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

Экспедиция Нансена пользовалась горячей общественной поддержкой. В июне 1893 года «Фрам» с экипажем из тринадцати человек покинул берега Норвегии, отправившись в путь вдоль северного побережья России, и в конце концов достиг того места, где затонула «Жанетта». В сентябре примерно на 78° северной широты команда «Фрама» заметила лед, а вскоре после этого корабль окружило сплошное ледяное поле. Впервые оказавшись в ледяном плену, «Фрам» скрипел и стонал, но, будучи зажат льдами со всех сторон, как и ожидалось, приподнялся. Итак, «Фрам» надежно вмерз в лед и отправился в путь, повинуясь лишь ветру и морским течениям.

На протяжении следующих трех лет «Фрам» дрейфовал вместе со льдами на север со скоростью примерно 2 километра в сутки. Временами он двигался в обратную сторону или ходил кругами. Переменчивый лед, в объятиях которого путешествовал «Фрам», то отпускал, то сжимал корабль еще сильнее. В ответ он то приподнимался, то опускался. Нансен старался занять свою команду научными измерениями. Впрочем, сам он испытывал все большее разочарование – слишком уж неспешным было движение к цели. Когда «Фрам» достиг 84° северной широты, стало очевидно, что корабль отклоняется от Северного полюса примерно на 760 километров. Вместе с одним из членов команды Нансен покинул корабль, чтобы отправиться на лыжах по льду на Северный полюс, куда «Фрам» никак не мог попасть. Нансен установил новый мировой рекорд: дальше него на тот момент никто к Северному полюсу не продвигался. Впрочем, Нансен не дотянул до Северного полюса всего 4°. Он пересек Арктику в направлении Норвегии, встретившись с одним из своих товарищей-исследователей на Земле Франца-Иосифа в 1896 году. «Фрам», на котором оставалось одиннадцать членов экипажа, продолжал дрейфовать во льдах и достиг 85,5° северной широты лишь несколькими километрами южнее того места, где Нансен установил новый мировой рекорд продвижения человека к Северному полюсу. А 13 июня 1986 года «Фрам» добрался до северной оконечности Шпицбергена, то есть именно туда, где изначально планировалось завершить экспедицию.

Хотя «Фрам» так и не достиг Северного полюса, научные измерения, сделанные во время экспедиции, оказались поистине бесценны. Теперь мы знали наверняка, что Арктика – это океан, а не земля, что Северный полюс скрыт под толщей подвижного морского льда и что Арктику пересекает морское течение, тянущееся от северного побережья России до Гренландии. На «Фраме» были проведены еще две знаменитые научные экспедиции. Первой стала четырехлетняя картографическая экспедиция в канадскую арктическую зону. А затем, в 1910 году, Амундсен вместе со своими людьми отправился на «Фраме» в Антарктику в попытке добраться до Южного полюса. В наши дни «Фрам» занял место в музее собственного имени в Осло и почитается как величайший символ полярных исследований, проводившихся норвежцами. Вместо того чтобы бороться с непреодолимым натиском льда, создатели «Фрама» попытались воспользоваться этим льдом для плавания через «макушку мира». И попытка им блестяще удалась.

Расширение льда в процессе замерзания настолько нам знакомо, что мы его даже не замечаем. Положите кубик льда в стакан с напитком, и кубик всплывет на поверхность, что вполне естественно, поскольку плотность льда меньше, чем воды. Впрочем, очень легко убедиться, что замерзшая вода – это все та же вода, просто занимающая больше пространства. Если налить воду в прозрачный стакан и поместить туда несколько крупных кусков льда, он будет плавать на поверхности воды, причем большая часть каждого куска будет находиться ниже уровня воды в стакане, а меньшая – выше (и составит примерно 10 % от объема куска льда). С помощью маркера можете отметить уровень жидкости на внешней стороне стакана. Вопрос вот в чем: по мере таяния льда уровень воды в стакане будет повышаться или понижаться? В результате таяния льда все молекулы воды, расположенные выше ее уровня в стакане, должны будут присоединиться к остальной жидкости. Означает ли это, что уровень воды в стакане повысится? Такой физический эксперимент удобно проводить во время какой-нибудь вечеринки с распитием коктейлей, если она вам неинтересна и вы откровенно скучаете: наблюдение за неспешным процессом таяния льда в стакане вас отвлечет.

Ответ на вопрос очевиден. В его правильности вы можете убедиться лично, если не верите мне на слово. Уровень воды в стакане не изменится. По мере перехода молекул воды из льда в жидкость они уплотняются. Это означает, что они идеально «впишутся» в полость, занимаемую подводной частью кубика льда, а его надводная часть в точности совпадет с дополнительным объемом, который имеет кубик льда, так как при замерзании он расширялся. Вы не можете наблюдать сами атомы в пространственной кристаллической решетке, но можете непосредственно видеть дополнительное пространство, которое они занимают при замерзании[57].

Вода превращается из жидкого состояния в твердое определенным образом: в твердом состоянии каждый атом занимает строго конкретное место в пространственной кристаллической решетке. Эта структура называется кристаллом, даже если не красуется в центре короны какой-нибудь царствующей особы. Кристаллический материал в твердом состоянии обладает фиксированной повторяющейся структурой, как поваренная соль или сахар. Но встречаются твердые материалы другого вида, для которых не характерно столь жесткое позиционирование атомов. Их структура больше напоминает структуру жидкости, замерзшей в процессе превращения в какое-то другое состояние. Несмотря на то что атомарное позиционирование осуществляется на уровне микромира и, разумеется, невидимо для человеческого глаза, все же иногда мы можем наблюдать эффект, который оно оказывает на интересующий нас объект. Самый очевидный пример вышесказанного – стекло.

Я помню, как впервые наблюдала за работой стеклодувов во время семейной поездки на остров Уайт, расположенный в проливе Ла-Манш неподалеку от побережья графства Хемпшир. Мне тогда было восемь лет. Я зачарованно смотрела на гладкие шарики расплавленного, сверкающего и пузырящегося стекла, постоянно меняющего одну луковицеобразную форму на другую. Меня буквально оттаскивали за руку от этого восхитительного зрелища. Между тем я могла бы целый день наблюдать за волшебством превращения расплавленного стекла в вазы, кувшины, чаши и т. п. Прошло много лет, прежде чем у меня появилась возможность еще раз понаблюдать за работой стеклодувов. Одним промозглым утром в этом году я в сопровождении своего кузена посетила каменный сарайчик, где нам продемонстрировали секреты магии, которой занимаются стеклодувы.

Действо началось с показа емкости с расплавленным стеклом, которая стояла в небольшой печи и испускала ярко-оранжевый свет, указывающий на то, что температура стекла достигла внушительной величины – 1080 ℃. Надев на руки кевларовые перчатки, мы послушно окунули длинные стальные стержни в емкость с расплавленным стеклом и несколько раз провернули стержни в руках. По мере такого проворачивания расплавленное стекло, обладающее консистенцией меда, наматывалось на конец стержня. Впрочем, это была самая легкая часть работы. Все остальное оказалось гораздо труднее. Выдувание стекла похоже на очень осторожное уговаривание, причем существуют три его основные формы, которые мы могли применить. Нагрев стекла приводит к его размягчению. Удерживая расплавленное стекло на весу, вы позволяете силе земного притяжения вытянуть его вниз без вашего непосредственного участия. А если стальной стержень полый, вы можете выдувать из расплавленного стекла пузыри.