Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

В 1905 году эксперт швейцарского патентного бюро Альберт Эйнштейн опубликовал статью, связанную с его диссертационными исследованиями. Вообще говоря, мировую известность Эйнштейн приобрел благодаря исследованиям природы времени и пространства и специальной теории относительности и общей теории относительности. Но темой его диссертации была статистическая молекулярная теория жидкостей, и в своих статьях, опубликованных в 1905 и 1908 годах, он изложил строгое математическое объяснение броуновского движения. Допустим, подчеркивал он, жидкость состоит из множества молекул и они постоянно сталкиваются между собой. Он нарисовал картину жидкости как динамичной, неупорядоченной субстанции, молекулы в которой сталкиваются друг с другом, ускоряясь, замедляясь и изменяя направление движения после каждого соударения. Но что же происходит с более крупной частицей – намного крупнее, чем молекулы? Она испытывает на себе множество ударов с разных направлений. Но поскольку эти удары носят произвольный характер, время от времени такая частица получает больше ударов с какой-то определенной стороны, и это заставляет ее слегка сместиться в противоположном направлении. Затем в какой-то иной момент частица испытывает больше ударов снизу, чем сверху, и слегка смещается вверх. Таким образом, колебания более крупной частицы – всего лишь следствие соударений со многими тысячами молекул гораздо меньшего размера, чем она. Роберт Броун не мог видеть молекул, но мог наблюдать поведение более крупных частиц. Колебания, предсказанные Эйнштейном, соответствовали тому, что видел Броун. Такие колебания были возможны лишь в случае, если жидкость действительно состоит из молекул, соударяющихся друг с другом. Так что это может служить доказательством существования отдельных элементов материи – атомов. Более того, одно из уравнений Эйнштейна предсказывало, какими должны быть размеры атомов, чтобы вызывать колебания частиц в жидкости. Впоследствии, в 1908 году, Жан Батист Перрен провел еще более детальные эксперименты, и они подтвердили теорию Эйнштейна, а также сломили сопротивление даже самых стойких скептиков. Мир состоит из множества крошечных атомов, пребывающих в непрерывном движении. В результате возникло новое направление исследования материи. Указанные открытия как нельзя лучше дополняли друг друга. Постоянное колебание атомов не было случайностью; оно позволяло объяснить ряд наиболее фундаментальных физических законов, управляющих материальным миром.

Одним из величайших последствий нового понимания внутреннего устройства материального мира стало то, что явления вроде броуновского движения можно было объяснить с помощью статистики. Не было никакого смысла отслеживать, в какой конкретной точке пространства находится в данный момент тот или иной атом, и гадать, что произойдет, когда он столкнется с каким-либо другим атомом, а также вычислять траекторию движения каждого из миллиардов атомов в отдельно взятой капле жидкости. Вместо этого следует определять статистические характеристики происходящих процессов, учитывающие множество случайных столкновений. В любой конкретный момент невозможно предсказать, что данная частица сместится в точности на один миллиметр влево. Но вы вполне могли сказать, что в результате многократного проведения данного эксперимента частица в среднем за указанное время сместится на один миллиметр в сторону от своего исходного положения. Эту среднюю величину можно вычислить с большой точностью, но, несмотря на это, речь может идти только о средней величине. А это означало, что физика – более сложная и запутанная наука, чем казалось в 1850 году. Однако именно эта сложность объясняла более широкий круг физических явлений. Когда достоверно известно, что материя состоит из атомов, даже такие обыденные явления, как промокшая одежда, выглядят гораздо интереснее, чем прежде.

Первая образовательная программа, которую я представила для BBC, была посвящена атмосфере Земли и моделям погоды на планете. В связи с этим мне пришлось провести трое суток в центре самого крупного и самого знаменитого климатического события на Земле. Я имею в виду сезон дождей и муссонов в Индии. Муссон – это ежегодно наблюдаемое изменение картины ветров в Индии. Каждый год с июня по сентябрь оно приносит дождливую погоду. Дожди идут, не прекращаясь. Нам хотелось понять, откуда берется эта огромная массы воды, день за днем низвергающейся на землю.

Мы поселились в маленьких деревянных хижинах на очень малолюдном берегу в штате Керала на юго-западе Индии. Первый день съемок был долгим и богатым на погодные события. Погода в период муссонов очень переменчива. Иногда, когда вам нужно всего каких-нибудь пару часов стабильной погоды, чтобы отснять конкретный фрагмент, и вы никак не можете их дождаться, у вас буквально опускаются руки. За коротким периодом жаркой солнечной погоды следовал дождь, который в течение часа лил как из ведра. Дождь сменялся сильным ветром, после чего вновь выглядывало жаркое солнышко. При этом все время было тепло, и я не боялась промокнуть под дождем, потому что это не грозило переохлаждением и простудой. Каждый раз, когда шел дождь, я промокала до нитки, после чего должна была позаботиться о том, чтобы моя одежда хоть немного подсохла за тот короткий отрезок времени, пока светит солнце. Проблема человека, который произносит текст перед камерой, заключается в том, что он единственный из съемочной группы, кто все время должен быть в одной и той же одежде. Поэтому мне всякий раз приходилось подыскивать какой-нибудь укромный уголок, надежно защищенный от непогоды и хорошо прогреваемый солнцем, где я могла бы хоть немного подсушить одежду. Я тратила кучу времени на ее многократное снимание и надевание в попытках привести ее состояние в некое соответствие с текущими погодными условиями. Примерно в 7 часов вечера небеса разверзлись в очередной раз, и я опять промокла до нитки, а поскольку солнце уже закатилось за горизонт, мы решили, что рабочий день закончен.

Я отжала, как могла, верхнюю одежду, попыталась хоть немного подсушить ее с помощью полотенца, развесила на веревке и отправилась ужинать в надежде, что к шести часам утра одежда подсохнет еще больше. Но на следующее утро оказалось, что она не только не подсохла, а осталась такой же влажной, как и вечером. Вернее, еще более влажной, чем вечером! Мало того, на ощупь она была просто ледяной, потому что ночью температура воздуха существенно снизилась. К сожалению, у меня не было другого комплекта такой же одежды, так что мне ничего не оставалось, как напялить ее на себя и выступать перед камерой с жизнерадостной улыбкой на фоне восходящего солнца, с трудом сдерживая колотивший меня озноб.

Обычно в газе молекулы не притягивают друг друга, поэтому равномерно распространяются по всему объему контейнера, содержащего газ. В жидкости все происходит несколько иначе. Молекулы по-прежнему соударяются, но располагаются гораздо ближе друг к другу – настолько близко, что почти все время соприкасаются. В воздухе при комнатной температуре среднее расстояние между любой парой молекул газа примерно в десять раз превышает размер молекулы. Но в жидкости молекулы находятся практически рядом и при этом совершают колебательные движения, сталкиваясь с соседними молекулами. В то же время они могут достаточно свободно перемещаться относительно друг друга, но гораздо медленнее, чем молекулы в газе. Поскольку они движутся медленнее и расположены гораздо ближе друг к другу, молекулы в жидкости испытывают на себе притяжение со стороны соседних молекул. Именно поэтому жидкости образуют капли. Температура определяется количеством энергии движения, которой обладают молекулы. В капле холодной жидкости подвижность молекул невысока, поэтому капля выглядит достаточно компактной. Если же каплю жидкости нагреть, то средняя скорость всех молекул в ней возрастет, причем некоторые молекулы приобретут гораздо большую энергию, чем средняя.