Читать книгу "Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд"

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

Глава 7. Внутренняя история

Из этой главы вы узнаете…

Как разделить атом в вашей гостиной.

Сколько атомов нужно для того, чтобы зажечь лампочку.

Почему столовые приборы не ржавеют от соприкосновения с соленой рыбой и чипсами.

«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.

«Лего» жизни

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.

Мы еще встретимся, мистер Бонд

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].