Марти Джопсон

Всё о науке за 60 минут

First published in Great Britain in 2015 by Michael O'Mara Books Limited

Illustrations © Emma McGowan 2015

Copyright © Marty Jopson 2015

© Банкрашков А. В., пер. с англ., 2021

© ООО «Издательство ACT», 2021

* * *

Джульетте, Поппи и Джорджу, которые страдают от ненасытного любопытства

Предисловие

Буквально повсюду нас окружают интереснейшие проявления науки. Но мы этого, как правило, не замечаем. Наука скрыта от нас на самом видном месте – в привычных явлениях повседневной жизни, которые мы принимаем как должное.

И все же, если остановиться на мгновение и копнуть глубже, можно почувствовать эту волнующую сладость научного познания. Например, подумайте о каком-нибудь остром блюде – что на самом деле вызывает ощущение жжения, когда мы едим его? Действие уже давно известной составляющей перца чили – капсаицина – было изучено на молекулярном уровне, но это лишь начало нашей пикантной истории. Есть также вещества, придающие пряный вкус: пиперин, гингерол, аллилизотиоцианат. Давно открыт и гидрокси-α-саншул, с которым связывают чувство онемения языка и вяжущий вкус. Молекулы этих веществ сильно отличаются по структуре, но каждая из них воздействует на наши рецепторы, вызывая неприятные ощущения.

Даже самые привычные устройства, которыми мы пользуемся ежедневно и на которые уже почти не обращаем внимания, могут оказаться невероятно увлекательными. Когда вы в последний раз задумывались над тем, что происходит внутри кварцевых часов? Так знайте: эта электрическая система обратной связи, используемая для генерации колебаний внутри кварцевого кристалла, дьявольски сложна, а кварц присутствует не только в часах, но и в каждом мобильном телефоне, компьютере и планшете. Есть он и в инфракрасных датчиках движения, которые являются частью сигнализаций, молчаливо наблюдающих за всеми нами, когда мы их даже не замечаем. То, что делает их такими блестящими охранниками, скрыто глубоко внутри. Хитрая схема из двух крошечных кристаллов позволяет датчику не только видеть ту часть спектра, которую мы увидеть не можем, но и реагировать на движущиеся источники инфракрасного излучения лишь определенного размера.

Увы, слишком часто, преодолевая барьер первоначального понимания, мы внезапно оказываемся на сугубо научной территории, где окончательный ответ заключается в том, что мы по-прежнему не знаем ответа. От возможности добычи драгоценной платины из «хвостов» (отходов технологических процессов при добыче других металлов) до постижения того, почему мотылек летит на свет, – в нашей повседневной жизни наука может проявляться в самых разных ее аспектах, но мы не понимаем еще слишком многого.

Однако так ли важно глубокое понимание этой «повседневной» науки? На первый взгляд – нет. И правда, зачем нам знать, как работает тостер или почему пребывание под деревом в жаркий день так восхитительно охлаждает тело? Ведь все эти вещи будут иметь место и без нашей осведомленности. И все же знание принципов помогает нам влиять на то, что происходит вокруг нас.

Прежде всего, во все более технологически управляемом мире понимание тех или иных явлений ведет к принятию более обоснованных решений. И порой это жизненно важные решения. Например, какой предмет нужно засунуть в тостер, чтобы протолкнуть застрявший кусок хлеба. Зная, что через голые нихромовые провода в тостере проходит ток, вы воспользуетесь деревянной ложкой или китайской палочкой для еды, но никак не металлическим ножом. Понимая принцип работы тостера, можно также сделать его более полезным и функциональным. То же самое и с деревом: оценка охлаждающего эффекта его листвы позволяет нам делать выбор в пользу увеличения зеленых насаждений в городах и поселках.

Речь идет о применении науки не только с целью коллекционирования лайфхаков в любой сфере вплоть до городского планирования. Существует и более абстрактная, но при этом более фундаментальная причина, по которой «повседневная» наука так важна: она делает нашу жизнь более захватывающей. Знание контекста любого явления и умение объяснить его заставляет воспринимать это явление совершенно иначе. Никто не будет отрицать, что это верно для шедевров изобразительного искусства и литературы. Но это верно и для науки. Стоит понять, почему кожа на пальцах покрывается морщинками в горячей ванне, и вы никогда больше не сможете смотреть на свои пальцы с прежним отношением. А значит, купаться вам станет гораздо интереснее.

В этой книге я расскажу о ряде удивительных и интригующих научных фактах, с которыми мы сталкиваемся постоянно. Но мое изложение совсем не похоже на то, что свойственно научным трудам. Так что вам не придется лететь к границам нашей Вселенной почти со скоростью света или сталкиваться с субатомными частицами. Все, что нужно сделать, это оглядеться вокруг и погрузиться в тонкости науки, которая присутствует в вашей жизни каждый день.

01 Наука о питье и пище

Самая сладкая вещь

Сахар, сочная клубника, теплый пирог только что из духовки и мой любимый мед прямо из сот… Большинству из нас так нравится сладкое, что потребность искать его, похоже, прочно запрограммирована в нашем мозге. Однако наша способность ощущать сладкий вкус удивительно неспецифична, и ее легко обмануть с помощью множества химических веществ, мало похожих на сахар. Более того, когда дело доходит до количественного измерения сладости, обычный сахар, или сахароза, оказывается совсем не сладким.

Самое сладкое из числа открытых химических веществ называют «лугдунам». По уровню сладости оно примерно в 250–300 тысяч раз слаще, чем сахароза. Однако химиков озадачивает то, что лугдунам не имеет никакого структурного сходства с другими сахарами. Это создает определенную проблему для научного понимания, поскольку, как правило, принцип работы наших рецепторов заключается в том, что они распознают молекулу лишь частично. То есть определяют схему расположения полудюжины (или около того) атомов. При этом расположение остальных атомов в молекуле не имеет значения, если эти полдюжины находятся в нужных местах. Это известно как модель «ключ – замок»: пока у химического вещества есть нужный ключ, он будет открывать замок рецептора. Но у сахарозы и лугдунама, похоже, нет ничего общего. Соответственно, вычислить ключ последнего пока не удается.

Под термином «сахара» скрывается целая группа химических веществ, в структуре которых имеются цепочки атомов углерода и иногда кислорода разной длины. Часто эти цепочки соединены в кольца. Простейшие сахара (например, глюкоза) могут иметь только одно такое кольцо или не иметь их совсем, как фруктоза. Две цепочки простых сахаров (моносахаридов) могут стыковаться, образуя такие соединения, как сахароза, которая на самом деле представляет собой закольцованную цепочку фруктозы, склеенную с изначальным кольцом глюкозы (по факту сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы). Все эти химические вещества имеют общую структуру и легко распознаются вкусовыми рецепторами как сладкие, поскольку обладают нужным ключом.

Однако все меняется, если посмотреть на заменители сахара. Наверняка вам знаком такой подсластитель, как аспартам, содержащийся во многих пищевых продуктах, включая диетические газированные напитки. Распространено мнение, что сахарозаменители – это полностью синтетические соединения, которые производятся в лабораториях. Но оказывается, в природе они существовали задолго до появления диетической индустрии, так что мы можем найти заменители сахара в самых неожиданных местах.

Моего любимца – он очень удивил меня, когда я впервые столкнулся с ним на экскурсии, – можно найти на берегу моря. В следующий раз, прогуливаясь вдоль скалистого берега, внимательно ищите Saccharins latissima, или ламинарию сахаристую. У этого растения довольно характерный вид, так что его легко заметить, если знаешь, что ищешь. Оно представляет собой коричневые морские водоросли, которые растут в виде отдельных, неразделенных слоевищ[1], часто пару метров в длину и около 10–15 см в ширину. Что делает ламинарию сахаристую особенной, так это то, что край слоевища у нее плоский и слегка волнистый, а центр сильно сморщен. Если извлечь таллом этой водоросли и дать ему высохнуть, на его поверхности проявится белый порошок – восхитительно сладкий, но с привкусом моря. (Только имейте в виду: если соберетесь лизать морские водоросли, сначала лучше свериться с их ботаническим описанием в определителе растений и лишайников.) В некоторых странах ламинария сахаристая пользуется большой популярностью и известна под названием «морская капуста», но в большинстве стран мира о ней практически никто не знает.

Вместо охоты за ламинарией можно обратиться к глицирризиновой кислоте, которая содержится в корнях Glycyrrhiza glabra, чаще называемой лакрицей или солодкой. Этот природный подсластитель используется в производстве лакричных конфет. Хотя глицирризиновая кислота всего в 50 раз слаще сахарозы, считается, что она дольше задерживается на наших рецепторах, придавая лакрице ее уникальный вкус. Лакричные сладости – как, собственно, и обычные – лучше употреблять в умеренных количествах, так как они не только способствуют повышению артериального давления, но и оказывает слабительное действие.

И, наконец, мой последний пример натурального подсластителя – стевия. Точнее, стевиолгликозидная группа химических веществ. Стевиолгликозиды – это гликозиды, входящие в состав листьев растений рода стевия. А их природный источник – «медовая трава» Stevia rebaudiana из Южной Америки. Эти химические вещества примерно в 150 раз слаще сахарозы, они термоустойчивы, кислотостойки и не поддаются ферментации дрожжами. Все это сделало их очень популярными в качестве пищевых добавок. Настолько, что крупнейшие производители газированных напитков в мире, Coca-Cola Company и PepsiCo, создали свои подсластители на основе стевии.

Общим для всех этих сахарозаменителей является некоторое структурное сходство с самой сахарозой. Поэтому неудивительно, что наши вкусовые рецепторы распознают их как сладкие, ведь они обладают нужным ключом к замку сладости. Но как же тогда «работает» суперсладкий лугдунам? Существует целый ряд теорий о нашей способности чувствовать сладкий вкус, и одна из последних называется «теория многоточечной привязанности». Она разработана биологами из Лионского университета во Франции. Согласно этой теории, вкусовой рецептор сладкого на языке образует не одну большую структурную область, а несколько – вплоть до восьми – более мелких и пространственно разнесенных областей. Похоже, что молекуле не нужно содержать все восемь «подключей», чтобы ее распознали как сладкую. Так что это уже модель не столько замка и ключа, сколько мешка с замками и ключницы, набитой крошечными ключами. Эта теория также дает нам элегантное объяснение того, почему суперсладкий лугдунам совсем не похож на сахарозу. Хотя молекулы отличаются друг от друга, каждая должна открывать некоторое количество из восьми замков, чтобы организм распознавал ее как сладкую. Возможно, набор этих замков индивидуален, однако нет сомнений, что наш язык намного менее разборчив, чем мы представляли себе ранее, – но все же не все сахара для него равнозначны.

Легкий и воздушный пирог

Едва ли есть вещи более приятные, чем свежий воздушный пирог с чашкой горячего чая. При этом создать столь аппетитный образец пекарского искусства совсем несложно. Вам потребуется лишь что-то, производящее много пузырьков газа, и способ запереть эти пузырьки внутри вкусного теста. Вторая часть задачи почти всегда решается добавлением яйца в тесто, а вот создать пузырьки можно разными способами.

Конечно, кто-то предпочитает взбивать яйца до образования пены, но гораздо проще и надежнее воспользоваться умной химией. Большинство хозяек полагается на пекарский порошок, или разрыхлитель: он добавляется в муку для быстрого подъема теста из расчета 5 г порошка на каждые 100 г муки. Как же он действует?

В пекарском порошке есть два ключевых ингредиента. Первый – это гидрокарбонат натрия, более знакомый нам как пищевая сода. Слово «сода» указывает на латинское sodium, что значит «натрий». Но что делает это химическое соединение столь полезным для нас, так это гидрокарбонатный остаток. Когда он растворяется в чем-либо кислом, то превращается в углекислоту, которая быстро распадается на воду и углекислый газ. Таким образом, пузырьки в тесте образуются при распаде гидрокарбоната, и заполнены они углекислым газом.

Кстати сказать, гидрокарбонат натрия разрушается с образованием углекислого газа при нагревании свыше 50 °C. Некоторые разрыхлители имеют маркировку «двойного действия», и обеспечивается оно кислой реакцией при замешивании теста и тепловым распадом гидрокарбоната при выпекании теста в печке.

И все же действительно эффективен пекарский порошок благодаря второму ингредиенту, входящему в его состав, – гидрофосфату натрия. Звучит сложно, но это всего лишь сухая порошкообразная кислота. Если добавить ее в воду, получится кисловатый раствор, похожий на тот, что образуется при добавлении в воду лимонного сока или уксуса, но совсем без запаха.

Эти два ингредиента разрыхлителя теста совершенно инертны, если хранить их в виде сухой смеси в шкафу, но стоит вам растворить их в воде или в чем-либо, содержащем воду, например в молоке или яйцах, как тут же начинается химическая реакция. Сначала гидрофосфат натрия делает тесто немного кислым, но потом начинает образовываться углекислый газ. Вот почему, как только вы добавите жидкость в тесто с разрыхлителем, вам следует срочно ставить его в духовку: чтобы не терять зря пузырьки углекислого газа. Если же оно простоит на кухонном столе слишком долго, пирог уже не получится таким легким и воздушным, хотя, возможно, останется столь же вкусным.

Секрет яичного белка

Подумайте вот о чем. Когда вы готовите яйцо, будь оно куриным, утиным или перепелиным, яичный белок превращается из совершенно прозрачной жидкости в твердую матовую массу белого цвета. Желток же остается того же цвета, хотя и меняет свою консистенцию. Почему прозрачность одного меняется, а другого нет?

Яйцо любой птицы содержит белки, жиры и минералы, необходимые для рождения птенца. Желток в яйце заключает в себе бóльшую часть калорий и является основным источником питания для развивающегося эмбриона. Это тот кусочек, в котором содержится весь жир. Белок же яйца представляет собой чистый белок, смешанный с водой. Он нужен для того, чтобы поддерживать и защищать желток, хотя в конечном счете он тоже участвует в процессе формирования птенца. Белки в составе сырого яичного белка называются альбуминами, и состоят они из сотен длинных цепочек аминокислот. По всей длине этих цепочек располагаются заряженные радикалы, обладающие свойством прилипать к другим радикалам вдоль тех же цепочек. Соответственно, в процессе соединения их зарядов линейные белки сворачиваются в крошечные шарики. Так что белок яйца – это по сути белковые молекулы альбумина, плавающие в воде.

Теперь давайте разбираться в том, что делает что-либо прозрачным или непрозрачным. На молекулярном уровне сырой яичный белок образует комплексы с молекулами воды, и вода как бы окружает толстым слоем коллоидные частицы белка. И на этом уровне кажется маловероятным, чтобы свет мог проникнуть глубоко в белок, не говоря уже о том, чтобы пройти насквозь. Однако если переместиться на уровень субатомных частиц, все меняется. В атоме есть ядро, окруженное облаком вращающихся электронов, и это ядро занимает лишь крошечную часть пространства внутри атома. Существует множество популярных аналогий, иллюстрирующих это, включая спортивные стадионы и горох[2], но основная концепция заключается в том, что внутри атома очень, очень мало чего есть. В ряде допущений это просто пустое пространство с редкими включениями электронов.

Когда луч видимого света попадает в атом, то едва ли упирается в ядро. Скорее, он проходит сквозь облако электронов. А электроны могут существовать только на определенных энергетических уровнях. Если не вдаваться в слишком головоломные квантовые подробности, причина в том, что атомы, аналогично электронам, обладают несколькими резонансными частотами. Возможные уровни энергии атома зависят от его типа и от того, к какому атому он сам присоединен.

Луч света имеет определенное количество энергии, которое зависит от длины волны, или цвета, луча. Когда свет проходит через облако электронов, они способны поглощать его энергию и переходить на более высокий энергетический уровень. Но это возможно, только если энергия кванта света в точности соответствует нужному количеству энергии: ее должно быть ровно столько, сколько требуется для прыжка – электрон не может перепрыгнуть уровень или лишь немного превысить свой. Оказывается, в яичном белке, полном воды и белков, энергетические уровни электронов слишком далеко разнесены друг от друга. Так что когда видимый свет попадает на яичный белок, он никогда не обладает тем количеством энергии, которое нужно электронам. А поскольку свет не поглощается, он проходит прямо через жидкий яичный белок, и тот кажется нам прозрачным. Стоит отметить, что вода и сырой яичный белок непрозрачны, к примеру, для ультрафиолета. Этот вид светового излучения обладает достаточным количеством энергии, чтобы электроны могли перескочить на новый уровень. Следовательно, излучение поглощается.

Но все меняется, когда мы нагреваем яичный белок. Примерно при 60 °C некоторые альбумины начинают менять структуру. А при 80 °C происходит уже массовое нарушение внутренней структуры яичного белка. Свернувшиеся клубки аминокислот, из которых состоят альбумины, так сильно вибрируют от жара, что химические связи, удерживающие сложную структуру белка, постепенно распадаются. Отдельные узлы белков распутываются, и яичный белок становится бульоном из длинных цепочек аминокислот, которые запутываются и прилипают друг к другу. На прозрачность яичного белка разрушение природной структуры белков (это называют денатурацией белка) влияет двояким образом. Во-первых, поскольку измененные белковые молекулы спутаны друг с другом, они не могут свободно перемещаться, и яичный белок превращается в желеобразное твердое вещество. Во-вторых, в рамках этого процесса изменение энергетических уровней электронов в яичном белке уже возможно, а значит, последние становятся способными поглощать видимый свет. Теперь при попадании луча света на яичный белок свет не проходит сквозь него, так что белок кажется непрозрачным.

Стоит задаться вопросом, что же происходит со всей этой поглощенной энергией. Ответ таков: она высвобождается в виде света электронами, когда они возвращаются обратно на более низкие энергетические уровни. Однако свет высвобождается во всех направлениях, а не обязательно в том, в котором двигался тот, первый луч. Часть света уходит вглубь яичного белка, а другая – по крайней мере ее половина – отражается обратно в сторону первоначального источника света. Все это делает яйцо непрозрачным и белым.

Теперь, когда природа прозрачности яичного белка прояснилась, осталось понять, что такое яичный желток и почему он непрозрачный. В этом случае объяснение немного сложнее, чем большие интервалы между энергетическими уровнями электронов. Яичный желток – это не просто вода с растворенным в ней белком. Он содержит также множество крошечных капель жира. Когда свет попадает на них, то отражается от их поверхности и рассеивается.

Учитывая, как много моментов должно совпасть, чтобы вещество было прозрачным, это просто чудо, что прозрачные вещества вообще есть. Однако даже не пытайтесь убедить меня рассказать, как такое твердое тело, как стекло, ухитряется сохранять свою прозрачность!

Копченый – (не) значит готовый

Недавно один очень молодой человек спросил меня, можно ли есть копченого лосося. Готов ли он? Этот вопрос вызвал у родителей, к числу которых я причисляю и себя, вспышку беспокойства, а мой ответ был примерно таким: «Не беспокойся об этом, просто ешь его и не задавай глупых вопросов». Несомненно, тот молодой человек принадлежал к числу людей, которым с младых ногтей внушали мысль никогда не есть не до конца приготовленные продукты – как и не довольствоваться плохо продуманными ответами. Так что мне пришлось поразмышлять усерднее и дать более удовлетворительное объяснение.

В конечном счете ответ на этот вопрос зависит от того, что вы подразумеваете под готовностью блюда, каковы ваши критерии. В словаре упоминается, что приготовление пищи связано с использованием тепла. Но, что действительно важно, там не указано, сколько тепла требуется и каким, собственно, должен быть результат. Более научное определение должно содержать сведения о специальной обработке пищевых продуктов с целью их хранения, то есть о консервации, и распутывании белков в приготовленной пище.

Если вы хотите приготовить что-то и распутать белки в тех или иных продуктах, то тепло – самый простой путь этого добиться. Известно, что для уничтожения бактерий необходима температура выше 70 °C, и это неслучайно. Именно при такой температуре белковые молекулы начинают распадаться. При более высокой температуре клубки длинных белковых цепочек раскручиваются – происходит денатурация. Обычно это приводит к явному изменению внешнего вида белка, а в случае с лососем характеризуется изменением его цвета от темного и пропускающего свет до гораздо более светлого и непрозрачного розовато-персикового.

Поскольку при копчении лосося подобного не происходит, теоретически это должно означать, что рыба все еще не пригодна к употреблению. Так ведь? Ну, вроде того. Ошибка рассуждений в том, что тепло – не единственный способ приготовить пищу. Копченый лосось в Англии традиционно производится в рамках двухступенчатого процесса. Сначала сырую рыбу засыпают солью и оставляют на 24 часа. Это высасывает из рыбы основную массу воды, высушивая ее примерно на 10 % от первоначального веса. Однако соль не только высасывает воду, но и убивает большинство бактерий, которые могут жить в рыбе. После этого тушки лосося подвешивают в курильне (задымленном помещении) примерно на 12 часов при температуре не более 30 °C. Сам дым мало на что влияет, разве что обеспечивает особый вкус, хотя и есть доказательства того, что некоторые химические вещества в дыме обладают антибактериальными свойствами. Но вот что точно делает дым, так это высушивает рыбу еще на 10 %. Таким образом, она становится решительно негостеприимной для бактерий и может храниться длительное время, пройдя лишь незначительную термическую обработку.

Так какой же ответ нужно было дать молодому человеку? При копчении лосося используется мягкое тепло, и белки в рыбе не денатурируются, однако она консервируется. То есть, согласно словарю, рыбу можно считать приготовленной, но в соответствии с более строгим научным определением она не готова. Итак, копченый лосось – это блюдо, приготовленное наполовину.

Холодный каравай – черствый каравай

Холодильники изменили наш подход к питанию и ведению хозяйства. Помещая продукты в ящик, где температура на несколько градусов выше точки замерзания воды, мы можем замедлить рост бактерий и плесени и увеличить срок хранения десятков видов продуктов – от йогурта до тушек цыплят. Низкая температура также помогает сохранить пищу влажной, уменьшая испарение. А в случае с фруктами она еще и активно препятствует их созреванию. Холодильники на кухне и рефрижераторы позволили нам наслаждаться любимыми продуктами в любое время года, где бы мы ни находились, ведь теперь они всегда есть в наших супермаркетах. И все же кое-что охлаждать в холодильнике не следует. Например, хлеб. Замораживание – прекрасная идея для длительного хранения хлеба, но никогда, повторяю, никогда не храните его в холодильнике.

Хлеб может включать в себя всевозможные ингредиенты, но в его основе лежит всего три компонента: мука, вода и дрожжи. Дрожжи представлены живыми микроорганизмами, которые растут и производят пузырьки углекислого газа, обеспечивая тем самым легкую «пушистость» выпеченному хлебу. Но ключевую роль в моем совете «не охлаждать хлеб» играют мука и вода.

Я надеюсь, все вы знаете, что муку изготавливают, перемалывая семена пшеницы. Они состоят из трех частей. Наружная оболочка семян (после обдирки отрубей) богата волокнами, но на этом ее ценность заканчивается. Под наружной оболочкой находится зародыш, который при посеве семени становится новым ростком пшеницы. Наконец, бóльшую часть внутреннего пространства семени заполняет крупный сгусток крахмала, смешанный с небольшим количеством белка. Для получения цельной пшеничной или ржаной муки используются все три части семени, а знакомая нам белая хлебопекарная мука (высшего или первого сорта) – это просто размолотый крахмалистый шарик с белком. Если смешать белую муку с водой и немного помесить ее, получится пружинистое тесто, а не клейкое месиво. Упругость этому тесту придает белок, называемый клейковиной или глютеном. Однако этот факт не имеет никакого отношения к теме охлаждения хлеба, поэтому я заканчиваю свое отступление, и мы продолжаем.

Что в данном случае действительно важно, так это форма, которую молекула крахмала принимает в семенах пшеницы, прежде чем их размелют для получения муки. Крахмал в растениях образуется путем соединения глюкозы в длинные цепочки, а затем «сшивания» этих цепочек друг с другом. Растение формирует крошечные гранулы крахмала в семени как запас питания, и, именно из-за того, что крахмал «упаковывается» в гранулы, его описывают как кристаллическую структуру. При смешивании гранул крахмала, составляющих основную массу муки, с водой, вода проникает между длинными цепочками глюкозы, расщепляя тем самым аккуратную кристаллическую структуру, и крахмальные гранулы набухают и становятся более мягкими и студенистыми. Можно увидеть это, если залить кипятком кукурузный крахмал – он сразу же превратится в липкую слизь. Да, звучит не очень-то аппетитно, но именно это крахмалистое вещество делает хлеб мягким и влажным.

Если оставить хлеб на столе, он начнет черстветь. В значительной степени потому, что вода в нем постепенно испаряется, но причина также и в том, что крахмал очень медленно возвращается к своей кристаллической структуре. Этот второй процесс называется ретроградацией. В ходе него вода выжимается из студенистого крахмала, и, хотя какое-то ее количество все еще может оставаться в хлебе, тот становится более сухим и черствым. Решающим моментом здесь является то, что ретроградация резко ускоряется при температуре от –8 до 8 °C. Таким образом, в холодильнике, при температуре около 5 °C, крахмал быстрее ретроградирует и хлеб становится черствым. Даже если его плотно завернуть в пластиковый пакет, чтобы предотвратить высыхание из-за испарения воды, хлеб в холодильнике все равно будет черстветь быстрее, чем при комнатной температуре. Он также покажется сухим на вкус, хотя содержание воды в нем почти не изменится.

Однако все не так уж и плохо, поскольку при температуре намного ниже –8 °C крахмал не ретроградирует. Так что вполне разумно, если вы хотите продлить жизнь хлеба, просто заморозить его (при температуре около –20 °C). Вы также можете восстановить хлеб, который зачерствел в холодильнике, осторожно нагревая его: поместите буханку в духовку на пять минут, и хлеб не только станет хрустящим, но и по вкусу будет напоминать свежеиспеченный. Конечно, хлеб, хранящийся при комнатной температуре, заплесневеет гораздо быстрее, чем охлажденный, поэтому тут уже кому что больше нравится – заплесневевший или черствый.

Острее острого

В обычной коллекции кухонных специй может скрываться немало природных сильнодействующих средств. Для фармацевта некоторые из них полезны тем, что обладают очень специфическим биохимическим действием, тогда как для всех остальных – лишь приятной пикантностью, которую они придают различным блюдам. Самое известное из этих средств – капсаицин, и содержится он в перцах чили всех форм и размеров. Относительная острота перца чили зависит от того, сколько в нем капсаицина. Эту остроту можно измерить с помощью разработанной в 1912 году американским химиком Уилбуром Сковиллом системы для сравнительной оценки степени жгучести перцев капсикум – так называемой шкалы Сковилла. По ней болгарский перец имеет 0 ЕШС (единиц шкалы Сковилла), перец «халапеньо» – около 2 500 ЕШС, а карибский красный перец (известен также как «шотландская шляпа») – от 100 000 до 350 000 ЕШС. Тем не менее эти перцы – «дети» по сравнению с суперострыми сортами. Нынешний рекордсмен мира – перец сорта «каролинский жнец». Этот уродливый ярко-красный сморщенный перчик чили набрал более 2 000 000 ЕШС.

К сожалению, шкала Сковилла довольно ненадежна, поскольку жгучесть оценивается группой из пяти дегустаторов, пробующих разбавленные экстракты тестируемого перца. Когда трое из пяти дегустаторов соглашаются, что ощущают лишь тепло во рту, определяется степень разбавления экстракта и, собственно, величина остроты перца по шкале Сковилла. В зависимости от выбранных дегустаторов результаты могут сильно отличаться. Есть мнение, основанное на результатах другого теста, что чистый капсаицин наберет 16 000 000 ЕШС, что, безусловно, умопомрачительно остро даже для самого ярого поклонника перчиков чили.

Далеко не просто так в английском языке вкус перца чили и капсаицина, который он содержит, описывается словом hot, что значит «горячий». На языке и в слизистой оболочке рта у человека находятся нервные окончания, позволяющие нам чувствовать также высокую температуру. Благодаря им, если вы наберете полный рот супа и он окажется слишком горячим, вы сразу узнаете об этом. На самых кончиках нервных клеток есть клеточные мембраны, которые включают в себя белок. Защитный механизм запускается при температуре 43 °C: белок начинает менять форму и открывает отверстие в мембране нервных клеток, позволяя ионам кальция проникать внутрь. Это, в свою очередь, запускает нервный импульс, «выстреливающий» в ваш мозг сообщение, которое вы расцениваете как тепло и боль. Этот белок носит крайне незапоминающиеся названия: «катионный канал с транзиторным рецепторным потенциалом», «ванилоидный рецептор 1»[3] и «терморецептор», а для ученых – TRPV1. Оказывается, что не только тепло активирует TRPV1, но и капсаицин, когда «прилипает» к этому белку. Таким образом, перец чили ощущается во рту точно так же, как что-то горячее, по той причине, что и то и другое обнаруживается одними и теми же нервными окончаниями.

Однако перец чили – не единственная острая на вкус специя. Черный перец, имбирь, горчица и даже сычуаньский перец тоже вызывают жар во рту, хотя и за счет разных химических веществ. А связывает все эти вкусовые ощущения то, что в основе защитного механизма лежит уже знакомый нам белок TRPV1. Каждая острая специя содержит соединение, активизирующее нервные окончания, которые позволяют нам распознавать тепло. В черном перце есть пиперин (его жгучесть оценивается в 100 000 ЕШС), а в имбире – гингерол (60 000 ЕШС). Представители семейства капустные, к примеру горчица, хрен и васаби, содержат аллилизотио-цианат, или аллилгорчичное масло. Хотя это соединение тоже активирует наши чувствительные к теплу нервные окончания, оно более летуче, то есть легко превращается в газ. Поэтому, когда вы съедаете ложку горчицы, аллилизотиоцианат превращается в газ и проникает в нос, где активирует тепловые рецепторы, которые в свою очередь заставляют вас плакать и обычно очищают ваши носовые пазухи.

Последний в моем «горячем» списке – сычуаньский перец. Оказалось, что он не так уж и прост. Эта специя встречается в азиатской кулинарии и является одним из компонентов знаменитой китайской приправы из пяти трав[4]. Его выделяют из кожицы крошечных ягод дальнего родственника семейства цитрусовых[5]. Активное химическое соединение гидрокси-α-саншул имеет знакомый нам острый вкус капсаицина, а также создает во рту ощущение странного онемения или покалывания. За тепло, которое мы чувствуем, ответственен наш старый знакомый – белок TRPV1. Однако удовлетворяющего всех научного заключения о том, что вызывает онемение, пока не сформировалось. Похоже, гидрокси-α-саншул может воздействовать на другие белки в нервных окончаниях – те, что отвечают за наши тактильные чувства, то есть ощущение прикосновений.

По иронии судьбы все растения, которые «производят» перечисленные мной специи, обзавелись жгучими веществами в ходе эволюции, чтобы с их помощью отпугивать животных. Но так случилось, что многим людям очень даже понравилось испытывать ощущения, похожие на боль от ожога, и теперь они щедро добавляют эти пряности в различные блюда.

Слезливая тема лука

Лук – один из тех овощей, что человечество культивирует с давних времен. О нем писали римляне и древние греки, а египтяне 5 000 лет назад использовали семена лука в своих ритуалах мумификации и рисовали изображения лука на стенах гробниц. Его история началась даже раньше бронзового века: лук обнаружили в останках 7 000-летней давности в Палестине. Казалось бы, за несколько тысячелетий люди уже должны были бы справиться с его основной проблемой – тем, что он заставляет нас плакать.

Возьмите нож и начните резать мякоть лука. Делая это, вы вскрываете множество необычно больших его клеток. Внутри клеток есть два химических вещества, которые обычно не вступают во взаимодействие, поскольку содержатся в разных клеточных отсеках. Разрезая клетки, вы разрушаете целостность отсеков, так что химические вещества смешиваются. Первое из этих веществ – группа аминокислот, белковых строительных блоков, имеющих в своем составе атомы серы и кислорода. Когда эти аминокислоты соединяются с ферментом аллииназа, они производят высокоактивные сульфокислоты. Кстати, английское слово alliinase («аллииназа») происходит от латинского allium – это научное название рода лук.

Образование сульфокислот еще не конец химической цепочки. Далее в дело вступает второй фермент. Величественно названный «синтаза слезного фактора», он начинает взаимодействовать с сульфокислотами и производит, как вы уже наверняка догадались, этот самый «слезный фактор». Учитывая, что по-научному его именуют syn-propanethial-S-oxide, или «пропантиальный оксид серы», я полагаю, что в данном случае разумно ограничиться названием «слезный фактор». Итак, мы подходим к концу нашей истории, поскольку это соединение – очень летучая жидкость, которая моментально превращается в газ, достигающий наших глаз (и других слизистых оболочек).

Возможно, вы удивитесь, но передняя прозрачная часть наружной оболочки вашего глаза, роговица, заполнена сенсорными, или чувствительными, нервными окончаниями. Они нужны, чтобы выявлять все, что касается нежной роговицы. Когда происходит контакт чего-либо с роговицей, мы бессознательно моргаем и у нас появляются слезы, чтобы смыть раздражитель. Слезный фактор же прилипает к нервным окончаниям, заставляя их поверить, будто роговицы коснулось что-то горячее. Мы чувствуем это как жгучую боль, хотя никакого тепла на самом деле нет, и наши глаза начинают слезиться. Есть много химических веществ, способных вызывать такую же реакцию, например капсаицин, но лишь лук и родственные ему растения являются источниками летучих слезоточивых веществ, или лакриматоров.

С химией разобрались. Однако пока совершенно неясно, почему в луке эволюционировала столь запутанная цепь химических событий, ожидающих своего часа. Для этого нам нужно обратиться к ботанике, а также к пониманию природы травоядности животных. Лук – растение двулетнее. В первый год он вырастает из семени в веер толстых, но полых зеленых листьев и попутно создает себе запас пищи в основании этих листьев, поскольку, набухая, именно листья формируют под землей луковицу. Она перезимовывает и весной пускает побег, затем еще больше листьев и, наконец, цветонос. Цветы в свою очередь дают семена, и весь цикл начинается снова. Очевидно, что с точки зрения выживания растения крайне важно, чтобы луковица, переполненная накопленной энергией, оставалась в земле невредимой в течение всей зимы. С этой целью в ходе эволюции у лука выработалась способность последовательно выделять неприятные химические вещества. Если какое-либо животное начинает жевать луковицу, из нее высвобождаются слезоточивые летучие соединения, и глаза травоядного начинают гореть. В итоге оно благоразумно оставляет растение в покое.

Но к несчастью для лука, после разрушения слезоточивых соединений проявляется восхитительный вкус и аромат. Так что ради этого мы готовы терпеть боль и дискомфорт.

Людям так нравится лук, что они то и дело пытаются придумать, как избежать слез. Эти методы варьируются от причудливых и бесполезных, таких как покусывание деревянной ложки во время измельчения лука, до чрезвычайно неудобных, например резки лука под проточной водой. Однако есть и несколько вполне научных методов. Поскольку слезный фактор воздействует на слизистую оболочку глаз, обычные очки для плавания полностью избавят вас от слез. Выглядеть вы будете довольно глупо, так что, если вам это не подходит, попробуйте открыть окно или включить вентилятор, чтобы создать ветерок и сдуть слезный фактор.

Решение проблемы, популярное среди профессиональных поваров, еще проще – быстро измельчать лук. Проходит около 30 секунд, прежде чем в ходе химической реакции начнет выделяться слезный фактор. Владея очень острым ножом и отточенной техникой, опытный шеф-повар способен нарезать луковицу даже быстрее. Добавлю также, что крайне важно сразу же выложить нарезанный лук на сковородку, залить его маслом и начать готовить. Если же вы оставите лук на доске, все ваши усилия окажутся напрасными.

Существует и еще один научный подход. В 2008 году в Новой Зеландии Колин Иди и его команда биологов нашли способ генетически модифицировать лук так, чтобы остановить производство синтазы слезного фактора. Нет фермента – нет слез. Кроме того, ученые утверждают, что все остальные вкусовые и ароматические вещества в луке останутся, он будет даже более вкусным. Поскольку пока получены лишь первые результаты, пройдет еще много лет, прежде чем на полках супермаркетов появится по-настоящему бесслезный лук. Ну а до тех пор носите очки и учитесь резать его быстрее на ветру.

02 Что в сердце кухонных наук

Изобретение, изменившее нашу кулинарию

Охлаждение не просто помогает сохранить напитки и продукты холодными. Этот процесс – краеугольный камень западной культуры питания. Возьмите что-то существенное, скажем пакетики с листьями салата. Я, например, никогда не ел ничего более потрясающего, чем мягкий салат латук в его естественном виде. Если оставить пакет с салатом не в холодильнике, уже через несколько дней он превратится в отвратительную черную слизь. С точки зрения биологии это увлекательная и совершенно волшебная метаморфоза, тогда как для нас – скорее проблема. Охлаждая смешанные листья японской листовой капусты мизуна (салат мицуна) и ароматную зелень салата рокет, мы замедляем процесс клеточного распада и роста бактерий. Без охлаждения было бы невозможно собрать, вымыть, упаковать и довезти салат до потребителя.

Конечно, в охлаждении нуждается не только пакетированный салат. Без него половина полок супермаркетов была бы пуста. Одни из самых популярных фруктов в мире – бананы. Однако без охлаждения до 13 °C при перевозке они превратились бы в перезрелую черную кашицу еще до того, как доберутся до потребителей.

Идея использования низких температур для продления срока хранения пищевых продуктов известна на протяжении многих веков. Великому Фрэнсису Бэкону, эрудиту начала XVII века, а не художнику XX века, обычно приписывают изобретение замороженной курицы. Конечно, это не все, что он сделал, но единственное в его творческой биографии, что имело отношение к охлаждению продуктов питания. Ранней весной 1626 года, направляясь в деревеньку Хайгейт на севере Лондона, Бэкон по неизвестным нам причинам решил купить выпотрошенного цыпленка и набить его снегом. Тем самым он продемонстрировал, что охлаждение – это замечательный способ дольше сохранять пищу свежей. К несчастью, этот эксперимент стал одним из последних, проведенных Бэконом. Должно быть, он был одет неподобающе легко для сильного снегопада и подхватил простуду, которая переросла в пневмонию. Вскоре, все еще находясь в Хайгейте, ученый умер. Так что, к сожалению, история не донесла до нас записи о первом в мире приготовлении в печи замороженного цыпленка.

Холод, который производят холодильники, – результат довольно простого процесса, а именно испарительного охлаждения. В следующий раз, когда выйдете из душа, остановитесь на мгновение, ощутите холод и подумайте, почему вам холодно. В конце концов, когда вы раздевались, чтобы пойти в душ, вам же не было так холодно. Так почему же, когда вы выходите из душа, вам становится холоднее? Это не температура в комнате падает, а вода, которая испаряется с кожи, охлаждает вас.

Впервые данный эффект продемонстрировал хитрый шотландец по имени Уильям Каллен – в 1756 году на публичной лекции о том, как охлаждать различные вещи. Это произошло в Эдинбурге, в Шотландии, так что слушателям наверняка была очень близка тема холода. На лекции Каллен продемонстрировал интересный факт. Если позволить жидкости, которую мы сегодня называем диэтиловым эфиром, испариться, она остынет настолько, что ее можно будет использовать для замораживания воды. То есть ученый делал лед прямо на лекции. Причина, по которой он использовал именно диэтиловый эфир, заключается в том, что у него очень низкая температура кипения – 35 °C, даже ниже нормальной температуры тела человека. Выступление Каллена прошло отлично по всем статьям. Но, увы, лед, который он получил на глазах у собравшейся публики, не смог зажечь ни одной изобретательской искры, так что потребовалось целых 150 лет, чтобы этот принцип воплотился в механизме.

Таким образом, действие наших домашних холодильников основано на принципе, представленном Калленом и реализованном в практичной, удобной для всех нас форме. Специальная жидкость, называемая хладагентом, в ряде трубок попеременно испаряется и охлаждается, а затем конденсируется и нагревается. Хладагент по сути делает то же самое, что и диэтиловый эфир. Испарение происходит в вертикальной пластине внутри холодильника. Хладагент превращается в газ в трубках этой пластины, забирая тепло из внутренней части холодильника. И именно так в нем рождается холод. Далее газообразный хладагент направляется к металлической решетке, расположенной сзади. Я уверен, вы знаете, о чем идет речь. Это такая проволочная решетка, которая вечно покрыта толстым слоем пыли. В ней еще иногда застревают мелкие предметы, которые падают за холодильник. Но самое главное – она всегда теплая на ощупь. Внутри ее трубок происходит обратный процесс. Хладагент конденсируется из газа обратно в жидкость и высвобождает запасенную последним энергию. Эта энергия высвобождается в виде тепла, которое рассеивается в воздухе за нашими холодильниками. Чтобы заставить эту систему работать, нужно всего лишь прокачивать хладагент по трубкам. При соединении трубок разных диаметров внутри герметичной системы создаются зоны высокого и низкого давления, и хладагент можно заставить испаряться и конденсироваться в конкретных местах. Со временем расположение трубок и используемые хладагенты, конечно, изменились, но принцип, лежащий в основе холодильных установок, не поменялся.

Итак, можно ли создать более эффективный холодильник? Сейчас есть и другие технологии, которые позволяют охлаждать, – например, основанные на эффекте Пельтье, с прямым преобразованием электричества в разницу температур. Но конкретно эти технологии подходят лишь для изготовления очень маленьких холодильных установок (скажем, процессоров в компьютерах). Если же вы хотите сделать свой холодильник более эффективным, есть несколько доступных идей. Во-первых, не открывайте его. Конечно, это не самый практичный совет, но все же помните: каждый раз, когда вы открываете холодильник, холодный воздух буквально вырывается из него и заменяется теплым. Во-вторых – и это уже гораздо более реально, – постарайтесь держать холодильник полным. Тогда при его открывании внутри будет меньше воздуха, который вырвется наружу. И наконец, совет для действительно увлеченных: вы можете повысить теплоизоляционные свойства холодильника с помощью полистирольных листов. Это поможет оградить холодильник от просачивания в него тепла и почти вдвое снизит энергопотребление устройства. Но имейте в виду: если решите последовать этому совету, убедитесь, что не закрываете теплую решетку в задней части холодильника. Иначе она не сможет выполнять свою работу по рассеиванию тепла.

Возможно, холодильник и его сверхмощный брат – морозильник – и не самые блестящие и впечатляющие из многочисленных изобретений человечества, но то, что они оказали и продолжают оказывать невероятно значительное влияние на наш рацион питания, не вызывает ни малейших сомнений.

Великая путаница единиц измерения энергии

По левую руку от меня лежит нераспечатанная пачка печенья с джемом и кремом. Информация о пищевой ценности, напечатанная на упаковке, говорит мне, что энергия, содержащаяся в одном печенье[6], составляет 75 ккал, что я интерпретирую как 75 килокалорий или 75 000 калорий. Однако тут же сообщается, что энергетическая ценность каждого печенья 312 кДж, или 312 килоджоулей. А в довершение всего – что в одном печенье 75 калорий. Как же все это понимать?

На самом деле все три единицы измерения, килокалории, килоджоули и калории, измеряют одно и то же – энергию. Официальной научной единицей измерения энергии является джоуль, как это определено Международной системой единиц. Эту единицу измерения назвали в честь очень образованного и умного человека – Джеймса Прескотта Джоуля. Беда в том, что энергия приходит к нам в самых разных формах, каждая из которых имеет свою единицу измерения. Например, единица электрической энергии – киловатт-час, а тепловой, содержащейся в газе, – терм. Единица механической энергии – лошадиные силы в час – и британская тепловая единица используются для определения энергетического потенциала автомобилей и систем отопления соответственно, но моя любимая единица энергии – восхитительный эрг. Эрг входил в систему «сантиметр-грамм-секунда», ныне уже ставшую историей. Эту систему в 1873 году ввела Британская ассоциация развития науки. К сожалению, когда ее заменили на гораздо более разумную систему «метр-килограмм-секунда», место эрга занял джоуль.

Если речь идет о продуктах питания, в настоящее время мы используем две единицы: калории и джоули. Первоначально количество энергии, содержащейся в пище, определялось примитивно: путем ее полного сжигания в закрытом контейнере и измерения сопутствующего повышения температуры в небольшом объеме воды. Вот откуда взялось понятие «калория». В 1824 году калорию утвердили в качестве единицы измерения тепла и установили величину одной калории: 1 калория эквивалентна тепловой энергии, необходимой для повышения температуры 1 грамма воды ровно на 1 °C. Таким образом, 1 килокалория может нагреть 1 000 граммов или 1 литр воды на 1 °C.

Однако в наши дни измерение пищевой энергии, или энергетической ценности, как правило, производится совсем не так. Если раньше сжигали саму пищу, то теперь в лабораториях сжигают результат экстракции отдельных компонентов (белков, жиров и углеводов) из продуктов питания. Это так называемая система Этуотера[7]. В соответствии с ней ученые сначала определяют по отдельности количество белков, жиров и углеводов в тестируемой пище. Затем рассчитывается энергия, содержащаяся в пище, с использованием средних значений энергии в белках, жирах и углеводах. Итак, мое печенье содержит 10 г углеводов по 4 ккал/г, что дает 40 ккал на одни лишь углеводы; 1 г белка с калорийностью 4 ккал/г и 3,4 г жира с калорийностью 9 ккал/г. Сложите все это, и у вас получится 74,6 ккал в одном печенье.

Тем не менее калория – довольно маленькая единица энергии. В большинстве порций пищи, которую мы едим, много тысяч калорий. Только в моем печенье 75 000. Получается, что проще измерять энергетическую ценность в килокалориях и просто заменять термин «килокалория» понятием «калория». Однако делается это без какого-либо последовательного подхода, и в результате возникает путаница. Вот почему на упаковке моего печенья указано одновременно и 75 калорий, и 75 ккал. Ну а еще больший сумбур вносит то, что приводится также энергетическая ценность в джоулях.

Само собой, было бы намного проще, если бы все пользовались одной единицей измерения. Но я не знаю, какую из них предпочел бы. Сидящий во мне ученый настаивает на джоулях. Но калория – гораздо более понятная всем нам единица измерения. Как бы то ни было, мы совершенно точно должны прекратить писать «калорий», когда имеем в виду «килокалорий». Учет калорий дает нам возможность узнать энергетическое содержание всей пищи, которую мы кладем в рот. И отсутствие такого учета порой очень плохо сказывается на нашем здоровье.

И все же я избегаю вопроса, который беспокоит меня больше всего. Пока я пишу эти строки, я глубоко взволнован осознанием того, что с помощью энергии, содержащейся всего в двух только что съеденных мной печеньях, можно довести два литра воды комнатной температуры почти до кипения. Пожалуй, лучше я уберу эту пачку, прежде чем еще одно печенье отправится ко мне в рот.

Капающий чайник

Для истинных британцев, к которым я себя причисляю, употребление чая – часть культурного наследия. Поэтому, казалось бы, разобраться с проблемой капающего чайника должны именно мы. Однако окончательный вердикт по этому вопросу вынесла четверка ученых из Лионского университета. Именно они обнаружили, что некоторые особенности чайника все же нельзя предсказать с помощью гидродинамики. (Следует отметить, что открытие было сделано исключительно потому, что до этих французов никто не удосуживался рассмотреть проблему капающего чайника с точки зрения физики.)

Считается, что еще до появления чайников людям удалось установить интересный факт. Когда через трубку (такую как носик чайника) протекает большое количество жидкости, природа поверхности трубки (ее гидрофильность или гидрофобность) не должна иметь значения. Однако сегодня мы точно знаем, что она важна. Традиционное лекарство от капающего чайника – просто смазать маслом край его носика. Но этот давно известный способ всегда казался мне глупой затеей: лучше я пролью половину своего чая на скатерть, чем буду пить его с маслом.

Французская команда ученых обнаружила, что роль играют три фактора. Во-первых, скорость потока жидкости: чем быстрее поток – тем меньше капель. Во-вторых, радиус кривизны края носика: чем он тоньше и острее – тем лучше. Ну и, наконец, природа поверхности: как вы уже наверняка догадались по примеру с маслом, гидрофобный, то есть водоотталкивающий, материал носика гарантирует, что вода не будет стекать по стенке, а соберется в крупную каплю.

Как же формируются капли на носике чайника? Струя чая сбегает с носика, и немного жидкости всегда прилипает к его самому краю. Если поверхность носика не водоотталкивающая, чай прилипает к ней лучше и тянет струю жидкости назад к нижней части носика. Величина, на которую струя чая оттягивается назад, зависит также от угла ее соприкосновения с поверхностью, а он, в свою очередь, определяется кривизной и толщиной стенки носика. Поток чая может оттянуться достаточно далеко назад, цепляться за нижнюю сторону носика и стекать каплями. Но чем выше будет скорость потока жидкости, тем незначительнее окажется это расстояние, а значит, и капель мимо чашки прольется меньше.

Какими бы ни были гидродинамические причины появления этих раздражающих капель из чайника, едва ли вам послужит утешением их понимание, если таким «недугом» страдает ваш собственный чайник. Конечно, вы можете попробовать наливать чай быстрее, но обычно это заканчивается тем, что на столе остается еще больше чая, поскольку в итоге он переливается через край. И все же есть еще один трюк – я подглядел его в китайских ресторанах. Это искусственное изменение носика чайника. Если натянуть на него короткий отрезок прозрачной пластиковой трубки и срезать ее под углом, получится тонкий, острый и, главное, водоотталкивающий носик. Такой трюк действительно решает проблему. Но все же имейте в виду: выглядит это ужасно – независимо от внешнего вида чайника.

Если ни одно из этих решений вам не подходит, все, что вы можете сделать, это нанести на нижний край носика слой гидрофобного материала – только не масла, раз уж мы выяснили, что оно вам не по душе. Современная наука располагает множеством сверхгидрофобных материалов, но, к сожалению, они очень дороги и их трудно достать. Однако есть исключение – самая обычная сажа. Слой сажи, скажем от свечи, обеспечит вам поверхность, которая никогда не будет мокрой: вода просто соберется на ней в каплю и упадет вниз. Подержите носик чайника над пламенем свечи, пока он не почернеет, и вытрите сажу с его верхней части и внутренней стороны. Если все сделать правильно, отныне чайник не будет раздражать вас надоедливыми каплями. Возможно, на нем останутся частички сажи, но, как по мне, это все же лучше, чем масляные разводы в чае.

Кухонные весы и килограмм

На мой взгляд, цифровые кухонные весы – один из величайших даров цивилизации XXI века. Они занимают мало места, невероятно просты в использовании и умеют переключаться между различными единицами измерения. Можно даже поставить сверху чашу и обнулить показания. И все же эти весы почти наверняка будут нам врать.

Скажем, я положу на весы кусок сыра, и они покажут 153 г. Могу ли я быть уверен, что сыр действительно весит 153 г? Если вы внимательно посмотрите на весы и заглянете в инструкцию, то увидите, что у таких устройств всегда есть погрешность – например, у моих весов она ±5 г. Таким образом, на самом деле мой кусок сыра может весить от 148 до 158 г. Конечно, это не имеет большого значения для моих рецептов, но важно понять, могу ли я утверждать, что хотя бы этот диапазон правильный. Возможно ли это в принципе – точно, со стопроцентной уверенностью определить вес чего-либо? Ответ – да, но только если речь идет об одном маленьком объекте во Вселенной.

Скорее всего, мои весы сделаны где-то в Юго-Восточной Азии, и внутри у них есть так называемый тензометрический датчик, который преобразует силу давления груза, положенного на весы, в электрический сигнал. Тензометрические датчики состоят из множества параллельных и невероятно тонких полосок металлической фольги. Когда на весах лежит груз, эти полоски растягиваются и становятся еще тоньше. В результате меняется их электрическое сопротивление, и микропроцессор весов, обнаруживая это изменение, преобразует его в величины на дисплее. В процессе изготовления весов микропроцессоры калибруют таким образом, чтобы они распознавали показания тензометрического датчика для двух реперных точек[8] – 0 граммов и 1 килограмм. Так микропроцессор вычисляет вес всего, что кладется на весы. В ходе калибровки используется тестовый груз, вес которого составляет ровно 1 кг. Работники завода уверены в этом потому, что тестовые гири взвешиваются на еще более точных весах, изготовленных на другом заводе, с применением еще более точных гирь, и так далее. Поскольку любой набор весов опирается на образцовый, а сам образцовый имеет свой образец, каждый последующий стандартный килограмм все больше приближается к идеалу. Но где же заканчивается эта цепочка? Если вы решите проследить ее до самого конца – или, скорее, начала, – она приведет вас в пригород Парижа.

В 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам объявили об учреждении Международной системы единиц, или СИ, как ее теперь принято называть. Этот стандарт определил семь основных единиц измерения и способы их воспроизведения. Конечно, с тех пор система была обновлена, и для всех единиц, кроме одной, стало возможным воспроизведение в эксперименте, хотя и не без трудностей. Например, метр теперь соответствует расстоянию, проходимому светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Секунда – это время, затрачиваемое на 9 192 631 770 циклов излучения, исходящего от атома цезия-133. Единственная нерегулярная единица измерения – килограмм[9]. Он определяется лишь в абсолютном выражении, безотносительно к другим единицам. Это вес куска цилиндрической формы из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), изготовленного в 1889 году и в настоящее время находящегося в хранилище в Севре – коммуне в предместьях Парижа. Однако называть его куском платины и иридия – значит все же несколько занижать его ценность. Этот международный прототип килограмма, как его именуют, представляет собой идеальный, безупречный цилиндр высотой 39,17 мм с таким же диаметром. Точные копии прототипа были разосланы по всему миру, в страны, где национальные институты мер и весов используют эти копии первого поколения, чтобы изготавливать неизбежно менее точные копии второго поколения и так далее, вплоть до гирь, которыми поверяли мои кухонные весы. С каждым шагом в сторону от эталона прототипы становятся все менее точными. Именно поэтому, когда мои весы уверенно говорят мне, что кусок сыра весит 153 г, вероятность того, что это действительно так, все же довольно мала.

Кулинария в союзе с наукой

Одно из самых главных удовольствий в жизни для меня – это приготовление пищи, поэтому вы вряд ли удивитесь, если я скажу, что являюсь большим поклонником кухонных гаджетов. Мои кухонные шкафы и ящики забиты всевозможной посудой и приборами, какие-то из них полезные, другие – не очень. Самый большой и эффектный прибор на моей кухне – индукционная плита. Мне кажется, это чудо техники пришло к нам прямо из вселенной «Звездного пути» или другой научно-фантастической космической оперы по вашему выбору. Поверхность для приготовления пищи представляет собой абсолютно гладкий черный керамический лист, лишенный каких-либо ТЭНов[10] – традиционных средств получения тепла. Тем не менее, если я поставлю на него кастрюлю с водой и поверну цифровой диск, то мгновенно создам тепло и вода начнет кипеть в считаные секунды. Однако вы поймете, насколько это невероятно, лишь когда снимете кастрюлю с кипящей водой и при этом ненароком положите руку на плиту (если только вы не держали на выключенной плите кастрюлю с кипятком слишком долго): плита покажется вам теплой, но никак не обжигающе горячей. Как же варочная панель смогла вскипятить воду в кастрюле, не нагревшись сама? Что это за хитрость заставляет ее работать?

Индукция, или, если использовать полное название, электромагнитная индукция, была открыта, как и многие другие электрические явления, великим физиком Майклом Фарадеем, работавшим в подвальных лабораториях Королевского института в Лондоне. Удивительно, но мы знаем не только точное место совершения этого открытия, но и дату – 29 августа 1831 года. В письме другу Фарадей писал: «Кажется, я что-то ухватил, но пока не могу сказать, что именно. Ведь это может быть тина вместо рыбы, которую я после всех своих трудов рассчитывал наконец вытащить». Но это оказалась не тина и даже не просто рыба – а целая акула!

Фарадей тогда уловил и в метафорической форме передал следующее. Если рядом с проводом двигать магнитом, то по проводу потечет электрический ток. Что очень важно, верно и обратное утверждение: если вы заставите ток течь попеременно взад и вперед по проводу, он создаст вокруг него магнитное поле[11]. То есть провод и ток – все, что нужно, чтобы создать электромагнитную индукцию[12]. Однако последствия этого открытия оказались далекоидущими.

Возьмите плоскую катушку из проволоки и поместите ее недалеко от провода, по которому течет переменный ток. Согласно законам электромагнитной индукции, этот переменный ток создает переменное магнитное поле, которое само постоянно меняется. У него северный полюс то с одной стороны, то с другой. Если на верхнюю часть катушки положить кусок магнитного металла, такого как сталь например, переменное магнитное поле вызовет в нем ток. И тут сразу выяснится, что нержавеющая сталь не лучшим образом проводит электричество, оказывая ему высокое электросопротивление, так что бóльшая часть энергии токов высокой частоты (а именно они циркулируют в поверхностном слое) превращается в тепло. Таким образом, наш кусок стали, лежащий на проволочной катушке, нагревается, хотя у самой катушки такого эффекта не наблюдается.

Теперь спрячьте катушку проволоки под стильным черным керамическим листом и положите массивный лист из стали на дно кастрюли. Вуаля, вы только что сделали индукционную плиту своими руками! Переменные магнитные поля, создаваемые катушкой из проволоки, будут работать и через керамический лист. Вы даже можете провернуть трюк, использовавшийся продавцами первой индукционной варочной панели, разработанной компанией Westinghouse Electric в 1973 году. Удивляя зевак, они готовили еду через несколько газетных листов, лежавших на плите.

Однако у любознательного девятилетнего мальчика, который как бы сидит у меня на плече, есть раздражающий вопрос, на который я до сих пор не ответил. Почему вся эта электромагнитная индукция вообще существует? Что же такого есть в электричестве и магнетизме, что заставляет их идти рука об руку? Намек на ответ кроется в самом слове «электромагнитный». Дело не столько в том, что они всегда связаны друг с другом, сколько в том, что это одно и то же.

В природе существует только четыре фундаментальные силы. Слабое взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие, удерживающие вместе субатомные частицы в ядре атома; гравитационное взаимодействие, суть которого мы до сих пор до конца не понимаем; и электромагнитное взаимодействие. Электромагнитную волну мы можем очень условно представить себе как две волны, чьи плоскости всегда расположены под прямым углом друг к другу. Одну из этих волн мы называем магнитной, другую – электрической. Их взаимодействие – очень сложный процесс, и лишь ошибочные представления заставляют нас воспринимать эти силы порознь. Таким образом, причина, по которой электричество и магнетизм идут рука об руку, заключается в том, что по существу это одно и то же.

Это возвращает меня к первоначальному убеждению, что индукционная плита – самый замечательный прибор на моей кухне. Возможно, кто-то считает иначе, но я убежден: никакие слайсеры, попкорн-машины, миксеры, рисоварки и хлебопечки не смогут так элегантно продемонстрировать одну из фундаментальных сил природы.

Долой мифы о микроволновке

Если даже у вас нет микроволновки, вы наверняка знаете кого-то, у кого она есть. Этот аппарат для ускоренного приготовления пищи стоит теперь почти на каждом кухонном столе. Но что происходит внутри микроволновой печи и как она работает на самом деле? Загляните в интернет или какой-нибудь подходящий учебник, и вы прочтете, что микроволновые печи нагреваются изнутри. Кроме того, вы узнаете, что микроволны подогревают или готовят пищу, заставляя молекулы воды входить в резонанс. Это почти правда, но, к сожалению, лишь почти.

В далеком 1945 году молодой инженер по имени Перси Спенсер работал над военным проектом для США, который предполагал использование микроволновых передатчиков. В те времена не было такого уровня контроля охраны здоровья и безопасности, и, когда Спенсер неосмотрительно стоял рядом с неэкранированным передатчиком, плитка шоколада в его кармане расплавилась. В тот момент удачливый инженер мало что понял, но это был первый случай приготовления пищи в микроволновой печи. Спенсеру еще повезло, что он сам не сварился!

Микроволновое излучение является частью электромагнитного спектра, совсем как световые лучи, которые мы видим. А отличает их друг от друга длина волны – расстояние между пиками интенсивности. У микроволн это расстояние составляет 12,2 см, в то время как длина волны видимого света примерно в 200 000 раз меньше. Важнейшей частью электромагнитного излучения – в том числе и из микроволновой печи – является его электрическая составляющая. Да, величина напряженности электрического поля растет до положительных величин и снижается до отрицательных.

Теперь представьте себе молекулу, колеблющуюся в потоке микроволн. Если у этой молекулы одна сторона заряжена немного более положительно, чем другая, то эта молекула попытается сориентироваться в соответствии с электрическим полем микроволновой печи. Поскольку электрическое поле постоянно меняет вектор своей напряженности, молекула пытается перевернуться вместе с ним. Как следствие, часть энергии микроволнового излучения передается молекуле. Более того, когда молекула кувыркается, она врезается в другие молекулы вокруг себя и щедро передает им часть своей только что обретенной энергии. Этот тип передачи энергии называется диэлектрическим нагревом, и, как следует из названия, это один из способов нагреть что-либо.

Если наша гипотетическая молекула – молекула воды в миске овощного супа, то она будет характеризоваться сильно неравномерным распределением электрического заряда, поэтому примется легко вращаться в волнах микроволнового излучения. Вскоре молекулы воды в супе начнут активно толкаться, передавая захваченную энергию микроволн друг другу и нагревая суп. Тем не менее не только вода нагреется под действием излучения. Нагреваются и жир, и сахарá, и даже керамические тарелки, если их глазурь содержит соединение с неравномерно распределенным зарядом. Более того, этот процесс не имеет никакого отношения к какому-либо резонансу, тем более в воде. Интересно, что молекулы воды во льду не совершают вращательных движений, поскольку не могут так свободно перемещаться. Именно поэтому размораживание продуктов в микроволновой печи, кажется, длится целую вечность.

Итак, если это физическая причина заставляет микроволновую печь генерировать тепло, получается, что пища греется изнутри? Нет, это тоже заблуждение. Микроволновки разогревают пищу снаружи, как и все остальные печи, но микроволны при этом, вместо того чтобы просто нагревать поверхность, проникают в суп, картофель или остатки карри на пару сантиметров вглубь. То есть тепло попадает в еду. И именно это ускоряет время приготовления. Кроме того, вам не нужно заранее разогревать микроволновую печь, как это делается с духовкой. Микроволновки начинают греть сразу после включения, и вы не теряете никакой энергии на стенках печи. Металлические пластины внутри нее действуют на излучение как зеркало. Волны отражаются от них и снова попадают в пищу, которую вы хотите нагреть. Все это работает в комплексе, и поэтому микроволновая печь так быстро справляется со своей задачей.

Уже более 70 лет прошло с тех пор, как шоколадка Перси Спенсера растаяла у него в кармане. Микроволновые печи стали использовать по всему миру. И все же для многих это устройство по-прежнему остается загадочным и непонятым.

Несовершенный тостер

Несмотря на все обещания многочисленных производителей мелкой кухонной техники, у меня до сих пор нет нормального тостера, который бы всегда работал так, как я хочу. И дело тут вовсе не в настройках: мой тостер способен выдавать огромный диапазон прожарки – я могу получить хлеб от слегка румяного до полностью обугленного. Так может быть, я просто покупаю дешевые тостеры? Или все же есть нечто принципиально трудное в автоматизации поджаривания хлеба?

Базовая конструкция тостера практически не изменилась с 1919 года, когда Чарльз Стрит изобрел автоматический тостер, выбрасывающий хлеб после поджаривания. Это устройство объединило в себе целый ряд механизмов – в частности, нагревательный элемент, таймер и связанный с ними пружинный механизм. Также в основе тостера лежит еще одно изобретение, которое вы легко можете обнаружить и в своем тостере сегодня: это нихромовая проволока. В самом первом тостере, сконструированном в 1893 году шотландцем Аланом Макмастерсом, использовались катушки из нихромовой проволоки, через которые проходило электричество. Именно оно давало тепло для поджаривания хлеба. К сожалению, пришедшая на ее место стальная проволока перегревалась, вступала в реакцию с кислородом и быстро сгорала. И все же компания, производившая тостеры с нихромом, да и сам Макмастерс при жизни, не слишком преуспели в продвижении своего изобретения, пропустив на рынок «стальных» собратьев.

Однако в 1905 году нихромовая проволока отвоевала свои позиции и прочно закрепилась на рынке. Сплав, состоящий из 80 % никеля и 20 % хрома, имеет несколько очень важных свойств. Во-первых, его можно нагревать до очень высоких температур и он не окисляется, как сталь. Дело в том, что нихром образует защитный слой из оксида хрома. Во-вторых, нихром – очень плохой проводник электричества. Вы можете подумать, что это помеха для использования его в электрических устройствах. Однако именно высокое сопротивление электричеству делает нихромовую проволоку незаменимой для большинства электронагревательных приборов. Когда через нее проходит электричество, сопротивление нихрома проявляется в виде большого количества тепла. Эти два свойства делают нихром идеальным материалом для преобразования электричества в тепло. Успех сплава был таким значительным, что его изобретателя, Альберта Марша, даже объявили отцом электроотопительной промышленности.

Итак, если тостер сам по себе такое простое устройство, то почему мои тостеры продолжают давать столь неустойчивые в плане прожарки результаты? На самом деле ответ на этот вопрос кроется не в тостерах, а в хлебе. Идеальный тост, на мой взгляд, горячий, хрустящий и золотисто-коричневый. И если с температурой и хрустящей корочкой проблем нет, то оттенок цвета – вопрос более сложный. Химия этого изменения, связанная с реакцией Майяра[13], была неплохо изучена еще в 1910-х годах, поскольку она лежит в основе многих процессов приготовления пищи. Когда вы разогреваете ломтик хлеба (или, как вариант, картофель, или стейк), белковые молекулы начинают вступать в реакцию с определенными сахарами, такими как глюкоза, лактоза и мальтоза, но не сахароза. Эта реакция производит новые, сложные соединения, которые обеспечивают коричневый оттенок и приятный вкус. Именно этого, я уверен, мы и пытаемся добиться от наших тостов. Однако, нагревая хлеб чересчур сильно, мы слишком далеко заходим в этом взаимодействии и доводим хлеб до карамелизации (с горьким вкусом[14]), а иногда и до карбонизации (обугливания).

Проблема с приготовлением тостов заключается в том, что степень прохождения реакции Майяра критически зависит от количества и типа сахаров в хлебе, а также от содержания белков. Вот почему и самый лучший тостер сегодня не может каждый раз делать идеальные тосты, даже если вы покупаете один и тот же хлеб. Кроме того, для реакции Майяра большое значение имеют чисто физические аспекты, такие как температура хлеба перед тем, как он попадет в тостер, и толщина ломтика. Оказывается, обжаривать тосты сложнее, чем кажется, и именно поэтому развитие технологии тостеров застопорилось почти на сто лет.

Загадка кофейного кольца

Если вы прольете немного кофе на стол и, не вытерев, оставите его сохнуть, он не оставит после себя равномерного коричневого пятна, как можно было бы ожидать. Вместо этого вы увидите кольцо с очень темными краями и светло-коричневой серединой. Такой же эффект, хотя и менее выраженный, вы получите на салфетках и скатертях, залитых красным вином. По мере высыхания пятно будет приобретать более насыщенный цвет по краям.

Это явление известно как эффект кофейного кольца. Стоит отметить, что такое название призвано подчеркнуть наличие яркого края при высыхании капли кофе, а вовсе не вызвано формой пятна, которую оставляют на столе кофейные чашки. Это происходит потому, что кофе – не просто коричневая жидкость, а суспензия (проще говоря, неоседающая взвесь): вода с измельченными частицами кофейных зерен и растворенными в ней молекулами соединений, дающих аромат. Если речь идет о кофе с кофеином, а другой я не приемлю, то это аромат кофеина.

Представьте себе, что у нас есть капля кофе на гладкой столешнице вашей кухни. Когда эта капля начнет высыхать, вы заметите несколько моментов. Во-первых, размер площади смоченной столешницы не уменьшится по мере испарения капли. Край жидкости на столе останется зафиксированным в первоначальном положении, поскольку вода очень хорошо прилипает к поверхности стола – порой до такой степени, что силы, стягивающие каплю вместе, слабее, чем те, которые удерживают ее на столешнице. Поэтому, когда капля высыхает, она не оказывается меньше в диаметре, но становится более плоской.

Во-вторых, испарение воды происходит по всей поверхности капли, включая края, где вода встречается со столешницей. Когда молекулы воды испаряются из середины капли, на их место поднимаются молекулы снизу. По краям ситуация немного другая: здесь вода располагается под небольшим углом к столешнице. Поэтому, когда испаряются молекулы по краям, капля как бы растекается: под действием силы тяжести улетевшие молекулы заменяются молекулами из центра, и это создает постоянный отток молекул от центра капли к краям.

Поскольку наша капля заполнена крошечными частичками измельченных кофейных зерен, эти частички двигаются вместе с водой. Так что бóльшая их часть к тому времени, когда вода полностью испаряется, оказывается около края. При попадании жидкости на впитывающую поверхность, такую как салфетка, происходит то же самое, только эффект получается менее выраженным. Его ослабление объясняется тем, что перемещение частиц затруднено волокнами салфетки.

Эффект кофейного кольца может показаться очень надуманной проблемой, но на самом деле в лакокрасочной промышленности его существование создает массу трудностей. Он применим к любой жидкости, содержащей мельчайшие частицы. В баллончике с аэрозольной краской, к примеру, тоже суспензия – взвесь крошечных частичек пигмента в жидком носителе. Но ведь все мы хотим получить ровное покрытие, а не маленькие колечки с темными краями, вызванные эффектом кофейного кольца. Есть несколько способов обойти эту проблему. Проще всего использовать жидкость с максимально быстрым испарением. Внутри такой жидкости частички не успевают перемещаться.

Однако большего внимания заслуживает то, что обнаружили ученые из Университета штата Пенсильвания в США. Если частицы, взвешенные в жидкости, имеют не сферическую, а удлиненную форму, эффект кофейного кольца не наблюдается. Если частицы примерно в три раза длиннее своей ширины, они просто застревают на внутренней поверхности капли. Затем они начинают прилипать друг к другу и образуют комки, которые слишком велики, чтобы их можно было притянуть к краю капли. И, когда капля высыхает, получается покрытие с равномерным распределением частиц. Пожалуй, это открытие может послужить отличным началом для создания медленно высыхающих аэрозольных красок.

Таким образом, чтобы избежать неприглядных кофейных колец на вашей столешнице, вы можете либо измельчать кофе в удлиненные частицы, либо вытирать капли до того, как они высохнут сами. Одно из этих решений явно имеет научную основу, но зато другое радует своей простотой.

Как необычность льда спасла цивилизацию

Звон кубиков льда в высоком стакане с любимым коктейлем навевает на меня воспоминания о жарких летних вечерах. К тому же в бокале, где есть лед, независимо от напитка, всегда происходит кое-что примечательное.

Давайте рассмотрим основные различия между жидкостями и твердыми телами. В качестве примера я приведу чистый спирт, или этанол, просто потому, что это очень удобное вещество. Молекулы жидкого этанола не крепко связаны друг с другом и могут свободно перемещаться. Это одно из ключевых свойств жидкости, и оно позволяет нам наливать жидкий этанол в емкости любой формы. Однако если вы заморозите этанол до –114 °C, он превратится в твердое вещество. И молекулы твердого этанола уже будут зафиксированы на месте в аккуратном массиве регулярной кристаллической решетки. То есть в твердом этаноле молекулы не могут свободно перемещаться, они связаны крепче, и каждая как бы занимает меньше места, так что твердый этанол плотнее, чем жидкий. Если вы сделаете кубики из твердого этанола и бросите их в стакан с жидким этанолом, они опустятся на дно.

Это справедливо практически для всех жидкостей в самом широком смысле этого слова: этанола, растительного масла, ртути, кислорода, стали. Твердое вещество всегда плотнее и тонет в жидкости. Однако вода выбивается из этого правила и вообще имеет много аномалий. В частности, плотность льда меньше, чем плотность воды, и лед плавает на ее поверхности.

Это объясняется способностью молекул воды образовывать особый тип химической связи – относительно слабую водородную связь. Вода чрезвычайно хороша в создании водородных связей, и в силу этого ей присущи также и другие странные характеристики, помимо расширения при замерзании. А именно – высокое поверхностное натяжение и капиллярное действие. В жидкой воде молекулы перемещаются с очень высокой скоростью и обладают весьма внушительным запасом энергии, препятствующим тому, чтобы водородные связи удерживали молекулы на месте. Следовательно, последние часто приближаются довольно близко друг к другу.

Когда температура падает ниже 0 °C, молекулы не могут сопротивляться водородным связям, так что они замедляются вплоть до остановки. Молекулы воды располагаются объемными слоями гексагональных решеток, причем расстояние между ними определяется длиной водородной связи. Сочетание такого специфического геометрического расположения и большой длины водородной связи обеспечивает меньшую плотность «упаковки» молекул воды относительно друг друга, чем в жидкой фазе. При меньшем количестве молекул воды, упакованных в заданное пространство, плотность уменьшается, а не увеличивается.

Хотя может показаться неважным, плавают ли кубики льда или тонут, эта особенность воды оказывает значительное влияние на наш мир. Например, огромная арктическая ледяная шапка со всеми живущими на ней белыми медведями и песцами плавает над Северным полюсом, а не лежит на дне океана. Неясно, каков был бы эффект, если бы дело обстояло иначе. Наверняка, если бы арктический лед тонул, началось бы постепенное накопление льда на дне океана, что охлаждало бы воду наверху, а с ней и всю атмосферу. Формировалось бы еще больше льда и так далее, пока океаны не стали бы полностью ледяными, мир превратился бы в гигантский снежный ком, и мы все погибли бы. Хотя я признаю, что это, пожалуй, все же немного мелодраматично. Во всяком случае, зимний лед на дне озер и ручьев точно привел бы к исчезновению многочисленных классов ракообразных, которые там живут.

Очевидно, что плотность замерзшей воды неизменна. Это фундаментальное физическое свойство, результат специфической химии воды. И эта особенность вовсе не счастливая случайность. Скорее, это результат движущей силы эволюции жизни на нашей планете. Если бы лед не плавал, нас почти наверняка бы здесь не было, и мы бы не обсуждали эту тему. Однако это, вероятно, последнее, что вы хотели бы слышать под звон кубиков льда в бокале, так что я предлагаю вам выбросить это из головы и насладиться напитком, прежде чем парадоксально плавающий в нем лед растает.

Чудесный насос восковой свечи

Возьмите спичку, чиркните ею и поднесите пламя к фитилю свечи. Через несколько мгновений свеча начнет мерцать, и оранжевое пламя оживет. Теперь оставьте свечу гореть, и со временем она станет короче. Ясно, что воск поглощается пламенем и используется в качестве топлива. Но теперь возьмите вторую свечу, вторую зажженную спичку и попробуйте поджечь саму свечу. Это сделать невозможно. Как бы вы ни старались, у вас не получится поджечь воск, из которого состоит свеча, но вы легко можете зажечь фитиль. Невероятно, но воск не воспламеняется.

Это, казалось бы, парадоксальное наблюдение поспособствовало появлению одной из самых ранних и увлекательных научно-популярных книг – «Химической истории свечи» Майкла Фарадея. Она составлена из заметок слушателей курса из шести лекций, прочитанных Фарадеем в 1848 году в ходе ежегодных Рождественских лекций в Королевском институте Великобритании. (Эта традиция – читать рождественские лекции – сохраняется по сей день.) Сам Фарадей был блестящим ученым, который открыл несколько химических элементов и изобрел электрический двигатель. Кроме того, многие считают, что именно он стоит у истоков такого явления, как популяризация науки. Фарадей обладал уникальным складом ума, так что как никто мог довести незамысловатое, но вполне научное наблюдение за свечой до поразительной глубины, просто ставя перед собой нужные вопросы.

Итак, при комнатной температуре воск является негорючим твердым веществом. Но пламя свечи обусловлено горением газообразной формы воска, или паров воска. Может быть, само по себе это и не удивительно, поскольку пламя явно не твердое и не жидкое. Но что делает свечу замечательной, так это то, что она представляет собой элегантный невидимый насос, преобразующий твердый воск в газ, который затем сгорает.

Фитиль свечи обычно делается из плетеного хлопчатобумажного материала, который сам по себе не горит особенно хорошо. Однако при наличии воска этот процесс протекает гораздо лучше и к тому же дает много тепла, которое высвобождает твердый воск внизу. Огонь плавит воск, превращая его из твердого вещества в жидкость, а жидкость затем поднимается вверх по фитилю под действием капиллярных сил. Когда жидкий воск приближается к горящей части фитиля, воск испаряется, переходя из жидкого состояния в газообразное. Этот горячий пар начинает подниматься, втягиваемый конвекцией воздуха вокруг него в пламя горящего фитиля. Теперь у нас есть восковой пар и большое количество кислорода из воздуха, а также источник воспламенения. Восковой пар сгорает, образуя большое пламя с большим количеством излучаемого тепла. Все больше твердого воска плавится и втягивается в фитиль. Природный насос, заключенный в свече, начал работать и будет работать до тех пор, пока не закончится воск или не погаснет пламя. Представленный таким образом, этот процесс кажется простым, но каждый его этап имеет свои замечательные тонкости.

Капиллярное действие – это интересное явление, возникающее из-за склонности молекул жидкости прилипать друг к другу и их способности прилипать к другим объектам. Это позволяет жидкости подтягивать себя «за свои собственные волосы». Для того чтобы капиллярное действие сработало, необходимо соответствие некоторых физических свойств жидкости, а именно ее поверхностного натяжения и плотности. В случае со свечой между нитями хлопка в фитиле есть узкие промежутки. Эти промежутки имеют подходящую ширину для подъема жидкого воска, поэтому фитили почти всегда изготавливают именно из хлопка. И поэтому все фитили на частично сгоревших свечах примерно одинакового размера. Именно негорючий жидкий воск в фитиле останавливает его полный подъем и сгорание в пламени. Так что высота, на которую воск поднимается в фитиле, определяется капиллярным действием и составляет около 1 см. То есть на такую высоту фитиль может возвышаться над воском.

Форма верхней части свечи также имеет решающее значение для успешного горения. Когда свеча горит уже некоторое время, наверху образуется знакомая лужица. Она представляет собой резервуар с жидким воском, готовым к тому, чтобы его втянул фитиль, на вершине которого воск испарится и сгорит. Если у вас не получается такой лужицы, значит, вы неправильно сделали свечу или ваша свеча слишком тонкая. Вместо того чтобы гореть хорошо, она будет оплывать и тухнуть, ведь в фитиле окажется меньше воска. Короче говоря, преимущества наличия лужицы воска бесспорны, и свечи, как правило, всегда делаются с минимальным диаметром около 1 см. В маленьких свечах, например в тех, что мы ставим в праздничные торты, лужицы не образуются: расплавленный воск просто стекает по бокам.

Пламя свечи тоже стоит рассмотреть повнимательнее. Непосредственно над фитилем и вокруг той его части, что возвышается над воском, пламя немного темнее. Это пары воска, не сгорающие из-за недостатка кислорода. Но по мере того как они поднимаются, с ними смешивается все больше кислорода, и мы попадаем в пылающую оранжевую часть пламени, где воск начинает гореть. Однако и в этой области кислорода все еще недостаточно, поэтому воск сгорает не полностью и оставляет часть углерода из воска в виде частиц, а не углекислого газа. Такой углерод становится очень горячим и оранжевым – вот почему верхушка пламени свечи обладает именно таким цветом. Есть в пламени и третья часть, хотя заметить ее очень сложно. Оранжевую область обрамляет почти невидимый сине-желтый слой глубиной около 2 мм. Чтобы увидеть его, попробуйте установить свечу на темном фоне и осветить ее сбоку. Внимательно посмотрите вдоль вертикальных краев и сможете обнаружить едва уловимую разницу во внешней стороне пламени. Это та область, где кислорода достаточно для полного сгорания свечного воска. Также это самая горячая часть пламени.

Есть и еще одна простая демонстрация, помогающая выявить некоторые свойства пламени свечи. Для начала зажгите свечу и подождите немного, чтобы пламя разгорелось и стало устойчивым. Затем с зажженной спичкой в руке осторожно задуйте пламя. Вы увидите струйку чего-то похожего на дым, поднимающуюся из потухшего фитиля, – но это не дым, а пары воска. Теперь быстро поднесите зажженную спичку к фитилю на расстоянии нескольких сантиметров и погрузите ее в поток паров воска. Как только вы это сделаете, пламя прыгнет от спички к фитилю и свеча мгновенно загорится вновь. Когда вы овладеете этим трюком, попробуйте использовать свечные щипцы, чтобы гасить пламя с минимальным возмущением воздуха (чтобы пары воска поднимались в строго вертикальном потоке). Попрактиковавшись, вы сможете заставить свечу загореться вновь с помощью спички, расположив ее на расстоянии до 5–6 см.

Вся эта наука и многие другие факты были подробно описаны в замечательной книге Фарадея «Химическая история свечи». Он не обошел вниманием и эксперименты, которые проводил с целью исследовать это, казалось бы, простое явление. Но при ближайшем рассмотрении «наука свечи» оказалась сложной. К счастью, книга Фарадея все еще издается, а также доступны цифровые копии, причем совершенно бесплатно. Так что ее определенно стоит прочесть.

03 Чудеса науки в домашнем быту

Прогресс технологии освещения

Это началось как ручеек, но превратилось в настоящее наводнение. Люди во всем мире массово отказываются от своих старых ламп накаливания в пользу новомодных компактных люминесцентных ламп. Правительства по всему миру принимают законы, запрещающие использование ламп накаливания. Бразилия и Венесуэла первыми вступили на этот путь еще в 2005 году, Австралия – в 2010 году, Великобритания – в 2011 году. На момент написания книги Россия, США и Китай уже тоже законодательно поддержали это начинание. Причина проста: лампы накаливания ужасно неэффективны как источник света. Они были представлены на рынке лишь потому, что не существовало экономически надежных конкурентов.

Традиционную лампу накаливания впервые продемонстрировал на практике не Томас Эдисон и даже не Джозеф Суон[15], а шотландец Джеймс Линдси в 1835 году в Данди. Хотя это изобретение значительно усовершенствовалось за почти 200 лет своего существования, лишь около 2 % энергии, поступающей в лампу накаливания, превращается в видимый свет. Сравните этот показатель с показателем ламп, на которые мы все постепенно переходим: компактная люминесцентная лампа преобразует в свет около 10 % энергии. Теперь понимаете, почему нас всех призывают сделать такой переход?

Компактная люминесцентная лампа представляет собой обычную люминесцентную лампу, свернутую спиралью, в некоторых случаях – заключенную во внешнюю стеклянную колбу. Наука, лежащая в основе ее работы, была известна с 1856 года, но только с инновационной намоткой и в результате миниатюризации эти лампы начали свой путь в наши дома в 1976 году. Трубка компактной люминесцентной лампочки заполнена инертным газом аргоном под очень низким давлением, но внутри трубки также есть крошечная капля жидкой ртути, которая нагревается и испаряется, когда через трубку проходит электрический ток ионов и, собственно, электронов. При этом электричество передает часть своей энергии атомам ртути. Ртуть может удерживать эту энергию совсем недолго, а потом быстро высвобождает ее в форме невидимого глазом ультрафиолетового света. Он в свою очередь попадает на белое порошкообразное люминофорное покрытие на внутренней стороне стеклянной трубки. Люминофор поглощает энергию ультрафиолетового излучения и, как и ртуть, быстро отдает ее, но на этот раз в форме видимого света. Свет современных компактных люминесцентных ламп имеет примерно ту же интенсивность, что и свет ламп накаливания. Но к числу пока не решенных серьезных недостатков относится сравнительно долгое время, которое требуется люминесцентной лампе для достижения максимальной яркости.

Обычно на это требуется от десяти секунд до минуты, и вот почему. Когда вы включаете люминесцентную лампу, внутри трубки очень мало паров ртути. Почти вся она находится в жидком состоянии. Что касается аргона, он не проводит электричество. Чтобы заставить ток течь по трубке, на каждом ее конце должна быть крошечная катушка провода. Когда электричество проходит по этим проводам, они нагреваются и выбрасывают электроны со своей поверхности в газ аргон. Также катушки нагревают ртуть, превращая ее в пар, и, только когда газ внутри лампы достигает критической точки ионизации, электричество принимается течь по трубке в штатном режиме. Затем ртуть начинает испускать ультрафиолетовый свет, который люминофор преобразует в видимый. Все это занимает некоторое время, так что лампа разгорается не сразу. Именно поэтому компактные люминесцентные лампы работают плохо вне помещений. Если воздух холодный, может потребоваться до пяти минут, чтобы лампа разгорелась полностью.

В последнее время появился ряд инноваций, которые способствуют более быстрому «запуску» компактных люминесцентных ламп. И все же никакие инновации никогда не смогут обеспечить им то мгновенное включение, которое предлагают лампы накаливания. Несмотря на это, пятикратное повышение КПД и вытекающая из этого колоссальная экономия энергии более чем компенсируют неудобства первых секунд включения. Однако уже появилась и новая технология – светоизлучающий диод и светодиодные лампы. В настоящее время лампочки, изготовленные на основе светодиодов, значительно дороже, но их эффективность в два раза выше, чем у компактных люминесцентных ламп. К тому же они мгновенно разгораются вне зависимости от температуры воздуха. Так что и у самóй компактной люминесцентной лампы, вытесняющей 200-летнюю лампу накаливания, нет никаких гарантий, что она будет вечно оставаться в центре внимания.

Слинки – шагающая игрушка

В 2014 году я получил возможность попытаться установить мировой рекорд и попасть в Книгу рекордов Гиннесса. Правда, за максимальное количество ступенек, на которые спустится слинки. С Хью Хантом, инженером из Кембриджского университета в Великобритании, мы установили рекорд в тридцать ступеней. В процессе экспериментов – стоит отметить, дело это оказалось сложнее, чем можно себе представить, – я делал перерывы, чтобы задаться вопросом, как вообще работает слинки.

Слинки изобрел Ричард Джеймс, инженер из Филадельфии (США), в 1943 году. Оригинальная конструкция, которая сохранилась и по сей день, представляет собой катушку из стальной проволоки длиной более 21 метра с 98 петлями-витками. Когда в 1945 году такая пружинка поступила в продажу, ее ждал настоящий успех. Говорят, что первую партию раскупили всего за 90 минут. С тех пор были проданы сотни миллионов слинки, и это не считая современных пластиковых версий.

В полной мере магия слинки откроется перед вами, когда вы поставите ее и перекинете верхнюю часть пружинки над краем ступеньки. Вся пружина спустится на ступеньку вниз. Затем слинки самостоятельно сделает еще шаг и спустится на следующую ступеньку. Это будет происходить до тех пор, пока игрушка не доберется до площадки или, что бывает гораздо чаще, не запутается и не остановится. Казалось бы, такая конструкция не должна работать, но она определенно работает.

Каждая пружина, независимо от размера, обладает коэффициентом жесткости, который представляет собой совокупную характеристику ее длины и силы. Чрезвычайно важно, чтобы жесткость пружины была одинаковой по всей длине слинки, а также соответствовала высоте ступеней, по которым вы пытаетесь ее спускать. Если жесткость слишком высока, слинки будет все быстрее переворачиваться вниз по ступенькам и начнет хаотично падать, а не шагать. Если же чересчур низкой – ее верхняя часть достигнет следующей ступени и пружина просто застрянет, не имея достаточно тяги, чтобы опустить нижнюю часть слинки. То же самое и с высотой ступеней: если она окажется неподходящей, пружинка просто не будет шагать. Например, на очень неглубоких ступенях большинство слинки застревает, так как им недостает мощности, чтобы вытянуть всю катушку вниз, к следующей ступени. А на слишком узких – для шага не хватает места.

Но коэффициент жесткости объясняет только, почему слинки спускается на следующую ступеньку, но никак не то, почему она продолжает шагать. Чтобы добраться до сути этого явления, нам нужно очень внимательно понаблюдать за слинки, и лучше в замедленной съемке. Вы заметите нечто весьма интересное: когда пружинка касается нижней ступени, последние несколько витков не торопятся соединиться с остальными и даже на мгновение замирают на верхней ступени. Именно импульс последних витков способен преодолевать силу, стягивающую пружину при растяжении. Запас этого импульса позволяет слинки поднимать верхнюю часть и начинать падать вниз, на следующую ступеньку. Далее гравитация делает свое дело, и весь процесс начинается снова.

Итак, с помощью физики, работающей так, как нужно вам, вы можете заставить слинки пройти определенный путь. Тем не менее, по моему собственному рекордному опыту, секрет действительно длинного спуска заключается в том, чтобы сделать достаточно сильный первый щелчок, и тогда слинки не остановится. Сделайте его правильно, и ваша пружинка будет шагать вниз, пока не закончатся ступени.

Машины, которые видят в темноте

В углу комнаты, где я сижу и пишу эти строки, под потолком висит маленькая коробочка. Это моя система охранной сигнализации. Внешне кажется, что она сформирована из непрозрачного изогнутого листа белого пластика. Коробочка не замечает моего присутствия, но, когда я встаю со своего места, на ней загорается красная лампочка. Каким-то образом белая пластиковая коробка видит меня, хотя я нахожусь по крайней мере в пяти метрах от нее. Если я стою абсолютно неподвижно, примерно через пять секунд лампочка гаснет. Можно двигаться достаточно медленно, чтобы красный огонек оставался выключенным, но это невероятно трудно. Детектор удивительно чувствительный – малейшее быстрое движение, и он замечает меня. Более того, он обнаруживает движение как при дневном свете, так и в кромешной темноте. Как же так получается, что нечто столь маленькое и безобидное может узнать меня в другом углу комнаты?

Пластиковая коробка с мигающим красным огоньком известна на рынке систем охранной сигнализации как пассивный инфракрасный детектор, или ПИР-детектор. Как следует из названия, он способен обнаруживать инфракрасное излучение, которое по сути является таким же излучением, как свет, но мы его видеть не можем. Наши глаза воспринимают только определенный диапазон длин волн света, составляющего радугу. Однако существует непрерывный спектр электромагнитного излучения с длинами волн, которые выходят далеко за пределы диапазона радуги в обоих направлениях. Излучение с длиной волны чуть больше, чем у красного света, – это инфракрасное излучение. Хотя мы его не видим, в некоторых случаях можем почувствовать его как излучаемое тепло.

Все тела испускают инфракрасное излучение в виде слабо ощущаемого тепла. В ПИР-детектор встроен тонкий кристалл чувствительного вещества, называемого нитридом галлия. Кристаллы этого вещества обладают необычным свойством: при попадании на них инфракрасного излучения происходит изменение их структуры. Кроме того, несколько меняются и их электрические свойства, что приводит к незначительной разнице в количестве электричества, которое может протекать через кристалл. Хотя это очень незначительный эффект, вам не составит труда его обнаружить с помощью простых и легкодоступных электрических цепей.

Чтобы увидеть, как что-то или кто-то движется по комнате, понадобиться не один, а два крошечных стержневидных кристалла из нитрида галлия. В детекторе их располагают вертикально рядом друг с другом и с небольшим промежутком между ними. Каждый кристалл эффективно регистрирует тепло только в проецируемой им тонкой вертикальной полоске. Поскольку эти полосы расположены очень близко, стационарное фоновое инфракрасное излучение, попадающее на каждый из них, и разность потенциалов (напряжение), создаваемая каждым кристаллом, почти одинаковы.

Самая большая хитрость состоит в установке кристаллов: положительный выход одного из них необходимо соединить с положительным выходом другого. Если разность потенциалов, создаваемая каждым кристаллом, одинаковая, они сами себя компенсируют, и на выходе мы не получаем никакого напряжения. Этот трюк делает детектор нечувствительным к таким вещам, как радиаторы центрального отопления, вентиляционные отверстия и другие источники медленно меняющегося фонового инфракрасного излучения.

Если вы пересекаете комнату, то непременно проходите и через две тонкие полоски – области «зрения» кристаллов. В какой-то момент вы на мгновение оказываетесь больше на одной полосе, чем на другой. Когда это происходит, инфракрасное воздействие на один кристалл возрастает, вследствие чего вырабатываемое кристаллами напряжение перестает быть равным и больше не компенсируется. Внезапно вы получаете всплеск напряжения от обоих кристаллов, который и регистрирует детектор. Поскольку более крупные тела, движущиеся вдоль полосы, создают более сильные всплески напряжения, вы можете настроить детектор так, чтобы он игнорировал такие мелкие объекты, как домашние животные например.

Проблема этой системы в ее нынешнем виде заключается в том, что она может «ощущать» движение людей, только если они попадают на одну из узких полос, тянущихся от детектора. Чтобы обеспечить ПИР-детектору лучший обзор, используется ряд пластиковых линз, которые располагают вокруг кристаллов. Поскольку нас интересует только инфракрасное излучение, пластик не должен быть прозрачным для видимого света – только для инфракрасного излучения. Таким образом, даже если внешняя оболочка ПИР-детектора белая и непрозрачная, для инфракрасного излучения она препятствием не является. Эти пластиковые линзы фокусируют полосы инфракрасного света с различных углов на кристаллы. Так детектор может видеть комнату в полудюжине, или около того, различных направлений одновременно.

Все это складывается в изящную пассивную инфракрасную систему обнаружения, которая игнорирует не только маленьких существ, но и медленно меняющиеся фоновые инфракрасные источники. ПИР-детекторы слепы к этим вещам, но они чрезвычайно чувствительны к непрошеным гостям в вашем доме или, как в моем случае, к людям, которые хотят установить, насколько медленно нужно двигаться, чтобы перехитрить охранную сигнализацию.

Изготовление одностороннего зеркала

Вы когда-нибудь сидели у окна, наблюдая за тем, как мимо проходят люди? И вдруг обнаруживали, что постепенно за окном темнеет и вы теперь вместо того, чтобы смотреть на прохожих, смотрите на себя, как в зеркало? Ранее прозрачное окно стало отражающим, когда внешний мир потемнел. Ясно, что стекло физически не изменилось, хотя для вас оно превратилось в зеркало. Но все же если вы выйдете в темноту и посмотрите в освещенную комнату, то стекло снова станет прозрачным.

Ключ к тому, что происходит в такие моменты, лежит в осознании того, что стекло не так уж и прозрачно, как мы предполагаем. Если вы направите луч света прямо на него, непосредственно от передней поверхности стекла отразится всего около 4 % света. Также он отразится от внутренней поверхности с другой стороны стекла. В общей сложности отражается почти 7 % света. Стекло всегда действовало и будет действовать как зеркало, только не очень хорошее.

Отражение имеет место каждый раз, когда свет пытается перейти из одной среды в другую. В случае с окном он переходит из воздушной среды в стекло. Луч света – это электромагнитная волна, несущая энергию. То есть часть энергии является электрической, а часть – магнитной. Поверхность стекла заполнена электронами, которые, хоть и не свободны, могут немного перемещаться. Электрическая волновая часть света заставляет их колебаться, что, в свою очередь, создает магнитное поле, которое тоже колеблется. Колеблющиеся магнитные и электрические поля проявляются как свет, излучаемый самим стеклом. Принципиально важно то, что волны этого света не синхронизируются с падающим лучом. Часть испускаемого света движется в том же направлении, что и исходный луч света, но вместо того, чтобы усиливать этот луч, она немного гасит его. В то же время стекло с той же интенсивностью излучает свет в сторону, откуда исходил первоначальный луч. И в результате небольшое количество энергии луча, как нам кажется, отражается от поверхности стекла, тогда как остальная часть света продолжает свое движение, пусть и несколько ослабленное, в том же направлении. По большому счету, эти процессы лежат в основе любого отражения, и именно поэтому стекло ведет себя как зеркало.

Однако это не объясняет, почему вы не можете видеть свое отражение днем, но отлично видите его ночью. Для этого нужно обратиться к биологии. Наши глаза невероятно хорошо справляются с различными условиями освещения. Они в состоянии приспосабливаться за долю секунды, и мы даже не замечаем, как это происходит. Прежде всего автоматически меняется размер наших зрачков, которые пропускают свет в глазные яблоки. Сокращая и расслабляя мышцы, связанные с радужной оболочкой, наши глаза сужают и расширяют зрачки соответственно. Если зрачки сильно расширены, в глаза проникает больше света и мы можем видеть при более низких уровнях освещенности. Если сужены – наоборот, нам комфортнее в условиях яркого освещения, причем глаза не подвергаются чрезмерному воздействию солнца. Есть и другие механизмы в сетчатке, которые постепенно меняют чувствительность светочувствительных клеток, но на это может потребоваться до 30 минут.

В течение дня солнечный свет льется в окна. Даже в пасмурную погоду ваши зрачки довольно узкие, что позволяет лишь небольшому количеству света проникать к вам в глаза. Свет, отражающийся от окна, с того места, где вы стоите внутри комнаты, кажется сравнительно слабым. Поскольку ваше зрение приспособлено к тому, чтобы справляться с высоким уровнем освещенности, вы просто не воспринимаете это слабое отражение. Оно есть, но ваши глаза не могут его уловить. И наоборот: ночью, когда вы смотрите в окно, в ваши глаза не попадает большого количества света со стороны окна. Зрачки становятся предельно широкими, и теперь глаза способны обнаружить это слабое отражение. Выйдите на улицу и посмотрите в окно освещенной комнаты, где вы только что стояли. Ваши зрачки станут ýже, глаза привыкнут к высокой яркости, и отражение снова исчезнет. Конечно, если вы выключите свет в комнате, чтобы было темно как внутри, так и снаружи, вы ничего не увидите.

Исчезая в сливном отверстии по часовой или против

Если однажды вы отправитесь в такие страны, как Эквадор или Кения, – по территории обеих проходит экватор, – то сможете наблюдать эффект Кориолиса в его классическом виде. К сожалению, у меня не было возможности испытать подобный опыт лично, но в 1992 году я сделал это опосредованно во время просмотра телевизионного восьмисерийного документального фильма по книге Майкла Пэйлина «От полюса до полюса». Когда Пэйлин добрался до предместий Найроби в Кении, один восторженный молодой человек показал ему, что вода в сливном отверстии раковины к югу от экватора закручивается по часовой стрелке, а к северу – против часовой. Это достаточно распространенное наблюдение, и его объяснение состоит в том, что все дело в эффекте Кориолиса, который, в свою очередь, обусловлен вращением Земли. Научное обоснование этого эффекта уже полностью сформировано, так что можно даже провести демонстрацию. Тем не менее существуют и более прозаичные объяснения того, что происходит в раковине.

Названный в честь французского математика эффект Кориолиса – это реальное явление, с которым чаще всего сталкиваются в области метеорологии. Оно наблюдается, когда что-либо, например воздух, движется вдоль поверхности вращающегося тела, такого как Земля.

Представьте себе, что есть некий наблюдатель, сидящий в неподвижном относительно Земли космическом корабле. И у него есть суперсовременное устройство, позволяющее следить за воздушными потоками. Поток воздуха, который с точки зрения космического наблюдателя движется по прямой линии, с точки зрения земного – должен двигаться по изогнутой траектории. Вращение Земли и трение между воздухом и Землей сдвигают воздух в одну сторону и заставляют воздушный поток изгибаться. В Северном полушарии, которое вращается против часовой стрелки, воздух, движущийся по поверхности Земли, немного смещается вправо. Это означает, что по мере того, как воздух проникает внутрь области низкого давления, он начинает вращаться по спирали вокруг и вправо, в результате чего приобретает направление против часовой стрелки. Если же наблюдатель перенесется к Южному полушарию, то при взгляде на него со своего спутника увидит, что оно вращается по часовой стрелке. Так что в области низкого давления к югу от экватора воздух закручивается спиралью тоже по часовой стрелке.

Эти спиральные циклоны создают крупномасштабные движения воздуха, которые управляют большей частью погоды на Земле. Наиболее очевидными из этих крупных циркуляций являются ураганы, вращающиеся против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке – в Южном. Эффект Кориолиса представляет собой значительную силу, когда движение воздуха наблюдается на больших расстояниях, соизмеримых с диаметром Земли, и во временном масштабе больше, чем суточный период вращения Земли.

В небольших масштабах – например, в раковине – наблюдать эффект Кориолиса немного затруднительно, но все-таки возможно. В 1962 году профессор инженерного факультета Массачусетского технологического института в США построил огромную идеально круглую раковину, имеющую диаметр почти 2 метра и достигающую 15 см в глубину. Ее наполнили водой и оставили на 24 часа, закрыв при этом сверху, чтобы сквозняки не мешали воде; в помещении, в котором она находилась, тщательно поддерживалась постоянная температура. Когда пробку вынули, потребовалось 20 минут, чтобы осушить раковину. Опыт повторили несколько раз, и вода неизменно сливалась против часовой стрелки – точно так, как предсказывал эффект Кориолиса.

Хорошо, но почему же тогда в моей раковине вода всегда сливается по часовой стрелке, хотя я нахожусь в северном полушарии? Дело тут в форме раковины и в том, что почти во всех странах холодный кран принято устанавливать с правой стороны, причем давление холодной воды, как правило, выше, чем горячей. Когда вы заполняете раковину из обоих кранов, холодная вода закручивает воду справа по часовой стрелке. Когда вы вынимаете пробку, остается вращательный момент и образуется вихрь, также закручивающий воду по часовой стрелке. Конечно, эффект Кориолиса, противостоящий этому вихрю, будет иметь место, но он получится совсем слабым.

Оказывается, если у вас нет огромной раковины с абсолютно симметричными потоками, вы ничего и не увидите. Эффект Кориолиса невозможно обнаружить в обычной раковине или ванне. Расстояние, которое вода преодолевает, двигаясь от края раковины к центру, ничтожно мало по сравнению с размерами Земли. Кроме того, движение происходит в течение минуты или около того, что также является крошечной долей того времени, которое требуется Земле, чтобы совершить оборот вокруг своей оси.

В таком случае что же увидели на экваторе Майкл Пэйлин и многие другие туристы? Обычный фокус. Воде просто подсказали, куда нужно закручиваться. Да вы и сами можете попробовать это провернуть в своей собственной раковине. Секрет в том, чтобы осторожно наполнить ее, наливая воду немного не по центру. Это гарантирует, что она сохранит ничтожное, почти незаметное вращение. Меняя направление при наливании воды, можно изменить ее направление и при сливе. Вытащите пробку, и вуаля! Вы можете опустошить раковину и по часовой стрелке, и против – как вам угодно. Таким образом, хотя эффект Кориолиса – это реальность, лежащая в основе всей нашей погоды, единственный способ воссоздать ее в быту – это всегда немного ловкость рук.

Эйнштейн, теория относительности и ваш смартфон

Эйнштейн по праву знаменит рядом экстраординарных открытий. Были, конечно, и великолепные волосы, которыми он щеголял особенно в конце жизни, но, вероятно, более важной является все же его работа над теорией относительности. Вместе взятые, специальная и общая теории относительности стали единой теорией, которая объясняет, как взаимодействуют время, гравитация и скорость. В обычной жизни мы редко сталкиваемся с теорией относительности, ведь ее эффекты можно наблюдать только на огромных расстояниях или при движении со скоростью, близкой к скорости света. Однако в кармане, или где бы то ни было еще, у вас наверняка лежит смартфон – и это устройство уже четко демонстрирует все грани гениальности Эйнштейна и его теории относительности.

Внутри почти любого смартфона есть крошечный чип, прикрепленный к встроенной антенне. Он вычисляет, где на поверхности Земли находится телефон с точностью до 3–4 метров. Глобальная система позиционирования, или GPS, которая позволяет смартфону это делать, опирается не только на сеть спутников, вращающихся вокруг Земли, но и на глубокое понимание теории относительности.

Работа спутника GPS на первый взгляд довольно проста. Каждые 30 секунд он передает радиосигнал, содержащий не только время отправки сообщения, но и информацию о точном положении спутника над Землей. Первое – время передачи – указывается по атомным часам на борту спутника, которые невероятно точны. Их точность – до 1 секунды на каждые 138 миллионов лет. Узнать, где находится сам спутник, тоже не особенно сложно. Поскольку он вращается вокруг Земли над атмосферой, его перемещения легко предсказываются с помощью базовых законов движения. Тем не менее координаты всех спутников GPS постоянно контролируются посредством наземного радара, что позволяет вносить любые, пусть даже самые крошечные поправки в их положение. Вся эта информация сжимается в пакеты и передается вниз на Землю каждые полторы минуты.

Когда ваш телефон получает один сигнал, сам по себе он бесполезен. Смартфону нужно собрать сигналы с трех разных спутников в течение примерно 30 секунд, прежде чем он сможет приступить к сложной математике, называемой трилатерацией. Обратите внимание, что этот процесс отличается от родственной триангуляции, поскольку ваш телефон не знает, под каким углом приходят спутниковые сигналы. Однако он в курсе, за какое время, ведь у телефона есть свои часы. Посмотрев на разницу между временем отправки и временем получения, он может определить, как долго сообщение добиралась до адресата.

Поскольку мы знаем, что радиосигнал распространяется со скоростью света, наши смартфоны способны определить, как далеко находятся спутники, посылающие сигнал. После того как телефон проделает эту операцию с тремя спутниками (а положения этих спутников в момент, когда они послали сигнал, ему известны), он может точно вычислить и свое местоположение, используя математику трилатерации.

Возможно, эта математика немного сложна для понимания – особенно в трех измерениях. Чтобы упростить картину, избавимся пока от одного измерения и в качестве примера рассмотрим ситуацию на плоской поверхности. Представьте себе поле с тремя деревьями, растущими по его краю. На поле отдыхает корова. Если по какой-то причине, совершенно неважно какой, вы хотите определить местоположение коровы на карте, то лучше всего использовать трилатерацию. Начните с измерения расстояния от первого дерева до коровы. Теперь возьмите циркуль, чтобы нарисовать окружность вокруг этого дерева на карте, а радиусом пусть будет масштабированное расстояние, определенное в ходе первого измерения. Корова должна располагаться где-то в рамках этой окружности. Повторите алгоритм снова, но уже со вторым деревом, и на карте у вас появится два круга, пересекающиеся в двух точках – корова находится в какой-то из них. Наконец, измерив расстояние до третьего дерева, нарисуйте последнюю окружность, и тогда вы можете быть уверены, что корова отдыхает в той точке, где пересекаются все три круга.

Ваш телефон совершает все эти действия, не прибегая к рулеткам, часам или компасу. Более того, поскольку он делает это в трех измерениях, его построения уже не с кругами, а со сферами. Первым следствием этого является то, что, рассчитав координаты, телефон сгенерирует не одно, а два возможных местоположения, определенных с помощью трилатерации. Тем не менее только одно из этих мест будет располагаться на поверхности Земли, тогда как другое окажется где-то в космосе. И ваш GPS благоразумно проигнорирует это второе местоположение. Еще одно следствие заключается в том, что в этом расчете будет учитываться также высота.

Все это довольно тонкая работа, особенно если вы начнете с самого начала, то есть с того момента, когда спутники передали свои сообщения. Но если вы не примете во внимание теорию относительности, GPS окажется безнадежно неточным.

Согласно специальной теории относительности, чем быстрее вы движетесь, тем медленнее будет идти ваше «бортовое» время для того, кто имеет возможность наблюдать за вами, но сам не движется. В повседневной жизни это, как правило, не проблема, но спутники GPS вращаются вокруг Земли со скоростью около 14 000 км/ч. При такой скорости атомные часы на борту спутников замедляются для нас на 7 мкс в день. Кроме того, мы должны учитывать общую теорию относительности, которая гласит, что в областях с ослабленной гравитацией время идет быстрее для тех, кто наблюдает за ними из областей с более сильной гравитацией. Поскольку спутники GPS вращаются на высоте 20 000 км, гравитационная сила Земли там меньше, и это заставляет атомные часы ускоряться на 45 мкс в день. Общий чистый эффект – это ускорение атомных часов на 38 миллионных долей секунды каждый день.

Конечно, может показаться, что этого очень мало, поэтому не стоит и беспокоиться. Но если подставить эти данные в формулы трилатерации, то в итоге они дадут погрешность GPS в 11 км. Более того, если вы не будете постоянно исправлять эту ошибку, погрешность начнет увеличиваться на 11 км каждый день. Так что в конце недели GPS определит ваше местоположение в 80 км от фактического. К счастью, создатели спутников GPS хорошо знают теорию относительности Эйнштейна и умело используют ее для корректировки атомных часов на борту спутников с учетом ежедневного опережения на 38 мкс[16].

Возможность узнать, где вы находитесь на поверхности планеты, это та чаша Грааля, которую наше общество искало на протяжении веков. Предлагались огромные денежные вознаграждения и, как следствие, прилагались огромные человеческие усилия для решения этой проблемы. И наконец благодаря GPS мы смогли делать это с невероятной точностью. Но ключом к этому стало понимание одного из двух столпов физики XX века. Я изо всех сил пытаюсь разобраться в идеях специальной и общей теорий относительности и знаю, что не одинок в этом. Но пусть я пока не так уж силен в деталях, мне приятно знать, что мой смартфон с GPS-приемником и микрокомпьютером способен выполнить все необходимые вычисления и моментально определить мое местоположение, блестяще доказывая тем самым, что теория Эйнштейна работает.

Тление и горение – разные предпочтения датчиков дыма

Датчики дыма, или пожарные извещатели, стали на удивление распространенным охранным устройством. И не зря. Мировая статистика показывает, что шансы не погибнуть от пожара в доме удваиваются, если в нем установлены эти самые датчики. Национальные пожарные службы во всем мире чрезвычайно заинтересованы в распространении пожарных извещателей, поскольку они не только спасают жизни, предупреждая людей о возгорании незамедлительно, но и дают возможность быстро поставить в известность пожарных, позволяя им добраться до места назначения прежде, чем огонь приведет к непоправимым последствиям.

Хотя все рады иметь дома датчики дыма, чудесные инженерные решения, заключенные внутри них, часто упускаются из виду теми, кто выбирает, какие именно датчики ставить. Существует два основных типа извещателей, и каждый из них чуть лучше подходит для одного из двух слегка различающихся типов пожара.

Если пламя начинает пожирать не особенно огнеопасный материал, то, как известно, создает тлеющий огонь. Такой пожар приводит к образованию дыма, состоящего из крупных частиц сажи. Хотя, конечно, все относительно: диаметр этих частиц равен примерно всего лишь одной сотой доле миллиметра. Для их обнаружения нужен оптический датчик. Внутри его корпуса – кроме батареи, сирены и разнообразной электроники – вы найдете небольшую, окрашенную в черный цвет круглую дымовую камеру. На одном ее конце находится источник света, который светит внутрь камеры. В современных сигнализациях это обычно светоизлучающий диод, и часто он испускает инфракрасное излучение. Также внутри этой камеры, но не напротив источника света, находится фотодиод. По сути это светодиод, работающий в обратном направлении. Когда свет падает на фотодиод, возникает слабый электрический ток. Представьте, что это очень маленькая секция солнечной панели. Поскольку светодиод не обращен к фотодиоду, а свет движется по прямой линии, излучение не улавливается фотодиодом, ток не течет и сигнал тревоги молчит. А теперь представьте, что несколько крупных частиц сажи из тлеющего огня поднимаются к потолку помещения в горячих воздушных потоках и достигают дымовой камеры датчика через отверстия по периметру. Свет или инфракрасное излучение от светодиода попадает на эти частицы сажи и теперь не поглощается рифленой стенкой дымовой камеры, а отражается сажей. Этот отраженный свет рассеивается во всех направлениях, и часть его улавливается фотодиодом. Он вырабатывает малый ток, сигнализация обнаруживает это и включает сирену.

Если же огонь не тлеет, а ярко горит, с прыгающим пламенем и гораздо меньшими (примерно в тысячу раз) частицами сажи, гораздо эффективнее окажется другой тип датчика дыма – ионизационный. В его основе лежит поистине удивительное вещество – крошечный кусочек америция. Америций – это радиоактивный элемент, впервые полученный искусственно в 1944 году в Калифорнийском университете в Беркли (США). Его присутствие в ионизационных пожарных извещателях порой настораживает людей из-за его радиоактивности. Однако вес америция в датчике обычно составляет лишь 1/3 мкг, что является невероятно малым количеством. Если попытаться представить себе этот вес наглядно, это в тысячу раз меньше, чем весит маленькая крупинка соли. Причем под «маленькой» я подразумеваю действительно маленькую крупинку мелкой поваренной соли, которую засыпают в солонки. Внутри датчика дыма америций находится в стальной капсуле, а она помещается в металлическую камеру. Тип излучения, испускаемого этим веществом, называется альфа-излучением. Альфа-частицы имеют очень большие размеры по сравнению с частицами других типов (бета и гамма). Их может полностью остановить даже тонкая металлическая фольга. Безопасные за пределами датчика, альфа-частицы простреливают пространство между двумя металлическими пластинами. И когда они попадают в молекулы газа в воздухе между пластинами, то выбивают электроны и создают электрически заряженные частицы, называемые ионами. Отсюда и название датчика. Поскольку ионы заряжены, они позволяют малому току течь между металлическими пластинами. Когда частицы дыма попадают в эту область (причем неважно, какого они размера), ионы прилипают к ним, снижая свою подвижность, и величина ионизационного тока уменьшается. Уменьшение до определенного значения извещатель воспринимает как сигнал тревоги. Когда это происходит, срабатывает сигнализация.

Итак, какой тип сигнализации лучше иметь в доме? Датчики обоих типов способны обнаружить пожар, но каждый из них выявит «свой» раньше, чем другой. В некоторых странах ионизационные пожарные извещатели не рекомендуются или даже запрещены. Однако они хороши тем, что с меньшей вероятностью отреагируют на такое бытовое происшествие, как подгоревшие тосты или пар из чайника. Очевидно, что любой датчик дыма лучше, чем никакого, поэтому, если хоть малейшая возможность пожара существует, свяжитесь с пожарными экспертами и проконсультируйтесь, какой тип датчика выбрать. Также важный момент, который стоит упомянуть, заключается в том, что, по оценкам, треть всех установленных в домах пожарных извещателей не функционирует либо из-за разряженных батарей, либо из-за того, что они забиты пылью или даже закрашены во время ремонта. Помните: установка датчиков дыма – это только начало, им тоже необходимо регулярное обслуживание и проверка работоспособности.

Исчезающий транзистор и закон Мура

Весной 2005 года корпорация Intel – крупнейший в мире производитель полупроводников – разместила на eBay объявление о награде в размере 10 000 долларов за экземпляр апрельского выпуска журнала Electronics Magazine 1965 года. На другой стороне Атлантики скряга Дэвид Кларк увидел это объявление и понял, что ему, возможно, очень повезло. У него в доме под половицами, как раз для такого случая, была спрятана коллекция этих журналов, включая весьма ценный апрельский выпуск 1965 года. Так что Дэвид Кларк получил свою награду.

Почему гигант-производитель кремниевых чипов Intel решил заполучить экземпляр журнала сорокалетней давности, становится ясно, если посмотреть на страницы 114–117 выпуска. Там напечатана статья Гордона Мура, в которой автор попытался предсказать будущее электронной промышленности – отрасли, по-настоящему начавшей развиваться лишь в 1947 году, после изобретения основного «кирпичика» кремниевого чипа. Я говорю о транзисторе. Мур заметил, что до момента публикации этой статьи количество транзисторов, которые можно было втиснуть в один чип, удваивалось каждые два года. Далее он высказал предположение, что эта тенденция будет сохраняться и в обозримом будущем. Это его наблюдение стало известно как закон Мура, и он в значительной степени соблюдается до сих пор. Через три года после написания этой статьи Гордон Мур стал одним из основателей корпорации Intel. Однако 37 лет спустя выяснилось, что в архивах промышленного гиганта нет ни одного экземпляра этой классической статьи.

Начиная с первых дней развития электроники, когда Мур писал свои книги, и вплоть до расцвета индустрии персональных компьютеров в 1980-х годах количество транзисторов и, следовательно, вычислительная мощность действительно удваивались каждые два года. В 1978 году мы полагали, что достигли грандиозных высот в разработке компьютерных чипов, выпустив процессор Intel 8086, который содержал более 20 000 отдельных транзисторов. С тех пор произошло примерно 17 удвоений: как и предсказывал Мур, последние микропроцессоры[17] имеют умопомрачительное количество транзисторов – 2,5 миллиарда штук. Мы перешли от двойки с четырьмя нулями (20 000) к двойке с девятью нулями (2 000 000 000).

Просто удивительно, как быстро росли эти значения и как близки они оказались к предсказаниям Мура. Хотя кое-кто может подумать, будто это так называемое самореализующееся пророчество. С 2000 года группа отраслевых ассоциаций публикует «Международный план по развитию полупроводниковой технологии». Этот документ устанавливает цели для полупроводниковой промышленности, включая такие аспекты, как количество транзисторов в микропроцессорах. Частично при постановке целей этот документ опирается на закон Мура.

К сожалению, закон Мура рано или поздно все же перестанет быть верным. Сам автор писал в статье: «Это не может продолжаться вечно. Природа экспонент такова, что однажды вы откажетесь от них, ибо они ведут к катастрофе». Хотя я не совсем уверен, что это будет именно катастрофа, насчет экспонент основатель корпорации Intel точно прав: скорость, с которой растет экспонента, становится все выше и выше. Поскольку транзисторов, согласно закону Мура, становится все больше, их размер неуклонно уменьшается. В конце концов мы достигнем рубежа, когда транзистор должен будет стать меньше атома, что явно невозможно.

Хотя здесь не все так очевидно. Мы уже подходим к предельному уровню миниатюризации, но, похоже, есть и другие, более хитрые подходы к решению проблемы увеличения вычислительной мощности. Ведь мало просто взять нужное количество транзисторов и поместить их на кремниевый чип: необходимо также сжать все проводниковые соединения между транзисторами до минимума (время прохождения битов имеет значение!). Одним из значительных скачков вперед в разработке микропроцессоров стало изобретение новых способов соединения транзисторов. Шины теперь занимают меньше места, оставляя пространство для еще большего количества транзисторов. Исследователи также придумали способы, как выполнять больший объем вычислительной работы с помощью транзисторов, которые у них уже есть.

Как долго закон Мура будет оставаться верным, нам еще предстоит выяснить. Некоторые аналитики считают, что мы уже прошли этот рубеж и рост числа транзисторов скоро выйдет на плато. Другие, включая самого Мура, склоняются к тому, что у нас еще есть немного времени. Может быть, пройдет еще лет 20, прежде чем мы увидим, что реальность и закон Мура начинают расходиться. Ведь за всю историю вычислительной техники он не раз сталкивался со всевозможными и, казалось бы, непреодолимыми препятствиями. Но неизменно, когда это происходило, нам удавалось найти новый подход или изобрести нечто такое, что позволяло удваивать число транзисторов каждые два года. Мур однажды описал свой закон как «нарушение закона Мерфи». А вы знаете, что этот самый закон предсказывает: если что-то может пойти не так, оно точно пойдет не так? И тем не менее пока мы все еще можем придерживаться закона Мура и, как говорил он сам, «становиться все лучше и лучше».

Вибрирующие кристаллы в ваших часах

Не подскажете, сколько времени? Скорее всего, вы посмотрите на часы и, благодаря этому крошечному устройству, использующему кристалл кварца, сможете ответить на вопрос. На циферблаты многих настольных и наручных часов крошечными буквами наносят надпись quartz, чтобы вы точно знали, что перед вами кварцевые часы. Но никаких других видимых доказательств вы не найдете, пусть и разберете свои часы, – вам вряд ли удастся обнаружить даже что-то похожее на кварц.

Кварц – чрезвычайно часто встречающееся в природе вещество, второй по распространенности минерал в мире. Каждый раз, когда вы видите песчаный пляж, а точнее прогуливаетесь по нему, вы буквально идете по кварцу. Из него состоит бóльшая часть этого песка. Кварц – это соединение из атомов кремния и кислорода, связанных вместе в кристалл. Он обладает многими нужными нам свойствами: кварц очень твердый, прозрачный, его можно изготовить искусственно и он демонстрирует необычный эффект, называемый пьезоэлектричеством.

В 1880 году – задолго до того, как стать мужем Марии Склодовской, – Пьер Кюри обнаружил, что если сжать кристалл кварца, то он поляризуется и произведет слабый электрический импульс. Эта его способность стала известна как пьезоэлектрический эффект. Год спустя Кюри доказал, что открытый им эффект работает и в обратном направлении. Если приложить ток к кристаллу кварца, его форма слегка деформируется. А после отключения тока кристалл возвращается к своей первоначальной форме и производит небольшой электрический импульс. Это позволило исследователям из Bell Telephone Laboratories спустя 30 лет понять главное: если сделать из кварца крошечные камертоны, можно заставить их резонировать, подавая на них электрические импульсы.

Когда объект резонирует, он вибрирует с так называемой резонансной частотой. Представьте себе ребенка, сидящего на качелях. Они совершают колебание назад и вперед примерно раз в 2 или 3 секунды. Это резонансная частота качелей, и, если вы хотите подниматься все выше и выше, вам нужно придерживаться этой частоты. Если же вы попытаетесь толкать качели чаще, стремясь увеличить частоту, это окажется вовсе не эффективным. Каждый объект имеет свою особую резонансную частоту, которая определяется его физическими свойствами. В случае с качелями это длина их канатов или цепей.

Внутри кварцевых часов есть крошечная металлическая деталь диаметром в несколько миллиметров. Именно в ней скрыт кристалл кварца, сегодня, как правило, круглого, хотя сначала он имел форму вилки-камертона. Когда на него подаются импульсы электричества, он начинает вибрировать, и эти вибрации сильнее всего на его резонансной частоте. После каждого механического воздействия кристалл расслабляется и производит крошечный электрический импульс. Если для воздействия вы будете использовать ту же частоту электрических импульсов, с которой их генерирует кристалл, то сразу достигнете резонанса. Чтобы определить резонансную частоту импульсов, нужно заставить кварц вибрировать сильно. Кварц формируется лазерными резаками[18], после чего вибрирует ровно 32 768 раз в секунду. Когда я говорю «ровно», то имею в виду с точностью до тысячной доли вибрации в секунду.

Причина, по которой выбрано число 32 768, проста. Дело в том, что эта частота находится в том диапазоне частот, в пределах которого легко заставить кварц вибрировать. Но более важно другое: если вы разделите это число на два 15 раз, то получите строго одну вибрацию в секунду. Наряду с хитроумной электроникой, создающей резонанс в кристалле, в часах есть схема, которая подсчитывает электрические импульсы, производимые кварцем. Используя повторное деление на два, она может выдавать электрический импульс ровно один раз в секунду. А далее это задача крошечного шагового электродвигателя (чаще используется шаговый электродвигатель Лавета) и простых шестеренок – преобразовать импульс в движение стрелок на часах.

Быть может, вы решите, что это все, конечно, удивительно, но это же прошлый век. Компьютеры и смартфоны автоматически узнают время, скачивая его из интернета. Что ж, это действительно так, и тем не менее им все равно нужно следить за временем, чтобы просто не слетала системная дата, и они способны делать это даже без интернета. Так что все наши современные часы и устройства, которые показывают время, заключают в себе то, что известно как часы реального времени[19]. Внутри них, вибрируя с частотой 32 768 раз в секунду, функционирует крошечный кварцевый кристалл – кварцевый генератор.

Когда батареи умирают

Электрическую батарею изобрели в 1800 году. Человеком, совершившим этот прорыв, стал Алессандро Вольта – немного застенчивый итальянец, чья фамилия в конце концов увековечилась как единица измерения электрической энергии. До того момента в истории наше понимание электрических явлений простиралось не дальше мгновенных искр статического электричества. Затем появился Вольта со своим столбом из соединенных медных и цинковых дисков, между которыми прокладывалась бумага или сукно, пропитанное серной кислотой. Этот столб мог производить постоянный электрический ток. Каждая ячейка из дисков давала напряжение около 0,85 В, хотя в то время и не существовало технической возможности измерить это и, конечно же, не было даже понятия о вольтах. Если сложить достаточное количество таких ячеек вместе в батарею, можно получить серьезные величины разности потенциалов и начать проводить интересные электрические эксперименты. Именно этим и занялось научное сообщество.

Но была и остается одна проблема: все батареи в конце концов перестают работать. Батареи, изобретенные когда-то Вольтой, теперь питают почти все устройства, что есть у нас дома, и являются неотъемлемой частью нашей жизни. Но даже аккумуляторные батареи, которые мы можем подзарядить, неизбежно выходят из строя.

Ключом к пониманию того, почему это происходит, служит усвоение факта, что батарея – это резервуар для энергии, хранящейся в химической форме. Внутри любой батарей есть два разных и обычно твердых химических вещества, соединенных между собой третьим – жидким. В вольтовом столбе ученый использовал твердые медь и цинк, а соединяла их пропитавшая сукно серная кислота. Однако можно взять бесчисленное множество других комбинаций электродов и электролитов. Независимо от того, каким химическим веществам отдано предпочтение, лежащая в основе всего этого электрохимия одна и та же. На одной стороне элемента высвобождаются электроны, которые затем проходят через электропроводную жидкость (электролит) на другую сторону, где накапливаются и компенсируют нехватку электрического заряда. Результат – возникает разность потенциалов и течет ток.

Батарейка устроена умно. Электрохимическая реакция происходит в ней только тогда, когда она подключена к электрической цепи. Если батарейку от нее отключают, реакция тут же прекращается, поскольку без непрерывного тока электроны остаются на своей стороне в электроде. В результате реакция не идет и на другой стороне. Химическая энергия, накопленная в батарее, остается там до тех пор, пока вы не присоедините последнюю к замкнутой электрической цепи. После этого электроны вновь могут перемещаться по цепи, питающей все, что к ней подключено. Так, когда на светофоре загорается зеленый свет, автомобили продолжают свое движение.

Следствием этого расхода электронов является то, что исходные материалы электрода также расходуются. Вот когда один из электродов растворяется, батарея и умирает. Запас электричества, которое она содержала, был отдан и потрачен.

Наиболее распространенным типом одноразовой батарейки в наши дни является щелочная батарея. Вместо цинка, меди и серной кислоты в ней содержится цинковый порошок, двуокись марганца и гидроксид калия. Именно из-за этой, выбранной в качестве электролита сильной щелочи, гидроксида калия, батарейка так называется. По мере прохождения электрохимической реакции в щелочной батарее цинковый порошок превращается в оксид цинка, а диоксид марганца – в триоксид димарганца. Когда бóльшая часть цинка и диоксида марганца претерпевает эти изменения, внутренние ресурсы батарейки истощаются, и она умирает. Но это не означает, что нет пути назад.

Если вы хотите перезарядить батарею, можно попытаться отменить те изменения, которые произошли, и вернуть химические вещества в исходное состояние, восстановив их энергетические ресурсы. Теория, стоящая за этим, до смешного проста. Поскольку все химические реакции обратимы, вам нужно всего лишь прогонять электрический ток через батарею в противоположном направлении, и таким образом все вернется на круги своя. И все же, хотя обычные щелочные батарейки можно заряжать, делать этого не рекомендуется по нескольким причинам. Поскольку оксид цинка превращается обратно в цинк, он может образовывать не порошок, а кристаллы, причем в неправильных местах. Острые кристаллы цинка способны разорвать прокладку между цинком и диоксидом марганца. А если это произойдет, могут иметь место всевозможные новые реакции, и в ходе некоторых из них будет выделяться газообразный водород. Поскольку емкость, в которую заключена батарейка, газонепроницаема, накопление водорода может привести к взрыву, в результате чего содержимое батарейки, включая сильную щелочь гидроксид калия, распылится. Вот почему мы не заряжаем обычные щелочные батарейки.

В перезаряжаемых аккумуляторных батареях нужно использовать более сложную электрохимию, поскольку у них более сложное внутреннее устройство. Их конструкция призвана гарантировать, что при обращении всех прошедших химических реакций вспять все вещества вернутся туда, где они были изначально, чтобы батарейка не повредилась. Но обратный процесс все же не может идти настолько точно. Так что, хотя обратные химические процессы в аккумуляторных батареях не вызывают повреждения последних, они не являются на 100 % эффективными. А значит, и эти источники энергии имеют ограниченный ресурс в виде определенного количества перезарядок.

Интересно, что слово battery («батарея») применительно к новому электрическому устройству было придумано за полвека до изобретения вольтового столба, в 1748 году, Бенджамином Франклином, великим ученым и одним из отцов-основателей США. До этого времени батареей называли установленные в ряд артиллерийские орудия, но Франклин использовал это слово, чтобы описать кульминацию вечеринок, которые он периодически устраивал у себя дома в Филадельфии. Эти вечеринки включали в себя демонстрации разнообразных экспериментов, связанных с электричеством: поджаривание индейки электрическим током, электризацию кубков вина и бокалов с пылающими спиртными напитками, зажженными искрами. И все это завершалось разрядом орудий электрической батареи. Электрическая батарея тогда представляла собой несколько лейденских банок, заряженных статическим электричеством. Это была предтеча вольтового столба. Как только 1800 год прогремел новыми открытиями и Вольта вышел на авансцену науки, это слово быстро закрепилось в качестве названия для его изобретения.

Долгоживущие мыльные пузыри

Поистине жесток тот, кто уничтожает мыльные пузыри, не говоря уже о мыльных пузырях, пускаемых ребенком. Но малейшее прикосновение пальцем – и они лопаются, так что мыльные пузыри стали воплощением хрупкости. Они настолько тонкие, что лопаются и сами, без видимого внешнего воздействия. Но все же и мыльные пузыри бывают невероятно долгоживущими, что может подтвердить любой, кто видел, как они плывут по воздуху, движимые легким ветерком. Вы поймете, что это не противоречивые наблюдения, как только углубитесь в науку о пузырях.

Любой ребенок знает: чтобы выдуть мыльный пузырь, нужно залить в банку побольше моющей жидкости. Важным ингредиентом тут являются молекулы моющего средства, обладающие тем особым свойством, что один их конец притягивает воду, а другой – отталкивает. При смешивании с водой эти молекулы могут образовывать так называемые мыльные пленки. Они состоят из двух слоев моющего средства и воды, зажатой между ними. Каждый из слоев, как правило, толщиной всего в одну молекулу, но эти молекулы плотно «упакованы» и ориентированы в одном направлении. Они располагаются так, что все гидрофильные их части обращены внутрь «сэндвича», к воде, а гидрофобные – торчат наружу, врезаясь в воздух вокруг мыльной пленки.

Также стоит отметить, что именно этот своеобразный сэндвич «моющее средство – вода – моющее средство» и создает радугу цветов, которую вы видите в пузырьках. Кроме того, он может быть невероятно тонким – намного тоньше 100 нм (это десятитысячная доля миллиметра). И это даже меньше длины волны видимого света. Когда свет попадает на мыльный пузырь, бóльшая его часть проходит насквозь без преломления, но часть света отражается от передней поверхности мыльной пленки, а другая – от второго слоя моющего средства. Это создает два отраженных луча света, один из которых слегка смещен по фазе относительно другого. Поскольку свет ведет себя как волна, две световые волны могут местами гасить друг друга. Именно это и происходит в мыльных пленках. При определенных толщинах мыльной пленки некоторые длины волн и, соответственно, цветá света сами себя подавляют. Тогда, вместо того чтобы видеть отраженный белый свет, мы видим белый свет минус подавленные цвета. Например, если у вас есть мыльная пленка толщиной около 430 нм, что как раз подходит для подавления желтого света, то отраженный свет, видимый на поверхности мыльного пузыря, выглядит синим.

Причина того, что цвета в мыльных пузырях постоянно меняются, заключается в том, что последние меняют форму. Другая причина кроется в том, что мыльная пленка при высыхании становится тоньше. И именно поэтому пузыри лопаются сами по себе. Они просто высыхают. Слой воды между двумя слоями моющего средства имеет толщину всего в одну или несколько молекул. Если вода не очень холодная, то она сравнительно быстро испаряется. А когда вода испаряется, она покидает «сэндвич» и тот становится тоньше. В конце концов два слоя моющего средства соприкасаются. Однако само по себе моющее средство не способно образовать пленку: для этого ему нужна вода. Так что пленка разрывается, и в ней образуется крошечная дырочка. Ну а как только в мыльной пленке появляется отверстие, поверхностное натяжение неумолимо это отверстие растягивает, и в итоге вся пленка разрушается.

Таким образом, если бы мы были в силах остановить испарение, мы смогли бы предотвратить быстрое лопание пузыря. Очевидный способ достичь этого – поместить пузырь в среду со 100-процентной влажностью. При такой высокой влажности никакого испарения не будет. Этот трюк освоил в свое время великий американский шоумен, повелитель пузырей Эйфель Пластерер. Он пускал пузыри в большие банки из-под варенья, на дне которых плескалась вода. Эта вода обеспечивала максимально возможную влажность, и пузырь-рекордсмен Пластерера продержался 340 дней.

Есть также химический трюк, который можно провернуть, чтобы остановить испарение пузырей. Я говорю о так называемых увлажнителях – соединениях, молекулы которых удерживают воду и препятствуют ее испарению. Вы можете использовать в качестве увлажнителя сахарный сироп, но тогда ваши пузырьки оставят липкий след там, где они приземлятся. А еще подойдет глицерин. Маленькие бутылочки с этой прозрачной вязкой жидкостью продаются в супермаркетах, поскольку глицерин обычно добавляют в блюда, чтобы защитить их от высыхания. Например, в глазурь для торта: благодаря глицерину она не застывает слишком сильно. Добавляют его и в смесь для выдувания пузырей, и это действительно увеличивает время их жизни. По моему собственному опыту, для получения хорошей пузырьковой смеси необходимо соединить 1 часть глицерина и 10 частей моющего средства, а потом добавить к этому 100 частей чистой воды. Далее получше все перемешать и оставить на ночь, чтобы пена успокоилась. А затем можно надувать пузыри, и у вас будут получаться долговечные гиганты.

За свою карьеру популяризатора науки я несколько раз выступал с пузырями на сцене и просто перед камерами. Я был настоящим мастером по выдуванию пузырьковых скульптур и даже чуть не побил мировой рекорд по величине внутреннего пузыря. К сожалению, мне не хватило какой-то доли кубического метра. Но если мой опыт работы с пузырями меня чему-то и научил, так это тому, что наиболее распространенная причина потери большого пузыря вовсе не испарение: на самом деле пузыри редко получают шанс на это, особенно перед аудиторией. Гораздо чаще дети просто тычут в них пальцами. И теперь я начинаю думать, что не только дети не могут удержаться от соблазна потрогать мыльный пузырь руками. Независимо от возраста пальца, являющегося виновником разрушения пузыря, механизм один. Когда палец касается «сэндвича» из моющего средства и воды, он расталкивает воду. А значит, возникает та же ситуация, что и при испарении: нет воды – нет «сэндвича».

И для бутылок, и для одежды

Еще в 1979 году компания Malden Mills в США выпустила новый тип ткани под названием Polar Fleece, предназначенный для замены шерстяных тканей. Сегодня вы можете купить вещь из поларфлиса в любом магазине одежды. Однако из-за того, что владелец Malden Mills Эрон Фюрштайн решил не патентовать свое изобретение, эту ткань обычно называют просто флисом. Но удивительно другое: сейчас выпускается огромное количество флиса и бóльшая его часть производится из переработанных пластиковых бутылок.

Поларфлис, созданный Malden Mills, изначально изготавливался не из вторичных полностью синтетических полиэфирных нитей. Тогда его ткали[20], причем применяя вполне традиционный метод изготовления ткани. И все же одно обстоятельство делало поларфлис особенным: дополнительная процедура, которая производилась с ним после того, как он был соткан. Ткань расчесывали тонкими проволочными гребнями, чтобы вытянуть маленькие петли волокна с поверхности. Этот процесс с древних времен назывался ворсованием. Затем верхушки петель отрезали, чтобы создать негладкую, ворсистую поверхность. Изначально поларфлис был очень популярен среди туристов, а теперь из него шьют повседневную одежду. Мало у кого из нас не найдется дома флисовой вещи, припрятанной на случай холодов.

Когда компания Malden Mills начала производить поларфлис, сырьем для него служил пластик с непроизносимым названием «полиэтилентерефталат» – или лавсан, или просто ПЭТ, если вы предпочитаете покороче. В то время все используемые ткани и нити на основе ПЭТ изготавливались из химических веществ, полученных из сырой нефти. Но оказалось, что ПЭТ хорош не только для этого. Он также идеально подходит для формования бутылок. Сейчас вся мировая индустрия бутилированных напитков работает на ПЭТ. Что же делает его таким полезным материалом? Тот факт, что это термопластик, то есть при нагревании он превращается почти в жидкость. Если взять пустую ПЭТ-бутылку и нагреть ее, она расплавится при температуре 250 °C. Теперь достаточно направить эту жидкость в нагретую форму, и получатся полиэфирные волокна. Конечно, звучит все проще, чем есть на самом деле, но мы определенно можем применить эту технологию для переработки отходов.

Сбор и утилизация использованных ПЭТ-бутылок сегодня – нечто само собой разумеющееся, хотя это явно сложная и важная логистическая задача. После того как бутылки собраны, им предстоит долгий путь, прежде чем начнется их новая жизнь. Они обычно сортируются вручную, и в ходе сортировки удаляются любые крупные нежелательные предметы, которые могут нарушить технологический процесс переработки. Затем запакованные в тюки бутылки почти во всех случаях отправляются на Дальний Восток. Там они измельчаются, и, так как колпачки изготавливаются из другого пластика – полиэтилена высокой плотности, их отделяют от массы ПЭТ при помощи воды: полиэтилен высокой плотности плавает на ее поверхности, тогда как ПЭТ тонет. Удаление бумажных этикеток и клея – еще одна существенная проблема, которая требует применения таких неприятных химических веществ, как каустическая сода например. После этого остаются чистые куски мокрых ПЭТ-бутылок и вода на поверхности пластика. Если ПЭТ растопить, вода войдет в состав пластика, что приведет к его деградации и разрушению. Поэтому одна из самых сложных задач для переработчиков ПЭТ – высушить эту массу наиболее энергоэффективным способом, но так, чтобы не начался процесс плавления. А затем масса ПЭТ наконец будет готова к превращению в синтетические волокна, но это тоже довольно трудоемкий процесс.

Клочья пластика расплавляют и разбрызгивают через специальные формы, в результате чего образуются волокна. Но поскольку в ходе этой процедуры они получаются недостаточно тонкими, их повторно нагревают и растягивают. После чего – гофрируют и нарезают на волнистые пряди длиной около 4 см. Полученный «пух» можно использовать для наполнения подушек и мягких игрушек, а также для производства тканей – для этого волокна расчесывают и прядут из них нити. Вот тут и появляется то, что позволяет изготовить полиэфирную ткань и начать процесс, изобретенный Malden Mills. И в результате получится флис, который, в отличие от первоначального поларфлиса, будет сделан из переработанных бутылок, а не из сырой нефти.

Безусадочная шерсть

Шерсть – это замечательный материал. Ее можно использовать для создания одежды, которая является одной из самых теплых, самых прочных, самых немнущихся и даже самых дышащих. Конечно, лучшие из высокотехнологичных синтетических тканей могут превзойти шерстяные по нескольким параметрам, но, если оценивать по всему диапазону качеств, эту натуральную ткань победить нельзя. Однако, несмотря на все преимущества, у шерсти есть один серьезный недостаток. Она садится. И поэтому ее рекомендуется промывать самым тщательным образом. Я стоял во главе исследований процесса усадки шерсти, и после каждого испытания в его рамках неизменно удивлялся: почему у овец нет такой же проблемы. В конце концов, в моей лесной глуши дожди идут часто, но я никогда не видел овцу со сморщенной, немного севшей шерстью.

В основном шерсть состоит из белка, называемого кератином. Он образует длинные извивающиеся нити, сворачивающиеся в спиральки. Эти спиральки связываются вместе и создают своего рода основу, матрицу. Вся шерстяная нить покрыта слоем отмерших высушенных клеток, которые практически полностью состоят из кератина. То есть человеческие волосы и мех животных по существу имеют одинаковую структуру. Простите за небольшое отклонение от темы, но единственная разница между волосами и мехом – это плотность волосяных фолликулов. В среднем на голове мужчины, не страдающего облысением, имеется около 40 волос на квадратный сантиметр. Для сравнения: у мериносовой овцы – 9 000 шерстинок на квадратный сантиметр. Но все же рекордсмен по меху – морская выдра: у нее более чем 120 000 волосков на квадратный сантиметр. Очевидно, что внутренняя структура волосков у выдры такая же, но чем плотнее волоски, тем они тоньше.

Одна из причин того, что из шерсти легко прясть нить, а затем изготавливать из нее одежду, заключается в том, что шерстяной нити свойственна естественная волнистость и эластичность. Последнее качество следует понимать буквально. Шерстяные волокна можно сильно растянуть, а затем они вернутся к своей первоначальной форме. Это связано не только с тем, что шерсть состоит из нитей кератина, но и с ее волнистостью: она имеет от 1 до 12 изгибов на каждом сантиметре длины. На самом деле шерстяные нити по форме напоминают растянутые пружины.

Теперь обратимся к высушенным кератиновым чешуйкам, обнаруженным на поверхности шерстяных волокон. Все волокна волос, шерсти и меха имеют слой, состоящий из перекрывающихся высохших клеток. Как вы могли видеть в рекламе средств по уходу за волосами, они немного похожи на черепицу на крыше, но у шерсти чешуйки лежат не особенно ровно. Края чуть приподнимаются вверх и то и дело цепляются друг за друга. И вот теперь мы наконец добрались до причины, по которой шерстяная одежда садится.

Если поместить ее в горячую мыльную воду, волокна впитают часть воды и немного набухнут. Не столь важно даже, чтобы вода была горячей и мыльной. Гораздо важнее, чтобы шерсть хорошо набухла. Тогда края чешуек раздвинутся еще больше, чем обычно. Более того, горячая вода немного ослабляет упругость пружины в волокнах. Это позволяет чешуйкам сильнее стягивать волокна вместе, ведь сопротивление оказывается слабее. Когда впоследствии шерсть высыхает и остывает, упругость волокон шерсти восстанавливается, но они уже крепко стянуты и удерживаются вместе их собственными чешуйками. Так что получается немного севший свитер.

На самом деле таковы же первые этапы создания войлока, который начинается с простой шерстяной пряжи. Шерсть нагревается и растирается до тех пор, пока все волокна в ней не будут плотно взаимно зафиксированы при сохранении пружинистости. Хотя сам по себе войлок – ценный и полезный материал, он гораздо менее гибкий и удобный для ношения, так что это все же не лучшее, что можно сделать со свитером.

Поскольку шерсть может сесть и в холодной воде, овцы, по идее, тоже должны от этого страдать. Но, будучи на теле, их шерсть не садится, ведь она содержит еще один компонент, который нужно учитывать. Я говорю о ланолине – желтом воскообразном веществе, выделяемом кожей овец. Ланолин может составлять до четверти веса одного овечьего руна. Это вещество аналогично кожному салу, выделяемому нашей кожей, которое постепенно делает волосы жирными. Ланолин не только придает шерсти ее неповторимый овечий запах, но и обеспечивает ей водонепроницаемость. Он предотвращает пропитывание шерсти животного водой, так что шерсть может быть мокрой снаружи, но никогда не промокнет насквозь. Более того, воскоподобный ланолин покрывает кератиновые чешуйки на поверхности шерстяных волокон, и они не могут больше цепляться друг за друга. Так что именно ланолин предотвращает усадку шерсти на теле овцы.

Теоретически вы могли бы сделать свою шерстяную одежду устойчивой к усадке, пропитав ее ланолином, но, боюсь, даже если бы вы сами могли смириться с этим запахом, окружающие бы точно возражали. К счастью, на помощь пришли современные технологии, позволившие стирать некоторые шерстяные вещи даже в машинке. Один из них – ненадолго погрузить изделие в ванну со слабым раствором уксусной (или винной) кислоты. Она растворяет чешуйки на поверхности нитей, после чего шерсть уже без опаски можно стирать машинным способом. Также ее можно обработать лаком, который покрывает чешуйки и позволяет им скользить друг по другу. Короче говоря, в любом случае получается волокно, обладающее всеми свойствами шерсти, кроме ее склонности к усадке.

Свежий воздух действительно полезен для нас

В западном мире давно и глубоко укоренилась идея, что свежий воздух и солнечный свет полезны для нас. Начиная со Средневековья распространение болезней часто связывали с плохим или зловонным воздухом (тогда это «заразительное начало» называли миазмами). Идея о том, что свежий воздух может лечить, была актуальна вплоть до совсем недавних времен. В течение XIX века практикующие врачи и другие медики, такие как Флоренс Найтингейл, советовали пациентам почаще бывать на свежем воздухе, а единственным лечением туберкулеза являлось пребывание в санатории. Медицинское обслуживание в таких местах вплоть до начала XX века состояло из особого режима питания и лежания на улице в кресле. В непогоду пациентов заворачивали в одеяла. Короче говоря, свежий воздух и солнечный свет считались лекарством от самых разных недугов.

Сегодня мы оглядываемся назад и, вооруженные современными медицинскими знаниями, снисходительно улыбаемся, говоря об этой причудливой концепции. Хотя мы понимаем, что солнечный свет необходим для выработки витамина D в организме, идея о том, что солнечный свет и свежий воздух могут быть лечением, кажется отсталой. Мы не исключаем, что это полезно на психологическом уровне: всегда приятно, когда светит солнце, а в окно дует легкий ветерок. Но мы сомневаемся, что это оказывает прямое медицинское действие.

И все же в чем-то медики прошлого были правы. Например, если говорить о солнечном свете, мы теперь знаем, что ультрафиолет довольно эффективно уничтожает бактерии. В частности, ультрафиолетовое излучение с определенной длиной волны (207 нм) очень активно поглощается маленькими бактериями, тогда как ущерб от него гораздо более крупным клеткам человека минимален. Это поглощение ультрафиолета приводит к повреждению бактериальных ДНК, в результате чего бактерии погибают.

Но еще более интригующим является эффект свежего воздуха в больницах. В ходе исследования американских солдат, несших службу в Саудовской Аравии во время Первой войны в Персидском заливе в 1990 году, было установлено, что люди, спавшие в палатках, страдали от простуды и насморка меньше, чем те, кто жил в помещениях с кондиционером. Могли ли мы себе представить, что рециркуляция воздуха в кондиционированных казармах окажется ответственной за бóльшую частоту простуд? Однако кондиционер едва ли осуществляет значительную рециркуляцию воздуха. Он лишь фильтрует, а затем охлаждает наружный свежий воздух.

В 2012 году профессор Джессика Грин из Университета штата Орегон в США опубликовала результаты бактериальных проб, взятых с поверхностей в больничных палатах. Некоторые были из кондиционированных комнат, другие – из комнат с регулярно открывавшимися окнами. Профессор Грин обнаружила, что, хотя количество присутствовавших бактерий различалось не так уж сильно, отличались виды бактерий. В кондиционированных помещениях насчитывалось меньше видов бактерий, но бóльшая часть из них была потенциально болезнетворна для человека. Конечно, если вы регулярно чистите больничную палату мылом и антибактериальными средствами, вы наверняка уничтожите подавляющее большинство бактерий. Но эту борьбу нужно вести постоянно, поскольку помещение будет немедленно заселяться бактериями вновь – из самого обильного источника заражения, которым в больнице являются люди. Многие из людей закономерно (ведь они болеют!) полны именно патогенных микроорганизмов. Так что нет ничего удивительного в том, что и в больницах их хватает. Удивительно другое! Если периодически открывать окна палат, многие из этих микроорганизмов оттуда исчезают.

Только недавно мы начали понимать, насколько обильна, разнообразна и вездесуща окружающая нас бактериальная экосистема. Естественный, некондиционированный, свежий воздух населяет множество бактерий, дрейфующих на частичках пыли и в крошечных капельках воды. Если поверхности в комнате подвергаются воздействию этого воздуха, то бактерии из него осаждаются там, где есть условия, благоприятствующие их росту и размножению. Но большинство из них безвредны. И при обилии бактерий разных видов те немногие, что способны вызвать болезнь или инфекцию, вынуждены конкурировать со множеством неопасных бактерий. Из-за чего патогенные микроорганизмы уже не могут действовать в полную силу и представляют для нас меньшую угрозу.

Если вы откроете окна в больничной палате, поверхности которой регулярно дезинфицируются, они повторно заселятся весьма разнообразным сообществом бактерий, в числе которых окажется не так уж много опасных для нас. Таким образом, за счет регулярной уборки болезнетворных бактерий в палатах будет все меньше, а благодаря периодическому проветриванию безвредные микроорганизмы будут обеспечивать все более серьезную конкуренцию. А значит, вероятность болезни или инфекции станет существенно сокращаться.

Флоренс Найтингейл, работавшая медсестрой во время Крымской войны (1853–1856), сделала огромный вклад в больничное дело. Одними из самых значительных ее нововведений являются строгое соблюдение чистоты в больничных палатах и постоянный приток туда свежего воздуха. По возвращении в Великобританию Найтингейл продолжила свое начинание, и сегодня ее даже считают одной из тех, кто заложил основы современного сестринского дела в целом и профессии медсестры в частности. Хотя многие из ее принципов надежно сохранились в нынешней практике, ее идеи о свежем воздухе вышли из моды. Возможно, пришло время вернуться к ним. Как она выразилась более ста лет назад, в 1898 году: «Никогда не бойтесь открывать окна».

04 Все своеобразие человека и наука о нас

Совершенно безвкусные мифы

Есть две вещи о вкусе, которые мы все знаем с детства. Во-первых, что существует четыре вкуса, которые мы можем распознавать, и, во-вторых, что язык разделен на отдельные области, где находятся вкусовые сосочки, распознающие эти вкусы. Четыре вкуса – это горький, соленый, сладкий и кислый. Язык определяет сладкое самым кончиком, соленое – областями с каждой стороны, кислое – участком ближе к корню языка, а горькое – областью в виде полосы на самом корне. В учебниках, на веб-сайтах и в научно-популярных книгах эти сведения преподносятся как безапелляционные факты. Однако же не все так однозначно. У нас на языке нет карты вкусов, а основных вкусов насчитывается более четырех.

Миф о карте на языке довольно легко опровергнуть. Если вы завяжете испытуемому глаза и накапаете ароматизированную жидкость по периметру его языка, то сможете создать новую карту вкусов, отличную от общепринятой. На самом деле каждый вкус можно почувствовать любой точкой языка. Тем не менее именно этот эксперимент проводится бесчисленным количеством школьников по всему миру, чтобы доказать, что карта вкусов существует. Это прекрасный пример того, как предварительное знание ожидаемого результата может повлиять на выводы. По-видимому, либо все эти школьники выдумывают свои результаты, либо их несогласующиеся с классической картой ощущения списывают на некачественное проведение эксперимента. Если вы проследите историю появления карты вкусов в научной литературе, то обнаружите ее истоки в сложно написанной немецкой статье, которую неточно перевел один американский ученый в 1901 году[21]. Но даже этот научный миф все же не настолько прочно укоренился в умах людей, как идея о том, что существует лишь четыре основных вкуса.

По всей вероятности, еще древнегреческий философ Демокрит впервые провел каталогизацию различных вкусов в рамках своей новаторской теории атомов. Он пришел к мысли, что все состоит из крошечных неделимых частиц, которые он называл атомами, а вкус атома, по Демокриту, определялся его формой. Так, сладкие субстанции были представлены атомами гладкими, как капли. Соленые – атомами, имевшими острые края. Кислые виделись философу составленными из громоздких и угловатых атомов, а горьким он приписывал зазубренные крючки. В конце концов эти представления Демокрита оформились в теорию о четырех основных вкусах. И мы свято верили в нее на протяжении тысячелетий. Затем, в начале XX века, многие люди начали понимать, что мир намного шире и разнообразнее, чем казалось древнегреческому философу. Одним из таких людей был Огюст Эскофье, которого французы окрестили «королем поваров и шеф-поваром королей». Эскофье не только революционизировал кулинарию и ресторанное дело в Париже, но и придумал множество блюд, которые нельзя отнести ни к сладким, ни к горьким, ни к кислым, ни к соленым. Поскольку, согласно научным представлениям того времени, существовало лишь четыре вкуса, считалось, что Эскофье готовил нечто невозможное и волшебное.

Примерно в то же время в Японии у блестящего химика Икэды Кикунаэ случилось озарение, когда он ел суп. В тот день 1908 года привычное блюдо показалось ему вкуснее, чем обычно, и он понял, что произошло это из-за добавления в него морских водорослей. Кикунаэ потребовалось шесть месяцев, чтобы выделить из водорослей химическое вещество, которое отвечало за эту трансформацию вкуса. То, что он нашел, оказалось аминокислотой, известной как глутаминовая кислота, или просто глутамат. Аминокислоты являются строительными блоками белков, а глутамат встречается в большинстве белков в природе и в том числе примерно в 6 % белков человека. Изначально предполагалось, что глутамат просто усиливает четыре вкуса, и Кикунаэ проницательно запатентовал процесс его производства в качестве усилителя вкуса. (Конечно, соли глутаминовой кислоты наиболее известны нам по глутамату натрия.) Химик назвал вкус глутамата японским словом «умами», что означает «восхитительный вкус». Почти сто лет спустя, в 2000 году, исследователи определили рецепторы на языке, которые обнаруживают глутамат, и с этого момента умами стал считаться пятым основным вкусом.

Очень сложно описывать вкусы, поскольку они фундаментальны для нашего восприятия мира, но умами обычно ассоциируется у нас с насыщенным привлекательным вкусом. Такой присутствует, к примеру, в мясных бульонах, анчоусах, грибах шиитаке и твердых сырах, например пармезане. В прошлом повара веками использовали богатые умами ингредиенты для приготовления различных блюд, чтобы сделать их более яркими и пикантными. Но теперь, когда у нас есть химическое понимание этого вкуса, мы можем найти умами даже там, где его никогда не выявляли раньше. Теперь нам под силу создавать настоящие пищевые «бомбы», ведь уже существуют пасты умами, как вегетарианские, так и невегетарианские.

Итак, на языке нет никакой карты вкусов, а основных вкусов как минимум пять. Хотя сейчас, к примеру, идут споры о недавно открытом вкусовом рецепторе, который способен распознавать молекулы жира. Так что вполне вероятно, что мы также можем чувствовать жиры на вкус. Все это означает, что Демокрит был ближе к истине, чем мы думаем. В своем труде, созданном примерно в 400 году до нашей эры, он описал не четыре, а шесть вкусов. Это были четыре традиционных вкуса плюс еще два, которые он назвал «острым» и «маслянистым». Возможно, мы только сейчас идентифицировали маслянистый вкус, и, конечно, нельзя исключать, что острый вкус – это и есть вкус умами. Мне нравится мысль, что нам понадобилось 2 500 лет, чтобы вернуться туда, откуда мы начали.

Хруст костяшек и 50-летний эксперимент

Я признаю, что люблю и умею хрустеть костяшками пальцев рук, да и ног в придачу. Не то чтобы я демонстрирую это умение на публике, но в частном порядке трещу суставами рук и ног этак пару раз в день. Эта привычка всегда вызывала у меня мучительное беспокойство. Широко распространено мнение, что в долгосрочной перспективе трещать костяшками пальцев вредно, и многие авторитетные для меня в детстве люди, такие как дяди, тети и родители, говорили, что подобные действия вызывают артрит. Конечно, это не должно считаться нормальным, когда сустав пальца руки или ноги издает громкий треск. Более того, независимо от возможных патологических последствий, непонятно, что же заставляет суставы так щелкать.

Это удивительно для столь обыденного явления, но причина, по которой суставы издают такие звуки, до конца неясна. Современное объяснение выглядит так: между суставными поверхностями каждого сустава находится синовиальная жидкость, закрытая в суставной сумке, или капсуле. Эта жидкость состоит в основном из воды, но также содержит некоторые белки, соли и белые кровяные клетки (лейкоциты). Она нужна для того, чтобы смазывать и смягчать покрытые хрящом суставные поверхности, которые, собственно, и формируют сустав. Когда вы пытаетесь щелкнуть суставом, то быстро его растягиваете и тянете суставную капсулу. Это снижает в ней внутреннее давление, и в процессе, называемом кавитацией, внутри жидкости появляются крошечные пузырьки газа. Ключом к пониманию того, почему это происходит, служит тот факт, что жидкость нельзя сжать или растянуть. Другими словами, если у вас есть мешок, заполненный жидкостью, и вы внезапно увеличиваете размер мешка, жидкость не может расшириться, чтобы охватить новый, больший объем. Так появляются пустóты, а спустя мгновение и пузырьки, занимающие дополнительное пространство. Эти пузырьки обычно заполняются газами, которые до образования пузырьков растворялись в жидкости.

В случае суставной капсулы синовиальная жидкость содержит много растворенного азота, и ключевым моментом является то, что, щелкая суставами, вы создаете в ней пузырьки азота. Но хруст, который вы слышите, знаменует собой не момент создания пузырьков, а момент их схлопывания после того, как сустав был растянут. По крайней мере, такова теория.

Хотя мы пока не уверены в источнике звука наверняка, сейчас у нас есть больше информации о потенциальных ревматических последствиях этих щелчков. В 1998 году в научном журнале Arthritis & Rheumatism («Артриты и ревматизм») появилась небольшая заметка. Ее автором был Дональд Унгер, 72-летний врач из города Таузанд-Окс неподалеку от Лос-Анджелеса. В ней он писал, что близкие настоятельно советовали ему не щелкать суставами. Однако Унгер не принял совета семьи всерьез и с наслаждением продолжал хрустеть костяшками, когда его никто не видел. Он решил провести эксперимент, пусть и с очень маленькой выборкой. Уингер начал хрустеть костяшками пальцев на левой руке два раза в день, оставляя при этом правую руку в качестве контрольного образца. Проявляя удивительную настойчивость, он продолжал это делать в течение 50 лет. А потом обследовал свои суставы в клинике. Ни на одной руке признаки артрита у него не обнаружили.

Эксперимент доктора Унгера не единственный, посвященный этому вопросу. Были и другие желающие найти связь между щелчками суставов и артритом. В рамках одного из исследований у пожилых людей спрашивали, есть ли у них привычка хрустеть суставами, и определяли, имелись ли у опрошенных признаки артрита. И хотя в итоге наличие связи ни одно из исследований не подтвердило, активное и систематическое щелканье костяшками пальцев не изучалось. Следует отметить, что проведение такого эксперимента (попытаться вызвать артрит путем намеренных щелчков костяшками пальцев) на людях в наши дни, безусловно, не одобрит ни один комитет по медицинской этике.

Экстрасенсорное восприятие

Упрощенные уроки естествознания в начальной школе – это довольно стандартная практика, но она способствует тому, что в нашей культуре все прочнее закрепляется одно заблуждение. Я говорю об убеждении, что человек имеет пять органов чувств, с помощью которых воспринимает окружающий мир. Погрузитесь в эту тему хоть немного основательнее и обратитесь к критическому мышлению, и вам сразу станет ясно, что способов чувствовать мир у нас гораздо больше.

Мой личный любимый контрпример к теории пяти чувств может быть продемонстрирован следующим маленьким трюком. Для начала встаньте так, чтобы ваши руки могли свободно двигаться, не касаясь ничего вокруг. Затем закройте глаза и широко раскиньте руки в стороны. Теперь прикоснитесь пальцем к носу. Получилось? Для большинства людей тут нет ничего сложного, но затруднения с выполнением этого упражнения говорят о проблемах с проприоцепцией, или ощущением того, где находятся части вашего тела.

К каждой из наших скелетных мышц прикреплен рецептор растяжения, который сообщает мозгу, насколько растянута или расслаблена эта мышца. Будучи младенцами, все мы бессознательно строим модель нашего тела в своем сознании, связывая показания различных рецепторов растяжения с тем, где в действительности находятся наши конечности. Именно поэтому вы можете сказать, какое выражение у вас на лице, не глядя в зеркало. Если же проприоцепция нарушена, например под воздействием алкоголя, вы становитесь неуклюжими, опрокидываете вещи и спотыкаетесь о собственные ноги. Вы буквально не знаете, где находятся ваши руки и ноги.

Другое наиболее очевидное чувство, не включенное в большую пятерку и идущее рука об руку с проприоцепцией, – наше чувство равновесия. Структурной основой отвечающего за него вестибулярного аппарата служит комплекс реснитчатых клеток внутреннего уха в ампулах его полукружных каналов. Именно трубки с жидкостью внутри наших ушей обнаруживают ускорение, то есть мы ушами чувствуем, когда меняем скорость или направление движения. Наиболее очевидное применение чувства равновесия – способность понимать, когда тело находится не в вертикальном состоянии и мы падаем. Однако это чувство можно легко нарушить и запутать. Мы все знакомы с ощущением головокружения: обычно оно возникает потому, что мы вращались, а жидкость в нашем внутреннем ухе продолжает вращаться, хотя мы уже остановились.

Существуют и другие чувства, и все новые открытия начинают размывать границы того, что является или не является частью какого-либо чувства. В наших телах рецепторы повсюду. К примеру, за наши способности распознавать тепло, холод и боль, функционирующие совместно с чувством осязания, отвечают особого рода микроскопические структуры на нервных окончаниях, которые и позволяют выделить эти способности в отдельные чувства. Если уж на то пошло, в основе нашего осязания лежит целый ряд рецепторов различных типов, и каждый из них назван в честь открывшего его анатома XIX века. У нас есть чувствительные тельца Мейснера, которые различают легкое давление, тельца Фатера – Пачини, что обнаруживают жесткое давление и вибрацию. Имеются и тельца (или диски) Меркеля, распознающие длительное давление, и тельца (или окончания) Руффини, реагирующие на растяжение кожи. Но означает ли это, что каждый вид рецепторов отвечает за свое отдельное чувство?

При изучении биологии в целом и нашего восприятия мира в частности все становится намного более сложным и запутанным. Наши чувства не укладываются в пять маленьких коробочек. Даже со зрением не все так просто, как многим кажется. На самом деле у нас есть два «режима» зрения. В рамках одного используются палочковые клетки, и тогда мы видим все в черно-белом цвете, но в мельчайших деталях и в условиях низкой освещенности. Другой режим основан на трех типах колбочковых клеток: они распознают цвета, но некоторые подробности от них ускользают и им требуется больше света. Чувствительность этих зрительных режимов меняется в зависимости от того, в каких условиях мы находимся. В светлом пространстве бóльшую часть работы выполняют колбочки. Если же вы переместитесь в темную комнату, верх возьмут палочки. Для полной адаптации требуется порядка получаса или около того. Все это, по-видимому, подразумевает, что у нас имеется два способа восприятия света и, следовательно, два чувства зрения.

Итак, очевидно, что мы можем воспринимать мир и наш организм множеством различных способов. Некоторые из них при более внимательном изучении начинают перекрываться, и линии границ их ответственности становятся размытыми. Но как бы то ни было, не стоит все упрощать, пусть даже в этом случае нам придется принять несколько менее упорядоченную, а иногда и откровенно запутанную реальность биологии.

Химическое жонглирование волосами

В 1987 году компания Proctor & Gamble вывела на рынок шампунь Pert Plus – принципиально новый вид средств для ухода за волосами. Это был шампунь 2 в 1, который, как утверждали разработчики, должен одновременно мыть волосы и приводить их в порядок. Более того, это был первый из многочисленных шампуней 2 в 1, названных в рекламе «революционными» и «действительно меняющими жизнь».

Я уверен в одном. Даже если весь прогресс только в том, что вы пойдете в душ с одной бутылкой, а не с двумя, это едва ли сильно изменит вашу жизнь. Но все же данный продукт заинтересовал меня с научной точки зрения и к тому же весьма озадачил. Надо сказать, что саму идею шампуня 2 в 1 химики встретили с презрением, поскольку действия шампуня и кондиционера для волос по существу противоположны друг другу.

Волосы пачкаются по нескольким причинам. Во-первых, пряди волос идеально подходят для сбора и улавливания пыли, отмерших клеток кожи и целого ряда загрязняющих окружающую среду веществ. Во-вторых, в основании каждого волоска находится, как известно, сальная железа. Она выделяет маслянистую жидкость, которая покрывает волосы, сохраняя их эластичными, но усиливая накопление грязи. Когда вы моете волосы шампунем, вы льете на голову поверхностно-активное вещество (ПАВ) в попытке удалить всю эту грязь. Молекулы ПАВ – это особого рода молекулы, которые есть также в мыле и моющих средствах и которые обладают особым свойством: они гидрофильные и гидрофобные одновременно. Простейшие молекулы ПАВ – просто длинные цепочки атомов углерода с парой атомов кислорода на одном из концов. Такое расположение атомов означает, что длинная цепь углерода отталкивает воду, тогда как атомы кислорода притягивают ее. Когда ПАВ сталкивается с маслом, оно окружает его крошечные сгустки своими гидрофобными концами молекул, направленными внутрь, так что гидрофильные концы смотрят наружу. И это позволяет осуществить невозможное: теперь вы можете смешать масло с водой, и вода прекрасно смоет его вместе с ПАВ и захваченной волосами грязью. Так ваши волосы должны стать абсолютно чистыми.

К сожалению, часто волосы становятся сухими, ломкими и склонными к спутыванию после потери естественной смазки. Чтобы решить эту проблему, сохранив при этом чистоту волос, необходимо наносить на них легкие и ароматные масла – и это уже задача кондиционера. Итак, шампунь удаляет смазку, а кондиционер возвращает ее обратно. Легко понять, почему появление шампуня 2 в 1 было встречено со скептицизмом. И все же он и правда работает, и его успех сводится к трем химическим веществам, действующим совместно.

Первым, само собой, является ПАВ. Обычно это лаурилсульфат натрия и лауретсульфат натрия – дешевые побочные продукты при производстве рафинированных растительных масел (также их получают из нефти). Затем, чтобы волосы восполнили потерянную естественную смазку, обычно используют вещество под названием «диметикон». Оно состоит из длинной цепи молекул кремния и кислорода, а также молекул углерода, смотрящих наружу. Диметикон хорошо прилипает к волосам, покрывая их и придавая им блеск и гладкость. Последний волшебный ингредиент – это пугающий Quaternized hydroxyethyl cellulose, или поликватерниум-10, а по сути высокополимерная целлюлоза, антистатик и кондиционер в одном флаконе. Помимо антистатического эффекта, этот ингредиент частично останавливает накопление диметикона, предположительно посредством создания пленки вокруг волоса. Но как он все это делает в действительности, мы на самом деле не знаем: точная наука сильно отстает от того, что происходит в косметической индустрии, неустанно стремящейся к инновациям.

К тому же это все еще не полный ответ на вопрос, как это возможно, что, одновременно нанося на грязные жирные волосы и ПАВ, и маслянистое вещество, мы удаляем природные маслянистые загрязнители и оставляем те косметические, которые только что сами добавили. Отчасти это объясняется тем, что используемые в шампунях 2 в 1 ПАВы более эффективно очищают естественные масла тела, нежели искусственный диметикон. То есть ПАВы удаляют с волос бóльшую часть кожных масел и какую-то долю кондиционирующего масла, но при этом последнего остается достаточно, чтобы привести волосы в порядок.

Мы пользуемся шампунями 2 в 1 уже более 25 лет, и они по-прежнему популярны. Однако если вы посмотрите на составы обычных шампуней, то обнаружите, что волшебные ингредиенты их собрата проникли и в них. Большинство шампуней сегодня, независимо от их разновидности, содержат некоторое количество диметикона и поликватерниума-10, чтобы, даже если вы по каким-то причинам не наносите после мытья кондиционер, ваши волосы были ухоженными и блестящими.

Сверхпрочные зубы с фторидом

Практически каждый тюбик зубной пасты с гордостью заявляет, что он содержит фторид для укрепления зубов и защиты полости рта. Во многих частях света его регулярно добавляют также в питьевую воду, а стоматологи применяют всякий раз, когда их посещают дети. Но для чего он нужен?

Сначала немного базовой стоматологической анатомии. В основном зуб состоит из твердого вещества, содержащего минералы, – дентина. Под ним находится рыхлая волокнистая соединительная ткань, пульпа, где сосредоточены все нервы и кровеносные сосуды. Конечно, если вы посмотрите в собственный рот, то ничего этого не увидите. Перед вами предстанет лишь слой эмали, который покрывает дентин и является последней по упоминанию, но не по значению частью зуба.

Эмаль – замечательный материал. Это самое твердое вещество, которое можно найти в человеческом теле, и именно поэтому мы можем жевать кубики льда и проверять золотые монеты на подлинность, покусывая их. Эмаль тверже стали: по шкале Мооса ее твердость равна 5, а стали – 4,5. Тем не менее я не предлагаю оставлять следы зубов на стальных балках, кусая их, поскольку в этом случае дентин под эмалью просто разрушится. Нам необходимо, чтобы эмаль была настолько твердой, потому что она должна защищать наши зубы в буквальном смысле всю жизнь.

На 96 % эмаль состоит из химического вещества под названием «гидроксиапатит», по сути являющегося кристаллической формой фосфата кальция, который содержится, скажем, в молочных продуктах. Остальное – вода и немного органического материала. Обычно эмалевый слой не толще пары миллиметров, и, поскольку это просто твердый фосфат кальция без кровоснабжения, он не может быть восстановлен организмом, если по какой-либо причине будет потерян. Это удивительный материал лишь с одним уязвимым местом: он чувствителен к кислотам.

У нас во рту тоже есть микрофлора. В основном ее составляет группа бактерий, живущая там и питающаяся всем, что мы едим, в частности сахарами. Когда эти бактерии, принадлежащие к роду Lactobacillus, добираются до сахаров, они начинают стремительно расти, делясь и производя молочную кислоту в качестве отходов своей жизнедеятельности. Если эти кислотообразующие бактерии прилипнут к поверхности зуба или устроятся в его дупле, кислота неминуемо растворит часть кальция в гидроксиапатите и эмаль зуба станет деминерализованной. Если этот процесс запустить, бактерии и кислота проедят отверстие в эмали и полость начнет формироваться уже в гораздо более мягком дентине под эмалью.

Если бы это был единственный процесс, который идет у нас во рту, наши зубы растворились бы еще до того, как мы вышли из подросткового возраста. Но, к счастью, это не так. Как только вы заканчиваете есть, слюна смывает с зубов бóльшую часть сахаров и возвращает вашу ротовую полость к нормальному уровню кислотности – если быть точным, к уровню химической нейтральности. В этот момент начинается реминерализация зубов. Весь кальций, съеденный кислотой, возвращается обратно в эмаль и возмещает нанесенный ущерб. По крайней мере, в теории. Однако существует и практика. Если вы то и дело станете препятствовать этой реминерализации, например постоянно употребляя сладкие напитки, то, скорее всего, будете страдать от кариеса.

Вот тут-то на авансцену и выходит фторид. Фторид – это всего лишь электрически заряженная форма химического элемента, известного как фтор. Он содержится во всех видах продуктов, которые мы регулярно едим и пьем, таких как изюм, морковь, мясо и вино. Даже обычный чай является отличным источником фторидов. Во многих регионах фториды имеются также в питьевой воде. Если фторид присутствует у вас в ротовой полости, то при низком уровне кислотности и идущем процессе реминерализации он включается в зубную эмаль. Фосфат кальция соединяется с фторидами, и получается либо фторгидроксиапатит, либо, если процесс прошел до конца, фторапатит, или фторфосфат кальция. Это имеет ряд преимуществ для нас и наших зубов. Во-первых, фторапатит более устойчив к кислотам, нежели гидроксиапатит, и, когда на зубах есть слой фторапатита, они значительно менее подвержены деминерализации, и у нас практически не развивается кариес. Во-вторых, наличие фторида в эмали помогает вернуть кальций обратно в эмаль зуба и стимулирует сам процесс реминерализации. Наконец, похоже, что присутствие фторидов может мешать бактериям переваривать сахарá и, что особенно важно, производить молочную кислоту. Короче говоря, вы получаете тройную пользу. А значит, наверняка захотите, чтобы фторид оставался в вашей слюне и между приемами пищи. Именно поэтому стоматологи рекомендуют не полоскать рот после чистки зубов. Отсюда же и резон добавлять фторид в питьевую воду: чтобы он присутствовал во рту чаще, чем два раза в день.

И все же, хотя данные фундаментальной науки буквально кричат о пользе фторида для наших зубов, тема добавления фторида куда бы то ни было, и прежде всего в питьевую воду, горячо обсуждается. Его присутствие в различных химических веществах – например, в токсичной плавиковой кислоте, обладающей способностью растворять стекло, – многими воспринимается как сигнал тревоги. Однако фторид в зубной пасте не обладает ни одним из свойств плавиковой кислоты.

Тем не менее фторид может стать токсичным при высоких концентрациях, как и многие другие вещества, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Но тогда вам придется съесть примерно 50 тюбиков зубной пасты за один присест, чтобы возникла хоть какая-то опасность. Существует также еще одна проблема, свойственная районам с очень высоким естественным уровнем содержания фтора в воде. Это может привести к так называемому флюорозу, когда на зубах проявляются белые пятна или характерные полосы, как на мраморе. А в крайних случаях флюороз приводит к охрупчиванию костей, откалыванию эмали зубов и повреждению суставов. Чтобы этого не допустить, фторид обычно удаляют из питьевой воды, снижая его содержание до безопасного уровня – того, с которым мы имеем дело в очищенной питьевой воде и стандартной зубной пасте, слишком низкого, чтобы стать причиной флюороза.

Как стоматологические наблюдения, так и масштабные медицинские обследования населения доказывают, что фторид отлично помогает снижать частоту зубного кариеса, особенно у тех людей, которые не могут позволить себе высококачественную стоматологическую помощь. Но есть еще один фактор, который следует учитывать, и именно он лежит в основе многих возражений против добавления фторида в питьевую воду. Не является ли оно массовым введением лекарственного препарата населению без индивидуального согласия каждого человека? Однако это уже, скорее, вопрос политики, этики и, в конце концов, философии.

Ванна с эффектом чернослива

Принятие ванны имеет по меньшей мере еще одно преимущество помимо того, что это возможность просто помыться и почитать хорошую книгу. Во время этой процедуры вы можете наблюдать одну любопытную телесную причуду. Я говорю о сморщивании кожи пальцев рук и ног. Погрузите руку или ногу в теплую воду на пять минут, и вы увидите начальные проявления этого эффекта. Для получения максимальных морщин опустите руку в соленую воду примерно на 30 минут. Температура воды должна достигать 40 °C. Если вы приметесь искать объяснение этому явлению, то наверняка наткнетесь на это, которое в научном плане (внимание: спойлер!) полная бессмыслица.

Самый верхний слой нашей кожи называется роговым. Он защищает нас от порезов, истирания и общего износа. Согласно стандартной теории сморщивания пальцев, вода впитывается в роговой слой, и, набухая, клетки заставляют его расширяться. Непосредственно под этим слоем находится зернистый слой, который полон водостойких жиров. Он блокирует дальнейшее впитывание воды клетками. Таким образом, внешний слой расширяется, а внутренние слои остаются прежними. Чтобы приспособиться к этому распуханию, поверхность нашей кожи морщится. Точнее, морщатся только кончики пальцев рук и ног, так как у них отсутствуют потовые железы, которые выделяют лишнюю влагу. Сморщивание пальцев в теплой воде – это побочное явление нашей сложной биологии и не более того.

К сожалению, эта простая и элегантная теория, ошибочна практически во всех ее аспектах. Но оказывается, реальное объяснение морщин гораздо более поразительно и полезно. Ведь оно может рассказать нам кое-что о наших предках, причем не только из рода Homo.

В 1936 году два исследователя из Госпиталя Святой Марии в Лондоне изучали пациентов с параличом рук. Томас Льюис и Джордж Пикеринг знали, что его вызывает повреждение главного нерва, который проходит по всей руке вплоть до кончиков пальцев. Удивило исследователей другое: пальцы пациентов не сморщивались, когда их держали в теплой воде. На непарализованных руках, как и ногах, тех же пациентов морщины появлялись, но на парализованных – неизменно отсутствовали. И все же в то время дальше удивления дело не пошло, и об этой истории забыли вплоть до 1973 года, когда ирландский пластический хирург Шеймус О’Райен заметил то же самое. Вернее, это сделала мать одного из его пациентов-детей.

Как выяснилось, пальцы морщатся потому, что наше тело говорит им морщиться. Это не пассивный физиологический эффект, а активное решение, которое принимает вегетативная нервная система, отвечающая за наше дыхание, частоту сердечных сокращений и потоотделение, хотя мы этого даже не осознаем. И эта точка зрения подкрепляется довольно убедительными доказательствами. Например, у людей, которым пришивают отрезанные пальцы, морщинки на этих пальцах какое-то время не образуются, пока нервы, а следовательно и осязание, не восстановятся. Также с этим сталкиваются люди, принимающие какие-либо препараты, блокирующие отдельные части нервной системы, – эти препараты «отключают» и сморщивание пальцев в воде.

Но каким же образом наше тело включает и выключает сморщивание пальцев? Именно здесь наука заходит в тупик, становясь немного более расплывчатой и неопределенной. На кончиках наших пальцев есть потовые железы, пусть прежде общепринятая теория и утверждает обратное. И когда мы принимаем ванну, вода контактирует с этими потовыми железами и организм получает сигнал, что мы в воде. Для его прохождения требуется время, но как этот сигнал запускается, нам неизвестно. Одно из предположений состоит в том, что вода разбавляет пот в потовых железах, и это изменение приводит в действие близлежащие нервные окончания. Дальнейший же механизм изучен очень хорошо. Вегетативная нервная система тщательно контролирует, сколько крови поступает в различные части тела. Когда происходит сморщивание, нервы передают кровеносным сосудам команду сжиматься, в результате чего сокращается приток крови – особенно к странным маленьким скоплениям кровеносных сосудов на самых кончиках пальцев рук и ног. Эти скопления называют гломусными тельцами. Наверное, такой рефлекс нужен был нашим предкам, чтобы уменьшать потерю тепла и сохранять последнее в пальцах рук и ног. Когда кровеносные сосуды гломусного тельца сужаются, оно становится меньше и плоть под нашей кожей немного сжимается. Кожа сверху, и роговой слой в частности, остается того же размера, но поскольку плоть под ней сжалась, то кожа должна сморщиться, чтобы приспособиться к этому изменению.

Как и в любой науке, здесь довольно полезным оказалось наблюдение. Именно Шеймус О’Райен первым предложил использовать сморщивание пальцев для проверки здоровья нервной системы. В настоящее время существует стандартный тест, в рамках которого руки пациента опускают в воду, чтобы проверить, как его пальцы сморщатся. Однако такой тест не универсален, так как, прежде всего, не существует четких критериев: как вообще можно объективно измерить сморщивание пальцев? Кроме того, курение и некоторые довольно распространенные лекарства банально блокируют способность пальцев сморщиваться.

Итак, мы выяснили, почему пальцы сморщиваются в воде, но остается один еще более интересный вопрос: почему наше тело идет на это? Зачем ему нужна эта странная способность – создавать морщины на кончиках пальцев? На самом деле у нас нет ответа, и единственная гипотеза, существующая на данный момент, состоит в том, что рассматриваемая способность обеспечивает лучшее сцепление с поверхностями при хвате.

Эта идея впервые возникла, когда эволюционный биолог Марк Чангизи из лаборатории 2AI в Бойсе (США) заметил, что морщины на пальцах похожи на рисунки, создаваемые течением воды в дельтах рек, или даже на рисунки протекторов современных автомобильных шин. В обоих случаях, будь это естественный или спроектированный рисунок, он нужен с одной целью: для более эффективного перемещения воды от центра к краю. Для проверки этого утверждения применительно к морщинистым пальцам другая группа, возглавляемая Томом Смалдерсом из Ньюкаслского университета в Северной Англии, попросила группу людей переместить гору мраморных шариков и рыболовных грузил из наполненной водой чаши в коробку. Добровольцы должны были брать предметы по одному большим и указательным пальцами правой руки и пропускать их через маленькое отверстие, принимая левой, а затем уже класть в коробку. Каждый участник эксперимента проделывал все действия как морщинистыми пальцами, так и нет. Это довольно сложная задача, и, я думаю, бедные добровольцы сочли ее еще и бессмысленной, хотя им и платили за работу. Но результаты ясно показали, что морщинистыми пальцами можно переместить предметы быстрее. И это, вероятно, говорит о том, что морщинистые пальцы обеспечивают нам лучшее сцепление с предметами в воде.

Однако у нас до сих пор нет ответа на вопрос, почему наши тела пошли на такие эволюционные усилия. Есть лишь догадки. Возможно, древние предки людей – приматы – до появления рода Homo пытались лучше приспособиться к жизни в условиях ежедневных тропических дождей, ведь им нужно было крепко хвататься за скользкие из-за мокрого мха и лишайников ветви деревьев.

Итак, похоже, сморщивание пальцев является причудой нашего глубокого эволюционного прошлого, и проявляется эта причуда всякий раз, когда мы принимаем ванну. Тем не менее с ней пока далеко не все ясно. Последнее исследование, проведенное на эту тему (в 2013 году), не выявило существенного улучшения сцепления, так что дело о морщинистых пальцах пока не закрыто.

Насколько холодные у вас пальцы ног?

Вот интересная загадка. Нормальная температура человеческого тела, так называемая температура ядра, составляет в среднем 37 °C, и все же в мире полно людей, у которых ледяные руки и ноги. Как это возможно, учитывая, что температура ядра меняется лишь в незначительной степени?

В течение дня, а иногда и на протяжении нескольких дней температура нашего тела меняется на 0,5–0,7 °C. Но речь идет именно о температуре ядра. Температура пальцев рук и ног может сильно отличаться. В качестве примера я просто взял несколько собственных показателей. Сейчас, когда я пишу эти строки, температура ядра у меня 36,6 °C; кончиков пальцев рук – всего 30 °C, а пальцев ног – и вовсе 24 °C. Что ж, я признаю, что мои пальцы рук и ног довольно холодные, но я живу с этим совершенно спокойно.

Тепло генерируется внутри нашего тела в результате различных химических процессов, происходящих с выделением тепла. Затем посредством кровообращения оно переносится по всему телу, поддерживая нужную температуру в различных его частях. Но ключевой вопрос в том, какой температуры должны быть наши руки и ноги. Поскольку в них нет никаких чувствительных органов и по сути они представляют собой просто комбинации мышц и костей, наши руки и ноги прекрасно функционируют при внутренней температуре до 15 °C без каких-либо повреждений даже в долгосрочной перспективе. Кроме того, поскольку это конечности, они более склонны к потере тепла, чем другие части нашего тела, такие как торс например.

Способ, которым наше тело поддерживает температуру ядра, предусматривает двойное действие с его стороны. Оно не только автоматически контролирует температуру ядра, но и измеряет температуру кожи. Если последняя падает, тело разумно предполагает, что вы замерзли. И, чтобы защитить температуру ядра, отключает приток крови к конечностям. Это позволяет удержать температуру ядра от быстрого падения, но только за счет более холодных конечностей.

Иногда этот эффект бывает еще более выраженным. Например, на поддержание температуры ядра влияет количество жира в организме человека. Если его много, он будет изолировать тело и удерживать температуру ядра от падения. Но так как последняя в этом случае останется высокой даже при низкой температуре снаружи, тело не будет подталкивать кровь к конечностям, и поэтому они станут еще холоднее. Поскольку у женщин в среднем на 7 % больше жировых отложений, чем у мужчин, у них, как правило, несколько выше температура тела, но более холодные конечности, чем у мужчин.

Еще одним фактором является наличие у женщин гормона эстрогена. Его уровень влияет на характер кровотока в организме и, в частности, делает его более чувствительным к изменениям температуры окружающей среды. Женщины в середине своего менструального цикла часто обнаруживают, что их руки и ноги холоднее, чем обычно, в то время как температура ядра немного выше, чем в другие дни.

Довольно распространено явление, когда регулирование температуры в руках и ногах немного сбивается. И наиболее частая причина этого – феномен, или синдром, Рейно, названный в честь француза, открывшего его в середине XIX века. В настоящее время мы не знаем, почему так происходит, но у людей, страдающих этим синдромом, любое внезапное падение температуры вызывает спазм и сужение кровеносных сосудов в руках и ногах. При этом практически останавливается кровоток, и пораженная конечность становится сначала белой, а затем синюшной. Причем спровоцировать все это может даже такое простое действие, как вынимание чего-то из морозилки. К тому же это достаточно больно, особенно когда кровоток в конечностях восстанавливается. Кроме того, довольно странно, что порой это происходит лишь в какой-то части руки или ноги, например в одном пальце, а порой охватывает половину тела.

Для лечения тяжелых случаев синдрома Рейно разработаны медицинские методы, а тем, у кого просто холодные руки и ноги, обычно назначают почти безмедикаментозное и в целом профилактическое лечение. Врачи рекомендуют носить теплые шляпы, перчатки и носки на холоде, а также отказаться от эмоциональных перегрузок, курения, потребления кофе и других напитков, содержащих кофеин. Не забывайте заботиться и о сохранении тепла в теле в целом, например возьмите кота – он уж точно поможет вам справиться с этим на отлично.

Можно ли вспомнить сон?

Было подсчитано, что в среднем каждый из нас проводит в общей сложности шесть лет своей жизни наблюдая сновидения, или два часа каждую ночь в течение 70-летней жизни. Но, вероятно, это не соответствует вашему опыту, поскольку большинство людей не помнит своих снов. На самом деле, изучив привычки людей, связанные со сном, мы узнали, что в среднем можем вспомнить сон только раз за две ночи. И опять это «в среднем»! Хотя в данном случае оно как нельзя кстати. Некоторые люди способны рассказать о нескольких снах, увиденных ими за ночь, тогда как другие, и я в том числе, как правило, вообще ничего не помнят. И все же последнее означает лишь, что люди не могут вспомнить свои сны по утрам. А вовсе не то, что они эти сны не видят.

Наука о сновидениях, сомнология, ведет свою историю от 1953 года, когда Натаниэль Клейтман и его ученик Юджин Асерински, работавшие тогда в Чикагском университете, заметили, что существует два типа сна. Первый они назвали быстрым, или парадоксальным. Фазы этого сна идут примерно получасовыми блоками, и каждую ночь у человека бывает обычно около четырех периодов быстрого сна. Прерывает эти периоды медленный сон, он же ортодоксальный. Именно Клейтман и Асерински обратили внимание на то, что в фазе быстрого сна наши глазные яблоки двигаются так, будто мы смотрим на что-то, хотя наши веки и закрыты. Если разбудить человека во время фазы быстрого сна, он наверняка скажет вам, что как раз видел сон. В настоящее время считается также, что мышцы, управляющие движением глаз, реагируют еще и на зрительные образы, генерируемые нашим мозгом, когда мы видим сны.

Итак, видим сны мы все, но почему же некоторые из нас помнят свои сны лучше, чем другие?

Первый и самый простой способ узнать ответ на этот вопрос предусматривает повторение манипуляций, что проводятся в лабораториях исследования сна. Там людей будят специально, чтобы спросить, видели ли они сон. Любой шум, который заставляет нас просыпаться среди ночи, увеличивает вероятность того, что мы вспомним свой сон. Медленный сон очень глубокий, а быстрый довольно поверхностный. Поэтому если вы и проснетесь среди ночи, то, скорее всего, это произойдет во время фазы быстрого сна, когда вы видите сны. Если выпить слишком много жидкости перед тем как лечь спать, вы наверняка захотите ночью в туалет. Тот же самый эффект, но вызванный другой причиной, объясняет, почему женщины на последнем месяце беременности сообщают о значительном увеличении числа вспоминаемых снов. Кроме того, употребление очень острой пищи может вызвать расстройство желудка, которое неизбежно вас разбудит. При этом ни кофеин, ни алкоголь не оказывают прямого влияния на запоминание сновидений. Кофеин просто не дает спать, а алкоголь, конечно, может устроить вам тревожные ночи и более запоминающиеся сны, но их истинной причиной будет, опять же, полный мочевой пузырь.

Однако все это по-прежнему не объясняет, почему, если мы видим сны каждую ночь, мы не помним их утром. Исследователи сна и психологи тщательно изучили возможные корреляции между различными типами личности и их способностью вспоминать сны. Для количественной оценки того, что заставляет нас думать и вести себя определенным образом, психологи часто обращаются к так называемой большой пятерке личных качеств. Это экстраверсия, нервозность, уживчивость, добросовестность и открытость познанию. Психологическая теория заключается в том, что любая личность может быть оценена численно по степени выраженности каждого из этих пяти качеств. Так вот, оказывается, существует корреляция между способностью вспоминать сны и определенными личностными характеристиками. Люди, которые высоко оценивают свою открытость познанию, гораздо чаще вспоминают сны. Все остальные факторы, связанные с личностью, так же как и пол, похоже, не имеют никакого значения.

Те, кто проявляют открытость новому, как правило, более изобретательны и любопытны, им не свойственны осторожность и последовательность. Эти люди могут обладать богатым словарным запасом, живым воображением или просто фонтанировать идеями. Они проявляют заинтересованность в познании окружающего мира, ценят искусство и готовы пробовать нечто новое. Но почему такие люди лучше вспоминают свои сны, никто не знает. В конце концов, корреляция – это статистически установленная, а не причинно-следственная связь.

Единственное реальное объяснение дает нейробиологическая характеристика, известная как салиентность. Это наша способность выделять важные, значимые или же характерные черты из массы информации, поступающей в наш мозг от органов чувств. Это жизненно важная способность, которая позволяет нам ориентироваться в мире. Представьте, что я показываю вам фотографию кого-то, кто вам хорошо знаком, например вашего друга или родственника. Вы сразу же узнаете человека на фото, поскольку ваш мозг сфокусируется на наиболее заметных его чертах, таких как цвет волос, форма лица, размер носа и так далее. Без салиентности вы были бы ошеломлены потоками посторонней информации. Эту способность эволюция прочно закрепила в нашем мозге, но, как и в случае с остальными человеческими способностями, у кого-то из нас она развита лучше, чем у других. Иногда люди и вовсе приписывают значимость вещам, которые вообще не являются важными. Но это уже патологическое поведение, свойственное при психических заболеваниях, характеризующихся нарушением процессов мышления и эмоциональных реакций.

Итак, с точки зрения салиентности вопрос о вспоминании сновидений выглядит следующим образом. Если вы отлично справляетесь с выбором интересных и значимых для вас вещей в повседневной жизни, то, судя по всему, это говорит о вашей открытости новым впечатлениям. Когда вы засыпаете, мозг воспроизводит в ваших снах дневную реальность, из которой ваше подсознание выхватывает наиболее существенные моменты – собственно их вы потом и вспоминаете. И все это потому, что вы хорошо умеете выбирать наиболее примечательное в череде однообразного.

Следует отметить, что, как и во многих других психологических исследованиях, группы добровольцев в исследованиях сна состоят в основном из студентов. Более того, большинство этих студентов изучает психологию и даже приплачивает организаторам, чтобы принять участие в экспериментах, поскольку подобная активность является бонусом при получении степени. Так что мы можем лишь предполагать, насколько полученные результаты справедливы для людей по всему миру. Скорее всего, если вы можете вспомнить сны, то это и вправду потому, что вы открыты новому и умеете замечать нечто интересное или просто необычное вокруг себя. Однако это далеко не полное объяснение, поскольку есть люди, включая меня, которые не помнят снов и все же высоко оценивают себя по шкале открытости познанию. Хотя, может быть, это доказывает лишь, что всегда есть белая ворона.

Запах пота

Те, кто когда-либо посещал тренажерный зал, почти наверняка никогда не забудут пикантный аромат раздевалки. Исходя из подобного опыта, вы могли предположить, что человеческое тело обречено дурно пахнуть после физических упражнений. Однако не у всех людей так, и не всегда пот имеет столь отталкивающий запах.

Пот человека на 99 % состоит из воды, смешанной с небольшим количеством хлорида натрия, или поваренной соли, а также других микроэлементов, таких как калий, кальций и магний. Пот покрывает нашу кожу, а затем вода испаряется, охлаждая кожу. Соль же остается на ней незаметным слоем. В крайнем случае о ее наличии может свидетельствовать белый след на одежде. Но она не испускает какой-либо запах. Так откуда же берется это зловоние? Оказывается, есть два вида пота: обычный, в основном состоящий из воды и соли, и дурно пахнущий пот.

В нашей коже есть миллионы потовых желез. Наиболее плотно они расположены на ладонях, где их примерно 350 на каждом квадратном сантиметре. Даже в передней части коленей есть потовые железы, хотя их намного меньше – всего 50 на квадратный сантиметр. Все железы на коже наших рук, ног и большей части туловища – это эккриновые потовые железы. Каждая из них состоит из канальца, свернутого в волнистый шар, который находится прямо под поверхностью кожи. Когда температура ядра тела повышается, мозг понимает, что нужно что-то делать. Он порождает нервные импульсы, и потовые железы активизируются, начиная выделять воду и соль. Соленая вода течет вверх по канальцу на поверхность кожи, при этом охлаждаясь. В результате кровь в приповерхностном слое кожи тоже охлаждается и, возвращаясь обратно в центральную часть тела, снижает ее температуру до нормальной.

Однако существует и еще один тип потовых желез – апокриновые потовые железы. Они расположены на теле всего в нескольких местах: преимущественно в подмышках и в паху. Хотя есть и в других, причем довольно странных: например, вокруг сосков, в области бороды у мужчин, в ушах, у основания ресниц и в носу. Возможно, вы заметили, что общим признаком всех этих мест является наличие коротких вьющихся волос. Апокриновые потовые железы не имеют изящных извилистых канальцев эккриновых желез и представляют собой трубки, которые питают корни коротких вьющихся волос. И пот именно из этих желез может производить неприятный запах.

Отличительная особенность апокриновых желез заключается в том, как именно они выделяют пот. В эккриновых железах внутри эпителиальных клеток, выстилающих протоки, формируются маленькие пузырьки воды, смешанной с солью. Эти пузырьки соединяются с поверхностью клеток и, не разрушая секреторные клетки, выбрасывают свое содержимое в протоки. Это и есть ваш непахучий пот. Апокриновые железы работают совершенно по-другому: хотя протоки этих желез выстланы все теми же эпителиальными клетками, постепенно заполняющимися крошечными пузырьками из воды и соли, последние, вместо того чтобы выбрасывать жидкость в протоки, извергают ее в каналец, ведущий к корню волоса, заставляя при этом секреторные клетки «взрываться». Таким образом, пот, вырабатываемый апокриновыми железами, содержит не только воду и соль, но также и все содержимое разрушенных секреторных клеток, включая жиры, белки и сахарá. Апокриновый пот выглядит как мутная и слегка вязкая жидкость, но вначале она не имеет запаха.

К сожалению, апокриновый пот – это стол, полный яств, для бактерий, живущих на вашей коже. Они сразу же начинают переваривать жиры, белки и сахара, производя множество зловонных химических веществ, три из которых и формируют так называемый характерный запах тела. Прежде всего это масляная и изовалериановая кислоты. И та и другая дают сильный сырный дух, а в случае масляной кислоты к нему примешивается также запах рвоты. Иногда тело человека производит еще и пропионовую кислоту, которая добавляет в букет ароматов уксусные нотки. Вместе взятые, эти побочные продукты бактериальной жизнедеятельности и делают апокриновый пот столь отвратительно пахнущим.

Интересно, что проблема осмидроза[22] связана с генетикой. Существует вариация гена с запутанным названием ABCC11, которая часто встречается у выходцев из Восточной Азии. Это крошечное изменение гена дает два эффекта. Во-первых, оно делает прежде мокрую и липкую ушную серу сухой и шелушащейся, что пусть и интересно, но не так важно. А во-вторых, у людей с этой генетической особенностью гораздо меньше апокриновых потовых желез – и, следовательно, гораздо меньше зловонного пота.

Кроме того, похоже, что точный химический состав пота может повлиять на выбор партнеров. Каждый из нас имеет уникальный набор генов, шифрующий липидный состав клеточных мембран. Он называется главным комплексом гистосовместимости, или ГКГС. И, судя по всему, при выборе партнера мы буквально вынюхиваем людей и ищем тех, у которых участок ГКГС максимально не соответствует нашему собственному. Теоретически это может означать, что потомство от такого партнера будет иметь более разнообразный состав ГКГС и поэтому будет более здоровым. И это отчасти объясняет, почему эволюция создала для нас не один, а два типа пота.

Однако это не объясняет возникновения самого отвратительного запаха пота в мире – того, что появляется в закрытой спортивной обуви: плимсоллах, кроссовках, кедах и так далее. Обычно такая обувь пахнет действительно ужасно, особенно если носить ее регулярно и без носков. Но ведь на коже наших ног нет апокриновых потовых желез. А если есть только эккриновые, то и обувь не должна пахнуть. И все же, когда вы ходите или энергично тренируетесь, ваши ноги теряют большое количество клеток кожи. Они отмирают. Добавьте к ним влажный климат закрытых кроссовок, и бактерии снова получают питательную среду и возможность производить зловонные побочные продукты своей жизнедеятельности.

Как вырастить новую конечность

Недавно я в очередной раз подстригал ногти, и это заставило меня задуматься. Почему я могу подстричь ногти и они отрастут снова, тогда как палец в этом случае не отрастет никогда? Даже если я отрежу совсем маленькую его часть. Он просто заживет, покроется рубцовой тканью, и на этом все закончится. На самом деле, помимо печени, я не могу назвать еще хотя бы один орган, способный регенерироваться. Однако в мире есть животные, которым повезло гораздо больше. У них восстанавливаются целые части тела. Так почему они могут отрастить себе конечности, а я нет? Это было бы довольно удобно и для человека.

Регенерация частей тела с давних пор была весьма популярной темой научно-фантастических рассказов и комиксов, но появилась она гораздо раньше и при этом в анналах науки. В 1744 году швейцарский учитель, а позднее довольно известный натуралист, Абрахам Трамбле, обучая детей знатного голландского политика, заметил нескольких необычных микроскопических существ в образце воды из пруда. Он назвал эти крошечные желеобразные сгустки гидрами, поскольку их многочисленные щупальца напомнили ему многоголового монстра из древнегреческих мифов. Не довольствуясь одним лишь наблюдением за этими странными существами, Трамбле решил с ними поэкспериментировать. В традициях науки XVIII века самым очевидным решением было разрубить одну из гидр пополам и посмотреть, что получится. К удивлению швейцарца и последующему шоку научного сообщества, гидра после этого не умерла, а превратилась в две новые гидры. Каждая половинка стала целым.

С тех пор был открыт целый ряд различных видов животных, которые имеют способность отращивать конечности или восстанавливать другие части тела. Самым известным примером, вероятно, является геккон – ящерица, которая обладает сразу несколькими замечательными «умениями». Прежде всего, она отлично передвигается по вертикальным стенам, что само по себе очень здорово, но не имеет никакого отношения к регенерации. Для нас же важнее то, что геккон может отбросить свой хвост при нападении хищника или другой угрозе, а затем отрастить новый в течение нескольких недель. Более того, оказывается, гекконы действительно успешно отращивают не только хвосты. Известно, что у них отрастают ноги, челюсти, внутренние органы и даже глаза. Если укус хищника не убивает геккона сразу, последний может восстановить те части, которые были потеряны или повреждены.

Немного больше о регенерации мы знаем из опытов с саламандрами, близкими родственниками гекконов. Саламандры обладают теми же регенеративными способностями, что и гекконы, хотя и не могут взбираться на вертикальные стены. Если саламандра теряет конечность, на ее месте образуется слой кожи, а затем клетки кожи превращаются в эмбриональные стволовые клетки. У стволовых клеток есть особый потенциал: вырастая, они могут трансформироваться в любой вид клеток, присутствующих в организме, и формировать различные типы тканей, такие как мышцы, кости, нервы и кожа. Стволовые клетки, способные создавать множество типов тканей, действительно необычны для взрослых особей животных. Но у человека есть несколько типов клеток, которые могут проделывать это, пусть и в ограниченном масштабе. Например, клетки костного мозга способны превратиться в любой из дюжины типов клеток крови, как красных, так и белых. И все же в организме взрослого человека нет клеток, которые могут создавать весь диапазон тканей, необходимых для восстановления конечности. Каким именно образом кожа над обрубком потерянной конечности саламандры трансформирует нужные клетки, до сих пор остается загадкой. Решающий сигнал межклеточного обмена еще не идентифицирован.

Кроме того, мы не понимаем, как происходит координация процесса отрастания конечности. После того как из слоя новой кожи формируются стволовые клетки, некоторые из них превращаются в мышцы, другие – в кости. И мы не знаем, что заставляет их это делать. Также большая загадка, как эмбриональные стволовые клетки определяют, где именно в конечности они находятся, когда начинать отращивать ногу, а когда прекращать. Пока множество вопросов остаются без ответов.

Не было известно ни одного примера такого явления у млекопитающих, пока на научную сцену не вышла колючая мышь. В 2012 году специалисты по биологии развития из Университета штата Флорида в США опубликовали свою работу о паре видов африканских колючих мышей. Эти довольно милые зверьки отличаются жесткими волосками вместо мягкой шерстки, отсюда и их название. Оказалось, что колючие мыши могут сбрасывать большие куски кожи и даже мышцы под ними в ответ на укус хищника, а затем отращивать кожу в этих местах без видимых рубцов.

Итак, некоторые млекопитающие, почти все ящерицы и желеобразные гидры из пруда могут регенерировать потерянные части тела, но мы, люди, на существующем уровне развития науки, на это не способны. Возможно, это в принципе недоступно человеческому телу. Одна из теорий заключается в том, что регенерация становится фатальной, если вы живете дольше крошечной мыши. Наличие системы, которая позволяет взрослым клеткам снова начать расти, может привести к потенциально смертельному раку, если что-то пойдет не так. А значит, чем дольше вы живете, тем выше риск того, что это произойдет, так что наша эволюция не зря закрыла для нас любую возможность такой регенерации, как у саламандры или геккона.

Мечта о восстановлении наших тел все еще далека от реальности. Наш путь эволюции в качестве долгоживущих позвоночных млекопитающих означает, что способность создавать стволовые клетки должна быть у нас заблокирована. Следовательно, оказавшись на этом пути, мы не имеем возможности «выращивать» многие из различных типов тканей, которые составляют наши тела, и в настоящее время мы не способны отрастить новую конечность. И все же не исключено, что однажды у нас получится разработать сыворотку вроде той, которой пользовался Курт Коннорс, враг Человека-паука из вселенной Marvel. К сожалению, хотя сыворотка и позволила ему регенерировать руку, она также превратила его в суперзлодейскую ящерицу. И я подозреваю, что органы по контролю за лекарственными препаратами, вероятно, не одобрят подобный побочный эффект.

05 Наука в окружающем нас мире

Драгметаллы на дорогах

В нижней части вашего автомобиля, скорее всего прямо под двигателем, скрывается стальная коробка, подключенная к выхлопной системе. Эти коробки впервые начали появляться в машинах еще в середине семидесятых годов, но теперь они распространены повсеместно и ими оборудованы все легковые автомобили, фургоны и грузовики. Внутри каждой такой коробки находится керамическая сотовая структура, покрытие которой содержит примерно три или четыре грамма платины и столь же блестящие и дорогие металлы: палладий и родий. Они способствуют прохождению химических реакций в выхлопных газах и превращают потенциально вредные газы в преимущественно безвредные. Платина и другие металлы действуют как катализаторы. Они не расходуются в ходе этих реакций, и требуется очень малое их количество, чтобы дать толчок реакциям дожигания. Именно присутствие этих драгоценных металлов объясняет, почему стальная коробка, о которой идет речь, называется каталитическим нейтрализатором.

Блок каталитического нейтрализатора керамический и химически инертный, с большой площадью поверхности. Через него могут проходить выхлопные газы. Он не представляет собой монолита в строгом смысле этого слова, так как имеет тысячи крошечных сквозных каналов, обычно квадратных в поперечном сечении. Платина, палладий и родий появляются в конструкции, когда этот блок погружают в раствор, содержащий соли этих драгоценных металлов. Металлы покрывают внутреннюю поверхность каналов блока и, когда высыхают, оставляют после себя микроскопически бугристую поверхность. Смысл всех этих усилий состоит в том, чтобы создать максимально бóльшую площадь поверхности, покрытую платиной, палладием и родием. А ключом к объяснению является тот факт, что нерасходуемое твердое вещество способно помогать реакции в выхлопных газах, или, как говорят, катализировать ее.

Выхлопные газы бензиновых двигателей содержат большое количество токсичных соединений. Самое известное из них – монооксид углерода (угарный газ), сильный яд и парниковый газ, но есть также и частицы несгоревшего топлива, которые действуют как основные видимые глазом загрязнители воздуха. И все же наиболее неприятны, пожалуй, оксиды азота, вызывающие кислотные дожди и разрушающие озоновый слой атмосферы Земли. Современные каталитические нейтрализаторы прекрасно справляются со всеми тремя видами загрязнений. Платина и палладий помогают кислороду вступать в реакцию с угарным газом и остатками несгоревшего топлива с образованием безвредного углекислого газа и водяного пара. А родий и платина катализируют распад оксидов азота, чтобы на выходе получились азот и кислород. Для протекания этих реакций выхлопные газы должны находиться в физическом контакте с драгоценными металлами, поэтому нам и нужен керамический монолит со столь тонкими воздушными каналами. Если бы у нас был блок платины, бóльшая часть газа просто обтекала бы его, не касаясь и не вступая в реакции.

С современными каталитическими нейтрализаторами есть ряд проблем. Для того чтобы пошла реакция дожигания с монооксидом углерода и несгоревшим топливом, нужен кислород. Но обычно в машинах все утраивают так, чтобы в выхлопных газах его было очень мало. В современных автомобилях уровень кислорода до и после того, как выхлоп поступает в каталитический нейтрализатор, тщательно отслеживается и автоматика регулирует подачу воздуха в топливную смесь, впрыскиваемую в двигатель. Другая проблема заключается в том, что все эти химические реакции происходят только при высоких температурах, обычно значительно выше 400 °C. Нейтрализатору требуется около пяти минут, чтобы достичь этой температуры, и выбросы в ходе коротких поездок не успевают превращаться в менее вредные компоненты, поскольку каталитический нейтрализатор не работает, пока не прогреется.

Каталитические нейтрализаторы также подвержены «отравлению» продуктами сгорания топлива и постоянному разрушению из-за утечки в системе охлаждения масла и попадания свинца в топливо, поэтому они начали появляться только после того, как в большинстве стран мира стало применяться неэтилированное топливо. Однако самая серьезная проблема заключается в том, что каталитические нейтрализаторы, как бы их ни берегли, со временем изнашиваются. Как вы помните, драгоценные металлы не расходуются, выполняя свою работу, так что причина не в этом. Езда вызывает вибрации и удары, вследствие которых катализирующее покрытие на керамике нейтрализатора частично разрушается. Таким образом, покрытие из драгметаллов просто стряхивается с вашего старого нейтрализатора, и драгоценная платина вылетает из выхлопной трубы на дорогу. Так что в результате вам все же придется раскошелиться на новый.

Это означает, что современная дорожная пыль буквально смешана с платиной, палладием и родием. Если вы соберете мусор с городских дорог и отсортируете из него пластиковые обертки, жестяные банки и органический материал, у вас останется темно-коричневый остаток. И бóльшую его часть составят частички износа множества автомобилей. Каждый, кто водит машину, знает, как часто приходится менять шины. А куда же идут старые? Измельченная резина попадает на дороги вместе с металлическими частицами из каталитических нейтрализаторов.

А знаете ли вы, что на лучших платиновых рудниках в мире рады, если идет руда с содержанием всего в несколько миллионных долей драгоценного металла? Это дорогостоящая, грязная, вредная для окружающей среды деятельность человека, но она стоит того, поскольку добываемая платина очень и очень ценна. Так вот, коричневый осадок на дорогах имеет такой же уровень содержания платины, как и эта лучшая добываемая руда. Однако процесс получения платины, палладия и родия из дорожной пыли начал разрабатываться совсем недавно. Сегодня этим занимаются ученые из Бирмингемского университета в Англии.

Почему лед скользкий?

Вода во всех ее формах – очень своеобразное вещество, чье поведение не соответствует ни одному из тех, которые мы ожидаем от обычных веществ. А что делает воду еще более странной, так это наша близость к ней. Ведь это химическое вещество, с которым мы знакомы лучше всех. Вода буквально пронизывает нашу повседневную жизнь, но при этом надежно хранит свои тайны. Вот, например, одна из них: почему замерзшая вода, то есть лед, скользкая?

Существует классическое объяснение скользкости льда, которое было очень распространено в учебниках и интернете. Звучит оно так: стоя на льду, вы оказываете на него давление, заставляющее его таять; так образуется слой гладкой жидкой воды, по которой вы и скользите. Традиционно это объяснение сопровождается демонстрацией того, что давление действительно заставляет лед таять.

Через ледяной блок, поддерживаемый с обоих концов, перекинута проволока. На каждом конце этой проволоки подвешены тяжелые грузы. Они создают то высокое давление, которое проволока оказывает на лед. Давление понижает температуру плавления льда непосредственно под проволокой до температуры ниже обычной точки замерзания, а затем и ниже температуры окружающей среды. В результате лед под проволокой тает, и она очень медленно прорезает ледяную глыбу. Если все сделано правильно, по мере того как проволока врезается в блок, жидкая вода, образующаяся за счет давления, снова замерзает над проволокой, и блок остается целым. Проволока проходит сквозь ледяную глыбу, целостность которой сразу восстанавливается.

К сожалению, если вы честно примените физику к этой во всех смыслах скользкой теме, к примеру к человеку на коньках, у вас ничего не сложится. Давление, создаваемое коньком, составляет лишь малую долю того, что создается тонкой проволокой с утяжелением. Поэтому при катании на коньках температура плавления льда снижается лишь на незначительную величину, примерно на 0,02 °C. Однако коньки скользят по льду при температурах гораздо ниже нуля, так что теория давления не может объяснить, почему лед скользкий в данном случае.

За последние несколько десятилетий появилась пара различных объяснений, подкрепленных экспериментальными данными. В 1996 году Габор Соморджай из Национальной лаборатории Министерства энергетики США в Беркли решил заняться этим вопросом. Он начал с обоснованного предположения о том, что лед скользкий потому, что его поверхность смазана жидкой водой. Наш повседневный опыт подтверждает это, ведь когда вы, скажем, вытаскиваете кубик льда из морозильной камеры, он уже имеет влажную и скользкую поверхность. Однако если вы исследуете кубик льда при температуре значительно ниже нуля, то не увидите там знакомого блеска воды. В таких условиях лед становится твердым, как камень, но при этом все равно остается скользким. Доктор Соморджай решил проверить это, направив на очень холодный лед пучки электронов. Теоретически поверхность льда должна быть на 100 % твердой, но отраженный пучок электронов создавал узор, свидетельствовавший о наличии на поверхности льда жидкости. Родившееся объяснение состояло в том, что молекулы воды на поверхности льда просто не удерживаются столь же плотно, как в глубине, и могут свободно перемещаться, как в жидкости. Это дополнительное движение и создает слой жидкой воды толщиной в несколько молекул на поверхности даже самого холодного льда. Конечно, слой слишком тонкий, чтобы его можно было увидеть, но его достаточно, чтобы сделать скользким любой лед независимо от его температуры.

И, казалось бы, все сложилось, но несколько лет спустя, в 2002 году, Мигель Сальмерон, коллега доктора Соморджая из лаборатории в Беркли, использовал последнюю модификацию изобретенного ранее сканирующего атомно-силового микроскопа для определения рельефа поверхности льда. В первых версиях микроскопов этого типа было что-то вроде крошечной иглы проигрывателя грампластинок, которая перемещалась по поверхности. Ее отклонение фиксировалось по изменению величины тока, и результаты записывались. В частности, такой микроскоп мог дать представление о том, насколько шероховата поверхность в почти атомарном масштабе. Доктор Сальмерон обнаружил, что поверхность льда в атомарном масштабе не гладкая, а скорее шероховатая. А значит, малейшее движение по льду порождает трение с его шероховатой поверхностью, что, в свою очередь, приводит к выделению тепла. Это, по предположению Сальмерона, и было тем, что смазывало лед. Трение на атомарном уровне создает тепло, которое плавит поверхность льда, делая его скользким.

Итак, у нас есть одна устаревшая теория и еще два возможных объяснения, подкрепленных научными данными. Хотя эти объяснения не противоречит друг другу, они друг друга не доказывают и не дополняют. Так почему же тогда лед скользкий? Присяжные заседатели еще не определились с вердиктом. Самое странное, на мой взгляд, заключается в том, что столь обыденный вопрос до сих пор не имеет окончательного ответа. Может быть, чтобы его найти, необходима компиляция теорий, а может, дело в чем-то совсем другом. Ну а пока, когда вы в следующий раз поскользнетесь на льду и шлепнетесь на спину, больно ударившись, успокаивайте себя тем, что даже наука не в силах объяснить истинную причину произошедшего.

Метаморфозы электричества

В комнате, где я сейчас нахожусь, есть в общей сложности восемь электрических устройств. Шесть из них подключены через адаптеры, которые меняют переменный ток сети на нужный устройствам постоянный ток 12 В. Седьмое, мой компьютер, тоже работает от постоянного тока, но блок питания встроен в корпус самого устройства. И последнее – измельчитель бумаги, стоящий под моим столом. Я не совсем уверен, что у него нет адаптера, но все же, скорее всего, это единственное устройство в моей комнате, которое работает от переменного тока. И подобная картина повторяется по всему дому. Бóльшая часть электрических устройств функционирует за счет постоянного тока, а не переменного, который подается во все домашние розетки.

Это может показаться странным, но преобразователи энергии, которые есть в наших домах, в лучшем случае эффективны на 90 %. Более старые их разновидности также потребляют ток, даже будучи просто подключенными к сети, но фактически не питая то или иное устройство. Потраченная впустую энергия теряется в виде тепла, и это легко заметить, просто отключив преобразователи и потрогав их рукой. Но почему же нельзя и вовсе исключить из цепочки последние и сразу подавать в наши дома постоянный ток?

Эта идея не нова. На самом деле именно она стояла у истоков. Еще в 1880-х годах два гиганта американской промышленности сражались за то, как будут снабжать электричеством дома людей. Томас Эдисон, великий изобретатель и предприниматель, выступал за постоянный ток, утверждая, что он безопаснее и действеннее. На тот момент электродвигатель постоянного тока уже давно превратился в эффективный и практичный агрегат, тогда как электродвигатель переменного тока только сошел с чертежной доски. Эдисон был готов на крайние меры, чтобы дискредитировать своего соперника, Джорджа Вестингауза. Даже приступил к беспощадной клеветнической кампании против переменного тока, предавая гласности несчастные случаи и снимая на пленку убийства бездомных кошек и собак переменным током. Эдисон дошел до того, что изобрел и построил электрический стул, работавший на переменном токе[23]. Этот стул использовали для казни осужденных заключенных. Кроме того, Эдисон придумал ироническое выражение being Westinghoused (что-то вроде «вестингаузить»), которое означало казнь на электрическом стуле на базе переменного тока. Однако Джордж Вестингауз, сотрудничая с такими гениями, как Никола Тесла, в конце концов победил. Еще бы! Никто не хочет жить по соседству с электростанцией, так что лучше уметь передавать электричество на большие расстояния.

Всякий раз, когда ток течет по проводу (независимо от его диаметра и материала), происходит потеря энергии. Ее величина зависит от силы тока. Увеличьте ток вдвое, и потеря энергии вырастет в четыре раза, уменьшите ток вдвое, и она сократится в четыре раза. Кроме того, при заданной электрической мощности, когда ток уменьшается, напряжение пропорционально растет.

Взятые вместе, эти два фундаментальных факта влияют на то, как лучше передавать электричество по проводам на большие расстояния. Чтобы минимизировать потерю энергии, стоит использовать низкий ток, но, чтобы обеспечить приличное количество энергии при таком токе, напряжение должно быть очень высоким. Сегодня при передаче электроэнергии от электростанций по воздушным линиям электропередач напряжение превышает 765 000 В, или 765 кВ. Это обеспечивает эффективную передачу с минимальными потерями энергии. Трудность же заключается в создании столь высокого напряжения.

С переменным током очень легко преобразовать низкое напряжение в высокое и обратно. Еще Майкл Фарадей изобрел трансформатор – примерно за 50 лет до так называемой войны токов, о которой шла речь выше. Используя трансформатор, мы можем увеличить напряжение на электростанции до сотен тысяч вольт и передать электроэнергию на небольшую местную подстанцию, где оно преобразуется в разумное напряжение, и его подадут в ваш дом.

Если бы вы попытались направить постоянный ток 12 В от электростанции сразу в дом, пусть и находящийся всего в километре, вам потребовалось бы уменьшить сопротивление в кабелях до такой степени, что провод стал бы просто непрактичным. Его диаметр составил бы 50 см. Даже для дома средних размеров с источником постоянного тока в 12 В в гараже вам понадобятся провода в четыре раза толще тех, что у вас есть сейчас. Оказывается, вплоть до того момента, когда вам необходим уже собственно постоянный ток, гораздо проще использовать переменный.

Я понимаю, что едва ли вы хотели бы стать коллекционером разнообразных электрических адаптеров, но ничего с этим не поделать. К сожалению, все наши электронные устройства полагаются на тонкие кремниевые микросхемы и чипы, которые требуют движения тока только в одном направлении, и потому им нужен постоянный ток. Важно понять и то, что современные адаптеры не только эффективнее и меньше, но и не используют электричества, когда к ним ничего не подключено. Однако их неизбежность определяется фундаментальными законами физики.

Электризация автокресел

Типичная искра, возникающая, когда вы выбираетесь из кресла автомобиля, составляет около сантиметра в длину, и в сухом воздухе напряжение такого разряда легко может доходить до 20–30 кВ статического электричества. Двадцать тысяч вольт звучит как очень большой и опасный электрический разряд, но все мы испытывали и гораздо большее напряжение без каких-либо долгосрочных негативных последствий.

Наше понимание статического электричества уходит корнями в историю науки: считается, что впервые оно было упомянуто древнегреческим философом Фалесом Милетским в 600 году до нашей эры. Он заметил одну вещь. Если янтарь потереть о шерсть кошки, можно услышать его едва заметные потрескивания и увидеть искры. (Наверняка Фалес, размышляя над этим явлением, разозлил не одну кошку.)

Нам пришлось ждать более 2 000 лет: лишь в конце XIX века люди начали понимать, почему кошки и янтарь порождают искры. В основе любого электричества лежит электрон – частица, открытая Джозефом Джоном Томсоном, профессором из Кембриджского университета в Великобритании. Томсон понял, что именно скопление этих невероятно крошечных частиц, каждая из которых несет электрический заряд, и ответственно за электричество.

Когда Фалес натирал свою кошку куском янтаря, электроны из меха животного переходили в янтарь, что делало мех в незначительной степени положительно заряженным и создавало отрицательный заряд на янтаре. В конце концов, когда разница в этих зарядах становилась достаточно большой, между янтарем и мехом начинали летать искры (ну а кошка, по-видимому, убегала). Как выяснилось, многие вещества отличаются тем, что хорошо отдают электроны, а другие – тем, что с радостью их принимают. Ученые долго экспериментировали с этим явлением и создали целый список трибоэлектрических веществ, где греческий корень «трибо» переводится как «тереть». В нем представлены различные материалы: от тех, что хорошо отдают электроны и имеют тенденцию становиться положительно заряженными при трении, до тех, что хорошо принимают электроны и становятся отрицательно заряженными. Почти в самом верху списка, где располагаются положительно заряжаемые вещества, находятся человеческие волосы, чуть ниже – мех кошки и гораздо ниже – по сути, уже ближе к другому концу ряда – та самая резина, из которой делают воздушные шарики. Именно поэтому если вы натираете волосы надутым воздушным шариком, то заряжаетесь статическим электричеством и ваши волосы встают дыбом. Теперь они положительно заряжены, так как отдали электроны воздушному шару. Ну а поскольку положительно заряжен и каждый волос в отдельности, они отталкиваются друг от друга. Но притягиваются к отрицательно заряженному воздушному шарику.

Все мы испытывали на себе действие такого накопления электрического заряда и знаем это явление как статическое электричество, поскольку оно именно такое – неподвижное. Электричество от батарейки или из розетки течет по проводникам – металлическим проводам, а статическое электричество образуется на диэлектриках – таких непроводящих материалах, как волосы, резина и мех кошки. О статическом заряде мы узнаем только тогда, когда волосы начинают вставать дыбом или палец пронзает искра. Оказывается, воздух – никакой не диэлектрик. Он может быть проводником электричества. Если между двумя соседними объектами накапливается достаточное количество статического заряда, то вся конструкция в какой-то момент срабатывает как искровой промежуток[24], нейтрализуя положительные заряды отрицательными. Когда это происходит, трение, вызванное потоком электронов, нагревает воздух до высоких температур и создает раскаленный добела поток сверхнагретых молекул, то есть молнию. Внезапное нагревание воздуха, а затем его охлаждение порождает всем известный треск – гром. В зависимости от влажности воздуха для каждого сантиметра длины искры необходимо напряжение от 15 до 30 кВ.

Итак, как же все эти древнегреческие кошки с янтарными палочками соотносятся с искрой, которую вы иногда чувствуете, когда выходите из машины? Сиденье в вашем автомобиле спроектировано таким образом, чтобы быть прочным и удобным. Пытаясь этого добиться, дизайнеры автокресел обычно используют полиэстер или иногда ткань с виниловым покрытием для финального слоя своих изделий. С другой стороны, носите вы, вероятно, более удобные материалы, такие как хлопок, шерсть или нейлон. Если обратиться к списку трибоэлектрических веществ, легко заметить, что полиэстер и винил занимают в нем позиции почти в самом низу и отличаются сильной склонностью к захвату электронов и отрицательному электрическому заряду. А материалы, из которых сделана ваша удобная одежда, располагаются в этом списке выше, они с легкостью отказываются от электронов и получают положительный электрический заряд. Когда вы выходите из машины, то поворачиваетесь на сиденье, вытягивая ноги. При этом хлопчатобумажная ткань трется о полиэстер. Уже это действие порождает огромный перенос электронов от вас к автомобилю. Ну а поскольку единственная часть тела, которая касается автомобиля, это ваша рука, держащая пластиковую непроводящую ручку двери, то этот заряд остается на вас, когда вы выходите из машины и поднимаетесь над сиденьем. Теперь вы стоите на земле, допустим в ботинках с изолирующей резиновой подошвой, и опять же положительный заряд, который вы накопили, остается на вашем теле, особенно если это сухой день. Но вы хотите закрыть дверь. И когда кончик вашего пальца касается дверцы, электроны соскакивают с металла машины, что нейтрализует ваш положительный заряд. Искра легко может достигать длины в 1 см, а следовательно, сила разряда способна добраться до отметки 30 кВ в сухой день. К несчастью для вас, на кончиках пальцев особенно много нервных окончаний, которые стимулирует искра, так что вы чувствуете пусть недолговременную, но острую боль.

Да, чаще всего это лишь мимолетная боль, однако подобная ситуация как таковая способна привести к гораздо более серьезным последствиям, особенно когда вы заправляете свой автомобиль бензином. Пустой топливный бак до краев заполнен парáми бензина, и при заливании топлива все эти пары выходят наружу. На многих заправочных станциях, после того как вы начнете перекачивать топливо, можно блокировать ручку насоса, что позволит вам отойти в сторону и дать возможность работать автоматике. Но, к сожалению, часто люди не отходят в сторону, а возвращаются в тепло автомобиля, чтобы подождать. Когда они встают с кресла, то заряжают себя электронами за счет трения одежды о покрытие автокресла и разряжаются лишь тогда, когда касаются ручки бензонасоса, создавая искру. И выходящие из бака пары бензина могут от этого чудовищно быстро воспламениться.

Есть несколько способов избежать создания статической искры, когда вы покидаете свой автомобиль. Например, когда вы уже вышли, можно коснуться любой его металлической поверхности. Просто положите руку на металл кузова сбоку или сверху дверной рамы. И все же однажды вы наверняка забудете это сделать, и в действительно сухой день, когда на вас будет надето много хлопка, вы получите целый поток искр, как только поднесете руку к автомобилю. Так что есть и второй совет, возможно довольно непрактичный и неудобный, зато всегда срабатывающий: носите одежду из полиэстера и виниловой ткани.

Поддержание теплицы в тепле

Каждый из нас не понаслышке знает, что такое душное тепло оранжереи или плохо проветриваемого офиса, где все изнемогают от жары в солнечный день. Ну а еще одним примером так называемого парникового эффекта является обычная теплица. Я думаю, не один я задавался вопросами, связанными с этим эффектом. Например: почему, если тепло попадает в теплицу, оно не выходит наружу? Вместо этого оно постепенно накапливается, и температура взлетает вверх.

В основе парникового эффекта лежит интересный, хотя и сложный закон – закон излучения абсолютно черного тела. Физика этого процесса весьма утомительна, но по существу все сводится к распределению мощности электромагнитного излучения в различных диапазонах длин волн, испускаемых объектом, а также к зависимости этого распределения от температуры.

Средняя температура поверхности Солнца составляет около 5 500 °C. Наиболее интенсивно оно испускает электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне от 300 до 700 нм. Это расстояние между соседними пиками волн, которое практически невозможно представить, но гораздо проще остановиться на том, что в 1 мм помещается несколько десятков тысяч таких пиков. Следует отметить, что это как раз диапазон длин волн видимого света, что, впрочем, неслучайно. Человеческий глаз эволюционировал таким образом, чтобы использовать ту часть светового спектра, которая наиболее интенсивна на поверхности Земли. Конечно, в солнечном свете присутствует также некоторое количество инфракрасного и ультрафиолетового излучения, но оно в значительной степени отражается или поглощается нашей атмосферой, хотя и то, что добирается до нас, если говорить об ультрафиолете, может вызывать появление загара на коже (или ожога, как в моем случае).

Когда солнечный свет достигает окна, видимый свет проходит сквозь него, а оставшееся инфракрасное и ультрафиолетовое излучение поглощается стеклом. Затем видимый свет попадает внутрь оранжереи, на плетеную мебель и комнатные растения. Ясно, что все это не является на 100 % отражающим, поэтому часть света мебель и растения поглощают. А поглощая, они захватывают энергию этого света и превращают ее в тепло.

Теперь нам нужно привлечь теорию излучения абсолютно черного тела. Все предметы внутри теплицы или оранжереи испускают электромагнитное излучение, пусть и в виде тепла. Если их температура около 15 °C, то максимальная мощность их излучения приходится на инфракрасную область спектра с длиной волны от 7 000 до 20 000 нм. Выше мы говорили, что свет, нагревающий предметы в оранжерее, характеризуется диапазоном длин волн 300–700 нм, так что имеет место примерно 25-кратное изменение длины волны, и это создает парниковый эффект.

Воздух вокруг нас гораздо менее прозрачен для электромагнитного излучения в инфракрасном диапазоне. Следовательно, это инфракрасное излучение не выходит прямо из оранжереи, а поглощается воздухом, который оно нагревает. И за счет смещения своего максимума излучение фактически оказывается в ловушке внутри оранжереи или любой другой теплицы. Как только воздух нагревается, он начинает создавать конвекционные потоки. Теплый воздух поднимается вверх, удаляясь от нагретых солнцем предметов и позволяя входить с ними в контакт более холодному воздуху. Этот воздух тоже нагревается, и цикл продолжается, так что постепенно нагревается весь объем воздуха. В результате оказывается, что обычная система отопления в теплице неэффективна (да она там и не нужна). Солнечный свет и без нее добавляет все больше энергии, а предметы внутри продолжают нагреваться, передавая тепло в воздух. Температура поднимается все выше и выше.

Все это объясняет и парниковый эффект в планетарном масштабе – тот, что служит сегодня движущей силой изменения климата на нашей планете. Правда, в этом случае есть крайне важное дополнение к приведенным рассуждениям: оно состоит в том, что углекислый газ особенно хорошо поглощает повторно испускаемое инфракрасное излучение. Кроме того, хотя у атмосферы Земли нет стеклянной крыши в буквальном смысле, более теплый воздух все же удерживается гравитационным притяжением нашей планеты. А углекислый газ, содержащийся в выбросах промышленных предприятий, дополнительно повышает температуру на ее поверхности.

Для планетарного варианта парникового эффекта, помимо идеи сокращения выбросов углекислого газа, решения у нас пока нет. Однако для более локальных внутренних случаев у науки есть ответ. Либо остановить поступление в помещение солнечного света, опустив жалюзи, либо использовать вентилятор для создания прохладного бриза. Если оборудовать вентиляционное отверстие в самом верху застекленной теплицы и позволить воздуху туда проникать, горячий воздух выйдет наружу и потянет холодный воздух внутрь. Это не остановит нагревание теплицы, но сделает парниковый эффект не таким сильным.

Обдув холодным воздухом

По мере приближения зимы и снижения ночных температур все сильнее ощущается необходимость утреннего обдува ветрового стекла автомобиля. В следующий раз, когда вы будете сидеть в машине и ждать, пока обогреватель автомобиля сделает свою работу, подумайте над тем, что же происходит в этот момент.

Все это чистая термодинамика. Представьте себе стакан воды температурой 20 °C. Этой температуре соответствует средняя энергия всех молекул в воде. Но при этом у одних молекул энергии все равно больше, а у других – меньше этого среднего значения. Время от времени какая-нибудь высокоэнергетическая молекула достигает поверхности воды и выходит из жидкости, испаряясь и превращаясь в молекулу водяного пара. Точно так же молекулы водяного пара с низким уровнем энергии из воздуха иногда сталкиваются с водой и остаются там, конденсируясь и превращаясь из пара в жидкость. Количество молекул воды в водяном паре над стаканом воды зависит от баланса между этими двумя процессами. Увеличьте среднюю температуру, и больше молекул улетучится в пар. Уменьшите – и перевес будет в сторону конденсации.

Теперь оставим гипотетический стакан и снова вернемся к машине. Но не к тому моменту, когда мы сталкиваемся с запотевшим ветровым стеклом, а к вечеру перед этим. Изрядное количество воды в машине есть всегда – она попадает туда с ботинок, мокрой собаки или просто присутствует в воздухе, который выдыхают водитель и пассажиры. Когда вы припарковались, в машине было очень тепло, а на окнах не было никакой росы. А значит, баланс между испарением и конденсацией сдвинулся в сторону первого. И когда вы покинули автомобиль, он был полон водяного пара.

А сейчас перенесемся в следующее утро. За ночь температура воздуха снаружи падает и начинает охлаждать автомобиль. А окна – первое, что в нем остывает, ведь это самая тонкая его часть. Воздух рядом с окнами постепенно охлаждается, и энергия водяного пара в нем уменьшается. Это смещает баланс в сторону конденсации, и молекулы водяного пара начинают соединяться, образуя крошечные капельки жидкой воды на стекле. Этот процесс облегчают пылинки или жир на стеклах окон. Так что, подходя к своему автомобилю утром, вы видите, что внутренняя поверхность его окон оказывается покрытой множеством капелек воды.

Итак, можно ли этого избежать? Что ж, изменить законы термодинамики все же не в наших силах, но есть несколько советов, которые могут помочь. Постарайтесь, чтобы внутри автомобиля было сухо. Убедитесь, что ваша система отопления не настроена на рециркуляцию, а переключена на втягивание свежего воздуха, который, вероятно, менее влажный. Протирайте окна дочиста от отпечатков жирных пальцев. Хотя эти меры предосторожности должны уменьшить выраженность проблемы, вы неизбежно обнаружите, что ветровое стекло все равно запотевает. И когда сядете в машину, то наверняка решите включить отопление на полную мощность, чтобы очистить его. Однако система отопления вашего автомобиля не продувает горячий воздух до тех пор, пока не нагреется двигатель. Поэтому сначала печка будет выдувать холодный влажный воздух, который лишь все усугубит. Лучший выбор в данном случае – это включить кондиционер. Может показаться нелогичным выдувать холодный воздух, но кондиционер не только охлаждает воздух, но и снижает его влажность, подсушивает его. Этот более сухой и холодный воздух смещает баланс в сторону водяного пара, и ветровое стекло постепенно очищается.

Бумеранги всегда возвращаются

Некоторое время назад у меня была возможность войти в состав команды, пытающейся побить мировой рекорд по метанию самого большого бумеранга, зарегистрированный в Книге рекордов Гиннесса. Бумеранг, который мы использовали, достигал 2,94 метра и казался настоящим монстром. Изготовленный из легкого дерева, он не был таким уж тяжелым, но все же требовались значительные усилия, чтобы его запустить. Кроме того, огромный размер обусловливал хрупкость, а это означало, что всего один неверный бросок – и бумеранг разобьется при ударе о землю. Правила для этой конкретной номинации гласили, что бумеранг должен отлететь от метателя на 20 м, а вернувшись, оказаться на расстоянии в пределах 10 м от него. Поскольку свою попытку мы предпринимали на известном и весьма престижном овальном крикетном поле в центре Лондона, у нас было совсем немного времени, чтобы побить рекорд. К тому же за нами внимательно следили смотрители: они опасались, что мы испортим ухоженный газон. Оглядываясь назад, я не могу не признать, что мы выбрали весьма впечатляющее место для попытки, хотя, возможно, и не самое разумное.

Несмотря на все проблемы, Адаму Маклафлину из Британского общества любителей бумерангов и мне в составе команды удалось установить мировой рекорд. Признаю, что, к сожалению, в этом не «повинен» ни один из моих собственных бросков. Да, брошенный мною бумеранг отлетел на 6,09 м, но этого было недостаточно. Именно Адам сделал рекордный бросок, который зачли. И это справедливо, поскольку честь создания нашего бумеранга принадлежит прежде всего ему. Этот опыт открыл мне глаза на мир бумерангов, и с тех пор я начал исследовать научные принципы, которые заставляют их возвращаться.

Вот первая ошибка, которую я совершил, как и большинство людей, впервые столкнувшихся с бумерангами. Все, буквально все, пытаются бросать их как фрисби. Однако бумеранг стоит держать вертикально при его запуске. Также его следует правильно взять. Одна сторона крыльев бумеранга плоская, а другая изогнута, как крылья самолета. То есть один край каждого крыла толще, а другой – тоньше. Нужно держать бумеранг вертикально в правой руке указательным и большим пальцами, причем изогнутая поверхность должна быть направлена к вам, а плоская – от вас. Соблюдение этой техники крайне важно для того, чтобы бумеранг вернулся. И это означает, что можно делать и левосторонние бумеранги для левшей. Теперь резким броском и быстрым движением запястья вы можете запустить бумеранг и придать ему необходимое вращение.

Ну а дальше все становится несколько нелогичным, поскольку физика вращающихся объектов немного странная. В случае с бумерангом работают два фактора, первый из которых связан с гироскопами. Надеюсь, вы поймете, что я имею в виду, ведь наверняка вы хотя бы раз в своей жизни с ними сталкивались. (Если же вы не видели, на что способны гироскопы, то, о чем пойдет речь далее, покажется вам практически волшебством.) Это маленькие маховики, установленные в металлических проволочных рамах, которые можно вращать с помощью куска веревки. Такая конструкция удивительным образом может балансировать на пальце.

Любой объект, способный вращаться, действует как гироскоп, и бумеранги не исключение. Но давайте на мгновение забудем о них и рассмотрим другой вращающийся объект. Представьте, что у вас есть колесо, которое вращается вертикально вокруг горизонтальной оси – это может быть велосипедное колесо или игрушечный гироскоп. Если вы попытаетесь повернуть ось вниз, по направлению к земле, чтобы колесо вращалось под углом к вертикали, произойдет нечто очень странное. Колесо будет сопротивляться вашим попыткам наклонить его. С точки зрения физики решающую роль здесь играет закон сохранения углового момента. Когда вы пытаетесь повернуть вращающуюся вещь, возникает сила, пытающаяся остановить вас. Но еще более странно то, что сила, которую вы применяете, меняет направление, отклоняясь на 90 градусов. Когда вы стараетесь повернуть ось вашего колеса вниз, само колесо остается вертикальным, но поворачивается влево или вправо в зависимости от направления вращения. Это называется прецессией гироскопа, и ее действительно нужно увидеть, чтобы поверить в нее.

Не забывайте сказанное выше, пока я буду рассказывать вам о втором факторе, порождающем странности, происходящие с бумерангом и его крыльями. Обычно бумеранги имеют только два крыла, но в принципе у них может быть любое количество крыльев. Особенно эффективны и легче бросаются, чем традиционные, трехкрылые Y-образные и четырехкрылые X-образные бумеранги. Когда они вращаются в воздухе, крылья создают подъемную силу точно так же, как крылья самолета. Но поскольку бумеранг вращается вертикально, подъемная сила, создаваемая крыльями, толкает его не вверх, а в сторону. Если бросить бумеранг правой рукой, вращающиеся крылья будут заставлять его двигаться влево. И чем быстрее вращаются последние, тем сильнее они толкают бумеранг в сторону.

Бумеранг не просто вращается, он также летит вперед в воздушном пространстве. И, помимо скорости вращения крыльев бумеранга, вы должны учитывать и эту скорость его поступательного движения. Когда крыло находится в верхней части бумеранга, оно движется в том же направлении, что и весь бумеранг, поэтому все скорости нужно складывать. И наоборот: при нахождении крыла внизу скорость его вращения необходимо вычесть. Все это означает, что крылья бумеранга движутся быстрее будучи наверху, а не внизу, и толчок, создаваемый вращающимися крыльями, тоже сильнее наверху. Не только бумеранг в целом сдвигается в сторону, но и ось его вращения закручивается вниз.

Вращающийся бумеранг действует подобно гироскопу, который закручивается вниз, после чего в игру вступает прецессия гироскопа. Благодаря этому эффекту вертикально вращающийся бумеранг перемещается по большой петле и, если вы бросаете правильно, возвращается почти точно к вашим ногам.

Поверьте, заставить бумеранг вернуться в руки метателя намного сложнее, чем об этом рассказывают. Увы, теоретическое знание не очень-то помогает на практике в данном случае. Не забывайте, что бросать нужно под прямым углом к ветру. Кроме того, некоторые совершенствуют форму крыльев, чтобы они давали достаточную подъемную силу, и оттачивают технику движения запястьем. Как только вы со всем этим освоитесь, бумеранг в ваших руках перестанет быть изогнутой палкой. Он будет возвращаться снова и снова. Но я все же не советую сразу пытаться бросить бумеранг длиной 2,94 м от края до края. Начните с какого-нибудь более подходящего экземпляра.

06 Садовая наука: дикая природа на пороге

Клей, который заставляет яблоко хрустеть

Я ем много яблок. Вероятно, это мой любимый фрукт, и уж точно я ем их больше, чем остальных фруктов. Но мне нравится и разнообразие. По этой причине я наслаждаюсь осенними и зимними месяцами, когда на рынках можно найти целый ряд различных сортов яблок. В этом году мое внимание привлек сорт «эвелина». Он был выведен всего несколько лет назад и дает большие красные и желтые плоды. Но что особенно важно для меня, мякоть этих яблок хрустящая, сочная и сладкая.

Я говорю это совершенно серьезно: я терпеть не могу яблоки с мягкой, словно ватной, мякотью. Трудно описать ощущения при надкусывании такого яблока, но я уверен, вы знаете, о чем я говорю. Снаружи мучнистое яблоко может казаться твердым и выглядеть аппетитно, но его мякоть превращается в сухую кашицу во рту. Мои самые искренние извинения, если вам нравятся такие яблоки, но я с уверенностью могу сказать, что вы ошибаетесь. И теперь, если я все же вас не обидел и вы не захлопнули книгу в гневе, давайте задумаемся, почему один фрукт может иметь такую разную текстуру.

Мякоть яблока составляют миллионы растительных клеток, размеры которых могут доходить до 0,25 мм. У этих клеток есть несколько важных особенностей, имеющих отношение к текстуре яблока. Почти во всех растительных клетках располагается огромный (относительно размера клетки) «мешок» с водянистым веществом, называемый вакуолью. Каждая клетка практически полностью занята этой вакуолью, и находящаяся в ней жидкость содержит много сахаров. Когда клетки разрываются, эта жидкость выливается наружу и во рту становится сочно и сладко.

Однако существует несколько способов разорвать клетки мякоти яблока. Каждую из них окружает клеточная стенка, состоящая из таких химических веществ, как целлюлоза и лигнин. Именно эта стенка обеспечивает клеткам их структурную целостность и прочность. Принципиальное значение для хрусткости яблока имеет способ склеивания отдельных клеток. Клей образуют смесь естественных химических веществ, но самым важным из них является пектин. Да, то самое вещество, которое составляет основу джема. Пектин – это сложное сочетание множества молекул сахара, соединенных вместе в длинные цепи. Когда эти цепи прилипают друг к другу, они образуют желе, и именно оно создает тот клей, который связывает клетки вместе.

Концентрация и качество пектинового клея в яблоке и определяют, насколько твердым оно будет, а также окажется ли оно хрустящим или «ватным». Крепко связанные клетки яблока дают хрустящую текстуру, так что вам понадобится больше силы для его надкусывания, чтобы разорвать клетки и выпустить из них сок. С другой стороны, если клея мало и/или он недостаточно хорош, при надкусывании клетки просто отделяются друг от друга, а не разрываются. Так что в этом случае вместо множества разрушенных клеток и сока ваш рот наполняется скоплениями неповрежденных клеток. Такое яблоко имеет ватную текстуру.

Итак, от чего же зависит, получится ли яблоко «ватным» и сухим или хрустящим и сочным? В конечном счете все сводится к генетике конкретного сорта. Все яблоки, появляясь на дереве, представляют собой твердые и кислые шарики. Но по мере созревания в них накапливается сахар, который делает их вкус все более сладким. В то же время белки и ферменты, вырабатывающиеся внутри клеток яблока, транспортируются к клеточным стенкам. Причем ферменты заменяют собой первоначальные пектины, склеивающие стенки, что уменьшает сцепление между клетками.

У разных сортов яблок эти два процесса (накопление сахаров и замена пектинов) протекают по-разному. Некоторые яблоки, например сорта «гала», становятся действительно сладкими и сохраняют при этом сильные пектиновые связи между клетками, благодаря чему радуют нас хрустом и сочностью. Мне очень нравятся эти яблоки. Яблоки других сортов, скажем «макинтош», не достигают столь высокого уровня содержания сахаров, а их клеточные ферменты успевают разрушить пектины, удерживающие клетки вместе. Любители этих яблок могут назвать их мякоть сливочной и ароматной, но, по-моему, это не так. Чтобы угодить мне, яблоко должно хоть немного хрустеть.

Компостирование отходов

У вас на даче есть компостная куча? Или, может быть, ящик для компоста, или какая-либо другая емкость для него? Я перепробовал множество различных приспособлений для компостирования зелени, но в итоге неизменно получал либо кучу высохших веток, либо ужасную слизистую смесь. После множества экспериментов у меня появилась пара больших черных контейнеров из пластика для компоста. С ними я почти добился того, чего хотел. Тем не менее, несмотря на все старания, мой компост совсем не похож на содержимое пластиковых мешков, которые мы покупаем в магазинах для садоводов. И все же если вы заглянете в интернет, посмотрите видео про сад и огород или прочитаете журналы по садоводству, то наверняка заметите, что там до вас настойчиво стараются донести две мысли: делать компост вовсе не трудно и все садоводы должны это уметь. Первое из этих утверждений явно неверно, тогда как второе полностью соответствует истине.

Компостная куча работает благодаря определенным бактериям и, в меньшей степени, грибкам, которые и разрушают все растительные вещества. Чтобы сделать хороший компост, необходимо создать среду, удовлетворяющую всем требованиям этих прихотливых бактерий. Есть много моментов, которые вы при этом должны учитывать, но если все сделать как надо, то вы получите темно-коричневую, рассыпчатую и приятно пахнущую смесь, известную среди садоводов как перегной.

Первым делом необходимо обеспечить оптимальный состав компостной кучи. Она должна состоять из 1 части азота на 30 частей углерода. В эмпирическом выражении, почерпнутом из книг по садоводству, это 1 часть листового зеленого материала на 30 частей стеблей и другого более жесткого растительного материала. Если положить в кучу слишком много азота, она превратится в скользкий, неприятный холмик. Слишком много углерода – и вы получите сухую кучу палок. К сожалению, без высокотехнологичной лаборатории прямо на садовом участке невозможно измерить это соотношение. Поэтому стоит положиться на практический опыт и предположения, основанные на понимании науки о растениях. Возьмем, к примеру, травяные черенки из газонокосилки, целиком состоящие из листовой зелени. В таком содержимом газонокосилки слишком много азота для хорошего компоста. С другой стороны, осенние листья бедны азотом, так как на самом деле это всего лишь высохшая шелуха когда-то зеленых листьев. Всякий раз, когда вы добавляете что-то в компост, нужно учитывать баланс азота и углерода. Если собираетесь бросить в компост кучу травы или овощной шелухи, вам стоит добавить вместе с ними и немного углерода в виде разорванной бумаги или опилок. И наоборот, если вы только что нарезали в кучу много веток, добавьте к ним и листовой материал.

Предположим, у вас получилось соблюсти правильный баланс углерода и азота. Теперь нужно убедиться, что куча не слишком влажная и не слишком сухая. Кроме того, необходимо поддерживать аэрацию компостной кучи, чтобы до бактерий мог добраться кислород. Если ваш компост слишком влажный или чересчур плотный, там не будет ни кислорода, ни бактерий. Традиционное решение состоит в том, чтобы периодически переворачивать компостные тюки, однако недавние исследования показывают, что можно просто бросить туда смятый картон, втулки от туалетной бумаги или еще что-нибудь компостируемое (разлагаемое бактериями), что создаст воздушные пространства.

Другой момент, который часто упускают из виду, заключается в том, что бактерии, процветающие в компостной куче, предпочитают слегка щелочную среду и точно не рады, если среда кислотная. При отсутствии специального прибора или тест-полосок, среду определить невозможно. Но если ваше детище, несмотря на все усилия, раз за разом терпит фиаско, пожалуй, стоит добавить в него немного садовой извести, которая на самом деле является просто порошкообразным известняком. Вместо извести можно использовать и обычную древесную золу. И то и другое нейтрализует кислотность почвы и создаст более благоприятную среду для бактерий, которые творят свою магию.

Нельзя забывать и о тепле, но только подумать о нем необходимо с самого начала. Когда бактерии приступают к работе, они сами начинают вырабатывать тепло, и теоретически компост может прогреваться до 70 °C. Эта высокая температура будет способствовать росту нужных бактерий, а также убьет другие организмы в куче, включая семена сорняков. К сожалению, получить столь высокую температуру в домашней компостной куче действительно сложно. Для ее достижения обычно нужны прямо-таки горы компоста, которые хорошо изолируют внутреннюю часть кучи. Ну а поскольку я исхожу из того, что у вас таких гор нет, мой вам совет: поместите компостную кучу в самом солнечном месте в саду. Я, конечно, осознаю, что вы едва ли последуете этому совету, ведь обычно место для компостной кучи находится в самом мрачном углу за садовым сараем, где ничего не растет и куда никто не хочет ходить. В таком случае можете просто изолировать свой компост старыми коврами или чем-то вроде соломенных тюков.

Таким образом, чтобы получить идеальный компост, вам нужно добиться правильного соотношения углерода и азота, убедиться, что он хорошо аэрируется, не слишком влажный, не слишком сухой и не слишком кислый, и сформировать действительно огромную компостную кучу. Все это кажется довольно пугающей перспективой, но не забывайте о тех огромных преимуществах, которые принесет вам компостирование отходов. У вас будет запас собственного компоста, который освободит вас от необходимости таскать мешки с перегноем из магазина, а также сделает ваше хозяйство экологически благоприятным. При компостировании вы значительно уменьшите свой негативный вклад в создание свалок, причем не только с точки зрения объема материала, но и в плане выбросов метана из куч мусора. Вы улучшите плодородие почвы, перерабатывая питательные вещества, и дадите огромный импульс развитию биоразнообразия – по крайней мере, на вашем участке.

Из моего собственного опыта освоения компостирования отходов я знаю: пусть достичь совершенства трудно, но червям и растениям все равно, если ваш компост немного грубоват и не готов. Он и в таком виде сделает свою работу и станет для них домом.

Световая приманка

То, что мотыльки и различные ночные летающие насекомые летят к свету, известно всем. Стоит летом оставить окно открытым и не погасить свет, не успеешь оглянуться, как полдюжины крылатых существ уже кружат у светильника или даже чуть ли не облепляют его. Однако, если на мгновение задуматься над происходящим, станет очевидно, что это крайне нелогичное поведение. Насекомые, собравшиеся вокруг источника света, – это ночные создания. При дневном свете они забираются в свои укрытия, чтобы спрятаться от хищников, для которых они – еда. Так почему же эти существа направляются к первой попавшейся горящей лампочке? Свет же не указывает на наличие пищи поблизости, а их самих такое поведение ставит под угрозу быть съеденными.

Наиболее распространенным объяснением этого явления служит навигация по Луне. Идея заключается в том, как мотылек ищет свой путь ночью. Он берет курс на Луну и держит ее под постоянным углом к направлению своего полета. Поскольку Луна находится очень далеко от мотылька, угол наклона не меняется, и спутник нашей планеты становится весьма надежным ориентиром. Однако насекомое вполне обоснованно может перепутать Луну с горящей лампочкой. Когда мотылек летит к лампе, он должен двигаться в направлении искусственного света, чтобы не отклоняться от своей траектории по прямой линии. К сожалению, по мере приближения к искусственному свету угол между его источником и направлением полета мотылька меняется. Но вот наш мотылек все же корректирует свой курс и приближается к лампочке. Это происходит не сразу. Насекомое кружит вокруг нее, подлетая все ближе и ближе, пока не столкнется с лампочкой.

К сожалению, в этом объяснении есть несколько уязвимых мест. Начну с того, что большинство ночных летающих насекомых не имеет привычки совершать длительные перелеты по прямой линии. Многие мотыльки живут в защищенной лесной местности, где они преодолевают лишь небольшие расстояния и никогда по-настоящему не видят Луны. И все же их тоже привлекает свет. Кроме того, когда ученые внимательно изучили поведение мотыльков вблизи искусственных источников света, оказалось, что многие мотыльки летят прямо на свет: без кружения, которое описывает теория навигации по Луне.

Еще одна немного странная идея пришла в 1970-х годах в голову энтомологу из Министерства сельского хозяйства США. Как выяснилось в ходе его экспериментов, некоторые из особо сильных феромонов, оставляемых самками мотыльков, не только привлекают самцов издалека, но и являются источниками очень слабого люминесцентного света. Феромоны испускают свет в инфракрасном диапазоне, который частично соответствует свету, исходящему от свечи. Объяснение исследователя состояло в том, что самцов притягивает этот свет, поскольку они полагают, что находятся на пути к любовной встрече. Но опять же, наблюдения в полевых условиях опровергают это предположение. Дело в том, что лучший способ привлечь мотыльков в дикой природе – это установить ультрафиолетовое освещение, а не инфракрасное.

Есть и еще одно объяснение, основанное на наблюдении. Если вы потревожите ночью рой мотыльков, например затаившихся на кусте, они взлетят в воздух, чтобы спастись. Они не устремятся вниз, в тень растительности. Похоже, что логика мотыльков состоит в том, чтобы направиться к более светлым областям вверху, а не к более темным внизу. Так что, если мотыльки встревожены, возможно, они летят к свету, чтобы спастись. Что ж, будь это правдой, то означало бы, что всех мотыльков, которых вы видите у своих светильников, кто-то потревожил и отвлек от обычных ночных дел.

Естественно, с учетом сложности биологической науки, ответ, пока ускользающий от нас, вероятно, будет включать в себя целый ряд причин. У нас есть неплохая теория, объясняющая, почему мотыльки начинают кружить, как только попадают на свет. Глаза этих насекомых приспособлены к тому, чтобы видеть в темноте, и как только мотыльки оказываются на свету, их чувствительные глаза приступают к борьбе с ним, потому что света слишком много. Фактически он ослепляет мотыльков, чем и объясняется их нежелание улетать прочь: они просто не в состоянии видеть, куда направляются. Ну а еще они могут просто делать передышку после того, как буквально нос к носу столкнулись с источником яркого света.

Тень от дерева

Конечно, все вы знаете, что, оказавшись в жаркий летний день на открытом воздухе, можете укрыться от солнца в тени. Однако лишь самые наблюдательные из вас заметят, что не все тени одинаково прохладны. Если спрятаться от солнца в тени здания или под каким-нибудь навесом, то температура там будет, конечно, ниже, но все же не настолько низкой, как в тени от кроны дерева. Проведенные исследования показали, что в тени от деревьев на несколько градусов (до 3 °C) прохладнее, чем в тени от зданий, расположенных в пределах города. Это кажется нелогичным, поскольку тень от деревьев обычно пятнистая, а не сплошная. И все же измерения доказывают, что деревья действительно активно охлаждают свое ближайшее окружение.

Когда я говорю, что листья на деревьях зеленые, обычно никто не удивляется, потому что для большинства видов растений это верно. Однако объяснение этого факта едва ли оставит вас равнодушными. Листва растений отражает бóльшую часть зеленого света, падающего на нее, и, собственно, поэтому мы видим ее зеленой. Кроме того, если вы, стоя под кроной дерева, посмотрите вверх, то увидите, что свет, который проникает внутрь, тоже зеленоватый. Только зеленый свет проходит сквозь листву. Что же происходит с красным, оранжевым, желтым и синим? Листья растений поглощают свет этих цветов, но не преобразуют это излучение в тепловую энергию, а используют его для запуска процесса фотосинтеза. Это биохимическая реакция, в ходе которой углекислый газ из воздуха, вода из земли и энергия солнечного света преобразуются в сахара. Так энергия Солнца превращается в химическую потенциальную (то есть запасенную) энергию и хранится растением для последующего применения.

Теперь представьте, что вы сидите под зеленым брезентовым навесом, и сравните ощущения. Как и в случае с листьями, зеленый свет отражается наружу. Внутрь мало что проникает. Свет других цветов поглощается навесом. Однако на этот раз энергия света превращается в тепловую энергию, половина которой излучается обратно в небо, а вторая половина – на вас, сидящих под навесом. Несмотря на то что последний имеет тот же цвет, что и листва, он не накапливает химическую энергию, и вы перегреваетесь.

Существует и другая, возможно еще более важная, причина возникновения охлаждающего действия зеленых растений. Как я только что упоминал, для фотосинтеза необходима вода. Чтобы получить ее, растения через корни вытягивают воду из почвы и доставляют ее к листьям. И один из этапов этого процесса именуется транспирацией. В ходе него растение позволяет воде испаряться из своих листьев, в результате чего из его корней вытягивается еще больше воды. Меньшая часть этой воды используется для фотосинтеза, а бóльшая – для дальнейшей транспирации. Одним из следствий является то, что в ходе испарения воды из листа захватывается тепловая энергия, и он остывает. Это называется испарительным охлаждением, и именно благодаря ему работают холодильники. Когда это происходит по всей кроне большого дерева, более тяжелый холодный воздух вокруг каждого листа опускается в пространство под кроной, делая его более прохладным.

Итак, фотосинтез и транспирация создают под деревом приятное место для отдыха. Ведь в такой зоне охлаждение – это активный процесс, а не просто отсутствие прямого солнечного света. Как известно, в центрах крупных городов создается эффект, известный как тепловой остров. Большие массивы темных зданий и множество отражающих поверхностей поднимают там среднюю температуру на 6 °C по сравнению с пригородами. Градостроители пришли к выводу, что одним из лучших способов смягчения этого эффекта является посадка деревьев и разбивка газонов. В идеале делать это стоит не только на уровне земли, но и на верхних этажах зданий. В результате можно немного снизить среднюю температуру, а также создать еще более прохладные локальные зоны, где жители смогут расслабляться и наслаждаться едой, например.

Может ли паук поймать самого себя?

В пауках есть что-то глубоко нервирующее, и в то же время я ими буквально очарован. Созерцая раздутого паука-кругопряда в центре его паутины, я не могу отвести взгляд. Затем, когда он убегает, чтобы заманить несчастную жертву в свои сети, я обнаруживаю, что меня тянет посмотреть, как разыграется эта ужасная сцена. Жертва паука не может выбраться, крепко застряв в липкой паутине, в то время как он сам ловко бросается к ней через те же самые липкие нити. Как же ему это удается?

Паучий шелк – это невероятный материал с широкими возможностями применения. Он прочнее стали и жестче, чем пуленепробиваемое синтетическое волокно кевлар. А паук при необходимости может производить метры этого материала. Более того, в среднем любой паук способен выдавать семь различных видов шелка, каждый из которых обладает уникальными свойствами. И эти удивительные существа активно используют столь полезное умение. К счастью для нас, лишь только посмотрев на их паутину, мы смогли ответить на вопрос, как пауки умудряются не запутаться в собственных сетях.

Спицы паутины живущего у меня в саду обыкновенного крестовика состоят из того, что ученые называют каркасным шелком (он вырабатывается основными ампулярными железами). Это самый прочный шелк, который имеется в арсенале пауков, и вдобавок он наиболее известен нам. Важно отметить, что на нем вообще нет клея. Задача быть липким стоит перед жгутиковидным шелком. Из него формируется спираль вокруг спиц, и вся она покрывается равномерно расположенными каплями липкого клея. Исключение составляют группы пауков, которые не используют клей, а вместо этого полагаются на иной тип шелка и электростатические силы. Но вернемся к нашему крестовику. Основная причина способности этого паука не застревать в собственной паутине заключается в том, что он избегает капли клея. Перемещаясь по своей паутине, он осторожно ступает только по каркасному шелку, тогда как жертва, попадая в западню, не имеет возможности выбора и сталкивается как с безопасными спицами, так и клейкими спиралями.

Более того, у паука есть еще несколько тузов в рукаве. На конце каждой из его основных, ходильных, ног есть набор крошечных коготков. Два из них предназначены для захвата веток и листьев, а третий коготь создан специально, чтобы цепляться им за шелковые нити. Прямо под этим третьим когтем расположены также пружинистые щетинки. Когда паук цепляется за шелковую нить, они опускаются и удерживаются нитью под натяжением. При отпускании нити, липкая она или нет, упругие щетинки поднимаются обратно и отбрасывают нить с достаточной силой, чтобы преодолеть любой клей.

Наконец, у паука есть еще одно приспособление, которое помогает прежде всего тогда, когда он формирует свою паутину. Паук вынужден касаться липких нитей во время плетения сети. На кончиках лап, которыми он это делает (обычно это задняя пара), есть короткие щетинки с очень тонкими волосками. Кроме того, эти щетинки покрыты неким поверхностным слоем, и благодаря ему они способны отталкивать липкие нити.

Таким образом, отвечая на поставленный выше вопрос, мы можем сказать, что паук заботливо обходит капли клея, перемещаясь буквально на цыпочках. Вероятно, это гораздо сложнее, когда у тебя восемь ног, а также нет возможности видеть их, так что приходится полагаться только на ощущения. Однако даже если что-то идет не так и паук касается своих липких шелковых нитей, он может рассчитывать на благоприятный исход, ведь природа вооружила его целым арсеналом специальных приспособлений, которые позволяют ему не стать жертвой собственной паутины.

Этот невозможный газон

У вас есть газон? Там полно сорняков? Вы потратили уйму времени и денег, пытаясь истребить на нем мох, ползучие лютики и одуванчики? Если ответ на первый вопрос положительный, то и по крайней мере на один из двух других вопросов вы почти наверняка ответите утвердительно.

Садов и парковых газонов до XVII века не существовало, и лишь впоследствии они стали популярными у британской аристократии. Снаружи парков обустраивали, как правило, целую сеть гравийных дорожек, а внутри располагались коротко подстриженные газоны. Затем, в XVIII веке, появились первые ландшафтные дизайнеры (сначала их называли ландшафтными архитекторами), среди которых были такие суперзвезды, как Ланселот Браун например. Эти люди заменили модные тогда регулярные парки (с геометрически правильной планировкой) необузданными волнами пасторальной фантазии. Для очень богатых клиентов Браун создавал свои фирменные серпантинные озера, окруженные газонами с фигурами оленей и пасущимися овцами. Эти зеленые участки появлялись лишь у домов весьма состоятельных людей просто потому, что для стрижки травы косами и ручными ножницами требовалось немало рабочей силы. Но в 1830 году Эдвин Беард Баддинг из Страуда изобрел газонокосилку. Быстро растущему среднему классу Великобритании не потребовалось много времени, чтобы крепко ухватить это изобретение за ручку. И так началось повальное увлечение домашними газонами.

Проблема в уходе за газоном заключается в том, что сама его стрижка стимулирует рост травы. В случае с деревьями, скажем, все наоборот. Да и многие растения не в силах справиться с регулярными подрезками. Часть растения, которая обеспечивает его рост, называется меристемой, и у тюльпанов, бегонии и гвоздик, например, меристемы находятся на кончиках растущих побегов. Если вы срежете эти побеги, то отрубите меристему, и растению придется начинать процесс выращивания побегов заново. А это может стоить ему значительных энергетических затрат. Если же вы продолжите подрезать растение, в конце концов оно истратит все свои ресурсы и умрет. С другой стороны, у трав меристемы спрятаны у самого основания стебля, так что они продолжают расти с места среза и не обращают внимания на потерянную верхушку. Они эволюционно развили эту систему в ответ на то, что их постоянно жуют травоядные. Так что если вы регулярно подстригаете газон, то там смогут выжить лишь травы.

Однако есть несколько исключений из этого правила. Лютики, маргаритки, одуванчики, клевер, мох и другие растения, растущие очень близко к земле, тоже будут чувствовать себя прекрасно на вашем газоне, живя в режиме постоянной стрижки. И что самое страшное: если вы ввяжетесь в биологическую войну с ними, то никогда ее не выиграете.

Существует связь между числом видов растений и количеством биологического материала, или биомассы, на конкретной местности. Экологи путешествовали по всему миру и измеряли эти показатели на различных участках площадью 1 м^2. Хотя газон можно рассматривать как нечто переходное от естественной среды обитания к искусственно управляемой среде, оказалось, что большое количество биомассы на домашнем газоне соответствует максимальному числу видов. То есть ваш газон идеально подходит для невероятного биоразнообразия. Известкованная почва с коротко подстриженным дерном на ней является одной из самых ботанически разнообразных земель в мире. В среднем на квадратном метре участка с такой почвой насчитывается сорок различных видов, и эта столь богатая среда обитания – то, чем ваш газон станет некоторое время спустя естественным образом.

Мечта о газоне, где будет расти лишь коротко подстриженная зеленая трава, с точки зрения биологии противоречит всем ожиданиям. Поэтому у вас есть всего два варианта действий. Первый – использовать гербициды и бесконечно сгребать листья и пропалывать газон, чтобы оградить его от сорняков. И второй – просто смириться с биологическим разнообразием. В конце концов, даже если это не трава, то все равно нечто зеленое. Ну а если ненадолго оставить газон в покое, то к зеленому добавятся также желтый, белый, розовый и фиолетовый.

Цвета осени

Одна из самых больших радостей осени – это прогулка по разноцветному лесу, когда вокруг переливаются желтые, оранжевые и красные оттенки, а под ногами шуршит опавшая листва. Любопытно, что это знакомо каждому из нас, однако нам до сих пор не до конца ясно, почему так происходит.

Первым делом стоит отметить, что листья опадают вовсе не потому, что умирают. Скорее, это само дерево инициирует активный процесс умного избавления от затратного ресурса, что в целом выглядит как старение. Дерево, например дуб, рискует сильно пострадать или даже погибнуть в суровую зиму, если сохранит свою крону из листьев. С приближением зимы продолжительность дня сокращается, температура падает, и растения, в том числе деревья, могут улавливать эти изменения. Они сигнализируют ветвям, что пришло время сбрасывать листья. Но сначала деревья тщательно высасывают из них все полезные питательные вещества, а затем с хирургической точностью блокируют все пути утечки ресурсов в листья. Это ослабляет стебли последних прямо у основания, так что ветер теперь легко может оторвать листья, и они упадут на землю.

Одним из ключевых веществ, которые деревья извлекают из листьев, является хлорофилл, дающий листьям зеленый цвет. Он содержит ценный магний, так что стоит того, чтобы дерево его спасало. Хлорофилл позволяет растениям улавливать энергию солнечного света, но это не единственный пигмент, который можно обнаружить в листьях деревьев. Они также часто полны желтых и оранжевых пигментов, называемых каротиноидами. Да, именно они делают морковь оранжево-желтой. А также каротиноиды помогают хлорофиллу поглощать солнечный свет, хотя обычно их и скрывает зеленый цвет. Однако, поскольку они не содержат никаких полезных минералов, деревья не утруждают себя «вытаскиванием» каротиноидов из листьев. И когда последние освобождаются от хлорофилла, то постепенно превращаются из зеленых в желтые или оранжевые.

Это объясняет, почему осенью мы видим желтые листья на березах, однако не дает ответа на вопрос, почему листья на клене становятся красными. За красный цвет ответственны пигменты антоцианы, которые не присутствуют в зеленых листьях. Деревья вырабатывают их одновременно с извлечением из листьев хлорофилла. Это кажется странным, ведь на производство красных пигментов тоже тратится определенное количество энергии, а они довольно быстро теряются вместе с листьями. Значит, дерево должно получать какую-то пользу от антоцианов.

Существует три теории, объясняющие выработку красных пигментов. Первая опирается на антиоксидантные свойства антоцианов. По иронии судьбы для растений нет более серьезной проблемы, чем солнечный свет. Зеленым листьям хлорофилл позволяет хорошо улавливать солнечную энергию, но с его уходом энергия фотонов сеет в клетках листьев хаос. Кванты света выбивают электроны из молекул, превращая их в свободные радикалы. Эти химически очень активные молекулы вызывают всевозможные повреждения внутри растительных клеток, и именно их и нейтрализуют антиоксиданты. Красный цвет, который мы видим на листьях, действует как солнцезащитный крем, позволяя им оставаться полезными вплоть до конца срока их службы.

Однако эта теория не объясняет, почему в Северной Америке, к примеру, бушуют огненно-красные расцветки, тогда как в Европе преобладают оранжевые и желтые тона. Исследования осенних садов показали, что деревья, которые становятся красными, меньше страдают от тли, чем те, что пожелтели. Возможно, красные листья неаппетитны для тли потому, что они насыщены неприятными на вкус антоцианами. В рамках этой, второй, теории предполагается, что во время последнего ледникового периода популяции насекомых были захвачены и уничтожены ледяными щитами, которые надвигались с севера и с альпийского юга. И в результате европейские деревья эволюционировали без того количества зимующих насекомых, от которого им в противном случае пришлось бы защищаться антоцианами. В Америке же подобной ледяной катастрофы не было, и поэтому красный цвет остался.

И, наконец, третья существующая в настоящее время теория выглядит особенно зловеще. В одном из своих исследований ботаники обнаружили, что антоцианы, произведенные и затем выброшенные деревом под свою крону, оказывают токсическое действие на близлежащие саженцы. Похоже, великолепные красные оттенки кленов могут означать, что последние активно травят своих конкурентов.

Сегодня мы действительно пока не знаем всех причин появления осеннего многоцветия, которых, вероятно, довольно много. Но у нас определенно нет ни одной причины не наслаждаться этим великолепным зрелищем каждый год.

«Лунатики» и звук грома вдалеке

Моим самым любимым научным героем был врач XVIII века, поэт, натурфилософ и эрудит Эразм Дарвин, который также приходился дедушкой Чарльзу Дарвину. Эразм Дарвин жил в Личфилде, к северу от Бирмингема, в Англии, и его дом там стал центром свободного мышления и научных исследований. Среди мероприятий, в которых Дарвин принимал участие, были заседания так называемого Лунного общества Бирмингема. Этот интеллектуальный клуб получил такое название лишь потому, что его собрания проводились исключительно в ночи полнолуния, когда было светло и экипажи членов общества могли вернуться домой. Если внимательно изучить состав Лунного общества, можно составить полную энциклопедию «Кто есть кто» в научном мире XVIII века. В него входили, скажем, такие светила, как прославившийся изобретением паровоза Джеймс Уатт или первооткрыватель кислорода и изобретатель газированных напитков Джозеф Пристли, а периодически на заседания приходил даже Бенджамин Франклин. Эти великие люди собирались за ужином, чтобы обсудить актуальные темы натурфилософии, выпить портвейна и, что особенно важно, провести эксперименты.

Нам достоверно известно об одном из таких экспериментов. Они попытались его провести, изучая явление, о котором я и сам часто размышляю, когда слышу его. Почему гремит гром? После вспышки молнии, как правило, есть пара секунд, чтобы подготовиться к раскатам грома. В это время стоит сосредоточить свое внимание на точной природе звука. То, что вы обычно слышите, это громкий треск, сопровождающийся грохочущим шумом. Последний может длиться десятки секунд и быть таким же громким, как и начальный треск.

Еще в XVIII веке Эразм Дарвин и остальные «лунатики» решили исследовать природу грохота грома. Они знали, что этот звук вызывается вспышкой молнии, хотя и не совсем понимали, как именно и почему это происходит. Они придумали схему по созданию искусственного взрыва высоко в воздухе. Один из членов группы, промышленник из Бирмингема Мэттью Болтон, сконструировал огромный бумажный шар диаметром 1,5 м. Его заполнили более легкой, чем воздух, и очень взрывоопасной смесью водорода и кислорода. К этой парящей бомбе прикрепили взрыватель, затем зажгли его и запустили воздушный шар в вечернее небо.

К несчастью, фитиль горел гораздо медленнее, чем «лунатики» рассчитывали, так что, пока эти великие умы ждали – без сомнения, со стаканами портвейна в руках, – они отвлеклись и начали болтать. В результате, когда воздушный шар наконец взорвался с колоссальным грохотом, они были так удивлены, что забыли прислушаться к звуковым нюансам. К счастью, Джеймс Уатт не присутствовал на этой встрече и услышал грохот из своего дома неподалеку. Он отметил, что после первого взрыва шум усилился еще на секунду или около того. Лунное общество пришло к выводу, что гром гремит потому, что звук молнии отражается от близлежащих холмов.

Гром действительно гремит чуть громче из-за отражения от соседних зданий и в силу топографических особенностей местности, но это лишь незначительный аспект этого явления. Чего не смогли сделать «лунатики», так это имитировать удар молнии.

Когда ударяет молния, поток электричества в воздухе создает температуру выше, чем на поверхности Солнца, – она превышает 20 000 °C! Этот перегретый воздух расширяется с такой невероятной скоростью, что поражает окружающий его холодный воздух мощной ударной волной. Поскольку процесс идет на сверхзвуковых скоростях, ударная волна создает звуковой удар. Главное, что упустили Дарвин и его друзья, это то, что генерация звука происходит по всей длине плазменного шнура молнии.

Представьте себе молнию, которая бьет вертикально и ударяет в землю примерно в 2 км от того места, где вы стоите и слушаете. Теперь примем во внимание, что средняя длина молнии составляет 10 км. В этом случае нижняя часть молнии находится всего в 2 км от вас, а верхняя – более чем в 10 км. Если учесть скорость звука, то звуковой удар от основания молнии достигнет ваших ушей всего через 2 с. А шуму от самой верхней части плазменного шнура, если вы вообще сможете услышать его на таком расстоянии, потребуется до 30 с, чтобы до вас добраться. Промежуточный период времени будет заполнен грохотом, исходящим от различных частей молнии между ее низом и верхом.

В природе молния редко бывает такой аккуратной, как наша гипотетическая. Плазменный шнур часто меняет направление, создавая зигзагообразный узор, и середина молнии может оказаться от вас даже дальше, чем вершина. Вполне возможно также, что вам часто доводилось видеть молнию, которая проскакивает между облаками, перемещаясь горизонтально и не ударяясь о землю. Если разряд такого типа проскакивает прямо от вас, то звук от его дальнего конца приходит позже. Все это, вкупе со звуковыми отражениями, усложняет картину того, что вы слышите, и создает раскатистый гром.

С современным пониманием физики мы можем поставить эксперименты Эразма Дарвина и его коллег-«лунатиков» на более высоком уровне. Ясно, что нам понадобится целый ряд воздушных шаров, наполненных взрывчатой смесью, который протянется на километры в небо. В этом случае мы получим подходящий раскат грома, но едва ли это будет безопасный эксперимент.

Моя радуга – не твоя

Первое, что я делаю, когда вижу радугу, это ищу глазами вторую. Кому-то это может показаться жадностью с моей стороны. В конце концов, разве одного такого чуда природы недостаточно? Однако зачем отказывать себе в удовольствии понаблюдать за целым арсеналом оптических явлений, включая отраженную радугу, полосу Александра и даже множественную радугу, если действительно повезет?

Прежде всего стоит изучить основы «радугологии», пусть даже такого слова и не существует. Я его только что придумал, если вам интересно. Чтобы увидеть радугу, необходимы две вещи: солнечный свет и ливень. Вам нет нужды смотреть прямо на солнце, достаточно, чтобы оно освещало область осадков, которую вы можете видеть. Поскольку для этого требуется, чтобы солнце светило вниз под довольно небольшим углом, проще увидеть радугу утром или вечером, а также зимой и весной в течение дня. Кроме того, область дождя должна располагаться прямо перед вами, когда вы стоите спиной к солнцу.

Необходимость столь строгого сочетания солнца и дождя обусловлена тем, что увидеть радугу – это как поставить оптический эксперимент. Свет, падающий на некоторый участок дождя, отражается один раз от задней части дождевых капель и через переднюю их часть возвращается в воздушную среду. Причина, по которой появляются цвета, связана с эффектом преломления света на границе жидкой и воздушной сред. Когда свет переходит из воздуха в воду, он немного замедляется, и это заставляет его слегка менять направление, то есть преломляться. Угол преломления зависит от длины волны, то есть наблюдаемого глазом цвета, причем красный цвет преломляется меньше всего, а фиолетовый – больше всего. Когда свет входит в капли дождя, он преломляется и распадается на разные цвета, и в результате рождается радуга, с красным цветом снаружи дуги и фиолетовым – внутри.

Эти физические законы имеют несколько следствий, которые до сих пор заставляют меня задумываться всякий раз, когда я вижу радугу. Во-первых, то, что вы видите как цельную картинку радуги (та же ситуация с пикселями монитора), на самом деле состоит из миллионов крошечных точек. Радуга складывается из собственных «пикселей», каждый из которых представляет собой отдельную каплю дождя. Это настолько тонкая работа природы, что вы едва ли сможете разглядеть эти капли даже на фотографии с самым высоким разрешением.

Во-вторых, положение радуги на небе зависит от того, где находится наблюдатель. Отражения от задней поверхности каждой дождевой капли достигают его глаза только в том случае, если все углы идеально совпадают. Если наблюдатель сделает шаг в сторону, то увидит свет, отраженный от других капель дождя, и радуга окажется для него уже в другом месте. Следствием этого факта является то, что у каждого из нас своя, уникальная радуга. Бывает и так, что вы видите полную радугу, а кто-то другой, стоящий рядом, только частичную. Более того, каждый из ваших глаз видит собственную радугу. Остановитесь на мгновение, чтобы обдумать это, и в следующий раз, когда появится радуга, закройте сначала левый глаз, а затем правый и попытайтесь заметить разницу.

Удивительно, но явление радуги было довольно полно объяснено уже в конце XIII века. Его исследованием независимо друг от друга и примерно в одно и то же время занимались иранский ученый Камаль аль-Дин аль-Фариси и немецкий монах-доминиканец Теодорих Фрейбургский. Они оба использовали сферические стеклянные колбы, чтобы показать путь, который проходит свет внутри капли дождя, и, предположительно, создавали собственные крошечные радуги.

Еще один человек, имя которого часто упоминают, когда речь заходит о радуге, – это Исаак Ньютон. В середине XVII века люди все еще не понимали, откуда берутся ее цвета. Существовало две теории. Поскольку получить радугу можно было самостоятельно, пропуская свет через призму или сферу, некоторые считали, что это они каким-то образом окрашивают свет. Другие уверяли, что белый свет состоит из света различных цветов. На первый взгляд ни то ни другое не казалось таким уж вероятным объяснением. Но в 1666 году в своем доме в Вулсторпе в Англии Ньютон поставил experimentum crucis, или решающий эксперимент. Он разделил солнечный луч на радугу с помощью призмы. А затем использовал линзу, чтобы собрать радужный свет обратно, и сфокусировал его на другой призме. На этот раз из другого конца вышел белый свет. Таким образом Ньютон окончательно доказал, что белый свет состоит из света разных цветов. Мы знаем об этом эксперименте в Вулсторпе из записей, сделанных самим Ньютоном в одном из его дневников. В них он указывает расстояния между оптическими приборами и от отверстия в ставне, через которое солнечный луч пробивался в комнату и концентрировался на дальней стене. Я лично проверил эти измерения в его комнате в Вулсторпе и убедился в точности данных. Представители национального фонда, хранящего эти реликвии, сказали мне, что я стал первым, кто это сделал, но я им не поверил. Хотя это отличная сказка для детей.

В качестве отступления расскажу, что именно Ньютон выделил отдельные цвета радуги, которые мы знаем сегодня, и дал им названия. К примеру, известна ли вам разница между синим и фиолетовым? Вначале цветов было всего пять: красный, желтый, зеленый, голубой и фиолетовый. И уже Ньютон добавил к этому списку оранжевый и синий. Важно отметить, что это дало ему семь цветов и вполне соответствовало его склонности к алхимической нумерологии: семь цветов для семи музыкальных нот и семи планет, о которых тогда знали.

Итак, если вы не из тех, кто останавливается на достигнутом, можете поискать еще одну радугу. Люди часто видят две радуги. В следующий раз, когда на небе появится радуга, посмотрите немного выше этой основной радуги, или радуги первого порядка. Если вам повезет, вы увидите еще и отраженную радугу, или радугу второго порядка. Обычно она более рассеянная и почти незаметная. Настолько, что люди, как правило, ее не видят, хотя зачастую она есть. Ее появление вызвано точно таким же процессом отражения света, как и в случае с основной радугой, за исключением того, что свет внутри каждой капли дождя отражается дважды. Этот второй отскок внутри капли переворачивает цветовую последовательность отраженной радуги, так что красная полоса оказывается внутри дуги, а фиолетовая – снаружи.

Возможно, я хочу слишком многого, желая увидеть сразу две радуги, но мне так нравится это волнение, когда ищешь вторую. К тому же и на этом чудеса не заканчиваются. Существует еще пара малоизвестных фрагментов радуги, на которые стоит обратить внимание. Первый – полоса Александра, названная в честь древнегреческого философа. Она представляет собой затемненный участок на небе между радугами первого и второго порядка. Как только вы увидите ее, ищите то, что многим известно как множественная радуга. Это узкие цветные полоски, обычно зеленые и синие, на внутренней стороне основной радуги. Оба этих эффекта вызываются сложными оптическими отражениями и помехами, и проявляются они только в том случае, если капли дождя обладают похожим размером и равномерно распределены. Как вы можете догадаться, такое случается редко.

Благодарности

Книга, которую вы держите в руках, увидела свет благодаря усилиям целого ряда очень важных людей. Это мой литературный агент Сара Кэмерон, которая каким-то образом умудряется знать всех и, похоже, всем про меня рассказывает. За это я ей бесконечно благодарен, так как знакомство с ней дало мне возможность написать эту книгу.

Также я должен поблагодарить замечательных людей из издательства Michael O’Mara Books, в частности Хью Баркера и моего непосредственного редактора Габби Немет, которые существенно облегчили процесс написания книги и с юмором и терпением относились к моим неуклюжим, бессвязным, а иногда и откровенно странным вопросам. Хотя я все еще не уверен когда именно, но в какой-то момент вы стали пресекать мою тягу к английской системе мер. Что ж, разве микрометры недостаточно малы и нам все же стоит обращаться к нанометрам?

Наконец, и это самое главное, я благодарю свою жену Джульетту за то, что она, как и всегда, не давала мне сбиться с верного пути. Без ее редактуры, глубокого понимания науки и дружеского общения это было бы совсем другое произведение. Кроме того, и мне больно это признавать, без ее помощи я бы не смог уложиться ни в один из дедлайнов.

Примечания

1

Таллом, или слоевище, – тело низших растений, не разделенное на стебель, листья и корень. – Здесь и далее примеч. переводчика.

2

Если атом увеличить до размеров футбольного стадиона, то ядро будет сопоставимо с горошиной.

3

Дело в том, что TRPV1 и другие представители семейства TRPV активируются химическими соединениями, содержащими ванилиновую группу (например, капсаицином).

4

В ее состав входит фенхель, корица, гвоздика, бадьян и сычуаньский перец.

5

Плод деревьев рода зантоксилум (Zanthoxylum, желтодревесник).

6

Обычно указывается энергетическая ценность в 100 граммах продукта.

7

Уилбур Олин Этуотер – американский химик, считается отцом-основателем современной диетологии и основоположником изучения обмена веществ и энергии в организме человека.

8

Реперные точки – точки, на которых основывается шкала измерений. В современных электронных весах часто делают несколько реперных точек и строят сложную градуировочную кривую.

9

В 2018 году XXVI Генеральная конференция по мерам и весам одобрила определение килограмма, основанное на фиксации численного значения постоянной Планка. Оно вступило в силу 20 мая 2019 года.

10

Термоэлектрических нагревателей.

11

Постоянный ток, текущий в одном направлении, тоже создает магнитное поле, но постоянное, то есть не меняющее направления. А переменный ток создает переменное магнитное поле.

12

Слово «индукция» произошло от лат. inductio («наведение»), и электромагнитной индукцией называют явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике при прохождении через него магнитного потока, изменяющегося со временем. Здесь же речь идет о магнитной индукции – векторной величине и силовой характеристике магнитного поля.

13

Химическая реакция между аминокислотами и сахарами, которая происходит при жарке мяса или выпечке хлеба. Однако механизм реакции был описан не ее первооткрывателем, Луи Камилем Майяром, в 1910-х годах, а американским химиком Джоном Эдвардом Ходжем в 1953 году.

14

Переваренная карамель немного горчит. Ее всегда лучше недоварить, чем переварить.

15

В 1878 году британец Джозеф Суон запатентовал лампу с угольным волокном, а в 1879 году аналогичный патент получил американец Томас Эдисон. Некоторое время эта лампа носила название «лампа Эдисона – Суона».

16

Инженеры замедляют ход атомных часов перед их запуском, так что, будучи на своих орбитах, они идут с той же скоростью, что и эталонные атомные часы на наземных станциях GPS.

17

Данные актуальны на 2012 год.

18

В качестве кристалла используется монокристалл натурального или синтетического кварца. Он вырезается из массы кристалла под определенным углом относительно его кристаллографических осей. Кварцевый срез снабжают электродами и помещают в стеклянный или металлический корпус.

19

Часы реального времени (англ. Real Time Clock) – электронная схема, предназначенная для учета хронометрических данных. У них есть автономный источник питания.

20

Нетканым флис стал позже. Нетканые текстильные материалы – это материалы из волокон или нитей, соединенных между собой без применения методов ткачества, например термическим или химическим способом.

21

В 1901 году немецкий ученый Давид Хениг совершенно правильно отмечал, что интенсивность ощущения вкуса в различных областях языка в целом одинакова. Господствующая же по сей день версия родилась из некорректного перевода труда Хенига на английский язык психологом Гарвардского университета Эдвином Борингом.

22

Осмидроз – так в медицине называют выделение пота с неприятным запахом.

23

На самом деле Эдисон не является даже автором идеи электрического стула, но он активно подключился к работе комиссии, созданной в 1886 году для исследования вопроса «о наиболее гуманном способе приведения в исполнение смертных приговоров», поставив в своей лаборатории множество экспериментов.

24

Искровой промежуток – воздушный промежуток, разделяющий электроды в установках высокого напряжения.

Content

Марти Джопсон
Всё о науке за 60 минут

Предисловие

01 Наука о питье и пище

Самая сладкая вещь

Легкий и воздушный пирог

Секрет яичного белка

Копченый – (не) значит готовый

Холодный каравай – черствый каравай

Острее острого

Слезливая тема лука

02 Что в сердце кухонных наук

Изобретение, изменившее нашу кулинарию

Великая путаница единиц измерения энергии

Капающий чайник

Кухонные весы и килограмм

Кулинария в союзе с наукой

Долой мифы о микроволновке

Несовершенный тостер

Загадка кофейного кольца

Как необычность льда спасла цивилизацию

Чудесный насос восковой свечи

03 Чудеса науки в домашнем быту

Прогресс технологии освещения

Слинки – шагающая игрушка

Машины, которые видят в темноте

Изготовление одностороннего зеркала

Исчезая в сливном отверстии по часовой или против

Эйнштейн, теория относительности и ваш смартфон

Тление и горение – разные предпочтения датчиков дыма

Исчезающий транзистор и закон Мура

Вибрирующие кристаллы в ваших часах

Когда батареи умирают

Долгоживущие мыльные пузыри

И для бутылок, и для одежды

Безусадочная шерсть

Свежий воздух действительно полезен для нас

04 Все своеобразие человека и наука о нас

Совершенно безвкусные мифы

Хруст костяшек и 50-летний эксперимент

Экстрасенсорное восприятие

Химическое жонглирование волосами

Сверхпрочные зубы с фторидом

Ванна с эффектом чернослива

Насколько холодные у вас пальцы ног?

Можно ли вспомнить сон?

Запах пота

Как вырастить новую конечность

05 Наука в окружающем нас мире

Драгметаллы на дорогах

Почему лед скользкий?

Метаморфозы электричества

Электризация автокресел

Поддержание теплицы в тепле

Обдув холодным воздухом

Бумеранги всегда возвращаются

06 Садовая наука: дикая природа на пороге

Клей, который заставляет яблоко хрустеть

Компостирование отходов

Световая приманка

Тень от дерева

Может ли паук поймать самого себя?

Этот невозможный газон

Цвета осени

«Лунатики» и звук грома вдалеке

Моя радуга – не твоя

Благодарности

Примечания