Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Изначально мы создавали научные модели в попытке объяснить (и предсказать) то, что представало перед нами в непосредственных впечатлениях – полет бейсбольного мяча, движение планет, наши ощущения запаха и вкуса, тепла и холода. Мы можем коснуться мяча, бросить его и поймать; мы видим шествие планет по ночному небу; мы можем вдохнуть аромат нашего кофе, почувствовать его вкус, отметить его температуру. Но когда речь заходит об атомах, у нас нет никакого интуитивного опыта. Мы не можем ни увидеть их, ни дотронуться до них, ни рассмотреть их движение. Однако научные методы применимы и здесь. Они позволяют нам построить подробную, доступную для проверки и фальсифицируемую модель с невероятной предсказательной силой – и тем самым заручиться помощью атомов в нашем

стремлении воссоздать историю.

В данном случае наша модель не обязательно должна содержать все, что мы знаем об атомах, и, конечно же, не может вместить того, чего мы не знаем. Но эта модель должна в полной мере соответствовать известной нам физической реальности и описывать все характеристики атомов, имеющие ключевое значение для нашего проекта. В ее определении и заключается предмет данной главы.

Иерархия вещества

Давайте же начнем с того, с чего начинает любой младенец – с окружающего мира, который мы можем видеть и осязать. Такое впечатление, что существуют тысячи разных веществ, и каждое обладает различным цветом, запахом, текстурой, отражательной способностью… всего этого много, очень много. В нашем языке есть слова, призванные классифицировать вещи по назначению (столовые приборы: нож, вилка, ложка), по внешнему облику (блестящая, тусклая, чистая, грязная ложка), по материалу, из которого они сделаны (серебряная, стальная или пластиковая ложка), и по сотням других категорий. Но если бы я попросил вас ограничиться, скажем, лишь тремя категориями – широчайшей группировкой из возможных – и охватить все, что вы когда-либо видели или чувствовали, вы бы, скорее всего, согласились, что такими категориями станут три состояния вещества: твердое тело, жидкость и газ¹.

Подобное распределение не означает, что мы должны отказаться от более тонких разграничений в предложенных рамках. Серебряная ложка отличается от пластиковой и на ощупь, и по весу; более того, такие ложки по-разному реагируют на тепло, когда вы опускаете их в кофе, а также стоит сказать, что цена их замены, если вы случайно выкинете их в мусорное ведро, будет различаться. Но у них есть нечто общее: и серебряная, и пластиковая ложка – это твердые тела, и вы не можете их сжать и изменить их форму (по крайней мере без значительных усилий).

С другой стороны, кофе, хотя его тоже нельзя сжать, демонстрирует качественное отличие – он сам собой принимает форму контейнера, в который его наливают; жидкость без усилий вмещается и в кофейник с широким дном, и в более узкую кофейную чашечку.

И, наконец, есть почти прозрачный пар, поднимающийся над кипящим кофе. Если вы попытаетесь его схватить, то можете почувствовать его тепло, но раскройте ладонь – и вы ничего в ней не обнаружите. Газ просто рассеивается.

Давайте на минутку станем на точку зрения Демокрита и вообразим, что для каждого рода этих веществ существует мельчайшая единица – назовем ее пока что «частицей», – которая сохраняет свойства самого вещества. Как нам представить взаимодействие этих мельчайших единиц?

В твердом теле эти частички, должно быть, прочно закреплены на своем месте, поскольку, когда вы толкаете твердое тело, тянете его на себя или сжимаете, оно сохраняет форму. Конечно же, если приложить достаточную силу, вы можете вызвать перемену – согнуть ложку из Серебра и сломать пластмассовую, – но этим вы меняете не сам объем предмета, а только его форму. В твердых телах частички касаются друг друга – вы не можете силой приблизить их, и много сил уходит даже на то, чтобы изменить их взаимную ориентацию.

Поскольку сжать жидкость тоже нелегко², ее частицы, по всей видимости, тоже соприкасаются. Но между жидкостью и твердым телом есть явное различие. Первая способна легко менять свою форму – более того, она делает это, как только вы переносите ее из одного контейнера в другой. Это позволяет предположить, что, хотя ее частички по-прежнему находятся в соприкосновении, они могут свободно проскальзывать друг над другом и занимать относительно друг друга любые положения, в зависимости от того, какие из этих положений оказываются наиболее удобными.

И, наконец, остаются газы. Они очень рассеяны и по большей части невидимы, так что часто вы даже их не замечаете – вы ведь не чувствуете воздуха, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эту книгу? Но, конечно же, воздух в какой-то степени ощутим. Скажем, если вас застигла буря, вы можете ощутить, как он на вас давит, а иногда получается уловить запах газа (скажем, аромат кофе) – видимо, нечто все же входит с вашими чувствами в контакт.

Более того, газы также состоят из частиц, но таких, которые совершенно свободны от соседей и далеки от соприкосновения. Сжать газ относительно легко (представьте, как накачиваете велосипедную шину), поскольку между частичками много свободного пространства. Например, в атмосфере Земли частицы воздуха отделены друг от друга расстоянием, примерно в десять раз превышающим их диаметр, и могут свободно летать куда угодно, отталкиваясь друг от друга при встрече, словно бильярдные шары. Если вы накачаете шины своего велосипеда до рекомендуемой величины в 7,9 атмосферы, то вы только что сжали воздух в два раза во всех трех направлениях, так что расстояние, разделяющее частицы, теперь превышает их диаметр не в десять, а лишь в пять раз. Давление внутри вашей шины теперь в восемь раз больше, чем у окружающего воздуха, поскольку воздушные частицы ударяются о стенки шины в 2 x 2 x 2 раза чаще. Чтобы сконцентрировать водяной пар в жидкую форму, частицы должны сблизиться в 10 x 10 x 10 = 1000 раз, и именно поэтому вода в 1000 раз плотнее воздуха (примерно 10³ кг/м³ против 1 кг/м³).

И вот что у нас получается. Три состояния, или «фазы», вещества не показывают фундаментальных различий в свойствах частиц, из которых это вещество состоит. Эти частицы просто могут находиться на четко определенных местах, слабо соприкасаться и проскальзывать друг над другом или свободно витать в пустом пространстве. Вода остается водой вне зависимости от того, пребывает ли она в твердой форме (лед), жидкой (вода) или газообразной (пар), а переходы между этими формами – это лишь вопрос изменения взаимных пространственных отношений, в которые вступают между собой частички воды.

Температура: мера движения

В рассуждении о переходах, которые вещество может совершать между различными состояниями, мы должны ненадолго отклониться от прямого пути и поговорить, во-первых, о нашей модели для понимания тепла, а во-вторых, о системе измерений, которую мы используем для его описания. Как нам известно из повседневного опыта, твердая форма воды (лед) – холодная, а газообразная форма (пар) – горячая. Но что такое «холодный» и «горячий»? Оказывается, это просто слова, необходимые нам, чтобы выразить характер относительного движения наших элементарных частиц: горячий = быстрый, а холодный = медленный. То, что мы называем температурой, – это просто непосредственная мера средней энергии движения, также называемой «кинетической энергией» (см. гл. 4) этих частиц.

Элементарные частицы воды в кубике льда соприкасаются друг с другом. Они закреплены на месте, но вибрируют (если угодно, дрожат) со скромным количеством энергии в расчете на частицу. Если поднять температуру, частицы будут вибрировать быстрее. Если повысить ее до достаточного уровня, то связи, удерживающие частицы на местах, разорвутся, и тогда частички смогут свободно скользить друг над другом, а мы получим жидкость. Это происходит, когда температура достигает 32 °F, или 0 °C. Продолжая нагревать воду, мы заставляем частицы двигаться быстрее и быстрее, до тех пор, пока, при 212 °F или 100 °C, они не разлучатся с соседями окончательно и не получат возможность свободно улетучиться прочь в форме газа.