Как ученому-химику мне и хаос нравится рассматривать с точки зрения термодинамики. Термодинамика – это совершенно чудесная область, где сходятся физика и химия. Ее законы несколько напоминают права человека, только применительно к молекулам. Они не делают различий между разными частицами. Будь ты молекулой кислорода или атомом золота – законы термодинамики распространяются на все объекты, молекулы, атомы, физические и химические процессы.
Термодинамика (вместе с квантовой механикой) представляет собой самое фундаментальное научное понимание этого мира и вселенной. Она гласит: вселенная стремится к хаосу. Иначе, наверное, могло бы случиться так, что, пока я пишу эти строки, начала бы вдруг задыхаться на ровном месте, поскольку молекулы воздуха в комнате собрались в одном углу, а я осталась ни с чем. Казалось бы, полный абсурд, но столь ли абсурдна эта мысль на самом деле?
Воздух вокруг нас на 78 % состоит из газообразного азота, на 21 % из кислорода, а оставшийся 1 % составляют инертные газы и двуокись углерода
[14]. Но все вместе эти молекулы составляют меньше 0,1 % объема, то есть комнаты. Остальное – ничто!
А теперь посмотрите на кончик своего мизинца. У кого-то он больше, у кого меньше, но предположим, что по объему он равен одному кубическому сантиметру. В воздушной массе объемом один кубический сантиметр находится примерно 26 квинтиллионов молекул газа. Это число с двадцатью знаками перед запятой.
У молекул воздуха, естественно, есть масса. Одна молекула весит немного, но в сумме вес кубического метра воздуха составит 1,2 килограмма; этот показатель называют плотностью воздуха.
И у молекул есть не только масса. Этот невероятный рой еще и движется! Насколько быстро двигаются молекулы, зависит от температуры – вспомним кофейную чашку из главы 1: чем теплее, тем быстрее. При комнатной температуре молекулы газа носятся вокруг нас со скоростью выше 1000 км/ч. Резвые, однако, эти крошечные молекулы! Можно предположить, что и давление они немалое оказывают. Да, так оно и есть! Давление – это сила, приложенная на площадь поверхности. Из-за постоянных столкновений молекул с нами и другими поверхностями они оказывают давление – давление воздуха, или атмосферное. Оно составляет примерно 1 бар, что соответствует весу добрых 10 тысяч килограммов на квадратный метр.
Предположим, поверхность моей головы – 1,1 квадратного метра. Тогда получается, что на меня давит воздух весом примерно в 1000 килограммов, то есть целая тонна – почти столько же, сколько весит «Фольксваген Поло». На вас, разумеется, тоже – молекулы воздуха всех нас беспрерывно бомбардируют. Как мы вообще это выносим? Почему не ощущаем столь мощного давления воздуха?
Ну мы же тоже состоим из молекул. И они тоже со своей стороны оказывают давление изнутри наружу, примерно равное атмосферному. Когда внешнее давление меняется, мы, как правило, довольно быстро чувствуем это своими барабанными перепонками. Обычно мы не замечаем эти тонкие мембраны в своих ушах, пока давление по обе стороны от перепонок одинаково. Стоит давлению воздуха снаружи измениться, например при взлете или посадке самолета, как появляется ощущение, будто уши закупориваются. При повышении наружного давления молекулы воздуха начинают снаружи дубасить в ухо и вдавливают перепонку внутрь; если давление снаружи понижается, молекулы воздуха барабанят в ухо изнутри и давят на перепонку оттуда. Из-за этого появляется ощущение, будто уши заложило. А поскольку у барабанной перепонки маленький диапазон для колебания, звуки до нас доносятся приглушенными. Но в ухе есть своего рода клапан – евстахиева труба. Забавно, но иногда ее называют слуховой трубой. Это соединение между ухом и носовой полостью, которое обычно закрыто, но может ненадолго открываться, когда мы жуем или зеваем, и в результате давление компенсируется.
В самолете происходит перепад давлений, потому что по мере набора высоты плотность воздуха уменьшается. А что, если улететь выше, в космос например?
Наша плотная, полная резвых молекул атмосфера, по меркам вселенной, скорее раритет. На просторах мироздания царит вакуум. Вакуум – это пустое пространство, там ни молекул, ни вообще ничего нет. Если точнее, это пространство, свободное от вещества. Что случится, если в вакуум вселенной выбросить человека без скафандра? Спойлер: он умрет. Но интересно вот что: как именно?
Этот сценарий в разных интерпретациях многократно муссировался в научно-фантастических фильмах. В фильме «Звездные войны. Эпизод VIII» Лею выбрасывает в открытый космос, и поначалу кажется, что ее тело замерзает, вся кожа усыпана кристалликами льда. Эту сцену многие фанаты «Звездных войн» бранили за то, что очень уж она нереалистична: Лея в конечном счете выживает и возвращается на корабль, используя Силу. Мне эта сцена кажется нереалистичной в первую очередь потому, что в космосе так быстро не замерзнуть. И это несмотря на то, что там невероятно холодно. «Невероятно» здесь значит, что мы приближаемся к абсолютному нулю, то есть к той точке, когда холоднее быть не может.
Если температура – не что иное, как мера движения частиц (вспоминаем главу 1), то выражение «так холодно, как только возможно» равнозначно выражению «медленно, как только возможно». Поэтому абсолютный ноль – 0 градусов по Кельвину или минус 273,15 по Цельсию – можно представить себе как точку абсолютной неподвижности. Холоднее полной неподвижности ничего не бывает, поэтому у температур есть нижняя физическая граница. Однако третий закон термодинамики на практике не допускает достижения абсолютного нуля. Впрочем, космос к нему близок: там 2,7 градуса по Кельвину, или, соответственно, минус 270,45 по Цельсию. Да как же там можно, простите, не замерзнуть?
Это снова отсылает нас к кофе из главы 1. Охлаждение происходит главным образом посредством теплопередачи, а она, в свою очередь, – в результате столкновений молекул. Чем больше материи между собой контактирует, то есть чем чаще частицы могут сталкиваться, тем лучше передается тепло. Поэтому, например, ведерко ледяной воды для охлаждения напитка будет существенно эффективнее ведерка, наполненного кубиками льда (заодно и совет вам на случай нежданного визита гостей, когда надо будет быстро охладить напитки). Дело в том, что между кубиками льда есть воздух, а в нем по сравнению с водой частиц меньше, что ведет к меньшему числу столкновений. Следовательно, медленнее всего бутылки будут охлаждаться в холодильнике, поскольку воздух – никудышний проводник тепла.
