Облака — начало и примитив всего

Огненное облако с огромной скоростью скатилось с вулкана Мон-Пеле и превратило в пепел цветущий город Сен-Пьер с населением 26 тысяч человек. Катастрофа была столь же ужасна, сколь неожиданна и непонятна. Долго не могли объяснить, каким образом мельчайшие раскаленные частицы вулканического вещества не поднялись в воздух, не рассеялись, а упали на город и предали его страшной участи.

Это произошло в 1902 году на острове Мартиника в архипелаге Малых Антильских островов.

Иначе на противоположной стороне планеты двигалось другое облако — песчаное облако пустыни Кара-Кумы. Оно двигалось не спеша — десятилетиями, веками. Оно незаметно по земле подползало к становищам людей, к продуктам их труда. Оно не убивало сразу, но то, что укутывалось им, переставало существовать. Пески пустыни омертвляли все встречавшееся на пути: колодцы и сады, пастбища и бахчи, города и кишлаки, обнесенные глинобитными стенами.

Есть облака, не похожие ни на первое, ни на второе. Мириады всевозможных бактерий и грибков, взвешенных в воздухе — воздушная микрофлора, — тоже перемещаются как облака. Распространяясь, такие облака порой служат источниками заболеваний.

Но не только бедствия приносят облака. Бывает, например, хорошая воздушная микрофлора.

Вот подул ветерок, и в воздух поднялись облака золотистой пыльцы. В виде «серного дождя» (так это называется) они потом где-то опустятся на землю, покроют собой огромные пространства. Некоторая их часть попадет на тычинки цветков своего вида, оплодотворит растения. Частицы облака выступают здесь как могучий стимул жизни.

Для большинства пустыня Гоби — мертвая пустыня. А известно ли вам, читатель, что она несет плодородие и жизнь Южному Китаю? Под влиянием резких переходов от тепла к холоду и обратно камни пустыни Гоби в течение веков измельчаются и превращаются в тончайшую желтоватую пыль, лёсс, которая затем подхватывается ветром и уносится на юг. Действуя столетиями, ветротранспортер создал грандиозные лёссовые отложения на юге, в частности в бассейне реки Хуанхэ. С лёссом появились замечательные условия для жизни, так как он плодороден.

Много облаков парит над миром, много опускается на него, забирается в любую щелку. То, что мы называем обычно облаками, — ничтожная часть огромного, многоликого семейства облаков. У него, впрочем, есть и другое название: аэрозоли.

За последние десятилетия люди научились сами вырабатывать полезные аэрозоли. Все возрастающую роль играют теперь в жизни и в различных формах деятельности людей искусственно создаваемые облака тончайшей пыли.

Жидкое топливо перед сжиганием обычно механически распыляют, превращают в туман. В распыленном виде сжигают также твердое пылевидное топливо и некоторые виды минерального сырья (колчеданы).

В борьбе с вредителями и возбудителями грибковых болезней растений, а также с малярийными комарами применяются почти исключительно распыленные ядовитые вещества — инсектициды.

В военной технике в большом ходу маскирующие дымы и туманы.

Врачи охотно прописывают больным ингаляцию — лечение путем глубокого вдыхания специальных лекарственных препаратов. Преимущество этого метода лечения — плотное осаждение лекарства в легких.

Специальные облака применяются в экспериментальной физике. Исследуя движение капелек в вертикальном электрическом поле, впервые точно определили заряд электрона и число Авогадро (см. стр. 140), а также решили ряд других физических задач (например, выяснили квантовую природу фотоэффекта, см. стр. 161). Явление образования тумана при конденсации пересыщенного пара на газовых ионах послужило основанием для создания распространенного физического прибора — камеры Вильсона.

Что же такое аэрозоли? Чем характерен этот мир и почему мы с описания его начали раздел, посвященный веществу?

Песчинку величиной в десятые доли миллиметра человек еще заметит невооруженным глазом. Молекулу в 5 миллионов раз меньшую он увидит только с помощью электронного микроскопа. А в этом колоссальном интервале укладываются размеры всех частиц аэрозолей.

Различают три вида аэрозолей.

Туманы — аэрозоли с жидкими частицами: природный туман, дождевое облако, туман, образующийся при распылении падающей воды. Частицы таких аэрозолей, как правило, шарообразны.

Пыли — аэрозоли с твердыми частицами, образующиеся при измельчении твердых тел и при переходе порошкообразных тел во взвешенное состояние под действием воздушных потоков, сотрясений и т. д. К ним относятся угольная пыль, лёсс, цементный порошок и т. д. Под микроскопом пылинки выглядят как грубые обломки неправильной формы.

Дымы — аэрозоли также с твердыми частицами, но образованные не измельчением твердых тел, а конденсацией пересыщенных паров и в результате газовых реакций ведущих к образованию нелетучих продуктов вроде сажи. И формы и размеры дымовых частиц многообразны. В отличие от пылинок, частицы дыма сплошь да рядом представляют собой рыхлые агрегаты, состоящие из значительного числа более простых частиц правильной кристаллической или шарообразной формы.

В строении частиц аэрозолей много общего со структурой крупных тел. Пылинки, например, имеют ту же природу, что вещества, знакомые нам в обычной практике. В ряде случаев мельчайшие частицы сохраняют даже свойственную данному веществу пластинчатую форму (слюдяная, шиферная и графитовая пыль) или форму волокнистую (асбестовая и текстильная пыль).

Поэтому частицы аэрозолей вполне можно назвать просто очень мелкими осколками обыкновенных крупных тел.

Изучение аэрозолей — хорошая подготовка к изучению больших масс твердых, жидких и газообразных веществ. С аэрозолей, несомненно, начался наш большой мир (макромир). Как бы ни произошли планеты (вопрос этот до сих пор еще не ясен), бесспорным остается то, что их массы «склеились» из аэрозолей. Поэтому, изучая эти крупицы вещества, мы приближаемся к решению загадки происхождения Солнечной системы. С другой стороны, в поведении очень маленьких частиц материи (но все же частиц макромира, а не микромира, как молекулы и атомы) раскрывается многое, с чем мы встречаемся в мире обыкновенных тел нашей практики. Это позволяет, как сказал английский поэт Уильям Блейк, живший на рубеже XVIII и XIX веков:

Как движутся аэрозоли?

Одной из наиболее важных особенностей большинства облаков, встречающихся в природе, промышленности и обыденной жизни, является то, что они в первый период своего существования движутся как одно целое. Воздух омывает их, словно морская струя киль корабля. Это удивительное явление. Не всякий человек объяснит сразу, почему облака не продуваются насквозь, хотя главное, что заполняет их объем, — это воздух или газ. Частицы занимают обычно лишь самую ничтожную долю объема. Например, в одном кубометре обыкновенных водяных облаков в среднем содержится только 1 грамм воды. Иначе говоря, суммарный объем частиц составляет всего одну миллионную долю полного объема облака.

Почему же воздух не проходит сквозь огромные «пустоты» между частицами?

Объясняется это так называемыми гидродинамическими взаимодействиями между частицами. Двигаясь в одном направлении, частицы увлекают за собой окружающую среду и создают в ней течение, которое, с одной стороны, порождает сопротивление проникновению в облако внешнего воздуха, с другой — уменьшает сопротивление движению частиц.

В результате в объеме облака сохраняется та же газовая среда, что была в нем в момент образования. А плотные частицы облака в своей массе движутся быстрее, чем двигались бы отдельные из них.

Трагедия на острове Мартиника в конце концов объяснилась довольно просто. Сперва подземное газовое давление и высокая температура вытолкнули из кратера облако раскаленного пепла. Оказавшись на поверхности земли, облако, обладая плотностью более высокой, чем плотность воздуха, быстро скатилось вниз на город. Не будь удивительного свойства — целостности облаков, наружный воздух быстро выдул бы газ между частицами, около каждой раскаленной пепелинки образовалась бы нагретая и, следовательно, менее плотная воздушная оболочка. И пылинки, как на воздушных шариках, поднялись бы и рассеялись, постепенно остывая.

Интересна одна особенность тяжелых, оседающих облаков: верхняя их поверхность обычно бывает плоская. Это наблюдали как в лабораториях, так и на природных туманах.

И тут объяснение простое: при плотности аэрозоля, превышающей плотность граничащей с ним среды, гидростатические силы противодействуют нарушению горизонтальности верхней границы. Аэрозоли в этом случае ведут себя как жидкости.

Понятно, что стабилизация верхней границы будет наблюдаться только тогда, когда плотные частицы движутся как одно целое со средой, то есть при большой концентрации аэрозоля. Особенно устойчивыми оказываются поверхности аэрозолей, утяжеленные хлором, углекислотой и некоторыми другими газами.

И вот рисуется удивительная картина: «жидкость» (плотные частицы) не вытекает из «решета» (газовый объем аэрозолей). Природа переносит «жидкость» в «решете», а та не выливается!

Мы привели примеры деятельности, «жизни» облаков. Но все, что существует, возникает и гибнет. Как же возникают и как исчезают облака?

Нам уже известно, что большинство существующих облаков не пропускает через себя воздух, обдувается им снаружи. Но есть и продуваемые облака. Обычно это явление сопутствует процессу возникновения или процессу разрушения аэрозолей.

Вот порыв ветра скользнул по поверхности пустыни. Тотчас же зашевелились, пришли в движение песчинки. Те, что покрупнее, покатились по поверхности; помельче — запрыгали и потянулись за порывом ветра; мельчайшие приподнялись и больше не легли обратно: воздушные потоки подхватили и понесли их над землей. Прыжки и перекатывания больших песчинок вызывают действие, напоминающее цепную реакцию. То рикошетируя от слоя других песчинок и повторяя свой прыжок, то зарываясь в слой и передавая импульс другим частицам, которые, в свой черед, начинают подскакивать или перекатываться, песчинки дробятся и дробят встречающиеся им, постепенно увеличивая количество аэрозольной пыли.

Такая же приблизительно картина наблюдается и при выветривании почвы, и при пневмотранспорте сыпучих материалов, и в процессах, известных под названием «кипящего слоя». Здесь всюду налицо воздух (или другой газ), продувающий беспорядочно мечущиеся частицы; захват и перевод в аэрозольное состояние мельчайших из них; дробление относительно больших и хрупких частиц.

Обратное явление наблюдается в «зрелых», существующих аэрозолях. Важнейшим свойством является их недолговечность. Приходит срок, они «дряхлеют» и разрушаются. Одни частицы налипают на поверхности встречных тел (тем скорее, чем мельче частицы), другие слипаются между собой, или, как говорят иначе, коагулируют. Образуя хлопья сравнительно больших размеров (от нескольких десятых до целого миллиметра), они утрачивают взаимосвязь и выпадают на землю.

Причины коагуляции частиц аэрозолей до сих пор не выяснены до конца. Но, без сомнения, здесь влияет масса факторов: и взаимное — так называемое гидродинамическое — притяжение летящих частиц, и действие атмосферного электрического поля, и отталкивание частиц от нагретых поверхностей, и проявление так называемого броунового движения, и (для жидкостных аэрозолей) конденсация паров на ранее образованных капельках.

Прекрасной иллюстрацией того, как исчезает аэрозоль, является выпадение обыкновенного дождя. Может показаться странным, но причины столь привычного явления, как выпадение дождя, стали выясняться только в самые последние годы.

Дело в том, что образующиеся в результате конденсации пара облачные капельки обладают весьма ничтожными размерами — порядка 10 микрон (то есть сотых долей миллиметра). Такая маленькая частица не в состоянии упасть на землю, так как поток теплого воздуха без труда поднимает ее кверху. Но даже если что-нибудь и толкало ее вниз, она тысячу раз испарилась бы, прежде чем достигла земной поверхности. Чтобы водяная капля, выпав из облака, могла достичь земли, она должна была бы иметь радиус по меньшей мере около 100 микрон, то есть 0,1 миллиметра.

Но дождь все-таки идет. И капли воды, выпадая из дождевых облаков, имеют вполне значительные размеры — до 2–3 миллиметров. Почему?

Это происходит потому, что на мельчайших капельках воды в облаках конденсируется пар. Идет процесс коагуляции, усиливаемый движениями капелек и сталкиваниями их между собой, а также действием электрических зарядов капель. В результате возникают два потока. Облако, как и прежде, под влиянием более высокой по сравнению с окружающей атмосферой температуры со скоростью до 10 м/сек поднимается вверх. Дождевые же капли со скоростью от 0,01 до 8–9 м/сек устремляются вниз.

Как-то в США появилась компания «по поставке дождя». Было объявлено, что отныне каждая ферма может заказать себе дождь в должном количестве и требуемой продолжительности.

Это было шарлатанство. Героями истории оказались охотники не за облаками, а за содержимым чужих карманов, умело сыгравшие на надеждах и ожиданиях людей.

Однако настоящая охота за облаками началась и уже дала вполне положительные результаты. Особенно больших успехов в этом направлении добились советские ученые. Так, еще с 1951 года аэрологи из Центральной аэрологической обсерватории начали применять практику «открывания» аэродромов, затянутых облаками. На самолете они подлетали к «закрытым» аэродромам Казани, Саратова, Арзамаса, Перми и других городов и, выпуская в облака несколько килограммов углекислоты, рассеивали их и открывали аэродромы для регулярных взлетов и посадок самолетов.

Теперь в Советском Союзе успешную борьбу с облаками ведут и в интересах сельского хозяйства. На Кавказе и в Молдавии проделывали интересные опыты: палили по градоносным облакам специальными ракетами из многоствольных установок, чем-то напоминающих знаменитые «катюши». Ракеты вводили в облака большое количество мелких кристалликов, не дававших дождевым каплям охладиться до града. В конце концов опасные тучи рассеивались, и небо становилось чистым. Сады и виноградники были спасены.

Великое начинается с малого. Умение улавливать небольшие аэрозоли — первый шаг на пути к победе над облаками. В быту и на производстве сейчас десятки остроумнейших ловушек подстерегают «малые облака», мешающие человеку работать или угрожающие его здоровью. Особенно распространены:

центробежные сепараторы, среди них так называемые циклоны, — аппараты, где отделение плотного от неплотного, твердых частиц от газовой среды производится при помощи закручивания аэрозолей и расслаивания этой среды на две вращающиеся сферы с разным удельным весом;

аппараты налипания, основанные на свойстве частиц прилипать к слегка охлажденным, особенно металлическим поверхностям;

фильтры тканевые и волокнистые — простейшая, но в то же время надежнейшая разновидность пылевых ловушек;

ванны-барботеры, приспособленные для промывания в целях очищения от пыли запыленных газовых потоков;

звуковые и ультразвуковые коагуляторы (буквально «слипатели»), в которых правильно подобранное акустическое облучение ускоряет процесс слипания частиц;

электрофильтры — аппараты, в которых склонность частиц к прилипанию усиливается во много раз их искусственной электризацией.

Из перечисленных ловушек всего эффективнее обычные тканевые или волокнистые фильтры. К сожалению, у них существенный недостаток: высокие сопротивления движению загрязненного потока.

Интересную идею разработал эстонский инженер Семен Лазаревич Эпштейн. Он предложил перегораживать путь движения аэрозолей в аппаратах не неподвижным фильтром, как обычно, а завесой из сыплющегося вниз тяжелого взвешенного порошка. Движение фильтрующих частиц увеличивает вероятность столкновения частиц аэрозолей с фильтром, то есть делает последний как бы более густым. В то же время фактически между фильтрующими частицами остаются большие промежутки для прохода газа, а отсюда — незначительное сопротивление его движению.

Человек научился обуздывать и частицы покрупнее тех, что текут по трубопроводам и аппаратам. Ограничимся одним, но очень интересным и поучительным примером.

Страшен взрыв в каменноугольной шахте! Он быстр, внезапен и грозит большими бедствиями. Чем его остановить? Оказывается, это можно сделать с помощью аэрозоля.

Было установлено, что поднимаемая взрывной волной пыль (обычно известняковая) останавливает распространение взрыва. Важно лишь, чтобы применяемый для этой цели порошок хорошо распылялся. И вот стали делать так: добавлять к измельченному известняку полпроцента сажи. Сажа уменьшает силу сцепления известняка и улучшает распыляемость его при взрыве. Полученную смесь щедро рассыпали во всех местах, где могли скопиться газы или куда могла дойти взрывная волна.

С аэрозолями здесь стараются бороться аэрозолями же. Смекалкой превращают еще одну их разновидность в помощников человека.

 

Твердое — первое состояние вещества

Древнегреческий философ Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) считал, что мир построен из четырех стихий, или элементов: земли, воды, воздуха и огня. Учение Эмпедокла разделяли многие ученые древности, в том числе и Аристотель. Потом оно проникло в средние века и тоже пользовалось признанием.

А ведь если чуть перефразировать, сказать вместо Эмпедокловых «стихий» — «состояния», мы, пожалуй, согласились бы, что древние верно видели природу. Ведь и мы считаем, что вещество бывает в четырех состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы.

Среди причин, обусловливающих то или иное состояние, одна из первых, разумеется, температура: при очень низкой температуре станет жидким, а потом и твердым телом воздух, а при достаточно высокой испарится любой металл. Наша жизнь протекает при не слишком больших колебаниях температуры: скажем, если брать две крайности в природе — от минус 50 до плюс 40, — перепад в 90 градусов. Но это такой перепад, в котором вещества встречаются в разных состояниях.

Конечно, живи мы на Луне, естественные контрасты выступали бы сильнее: там разница суточных колебаний такова, что жители Луны могли бы днем купаться в расплавленной сере (плюс 129,5 градуса), а ночью кататься на коньках по замерзшему спирту (минус 127,5 градуса). Но мы живем в условиях высоких научных достижений и не нуждаемся в помощи природы, чтобы посмотреть, как выглядит вещество при сильных колебаниях температуры.

Ученые получают в лабораториях температуру ниже минус 273 градусов, всего на несколько десятитысячных градуса выше абсолютного нуля, предельно низкой в природе температуры (равной приблизительно минус 273,16 градуса; при этой температуре прекращаются все механические, или тепловые, движения молекул, остаются лишь особые движения, связанные с наличием так называемой нулевой энергии, открытой квантовой теорией). Наряду с такими низкими температурами в лабораториях достигают и невероятно высоких температур. Советскими учеными проведены эксперименты, в которых получалась устойчивая дейтериевая плазма с температурой 60 миллионов градусов.

Огромное большинство окружающих нас твердых тел представляют собой кристаллы — иногда в виде отдельных больших кристаллов, но чаще в виде очень прочно сцепившихся между собой мелких (бывает меньше тысячной доли миллиметра) кристаллических зернышек. Некристаллы — это стекло и пластмассы. Но, может быть, и их следовало бы отнести если не к кристаллам, то, по меньшей мере, к кандидатам в кристаллы. Известно много случаев, когда с течением времени стеклянные вазы в музеях постепенно теряли прозрачность, кристаллизовались. Кристаллизуются, простояв довольно долгое время, и другие, сперва некристаллические изделия.

Отличительная особенность кристаллов — их правильное, симметричное построение. Симметрично выглядит снаружи отдельное кристаллическое зернышко, симметрично и внутри расположение каждой частицы по отношению ко всем другим.

Если бы мы решили с помощью воображения прогуляться внутри кристалла и шли бы, никуда не сворачивая, все время прямо, то, попадая в разные местности, мы обнаруживали бы смену пейзажей лишь определенное, сравнительно небольшое, число раз. Потом все начиналось бы сначала, в той же последовательности.

Кристалл неоднороден по свойствам в разных направлениях: его прочность, электрические и оптические свойства, проводимость тепла в одних направлениях отличаются от этих свойств в других направлениях. Такая особенность кристаллов называется анизотропией. Некристаллические твердые вещества (стекло, пластмассы, — их называют еще аморфными веществами, что значит бесформенные), а также жидкости и газы изотропны («изо» по-гречески — «одинаково», а «тропос» — «направление»): их свойства одинаковы во всех направлениях.

Какие силы заставляют кристаллические тела сохранять неизменными свои формы? Даже не вдаваясь еще в детали этого вопроса, можно сказать уверенно, что там должны быть два рода сил — притяжения и отталкивания. Если бы не было первых, кристалл рассыпался бы на части, не будь вторых — он уменьшился бы в размерах и достиг фактически ненаблюдаемых плотностей.

А что происходит при нагревании кристаллического тела? Атомы начинают интенсивнее двигаться, но так как из-за действующих в твердом теле сил притяжения они не могут оторваться один от другого, они колеблются вокруг своих средних, равновесных положений.

Кстати, силами же, действующими между атомами, объясняется и упругость твердых тел: для изменения их формы требуется сила, когда же она (по достижении известного предела) устраняется, деформированное тело под влиянием внутренних сил возвращается в прежнее положение.

Лишь сравнительно недавно удалось нарисовать довольно убедительную картину действия внутренних сил в кристалле. Она, по-видимому, похожа на то, что происходит в масштабах молекул, где это выглядит так.

В большинстве неорганических соединений молекулы приобретают свою прочность при помощи так называемой ионной связи. Электроны, частицы с отрицательным электрическим зарядом, отделяются («отчуждаются») от атома, и тотчас образуются ионы: осколки молекул, которые, в отличие от электрически нейтральных атомов, заряжены положительным или отрицательным электричеством. Мгновенно вступает в действие закон Кулона — электрические плюс и минус ионов притягиваются друг к другу, и это вместе с силами отталкивания приводит к образованию устойчивой, стабильной молекулы.

Органические вещества в большинстве своем обязаны устойчивостью их молекул другому виду связи, так называемой ковалентной связи. Здесь электроны не «отчуждаются», а «обобщаются» двумя (или больше) атомами. Простейший пример — молекула водорода. Она состоит, как известно, из двух водородных атомов. Каждый атом, в свою очередь, — это сочетание положительного протона и отрицательного электрона. Соединение атомов в молекулу происходит благодаря тому, что оба электрона как бы связывают между собой протоны своим «коллективизированным» движением.

В кристаллах, как и в молекулах, возможна ионная и ковалентная связь. Полная картина связи в кристаллах, однако, очень сложна, и мы ее рассматривать не будем.

Ученым, работающим в области физики твердых тел, приходится особенно много трудиться, потому что их наука — одна из важнейших в наше время. При этом от специалистов по твердым телам все требуют большой практической отдачи.

«Главным стимулом, — писал академик Л. А. Арцимович, — для разработки большинства проблем современной физики твердого тела является уже не столько внутренняя логика развития научных идей, сколько перспективы технических применений (иногда близкие, а иногда довольно далекие). При этом вместо вопроса „почему?“ главным вопросом становится „как это сделать?“».

Объясняется это тем, что теперь всем людям, прогрессу техники, науки, быта особенно нужны не столько вещества, сколько материалы.

Даже образованные люди часто путают эти слова: «вещества» и «материалы». А между тем они отличны друг от друга. Вещество — еще далеко не материал, оно лишь сырье для производства материала. Возьмите, например, бетон; это строительный материал, а его приготовляют из веществ — песка, цемента, щебня и воды. Резину делают из каучука и сажи, значит, она — материал, а веществами надо считать каучук и сажу.

Разумеется, в чисто физическом смысле и материалы — те же вещества. Но этим веществам человек придал какие-то особые, нужные ему в его практической деятельности, свойства и тем выделил из окружающей природы.

Пример того, как создают ученые наших дней новые твердые материалы, нужные народному хозяйству, — труд академика Кузьмы Андриановича Андрианова и результаты его работ, за которые он получил Ленинскую премию 1963 года.

Разве удалось бы К. А. Андрианову создать целый класс новых материалов с чудесными свойствами, так называемых полимеров с неорганическими главными цепями молекул, не проведи он четверти века в лаборатории. Задача, которую он пытался разрешить, сперва казалась почти неразрешимой: как соединить в полезное для человека вещество неживое и «живое» — скажем, кремний и какие-нибудь органические молекулы?

Самые опытные химики приходили к выводу, что игра не стоит свеч, что на основе кремния, кислорода и органических радикалов нельзя практически создать ничего стоящего. В тот самый год, когда Андрианов впервые начал заниматься таким, казавшимся безнадежным, делом, известный английский ученый, профессор Киппинг, словно специально, чтобы охладить пыл русского коллеги, сказал на заседании английского Королевского химического общества:

— Я исследую химию кремнийорганических соединений пятьдесят лет и полагаю, что перспективы быстрого развития этой области химии и получения практически полезных результатов не слишком обнадеживающие.

Но советский ученый упорно шел своим путем. Он знал: очень много сулил народному хозяйству успех и поэтому стоило за него бороться.

Давно известно, что добавки к обычной стали небольших количеств хрома, никеля или марганца резко изменяли структуру металла, превращали его в высококачественную нержавеющую сталь. Вообще каждый «посторонний» металл, вводимый в основную неорганическую цепочку, меняет ее свойства. Раскрывая закономерности подобных сочетаний, металлурги научились очень тонко изменять свойства стали в желаемом направлении. Делали они это путем введения в сталь определенных элементов в определенных количествах. Работы Андрианова, по существу, сводились к тому же самому, только вместо стали он брал за основу другой материал — обычно кварц.

Природный минерал кварц представляет собой структурно жесткую хрупкую сетку из атомов кремния и кислорода. «А что, если в некоторых узлах этой сетки поместить вместо кремния другой элемент, например титан, алюминий или бор? — думал Андрианов. — И что, если к атомам кремния подвесить органические радикалы? Не этим ли путем надо идти, чтобы получать вещества с необычным сочетанием свойств, например эластичности с теплостойкостью?»

Много опытов проделал Кузьма Андрианович, много различных химических реакций перепробовал, прежде чем ему удалось — впервые в мире — получить ряд синтетических полимеров с неорганическими главными цепями молекул на основе сочетания кремния с другими элементами: алюминием, титаном, бором, оловом и некоторыми другими. К каждому атому кремния ученый «подвесил» органические радикалы. Иначе говоря, превратив кварцевую сетку в кварцевую цепочку, он создал вокруг нее оболочку из углеродосодержащих органических радикалов. Благодаря тому, что здесь появились органические радикалы, материал приобрел эластичность, гибкость, а также способность растворяться в органических растворителях (это часто очень важно, например, для лаков). Вместе с тем в новом веществе сохранилось такое свойство полимерной цепочки в кварце, как теплостойкость.

Гибкий кварц! Мог ли кто-нибудь предполагать, что это может быть создано?

Вводя в обыкновенное стекло 15 % органических радикалов, Андрианов из жесткого и хрупкого стекла получал… настоящий каучук. Этот каучук почти ничем не отличается от натурального, но он не теряет своих свойств и при температуре до 320 градусов! А ведь ни один иной каучук, кроме так называемого силиконового, не выдерживает подобного нагрева.

Некоторые из разработанных ученым кремнийорганических соединений применяются теперь для обработки хлопчатобумажных и шерстяных тканей.

В результате этой обработки, потребляющей сущие пустяки нового вещества, в среднем 1,0–1,5 % от веса ткани, ткань приобретает свойство совершенно не смачиваться водой. Человек, одетый в костюм из материала, обработанного специальным кремнийорганическим соединением, может, не раздеваясь, переплыть реку. На другом берегу он отряхнется, и вода скатится с его костюма, как ртуть со стеклянной плоскости.

Делают теперь и другие удачные сочетания элементов. Кремний и алюминий входят в состав теплостойких пластмасс. Кремний, титан и олово содержатся в каучуках и смазочных маслах. Кремний и бор — элементы, входящие в состав клеев.

Электроизоляционные материалы и жаростойкие эмали, клеи и лаки, теплостойкие пластмассы и смазочные материалы — многое производится по методу замечательного советского ученого.

Самое широкое применение в различных областях народного хозяйства получили чудесные материалы, разработанные Андриановым и его учениками.

 

Жидкое — второе состояние вещества

Помня о силах, действующих между молекулами или атомами твердых тел, нетрудно догадаться, почему эти тела плавятся. Потому что при повышении температуры колебания каждого отдельного атома около его нормального положения становятся все сильнее и это необратимо нарушает весь порядок. Постепенно усиление колебаний одних атомов станет отражаться на движении соседних: те будут все больше отклоняться от средних положений в кристалле. Их отклонения, в свою очередь, ослабят стремление раскачавшихся атомов вернуться к нормальным движениям. Хаос будет нарастать, и все кончится тем относительно свободным движением молекул или атомов, которое отличает жидкость.

Можно объяснить, как вещество становится жидкостью, труднее — откуда присущие ей свойства.

Почему твердое тело твердо, газ газообразен, а жидкость жидкая? Физика отвечает на первые два вопроса. Твердость тел — следствие одновременного существования сил притяжения и сил отталкивания между частицами, образующими тела — молекулами, атомами или ионами. При уменьшении расстояния между частицами преобладают силы отталкивания, при возрастании — верх берут силы притяжения. Газ состоит из молекул, которые, за исключением моментов соударений, почти не взаимодействуют между собой. Они свободно движутся во все стороны и распространяются на весь предоставленный им объем. Отсюда то, что называется газообразностью.

А почему жидкость жидкая, то есть текучая?

Жидкость занимает промежуточное положение между газом и твердым телом. Она имеет черты сходства с тем и другим.

С газом жидкость особенно близка в так называемой критической точке, определяемой «критической температурой» и соответствующим ей «критическим давлением». «Критическая точка» — своеобразный погранзнак между жидкостью и газом. Выше ее, точнее, выше «критической температуры», может существовать только газ; ниже, в зависимости от давления, вещество может быть и газообразным и твердым. В самой «критической точке» различие между жидкостью и газом в некотором смысле исчезает.

С твердым телом жидкость родственна по ряду признаков. Плотность жидкости отличается от плотности твердого тела всего лишь на десять и менее процентов. Жидкость обладает некоторой прочностью на разрыв.

И все же в жидкости есть много такого, что резко отличает ее и от твердых тел и от газов.

Жидкость совершенно не имеет твердости. Она течет. Если в твердом теле средние положения образующих его частиц расположены в правильном порядке, то в жидкости такого порядка нет. В жидкости молекулы непрерывно перемещаются относительно друг друга, и упаковка их, почти такая же плотная, как у твердых тел, не препятствует этому перемещению.

Построение молекулярной теории жидкого состояния — задача чрезвычайно сложная и пока еще не решенная. Но именно потому, что это сложно, все большее число ученых пытается решить задачу, предлагает различные гипотезы.

Любопытно, что в самые последние годы «тайна жидкости» стала еще глубже, еще заманчивей. Был сделан ряд таких ошеломляющих открытий новых свойств вещества в его жидком состоянии, что во всем ученом мире это вызвало самый острый интерес, породило множество исследований.

Начать с того, что, как было неожиданно установлено, жидкость, подобно твердому веществу, обладает упругостью — ничтожной, но обладает.

Раньше все считали, что течение жидкости определяется исключительно внешними силами, хотя бы незначительными (пример: течение рек под влиянием небольших наклонов земной поверхности, то есть силы тяготения), и тем сопротивлением движению, которое оказывает вязкость. А вязкость, как известно, носит совершенно пассивный характер: она замедляет выливание жидкости из опрокинутого сосуда (замедляет изменение прежней формы жидкости этим выливанием), но не имеет и следа той силы, которая активно сопротивлялась бы изменению прежней формы, старалась бы вернуть вещество в первоначальное положение. В этой отсутствующей как будто бы в жидкостях силе и выражается суть упругости.

Открытие упругости жидкости, или, говоря точнее, упругости ее формы, означает, что когда жидкость течет, то что-то в ней старается этого течения не допустить, что-то как бы тянет струи жидкости обратно, пусть без заметного внешне эффекта.

Советский ученый, ныне член-корреспондент Академии наук СССР Борис Владимирович Дерягин установил это свойство на воде, в фантастически тонком ее слое (меньше одной тысячной миллиметра). Теперь физикам уже известно, что свойством упругости формы обладают все без исключения жидкости. Различие лишь в том, что у одних жидкостей (вода, спирты и др.) упругость увеличивается с уменьшением слоя после одной десятитысячной миллиметра, а у других (например, у бензола или у четыреххлористого углерода) остается неизменной, сколько бы толщина слоя ни уменьшалась.

Второе поразительное открытие — открытие, по выражению Б. В. Дерягина, «меняющее, быть может, радикально (то есть чрезвычайно сильно, коренным образом) наши взгляды на природу жидкого состояния вещества», это находка того, что жидкости обладают… «памятью».

До последних лет слово «память» обычно связывали с жизнедеятельностью самых высокоорганизованных существ: во-первых, человека, а во-вторых, в гораздо меньшей степени, высших животных.

Сенсацией прогремело открытие несколько лет назад московским профессором Сергеем Степановичем Чахотиным памяти у простейших, одноклеточных (точнее, у так называемых туфелек). Чахотин пускал такую одноклетку в каплю воды и наблюдал через сильный микроскоп, что она там делает. Оказывается, «изучив и запомнив», что ее мир — прудик с круглым бережком, в который бесполезно тыкаться, одноклетка начинала резво кружить по кругу возле бережка, не задевая его. Потом Чахотин перегораживал частично туфельке путь: он пускал с одного бережка тонкий и короткий ультрафиолетовый лучик и туфелька, обжегшись о него несколько раз, «запомнила», где он находится, и стала его обходить не касаясь. Потом профессор гасил лучик. Однако туфелька, «помня» об опасности и сперва «не веря», что ей ничто уже не грозит, продолжала двигаться по-прежнему: полный почти кружок — вдруг скачок внутрь своего прудика, снова кружок и опять скачок, пока постепенно «не забывалось». Срезая и срезая внутренний уступ (бестолковых движений не любят, как оказывается, и существа из одной лишь клетки), туфелька в конце концов возвращалась к своей исходной, идеально круглой траектории.

Повторяю: это было сенсацией. И вдруг — открытие «памяти» у воды!

В чем же эта «память» проявляется?

А вот в чем. Плавили лед и получали воду. Тут же исследовали ее свойства и вдруг убеждались, что некоторыми свойствами получающаяся вода продолжала походить на лед, хотя и была уже жидкостью. Какими, например? Например, вязкостью (и лед и вода обладают этим свойством, но значения их разные).

Выходило, что вода как бы «помнила» некоторое время свое прошлое. «Помнила» и не хотела с ним расставаться. По данным новосибирских физико-химиков А. Н. Каргинцева, В. М. Соколова и Л. Н. Ефанова, а также пакистанца М. Кураши и некоторых других ученых, вода «помнит» свое прошлое много часов. Только после этого она его окончательно «забывает» и становится водой, ничем уже не отличаясь от всех прочих вод такого же состава и в одинаковых условиях.

«Память» была установлена и у других жидкостей, например у расплавленного таллия.

Поговорим теперь особо о воде, о самой распространенной на Земле жидкости.

Известнейший советский геохимик и исследователь истории Земли академик Александр Павлович Виноградов сказал однажды: «Вода — самая удивительная жидкость, с которой встречается человек».

Как это точно сказано! Кажется, нет теперь специалиста, который не подписался бы под этими словами. Кто бы из ученых ни «смотрел на воду своими глазами», то есть не изучал бы ее с позиций своей науки, всякий видит в ней что-то совершенно исключительное, что-то существующее у нее одной.

«Для физиков и химиков вода — это вещество, занимающее особое место среди миллионов веществ, известных науке, — писал, развивая мысль А. П. Виноградова, профессор И. А. Хвостиков, — почти все физические и химические свойства воды — нечто исключительное, необычное в природе».

В самом деле, почему если объем всех твердых тел при плавлении увеличивается и они тонут в своем расплаве, то лед не тонет, а плавает в воде? — спрашивает физик.

Химика поражает другое. Это способность воды растворять в себе всевозможные вещества. Растворять так много, как ни одна другая земная жидкость.

Физиолог заметит то же и добавит, что все жизненно важные процессы идут в организме в водных растворах.

Биохимики и астрофизики убедительно доказывают, что сама жизнь на Земле обязана своим зарождением воде. Многие при этом добавляют: не пресной, а соленой воде (средняя соленость океанической воды 3,5 процента). Не будь вода в океанах соленой — не было бы на Земле ничего живого, жизнь на нашей планете не могла бы зародиться. Ведь соли те — это питание живого.

И еще три мнения, отмечающих важность и исключительность воды.

Географ: «Вода — это строитель природы. Весь облик планеты постоянно меняется, а это ведь проявляет себя работа воды. Нет на Земле ни одного твердого тела, в котором не было бы воды».

Метеоролог: «Круговорот воды в природе составляет главный процесс в биосфере Земли».

Наконец, физико-химик: «Заметьте, какое большое поверхностное натяжение свойственно воде! Благодаря ему вода в капиллярах, то есть в тонких трубках, может подниматься на несколько метров. Вместе с огромной способностью растворять в себе соли это свойство капиллярности воды делает возможным земледелие: поднимающаяся из почвы вода снабжает питательными растворами всю растительность, в том числе и самые высокие деревья». (Все эти примеры я взял из статьи профессора И. А. Хвостикова «Самая удивительная на Земле жидкость — вода», опубликованной в журнале «Земля и Вселенная» № 3 за 1969 г.)

Что же можно сказать о происхождении этих свойств воды? Как можно их объяснить, хотя бы в некоторых случаях приблизительно?

Ответим на вопросы, которые могли бы возникнуть у любознательного человека, узнавшего впервые о некоторых из приведенных выше мнениях.

Почему при расплавлении все твердые тела тонут в своем расплаве, а лед плавает?

Это объясняется тем, что во льду каждая молекула связана с четырьмя соседними. Находятся же все они, судя по микромасштабам, далеко одна от другой, поэтому лед сравнительно мало плотен: в нем много внутренних пустот. Когда же лед расплавляется, то часть связей, соединяющих его молекулы, разрушается, и молекулы, оторвавшиеся от соседей, устремляются в пустоты. Вода получается плотнее, и легкий, нерастаявший лед всплывает на поверхность. У других твердых тел дело обстоит иначе. Там плотность вещества при расплавлении не увеличивается, а уменьшается и, скажем, «металлические льдины» тонут в своей «металлической воде».

Почему вода — хороший растворитель?

Популярно это объяснить непросто. Ответим в самом общем смысле: это связано с молекулярным строением воды и вытекающими отсюда ярко выраженными электрическими свойствами молекул. Тело, оказавшееся в воде, очень чувствует эти свойства. На поверхности тела чрезвычайно ослабляется молекулярное притяжение. Настолько, что это притяжение уже не может сопротивляться ударам молекул друг о друга при их тепловом движении. Атомы или молекулы начинают постепенно отрываться от поверхности тела и переходить в воду. А это и есть процесс растворения.

Какова, с современной точки зрения, общая картина перемещения воды на нашей планете?

Ученые отвечают так. Миллионы лет вода постепенно переходит из недр Земли на поверхность, образуя и заполняя океаны. С поверхности водной оболочки Земли вода каждодневно испаряется, образует облака и туманы. Затем, сгустившись в дождь, снег или росу, вода опять возвращается на Землю — в почву и в океаны. Но возвращается не вся. Часть паров увлекается воздушными потоками через стратосферу в более высокие слои атмосферы, и там под действием солнечных ультрафиолетовых лучей молекулы H2O распадаются на водород и кислород. Водород, частицы которого самые легкие и быстрые, преодолевает в какой-то своей доле земное притяжение и ускользает в мировое пространство.

Выходит, что Земля наша все время «испаряется», но страшного здесь, кажется, ничего нет. Она не только испаряется: одновременно она захватывает своей атмосферой водород из плазмы так называемого солнечного ветра (о плазме смотри чуть дальше: «Четвертое состояние вещества»). Такой захваченный водород проникает в более глубокие слои атмосферы и образует там новые молекулы H2O.

Может быть, как полагают некоторые ученые, эти именно молекулы дают начало «солнечному дождю» на высотах около 100 км над уровнем моря, в слоях, где иногда появляются самые высокие облака Земли — серебристые облака.

 

Газообразное — третье состояние вещества

Не задумывались ли вы когда-нибудь над тем, какое состояние вещества для нас всего важнее? Почти все, кому я задавал такой вопрос, прося ответить не подумав, ответить сразу, ошибались. Потом лишь, в следующий момент спохватывались: «Газ, конечно!»

Да, безусловно, газ. Живем мы на твердом веществе, живем у жидкого (даже то, что едим, на 90 процентов состоит из воды), но всего важнее для нас третье состояние вещества, потому что мы живем в нем.

Если рыб называют морскими существами, кротов — земляными, то было бы вполне естественно применять иногда к человеку определение «существо воздушное». Воздух — наша стихия, без него нам не прожить и десяти минут.

Мы живем на дне чудесного океана, прозрачность которого, бывает, вводит в заблуждение наивных: не сразу соглашаются, что он тяжел. А он весит, как мы говорили, 5000 триллионов тонн. И он фантастически глубок, по последним данным — до 3000 километров.

Мы уже говорили о некоторых отличиях газообразных стихий от твердых тел и от жидкостей. Назовем еще одно: молекулы твердых тел и жидкостей — каждые в своей среде — вплотную прижимаются одна к другой. Совсем иное у газов. Плотность газа, находящегося под нормальным атмосферным давлением, примерно в 100 раз меньше. Это значит, что средние расстояния между молекулами газа очень велики. Чтобы столкнуться с другой молекулой, газовая молекула должна пройти расстояние, во много раз превышающее собственный размер. Частицы газа «живут» куда обособленнее частиц жидкостей и твердых тел.

Примерно 300 лет назад английский физик и химик Роберт Бойль (1627–1691) и независимо от него французский аббат Мариотт (1600–1684) открыли очень важный газовый закон, который с тех пор называется законом Бойля — Мариотта; читается он так:

Объем данной массы газа обратно пропорционален давлению, если температура постоянна.

Или в несколько иной формулировке:

Произведение давления на объем есть величина, постоянная для данной массы газа при неизменной температуре.

Закон этот нашел широчайшее применение у всех, кто так или иначе соприкасается с необходимостью рассчитывать устройства, в которых происходят изменения давлений и объемов газов, например, при проектировании двигателей внутреннего сгорания или в вакуумной технике.

Другой, не менее важный закон в области газов был сформулирован итальянским физиком Амедео Авогадро (1776–1856). Закон этот читается так:

В равных объемах любых двух газов, находящихся при одних и тех же давлении и температуре, содержится одинаковое число молекул.

Выходит, что отношение масс двух газов одинаковых объемов при одинаковых давлениях и температуре равно отношению их молекулярных весов. Законом Авогадро воспользовались, чтобы получить таблицу отношений атомных масс. Отношение масс атомов кислорода и водорода равно 16 : 1,008. И вот ученые договорились считать атомный вес кислорода в точности равным 16. В таком случае молекулярный вес кислорода (молекула кислорода состоит из двух атомов) равен 32, а вес молекулы водорода — 2,016. Они договорились также ввести новую единицу массы для каждого вещества: граммолекулу, или моль.

Граммолекулой, или молем, называется количество вещества, масса которого в граммах равна молекулярному «весу».

Выходит, например, что одна граммолекула водорода равна 2,016 грамма.

Число молекул в одной граммолекуле всегда одно и то же, независимо от вещества. Когда это число подсчитали, оказалось, что оно равно: N = 6,02·1023.

Величину N назвали «числом Авогадро».

По закону Авогадро, 1 граммолекула любого газа занимает один и тот же объем при одинаковых давлениях и температуре. При температуре 0 градусов и давлении 1 атмосфера объем граммолекулы получается равным 22,4 литра.

 

Плазменное — четвертое состояние вещества

Возьмем металлическое тело, скажем пулю, и, положив ее в жароупорный тигелек, поставим тигелек в электропечь. Пройдет немного времени, и пуля расплавится, превратится в жидкость, вещество перейдет во второе состояние.

Но будем повышать нагрев. Если возможности печи позволят, металл в конце концов закипит и испарится. Вещество перейдет в свое третье состояние.

Ну, а если нагревать дальше? Что будет с газом, если его нагревать до 4, 5, 6 тысяч градусов?

Не так еще давно даже самые осведомленные физики на этот вопрос отвечали, что ничего особенного не произойдет. Газ просто нагреется сильнее, вот и все. Его молекулы приобретут высокую кинетическую энергию и станут еще быстрее метаться между стенками сосуда.

В таком ответе не было ничего удивительного. Люди не умели тогда получать особенно высоких температур и не могли знать, что будет с веществом, допустим, при 6000 градусов. В обычных топливных печах максимальная температура достигает только 2000, а в электрических — 3000 градусов.

Теперь положение изменилось. Даже в промышленных условиях добиваются иногда температур порядка 12 000 градусов. А физики по «добыванию» высоких температур превзошли пределы самых невероятных фантазий.

В Институте атомной энергии научным сотрудником М. С. Иоффе были произведены эксперименты, в которых удалось получить температуру для дейтерия 60 миллионов градусов — в три раза более высокую, чем в центре Солнца (по современным представлениям, температура в центре Солнца несколько менее 20 миллионов градусов). Академик Евгений Константинович Завойский добился еще более эффектных результатов: в своих опытах ему вместе с сотрудниками удалось нагреть потоки электронов до температуры свыше 100 миллионов градусов.

Сейчас уже известно точно: выше 6000 градусов газы, даже что ни на есть устойчивые, как бы испаряются.

Что же с ними происходит?

Когда при бешеных скоростях, вызванных сильным нагревом, атомы вещества сталкиваются один с другим, из них выбиваются электроны. Утрачивая часть электронов, атомы превращаются в положительные ионы, то есть в «осколки», заряженные положительным электричеством. Электроны, как известно, заряжены отрицательно. В результате получается смесь из отрицательных электронов, положительных ионов и не успевших «испариться» нейтральных атомов. Так как положительное электричество в такой смеси равно отрицательному электричеству, смесь в целом остается нейтральной. Но электроны сталкиваются между собой и с ионами и заставляют «испаренный газ» светиться (что бывает, впрочем, не всегда, а лишь при достаточном количестве частиц; если разрежение высокое, вещество может стать совсем невидимым).

Облако материи в таком особо возбужденном состоянии и называется плазмой. Открыл ее в 1920 году выдающийся индийский астрофизик Мег Над Сага.

Что плазма уже не газ, а качественно совсем иное, новое состояние вещества, ученые убедились довольно быстро.

Каждое состояние вещества имеет свои особые свойства, не похожие на свойства остальных состояний. Имеет их и плазма.

Свойства плазмы резко отличаются от свойств газа. Газ, например, — электрический изолятор. Плазма, хотя она в целом и нейтральна, как газ, наоборот, прекрасно проводит электрический ток. В отличие от металлов, которые проводят ток тем хуже, чем больше они нагреты, электропроводность плазмы растет с увеличением температуры.

Теория говорит, что при очень высокой температуре плазма практически должна обладать свойством сверхпроводимости, то есть ее электрическое сопротивление должно быть близко к нулю. Кроме того, плазма — идеальный проводник тепла, она — сверхтеплопроводящий материал.

В плазме очень много тепла, но есть и то, чего нет ни в одном теплоносителе, — порядок. Сильное магнитное поле, в котором добывается плазма, вносит в ее движение порядок, причем необыкновенный: винтовой, или иначе — гиротропный.

Острый интерес к плазме в наши дни вызван многими причинами. Первая, конечно, заключается в том, что, как оказалось, плазма гораздо больше распространена в природе, чем это можно было бы предполагать. Почти вся Вселенная состоит из плазмы. Из плазмы состоят Солнце, горячие звезды, туманности, межзвездный газ.

Выяснилось, что с плазмой люди имели дело задолго до ее открытия.

Вода начинает испаряться еще до того, как достигает температуры своего кипения. И плазма образуется не обязательно при температуре 6 и выше тысяч градусов. Она возникает, например, под воздействием сильного облучения газа рентгеновыми или ультрафиолетовыми лучами. Поместив газ в мощное электрическое поле, его также можно привести в состояние ионизации, частично обратить в плазму.

Слабо горит свеча. И все же ее пламя хоть в малой степени, но ионизировано. Это еще не настоящая плазма, но уже намек на нее. А вот ослепительный свет электрической дуга и мягкое свечение неоновой трубки прямо исходят от плазмы. Близко к настоящей плазме пламя сварочной горелки и форсунки дизеля, пламя в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Кратковременное плазменное состояние возникает в стволе орудия при выстреле. Вообще при всяком взрыве большой массы взрывчатого вещества происходит образование плазмы.

Плазма образует канал электрической искры и молнии. Ионизированные слои в атмосфере Земли состоят из плазмы. Полярное сияние есть не что иное, как свечение ионизированного газа, то есть тоже плазмы.

Юрий Гагарин совершил свой подвиг буквально в объятиях плазмы. Когда космический корабль «Восток», взметнувшись с площадки космодрома, с грохотом пробивал плотные слои атмосферы, сопла ракетного двигателя извергали плазму.

Плазма широко распространена повсюду, но, пожалуй, еще сильнее привлекает она внимание ученых своими возможностями для техники будущего.

Плазма — самое перспективное состояние вещества для преобразования тепла непосредственно в электричество. По-видимому, в безмашинных электростанциях будущего в движении будет находиться только плазма. Проходя между полюсами сверхмощных магнитов, потоки плазмы будут превращать энергию своего движения в энергию электрического тока.

Не за горами создание и космических кораблей с плазменными двигателями. С такими двигателями, выбрасывающими реактивную плазменную струю со скоростями в десятки или даже сотни тысяч километров в секунду, можно отправиться на исследование самых далеких планет Солнечной системы.

Весной 1965 года советские ученые провели первые успешные испытания плазменных двигателей в космических условиях — на борту космического корабля «Зонд-2».

Велики перспективы плазмы и в области управляемых термоядерных реакций. Академик Л. Н. Арцимович считает даже, что это важнейшая задача плазмы. Он писал:

«Физика плазмы не относится к магистральным направлениям науки, но тем не менее за последнее десятилетие она разрабатывается весьма интенсивно, так как с ней связаны надежды на решение задач исключительного перспективного значения. Первое место среди них занимает общеизвестная проблема управляемого термоядерного синтеза, решение которой должно полностью устранить угрозу энергетического голода на нашей планете».

 

Волшебный вкус квинтэссенции

Итак, четыре состояния вещества — твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Совсем, как древнегреческие четыре стихии — земля, вода, воздух, огонь. Как вновь и вновь не вспоминать знаменитые слова Ф. Энгельса о философии античной Греции: «В ней имеются в зародыше все позднейшие типы мировоззрения».

Человек правильно видит природу. Мы могли бы проиллюстрировать эту мысль и еще на одном примере: на учении Аристотеля о квинтэссенции.

Мы называем квинтэссенцией самое отборное, наилучшее; для нас это слово — синоним тончайшего и ценнейшего в предмете. Буквально здесь не так, но по существу совпадает со смыслом, вложенным в это слово его изобретателем.

Понятие «квинтэссенция», буквально «пятая сущность», было придумано в развитие Эмпедоклова учения о четырех стихиях. По Аристотелю, квинтэссенция — сущность, примиряющая противоречивые качества вещей. А ведь такая сущность действительно самое тонкое и важное в предмете: это следующий шаг, это новые поиски и находки. В квинтэссенции затаена идея прогресса: во все времена движение вперед начиналось с попыток примирить противоречия.

Есть своя квинтэссенция и в современных представлениях о различных состояниях вещества. Что же она примиряет?

Вот противоречие номер один: плотность и очень высокая температура. Не только у человека несведущего, но и у знающего физику легко (и обоснованно) может сложиться впечатление, что в общем-то эти свойства тел взаимно отталкиваются друг от друга. В практике людей максимальной плотностью обладают твердые тела. Если последние нагревать, то связи между молекулами (а потом и внутри них) станут ослабевать и вещество будет переходить во все менее плотные состояния.

Теоретические исследования внутреннего строения звезд, однако, показали, что высокие температуры прекрасно уживаются с высокими плотностями материи.

Существуют, например, так называемые белые карлики — слабо светящиеся, медленно угасающие звезды. Они невероятно плотны. 1 кубический сантиметр вещества такого небесного тела может весить тонны и даже около 100 тонн. Это во много раз плотнее вещества Солнца, 1 кубический сантиметр которого (в центре Солнца) весит всего 100 граммов.

Из-за своей огромной массы и сравнительно небольших размеров белый карлик обладает гравитационными полями (полями тяжести) в сотни тысяч и в миллионы раз большими, чем поле Земли. Поэтому поверхность такой звезды представляет собой почти идеальную сферу: горы на ней не могут быть выше нескольких миллиметров, а атмосфера — нескольких метров.

Огромная сила тяжести сжимает умирающую звезду, и та с последними вздохами своей жизни необычайно вдруг разогревается — до миллиардов градусов. Но это только ускоряет ее гибель. «Значительное повышение температуры в ее недрах до нескольких миллиардов градусов, — говорила по этому поводу профессор Алла Генриховна Масевич, — может привести к интенсивному образованию пар нейтрино — антинейтрино (элементарные частицы, свободно пронизывающие даже самые плотные небесные тела. — В. К.), которые, быстро уходя из звезды, уносят с собой большое количество энергии. В результате возможно практически „мгновенное“ охлаждение центрального ядра».

Совокупность высоких плотностей с большими температурами находится и у нас под ногами — в недрах нашей собственной планеты. Вулканический жар (возможно до 3000–4000 градусов) и давления, как полагают, превышающие 3000 тонн на квадратный сантиметр, — такова обстановка, отдаленная от нас примерно на 6370 километров. Это центр Земли. На реактивном самолете мы долетели бы до него за 7 часов, а чудес, с которыми там встретились бы, оказалось, пожалуй, побольше, чем на Луне.

Известный английский ученый профессор Артур Кларк (специалист по космосу и… морю, — бывает же такое сочетание! Сюда надо прибавить и умение писать прекрасные научно-фантастические романы) высказывает предположение, что в центре Земли может находиться что-нибудь такое, что мы захотим не только увидеть, но и потрогать. «Может быть, там есть вещества, столь плотные под влиянием сверхдавления, что обычные скальные породы для них менее плотны, чем для нас воздух», — говорит Кларк.

А ведь гранит только в 2000 раз плотнее воздуха, в то время как разрозненная материя в центре «карликов» в миллионы и даже в 10 миллионов раз плотнее гранита. В одном из своих произведений («Внутренние огни») Кларк писал о гипотетических существах из сверхуплотненной материи, которые могли бы плавать в недрах нашей Земли, как рыба в море. Правда, потом он сказал: «Надеюсь, что никто не воспринял эту идею серьезнее, чем я сам, — однако добавил: — Но эта фантазия может нас подготовить к тому, чтобы принять почти столь же поразительную и значительно более хитроумную действительность».

Итак, большие плотности согласуются с большими температурами и подводят человеческую мысль к массе необычных и неожиданных ситуаций. Но мысль никогда не довольствуется достигнутым пределом. Человек не просто тянется к Неведомому, а тем сильнее, чем оно дальше и недоступнее.

Еще до последних открытий в астрономии было высказано допущение, что в космической целине встречаются условия, при которых вещество сжимается до давлений в миллиарды раз более высоких, чем в белых карликах.

В 30-х годах советский физик Лев Давидович Ландау сделал расчеты, из которых вытекало, что если вещество сжать до очень высоких давлений, то электроны, содержащиеся в нем, могут, ломая и круша структуру, вдавиться в атомные ядра. Соединяясь там с положительно заряженными частицами — протонами, они превратят их в не имеющие электрического заряда нейтроны. В результате обычное вещество перейдет в новое — нейтронное — состояние.

1 кубический сантиметр такого вещества должен весить не менее миллиона тонн!

Но существуют ли реально нейтронные звезды? Ряд косвенных соображений позволяет ответить на вопрос «да». Окончательный ответ, однако, пока не получен и, естественно, не может быть получен быстро, потому что, если нейтронные звезды существуют, их трудно наблюдать: вследствие своих сверхвысоких плотностей они должны быть очень маленькими.

Сопоставление других противоположностей — вещества, состоящего из частиц с зарядами (электрическими и другими) тех знаков, которые они имеют в нашей части мира, и так называемого антивещества, то есть вещества из частиц с зарядами противоположных знаков, — отличительная особенность другого теоретического предположения.

Директор Бюраканской обсерватории в Армении академик Виктор Амазаспович Амбарцумян и один из его помощников, профессор Г. С. Саакян, высказались за возможность существования наряду с нейтронными еще более тяжелых и плотных так называемых гиперонных звезд.

Ученые считают так: если быстрое сжатие сопровождается дополнительным очень сильным разогревом, то в веществе могут образоваться в больших количествах попарно частицы вещества и антивещества (частицы и античастицы). Эта смесь напоминает плазму тем, что содержит равное число частиц с противоположными свойствами, поэтому ее назвали «эпиплазма» (по-гречески «эпи» — «после»): «послеплазма», «сверхплазма».

Известно, что в обычных условиях смесь вещества и антивещества мгновенно взорвалась бы с чудовищно большим выделением энергии. Почему же не взрывается эпиплазма? От взрыва некоторое время ее удерживают очень высокая температура смеси, а также исключительно могучие силы притяжения. Тем не менее и в этих условиях эпиплазма очень неустойчива, и при несимметричном ее расширении, когда в каких-то ее частях вдруг образуется «слабинка» — недостаточно могучие силы притяжения и температуры, — может произойти страшный взрыв.

Существует гипотеза, согласно которой примерно 10 миллиардов лет назад все вещество окружающих нас галактик было сжато до огромной плотности и находилось в нейтронном состоянии. Затем при расширении нейтронное вещество превратилось в современную, менее плотную плазму.

Согласно другой гипотезе, нейтронные звезды — результат огромных катастроф, взрывов донейтронного вещества, известных как вспышки так называемых сверхновых звезд.

Приняв во внимание современные гипотезы о существовании сверхплотных звезд, составим следующую сравнительную таблицу плотности некоторых веществ:

Плотность некоторых веществ

Советский физик профессор Давид Альбертович Франк-Каменецкий полагает, что если существование нейтронного вещества и эпиплазмы подтвердится, то нейтронные звезды надо отнести к образованиям вещества в «пятом состоянии», а эпиплазму именовать «шестым состоянием» вещества.

Он предлагает признать еще и «седьмое состояние» вещества — состояние поля излучения, иначе говоря то, что часто называют «физическим вакуумом».

Не знаю, как к этому отнесутся в будущем. Но если уж именовать особыми состояниями вещества разные его формы, имеющие какие-то резкие отличия друг от друга, то надо бы закрепить один из номеров за «веществом живых организмов». Уж где-где, а здесь отличительных свойств хоть отбавляй.

Здесь примиряются такие крайние противоречия, как стремление любой материи (в том числе и той, естественно, из которой состоят тела человека и животных) к «энергетическому рассеянию», к беспорядку, с одной стороны, и стремление любого живого существа как-то преобразить, упорядочить для себя природу — с другой.

И в то же время все живые существа состоят из тех же самых химических элементов, из которых состоят звезды. В телах животных не обнаружено ни одного элемента, который не был бы отмечен в спектрах звездных атмосфер. Только почему-то процентное содержание простейших химических веществ в телах животных иное, чем в атмосфере Солнца и подобных ему звезд. Отличается оно и от распределения элементов у Земли в целом (считая, что внутри нее находится, как предполагают, железоникелевое ядро).

Вот как выглядит сравнение процентных содержаний химических элементов в теле человека и млекопитающих, в атмосфере звезд и в Земле в целом:

Распределение элементов в процентах

Учение о состояниях вещества далеко не завершено. Пожалуй, оно только начинает по-настоящему складываться. До сих пор нет еще полной ясности в том, что именно считать особым состоянием (считать ли, например, живое воплощение энного состояния или не считать?). Препятствует созданию учения сегодняшняя недоступность небесных масс, которые могли бы состоять из необычных для нас веществ.

Вторая трудность, впрочем, возможно, будет преодолена раньше. Как бы далеко ни заглядывал человек, но в конце концов находил искомое.