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

В наиболее памятные для меня зимние дни я просыпалась с ощущением необычной тишины и неподвижности в природе. Еще до того как открыть глаза, я могла сказать, что ночью выпал первый снег. Для того, кто родился и вырос в сером и скучном Манчестере, такие эмоции были весьма волнующими. Все это мне нравилось – за исключением единственного, повторяющегося из раза в раз момента. Обувшись в уютные зимние ботинки, расчистив снег у наружной двери и с дорожки и посмеявшись вдоволь над белками, копошащимися в снегу, я топала к своему автомобилю. И каждый раз, едва прикоснувшись к нему, ощущала довольно болезненный удар электрического тока. Черт побери, как же я в очередной раз забыла об этом!

Почему-то мне всегда казалось, что всему виной автомобиль. Разумеется, он был вовсе ни при чем. Пока я к нему шла, я тащила на себе группу крошечных и беспокойных пассажиров. Они внимательно высматривали маршрут, по которому могли бы от меня сбежать. Болезненное ощущение в моей руке было лишь побочным эффектом их поспешного бегства. Этими пассажирами были электроны, невероятно маленькие частицы материи, относящиеся к числу самых фундаментальных строительных блоков нашего мира. Одно из их самых удивительных свойств – это то, что обнаружить их движение можно без помощи дорогостоящих ускорителей элементарных частиц и сложных научных экспериментов. В надлежащей ситуации тело человека может выявить движение электронов самым непосредственным образом. Жаль только, что оно регистрирует его как болевые ощущения.

Все начинается с атома. Внутри каждого атома находится тяжелое ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Оно обладает внушительным положительным электрическим зарядом, поэтому почти никогда не бывает в одиночестве. Электрический заряд – странная концепция, но на ней держится наш мир. Существует всего три вида строительных блоков, из которых состоит практически все, что нас окружает: протоны, электроны и нейтроны. Каждый из них обладает собственным, присущим лишь ему электрическим зарядом. Протоны гораздо массивнее электронов и являются носителями положительного заряда. Нейтроны имеют примерно такие же размеры, как и протоны, но электрического заряда у них нет. Электрон гораздо меньше по размерам, чем протон или нейтрон, но величина его отрицательного электрического заряда в точности совпадает с величиной электрического заряда протона. Это сочетание строительных блоков определяет структуру всего физического мира. В центре каждого атома сочетание протонов и нейтронов образует тяжелое ядро. Но атом должен быть электрически сбалансированным. Электрические заряды влияют на мир, поскольку разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются (как мы уже видели на примере магнитов и монет). Таким образом, крошечные электроны кружатся вокруг массивного ядра, потому что заряжены отрицательно и, следовательно, притягиваются к положительному заряду в центре атома. В целом все положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, но силы притяжения удерживают атом, не позволяя ему развалиться на части. Вся окружающая нас материя полна электронов, но поскольку все сбалансировано, мы их не замечаем. Они дают о себе знать, только когда движутся[73].

Проблема в том, что, когда вам приходится иметь дело со столь малыми и проворными объектами, как электроны, баланс время от времени нарушается. При соприкосновении двух разных материалов электроны довольно часто переходят из одного материала в другой. Это происходит постоянно, но обычно не имеет большого значения, так как избыточные электроны, как правило, довольно быстро возвращаются назад. Хождение по дому в носках не было проблемой: с каждым очередным шагом немногочисленные электроны перебирались с синтетического коврика мне на ноги, но вскоре возвращались обратно на коврик. Ситуация переменилась, как только я надела ботинки с утеплителем из натуральной шерсти и резиновой подошвой. «Бродячие» электроны, как и прежде, перебирались с синтетического коврика на резиновые подошвы моих ботинок. Но какими бы шустрыми они ни были, есть материалы, проникнуть в которые электронам крайне трудно; это так называемые электрические изоляторы, и резина один из них. У резины хватает собственных электронов, но она очень неохотно вбирает в себя любые «посторонние» электроны. Пока я складывала в сумку все, что может мне пригодиться днем, подбирала одежду по погоде и убирала после завтрака, я постепенно накапливала на себе электроны. В результате на поверхности моего тела их скопилось изрядное количество. К моменту, когда я вышла из дому, я несла на себе несколько тысяч миллиардов избыточных электронов – гигантское количество, которое все же составляло лишь микроскопическую долю электронов, принадлежащих моему собственному телу.

Почему же эти избыточные отрицательно заряженные электроны не желали покидать мое тело? Каждый из них отталкивался другими электронами; покинуть меня было бы для них более приемлемым вариантом, чем оставаться на мне. Но непреодолимым препятствием на их пути становились мои ботинки с резиновой подошвой. Помимо стекания на землю, электроны могли бы покидать меня через влажный окружающий воздух. Он содержит множество молекул воды, у каждой из которых есть положительный участок, который мог бы приютить лишний электрон на какое-то время. В большинстве других случаев скопившиеся на мне избыточные электроны постепенно «рассосались» бы, присоединяясь один за другим к молекулам воды. Но в морозные дни после сильного снегопада в воздухе очень мало влаги. Поэтому избыточные электроны, скопившиеся на моем теле, не могли рассосаться постепенно и незаметно для меня.

Таким образом, каждый сухой, снежный день я шла по дорожке от коттеджа к автомобилю, забыв о миллиардах отрицательно заряженных пассажиров на моем теле – по крайней мере до того момента, пока им не представлялся удобный случай от меня сбежать. Мой автомобиль стоял на земле, представляя собой огромный резервуар сбалансированных электронов и ядер. В то самое мгновение, когда мои пальцы прикасались к металлу автомобиля, словно открывался туннель для массового бегства электронов, накопившихся на моем теле. Металл прекрасный электрический проводник, поэтому электроны могут стекать на него практически беспрепятственно. Мои «электронные пассажиры» рванули толпой через небольшой участок кожи на кончике моего пальца, поспешно стекая на металлический корпус автомобиля. Нервные окончания в коже, получив мощный электрический импульс от потока электронов (по сути, электрического тока), вздрогнули не на шутку. Забыв на мгновение об очаровании первого снега и бодрящей свежести морозного воздуха, я невольно чертыхнулась.