Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Черски Элен

Я выплеснула в окно остатки чая и идеально приготовленного мной попкорна. За окном по-прежнему хлестал дождь и завывал ветер. Как видите, разрушение – это не всегда плохо.

В простоте есть своя прелесть. Однако еще больше удовольствия мне доставляет красота, возникающая из сложности. Законы, которые описывают поведение газов, напоминают мне оптические иллюзии, когда вам кажется, что вы видите что-то одно, но, зажмурившись на секунду, а потом открыв глаза, созерцаете нечто совершенно иное.

Наш мир состоит из атомов. Каждая из этих крошечных частиц материи представляет собой оболочку из отрицательно заряженных электронов, неизменных спутников тяжелого положительно заряженного ядра атома. Химия, по сути, – история об этих спутниках, обслуживающих несколько атомов, но всегда подчиняющихся строгим правилам квантового мира и удерживающих плененные ими ядра в более крупных структурах, называемых молекулами. В воздухе, которым я дышу, когда пишу эти строки, присутствуют пары атомов кислорода (каждая такая пара – одна молекула кислорода), которые движутся со скоростью 1400 км/ч, соударяясь с парами атомов азота, которые движутся со скоростью 320 км/ч,

а затем, возможно, отскакивая от молекулы воды, летящей со скоростью свыше 1600 км/ч. Все это выглядит ужасно сложно и беспорядочно – разные атомы, разные молекулы, разные скорости, – причем в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится примерно 30 000 000 000 000 000 000 (3 x 10¹⁹) отдельных молекул, каждая из которых сталкивается приблизительно миллиард раз в секунду с другими молекулами. Вам может показаться, что самый разумный подход в данном случае – послать все это куда подальше и заняться чем-нибудь более понятным, например хирургией мозга, экономической теорией или взломом суперкомпьютеров. Одним словом, чем-то попроще. В конце концов, ученые, которые в свое время открыли законы поведения газов, вполне обходились без знания всех этих нюансов. У невежества есть свои преимущества. Теория об атомах вообще не была частью науки вплоть до начала XIX века, а неопровержимые доказательства существования атомов появились примерно в 1905 году. В далеком 1662-м в распоряжении Роберта Бойля и его помощника Роберта Гука была лишь стеклянная посуда, ртуть, пузырь с закачанным в него воздухом – и умеренная порция невежества. Они выяснили, что при возрастании давления, оказываемого на пузырь с воздухом, его объем уменьшается. В этом и заключается суть закона Бойля, который гласит, что давление газа обратно пропорционально его объему. Спустя столетие Жак Шарль обнаружил, что объем газа (при одном и том же давлении) прямо пропорционален его температуре. Если температуру газа повысить вдвое, его объем также увеличится в два раза. Невероятно! Как же свести все сложности, касающиеся атомов, к чему-то более простому и упорядоченному?

Последний вдох, одно уверенное движение могучим хвостом – и огромное млекопитающее скрывается в морской пучине. Весь запас воздуха, необходимый этому кашалоту, чтобы провести следующие сорок пять минут под водой, умещается в его теле. Охота начинается! Добыча – гигантский кальмар, монстр, вооруженный щупальцами, устрашающими присосками и наводящим ужас клювообразным выступом. Чтобы отыскать его, кашалоту приходится нырять на достаточно большую глубину, куда никогда не проникает солнечный свет. Типичная глубина погружений кашалота – 500–1000 метров, а рекордная – примерно 2 километра. Кашалот «прощупывает» водную толщу своим высокочувствительным сонаром, ожидая получить слабый эхосигнал, указывающий на то, что добыча где-то рядом. А гигантский кальмар спокойно плывет на глубине и ничего не подозревает, ведь он глухой.

Самое ценное, что берет с собой кашалот, отправляясь за добычей, – это кислород, требуемый для поддержания химических реакций, которые снабжают питанием мышечные ткани животного и сохраняют ему жизнь. Но газообразный кислород, поставляемый из атмосферы, на глубине становится источником проблем. Фактически, как только кашалот начинает погружение, воздух в его легких превращается в проблему. В ходе погружения кита вес каждого очередного метра воды оказывает дополнительное давление на его тело. Молекулы азота и кислорода сталкиваются друг с другом и внутренними стенками легких, и каждое такое столкновение означает микротолчок. Когда кашалот находится на поверхности воды, такие микротолчки, оказываемые на его тело снаружи и изнутри, уравновешивают друг друга. Но когда гигант опускается на некоторую глубину, на него дополнительно давит водная толща, находящаяся над ним, и толчок снаружи превосходит толчок изнутри. В результате стенки легких вдавливаются внутрь до установления равновесия, при котором давление снаружи и изнутри снова сбалансируется. Это достигается за счет того, что при сжатии легких кашалота для каждой из молекул остается меньше пространства и столкновения между ними учащаются. То есть молекулы все чаще соударяются с внутренними стенками легких животного, что приводит к повышению давления, направленного изнутри наружу. Так продолжается до установления равновесия между внутренним и наружным давлением. Десяти метров водной толщи достаточно для того, чтобы оказывать дополнительное давление, эквивалентное атмосферному. Поэтому даже на глубине, куда проникает солнечный свет и еще видна поверхность воды, объем легких кита сокращается в два раза по сравнению с их исходным объемом. Это означает, что внутренние стенки легких испытывают в два раза большее количество соударений с молекулами, вследствие чего внутреннее давление уравновешивает возросшее наружное давление. Но гигантский кальмар может скрываться на глубине до километра, а на таких глубинах объем легких должен сократиться до одного процента по сравнению с исходным объемом, то есть объемом на поверхности воды.

Но вот кашалот улавливает эхосигнал сонара. Имея лишь некоторый запас кислорода в сжавшихся легких и сонар, позволяющий ориентироваться в пространстве, кит должен приготовиться к битве в кромешной тьме. Гигантский кальмар неплохо вооружен, и даже если он в конечном счете сдастся, раны кашалота тоже будут ужасны. Откуда же ему брать силы для сражения, если в легких не останется кислорода?

Проблема уменьшившихся легких состоит в том, что, когда их объем составляет лишь одну сотую от того, который был на поверхности, давление газа внутри легких в сто раз превышает атмосферное давление. На альвеолах, нежной и чувствительной части легких, где кислород поступает в кровь, а углекислый газ удаляется из нее, это повышенное давление приводило бы к растворению в крови кашалота дополнительного количества кислорода и азота. Результатом стала бы ситуация, которую водолазы называют «кессонной болезнью»: когда кит всплыл бы на поверхность, в его крови образовались бы пузырьки избыточного азота, что могло бы повлечь за собой тяжелейшие последствия для организма. Эволюционное решение – полностью перекрыть альвеолы с момента, когда кашалот покидает поверхность воды. Альтернативы нет. Но животное может задействовать свои энергетические резервы, поскольку его кровь и мышцы способны запасать огромное количество кислорода. В крови кашалота вдвое больше гемоглобина и в десять раз больше миоглобина (белка,

который используется для хранения энергии в мышцах), чем в крови человека. Пока кит находится на поверхности, он «перезаряжает» эти огромные энергетические резервуары. Кашалоты никогда не пользуются легкими при глубоких погружениях. Это для них слишком опасно. Они не делают как можно более глубокий вдох, перед тем как отправиться на глубину. Они существуют и борются за счет запасов, накопленных в мышцах во время пребывания на поверхности.

Никто никогда не видел сражения между кашалотом и гигантским кальмаром. Но в желудках мертвых кашалотов нередко находят остатки клювов кальмаров – единственной части, которую не переваривает желудок кашалота. Таким образом, каждый кит ведет собственный «внутренний» счет одержанных побед. Когда кит-победитель возвращается к солнечному свету, его легкие постепенно расширяются и восстанавливают контакт с системой кровоснабжения. По мере снижения давления их объем снова увеличивается до тех пор, пока не достигнет исходной величины.

Как ни странно, сочетание сложного молекулярного поведения и статистики (которая обычно не ассоциируется с простотой) на практике порождает относительно простой результат. Речь действительно идет об огромном множестве молекул, огромном множестве столкновений и огромном множестве разных скоростей, но важны здесь только два фактора: диапазон скоростей движения молекул и среднее количество столкновений молекул со стенками емкости, в которую они заключены. Величина давления зависит от числа столкновений и силы каждого из них (определяемой скоростью и массой молекулы). Соотношение между внутренним давлением (вызванным всеми этими столкновениями) и наружным определяет объем. Что же касается температуры, то она оказывает несколько иной эффект.

«Кто мне ответит: о чем мы обычно должны беспокоиться на данном этапе?» Наш учитель, Адам, носит белую рубаху, туго облегающую его круглое брюшко, – идеальный образ булочника, который готовит выпечку для какой-нибудь солдатской столовой. Обилие в его речи словечек и оборотов, характерных для диалекта «кокни», не портит общего впечатления, а, наоборот, придает Адаму дополнительный шарм. Он тычет пальцем в комок теста, лежащий перед ним на столе. Тесто прилипает к пальцу и тянется за ним, как живое; впрочем, оно и впрямь живое. «Чтобы испечь хороший хлеб, – объявляет Адам, – нужен воздух». Я учусь в школе пекарского мастерства, где нам рассказывают, как приготовить фокаччу, традиционный хлеб итальянской кухни. Я уверена, что не надевала фартук с тех пор, как мне исполнилось десять. И хотя мне неоднократно приходилось печь хлеб, я никогда не видела теста, похожего на то, которое лежит перед Адамом. Одним словом, мне есть чему поучиться.

Следуя инструкциям Адама, мы приступаем к самостоятельному приготовлению теста с нуля. Каждый из нас смешивает свежие дрожжи с водой, затем добавляет муку и соль и месит тесто с терапевтической решительностью, способствуя выработке клейковины (глютена) – белка, который придает хлебу эластичность. Все время, пока мы формируем соответствующую физическую структуру, живые дрожжи, присутствующие в ней, заняты важной работой: ферментированием сахаров и выработкой углекислого газа. В этом тесте, как и в любом другом, которое мне приходилось когда-либо готовить, воздуха нет, зато в нем множество пузырьков углекислого газа. Тесто – тягучий и вязкий биореактор; в нем заключены продукты жизнедеятельности, поэтому оно поднимается. Когда завершается первая стадия, тесто принимает восхитительную ванну из оливкового масла и продолжает подходить, а мы тем временем чистим от его остатков ладони и стол. Каждая отдельно взятая реакция ферментации порождает две молекулы углекислого газа, которые выделяются дрожжами. Углекислый газ, или CO₂ – два атома кислорода, присоединенные к атому углерода, – это маленькие инертные молекулы (то есть не вступающие в химические реакции с другими молекулами), обладающие при комнатной температуре достаточной энергией, чтобы свободно парить в пространстве, подобно любому другому газу. Когда эта молекула в сочетании с другими молекулами углекислого газа образует пузырек, она может часами перемещаться туда-сюда, соударяясь с другими такими же молекулами. Каждый раз при соударении происходит обмен энергией, точно так же как при соударениях бильярдных шаров. Иногда одна молекула почти останавливается, а другая приобретает удвоенную энергию и отскакивает с высокой скоростью, а иногда энергия распределяется между молекулами в иной пропорции. Каждый раз, когда какая-либо молекула сталкивается со стенкой пузырька, насыщенной глютеном, она отскакивает от нее. На этой стадии пузырьки увеличиваются, поскольку в них накапливается все большее количество молекул и их соударения с внутренними стенками пузырьков учащаются. Пузырек «надувается» до тех пор, пока наружное (атмосферное) давление не уравновесит давление молекул CO₂ изнутри пузырька. Порой при соударении со стенками пузырька молекулы CO₂ движутся быстро, порой – медленно. Пекарям, как и физикам, все равно, с какими именно скоростями те или иные молекулы CO₂ соударяются со стенками пузырька, поскольку это вопрос статистики. При комнатной температуре и атмосферном давлении 29 % молекул CO₂ движутся со скоростями в диапазоне от 350 до 500 метров в секунду, но для нас это не так уж и важно.

Адам хлопает в ладоши, чтобы привлечь наше внимание, и жестом волшебника являет нашему взору поднимающееся тесто. А затем проделывает незнакомую мне манипуляцию: раскатывает тесто, покрытое оливковым маслом, и складывает его в виде конвертика. Цель – задержать внутри конвертика воздух. Я едва сдерживаюсь, чтобы не воскликнуть: «Нас разыгрывают!» – поскольку всегда считала, что весь «воздух» в хлебе – это CO₂, выделившийся из дрожжей. Однажды в Японии я видела мастера оригами, с энтузиазмом рассказывающего своим ученикам о правильном способе наклеивания скотча при изготовлении бумажной лошадки. Свидетелем такого же нарушения здравого смысла я стала во время урока пекарского мастерства, проводимого Адамом. Но если вам нужен воздух, то почему бы не использовать воздух? Я последовала совету мастера и послушно свернула свое тесто в виде конвертика. Через пару часов, после того как оно подошло еще сильнее и я еще раз свернула его конвертиком, а затем использовала большее количество оливкового масла, чем мне казалось разумным, моя нарождающаяся фокачча вместе с ее пузырьками была готова к отправке в печь. «Воздух» обоих типов должен был исполнить свою функцию.