цифровыми» машинами еще глубже, чем кажется на первый взгляд. Люди склонны видеть смысл даже в том, что кажется бессмысленным. Число 12345, приведенное выше, – просто пример, без особого смысла. Но оно что-то значит для человека: ведь это цифровой аналог азбуки, первых букв алфавита. Или возьмем, например, ценник в магазине. Когда вы видите цену, ваш мозг сразу ассоциирует ее с чем-то большим, чем число. Вы связываете ее с ценами на другие товары, прикидываете, что еще вы могли бы купить за такие деньги или сколько вам нужно времени, чтобы эти суммы заработать. Мы запоминаем коды наших банковских карт, ассоциируя числа с днями рождения, или выбираем лотерейные билеты, номера которых совпадают с датой нашей свадьбы. Наш мозг настаивает на том, чтобы искать смысл везде и во всем.

Компьютеры же не ищут смысла в цифрах, которые они щелкают, как орешки. Они не могут отличить последовательность, которая представляет собой цифровую запись мазка Дэвида Хокни, от последовательности, которой записана песня Gimme Shelter группы Rolling Stones. Но это только половина проблемы, причем лучшая. Настоящая проблема в том, что компьютеры – мещане. Для них глубочайшие человеческие чувства лишены всякого смысла. Для бинарного интеллекта нет разницы между записью в микроблоге знаменитости и цитатой из Корана.

Бесчувственность компьютеров объясняется не только их цифровой природой. Перед тем как в середине 1940-х появились цифровые компьютеры, лучшие вычислительные машины были аналоговыми[194]. Они занимались баллистическими вычислениями (какое расстояние пролетит пуля? что если встречный ветер будет вдвое сильнее и т. д.), вращая зубцами смазанных шестеренок и сравнивая, насколько сдвигается с первоначальной позиции специальный маркер.

Лучшие аналоговые вычислительные машины были разработаны между двумя мировыми войнами доктором Ванневаром Бушем, одним из активных участников создания атомной бомбы и «дедушкой» технологии гипертекста: системы текстовых страниц, имеющих перекрестные ссылки (это основной протокол интернета). Лучшая машина Буша под названием Rockefeller Differential Analyzer представляла собой 100-тонное чудовище, занимавшее целый зал, со встроенными 320 км проводов, 150 электрическими моторами и 2000 вакуумных ламп (предвестниц транзисторов). Она выглядела как гигантский игральный автомат. Но единственные игры, в которые на ней играли, были военные: игры между жизнью и смертью.

Вскоре этот аналоговый монстр был заменен цифровой вычислительной машиной ENIAC (Electronic Numeric Integrator and Calculator), созданной в 1946 году и печально известной своим участием в атомном проекте. ENIAC была огромной. Машина весила 30 т и занимала комнату размером 10 × 15 м. В ней имелось около 100 000 электронных компонентов и в пять раз больше контактов. Она потребляла столько же электроэнергии, сколько 60 тостеров, работающих круглые сутки[195]. Но она себя оправдывала. То, на что у «человеческого компьютера» (инженера с логарифмической линейкой) ушло бы 40 часов, – расчет баллистической траектории снаряда – машина выполняла за 30 минут. ENIAC могла осуществлять 5000 арифметических операций в секунду. С ее помощью решались проблемы цепной ядерной реакции. Подсчитано, что у 100 исследователей на это ушло бы несколько лет. ENIAC же справилась с задачей за две недели (два часа продолжались сами вычисления, 14 дней ушло на создание программы и анализ результатов, несколько минут заняли взаимные поздравления ученых)[196].

Во всех цифровых устройствах, от мобильных телефонов и плееров до вычислительных машин и компьютеров, вся «фишка» заключается в преобразовании аналогового сигнала в цифровой и обратно. Это кажется простым, если речь идет о росте или весе человека и представлять нужно всего одно значение. Но как быть с «измерениями» «Моны Лизы»? Как можно перевести эти измерения в цифровой вид, чтобы хранить их в компьютере?

Прежде всего вы переведете в «цифру» не одно число, а миллионы. Этот процесс называется дискретизацией. Он подразумевает деление непрерывной информации на маленькие кусочки, их измерение, превращение измерений в числа и выстраивание цифровых последовательностей. «Мону Лизу» мы можем, например, разделить на 1000 колонок и 1000 рядов, или на миллион маленьких квадратиков. Мы способны измерить среднюю цветонасыщенность и освещенность каждого квадрата (обозначив оба показателя цифрами) и записать эти цифровые последовательности слева направо и сверху вниз. Это превратит одно изображение в 2 000 000 чисел (или одно число, состоящее из 2 000 000 цифр), которые относительно легко хранить в компьютере или «прогонять» по линии телефонной связи. Аналоговое изображение становится похожим на карту двоичных цифр, обозначающих «включение-выключение», или битовую карту (набор последовательно записанных двоичных разрядов).

Посмотрим, как дискретизация работает в цифровых фотокамерах и mp3-плеерах.

Старомодные фотоаппараты имели зеркальные линзы и створки затвора, которые раскрывались на незначительный промежуток времени, чтобы «засветить» кусочек целлулоидной пленки, покрытой химическим составом с содержанием серебра. Свет превращает кристаллики этого вещества в песчинки серебра, которые группируются так, что освещенные участки пленки затемняются, а неосвещенные остаются светлыми. Иными словами, процесс съемки классическим фотоаппаратом начинался с создания на пленке черно-белого изображения, называемого негативом. При печати на фотобумаге происходит обращение негатива. Темные участки становятся светлыми и наоборот. В результате «позитивная» печать создает оригинальное изображение.

Цифровая камера работает иначе, используя интегральные схемы, состоящие из светочувствительных микросхем, которые называются ПЗС-матрицами (приборами с зарядовой связью). В отличие от «засвеченного» кусочка фотопленки, который становится аналоговым отображением объекта, ПЗС-матрица разделена на миллионы светочувствительных точек, или пикселов, каждая из которых измеряет силу света, падающую на нее, и отображает в виде числа. Так ПЗС-матрица преобразует аналоговое изображение в цифровую фотографию.

Цифровая камера использует ПЗС-матрицу для дискретизации негативного пространства (того, что окружает объект) и самого объекта съемки. Записывающее устройства для mp3-дисков дискретизирует звуки на протяжении какого-то времени. Представьте себе, что вы хотите оцифровать запись со старой виниловой пластинки Rolling Stones. Вы можете сделать запись с динамиков, поставив перед ними микрофон и подсоединив его к компьютеру, который воспримет аналоговые звуковые волны. С помощью соответствующих программ вы можете измерять эти звуки с частотой дискретизации 44 000 раз (выборок) в секунду[197] и перевести их в цифровой вид. Файлы mp3 или mp4 как раз и являются такими цифровыми цепочками.

Аналоговая или цифровая копия никогда не смогут сравниться с оригиналом. Или смогут? Когда цифровая фотография только набирала популярность, многие считали, что старые (аналоговые) фотокамеры дают гораздо более качественное изображение. И они были правы. Теперь уже уловить разницу почти невозможно, даже профессиональные фотографы изменяют своим привычкам. Ведь новейшие цифровые камеры используют гораздо более высокую частоту дискретизации объектов съемки. Их ПЗС-матрицы имеют миллионы светочувствительных точек – пикселов. Цифровая камера в 10 мегапикселов раскладывает изображение на 10 млн измеряемых точек. По сравнению с еще недавно считавшимися передовыми цифровыми камерами с 2 мегапикселами это пятикратное увеличение точности изображения и разрешения. А если провести поиск в интернете, то можно выяснить, что лучшие классические зеркальные фотокамеры имели разрешающую способность от 10 до 50 мегапикселов (хотя, конечно, использование разных типов пленки и фотопечати могло это разрешение несколько снизить). Так что даже средние современные цифровые камеры уступают классическим аналоговым по разрешающей способности, хотя наш глаз разницу уже практически не замечает[198].

То же можно сказать и о музыкальных файлах mp3. Чем выше частота дискретизации, тем ближе цифровая запись к оригиналу и тем выше ее качество. Загвоздка в том, что с увеличением этой частоты будет расти и объем цифрового файла. Именно поэтому высококачественные файлы mp3 больше по размерам, дольше загружаются и быстрее заполняют память плеера.

Чем объяснить всеобщее помешательство на цифровых технологиях? Может, мы оцифровываем так много информации, потому что просто оказались на это способны? И если это так, то отчего так происходит?

В цифровых технологиях много полезного. Когда вы звоните по мобильному телефону, ваши слова путешествуют в пространстве в виде цифр (битов). Звук четкий, ведь передавать и принимать цифры легче, поскольку они не искажаются по пути[199]. К тому же цифровые телефонные разговоры оказываются закодированными, что делает невозможным их подслушивание и посмеивание над чепухой, которую вы несете. Переговоры по старым аналоговым телефонам можно было легко подслушивать, перехватывая электромагнитные волны при помощи сканера. Конечно, это не критично для простых людей вроде нас, но крайне важно для шпионов, любвеобильных актеров и изменчивых политиков[200]. Другое явное достоинство цифровой информации заключается в том, что она занимает очень мало места при хранении. Вы можете закачать 1000–2000 электронных книг в обычную «читалку» (примерно 40 полок бумажных книг, или пять плотно набитых книжных шкафов). Если для облегчения подсчетов мы предположим, что обычное устройство для чтения электронных книг может вместить порядка 1500 книг, то весь фонд Библиотеки Конгресса, который насчитывает аж 36 млн книг, можно уместить в 20 000 таких устройств, то есть в 200 стопках по 100 штук, для чего понадобится всего лишь небольшая комната[201]. Кроме того, следует помнить, что в объеме «читалки» основное – это экран, пластиковый корпус и батарея. Ее «сердце» – интегральная микросхема с памятью – занимает немного места. Если действительно захотеть, то всю информацию из Библиотеки Конгресса можно сжать в один диск на 40 терабайт памяти (40 трлн байт), который был бы размером со средний атташе-кейс.

С музыкой дело обстоит столь же впечатляюще. Благодаря технологии «сжатия данных с потерями» mp3 вы могли бы перенести 500 компакт-дисков на цифровой плеер, который легко умещается в кармане (а если все эти диски выложить рядом, то их линия составит длину среднего легкового автомобиля). То же вы можете проделать и с фотографиями: 500–1000 цифровых изображений легко умещаются на карте памяти размером с почтовую марку. (Фотопленка в старых классических аппаратах вмещала от 24 до 32 кадров. Цифровая съемка в корне изменила процесс «схватывания» изображения, позволяя снимать один и тот же объект и 10, и 20 раз, а затем стирать неудачные кадры, добиваясь желаемого ракурса и качества.) Чем меньше места занимает цифровая информация, тем быстрее передается она в сети интернет. Вы можете послать цифровую фотографию другу в долю секунды или загрузить в свои устройства электронную книгу либо музыкальный альбом менее чем за минуту.

Большинство звонков в наше время хотя бы часть пути проходят по оптическим волокнам, которые в 5–10 раз тоньше человеческого волоса (каждое волокно способно проводить до 20 000 телефонных каналов одновременно, так что целый волоконно-оптический кабель может передавать миллионы разговоров одновременно). Как это возможно? Цифровая информация способна сжиматься так, как никогда не может быть сжата аналоговая. Аналоговый звонок должен в режиме реального времени отображать все колебания вашего голоса, а цифровая телефонная связь позволяет кодировать его с помощью сжатия и передавать гораздо быстрее. Вы, наверное, обращали внимание на то, что в телепрограммах, которые вы смотрите через интернет, актеры порой слишком быстро двигаются, а титры в конце очень быстро прокручиваются. Дело в том, что видеозапись этих программ сильно сжимается и при этом из нее исчезает некоторая информация, которая делает движения объектов плавными и связанными.

Еще одно на первый взгляд незаметное преимущество цифровой информации – удобство ее обработки. Многие из нас использовали компьютерные графические программы для работы с фотографиями или наносили слова и надписи на изображения, превращая их в новогодние поздравления и открытки. Дискретизация изображения может нанести ущерб его качеству, но это не всегда плохо. Цифровое радио и телевидение обычно лишены посторонних шумов, искажений и помех, которыми страдали их аналоговые предшественники.

Цифровые технологии тоже не лишены проблем. На самом деле их много.

Копирование – одна из таких проблем. Как уже поняла на своем горьком опыте музыкальная индустрия, когда произведения оцифровываются и переводятся в форму mp3, становится практически невозможно помешать людям обмениваться ими, причем бесплатно. Музыкальные онлайн-магазины пытались бороться с этим двояко. Во-первых, они снизили цену на музыку в цифровом формате и обеспечили большую доступность отдельных записей, а не всех альбомов. Так из-под музыкального пиратства выбивалась основа. Теоретически, если музыка доступна по цене потребителям, люди в принципе не прочь заплатить за нее. Во-вторых, магазины начали защищать музыку специальными кодами, чтобы ее не могли широко копировать, – это так называемый метод Управления авторскими правами на музыкальные произведения (digital rights management, DRM)[202]. Первым это сделал электронный магазин iTunes, сумевший привлечь на свою сторону крупнейшие звукозаписывающие студии. Электронные книги и видеопродукция защищаются по тому же принципу.

Теоретически записи DRM закодированы так, что проигрывать их может только законный покупатель. На практике декодировать такую запись легко при помощи нелегальных программ, которые могут быть загружены и установлены в течение пяти минут[203]. Обычно в СМИ проблему музыкального пиратства видят в негласной войне между высокооплачиваемыми чванливыми инженерами из крупных студий звукозаписи, которые придумывают всё более изощренные коды DRM, и небогатыми фанатами, которые разрабатывают новые декодирующие программы, сводящие на нет пользу DRM. Крупные сетевые компании вроде Google где-то посередине. В принципе они соглашаются удалять пиратские материалы из своих сетей, но никогда не проявляют в этом активности. Большинство пиратских записей остаются, например, в YouTube практически бессрочно, пока легальный владелец авторских прав не пожалуется в соответствующие инстанции.

Защитить цифровую информацию от пиратского копирования почти невозможно. Почему? Потому что всегда можно перевести ее в аналоговый вид, записать в цифровом варианте без защиты DRM и распространять самостоятельно в незашифрованной форме. Если отвлечься от законности и честности таких операций, то ничто не может запретить вам, скажем, перепечатать электронную книгу в свой компьютер, создать файл и спокойно, хотя и нелегально, делиться им с друзьями. В данном случае ваш мозг и пальцы работают как инструмент перевода информации из цифрового в аналоговый вид. С музыкой такие операции провести даже легче. Вы можете взять самый «навороченный» защищенный цифровой музыкальный файл, проиграть его на компьютере, а затем перевести его при помощи специального кодера (кодека) в формат mp3. В результате вы получите отличную незащищенную запись mp3, которая по качеству практически не отличается от оригинала. И времени это займет у вас чуть больше, чем необходимо для того, чтобы прослушать мелодию: еще минуту-другую на кодирование. Так что в целом вы потратите на всё не более пяти минут[204].

Очень часто пиратские копии не обеспечивают качественного звучания, потому что сам формат mp3 далек от совершенства. Как мы уже видели из рисунков, приведенных выше, дискретизированный цифровой музыкальный файл является обычно лишь приближением к аналоговому оригиналу. В нем всегда не хватает каких-то деталей[205],[206].

Вы можете понять, насколько приблизительной получается запись в формате mp3, сравнив ее звучание со звучанием мелодии на компакт-диске. На дисках музыка хранится микроскопическими кусочками, называемыми питами и представляющими собой углубления в поверхности диска. Питы образуют спиральные дорожки, по которым распространяется лазерный луч, перемещаясь от центра к краям диска (а не наоборот, как на обычной пластинке). Обычный компакт-диск содержит около 3 млрд таких питов, каждый шириной в 600 нм (примерно в 2000 раз больше диаметра атома) и длиной втрое больше. Вся длина всех питов на диске составляет около 6 км. Проход всей линии питов одного диска займет у вас около часа. Если на CD 10 записей, то на каждую из них приходится 300 млн питов. Если представить себе, что один пит содержит один бит информации, то получается, что в цифровой цепочке четырехминутной мелодии будет 300 млн двоичных чисел. Нужно ли это? Кто знает… Но подумайте вот о чем. На каждом треке компакт-диска может быть записано около 60 Мб информации. Когда тот же трек переводится в формат mp3, он содержит уже только 6 Мб. Так что при переводе содержимого компакт-диска в формат mp3 происходит ее сокращение в соотношении 10: 1. Альбомы mp3 – сильно сжатые варианты оригинальных цифровых треков на CD, которые сами по себе только приближены к аналоговому звучанию. Поэтому для вас всегда выгоднее покупать музыкальный альбом на компакт-диске и самому переводить его в формат mp3, чем покупать готовый диск mp3 за ту же цену: на случай необходимости в вашем распоряжении всегда останется более качественная запись музыкального произведения на CD[207].

До нашего времени сохранились 48 бесценных копий оригинальных ручных оттисков Библии, сделанных Иоганном Гутенбергом в 1450-х, то есть почти шесть веков назад[208]. Но никто сегодня уже не помнит о первом звонке по мобильному телефону, совершенном в 1973 году, о первом е-мейле, посланном Реем Томлинсоном в 1971 году, или о первом текстовом сообщении SMS[209]. Гигантское количество цифровой информации, созданной в 1980-е и хранившейся на старых дискетах и магнитной ленте, выброшено на свалку, и даже червяки не проявляют к ней интереса.

Мой любимый пример, связанный с этим, – проект «Книги Судного дня» (Domesday), который в 1980-х осуществлял медиахолдинг ВВС[210]. В попытке отметить 900-летие «Книги» (была создана в 1086 году и стала по существу земельной описью Англии и Уэльса) ВВС пригласила 14 000 английских школ принять участие в детальном описании административных единиц и населенных пунктов, в которых они расположены. Собранная информация заняла 148 000 страниц текста, который сопровождали 23 000 фотографий. К сожалению, ВВС решила опубликовать результаты этой гигантской работы на лазерных дисках (громоздкие видеодиски, предшественники DVD), которые быстро вышли из употребления. И сегодня в полном объеме с оригиналом «Книги Судного дня» вы можете ознакомиться только в Библиотеке национального архива в Лондоне. До недавнего времени вы могли там же изучить некоторые из материалов проекта ВВС 1986 года. Но сегодня тех носителей информации уже нет. К счастью, значительная часть собранных в ходе проекта бесценных данных переместилась в интернет-пространство[211].

Если это вызвало у вас улыбку, подумайте о собственном опыте работы с цифровой информацией. Вы можете подолгу хранить дорогие вам письма или поздравительные открытки от родственников и друзей, но сколько обычно сохраняете обычные электронные письма и храните ли их вообще? По материалам агентства Radicati Group, занимающегося исследованиями активности людей в социальных сетях, интернет-пространстве и т. д., средний работник в современных бизнес-структурах ежедневно получает и отправляет около 110 электронных писем. За всю его жизнь их набираются миллионы[212].

В цифровую эпоху информация стала более эфемерной и менее ценной, чем была в аналоговую эпоху. Сегодня мы еще задумываемся, прежде чем что-то сказать. Но включаем ли мы мозг, прежде чем послать электронное письмо, SMS или написать твит? Волнует ли кого-нибудь то обстоятельство, что этот двоичный чат, которым переполнен наш XXI век, в одночасье превратится в ничто, как и люди, его производившие? Если разговор вообще дешев, то цифровой разговор еще дешевле, легче забывается и зачастую гораздо менее содержателен. Возможно, наша сегодняшняя жизнь во многом определяется цифровыми технологиями, но становится ли она от этого лучше? Вполне возможно, что цифровая жизнь – отражение реальности, как цифровая картина – реальное смысловое воплощение искусства.

Если вы живете в резко континентальном климате (скажем, на севере Европы или Восточном побережье США) и в ваших краях бывает холодно, вы, скорее всего, полгода проклинаете холод, а полгода – жару. Таковы местные времена года: ведь Земля в разное время поворачивается к Солнцу разными боками, совершая вокруг него свой годичный путь. Большинство из нас любят смену сезонов. Кому охота весь год жить в снежных сугробах или нестерпимой жаре? Но практические стороны отопления или охлаждения жилищ и всей нашей жизни создают проблемы. Нам нравятся разные времена года в основном потому, что они разнесены по времени. За день мы ощущаем менее резкие колебания дневной и ночной температур – и переносим их легко.

Но что произошло бы, если бы времена года были тесно переплетены? Если бы днем всегда была летняя температура, а ночью – зимняя, и они сменялись каждые 12 часов? Нам, конечно, пришлось бы то согреваться, то охлаждаться в течение дня, и это свело бы нас с ума. Вместо того чтобы заранее готовиться к жаркому или холодному сезону, нам пришлось бы придумывать механизмы, которые позволяли бы нам с перерывом в минуту то согревать, то охлаждать наше жилище. Нам пришлось бы научиться сохранять солнечную энергию или защищать дом от перепадов температуры, чтобы они нас не слишком беспокоили и мы несли меньше затрат на отопление, кондиционирование и вентиляцию помещений.

Или нам и учиться бы ничему не пришлось? Ведь и сейчас в наших домах одновременно производятся и тепло, и холод. На кухне вы легко найдете два больших металлических ящика, в которых царит холод (холодильник и морозилка), и два, в которых стоит невыносимый жар (плита и микроволновая печь). Здесь же есть другие машины, которые тоже либо нагревают, либо охлаждают (чайник, мороженица, стиральная машина, в которой кипятится ваше белье, и сушка, в которой оно высыхает). В других комнатах вы можете найти вентиляторы и электрический обогреватель, утюг и кондиционеры, а в ванной – мощные души, электрические бигуди и электрический фен для сушки волос.

Куда бы мы ни бросили взгляд, мы везде найдем приспособления либо для нагрева, либо для охлаждения окружающих нас предметов. Если у нас достаточно электричества и газа и есть возможность платить за них, нам легко превращать тепло в холод и наоборот. Но зачем мы это делаем? Почему согретые зимой или охлажденные летом дома не остаются такими весь сезон? К чему эти бесконечные танцы вокруг температуры? Почему мы все время гоним то тепло, то холод? Что можно тут изменить?

Все законы – компромисс, который мы заключаем, чтобы жить спокойно и мирно: ведите себя скромно, соблюдайте общественные договоры, и вас оставят в покое и позволят делать то, что вам нравится. Но у вас всегда есть выбор. Вы можете нарушать закон ради личной выгоды и оказаться перед риском наказания – от негодующего пыхтения соседей до электрического стула.

Законы физики иные: они абсолютны, компромиссов здесь быть не может. Не нужны адвокаты или суды, судьи и присяжные, чтобы оценить степень соблюдения законов и вынести обвинительный или оправдательный приговор. Законы физики черно-белые. За их соблюдение не положена награда, и можно не бояться наказания за их нарушение. Законы физики просто нерушимы. Здесь нет эквивалента преступлению: нарушение закона никогда не может идти дальше игры ума (или, как любят говорить физики, «мысленного эксперимента»). Либералы восхищаются противоречащими этому словами Боба Дилана из песни Absolutely Sweet Marie («Ты должен быть честным, живя за пределами закона»), но такой идеализм в физике невозможен: за пределами ее законов жизни нет. И точка.

Каковы же эти законы? Пара важнейших из них объясняют, почему тепло и холод (просто отсутствие или недостаток тепла) ведут себя именно так. Это законы термодинамики. Они дают исчерпывающие объяснения всех проблем с теплом и холодом и еще много чего. Слово «термодинамика» означает «тепло в движении», и ее законы объясняют, почему машины тратят энергию впустую, теплоэлектростанции нуждаются в таких гигантских башнях охлаждения, у коров такие чудесные влажные носы, а собаки высовывают свои языки. Даже почему северные овцебыки подолгу неподвижно стоят в снегу.

Тепло – вид энергии, который вещи и материалы приобретают в связи с тем, что их атомы или молекулы начинают активно двигаться (приобретают кинетическую энергию). Теплые предметы характеризуются более активным движением атомов, чем холодные. Газ (например, пар) имеет более высокую температуру и больше внутренней кинетической энергии, чем эквивалентный объем жидкости (например, воды), которая, в свою очередь, теплее и располагает большей кинетической энергией, чем жидкость в твердой форме (лед). Если вы подогреваете газ, атомы и молекулы в нем начинают двигаться активнее и чаще сталкиваются друг с другом. Такой способ описания тепла, содержащегося внутри предметов, в качестве столкновений атомов, похожих на столкновения электрических автомобилей в парковом аттракционе, называется молекулярно-кинетической теорией (МКТ). Она объясняет большую часть того, что мы знаем о тепле и как оно работает.

Температуру предметов и материалов многие связывают с тепловой энергией (теплотой). Но это несколько иное. Температура показывает, насколько тепла или холодна та или иная вещь или субстанция, а не сколько тепловой энергии она содержит. Это иногда непонятно и сбивает с толку до тех пор, пока вы не задумаетесь о разнице между чашкой горячего кофе и айсбергом, достаточно большим для того, чтобы потопить «Титаник». Кофе из кофеварки имеет температуру около 90 °C, а температура айсберга составляет –10 °C или даже меньше. Но кофе – всего лишь чашка воды. Хотя она содержит огромные количества молекул, а их энергия весьма высока (вода-то горячая), она конечна (мы можем оценить ее, умножив среднюю энергию одной молекулы на их количество). Айсберг значительно холоднее, но он и несравненно больше, и это здесь главное. Каждая молекула воды в нем содержит меньше энергии, но их в айсберге так много, что его энергия намного больше. Кофе теплее, но обычный айсберг содержит примерно в 200 млн раз больше тепловой энергии[213].

Если вы поставите свой кофе на айсберг, произойдут два события. Кофе сразу сильно остынет, а айсберг чуть-чуть нагреется (хотя это будет незаметно). Два предмета разной температуры воздействуют друг на друга: они обмениваются тепловой энергией, пока она не сравнивается и не достигается тепловое равновесие, называемое в физике термодинамическим. В рамках молекулярно-кинетической теории это легко объяснить. Молекулы горячей воды сталкиваются с молекулами фарфора в чашке, передают им часть своего тепла (кинетической энергии), остывают сами, при этом нагревая чашку. Чашка, находящаяся в контакте с холодной поверхностью, передает ей тепло точно так же, разогревая молекулы льда и по мере этого остывая. Так что между чашкой и айсбергом возникает невидимый конвейер, транспортирующей энергию кофе в лед. И так происходит до тех пор, пока их температура не сравняется.

Как мы видели в главе 2, энергия не волшебна: она не возникает и не исчезает без предупреждения. Если что-то теряет энергию, что-то ее приобретает. Энергетический обмен всегда идет с нулевым балансом. То же истинно для чашки кофе и айсберга. Количество тепловой энергии, которое теряет кофе, в точности равно количеству энергии, которое получает айсберг (мы исходим из того, что потерь тепла в атмосферу нет). Этот закон, который мы ранее называли законом сохранения энергии, является также и первым законом термодинамики (два эквивалентных названия для одного понятия).

Есть и еще одно правило, касающееся движения тепла. Нам нужно его знать – и оно куда сложнее. Когда вы ставите чашку кофе на айсберг, напиток охлаждается, а айсберг нагревается, но никогда не наоборот. Первый закон это не обязательно формулирует. Нет причины, по которой айсберг не отдал бы часть своего тепла и не вскипятил вам чашку кофе; во всяком случае, она не указана в первом законе термодинамики. Если получение тепла одним предметом уравновешивается потерей тепла другим, всё в порядке. И нет причины, по которой термодинамическое равновесие не может быть достигнуто либо охлаждением кофе, либо согреванием льда. Согласно первому закону, возможны оба варианта. Проблема в том, что так не бывает. Ведь это исключает второй закон термодинамики. В упрощенной форме он гласит, что тепло всегда течет от горячего к холодному и никогда не наоборот (если только этому не способствуют какие-то внешние силы). Иными словами, второй закон можно сформулировать так: энергия склонна к распространению и рассеиванию (хотя на самом деле она никогда не исчезает).

Ученые формулируют эту идею несколько туманно: «энтропия (мера хаоса) замкнутой системы стремится к своему максимуму». Это означает только то, что Вселенная естественным путем переходит от упорядоченности к хаосу. Это относится не только к тепловой энергии. Если вы уроните бокал, то он, скорее всего, разлетится на десятки осколков. И они не соединятся вновь и не образуют целый бокал. Это и есть второй закон в действии.

В теории и на практике законы термодинамики говорят нам всё, что нам нужно знать об отоплении и охлаждении. Вам приходится отапливать дом, потому что зимой на улице холоднее, чем в помещении (второй закон). Всё тепло, которое дом теряет, поступает в окружающее пространство: землю под ним и воздух вокруг него (первый закон). Чтобы поддерживать в доме постоянную температуру, вы должны обеспечивать его таким же количеством энергии (в форме электроэнергии, газа или другого топлива), какое он теряет (снова первый закон). Как бы мы ни хотели этого, наши дома сами по себе зимой теплее не станут, «засасывая» тепло снаружи (второй закон). Хотя есть, конечно, хитрости вроде тепловых насосов, о которых мы поговорим ниже.

Всё это настолько очевидно, что последствия действия этих законов мы уже не замечаем. В зимние месяцы авторы редакционных статей кричат о растущих ценах на энергию, скандалах, связанных с «энергетической бедностью» (когда людям не хватает средств на то, чтобы отапливать свои дома), и о «неприлично» высоких прибылях энергетических компаний. По иронии судьбы, температуры на Земле по абсолютным значениям могут считаться средними и постоянными. Ведь минимально возможная температура, абсолютный ноль, составляет –273,15 °C (0 градусов Кельвина) и до сих пор не достигнута даже в лабораторных условиях. Самое холодное место, которое мы можем себе представить, находится внутри огромной черной дыры, и имеет температуру на миллиардную долю градуса выше абсолютного ноля[214]. На другой стороне температурного спектра ученым удалось к настоящему времени достичь максимальной температуры внутри Большого адронного коллайдера – гигантской машины по разгону и сталкиванию частиц в Швейцарии: 5 трлн °C – примерно в 350 000 раз больше, чем в ядре Солнца[215].

В свете таких экстремальных значений наша повседневная борьба за тепло и прохладу кажется банальщиной. Но независимо от того, находитесь ли вы в черной дыре, вращаетесь с неимоверной скоростью внутри адронного коллайдера или дрожите от холода во временном модуле в Антарктике, вы не можете игнорировать законы физики. Если внешняя температура составляет, например, 0 °C, а мы хотим получить в помещении комфортную для нас температуру 18–20 °C, законы термодинамики однозначно указывают на то, что нам придется заплатить за комфорт, и даже говорят, сколько именно. Давайте посчитаем.

С чего начать? В теории всё просто. Нужно переписать все предметы, находящиеся в вашей комнате, включая даже ткани, и взвесить их. Измерить внешнюю температуру (скажем, она будет равна 0 °C) и решить, какая температура нужна внутри помещения (скажем, 20 °C). Для каждого материала нужно найти значение удельной теплоемкости (см. главу 2), которое подскажет вам, сколько энергии нужно для того, чтобы нагреть 1 кг конкретного материала на 1 °C. Затем в результате простых вычислений вы можете узнать, сколько энергии необходимо для нагревания всех материалов в помещении до 20 °C, и это количество (благодаря первому закону термодинамики) укажет вам, сколько энергии потребуется на отопление вашего дома.

Вдобавок благодаря этому упражнению вы поймете, что термодинамически ваш дом – не просто коробка, наполненная воздухом. Если вы уезжали из дома зимой на пару недель, то наверняка знаете, что для его прогрева по возвращении нужны по крайней мере два-три дня. Почему? Не только потому, что он охладился больше, чем обычно, но и потому, что каждый атом или молекула в каждом предмете в вашем доме (в теории) потеряли часть кинетической энергии. Чтобы прогреть дом до комфортной температуры, вы должны нагреть каждый атом в нем: в каждом стуле, кресле, книге, наволочке, ручке, карандаше, картинной рамке. Нужно немало времени, чтобы «закачать» энергию во все имеющиеся дома предметы и материалы.

Конечно, подсчитать, сколько тепла нужно вашему дому, сложив теплоемкость всех предметов в нем, довольно трудно. Но есть еще один метод вычисления объемов этого тепла, хотя и не столь точный. Предположим, вы живете в двухэтажном доме с террасой, в котором есть две комнаты на втором этаже и две на первом. В каждом помещении установлен домашний электрический тепловой аккумулятор[216]. Можно предположить, что для нагрева внутреннего пространства до комфортной температуры нужно примерно два дня, в течение которых тепловые аккумуляторы будут работать c максимальной производительностью. Как всё во Вселенной, нагреватели подчиняются закону сохранения энергии (первому закону термодинамики). Если предположить, что они полностью отдают тепло за время с утра до ночи, эта тепловая энергия будет равна электрической энергии, которую они потребляют в течение ночи (скажем, семь часов). Тогда за два дня они будут потреблять электричество 4 × 7 × 2 = 56 часов. Если они однотипные и относятся к подвиду старомодных монстров мощностью 3500 Вт, то в сумме они потребят 196 кВт. ч электроэнергии, или 700 мДж. Это и есть примерное количество тепла, которое хранит в себе небольшой дом. Сравните это количество с табл. 2, и вы увидите, что приблизительно это эквивалентно сжиганию 23 л бензина.

А нужно ли отапливать дом? Закон сохранения энергии указывает, что большая часть пищи, которую мы потребляем, в итоге превращается в тепло, которое рассеивается в окружающем пространстве. Так что при наличии в доме достаточного числа людей вы могли бы поддерживать в нем тепло без нагревательных приборов. А сколько нужно для этого людей? Сидя за столом или прохаживаясь по помещению, вы излучаете 100–200 Вт тепла – столько же, сколько одна или две большие лампы накаливания[217]. Чтобы нагреть комнату так же, как один большой тепловой аккумулятор, понадобится, чтобы в ней сидело 35 человек (или 18 ходило туда-сюда, изнашивая ваши ковры). А чтобы заменить четыре тепловых аккумулятора, понадобилось бы 140 сидящих людей (или 70 слоняющихся по дому). Поэтому в больших концертных залах всегда необходимо мощное кондиционирование воздуха.

Охлаждение дома может быть гораздо более сложным и хлопотным делом, чем отопление. В середине XIX века, когда еще не придумали холодильников и кондиционеров, обливающиеся летом от жары лондонцы вынуждены были рассчитывать только на импорт огромных глыб льда откуда-нибудь из Норвегии. Один известный предприниматель того времени Карло Гатти привозил в то время из Северного моря до 400 т льда за раз[218].

Почему охладить дом так тяжело? Теоретически отопление и охлаждение – противоположные процессы, так что охлаждение жилища не должно быть сложнее. Если у вас есть чашка прохладной воды температурой 10 °C и вы хотите нагреть ее на 90°, чтобы довести до кипения, вы должны сообщить ей некоторое количество энергии. Вы получите то же количество энергии за время, в течение которого вода будет остывать со 100 до 10°. Это первый закон термодинамики в действии – в двух направлениях. Но это не значит, что нагревание и охлаждение – обратимые зеркальные процессы. Вы не можете переключить электрический камин так, чтобы он забирал из комнаты тепло и охлаждал ее. Вы не можете собрать находящееся в комнате тепло и вернуть его в кусок угля, подготовив к повторному использованию назавтра. Почему же?

Тепловая энергия перетекает от нагретого предмета к холодному в результате трех процессов: теплопередачи, конвекции и теплового излучения. При теплопередаче молекулы более теплого предмета отдают тепло молекулам холодного в результате прямого контакта. Конвекция переносит тепло через завихрения и потоки газов и жидкостей. Например, когда вы нагреваете кастрюлю с супом, жидкость на дне согревается быстрее, становится менее густой, устремляется вверх, расталкивая холодные слои так, что они опускаются вниз и тоже нагреваются. Попеременное восхождение теплых потоков и нисхождение холодных циклически переносит тепловую энергию в кастрюльке. Тепловое излучение – невидимые лучи тепла, пронизывающие воздух или вакуум (вспомните инфракрасное излучение, см. главу 8). Это излучение (не имеющее отношения к опасной атомной радиации) заставляет ваши щеки краснеть, когда вы сидите у костра в лесу. Вы согреваетесь, хотя и не прикасаетесь к огню и вокруг вас нет заметной конвекции (потому что вы находитесь на открытом пространстве).

Когда вы включаете трехэлементный электрический камин в гостиной, три металлические трубки или пластины, разогретые докрасна, обеспечивают излучение тепла в комнату и нагревание всех предметов в ней. Постепенно эти предметы тоже становятся мини-источниками тепла, даря его другим объектам в процессе теплопередачи, конвекции и теплового излучения. Однако между нагреванием и охлаждением существует фундаментальная асимметричность, которая не позволяет этим процессам работать в обоих направлениях.

Представьте себе, что вы смогли изобрести для гостиной электрическое охлаждающее устройство, которое, как и камин, состоит из трех трубчатых или пластинчатых элементов, охлаждающихся до ледяного металлического блеска и забирающих тепло из комнаты. Но такая конструкция не будет работать. Во-первых, охлаждение не обратно нагреванию. Один горячий источник (огонь) может в результате теплоизлучения легко передать тепло более холодным объектам в комнате: второй закон термодинамики говорит нам о том, что тепло естественно распространяется и рассеивается в пространстве. Но те же теплые объекты (разогретые жарким летним воздухом) не могут передавать свое тепло более холодным и охладить себя сами. Во-вторых, даже если бы термоэлементы устройства могли впитывать в себя тепло от объектов в комнате, куда бы оно девалось? Таких накопителей не существует. Электрокамин превращает электричество в тепло, получая электроэнергию по проводам. Придать этому процессу обратное направление невозможно. Если вы положите большой кусок льда в электрокамин, он нагреется и растает, потребив энергию из окружающей среды. Но он не может забрать из комнаты всю энергию. Растаяв, он дальше использован быть уже не может. Примерно так же можно объяснить, почему вы не можете охладить кухню, открыв дверь холодильника: всё тепло, которое будет «всосано» внутрь через дверь, всё равно выйдет в виде того же тепла через заднюю панель аппарата.

Создается впечатление, что между отоплением и охлаждением дома есть фундаментальное различие, которое невозможно обойти. Почему же?

Нагревание и охлаждение могут быть эквивалентны, но не являются двумя противоположными процессами. Нагрев делает внутреннюю структуру вещей более хаотичной, а охлаждение – наоборот, спокойной и упорядоченной. Нагревание усиливает естественную тенденцию Вселенной к хаосу; охлаждение противодействует ей, внося (пусть и искусственно) в природу больше порядка. Комнату легко отопить, позволив энергии распространяться по ней от электрического обогревателя или камина. Но если вы хотите охладить ее в жаркий день, придется действовать иначе.

Простейшее охлаждающее устройство, вентилятор, работает по принципу обдува воздухом нагретых предметов – они отдают свое тепло в результате конвекции или (в случае с живыми существами) испарения (обдувающий человека воздух испаряет выделяющийся на коже пот, одновременно забирая с тела излишнее тепло). Это зеркальное отражение того, как работает конвекционный обогреватель: принцип его действия заключается в направлении теплого воздуха на предметы и их согревание. Но надолго охладить комнату одним вентилятором трудно. Если в закрытом помещении вы включите вентилятор, то вы добьетесь только перемешивания слоев воздуха и их перемещения из одной части комнаты в другую.

Кондиционеры воздуха (обычно используемые в качестве аппаратов для охлаждения, хотя в принципе могут работать и на отопление) действуют иначе. Они «высасывают» теплый воздух из нагретого помещения и перемещают наружу. Они похожи на холодильники, потому что имеют систему трубок, по которым циркулирует охлаждающая жидкость (обычно легкое жидкое вещество, которое закипает при очень низкой температуре). Они также имеют нечто общее с вентиляторами, поскольку втягивают и выбрасывают воздух. Принцип работы кондиционеров таков: охлаждающая жидкость сначала нагревается в помещении (вбирая тепло окружающего воздуха), затем по специальной системе трубок выводится наружу, где отдает тепло и охлаждается, после чего возвращается охлажденной в помещение, и цикл начинается по новой[219]. Вам может показаться, что кондиционеры воздуха или холодильники нарушают второй закон термодинамики, поскольку постоянно перемещают воздух от холодного к горячему, как бы подтрунивая над законами физики. Но это происходит только за счет затрат электроэнергии, поддерживающей неестественный круговорот, который делает теплые предметы теплее, а холодные – холоднее, обеспечивая разницу температур, которая в естественных условиях (согласно второму закону термодинамики) сама собой исчезла бы.

Отопление или охлаждение воздуха и предметов требует времени. Посчитайте, сколько вам необходимо прибавить или изъять и какой объем можно переместить за секунду, – и вы получите время, нужное для этого процесса. Это соответствует второму закону термодинамики и относится ко всему, что вы хотите нагреть или охладить: от пышущего жаром дома летом до жидких ингредиентов мороженого, которые вы хотите заморозить. Приготовление мороженого дома требует около трех часов только для того, чтобы заморозить молочные составляющие. Конечно, в этом деле есть и свои хитрости. В 1890 году британский кулинар Агнесса Маршалл придумала ловкий способ приготовления мороженого с использованием жидкого азота, нормальная температура которого составляет –196 °C[220]. Почему работает этот способ? Главный ингредиент мороженого – молоко, которое в основном состоит из воды. В этой жидкости много молекул, которые необходимо охладить. В холодильнике уйдет много времени на то, чтобы эти молекулы потеряли энергию и образовали твердое вещество. В жидком азоте эту работу выполняют гораздо более холодные молекулы. Когда они движутся вокруг сосуда с будущим мороженым, они замораживают его значительно быстрее.

Если вы хотите прогреть дом морозной зимой, вряд ли вас вдохновит перспектива залезть в промерзшую землю. А вот в Скандинавии или Швейцарии люди активно пользуются насосами, которые выкачивают тепло из-под земли и направляют его на обогрев жилища. На первый взгляд это может показаться нарушением второго закона термодинамики, но это неверно. В нескольких метрах вглубь земли есть большие запасы тепла. Земля там намного теплее, чем зимний воздух на поверхности. С помощью небольшого количества электроэнергии возможно нагреть некоторый объем специальной теплопроводящей жидкости под землей, заставить ее отдать тепло в дом и снова направить ее под землю за теплом в очередном цикле.

Согласно первому закону термодинамики, количество теплоты, которое согревает ваш дом, эквивалентно количеству теплоты, поднятому из земли. Но если даже вы можете получить из-под земли эквивалент тепла, производимого четырьмя теплоаккумуляторами (14 кВт, или 14 000 Дж/с), вам ничего не придется платить за нее. Получается, подземные источники тепла работают с почти 100 %-ной эффективностью. Вам остается добавить (заплатив соответствующую сумму) небольшое количество электроэнергии, необходимой для работы насосов, обеспечивающих циркуляцию теплоносителя в цепи. Кажется, что эти системы берут энергию из воздуха (но мы-то знаем, что это невозможно). Они недешевы, но окупаются за 10–15 лет[221].

Процесс приготовления пищи на первый взгляд кажется полной противоположностью отоплению и охлаждению жилищ (еду мы сначала замораживаем, а потом термически обрабатываем). Кроме охлаждения и заморозки продуктов, есть и другие способы их сохранения, например консервирование. Но пока супермаркеты ориентируются на холодильники покупателей: современные семьи предпочитают охлаждать продукты, чтобы сохранять их.

Количество энергии, которое тратится на охлаждение продуктов и их разогрев, конечно, велико. Но оно не идет ни в какое сравнение с тем, сколько мы тратим энергии на отопление и кондиционирование домов. Когда нам нужно сделать наши дома теплыми зимой и прохладными летом, мы проявляем смекалку и обращаемся к законам термодинамики. Наши уютные дома в любом случае будут охлаждаться зимой: второй закон термодинамики гласит, что энергия передается от теплых предметов к холодным. Но этот закон ничего не говорит о том, с какой скоростью могут идти эти процессы. А ее мы уже вполне можем контролировать. Согласно физическим законам, вы не можете остановить охлаждение теплых домов, но способны его замедлить настолько, насколько захотите. Здесь важнейшую роль играет теплоизоляция.

Северные овцебыки – одни из самых приспособленных к холоду животных на Земле. У них гораздо больше общего с хорошо утепленным домом, чем вам кажется.

Свисающие с тела овцебыков большие пласты с виду неопрятной шерсти в восемь раз теплее шерсти овец. Шерсть хорошо защищает овцебыков от холода и объясняет, почему северные народы называют их oomingmak – «животными с бородами на коже». Но секрет жизнестойкости овцебыков состоит не только в хорошей теплозащите. Они сохраняют тепло еще и благодаря особенностям поведения: большую часть времени они стоят неподвижно и тесно прижавшись друг к другу, как дома в поселке. Такое их состояние называют «стоячей спячкой». Оно замедляет обмен веществ, делая животных неподвластными холоду и сохраняя их силы.

Если тепло ускользает из дома в процессах теплопередачи (прямого контакта), конвекции (движения воздушных масс) и теплового излучения (исходящие лучи энергии), его можно сохранить, замедлив все указанные процессы. Именно это происходит в вакуумном термосе. Ваш горячий или холодный напиток находится в колбе с двумя стенками, покрытыми теплоотражающим составом, с вакуумом между ними (в дешевых вариантах между двумя стенками находится теплоизолирующий материал или просто воздух). За исключением горла термоса и защелкивающейся пробки, других мест, где бы горячая жидкость внутри соприкасалась с холодным воздухом снаружи, нет. В термосе потери тепла в результате теплопереноса сведены к минимуму. Металлический корпус снижает теплопотери, возникающие в связи с излучением, а вакуум и внешнее пластиковое покрытие спасают от конвекции[222].

Теоретически теплоизоляция в домах способна так же эффективно сохранять тепло. Теплоизоляционные материалы на стенах, полах и чердаках обычно представляют собой различные виды полиуретана, асбестового волокна, вермикулита или пластмасс, в структуре которых есть значительное количество воздуха. Двухслойные оконные стекла не так популярны, как стеклопакеты, в которых между стеклами находится воздух, дающий теплоизолирующий эффект. Высокотехнологичные низкоэмиссионные стекла обычно покрываются тонкой пленкой на основе титановых сплавов, которые хорошо отражают солнечные лучи в жару и не выпускают прохладу из помещений. На внутренней поверхности окон такие составы задерживают тепло в помещениях зимой (внешняя и внутренняя металлические колбы в термосе работают так же).

Многие считают, что идеальным способом теплозащиты в их доме было бы двуслойное его покрытие стеклоподобным отражающим веществом на основе поливинилхлорида снаружи и утепление обрешетки крыши изнутри слоем из десятка сантиметров асбестового волокна. Но пока этот вариант труднодоступен. Лучшим в нынешних условиях способом теплоизоляции дома было бы обкладывание его стен снаружи тонким слоем сверхлегкого твердого вещества – аэрогеля[223]. Часто к его названию прибавляют «замороженный дым» из-за его внешнего вида. Аэрогели настолько эффективны в удержании тепла, что, по словам главного эксперта НАСА по этим веществам доктора Питера Цоу: «Если обычный дом с двумя-тремя спальнями теплоизолировать при помощи аэрогеля, то вы можете отапливать помещение всего одной свечой. Однако в конце концов в таком доме всё равно станет слишком жарко»[224]. К сожалению, хотя аэрогели в 10 раз эффективнее воздуха при теплоизоляции различных объектов, они намного более хрупкие, чем стекло. Поэтому, скорее всего, пройдет немало лет, прежде чем эти материалы получат широкое применение в строительстве. Пока же архитекторы делают ставку на менее амбициозную, но более практичную технологию сохранения тепла в домах, которая получила название Passivhaus Standard. Она была разработана в Германии в 1990-х и основана на методиках предотвращения утечек теплого воздуха из отапливаемых жилищ. Технология Passivhaus сокращает расходы на отопление в среднем в 5–10 раз. При ее применении счета за отопление типового семейного дома могут составлять около 38 долл. в год[225].

Звучит впечатляюще, но мы пока новички в том, что касается сохранения тепловой энергии. Достаточно посмотреть на северного овцебыка, чтобы убедиться, насколько умнее природа, чем мы, в борьбе за сохранение тепла. Огромные запасы минерального топлива вроде угля, газа и нефти сделали нас ленивыми и равнодушными, но растущая стоимость энергии (из-за неизбежного сокращения естественных запасов ее источников, роста населения планеты и возрастающего беспокойства по поводу изменений климата) заставит нас уже в ближайшее время всерьез задуматься о том, что мы могли бы сделать для более эффективного сохранения тепла и прохлады в жилищах.

Компьютеры (во всяком случае их процессоры) не имеют движущихся частей. Это не заводские станки и не реактивные двигатели, не тормоза велосипедов и не электрические дрели. Люди могут гадать, как они генерируют тепло, но стоить вам положить руку рядом с перфорированным выходом, через который «охлаждающий» вентилятор (кулер) гонит воздух из компьютера, как вы сразу почувствуете тепло. Поместите ноутбук на колени, и через несколько минут вы почувствуете, будто их поджаривают в тостере. Если бы вы проверили внутреннюю температуру компьютера, то перестали бы этому удивляться. Два моих ноутбука имеют встроенные термометры, которые нередко показывают 90–100 °C. Ничего себе! А ведь единственной движущейся частью в ноутбуках является как раз вентилятор.

Звучит странно? Если компьютеры всего-навсего гоняют числа туда-сюда, то почему они так разогреваются? Ответ – в законах термодинамики. Электропитание ноутбука обычно осуществляется напряжением 20 вольт и силой тока 5 ампер. Следовательно, ежесекундно в него поступает около 100 Дж в виде электрической энергии (мощность электрического устройства – напряжение, умноженное на силу тока). Первый закон термодинамики гласит, что вся поступающая в компьютер энергия должна куда-то расходоваться. В случае с ноутбуком, за исключением той ее части, которая заставляет светиться экран и работать динамики, почти вся энергия превращается в тепло. Если почти 100 Дж энергии выходят из компьютера в виде тепла, то это достаточно много – столько же, сколько тепла дает удивительно неэффективная в смысле потребления электроэнергии 100-ваттная лампа накаливания. Именно поэтому компьютер нагревается, и именно поэтому вашим коленям становится жарко, если на них расположился ваш ноутбук.

Откуда берется это тепло? В большинстве своем – от столкновений электронов в цепях компьютера. Эти электроны ведут себя как люди на улице в часы пик. Энергия создается за счет сопротивления электрической цепи. Каждый ее сегмент работает как маленький элемент в лампе накаливания, нагревая небольшую поверхность. Современные компьютеры состоят из миллионов микроскопических деталей (транзисторов), размещенных на небольших интегральных схемах размером с марку. Тепловой энергии нелегко покинуть это запутанное пространство[226].

Компьютеры грелись всегда и будут греться. Классическая вычислительная машина Harvard Mark I, частично электрическая, частично механическая, созданная в 1940-х, имела 800 км проводов, каждый сантиметр которых генерировал тепловую энергию. Как мы видели в главе 12, гораздо более сложная ЭВМ ENIAC, первый настоящий электронный компьютер, потреблял столько же электроэнергии, как 60 тостеров. Знаменитый стационарный суперкомпьютер Cray-1[227], созданный на рубеже 1980-х, имел такую плотную схему компоновки, что нуждался в собственном «холодильнике», с помощью которого специальная охлаждающая жидкость (Fluorinert) обращалась по замкнутому контуру внутри корпуса, предотвращая перегрев.

Блогеры любят нахваливать современные компьютеры, утверждая, что те экологически чистые и малоэнергоемкие. iPhonе и планшеты потребляют очень мало электроэнергии и состоят из значительно меньшего числа деталей[228]. Но это не вся правда. Во-первых, компьютерных устройств разных типов сейчас намного больше, чем раньше. Когда-то существовал только ENIAC, а сейчас только корпорация Apple уже выпустила более полумиллиарда штук только iPhone[229]. Во-вторых, мобильные электронные устройства сейчас в основном работают на принципе «облачных вычислений» (ваши данные хранятся и обрабатываются в гигантских серверных центрах, которые расположены по всему миру) и поддерживаются гигантскими поисковыми системами вроде Amazon, Apple, Facebook, Google, IBM и Yahoo!. Согласно исследованиям организации «Гринпис», энергопотребление системы «облачных вычислений» в период с 2005 до 2010 года возросло на 58 %. Если бы эта система была страной, она заняла бы пятое место в мире по потреблению электроэнергии. Некоторые компании, работающие в этой системе, и заявили о своей приверженности использованию возобновляемых источников энергии, но половина из них по-прежнему получают ее от сжигания угля, самого грязного топлива на планете[230].

Несомненно, сегодняшние компьютеры лучше, чем вчерашние, и они с каждым днем становятся всё совершеннее. Переход от старомодного настольного компьютера к современному ноутбуку сокращает расходы энергии на 50–80 %[231]. Однако нам не с чем себя поздравлять. Мы не можем отменить действие первого закона термодинамики: энергия должна откуда-то появляться. Если сейчас всё больше людей используют всё больше компьютеров, чтобы достигать всё больших результатов, то когда-нибудь, где-нибудь и кому-нибудь придется заплатить за это соответствующую цену.

Если верна старая поговорка: «Вы – то, что вы едите», как же получается, что мы не являем собой ходячие мешки с бургерами и картошкой фри? Ответ очевиден любому, у кого есть бурчащий и урчащий живот. Наши тела – комбинаты питания, но работающие в обратном направлении: превращающие пищу в нас с помощью сложного многоступенчатого процесса, который называется метаболизмом. Этот термин звучит как нечто из области биологии или химии (или, если хотите, биохимии), но, как и всё во Вселенной, он управляется законами физики. И здесь прослеживаются незыблемые причинно-следственные связи с законом сохранения энергии (а именно первым законом термодинамики). Эти связи можно проследить очень предметно и увидеть, как банан и шоколадный напиток, которые вы жадно проглотили во время обеда, превращается в полтора часа игры в теннис, несколько десятков электронных писем, а также множество мыслей и снов.

Мы воспринимаем питание с точки зрения здоровья (это тоже биология), но наше пищеварение – все же главным образом физика. То, что вы загружаете в свой рот и желудок, определяет то, что вы сможете, а чего не сможете сделать в последующие часы, дни и даже недели. Это неочевидно, но происходит потому, что даже самые худые из нас имеют существенные запасы жира, который может покрывать неожиданные перебои с поступлением питательных веществ в организм. Если вы набираете вес, то не потому, что вы слишком много съели (а сколько это – «слишком много»?), а потому что ваше тело израсходовало меньше энергии, чем потребило. Согласно законам физики, с любым избытком энергии нужно что-то делать.

Наша суть определяется не только тем, что мы едим, но и как мы это делаем. Как считают многие ученые, именно способность готовить, то есть обрабатывать естественную пищу, сыграла решающую роль в эволюции человека в существо с большим развитым мозгом и способностью мыслить. Процесс приготовления еды позволил сделать ее более питательной и богатой энергией, чем сырье для нее. Он сам прошел большой путь – от жарки доисторических буйволов на костре до быстрого разогрева готовых блюд в микроволновке на офисной кухне. Известные кулинары-экспериментаторы, например Хестон Блюменталь[232], показывают нам, что в кулинарии столько же науки, как и в процессе переваривания пищи человеком и превращения ее в запасы энергии в организме.

Люди нуждаются в пище так же, как автомобили в топливе, хотя, возможно, это и не самое точное сравнение. Машины не растут и не лечат себя сами, не потребляют энергию, когда стоят в гараже, и не набирают вес, если вы каждый раз заливаете полный бак. Пища и топливо производятся Солнцем, но в рамках принципиально разных процессов. Бензин или дизельное топливо, которые вы заливаете в бак автомашины – жидкие углеводороды, – создаются в течение порядка 200 млн лет и в результате сложных геологических процессов из остатков доисторических растений и морских животных. А помидор, который вы с удовольствием отправляете в рот, вызревал всего несколько недель. Несколько недель назад та энергия, которую он содержит (порядка 35 ккал/150 кДж), находилась в 150 млн км от Земли, на Солнце[233]. Хотя ваш бензин рожден тем же источником, он не видел солнечного света со времен, когда динозавры топтали Землю.

Другое очевидное различие между пищей и топливом заключается в том, что они обладают двумя разными видами накопленной в них потенциальной (химической) энергии и что мы применяем принципиально разные способы, чтобы превратить эту энергию в механическую. Автомашины в буквальном смысле «сжигают» энергию в прочных жаростойких «горшках», которые называются цилиндрами. Бензин превращается в механическую энергию, приводящую в движение колеса, благодаря процессу сгорания (взрыва), который происходит при взаимодействии углерода с кислородом. Но, хотя мы говорим о «сжигании» калорий, в нашем организме в буквальном смысле такого процесса не происходит. Когда мы потребляем еду, то запускаем сложный химический процесс ее превращения в глюкозу. Наши желудок и печень трансформируют пищу в сахар, который мы можем использовать быстро, или жир, который можно сохранять и использовать по мере необходимости. Именно поэтому нам не нужно всю жизнь щипать траву. Многие используют слово «респирация» как синоним дыхания, но на самом деле оно означает превращение запасов нашей «телесной энергии» в другие ее виды с использованием кислорода, содержащегося в воздухе. Это примерно то же самое, как если бы процесс фотосинтеза (превращения солнечного света в биохимическую энергию) шел в обратном порядке; и похоже на процесс сгорания в цилиндрах вашего автомобиля.

Благодаря способности тела накапливать запасы энергии, содержащейся в пище, на недели вперед нет прямой связи между тем, что вы только что съели, и тем, что вы можете сделать. Запасы питательных веществ в теле не заканчиваются так же внезапно, как бензин в баке автомобиля или завод у пружины часов. Законы физики подсказывают нам, что машина не может использовать больше энергии, чем есть в том бензине, который вы в нее залили (хотя, конечно, возникают и внешние дополнительные обстоятельства вроде движения под уклон или по ветру). А энергетическое содержимое пищи, которую вы потребляете, определяет пределы того, сколько и чего вы можете сделать и в течение какого времени выживать. Вы можете считать калории, борясь с лишним весом. Но и они тоже ведут свой счет в отношении вас: устанавливают пределы того, что вы способны сделать.

▲ Как тело расходует энергию. Хотя мозг составляет лишь 2 % от веса тела, он использует почти пятую часть всей энергии. Печени требуется еще больше. Эти цифры характеризуют энергетические затраты организма в состоянии покоя. Во время усиленных физических нагрузок до 90 % энергии уходит на работу мышц[234].

Никто из нас не любит подгорелую пищу. Но есть место, где она воспринимается как приемлемая. Указатели содержания калорий в продуктах, которые мы видим на пакетах в магазинах, рассчитываются при сжигании минимальных объемов соответствующих пищевых изделий в мини-печках, называемых калориметрами. Классический калориметр носит название жидкостный калориметр-интегратор (бомбовый калориметр). Он состоит из сосуда с жидкостью (обычно водой), внутри которого есть небольшая металлическая камера сгорания, где сжигают пищевые продукты, за счет чего нагревается окружающая водяная оболочка. По определению, одна килокалория – это столько энергии, сколько нужно для подогрева одного литра воды на один градус Цельсия. Зная объем воды и измерив изменение ее температуры, мы можем вычислить, какое количество энергии содержал продукт, сожженный в камере сгорания (практически вся она будет поглощена водой).

Большинству трудно зрительно представить себе энергию, заключенную в пище. Причин тому три. Во-первых, на первый взгляд практически невозможно определить содержание энергии в том или ином продукте питания. В чем ее больше – в бигмаке или пяти бананах? Кстати, энергии в них примерно поровну. Во-вторых, как мы уже видели в главе 2, многие плохо представляют себе, сколько энергии нужно, чтобы подняться по лестнице или сыграть партию в теннис. Поэтому мы не знаем, сколько энергии нам на самом деле нужно. Вместо достаточно точного прибора – топливного манометра, – показывающего нам количество оставшегося бензина в баке машины, в отношении себя мы должны пользоваться очень грубыми и приблизительными показателями – голодом или, наоборот, пресыщением. В-третьих, знакомые нам единицы, которые мы используем для оценки энергетического содержания продуктов, – калории – часто нас запутывают. 1 американская калория на самом деле эквивалентна 1000 калорий или 1 килокалории (научная, строгая мера измерения), которая равноценна 4200 Дж, или 4,2 кДж энергии.

Есть еще один осложняющий дело фактор. Чудовищно неэффективны наши машины, которые с пользой расходуют всего 15 % топлива. Неэффективно и человеческое тело с точки зрения использования потенциальной химической энергии, которая в него поступает (мы называем ее пищей). Обычно наше тело превращает в механическую энергию только 20–25 % потенциальной. Если мы создаем в процессе дыхания 100 кДж энергии, наши мышцы используют 20–25 кДж[235]. Куда уходит остальное? 60–70 % тратится на поддержание жизнедеятельности организма, а остальные 10 % – «административные расходы» на переработку того, что мы едим. Стоит извиниться перед техником Энди из главы 2. Конечно, вы достойны того, чтобы съесть пару шоколадных печенюшек после того, как заберетесь пешком на Эмпайр-стейт-билдинг. Ведь ваше тело сожжет гораздо больше энергии, чем тот минимум, который, по моим расчетам, необходим, чтобы поднять вашу массу, преодолевая силу земной гравитации.

Так же как наши неэффективные машины могут покрыть достаточно большое расстояние на баке бензина, наше тело способно произвести поразительное количество работы на том, что мы употребляем в пищу. Энергетическая ценность еды станет гораздо понятней, если мы забудем о килокалориях и представим ее себе в джоулях и килоджоулях. Тогда можно прямо сравнить энергетическую ценность продукта с тем, что за ее счет можно сделать. В табл. 4 приведены данные о некоторых привычных продуктах, их энергетической ценности в килокалориях и килоджоулях и примеры того, что (теоретически) мы могли бы сделать, потребив их. Кусок хлеба обеспечит нас энергией на полчаса чтения (чтобы закончить эту книгу, вам понадобится еще батон хлеба). А если вы проглотите жирный и сочный чизбургер, то вам хватит этого для того, чтобы в течение часа плыть кролем. Старая реклама увещевала людей «ходить на работу на энергии одного яйца». И, скорее всего, это вполне возможно, если идти придется не больше 1 км[236]. Более жирная пища содержит больше калорий. Это вполне соответствует известной истине: жир содержит больше энергии, чем белки или углеводы.

Таблица 4. Что даст вам еда? Я сопоставил энергию некоторых привычных продуктов (в килокалориях и килоджоулях) с энергией, необходимой для осуществления ряда привычных действий

Даже наш сон, размышления и досуг требуют энергии, кстати немалой. Помните северных овцебыков, которые используют ленивую тактику выживания в суровых зимах благодаря нахождению в стоячей спячке? Живые существа не могут прекратить расходовать энергию, но способны существенно сократить расход за счет замедления метаболизма[237]. В этом весь смысл зимней спячки животных: они уменьшают потребление энергии, потому что в природе ее меньше (меньше доступной пищи). Люди такого выбора не имеют. Даже когда мы спим или сидим и отдыхаем, наш так называемый базальный метаболизм[238] (основной обмен) требует в секунду около 80 Дж, или 80 Вт, то есть примерно столько же, сколько старомодная лампа накаливания. Чудовищное расточительство, но такой расход энергии – ничто по сравнению с тем, сколько ее расходует на единицу массы колибри: почти в 10 раз больше, чем человек![239] Полеты и передвижения этой птички заставляют ее проводить почти все время в поисках и потреблении богатого энергией нектара. Для чего? Чтобы дальше летать, зависать над растениями и питаться нектаром. Маленькие животные нуждаются в больших количествах пищи для поддержания высоких метаболических потребностей и обеспечения организма теплом. Мышь должна съедать до 12 % своего веса в виде растительной пищи каждый день[240]. Для человека массой 75 кг это равнялось бы 9 кг еды в день, или 140 шоколадных батончиков.

Кстати, если вы думаете, что топливо стоит дорого, то, бросив взгляд на приведенную выше таблицу, поймете, что это вовсе не так. Литр бензина содержит 34,8 мДж энергии (34 800 кДж), и когда вы заливаете полный бак, то обращаете внимание на сумму расхода[241]. Однако сравните бензин, например, с фастфудом. Обычный бургер содержит всего 2000 кДж (в 17 раз меньше), а стоит втрое дороже, чем литр бензина. Даже электроэнергия примерно вдвое дороже бензина[242].

Так что если мы посчитаем исключительно по запасам энергии, то фастфуд выходит в 50 раз дороже, чем бензин. Справедливо ли это сравнение? Все зависит от того, какую работу вы хотите выполнить, затратив определенное количество энергии, и как быстро. 3,7 л бензина позволят машине проехать около 65 км, а один бургер, обеспечивающий ваш организм 490 килокалориями, даст вам возможность идти час со скоростью 7 км/ч. Для поездки на автомашине на расстояние 65 км вам нужно около 5 л бензина. А чтобы пройти то же расстояние пешком, вам теоретически потребуется девять бургеров, что будет стоить вам впятеро дороже по сравнению с бензином. Правда, чтобы передвигаться на машине, вы должны сначала купить ее и потратить немалые деньги на ее содержание (налог, страховку, техническое обслуживание и т. д.).

Диеты приходят и уходят – этот бизнес сейчас процветает. Классический подход, основу которого составляет подсчет потребленных и расходуемых килокалорий, вполне оправдан с научной точки зрения. Если в вашем организме не соблюдается баланс, излишек калорий сразу откладывается на талии, бедрах и ягодицах. Ожирение является в наше время реальной и серьезной проблемой, угрожающей общественному здоровью, но небольшие количества жира для организма даже полезны: они создают разумную и эволюционно значимую защиту на возможные периоды нехватки энергии. Культурная традиция заставляет нас относиться к жиру как к ужасной биологической мести за потворство себе. Но откладывание жира – всего лишь проявление действия нашего старого знакомого: закона сохранения энергии. Энергия должна куда-то уходить. Каждый ее джоуль должен найти себе применение. Жировые отложения на нашем животе – тоже источник потенциальной энергии.

То количество пищи, которую мы можем потребить, меняется от человека к человеку – и это тоже закон сохранения энергии. У всех разный метаболизм, и каждый расходует в течение дня разное количество энергии. В разном возрасте мужчины и женщины имеют разные потребности в энергии. Они максимальны, когда нам от 19 до 30 лет и мы ведем активный образ жизни. Спортсмены потребляют высококалорийную пищу вроде стейков и яиц. Писатели нуждаются в меньшем количестве калорий, потому что занимаются активным умственным, а не физическим трудом. Если вы ведете в основном сидячий образ жизни и вам от 30 до 50 лет, ваши ежедневные потребности в энергии составляют обычно 2350 ккал для мужчин и 1800 ккал для женщин. Если вы ведете более активную жизнь, то эти потребности возрастают где-то на 25 % и составляют 2900 ккал для мужчин и 2250 для женщин[243]. Для сравнения: полярному медведю каждый день нужно 12 000–16 000 ккал[244].

Почему в нашем организме запасается жир, а не белки или углеводы? Потому что при относительном весовом сопоставлении получается, что в жире вдвое больше энергии, чем в углеводах и белках. В 0,5 кг жира потенциальной энергии вдвое больше, чем в таком же количестве белков. Вы можете вспомнить об этой «энергонасыщенности», вернувшись к главе 5, где мы говорили о том, что по всему миру сейчас ползает около миллиарда загрязняющих окружающую среду старомодных автомобилей на жидком топливе, потому что оно обладает исключительной способностью запасать энергию. Жир в организме человека так же эффективен для сохранения энергии, а по энергонасыщенности значительно превосходит другие ее источники (угль, дерево, природный газ и солнечные батареи).

Интересно посмотреть, как изменились энергетические потребности человечества со времени промышленной революции. В конце XVIII – начале XIX века миллионы людей были освобождены от тяжелейшего сельскохозяйственного труда и влились в число рабочих на фабриках и заводах, где часть их нагрузки взяли на себя паровые машины и различные механизмы. В наше время тяжелую работу на конвейерах и других производствах выполняют роботы, а люди в основном управляют ими с помощью компьютеров. Скорее всего, в будущем компьютеры возьмут на себя еще больше работы, опустив (или возвысив) людей до роли простых комментаторов (наблюдателей) того, что происходит вокруг них.

Почему сегодня так много кулинарных программ на телевидении? Разве нет более достойного занятия, чем придумывать новые способы приготовления и разогрева переработанных растений и животных? Может, и есть. Но возможно, что наша «зацикленность» на кулинарии важнее, чем нам кажется. К этому выводу несколько лет назад пришел антрополог из Гарвардского университета Ричард Рэнгем в своей книге «Зажечь огонь: Как приготовление пищи сделало нас людьми»[246]. Его простая, но очень оригинальная идея сводится к тому, что неоспоримый эволюционный успех человечества основан на развившейся способности к приготовлению пищи, которая быстро и эффективно обеспечивает нас – млекопитающих с большим мозгом – необходимой энергией, освобождая от примитивной жизни охотников и собирателей для чего-то более важного, например увлечения кухней и просмотра кулинарных программ.

Смешно, но в этом есть глубокий смысл. Многие животные (от коров и овец до садовых птиц и пчел) тратят практически всю жизнь на поиск и потребление пищи. И всё ради того, чтобы назавтра снова быть в состоянии искать и потреблять ее. Стада овец, которых я вижу из окон своего дома, каждую минуту своего бодрствования проводят, щипля траву, а я могу быстро проглотить что-нибудь съестное всего три раза в день, а в свободное от этого занятия время созерцать этих животных и размышлять об их судьбе.

Приготовление пищи либо придает ей более высокую энергонасыщенность (самый простой пример: горячий напиток согревает вас сильнее, чем негорячий, сокращая работу вашего организма по поддержанию себя в тепле), либо делает ее более усваиваемой и готовой к процессу метаболизма. Как отмечает Рэнгем, термическая обработка белков видоизменяет их молекулы (происходит денатурация белка), делая их более легко перевариваемыми и доставляющими нам больше энергии. Кстати, процесс жевания нацелен на то же самое. Он требует определенных энергетических затрат, но в ходе него пища подвергается измельчению, что позволяет нам усваивать ее и увеличивает количество энергии, которое мы из нее получаем[247].

Кулинария названа наукой неслучайно. О химических и биологических секретах превращения продуктов питания в доступный для потребления вид можно написать толстые фолианты. И многие авторы внесли в это свой вклад[248], например Гарольд Макги («О еде и кулинарии: Наука и знания на кухне») и Роберт Вольке («О чем Эйнштейн рассказал своему повару»)[249]. Даже если мы оставим в стороне фантастически сложные биохимические процессы, скажем, во время выпечки хлеба, даже физические аспекты кулинарии крайне интересны. Как мы обнаружили в предыдущей главе, суть приготовления пищи заключена в термодинамических процессах: переносе тепла от его источника к пищевому продукту как можно быстрее и эффективнее. При различных методах приготовления пищи это делается это по-разному.

За миллионы лет с того времени, когда наши доисторические предки готовили кабана на вертеле над костром, до приготовления семейного воскресного обеда в конвекционной духовке принципиально ничего не изменилось. В духовке используются все три способа передачи тепла: теплопередача, конвекция и излучение. Если в духовке есть металлические тэны (трубчатые электронагреватели), при их разогреве начинается процесс конвекции: горячий воздух перемешивается внутри. В процессе теплопередачи этот воздух разогревает находящийся в духовке пищевой продукт. Некоторое количество тепла попадает на него непосредственно от разогретых докрасна тэнов (если они открыты), часть поступает от поддона и стенок духовки. Конвекционные духовки готовят быстрее за счет более активного воздухообмена в горячей зоне.

Когда мы варим суп в кастрюльке, то пользуемся принципом конвекции. Сама кастрюлька разогревается в результате теплопередачи. Изначально она нагревает суп тоже путем теплопередачи. Густой слой жидкости на дне расширяется и становится жиже. Это заставляет его всплывать вверх и «включает» конвейерную ленту конвекции: теплые слои (с большей энергией) поднимаются, опуская вниз холодные. В итоге вся жидкость в кастрюльке равномерно разогревается.

Если вы не будете помешивать жидкость в кастрюле, то могут произойти две вещи. Часть супа внизу, около дна, может прилипнуть к нему и подгореть в результате активной теплопередачи. Она также создаст теплоизолирующий слой между огнем, днищем кастрюльки и более холодным верхним слоем, подавляя конвекцию или вовсе останавливая ее. Этим объясняется то, что у вас может подгореть нижний слой супа у дна кастрюли, а верхний при этом останется холодным. Если вы присмотритесь к процессу конвекции в кастрюльке, то иногда сможете увидеть много независимых точек кипения на поверхности. Там ваш суп (или что вы варите) поднимается наверх и опускается вниз. Каждое такое место – маленький вертикальный конвейер поднимающихся теплых и опускающихся холодных слоев. Этот эффект называется конвективными ячейками Рэлея – Бенара. Если у ваших любимых кастрюлек есть на днище узор, он может стать причиной возникновения ячеек конвекции. Узоры активизируют процесс и, по моим наблюдениям, делают такие ячейки заметными, особенно когда я готовлю рис или вермишель на большом огне.

Главный недостаток любой плиты, в том числе конвекционной, в том, что она должна создать достаточно высокую температуру, чтобы приготовить ужин. Микроволновые печи гораздо быстрее и удобнее, потому что используют в своей работе сверхвысокочастотное (СВЧ), то есть микроволновое, излучение. В них алюминиевому контейнеру с едой для разогрева не нужно проводить полчаса в какой-то горячей зоне.

Как работает микроволновка? Энергия микроволн заставляет молекулы воды, содержащиеся в пище, колебаться быстрее. А поскольку при их колебаниях создается тепло, оно может сообщаться продуктам, которые вам необходимо приготовить. Часто говорят, что в микроволновках процесс приготовления пищи идет «изнутри», но это не совсем верно. Да, микроволны быстрее готовят пищу, в которой есть вода. Черствый кусок яблочного пирога будет разогреваться от центра к краю просто потому, что в центре он более влажный. Что-то более однородное, например кусок мяса, будет разогреваться более ровно и по направлению внутрь. Внешняя часть будет нагреваться и отдаст свое тепло внутрь в процессе теплопередачи, как в обычной духовке.

Грили и инфракрасные жаровни, которые разогреваются докрасна, переносят тепло в основном за счет излучения, как и гудящие костры в летних лагерях. Поэтому грили могут располагаться над кусками свинины и тостами с сыром и эффективно разогревать их, хотя большая часть их энергии вообще не попадает на объект приготовления (уходя вверх и вниз от него). Галогеновые лампы готовят еду с помощью инфракрасного излучения. Эффект нагревания появляется от них очень быстро, как от газовой горелки. В отличие от электрической плиты, их разогрева долго ждать не нужно. Но стекло галогеновой лампы тоже становится очень горячим, так что здесь тоже имеет место некоторая теплопередача.

В индукционных плитах используется самый продвинутый в научном смысле способ приготовления пищи. В отличие от других технологий, они не создают непосредственного тепла. Они обеспечивают переменное электромагнитное поле в металлическом корпусе обычной кастрюли или сковородки. Оно создает токи, которые называются вихревыми (токами Фуко). В отличие от обычного тока вихревые никуда не текут. Они вращаются вокруг внутренней кристаллической решетки металлической посуды, преобразуя электромагнитную энергию в тепло. При этом разогревается сама кастрюля или сковородка. Недостаток этой технологии в том, что посуда для приготовления пищи должна быть обязательно металлической, чтобы на нее воздействовало магнитное поле. Алюминиевая не подойдет: алюминий – немагнитный металл.

Если ужины для вас – целая драма, а чаи наскучили, если в обед вы зеваете и находите всё это жевательное мероприятие утомительным, наверное, вы ждете того дня, когда сможете одним махом проглотить энергетическую таблетку, которая даст вам сил на целый день.

Насколько это реально? Обычные таблетки витаминно-минеральных комплексов типа A – Z имеет массу примерно 1,5 г. Наша дневная потребность в энергии составляет 2500 ккал, или 10 500 кДж (10,5 мДж). 666 таких таблеток, которые обладают массой почти 1 кг, дали бы нам 666 × 10,5 = 7000 мДж энергии.

Какова энергоемкость килограмма других существующих на земле веществ? В главе 5 показана энергонасыщенность других материалов. Первое место среди них занимает водород. Но он имеет энергоемкость всего 140 мДж/кг. Даже у бензина этот показатель составляет только 50 мДж. Так что сейчас шансы на то, что кто-то создаст вещество в 100 раз более энергоемкое, чем бензин, практически нулевые[250].

«Когда уляжется пыль» – парадоксальное клише, по крайней мере у меня дома. А когда пыль вообще делает еще что-нибудь, и если да, то почему? Если в вашем доме постоянные сквозняки, почему всё покрывается пылью и грязью? А машины? Почему они становятся такими грязными, хотя целыми днями обдуваются сильными потоками ветра или дождя? Почему эта невидимая гигантская автомойка не обеспечивает их блеска?

Научные ответы на все эти вопросы связаны с еще одним досадным моментом, который постоянно раздражает меня и в быту: с тем, как люди всегда готовят чай и кофе неправильно. Дело не в том, когда нужно добавлять молоко, и не в этикете, а в том, как люди размешивают напитки после того, как все ингредиенты уже в чашках. Если пыль и размешивание кажутся вам не связанными между собой, то что вы скажете о воющих турбинах, храпящих сонях и кусочках моркови в супе-пюре, который по идее должен быть идеально протерт? Оказывается, всё это связано с тем, как потоки жидкостей и газов движутся вокруг нас. И всё это – одна и та же наука.

Забудем о том, откуда берется пыль, и подумаем, как избавиться от нее.

Когда вы сталкиваетесь с чем-то по-настоящему пыльным, то инстинктивно пытаетесь сразу сдуть эту пыль. И вот вы вдыхаете полную грудь воздуха, раздуваете щеки, как Луи Армстронг, и сильно дуете. Что происходит? Немного пыли улетает, но гораздо больше остается – по двум совершенно разным причинам.

Во-первых, пыль очень мелкая. Вы, наверное, читали о шахтерах, которые имеют серьезные проблемы с легкими из-за постоянного попадания в них угольной пыли, в результате чего развивается заболевание под названием пневмокониоз. Или о детях, у которых под влиянием вредных автомобильных выбросов обостряется астма. Частицы пыли могут быть поразительно малы: наиболее опасные из них известны под названием РМ₁₀ (меньше 10 микрон (миллионная доля метра) в диаметре, что в 5–10 раз меньше диаметра человеческого волоса)[251]. Чем субстанция меньше и легче, тем увереннее она удерживается на поверхности предметов благодаря статическому электричеству, которое вызывает адгезию (см. главу 6). Пыль собирается на поверхности вещей, потому что она мелкая и легкая. И собирается она слоями.

Вторая причина, по которой пыль нелегко сдуть, гораздо интереснее. Мы во многом походим на животных, но отличаемся от них прежде всего тем, что ходим на задних ногах. Поэтому кое-чего не видим в окружающих нас атмосферных условиях, а именно: чем мы выше, тем сильнее овевает нас ветер (может, это явление не столь заметное, но оно существует). Для нас очевидно, что чем объект выше от земли, тем сильнее на него воздействует ветер. Это заметно при прогулках по холмам. На уровне почвы скорость ветра практически равна нулю[252]. Под уровнем почвы я имею в виду высоту буквально в несколько атомов от поверхности земли. Низкие травы могут колыхаться под порывами ветра, но, с научной точки зрения, движения воздуха в непосредственной близости от земли нет – даже при ветре в 10 баллов. Это, в частности, объясняет, почему ветровые энергетические установки такие высокие. При увеличении диаметра их лопастей вдвое их мощность возрастает на треть[253].

Когда вы дуете параллельно какой-то поверхности вроде книжной полки, мини-поток воздуха, срывающийся с ваших губ, имеет определенную скорость. Но на самой границе с поверхностью, скажем на расстоянии одного атома от нее, воздушный поток вообще не имеет скорости. Она растет постепенно по мере увеличения расстояния от поверхности и приближения воздуха к слою, называемому граничным. Выше его скорость воздуха постоянна. Вы не можете сдуть всю пыль с книжной полки, потому что нижний ее слой остается на небольшом удалении от поверхности, где воздух не движется совсем. Конечно, чем сильнее вы дуете, тем выше вероятность того, что вам удастся сместить верхние слои пыли. Но вы не можете сдуть «пыль с пыли», потому что какой-то ее слой обязательно останется.

Тот же принцип действует и в отношении вентиляторов. Приходилось ли вам замечать, какими грязными через некоторое время работы становятся их лопасти, хотя они с огромной скоростью разрубают воздух, делая несколько сотен оборотов в минуту? Объяснение такое же: воздух в непосредственной близости от лопастей вентилятора не движется вовсе. Постоянное вращение создает на лопастях электростатическое поле, которое еще сильнее притягивает пыль. Механизм образования пыли на книжных полках и лопастях вентилятора действует и для автомашин. Когда автомобиль движется, вокруг него создаются воздушные потоки. Хотя ветер несется вам навстречу почти с такой же скоростью, которую показывает спидометр, непосредственно на металлической поверхности корпуса автомобиля она равна нулю. Именно поэтому пыль и убитые насекомые остаются на ней – в граничном слое – до тех пор, пока вы не возьмете влажную губку, чтобы стереть их.

С виду вода и воздух очень разные, но при движении в скоростном потоке они ведут себя похоже. Мы объединяем жидкости и газы и называем их текучими средами. Наука, их изучающая, называется гидрогазодинамикой. Аэродинамика – ее подраздел, занимающийся изучением движения воздуха, в частности движения машин с минимальным сопротивлением. В текучих средах, в том числе воздухе, интересно то, что они могут течь либо «плавно», либо «турбулентно».

Когда вы несетесь по шоссе на Ferrari, воздух обтекает его поверхность ровными изогнутыми линиями, известными под названием линий тока. Когда мы говорим, что машина «обтекаемая», то подразумеваем, что ее могут обтекать воздушные потоки и она имеет низкое сопротивление воздуху. Машина с идеальной аэродинамикой оставляет за собой воздушные потоки, которые не сильно отличаются от встречных воздушных потоков. При таком движении воздух обтекает автомашину почти параллельными потоками (слоями). Мы называем их ламинарными (состоящими из параллельных слоев, как ламинатные полы).

У спортивных машин улучшенная управляемость за счет перераспределения воздушных потоков, которые их обтекают. На многих из них в передней части устанавливают «юбки передних бамперов» (которые предотвращают попадание ненужных потоков под автомобиль) или задние спойлеры (на багажнике или задней части автомобиля – сглаживают турбулентные завихрения за ним). У спорткаров «Формулы-1», оборудованных такими спойлерами, возникает большая прижимная сила. На скорости в 240 км/ч она составляет значения, вдвое превышающие собственный вес автомобиля. Поэтому часто говорят, что такие машины могут «ездить по потолку». Недостаток спойлеров в том, что они усиливают сопротивление воздуха. Но существуют различные подобные устройства, которые меняют угол наклона, позволяя при необходимости повышать прижимную силу машины или снижать аэродинамическое сопротивление.

Ровные ламинарные воздушные потоки можно видеть не только на примере автомобилей и вообще воздуха. Их также можно наблюдать на спускающихся в море красивых песчаных пляжах. После того как волны исчезают около берега и вода поднимается по песку вверх ровным потоком, вниз она сбегает несколькими параллельными слоями. Нижние могут стекать в море, а верхние – только направляться к берегу. При этом скорости у них разные. Это ламинарные потоки: слои воды скользят друг по другу, как прозрачные блестящие стекла, без видимых следов взаимодействия или смешения. Ламинарные потоки можно наблюдать и в медленно текущих реках. Их скорость растет от каменистого дна, где она минимальна, к более верхним слоям, где вода бежит быстрее.

Разумеется, и воздушные, и водные массы не всегда движутся ровно. Если вы едете в грузовике, а у него нет соответствующих устройств, сглаживающих воздушные потоки, его капот врезается в воздух и частично останавливает их, тогда как другие минуют его. В результате возникают завихрения воздуха, которые называются турбулентными потоками. Они организуются хаотически и создают для двигающихся мимо них объектов значительное сопротивление. Турбулентные завихрения получают энергию от вашего грузовика, поэтому и замедляют его. Их сопротивление буквально крадет у вас энергию.

Если вы хороший пловец кролем, вы знаете, что лучшая техника – вытянуть тело и сделать его максимально обтекаемым, чтобы оно создавало в воде как можно меньше завихрений. Если вы поднимете голову и не выпрямите спину, то создадите вокруг себя турбулентные потоки, которые будут замедлять ваше движение, крадя у вас энергию и приводя к усталости. Плавать на открытой воде труднее, чем в бассейне, потому что к течениям добавляются ветер и волны, которые повышают турбулентность потока. По моему опыту, когда вы плывете в открытом море, положение вашего тела уже не играет такую важную роль[254].

Понимание того, что газы и жидкости движутся либо в ламинарных, либо в турбулентных потоках (или в комбинации обоих), помогает нам объяснить многое. Теперь вы наверняка сможете сказать, что при сдувании пыли с книжной полки воздух движется в ламинарных потоках, очень похожих на потоки воды в медленной реке. Каждый следующий слой движется чуть быстрее предыдущего, а тот, что непосредственно примыкает к поверхности полки, практически неподвижен. Теоретически вам было бы гораздо легче очистить полку от пыли, если бы вы смогли сделать поток воздуха, направленный на нее, турбулентным или хотя бы комбинированным. Но как этого добиться? Вы могли бы применить метод попеременного всасывания и выброса воздуха, или метод обдувания с различных направлений, или какой-то другой прием, который заставил бы воздух у поверхности двигаться. Например, подуть на полку через соломинку. Но на практике оказывается, что электростатическое притяжение между пылинками и полкой слишком сильно и самый действенный способ освободить ее от пыли – протереть ее влажной тканью или щеткой.

Теперь, когда мы познакомились с тонкостями ламинарных и турбулентных потоков, вы поймете: мешать чай не нужно. Когда вы мешаете жидкость – чай, кофе, краску или соус, – то обычно помещаете в сосуд с ними какой-то предмет и вращаете его. Но при этом вы создаете круговые ламинарные потоки, которые не перемешиваются.

Джон Демосс и Кевин Кэхилл из университета Нью-Мексико придумали удивительный (и трудный для описания) опыт, который вы можете изучить в интернете[256]. Один из ученых вводит в сосуд с кукурузным сиропом сверху три порции пищевого красителя, которые располагаются на разной высоте в разных местах. Ученый поворачивает сосуд на определенное число оборотов вдоль его вертикальной оси. Мы видим, что три «кляксы» красителя при этом превращаются в три идеальные продольные линии разных цветов. Затем исследователь поворачивает смеситель на такое же число оборотов назад. О чудо! Краситель отделяется от сиропа и превращается в три изначальные «кляксы».

Этот невероятный опыт показывает, что идеальные ламинарные потоки не перемешиваются, даже когда жидкость вращается в смесителе. Поэтому этот процесс обратим. Когда вы мешаете чай или кофе, то просто разгоняете жидкость, которая движется в ламинарных потоках. Такой способ помешивания вполне привычен, но с точки зрения физики гораздо быстрее и эффективнее мешать турбулентным способом. Например, мешая содержимое сосуда в одном направлении, потом резко останавливаясь и мешая в противоположную сторону. Я мешаю чай так турбулентно, что проливаю на кухонный стол почти половину содержимого чашки (гости часто укоряют меня в том, что я даю им маленькие порции).

Если вы готовите чай по старым рецептам, из рассыпной смеси, а не из пакетиков, вы, возможно обратили внимание на еще один любопытный с точки зрения науки эффект. Когда вы сильно мешаете чай ложечкой, его крупинки собираются в центре чашки и движутся по направлению ко дну, вместо того чтобы прижиматься к внутренним стенкам, как можно было бы ожидать. Поначалу они действительно движутся в сторону от центра, но стоит вам прекратить мешать, как движение жидкости замедляется из-за трения между нею и стенками, а также дном чашки. Это создает вторичное завихрение, которое затягивает воду от стенок чашки к центру, втягивая туда же и крупинки чая, которые под действием своего веса оседают на дне, а водоворот чая все еще кружится над ними. Кто еще обращал внимание на этот полезно-бесполезный пример науки на кухне? Альберт Эйнштейн в своей малоизвестной работе, опубликованной в 1926 году[257].

Чашка чая всегда остается чашкой чая. Независимо от того, как долго вы мешаете его и делаете ли это по-своему (ламинарным способом) или по-моему (турбулентно), чай остается собой. Жидкости, которые ведут себя таким простым способом, называются ньютоновскими: они подчиняются классическим законам физики, сформулированным Ньютоном в XVII веке.

Но не все жидкости такие. Это я открыл, на свою беду, одним школьным утром, когда мне было то ли 12, то ли 13 лет. Я был на уроке кулинарии (которая тогда называлась «домоводством» или, может быть, «домашним хозяйством»), и мне в первый раз показывали, как делать заварной крем. У меня поначалу выходило неплохо, но потом я запоздал с помешиванием, и крем подгорел со дна кастрюльки. Я оставил его остывать и забыл о нем до конца урока, когда уже не оставалось времени на спасение ситуации. Делать нечего, и я понес пол-литра подгорелого холодного заварного крема в рюкзаке домой. Там в голову мне не пришло ничего лучшего, как слить крем в раковину на кухне. Большая ошибка! По мере того как я оттирал его от стенок кастрюльки и яростно мешал, масса сильно разбухла. То, что поначалу представляло собой желтоватую водянистую смесь, превратилось в толстую желеобразную массу. О нет! Я попытался помешать ее еще, но это только ухудшило дело. Чем больше я волновался и чем яростнее мешал смесь, тем плотнее она становилась. В итоге она превратилась в подобие кусков каучука. Мне пришлось их вычерпывать деревянной кухонной ложкой и заталкивать в сливное отверстие мойки.

Только через 10 лет я понял, что же тогда произошло, теперь уже во время лекции. Большинство жидкостей (например, чай и вода) являются ньютоновскими, но другие мы могли бы назвать неньютоновскими. Приложите к ним силу – и они не просто сместятся или будут вращаться, как чай при помешивании. В зависимости от своей молекулярной структуры они станут либо более вязкими (дилатантные), либо более текучими (псевдопластичные). Заварной крем (и всё, что содержит кукурузную муку) относится к вязким жидкостям; кровь, кремы для лица, кетчуп, зубная паста и даже мокрота – к псевдопластичным. Вы встряхиваете бутылку с кетчупом, чтобы сделать его более текучим (прикладываете к нему силу, вызывая деформацию сдвига, чтобы сделать его псевдопластичным). Возможно, вы много раз видели (но не придавали этому значения), что зубная паста работает так же. Она выползает из тюбика, как толстый и ленивый червяк, но уже через секунду-другую волшебным образом превращается в текучую жидкость. Псевдопластичные жидкости доставляют нам гораздо меньше хлопот, чем вязкие, и обнаруживать их гораздо интереснее. Например, естественная мокрота в легких при приложении к ней усилия (кашель) легко покидает тело через рот. Возможно, неприятный пример, зато точный.

И ламинарные, и турбулентные потоки активно используются в кухонных блендерах. Большинство таких машин очень мощные и легко превращают овощи в пюре и супы. Мой ручной блендер имеет мощность 700 Вт. Это чуть меньше, чем у моей большой стиральной машины. Многие из нас не очень хорошо представляют себе, что такое 700 Вт, но если вы изучите табл. 2, то увидите, что это в 70 раз больше мощности, которую вы развиваете (не без усилий) с помощью пусковой рукоятки. Однако такие блендеры или даже более мощные настольные иногда не могут мелко порубить какие-то продукты. Вместо того чтобы измельчить, скажем, морковь в единообразную субстанцию, они режут и режут ее на всё более тонкие кружочки. Почему? Потому что, как только блендеры начинают резать овощ, содержащаяся в нем жидкость начинает вращаться с той же скоростью, и машина просто перемешивает ламинарные потоки. Если вы хотите, чтобы блендер обрабатывал продукты эффективнее, стоит работать с ним импульсами, включая и выключая мотор. Пульсация создает более хаотичные, турбулентные потоки, в которых упрямая морковка будет падать на ножи и измельчаться, а не вращаться вместе с ними по стенкам блендера, подобно оранжевым мотоциклистам, ездящим по вертикальным стенкам в цирке.

Если вы будете очень осторожны и осмотрительны, то с помощью блендеров можно продемонстрировать ряд интересных опытов с гидродинамикой. Наполните высокий стакан или специальный прозрачный пластиковый мерный стакан блендера до половины водой и опустите в нее работающий блендер. Очень осторожно (еще раз подчеркну это, потому что эти кухонные устройства очень опасные) поднимите сосуд с водой повыше и посмотрите, что будет происходить с ней по мере того, как вы будете включать и выключать мотор. Вы увидите необычные вихревые потоки воды, а также зарождающиеся большие воздушные пузыри, которые будут вращаться вместе с водой и исчезать. Если блендер достаточно мощный, вы увидите, что он создает достаточный импеллерный (самовсасывающий) эффект, чтобы держать вес контейнера с водой. Когда вы включите блендер и он наберет максимальные обороты, попробуйте осторожно приподнять его. Возможно, у вас всё получится и мерный стакан с водой поднимется вслед за блендером.

Доводилось ли вам внимательно наблюдать за струей воды, вытекающей из крана? Откройте кран, чтобы вода текла широкой струей, а затем чуть подкрутите его в обратном направлении. Обратите внимание на то, что струя воды у крана шире, чем у слива. Задумывались ли вы, почему так происходит? Вода практически несжимаема, поэтому такой же ее объем, который вытекает из крана за секунду, должен поступать за секунду и в слив. При падении вода ускоряет движение под действием силы земного притяжения, так что нижняя часть потока имеет более высокую скорость, чем верхняя. Чтобы количество воды в обеих точках было одинаковым, нижняя часть струи должна быть значительно тоньше верхней, иначе в слив будет попадать больше воды, чем покинуло кран. В науке это явление называется уравнением непрерывности. Оно означает, что количество воды, протекающее в данной точке за какой-то отрезок времени, всегда постоянно.

Исходя из этого же принципа, если газ или жидкость начинают течь по более узкому руслу, их скорость должна возрасти. Если вы осторожно надавливаете на рукоятку шприца, жидкость красивым фонтаном вырывается из его тонкой иглы. Если вы приладите к шприцу шланг с водой, то можете получить постоянную и дальнобойную струю жидкости. Так работают моющие машины (для подачи воды под давлением в них используются электрические или бензиновые двигатели). Шприцы и моющие машины не создают воду из воздуха: на входе толстого конца шланга ее поступает столько же, сколько на выходе из тонкого конца. Это также объясняет, почему ветер дует быстрее в обрамленных деревьями аллеях и на улицах с высокими домами. Они работают как шприцы, и ветер набирает скорость по мере того, как движется по узким проходам между деревьями и зданиями.

Иногда, на свою беду, архитекторы забывают об опасности этих явлений. Вихревые потоки не только быстро вращаются вокруг домов. Скоростной ветер может даже сбивать пешеходов с ног.

Уравнение непрерывности помогает нам понять буквальный смысл старой пословицы «стоячая вода всегда глубока». Когда быстрая и сравнительно мелкая река вливается в новое глубокое русло, скорость ее течения замедляется. Если представить себе, что русло реки углубляется вдвое, а ширина остается той же, скорость ее течения замедляется вдвое. Если бы она текла с прежней скоростью, став вдвое глубже, то вода возникала бы из воздуха.

Как и всё, что мы с вами до сих пор рассматривали, движущиеся жидкости, например воздух и вода, подчиняются всеобщему закону Вселенной – закону сохранения энергии. Более быстро движущиеся жидкости имеют большую кинетическую энергию. Но энергия не возникает из ничего. И если жидкость неожиданно начинает двигаться быстрее, увеличивая кинетическую энергию, она теряет другой вид энергии. И это происходит в связи с уменьшением давления. В физике это называется эффектом Вентури, и он помогает нам объяснить различные явления с жидкостями, которые вы, возможно, наблюдали, не понимая их природу. Например, если вы поднимаетесь вверх по каналу на одной барже, а рядом с вами плывет другая с такой же скоростью, два таких судна часто сталкиваются. Это происходит из-за того, что течение воды между ними ускоряется, а давление в нем падает, толкая баржи друг к другу.

А есть еще такое явление, как храп. Когда во сне воздух поступает в вашу глотку (верхнюю часть горла), то он ускоряется, и давление воздушного потока падает. Это заставляет глотку ненадолго смыкаться, а затем вновь открываться, что сопровождается неприятным звуком – храпом[258]. Почему же храпят не все? Словенский отоларинголог Игорь Фаждига попытался найти ответ на этот вопрос, обследовав 40 пациентов, которые храпели во сне громко, умеренно или совсем не храпели. Он обнаружил: когда храпящие люди вдыхают воздух во сне, их глотка сужается больше, чем у тех, кто не храпит. Чем больше сужается и вибрирует глотка, тем громче храп[259].

Кому интересны краны, шланги или плохо размешанный чай? Пыльные книжные полки не остановят мир. И даже плохие блендеры как-то справляются со своей работой. Действительно ли это важно? Как ни удивительно, ответ положительный.

Когда вы едете на работу на машине или велосипеде, аэродинамика делает вашу жизнь легче или труднее, заставляет вас тратить больше или меньше денег на бензин или доставляет в офис быстрее и с меньшими усилиями (если вы принимаете аэродинамическую позу и используете обтекаемый шлем). Что дает жизнь вашему дому? Электрический ток, бегущий по проводам, а также вода и газ, текущие по трубам, которые подчиняются всем законам гидродинамики. Законы гидродинамики обеспечивают здоровье: кровь течет по артериям и венам примерно так же, как вода в руслах рек, а воздух примерно так же наполняет ваши легкие. Так что гидро– и газодинамика зачастую важны для понимания всяких домашних прелестей вроде чистых книжных полок или хорошо размешанного чая. Жидкости дают энергию нашей жизни, а наука объясняет, как это происходит.

От воды никуда не деться. Малыши – пухленькие вместилища воды (они состоят из нее на 80 %, а взрослые – на 60 %)[260]. С Землей та же история: она на удивление странно названа, поскольку на самом деле на 75 % покрыта водой. А иногда кажется, что этот процент еще выше: если вы оказываетесь во влажном индийском муссоне или промозглой сырой зиме Северного полушария. Даже в наших домах царит вода. Вы можете думать, что главное в вашем доме – электричество. Но на самом деле это постоянно текущая и бурлящая вода.

Мне кажется, что лучшее время для того, чтобы поразмышлять о роли воды в нашей жизни, – когда вы нежитесь в теплой ванне, провожая взглядом разноцветные пузырьки геля и шампуней[261]. И чтобы подольше понежиться в этой благодати, есть все основания: вас охватывает блаженство, вы ощущаете расслабление и восстановление сил. Вот только одно, скорее всего, не приходит вам в голову, когда вы лежите в ванне или поете под душем: наука. Если отвлечься от вопросов гигиены, что вообще может дать наука для поддержания в порядке нашего тела? Ответ – очень многое. В заботе о теле важную роль играет вода, а в ее существовании – законы науки.

Н₂О – игривая, булькающая субстанция в каждой ванне – управляет нашей жизнью. Мы запускаем экспедиции на Марс со спускаемыми роботами, которые ищут эту волшебную, животворящую жидкость. Мы рассуждаем так: где есть вода, там есть жизнь. Бурлящие реки, вздымающиеся океаны, сверкающие озера и словно меховые туманы. В разных формах воды на Земле так много волшебства, что мы забываем о ее химической природе. В 1781 году блестящий английский ученый Генри Кавендиш провел знаменитый лабораторный опыт, обеспечив горение водорода в заполненном воздухом сосуде (в воздухе был кислород), в результате чего на стенках сосуда образовались капли влаги[262]. Если бы вся вода на нашей планете создавалась таким прозаическим способом, продолжали бы ей поклоняться с таким же рвением? Если бы она называлась «оксид водорода»[263], заказывали бы ее с таким же восторгом в дорогом ресторане?

▲ Использование воды в доме. Значения в диаграмме округлены. По данным Исследовательского фонда Американской водной ассоциации. Residential End Users of Water 1999 // US EPA, Indoor Water Use in the United States.

Вы можете легко понять важность воды в нашей жизни, всего лишь измерив ее объемы, которые расплескиваете вокруг себя. Средняя американская семья расплескивает, разливает, выпускает из кранов, смывает в туалете, превращает в пар около 1500 л воды ежедневно[264]. Вы наверняка воскликнете, что это невозможно! Но обычный домашний туалет сливает 12 л воды за раз, а какое-нибудь старье может превысить этот показатель и вдвое[265]. Даже экономичные стиральные машины на одну загрузку белья засасывают 35–50 л воды. Эти два важных домашних устройства выбирают почти половину ежедневно потребляемого объема воды. Полная ванна заглатывает около 100 л, на 5-минутный душ расходуется примерно столько же[266]. Оказывается, четырем людям нужно совсем немного времени для того, чтобы слить, истратить, спустить или использовать в душе около 80 ведер воды.

Мы очень любим воду. Когда официант приносит графин оксида водорода к вашему столу в ресторане, вы торопитесь наполнить свой стакан и тут же стукаете им о стол, требуя повторения. Что может быть чище, более жизнеутверждающе, чем вода? Однако, как мы узнаем из следующей главы, мы используем ее и для стирки одежды, потому что она прекрасный растворитель для множества химических соединений. На практике всё это означает, что «чистой воды» не существует. Даже водопроводная вода, которая считается чистой, полна растворенных в ней минералов (и много чего еще, о чем мы сейчас говорить не будем). Запасы воды на Земле ограничены и полностью возобновляемы. Каждый раз, когда вы пьете воду, вы проглатываете молекулы, которыми в свое время пописали Исаак Ньютон, Альберт Эйнштейн и все другие великие ученые[267].

Мы с удовольствием трем тело мочалкой с мылом и водой и схожим способом стираем нашу одежду, хотя могли бы использовать и иные методы. Одежду можно, например, чистить всухую, а принимать душ – с помощью нетоксичных химических веществ. Мы могли бы принимать и душ из тонкого песка так же, как реставраторы отчищают от вековой патины средневековые соборы. Мы могли бы начисто вылизывать себя, как кошки и коровы. Почему же мы этого не делаем? Потому что вода и мыло недороги, есть в изобилии и очень эффективны. Если исключить влажные салфетки (которые содержат мыльные растворы), я не могу припомнить ни одного другого способа очищения человеческой кожи, кроме воды и мыла. Экономическая отдача от изобретения каких-то других способов могла бы быть колоссальной (представьте себе, что удалось бы придумать ткань, которая за 30 секунд обтирания перед работой делала бы ваше тело чистым до скрипа и придавала ему медовый запах), но вряд ли современным изобретателям это придет в голову. А все потому, что пока мы воспринимаем воду как должное. Она подходит нам для всех наших нужд.

Когда вы раздеваетесь в старой холодной ванной, то хотите сразу согреться в горячей воде. Как мы видели в главе 2, вода обладает большой теплоемкостью. Чтобы нагреть литр воды на один градус, нужно больше энергии (примерно 4200 Дж), чем для нагревания на ту же температуру любого другого вещества. Причина в том, что молекулы воды состоят из очень легких атомов (атомы водорода вообще самые легкие, а атомы кислорода занимают в периодической таблице восьмое место), поэтому в воде больше молекул, чем в любом другом веществе. Каждая из них может поглотить определенное количество энергии, начав активные вибрации и движения. Так что большую теплоемкость воде придает именно огромное количество молекул.

И какова же она? Представьте себе, что вы наполнили чайник примерно литром воды, а затем (если бы это было возможно) отлили такой же чайник из цельного железа. Оба поставили на плиту и нагревали бы в течение какого-то времени, чтобы они поглотили одинаковое количество энергии. Вода в первом чайнике закипит. А что станет со вторым? Он, конечно, не расплавится, но станет очень горячим. Его температура достигнет 700 °C[268]. Тот факт, что нагревание воды требует такого огромного количества энергии, делает ее прекрасным средством для транспортировки тепла. Именно поэтому, когда вы сидите в теплой ванне и размышляете о научной природе воды, вода бурлит в батарее отопления на противоположной стороне ванной комнаты. Она делает ванную теплой и уютной.

Вообще-то очевидной причины, по которой батареи центрального отопления заполнены водой, не существует. Точно так же они могли бы быть заполнены каким-нибудь маслом или газом. Это могли бы быть даже сплошные металлические стержни, которые переносили бы тепло из комнаты в комнату путем теплопередачи. Но такая система отопления просто не работала бы так же эффективно, как водяная. Представьте себе металлический стержень, который следовал бы по вашим комнатам причудливыми изгибами примерно по тому же пути, по которому проложены трубы центрального отопления[269]. Теперь представьте, как один конец этого стержня постоянно подогревается газовой горелкой или открытым пламенем (это детали). Чтобы этот стержень смог нагреть вашу комнату, он должен иметь достаточно высокую температуру (порядка 750 °C) и блестящие отражатели, которые направят тепло в помещение[270]. И в таком состоянии этот стержень должен был бы проходить по всем комнатам, лестницам и коридорам и возвращаться к источнику тепла.

Закон сохранения энергии утверждает: чтобы отопить помещения вашего дома, такой стержень должен терять столько же энергии, сколько отдает окружающему пространству. Он должен быстро охлаждаться и становиться все холоднее от комнаты к комнате. Он не может отдавать тепло в одной комнате и сохранять достаточно тепла для следующей. Для этого в последней комнате дома он должен был бы оставаться очень горячим. И первая комната на его пути должны быть более нагрета. Вывод таков: такой металлический стержень не может быть достаточно горячим, чтобы в равной степени обогреть все комнаты одинаково и не стать причиной пожара в доме.

Разве не странно, что раскаленный докрасна железный стержень не может обогреть дом? Ответ кроется в разнице между температурой и энергией. Инстинктивно мы полагаем, что горячие предметы содержат много тепловой энергии, но это не всегда верно. Как мы видели в главе 13, есть принципиальная разница между температурой объекта и заключенной в ней тепловой энергией. Именно поэтому холодный айсберг может содержать много тепла.

Любимый вопрос учителя физики таков: почему вы можете обжечь губы о начинку горячего яблочного пирога, но не обожжетесь о корочку жареной вермишели, хотя оба эти лакомства одинаковой температуры? Дело в том, что сухая корочка содержит сравнительно мало влаги, поэтому в ней заключено меньше тепловой энергии, чем в жидкой яблочной начинке, которая в основном состоит из воды. Когда ваш язык касается корочки вермишели, она быстро отдает тепло рту, но не обжигает его и быстро остывает. Когда то же происходит с яблочным пирогом, его жидковатая начинка отдает много тепловой энергии и может обжечь губы. Потому-то вы можете удержать голой рукой пирог «с пылу с жару», только что вынутый из печи и завернутый в алюминиевую фольгу. Алюминий обладает низкой теплоемкостью (примерно в пять раз ниже, чем вода), так что, когда вы касаетесь его и понижаете его температуру до температуры своего тела, он не отдает много тепла и не обжигает.

Но давайте все же разберемся, почему система отопления, заполненная водой, работает лучше, чем твердый отопительный элемент, который можно пропустить по дому. Как может вода в этой системе отдавать тепло в каждой комнате и сохранять достаточное его количество, чтобы отапливать следующие помещения? Всё снова объясняется высокой теплоемкостью воды – ее удивительной способностью удерживать тепло благодаря особенностям своего молекулярного строения. Удельная теплоемкость железа почти в девять раз ниже, чем воды. Когда килограмм разогретого железа остывает на 10 °C, он отдает в девять раз меньше тепловой энергии, чем когда на 10 °C остывает литр воды. Хотя при движении из помещения в помещение подогретая в отопительной системе вода постепенно остывает, она все равно отдает дому много тепла. И, конечно, обладая высокой текучестью, она может быть быстро возвращена в отопитель, чтобы повторить весь цикл.

Именно поэтому мы кладем в кровать для согревания бутыли или другие емкости с горячей водой, а не разогретые куски железа. В старину люди использовали медные грелки, которые были похожи на закрытые сковородки с длинными ручками, заполненные горячими углями. Поначалу они были горячими, но долго тепло не держали, поскольку медь обладает сравнительно небольшой теплоемкостью. К тому же они были небезопасны в использовании.

▲ Почему вода хорошо держит тепло. Вода держит тепло лучше почти всех веществ и материалов: у нее высокая удельная теплоемкость. Это означает, что нужно больше энергии (4 Дж), чтобы нагреть 1 г воды на 1 °C. Металлы имеют низкую удельную теплоемкость, потому что являются хорошими проводниками тепла (обладают высокой теплопроводностью). Приведенные выше данные по теплоемкости веществ измерены в соотношении 1 Дж / 1 г / 1 °C.

Бутыль с горячей водой, завернутая в толстую мягкую ткань, остается сравнительно теплой и наутро после того вечера, когда она была наполнена. И всё потому, что молекулы воды так хорошо сохраняют тепло. По тому же принципу работает и ваше тело. Почему вы так долго не можете согреться в постели? Потому что ваше тело – в основном вода.

Готовность воды двигаться по трубам важна едва ли не столько же, сколько ее готовность сохранять тепло. Если бы она была более вязкой и медленно текла, а не перемещалась потоком, мы наверняка меньше ее использовали бы. Представляете, сколько времени занимали бы душ, посещение туалета, мытье посуды или стирка, если бы вода двигалась со скоростью, скажем, патоки. Центральное отопление на основе патоки все равно работало бы, но гораздо менее эффективно. Жидкость так же отдавала бы тепло в каждом помещении, но гораздо медленнее возвращалась в отопитель для повторного нагрева.

Водоснабжение и сантехника основаны на текучести воды и ее способности двигаться под давлением и силой земного притяжения: водонапорные башни всегда высокие и располагаются на возвышенностях. Когда вы поворачиваете кран дома, вода вырывается из него потому, что, например, на чердаке или крыше у вас стоит водяной бак, из которого она бежит вниз. Такое «низкотехнологичное» водоснабжение обычно очень эффективно, хотя и имеет свои недостатки. Быстро текущая по трубам под своим весом вода иногда сильно шумит. Вода – довольно тяжелое вещество, поэтому при прохождении системы труб из-за гравитации она приобретает значительную кинетическую энергию. Если вы быстро закроете кран, разбежавшаяся вода, ударившись о запор, частично вернется назад, как волна, ударившаяся о дамбу. При этом иногда возникает неприятный вибрирующий звук, который сантехники называют гидравлическим ударом (гидроударом).

Движение воды часто сопровождается движением воздуха. Иногда они перемещаются в противоположных направлениях. Вот простой опыт, который вы можете проделать дома (лучше над мойкой на кухне или над ванной). Возьмите использованную пластиковую бутылку любого размера, до предела наполните ее водой и плотно завинтите пробку. Сделайте булавкой небольшие отверстия в боковых стенках бутылки и посмотрите, что произойдет. Ничего. Из отверстий вода почти не выйдет, разве что всего несколько капель. А все потому, что давление воздуха закрывает отверстия. Отвинтите крышку – и вода потечет сквозь дырочки. Воздух устремится в бутылку через горлышко, выдавливая из нее воду.

В принципе вода может покинуть сосуд только тогда, когда ее место занимает воздух. Вы можете проверить это, опорожняя бутылку двумя нижеприведенными способами (для этого опыта используйте другую бутылку, без дырочек, иначе промокнете).

Наполните пластиковую бутылку водой по горло и оставьте ее открытой. Быстро переверните бутылку горлышком вниз и понаблюдайте, как быстро она опорожнится. Обратите внимание на то, что происходит в области горлышка. Там наблюдаются какие-то вихревые явления, а вода вытекает толчками, которые сменяются небольшими паузами? Здесь происходит борьба между воздухом и водой: воздух старается попасть в бутылку, а вода – вырваться из нее. Опустошение бутылки с водой по сути означает наполнение ее воздухом. Булькающие звуки возникают потому, что вода и воздух двигаются поочередно. Выливается порция воды, ее место тут же занимает воздух и т. д.

Снова наполните бутылку и попытайтесь вылить из нее воду немного иначе. Вы обнаружите, что это можно сделать гораздо тише (и часто гораздо быстрее), если из горизонтального положения вы лишь слегка наклоните бутылку в сторону отверстия. При этом вода будет вытекать через нижнюю часть горлышка, оставляя верхнюю часть открытой. Сюда будет поступать воздух. Получатся два ламинарных потока – воды и воздуха, которые параллельно и ровно текут в противоположных направлениях. Между ними не возникает турбулентных возмущений и смешивания. И вода вытекает из бутылки очень тихо.

Если вы хотите тихо освободить от воды раковину или мойку, вы можете использовать тот же принцип. Сток мойки обычно громко булькает, поскольку где-то в трубах под ней скапливается воздух. У большинства раковин и кухонных моек внизу есть изгиб трубы в виде буквы U. Это делается для предотвращения появления из мойки запахов. В нижней части изгиба обычно есть немного воды. Громкое бульканье возникает в самый последний момент освобождения раковины от воды потому, что она, разгоняясь по трубе, создает за собой частичный вакуум, который заставляет вибрировать ту ее порцию, которая всегда «сидит» в изгибе. Если при полной раковине вы придадите находящейся в ней воде вращение при помощи какого-то предмета, вокруг спуска возникнет водоворот и вода будет вытекать по его краям, оставляя середину пустой. Находящийся в этом месте воздух предотвратит бульканье. Научитесь вращать воду в мойке, и вы избежите неприятных звуков.

Всё это очень интересно, но практично ли? Конечно. Если вы старомодны, как я, и до сих пор используете перьевую ручку, чтобы писать письма и подписывать открытки, то увидите, что тот же принцип работает и в ней. Вы можете выпускать чернила тонкой струйкой на бумагу (когда хотите) или хранить их в ручке (когда ничего не пишете).

Перьевая ручка – маленькая бутылочка с цветной жидкостью без пробки. Если повернуть ее вертикально носиком вниз, то все чернила должны бы вылиться на бумагу. Это все равно что повернуть вертикально бутылку с водой. Но с ручкой такого не происходит, потому что ее кончик соединен с емкостью для чернил очень тонкой трубочкой, и давление воздуха не дает чернилам выливаться. Это похоже на бутылку с закрытой крышкой и дырочками по бокам. Как же тогда чернила попадают на бумагу? А здесь все уже похоже на то, как мы переворачиваем бутылку с водой горизонтально. В верхней части тонкой трубочки между пером и контейнером с чернилами есть узкий канал для поступления воздуха, а под ним три еще более тонких канала для выхода чернил. Они вытекают из ручки, когда в нее поступает воздух. Этому процессу дополнительно помогает еще явление, называемое капиллярностью. Когда вы водите пером по бумаге, ее волокна прилипают к перу и «вытягивают» из ручки чернила, молекулы которых поступают на бумагу непрерывной цепочкой. Но, конечно, чернила вытекают из ручки в первую очередь потому, что в нее поступает воздух.

Большая часть домашней сантехники работает по одному принципу: внутрь сосуда поступает воздух, чтобы оттуда вытекала вода. В туалетах, например, вода смывается так быстро потому, что в бачках унитазов всегда много воздуха. Иначе вышло бы как с бутылкой с дырочками: вода не вытекала бы. В туалетных бачках стоят специальные клапаны. Кода вы смываете воду, в сливную систему поступает воздух, который уравнивает давление вытекающей воды. Сантехника и водоснабжение – наука о давлении воды и воздуха. Ее задача в том, чтобы воздух и вода работали в трубах нашего дома рука об руку.

Туалеты смывают отходы из чаши водой, когда она с большой скоростью проходит через нее. Собственно, это и есть слив. Но это не всё. Возьмите, например, ведро с водой и вылейте его по чайной ложке на содержимое унитаза. Вы будете разочарованы, потому что этого ведра для достижения нужного результата не хватит. Но тут нет ничего удивительного. Например, если у вас в бачке сломался клапан и ваш туалет течет, вы тоже не сможете смыть отходы.

Если самой воды недостаточно для того, чтобы смыть унитаз, в чем же здесь секрет? В туалетах используется маленький трюк – эффект сифона. Вода смывается потому же, почему раковина на кухне издает булькающий звук, когда освобождается от воды. В большинстве туалетов сливная труба позади чаши изогнута в виде буквы U или S, и небольшое количество воды постоянно находится в нижней части этого изгиба. С одной стороны, она служит естественным клапаном, который не дает запахам (и бактериям) заполонить ваш туалет. С другой – когда вы нажимаете на спуск унитаза и 12 л воды устремляются вниз, каждая капля из чаши давит на каплю в сифоне, выдавливая воду в выходную трубу. Здесь стоит вспомнить уравнение непрерывности. Когда большой объем воды врывается в чашу унитаза, скорость ее течения в узкой сливной трубе будет очень высокой. По мере истечения вода набирает скорость и «тянет» за собой другую воду, создавая мощный эффект «сифона» – засасывающий эффект в области относительно низкого давления с частичным вакуумом. В результате чаша унитаза освобождается быстро и с большой энергией.

Иногда для обслуживания унитазов сантехникам нужно удалить из них всю воду. И они используют хорошо известный старый трюк. Если вы выльете ведро воды в унитаз под нужным углом и с нужной скоростью, вы можете создать рукотворный сифон, который полностью высушит чашу унитаза. Этот трюк часто не срабатывает на новых экономичных аппаратах, у которых очень узкие сливные трубы. Не советую экспериментировать, если только чаша вашего унитаза не полностью свободна от отходов, а на вас одежда, которую вы не боитесь замочить. Если вы сделаете что-то неправильно, то полведра пахучей «туалетной воды» вполне могут обдать вас своей «свежестью».

Возможно, само слово «туалет» звучит неприятно, однако предусмотренные в его работе мощные потоки воды, естественные клапаны в сифонах и регулярное их мытье делают его на удивление гигиеничным. Ваш офис может быть гораздо грязнее. Микробиолог из Аризонского университета доктор Чарльз Герба дошел в своих умозаключениях до того, что безопаснее делать бутерброд на крышке унитаза, чем на рабочем столе, потому что на пространстве размером с почтовую марку в нормальном туалете обнаруживается всего 49 микробов, а на обычном столе в офисе их может быть до 10 млн[271].

Если вы заботитесь об экологии и сохранении энергии или просто беспокоитесь о своих счетах за газ и электричество, вас должен интересовать вопрос, что лучше: мыться в ванне или под душем. На первый взгляд это просто: использование целой ванны горячей воды явно требует больше энергии (и денег), чем использование четверти ее объема (примерно столько нужно для того, чтобы за пять минут ополоснуться под душем). Если следовать выводам бережливого эколога Николя Терри, на обычную ванну уходит вчетверо больше энергии, чем на обычный душ, и вдвое больше – чем на душ Шарко[272],[273]. Как ни посмотри на проблему мытья, но душ всегда экономнее, чем ванна, не правда ли?

Возможно. Но следует призадуматься. Почему купание в ванне так неэкономно? Если вы живете в Англии или на Восточном побережье США и хотите поплавать в открытом море летом, вам нужен специальный костюм, перчатки и тапочки. Ведь вода, будучи намного плотнее воздуха, забирает тепло вашего тела почти в 25 раз быстрее, чем воздух сравнимой температуры[274]. В связи с высокой удельной теплоемкостью вода относительно долго остывает; но, остыв, она забирает много тепла из вашего тела. Именно поэтому ванна должна быть горячей: если она не греет вас и не заставляет потеть, то может легко охладить и заставить ваши зубы стучать. Вы можете спокойно принимать прохладный душ в течение нескольких минут, потому что на вас попадает и вас охлаждает относительно небольшое количество воды. Но вы не можете сидеть в холодной ванне с комфортом (и безопасно) в течение сколь-нибудь продолжительного времени, избежав озноба, который становится первым предвестником опасного и угрожающего жизни переохлаждения.

Я не нашел научных данных о средних температурах воды, которую люди используют для ванны или душа. Но можно легко (и справедливо) предположить, что для ванн они используют более горячую воду, поскольку понимают, что через 15–30 минут она может остыть. Поэтому обычно они залезают в ванну такой температуры, какую могут терпеть. На душе в моей ванной есть специальный термостат, который нужно переключать вручную, если хотите, чтобы температура воды была выше 38 °C. Но я думаю, что в ванну люди наливают даже более горячую воду. Получается, ванна менее экономична, чем душ, потому что при ее принятии люди используют не только больше воды, но и более горячую воду. А с учетом высокой удельной теплоемкости воды каждый градус, на который вы ее нагреваете, стоит дорого.

Если вас беспокоит стоимость ванн (для вашего кошелька или экологии Земли), душ кажется более щадящим вариантом. Или нет? Чем на большую мощность и температуру вы включаете души и чем дольше им наслаждаетесь, тем ближе он становится по затратности к ванне. Не все хотят или могут принимать ванну каждый день, но очень многие принимают душ ежедневно (иногда и по два раза). Четыре или более душей в неделю требуют такого же расхода воды, как одна ванна, и порой даже больше энергии, если вы не соблюдаете осторожность.

Как насчет экономичных видов душа? Они уменьшают количество воды, проходящей через лейку. Часто это достигается за счет уменьшения диаметра ее отверстий. Закон сохранения энергии показывает, как мы можем сэкономить энергию в душе. Для этого за сравнимое количество времени через лейку должно пройти меньше тепловой энергии. Иными словами, вы должны использовать меньше воды или более прохладную воду. Вы можете сократить время процедуры, уменьшить температуру воды или ее расход за секунду. Таковы варианты. Если вы уменьшите расход воды, о ее температуре или продолжительности принятия душа можете уже подумать сами. Но где-то вы должны сэкономить.

Так что экономия в душе снижает качество его работы. Иначе и быть не может – это же физика. Душ не может экономить энергию иначе как за счет снижения расхода воды или температуры. Поэтому неразумно тратить большие деньги на новый душ, чтобы сэкономить небольшие деньги на энергии. Выход прост: сокращайте время мытья под душем, снижайте его температуру или принимайте душ реже. Мыслите ясно и логично – это ведь наука. Пусть она работает на вас.

В ванной комнате вы не можете избежать двух вещей: воды и себя. Лежа в ванне и разглядывая свой пупок, вы можете пойти даже дальше. Ваша кожа тоже на 70–80 % состоит из воды.

Если люди – емкости с водой, окруженные кожей, то кожа – это тоже вода. Но мы этого не замечаем, потому что вода находится в наших клетках. После длительной нирваны в теплой воде кожа меняется. Поднесите свои пальцы к глазам, и вы увидите, что их избороздили глубокие морщины. Они стали похожи на вспаханное поле или старую автомобильную покрышку. Обычно это объясняют тем, что кожа становится морщинистой, поскольку впитывает воду и разбухает. Но последние исследования показывают, что дело здесь обстоит иначе. Наша кожа в воде сжимается, потому что сужаются проходящие в ней кровеносные сосуды. Почему так происходит? Ученый из Университета Ньюкасла Том Смалдерс полагает, что кожа научилась покрываться морщинами в результате эволюции – чтобы человек мог лучше захватывать мокрые предметы[275].

Если кожа – в основном вода, то сухая кожа – труднодостижимая роскошь. Высушить руки после мытья сложно. Это знают трясущие руками посетители общественных туалетов. Бумажные полотенца здесь не сильно помогают, как и пыхтящие настенные электросушилки. Придуманные бесстрашным английским изобретателем Джеймсом Дайсоном новейшие сушилки для рук типа Airblade («воздушное лезвие») обещают высушить ваши руки всего за 10 секунд. Они делают это с помощью электромоторов, которые совершают 90 000 оборотов в минуту и разгоняют воздух вокруг ваших рук до скорости 690 км/ч, то есть до 80 % скорости Boeing-747[276].

Из всех материалов, которые можно найти на Земле, – шерсти, металлов, волокон, стекла, пластмасс – человеческая кожа, пожалуй, впечатляет больше всего. Она водонепроницаема, дышит, самовосстанавливается, эластична, привлекательна, эффективна против небольших разрушений и губительного солнечного света. Чтобы описать все ее достоинства, не хватит слов. Поэтому, если кто-то скажет о вас «кожа да кости», воспринимайте это как большой комплимент.

«Ах ты, грязнуля!» Если кто-то скажет вам это даже в шутку, почему бы не воспринять эти слова всерьез? Попытайтесь определить, насколько они правдивы. Знали ли вы, например, что разными способами выделяете около 100 млрд бактерий ежедневно?[277] Или что 11 % из нас носят на своих руках столько же фекальных бактерий, сколько и грязная (да, грязная) чаша унитаза?[278] Иногда мы предпринимаем специальные акции, чтобы счистить с себя грязь. В октябре 2011 года в качестве международной публичной акции, направленной на снижение детской смертности, мыловаренный концерн Lifebuoy организовал одновременное мытье рук 37 809 нигерийскими школьниками[279]. Но на самом деле мы больше прикидываемся чистюлями. 95 % из нас заявляют, что моют руки после туалета, но на деле так поступают только 67 % (мужчины здесь гораздо менее аккуратны, чем женщины; 92 % мужчин говорят о своей чистоплотности, но чистоту соблюдают только 58 % из них)[280].

В этих вопросах мы часто лжем – причем намеренно. Как иначе совместить приведенную выше «грязную» статистику с маркетинговыми исследованиями, утверждающими, что ежегодно мы тратим миллиарды только на стиральные порошки (примерно 4–5 млрд долл. в США и около 6 млрд евро в Европе)?[281] Понукаемые рекламой, развивающей у нас комплекс вины, мы превращаем процесс поддержания чистоты во что-то гораздо более важное, чем обеспечение состояния чистоты. Если под мойкой в нашей кухне напихано много бутылок и упаковок с чистяще-моющими средствами, нам уже не важно, пользуемся ли мы ими. Мы с удовольствием моем посуду губкой, даже не задумываясь, что этот кусок поролона через день будет содержать миллиард бактерий. Для нас поддержание чистоты часто заканчивается «перегруппировкой» невидимой грязи. И если даже нам удается содержать в чистоте дом, то загрязняется наша планета за его пределами. Нет смысла биться над чистотой в кухне, ванной и туалете, если при этом вы сливаете сравнимые по силе с промышленными моющие средства в реки и моря, убивая рыбу, разрушая экосистему мирового океана и вызывая ядовитое загрязнение окружающей среды, которое будет длиться годами и десятилетиями. Так наша домашняя грязь и отходы рассеиваются по всей планете.

Но не отчаивайтесь. Хочется надеяться, что сердца у нас добрые. И, как мы увидим ниже, наука тоже на верном пути. При небольшой помощи физики и химии мы добиваемся замечательных результатов в поддержании чистоты окружающего мира, когда по-настоящему заботимся о нем.

Чем бы ни была грязь, ясно одно: вокруг нас ее много. По утверждению авторитетного в мире биолога Эдварда Уилсона, один грамм почвы содержит около 10 млрд бактерий[282]. Но это нас не особенно беспокоит. Вряд ли кто-то скажет: «Нужно постирать мои штаны – они полны бактерий!» Нас беспокоят «вторичные» факторы грязи: внешний вид вещей и запах от них; но прежде всего что скажут окружающие. И мы ведем нескончаемую войну с грязью на двух фронтах. Наша одежда пачкается сразу с двух сторон: с внешней (когда, например, мы проливаем на нее кетчуп или садимся на грязную скамейку в парке) и с внутренней (когда мы потеем и выделяем другие обычные для тела жидкости, которые в основном загрязняют наши вещи). Стирка одежды – это главным образом ее очистка от «внешней» грязи и «внутренних» выделений.

Почему грязь собирается на одежде? Потому что вещи, которые мы носим, призваны согревать нас (к этому вопросу мы вернемся в главе 18). Если дома строятся из послойно укладываемых кирпичей, то основой одежды являются микроскопические волокна, скручиваемые, сворачиваемые или сплетаемые в нити и пряжу, из которых делают шерстяные или хлопковые ткани (если это волокна естественного происхождения) или полиэстер и нейлон (синтетические волокна). Шубка новорожденного ягненка состоит из примерно 50 млн волокон, поэтому вполне логично предположить, что обычный мужской свитер содержит по крайней несколько миллионов[283]. Независимо от того, где начинал свою жизнь ваш свитер – на спине овцы или в фонтане извлекаемой из-под земли нефти (из нее производятся все синтетические волокна), он работает по одному принципу и служит одной цели: плотно переплетенные волокна удерживают воздух, который сохраняет тепло вашего тела. Но все эти тесно переплетенные между собой волокна впитывают грязь. Благодаря этому поверхность, к которой она пристает, становится огромной. А поскольку единичные волокна малы, грязь и пот впитываются в них на атомарном уровне с большой адгезивной силой, как мы видели в главе 6.

Наша Земля – на самом деле мир воды. А вода – лучшее чистящее средство на Земле. Во многом это объясняется тем, что молекулы ее асимметричны. Треугольные молекулы воды, которые состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода, имеют небольшой положительный заряд со стороны атомов водорода и отрицательный – со стороны атома кислорода. Словно магнит, молекула воды имеет два «полюса», поэтому ее часто называют полярной. И, подобно магниту, молекула воды «приклеивается» к микроскопическим частицам грязи и убирает их. Вот почему вода является таким отличным чистящим средством – «универсальным растворителем»[284].

Мы могли бы обойтись одной водой, если бы ее было достаточно для очистки вещей от грязи. Проблема, однако, в том, что она – не абсолютный растворитель. Она не «прилипает» ко всему и не убирает любую грязь. Во-первых, молекулы воды лучше прикрепляются к другим молекулам воды, чем к большинству других веществ. Как мы видели в главе 6, именно поэтому вода образует капли, стекающие по стеклу, и создает микропленку на поверхности прудов, по которой могут бегать мелкие насекомые. Поверхностное натяжение воды должно быть преодолено, прежде чем она промочит вещи. В принципе полярные молекулы легко соединяются с другими полярными молекулами (и уносят их с собой). Поэтому вода легко растворяет соль (молекулы которой тоже полярны). Но вода ничего не может сделать с пятнами от жевательной резинки, клея, чернил и грязью на одежде, то есть веществами органического происхождения (в основе которых лежит углерод). Ведь у молекул этих веществ нет отрицательного и положительного полюсов, которые притягивают полярные молекулы.

И здесь в дело вступают мыло и моюще-стиральные средства. Хотя мыло – тоже моющее средство, под двумя этими терминами обычно понимаются разные вещи. Мыло в своей основе – соединение соды и поташа, а моюще-стиральные вещества, как правило, являются смесью многих синтетических составляющих, получаемых в основном из нефти. Мыло лучше всего действует в мягкой воде, но его трудно использовать в жесткой воде, где оно может даже нанести вред вещам. У синтетических стиральных средств такого недостатка нет, но есть свои отрицательные стороны: они, например, могут создавать вредную пену в реках и снижать содержание кислорода в воде, нанося ущерб водным организмам. Дальше я буду называть и мыло, и стиральные вещества моющими средствами.

Стирка – командная работа: моющие средства взаимодействуют с водой, ведь по отдельности они не смогли бы отстирать ваши носки с рисунком. Когда вы загружаете стиральную машину, вода разносит стиральный порошок или жидкость на вашу одежду. Первым делом любое моющее средство уменьшает поверхностное натяжение воды, давая ей возможность проникнуть во все волокна вещей. Кроме того, вода равномерно растворяет моющее средство, покрывая им как можно большую площадь изделий. Молекулы воды прилипают к частицам грязи и сами, а моющее средство значительно облегчает этот процесс. Его молекулы тоже окружают частички грязи и прилипают к ним. В этом им помогает вращение барабана стиральной машины, в результате которого частицы грязи разбиваются на еще более мелкие крупинки (после этого их легче окружить молекулами моющего средства). Цель основного стирального цикла машины в том, чтобы обеспечить доступ моющего вещества к как можно большему количеству частиц грязи.

При полоскании в барабан машины устремляется много воды. Теперь ее молекулы прилипают к молекулам моющего вещества, окружившим частичку грязи, «оттягивают» их с волокон ткани и обеспечивают их выведение из барабана вместе с вытекающей водой. Стирка на молекулярном уровне происходит именно на этом этапе: микрочастицы грязи со всех сторон окружаются молекулами моющего вещества, которые стараются «вытянуть» их из волокон. Однако эти микрочастицы могут находиться глубоко в структуре волокон, поэтому нужны несколько циклов полоскания, чтобы убрать из машины и моющее вещество, и прилипшую к нему грязь.

Описанный выше способ «влажной» чистки (или стирки) вещей эффективен, но у него есть два недостатка. Стирка подходит не для любых изделий, потому что она приводит к сильному разбуханию волокон. Для стиральной машины не проблема чисто выстирать пару ваших носков или рубашек из смеси полиэстера и хлопка. Но если речь идет об объемном шерстяном свитере, особенно ручной вязки, и тем более бесценном гобелене, висящем у вас на стене, возникнут большие трудности. Даже если при стирке проявить максимальную осторожность, некоторые вещи не вернутся в первоначальный вид: многие волокна не восстановят своей исходной формы. Поэтому более уязвимые вещи требуют деликатной сухой чистки, при которой используются специальные промышленные растворители, наносящие меньший ущерб одежде (здесь используются жидкости, но это, как правило, не вода). Кроме того, обычная стирка с водой обычно оставляет вас один на один с горой влажной одежды, которую нужно еще высушить.

Обычно мы стираем и чистим одежду с помощью химии: мыло и моющие средства окружают микрочастицы грязи, а вода их смывает. Однако для очистки микроволокон моющие средства не нужны. Чистка таких вещей производится по другим законам: законам физики.

Обычная техника стирки по сути – как можно более эффективное распространение моющего средства и его смыв. Как следует из названия, микроволокна – мельчайшие волокна, в 15–20 раз меньше обычных. Хорошая современная микроволокнистая ткань состоит из волокон в 100 раз тоньше человеческого волоса (всего одна миллионная часть метра).

Как происходит очистка при помощи микроволоконной ткани? Микроволокна «приклеиваются» к микрочастицам грязи примерно так же, как гекконы к потолку, используя многочисленные волоски на своих лапах. Когда множество микроволокон захватывают частицу грязи, они на атомарном уровне создают электростатические силы, достаточные для того, чтобы убрать микрочастицу грязи с очищаемой поверхности. Здесь не нужны моющие вещества или много воды: микроволокна притягивают грязь, как миллиарды маленьких магнитов. Более того, если вы используете моющее вещество, то лишите эти волокна возможности самоочищаться. К сожалению, грязь на микроволоконных «чистильщиках» собирается быстро. Поэтому их нужно регулярно кипятить и промывать проточной водой.

Сушка – серьезное дело даже в ясный и жаркий летний день и даже если вам есть где развесить мокрое белье. Но решение этой задачи может оказаться гораздо легче, если вы прибегнете к науке.

Прежде всего нужно уяснить для себя масштабы проблемы. Если у вас есть стиральная машина с отделением для порошка, вы можете самостоятельно поэкспериментировать с оценкой количества воды, которое машина потребляет за одну стирку. Наливайте в это отделение чистую воду бутылками, считая их количество, до тех пор, пока машина не перестанет ее принимать. При половинной загрузке, которую я по привычке использую, моя старая машина Indesit забирает 6–8 л, плюс еще порядка 4 л в конце для полного промачивания одежды и начала цикла. При каждом полоскании машина использует также 6–8 л, а за цикл полосканий может быть 3–4. При полной загрузке за одну стирку машина потребляет около 50 л воды. Столько вы выпиваете за месяц. Если вы умножите количество стирок, которое обычно люди совершают за неделю, месяц или год, на это число, то получите огромное количество воды. Если предположить, что средняя семья стирает дважды в неделю при полной загрузке, за год она израсходует несколько тысяч литров воды, а жители с пары улиц за год используют ее столько, сколько помещается в большом олимпийском бассейне[285].

Большая часть этой воды возвращается в городскую сточную систему. Обычная стиральная машина сушит белье, вращая барабан со скоростью 1000 оборотов в минуту. Это очень быстро. Если посчитать с учетом диаметра среднего барабана, такое вращение может дать линейную скорость около 85 км/ч. Именно с такой скоростью унесется барабан из вашей кухни, если ему удастся сорваться с креплений[286]. Если бы вы смогли открыть машину в процессе отжима, то увидели бы внутри барабана нечто похожее на кусок бетона, который расположился так, чтобы уравновешивать барабан при таком быстром вращении. Этот способ отжима сырого белья за счет вращения хорош для удаления влаги, но не совершенен. Вспомнив о науке, которая стоит за принципом работы колеса (глава 3), вы поймете: если барабан не полупуст и всё белье не располагается равномерно по его окружности, белье, которое лежит ближе к его центру, проходит за каждый оборот меньшее расстояние и высушивается хуже, чем белье, лежащее дальше от центра.

Если вы взвесите нормальную загрузку стиральной машины до и после стирки, то заметите, что после цикла белье будет примерно на 2 кг тяжелее, чем до стирки. Получается, даже после сушки в барабане в нем остается около 2 л воды[287]. А если вращать белье дольше? Это не всегда даст нужный эффект. Объемные натуральные волокна, например шерсть, удерживают больше влаги, чем синтетика с тонкими волокнами. Вы можете почти высушить свой зонтик, встряхнув или покрутив его вдоль оси, но не сможете так же освободить от влаги шерстяной пуловер. Чем тяжелее вещь, которую вы кладете в машину для стирки, тем труднее будет раскрутить ее при сушке и убрать из нее воду. Если белье в барабане сбивается в кучу и неравномерно распределяется, мотору труднее вращать такой груз, и вещи после стирки будут более влажными. Поэтому многие современные стиральные машины устроены так, что после финального полоскания перед сушкой совершают несколько колебательных движений вперед-назад, чтобы вещи в барабане распределились равномернее.

Если посмотреть на мокрое белье с научной точки зрения, то мы увидим несколько иную картину. Наша задача – освободить плотно переплетенные текстильные волокна от 2 л воды. И для этого есть только два способа.

Первый способ – использование силы для того, чтобы выжать воду из ткани. Когда мокрое белье быстро вращается, в барабане возникает центробежная сила, действующая на его содержимое и прижимающая белье к внешним стенкам. Вода подвергается тому же воздействию. По окружности барабана в стенках есть отверстия, в которые вода уходит по прямой, попадает в окружающий барабан кожух и далее по сливу – в выталкивающий насос[288]. Когда вы встряхиваете белье и оставляете его сушиться, сначала какое-то количество молекул воды под действием силы удаляется с ткани. Когда белье висит, оставшаяся вода стекает в нижнюю его часть, а потом на землю (или на пол). При этом используется сила земного притяжения для того, чтобы отделить воду.

Многие из нас сушат мокрое белье и постиранные вещи путем превращения воды в испарения. Мы вывешиваем белье на воздухе, пользуемся горячими сушками, применяем специальные деревянные или металлические конструкции и даже (если больше негде посушить белье, поскольку мы живем на 23-м этаже) кладем его на батарею центрального отопления. Поскольку чаще всего мы используем тепло для того, чтобы высушить наши вещи, то считаем, что его наличие обязательно. Но это не так. Когда вы вывешиваете рубашку посушиться, вода, заключенная в ее волокнах, благодаря капиллярному эффекту поднимается на поверхность ткани, а затем выпаривается. Вода из жидкости превращается в испарения – газ, своеобразное холодное облако невидимого пара. И для этого не обязательно нужно тепло.

Мы всегда представляем себе воду как вещество, которое в зависимости от температуры может принимать твердую, жидкую или газообразную форму. Жидкая вода превращается в лед (когда замерзает) или в пар (когда кипит). Но она может испаряться и независимо от температуры. Оставьте миску с водой на открытом воздухе – и вода рано или поздно испарится, будь там тепло или нет. Поэтому ее можно убрать из мокрых вещей и в холодные дни. Только это занимает больше времени, и задействованы уже другие процессы. Когда вы кипятите воду в кастрюле и производите пар, вы используете постоянный приток энергии, чтобы «выбить» наиболее активные молекулы из воды и перевести их в пар. Здесь процесс испарения происходит под действием тепла. Когда вы сушите белье на холоде, вы используете силу ветра, который «выдувает» молекулы воды из ткани. Так что при такой сушке необходим постоянный приток сухого воздуха.

Слово «сухой» здесь очень важно, потому что еще одним фактором, определяющим, насколько быстро ваши вещи освободятся от воды (если освободятся от нее вообще), является влажность воздуха (уровень водяных испарений в окружающей среде). В тропическом лесу нет смысла вывешивать мокрые вещи на просушку. В жаркий и влажный летний день белье будет сохнуть дольше, чем в сухой. Вода с большим трудом будет покидать одежду и перемещаться во влажную атмосферу. Зато в сухую погоду при низкой влажности вы с успехом сможете высушить свое белье даже при низкой температуре. Там, где я живу, часты восточные ветры, которые дуют со стороны моря (и, по иронии судьбы, приносят низкую влажность). В такие дни, даже посреди зимы, можно высушить вещи на три четверти на открытом воздухе всего за несколько часов. Низкая влажность воздуха гораздо важнее, чем тепло[289].

Стирка и сушка белья требуют больших затрат времени и энергии. «Мокрая чистка» (стирка) обычно очень эффективна, но она перестает представляться таковой, если взглянуть на процесс комплексно. Может, было бы лучше чистить одежду без воды? Возможно ли это? Вполне! Изобретение синтетических волокон в середине XX века значительно упростило стирку, и можно обоснованно надеяться, что текстильное производство будет совершенствоваться и дальше.

Немногих из нас прельщает перспектива облачаться в нейлон с ног до головы, даже если такую одежду можно стирать одним движением. Но должны быть технологии, которые намного улучшат ткани. Сегодня нанотехнологии уже используются для того, чтобы покрывать текстильные волокна специальными грязеотталкивающими составами, которые предотвращают прилипание пыли и грязи. Вещи из таких тканей нужно стирать, но грязь удаляется с них легче. А одежда из тканей, которые быстрее высыхают? Или вообще сохнут мгновенно? Или одежда, которую можно было бы стирать порошком вроде сухих дезодорантов, которые легко стряхнуть с нее вместе с грязью? Компания Xeros разработала стиральную машину, в барабане которой находятся тысячи маленьких пластиковых шариков. С их помощью в процессе стирки потребление воды снижается на 72 %, энергии – на 47 %, а стирального порошка – вдвое[290]. Это та наука, которая определит будущее технологии стирки и чистки одежды.

Химия и кулинария имеют много общего. Но если хороший рецепт заставляет вас глотать слюнки, то его химический эквивалент – состав какого-либо моющего средства – может заставить почесать голову или даже охнуть от беспокойства. Забудьте яйца и муку, масло и щепотку соли. На сцене появляются ионные и анионные поверхностно-активные вещества, вещества для связывания ионов кальция, энзимы, растворители, усилители цвета, отбеливатели, цветные добавки и ароматические вещества (отдушки). Что они делают в моющих средствах и почему нам нужны эти вещества?

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – главная сила в борьбе с грязью в составе моющих средств и стиральных порошков. В бутылке стирального вещества таких ПАВ обычно несколько. Вещества для связывания ионов кальция (они заменяются ионами щелочи) облегчают задачу поверхностно-активным веществам, смягчая воду. Энзимы – химические ускорители (катализаторы) процессов, которые помогают воде и стиральному веществу атаковать три разновидности естественной грязи. Они бывают трех видов: протеазы, которые борются с белковыми пятнами; липазы, которые работают против жиров и сальных пятен; и амилазы, которые удаляют крахмал. В стиральных порошках важную роль играют отбеливатели, а также усилители яркости цветов. Отбеливатели – сложные химические вещества, которые, как всегда подчеркивалось в маркетинговых кампаниях 1970-х и 1980-х, придают вашему белью голубовато-белый цвет. Хитрость здесь в том, что эти вещества, подобно фосфору во флуоресцентных лампах, превращают ультрафиолет солнечного света в свет видимый. Так что ваша белоснежная рубашка начинает отражать больше видимого света, чем на нее падает.

А что с другими ингредиентами? Современные стиральные средства чрезвычайно концентрированы и содержат очень мало воды. Так что им нужны растворители, чтобы оставаться в жидкой форме. Поэтому в каждой емкости со стиральным составом обязательно есть один-два растворителя, которые обеспечивают равномерное распределение других компонентов и предотвращают загустение смеси. Цветные добавки и отдушки стирке не помогают, но маркетологи все равно считают их очень важными. Красители придают унылому химическому стиральному веществу, похожему на обойный клей, привлекательный розовато-лиловый или бирюзовый цвет. А отдушки убеждают нас в тот момент, когда мы открываем машину после стирки, что мы сделали правильный выбор.

Стиральные и моющие вещества приносят много пользы одежде. Но не нашей планете. Практически каждый компонент стирального порошка или жидкости имеет хорошо изученный недостаток с точки зрения экологии. Например, поверхностно-активные вещества могут наносить большой вред аквакультуре (фауне)[291]; фосфаты (которые часто используются в связывающих ионы кальция веществах) снижают содержание кислорода в водоемах, заставляя задыхаться обитающих там животных; растворители ядовиты и для людей, и для водного мира. Стиральные порошки и жидкости нарушают работу эндокринной системы обитателей рек и водоемов: из-за них до 80 % рыб в реках меняют пол[292]. Если учесть, что водный мир составляет часть гораздо более широкой экосистемы, в которую входят насекомые, птицы и человек, можно сделать вывод о том, что проблема загрязненных рек и морей на них не заканчивается: она обязательно рано или поздно затронет всех нас.

В чем решение? Всегда читайте, что написано на этикетках. Думайте о химии. Используйте воду и самые мягкие и безопасные для окружающей среды стиральные вещества.

Что такое ваша одежда, если не ваш дом, в котором вы можете разгуливать повсюду? Она выполняет ту же функцию, что и дом, но гораздо ярче и дешевле. Как и здания, одежда создает для нас тепло, уют и сухость. Она скопировала многие хитрости природы с доисторических времен. В последнее время ученые воспроизводят свойства растений и животных в так называемой биомиметической одежде. Появляются плавательные костюмы для олимпийцев, скользящие в воде, как акулья кожа; плащи, чьи поры открываются и закрываются, как у сосновых шишек. Одно из направлений, в которых развивается технология производства одежды, вызывает особый интерес. Уже можно предположить, что она будет «сливаться» с «носимой» электроникой и медицинскими устройствами. Вечерние смокинги станут менять цвет при повороте выключателя, летние рубашки с коротким рукавом – снабжать нас энергией солнца, а кардиганы со встроенными акселерометрами – распознавать, когда пожилому человеку стало плохо, и вызывать скорую помощь.

В доме мы используем множество высокотехнологичных материалов, а в одежде – всего пару. Но сходство сохраняется. Овечья шерсть в свитере не очень отличается от валяной шерсти, похожей на войлок, которая защищает от дождя и холода юрты в Монголии (в них живут кочевники-скотоводы). Известная спортивная арена О₂ в Лондоне – гигантская палатка с крышей вроде зонтика, сделанной из тефлона (высокотехнологичного современного пластика, который используется в производстве плащей и обуви). В современных офисах высокие стеклянные стены держатся за счет невидимых стальных опор. Микроволокна из нержавеющей стали введены в состав ковролинового покрытия в офисах для прочности и устранения электростатического эффекта[293]. Повсюду нас окружают пластмассы: в подошвах ботинок (полиуретан) и в быстро сохнущих шортах для скейтборда (нейлон), в оправе очков (поливинилхлорид) и в «окнах» теплиц (органическое стекло). В чем смысл? В том, что наши дома и одежда имеют много общего и в них работают одни и те же научные принципы.

Большинство людей видит в одежде барьер, который хранит тепло в своих волокнах (как шерстяной свитер) и в слоях воздуха между надетыми на нас вещами. Действительно, шерсть – замечательный термоизолятор (вы можете увидеть это на диаграмме ниже), гораздо более эффективный, чем большинство строительных материалов. Но если вы не живете в Монголии, тепло в вашем доме будет сохраняться за счет использования преимущественно дешевых синтетических каменно-волокнистых блоков, изготовленных из различных минералов, а не состриженных со спины травоядной овцы.

▲ Шерсть – хороший теплоизолятор. Овечья шерсть – один из лучших теплоизоляторов на Земле – эффективнее, чем большинство строительных материалов. В диаграмме представлены коэффициенты теплоизоляции различных материалов в расчете на толщину 2,5 см.

Современная наука способна обеспечить нас теплом. Но стоит помнить, что законы той же науки всячески стремятся нас охладить, перенося тепло в более холодную среду. В глубине вашего тела температура составляет около 37 °C, но во многих местах на Земле гораздо холоднее, поэтому наши внутренние источники энергии часто работают в невыгодных условиях. Что еще хуже, чем больше разница в температурах между двумя предметами, тем больше тепла будет переноситься от более теплого из них к более холодному. Поэтому в холодные дни мы теряем тепло быстрее, чем в жаркие[294]. И спорить тут не о чем: законы термодинамики заставляют тело охлаждаться, обрекая нас на жизнь, в которой принимать пищу необходимо всегда – хотя бы для того, чтобы согреться.

Как мы теряем тепло? Путем прямой теплопередачи от тела через кожу и одежду в воздух; через испарения с поверхности нашей кожи; через конвекцию и тепловое излучение всего, что на нас надето. Во время физических упражнений около половины тепла тела теряется за счет испарений (мы сильно потеем), 10 % уходит за счет теплового излучения, а около трети теряется за счет теплопередачи и конвекции[295]. Но всё зависит от погоды. В прохладный ветреный день, когда вы едете на велосипеде или совершаете пробежку, холодный воздух обдувает вас, забирая почти половину вашего тепла в результате конвекции, поэтому в такую погоду надо защищаться ветронепроницаемой одеждой. Даже если на вас надето несколько слоев одежды, ее внешний слой не должен быть проницаем для ветра, чтобы снизить тепловые потери в результате конвекции. (Если вы любите спать с открытыми окнами, одеяла, которыми вы укрываетесь, выполняют ту же работу. Они не просто снижают скорость потери тепла, но и уменьшают конвекцию от верхнего одеяла в воздух, который вас овевает.) В жаркий и влажный день вы не будете терять много тепла за счет испарений от вашего тела, поскольку воздух и так насыщен влагой. Поэтому вы включаете вентилятор, который усиливает конвекцию и охлаждает вас. В холодный, но сухой и безветренный день половину тепла вы будете терять из-за излучения. Поэтому в такие дни лучше надевать несколько слоев одежды, чтобы снизить теплопередачу от тела к верхнему слою одежды, откуда тепло будет уходить в результате излучения с поверхности.

Почему не дрожат овцы?

Морозным утром вы обычно тянетесь за своим самым теплым пуловером. Но что такое теплый пуловер? Наверняка он сделан из шерсти, вероятнее всего, овец-мериносов, которая отличается особым согревающим эффектом. Шерсть хорошо впитывает влажные испарения (особенно воду); она наиболее гигроскопична (способна к поглощению воды) из всех натуральных волокон. Шерсть овец-мериносов часто используется в нижней спортивной одежде (термобелье). В ней много тонких и пушистых волокон, поэтому она лучше хранит тепло, чем шерсть обычных овец.

Когда шерсть встречается с водой, она проявляет экзотермичность, выделяя тепло. Она превращает пот в тепло в силу трех своих свойств. Помните, мы говорили о том, что молекулы воды полярны, поэтому притягиваются к вещам на манер магнитов? Они легко проникают в волокна шерсти и прилипают к ним своим водородным полюсом, встраиваясь в корковый слой (ячеистую структуру в центре волокон) и создавая водородные связи. Когда благодаря этому молекулы оказываются связанными между собой, они становятся более устойчивыми и выделяют энергию. Именно она частично и согревает ваше тело[296].

Второй «согревающий» эффект шерсти заключается в том, что она приостанавливает самоохлаждение организма. И происходит это за счет того, что шерсть хорошо поглощает и удерживает влагу с нашего тела. И наша кожа остается сухой (а не влажной, как в одежде из нейлона или полиэстера). Это важно, поскольку потоотделение у человека – по сути механизм охлаждения. Когда вы потеете и пот остается на коже, по мере его испарения тело будет охлаждаться независимо от того, нужно это ему или нет. Поскольку шерсть отлично впитывает пот, на коже остается в лучшем случае ничтожное количество влаги. В результате испарений становится меньше, и наше тело не так быстро охлаждается.

Есть и третий согревающий эффект шерсти. По мере того как пот конденсируется в удерживающих воду волокнах шерсти, он из газообразного состояния (испарения) превращается в жидкость, отдавая тепло воды. Откуда оно берется? Когда вы разбиваете лед, чтобы сделать из него воду, или греете воду, чтобы превратить ее в пар, температура исходного вещества поднимается не линейно. Она какое-то время растет, а потом движется по горизонтальной прямой во время смены своего состояния – изо льда в воду и из воды в пар. Энергия, поглощаемая при таких фазовых переходах, называется латентной (скрытой)[297] и используется для изменения внутренней молекулярной структуры вещества, превращая твердую субстанцию (лед) в жидкость (при 0 °C), а жидкость – в газ (при 100 °C). Когда вы вновь охлаждаете пар, получая воду, или воду, получая лед, выделяется латентная энергия.

Эти три эффекта объясняют, почему шерсть согревает вас, когда вы потеете. Понимание этих простых научных истин поможет вам добиться максимального согревающего действия от вашей шерстяной верхней одежды и белья из тонкой шерсти мериносов. Предположим, вы выходите на улицу холодным и сырым днем и, естественно, хотите чувствовать себя в тепле. Если ваша шерстяная одежда будет сухой перед тем, как вы наденете ее, она сможет поглотить больше влаги из воздуха или от вашего тела и отдать вам больше тепловой энергии. Поэтому, если вы надеваете джемпер, который носили вчера, положите его на короткое время на батарею – не для того, чтобы согреть, а для того, чтобы полностью высушить перед встречей с влажным воздухом.

Чудеса шерсти

Когда вы разглядываете и прикасаетесь к шерстяным вещам в магазине или просматриваете каталог с ними онлайн, то меньше всего думаете о научных категориях, которые за ними стоят. Вас интересуют размер, стиль, покрой, цвет и всё такое. Да, шерстяная ткань мягкая и удобная. Но это вещество, подвластное законам физики. Мы изучаем и измеряем параметры шерсти, как и любого другого вещества. Что же мы можем сказать о ней в сравнении, скажем, с пластмассой или нержавеющей сталью?

Шерсть состоит из белковых волокон (кератина, имеющегося также в человеческих волосах и коже), длина которых разнится от 3 до 40 см, в зависимости от животного. Эти волокна состоят из более мелких и эластичных волокон. Наружный слой волокон шерсти – кутикула – составлен из трех слоев чешуек, которые перекрывают друг друга (под микроскопом они напоминают спину муравьеда). Эти ячейки способны плотно сцепляться между собой, и именно поэтому шерсть можно скатать в упругий войлок. Внутренняя часть волокна, называемая корковой, состоит из нитевидных структур цитоплазмы (макрофибрилл), которые содержат более мелкие белковые нити (микрофибриллы и протофибриллы). В центре коркового слоя находятся переплетенные цепочки упругих молекул белка кератина.

Эта «матрешечная» структура волокна шерсти, когда более мелкие волокна находятся внутри каждого последующего слоя, объясняет эластичность сухой шерсти: переплетенные волокна могут быть растянуты почти вдвое по сравнению с первоначальной длиной (или скручены до половины своей длины). Это впечатляющий результат, если учесть, что резина из натурального каучука может растягиваться всего в несколько раз до момента разрушения. Иногда шерсть кажется нам непрочной. Но причина в том, что мы привыкли считать ее мягкой и удобной. Доводилось ли вам рвать шерстяную пряжу голыми руками? Если вы изучите характеристики шерсти, то поймете, почему это так трудно. Предел упругости шерстяной пряжи (величина приложенной силы на растяжение, который материал выдерживает до начала пластической деформации) составляет около 10 % от предела упругости стали![298] Эластичность и упругость шерсти делают наши вещи такими износостойкими.

Шерсть отталкивает воду, но не всю. Она гигроскопична, потому что ее внутренние волокна разбухают от воды на манер губки, когда жидкость поступает в корковый слой. Обычно шерсть впитывает 15–20 % воды, иногда чуть больше. Мокрая шерсть, особенно горячая, становится скорее пластичной, чем эластичной. Свитер, постиранный в горячей воде, увеличивается в размерах на 10 % и не сразу возвращается в первоначальную форму. Обычно шерстяные вещи в горячей воде не стирают, потому что их волокна могут необратимо деформироваться. Именно поэтому свежевыстиранные шерстяные вещи, как правило, сушат, положив горизонтально. Высокая температура сама по себе не разрушает шерсть. Но волокна под ее действием слабеют, становятся ломкими и опаляются, как и человеческие волосы. Сама шерсть не горит и может даже считаться природным негорючим материалом. Если источник пламени от нее убрать, она сразу же погаснет. Совсем иначе ведут себя хлопок и лен, которые горят сами даже в отсутствие пламени. Не говоря уже о нейлоне, который очень опасен при возгорании.

Гидрокостюмы – прорезиненная одежда для плавания и ныряния, которую так любят сумасшедшие серферы и дайверы, – обеспечат вам что угодно, только не сухость. Даже если вы пройдетесь в них под дождем, то промокнете. Сквозь материал, из которого сделаны эти костюмы, – неопрен – воды просочится немного, но вас так «поджарит» изнутри, что скоро вы начнете сильно потеть. Зимние гидрокостюмы недаром называют «саунами». Простой шерстяной пуловер обеспечит вам большую сухость, по крайней мере в моросящий дождь. В шерсти есть немного ланолина (животного воска), отталкивающего воду; чешуйки на наружной поверхности ее волокон плотно «сцепляются» между собой, добавляя шерсти водоотталкивающий эффект, в результате которого значительное количество воды скатится с вашего свитера, не проникнув внутрь. В обычном пуловере нити могут находиться друг от друга на приличном расстоянии. А в свитере плотной вязки они близко прилегают друг к другу и удивительно хорошо защищают от мелкого надоедливого дождя.

В ливень шерсть вас не защитит: здесь нужна водонепроницаемая одежда. Большинство таких вещей изготавливается из синтетических тканей (основу которых составляют пластические волокна) вроде нейлона. Они не пропускают воду, потому что их волокна микроскопически малы и прочно переплетены. В отличие от волокон шерсти, синтетические воду почти не впитывают. Капли остаются на поверхности и не проникают внутрь. Такие «бисеринки» легко стряхнуть, оставив поверхность практически сухой. Но у многих был очень неприятный опыт ношения нейлоновых ветровок и курток, которые на 100 % водонепроницаемы снаружи, но затапливают вас вашим же потом изнутри. Пережив пик популярности в 1970–1980-х, такие куртки и плащи сейчас уступили место «дышащим» материалам, например гортексу (Gore-Tex). «Дышащий» водонепроницаемый материал? Звучит парадоксально. Так оно и есть. Кроме того, из вышеприведенного определения можно вывести невозможность существования такого материала с учетом законов физики. Как может кусок ткани не допустить проникновения влаги внутрь, но выводить ее изнутри наружу?

Всё объясняется физическим различием между дождевыми каплями и водяными молекулами в нашем поте (кожном дыхании). Большая капля дождя состоит из нескольких секстиллионов (10²¹) водяных молекул, плотно сцепленных друг с другом. В парах воды молекулы разъединены и существуют сами по себе. Иными словами, капля дождя неизмеримо больше отдельной молекулы воды. Водоотталкивающая и «дышащая» ткань вроде гортекса использует это различие. Как указывают ученые из корпорации W. L. Gore and Associates, их чудо-материал имеет мембраны с отверстиями в 700 раз больше диаметра молекулы воды (которые свободно проникают наружу) и в 20 000 раз меньше размера самой маленькой капли дождя (которая не может проникнуть внутрь)[299]. Именно поэтому такая ткань может одновременно и отталкивать воду, и «дышать». Разумеется, если процесс потоотделения идет очень интенсивно, какая-то часть молекул воды будет конденсироваться на поверхности кожи, не успев «выскользнуть» наружу. Даже в самых «дышащих» тканях тело может оставаться немного влажным. И эта влага забирает некоторое количество тепла. Тем не менее «дышащие» плащи и куртки обычно значительно теплее, чем их более дешевые собратья из нейлона. И всё потому, что внутри они, как правило, суше.

Когда вам было пять-шесть лет и вы после занятий стремглав летели в раздевалку, вряд ли вы сильно беспокоились о том, чтобы вам было тепло и сухо. Сейчас от одежды требуется больше. Она должна быть безопасна, комфортна и обеспечивать свободу движения. При этом предметы одежды должны оставаться надежными и функциональными. И они справляются с этой задачей.

В начале этой главы я сравнил одежду со зданиями. Интересно рассмотреть сходства между ними. Строительные материалы должны отвечать множеству практических требований: от обеспечения устойчивости строений и сопротивляемости ветру до удержания тепла внутри и защиты от влаги снаружи. Мы представляем себе здания как инженерные сооружения, хотя, по сути, это «одежда» для нашего дома. Они обеспечивают защиту, неприкосновенность личной жизни и чистоту. То же можно сказать и об одежде. И она подчиняется законам физики, как и наши дома.

Из главы 1 вы узнали, что дома стоят за счет компенсации своего веса на фундаменте. Кирпичи и балки сжимаются, и вес дома и его содержимого, давящий вниз, компенсируется силой реакции опоры, состоящей из атомов в почве и основании, которые выталкивают дом вверх. То же относится и к одежде. Вечернее платье и плащ, шелковое кимоно и джинсы имеют вес, как и дом. Но, если дом стоит на земле за счет сил сжатия, одежда держится на теле за счет сил натяжения.

Тяжелое подвенечное платье давит на плечи невесты так же, как канаты подвесного моста, держащие полотно, давят на пилоны. Большой вес платья распределяется с помощью сил натяжения в швах и отдельных волокнах примерно так же, как вес моста и всего транспорта на нем – между держащими мост металлическими канатами (или как вес велосипеда и ездока равномерно распределяется между спицами колес, как мы видели в главе 4). Подумайте о своих джинсах с такой точки зрения, и вы увидите их в совершенно новом свете. Широкий пояс держит на себе вес всей тяжелой ткани. Он создает главную линию натяжения в районе пояса, поэтому в хороших дорогих моделях для скрепления ткани используются прочные заклепки.

У меня есть друг, который стремится модно одеваться. Он рассказывал мне: чтобы придать колорит новым дорогим джинсам, он специально смачивает их водой и обрабатывает теркой для сыра. В результате они становятся «пикантно поношенными». Большинство из нас достигает того же самого годами носки, а он – буквально за несколько мгновений.

Нетрудно понять, почему потертости и даже дыры появляются на коленях джинсов и локтях свитеров. Когда я был ребенком и любил катать машинки по ковру, причина этого была яснее ясного. Прошло много лет, никаких машинок с коврами нет и в помине, а джинсы все равно истираются прежде всего на коленях. Почему? Каждый раз, когда вы встаете или садитесь, ткань трется о колени. Конечно, кожу никак нельзя отнести к абразивным материалам. Но, если присмотреться к этому явлению повнимательнее, сразу станет понятна суть проблемы. Ткань штанины резко перегибается и, если ваше колено согнуто, двигается под прямым углом. Здесь мы можем увидеть не столько штанину, сколько очень плохо работающий блок.

Блоки – механизмы, состоящие из колес и тросов, которые вы можете видеть, например, на кранах. Трос двигается по ряду колес, и в результате поднимаемый краном вес распределяется между различными участками троса. Кран способен поднимать огромные и тяжелые предметы, но медленно. Вы наверняка неоднократно наблюдали, как на высотных зданиях такие устройства доставляют туда-сюда тяжеленные блоки. И наверняка задумывались: а что случится, если трос лопнет? Но он никогда не лопается. Ведь он не трется о неподвижный блок, поэтому мало изнашивается. Блок вращается вместе с движением троса точно с такой же скоростью. В месте соприкосновения троса с блоком трения почти нет. Как и в принципе работы колес, с которым вы познакомились в главе 3, трение в блоке сосредоточено в основном на его оси, поэтому тросу оно не наносит вреда.

Джинсы тяжелы, и та их часть, которая приходится на пояс и бедра, работает больше, чем низ штанин (ей приходится нести на себе весь вес вещи). Наибольшее воздействие сил трения испытывают колени – поэтому джинсы изнашиваются на них быстрее всего. Проблема джинсов в том, что на наших коленях нет блоков. Если в кране блок позволяет тросу плавно двигаться вместе с собой без особого трения, штанина постоянно с большим сопротивлением двигается по вашему костистому колену. Поэтому появление здесь дыр – только вопрос времени.

Когда мы задумываемся о силах, которые работают в нашей одежде, нам проще понять, почему она может нас украшать, а может и не украшать. Здания проектируются надежными и способными противостоять любым земным силам и природным катаклизмам, а одежда должна быть удобной и легко приспосабливаемой к любой среде, мягкой и легко двигаться вместе с телом. Она должна учитывать силы, которые на нее действуют, но иначе, чем другие материалы (в том числе строительные).

Возьмем, например, свитер, связанный из шерстяных или акриловых ниток ровными рядами. Рассмотрите внимательно разные предметы одежды – от носков и рубашек до платьев и пальто, – и вы увидите то же самое: основу и уток, которые в широком смысле являются аналогами рядов и колонок атомов, например, в куске железа. Но если этот кусок имеет одинаково жесткую структуру по всем направлениям (научно говоря, является изотропным), то ткани прочнее в одних направлениях, чем в других (анизотропны). Например, они легче тянутся по диагонали, чем по основе или утку, потому что сопротивление в диагональном направлении у них меньше. Дизайнеры и конструкторы одежды часто «искривляют» ткань так, чтобы основа и уток располагались по диагонали (так называемый косой крой). Такой крой особенно распространен в женской моде. Подобная одежда облегает тело, выгодно подчеркивая формы, и ткань натягивается в одних направлениях больше, чем в других[300].

Одежда изнашивается быстрее, чем стареют здания, – по вполне очевидным причинам. Трение быстро расправляется с коленями ваших брюк. Но это не единственная сила, которая атакует ваш гардероб. Если вы несколько раз согнете и разогнете скрепку для бумаг, она сломается, потому что повторные напряжения вызывают микротрещины в кристаллической решетке металла. То же происходит и с одеждой. Если вы будете постоянно складывать и разворачивать ее, то в местах сгибов ткань будет ослаблена и возникнет нечто похожее на усталость металла. Рубашки для офиса быстро изнашиваются в районе воротничка: когда вы надеваете галстук, вы постоянно его сгибаете. В итоге хлопковые нити теряют структуру, как атомы в скрепках, из-за повторных напряжений в одном и том же месте.

Как только структура ткани в одежде нарушается, физические силы довершают процесс ее уничтожения. Легкая поношенность на коленях брюк обязательно превратится в зияющие дыры. Почему? Потому что в результате образующейся слабости в ткани остающиеся нити должны выдерживать большие нагрузки, что приводит к их постепенному истончению и разрушению. Небольшое повреждение в джинсах действует так же, как разлом в шоколаде (глава 9) или трещина в фюзеляже самолета. Чем больше разрыв, тем больше напряжение на оставшихся волокнах и выше вероятность того, что разрыв увеличится. Силы минимальны тогда, когда минимален разрыв. Поэтому есть прочное научное обоснование под старой поговоркой «кто вовремя делает один стежок в прорехе, тот избавляет себя от девяти других стежков».

Наука проникает повсюду – даже под ваши ноги. Каждый, даже не очень уверенный шаг, который вы делаете, включает физику.

Если мы изучим задействованные силы, то увидим, что ходьба включает в себя отталкивание от твердой поверхности для движения вперед. Это великолепная иллюстрация третьего закона Ньютона о движении. Для эффективного движения нога должна плотно соприкасаться с землей. Это легче понять, если сравнить шину автомобиля и резиновую подошву ботинка. Точно так же, как шина отталкивается от дороги и двигает колесо вперед, ваша нога позволяет вам отталкиваться от земли, не поскальзываясь. Чем менее эффективно нога отталкивается, тем труднее ей двигаться вперед. Нам трудно перемещаться по скользким поверхностям вроде льда или мокрых полов и по мягким покрытиям типа песчаных пляжей. При таком движении нога проскальзывает назад, и вы либо теряете равновесие, либо прилагаете дополнительные усилия для движения вперед. Именно поэтому ходьба по песку или снегу отнимает в два, а то и в три раза больше энергии, чем ходьба по твердой поверхности[301]. Если обувь, в которой вы двигаетесь, вмешивается в процесс, возникают новые проблемы. Всегда труднее идти в сандалиях или вьетнамках: даже отталкиваясь от земли, они неравномерно движутся вокруг ваших ног, усложняя процесс отталкивания и продвижения вперед. Также очень важен размер вашей обуви. Свободная, просторная обувь более комфортна, чем плотная, но в ней труднее идти, поскольку не создается отталкивающая сила, которая продвигает вас вперед.

Может показаться, что при ходьбе практически не расходуется энергия (или ее расходуется очень мало): хоть вы и должны поднимать ноги, через мгновение вы ставите их обратно. Теоретически, ставя ногу на землю, вы получаете обратно всю энергию, которую израсходовали на поднятие конечности наперекор силе гравитации. Но на практике вы теряете энергию, поскольку вам приходится напрягать и расслаблять мышцы. Вообще ходьба – не очень эффективное физическое упражнение, ведь вы должны поворачивать корпус из стороны в сторону и переносить вес тела с одной ноги на другую[302]. Каждый шаг подразумевает, что вы сначала изгибаете, а потом выпрямляете свой ботинок, что приводит к потере энергии точно так же, как при «сопротивлении качению» у шины автомобиля или велосипеда (см. главу 4). Многие понимают, что дальние пешие походы или походы в горах даются труднее, если вы носите тяжелые ботинки, но гораздо менее очевидно, что жесткая обувь также может отнимать у вас энергию.

Эти соотношения силы и энергии объясняют, почему профессиональные бегуны используют шипованные кроссовки из тканых материалов. Если вам довелось носить их, вы наверняка помните, насколько они легки и непрочны. Однако, завязанные на ноге плотно, они справляются со своей задачей замечательно: благодаря их легкости вы тратите меньше энергии на передвижение, а шипы прекрасно отталкиваются от земли, сводя к минимуму трение и потери энергии и обеспечивая прекрасное ускорение. Обычные кроссовки для бега имеют вместо шипов гораздо более толстый амортизирующий слой, который защищает колени и спину от возможных травм во время бега и прыжков. Но такая массивная подошва прибавляет обуви вес и приводит к дополнительным затратам энергии. По мере того как ваши ноги опускаются на поверхность и поднимаются вновь, подошва кроссовок сжимается и распрямляется, забирая много энергии (как шина горного велосипеда) за счет большего трения качения.

Все предметы обуви рано или поздно изнашиваются – причем в двух основных местах. Иногда подошва протирается до дыр, хотя и не так быстро, как можно ожидать. И это понятно: «километраж» средней пары обуви не так уж и велик. Соответственно, не так уж велика и сила трения подошв вашей обуви о почву, как, например, и автошин. Обычно обувь приходит в негодность в результате либо возникновения трещин в районе носков, либо отслаивания подошвы. И это неудивительно. Это как раз те места, где материал, из которого изготовлена обувь, – кожа, пластик, ткань или резина – испытывает постоянное растяжение. Поэтому обувь «устает», совсем как металлические скрепки для бумаги. Следует отдать должное тому замечательному обстоятельству, что наша обувь может пройти миллионы циклов растяжений и сжатий перед разрушением. Для сравнения: металлическая скрепка для бумаги может выдержать всего несколько десятков таких воздействий.