Жидкости
Шрифт:
Иными словами, она может взорваться.
При осмотре лаборатории я нашел много похожих прозрачных бесцветных жидкостей, большинство из которых невозможно было отличить друг от друга. Так, мы использовали в работе плавиковую кислоту, которая мало того что способна проесть себе дорогу сквозь бетон, металлы и плоть, но и является контактным ядом, подавляющим функцию нервной системы. У этого свойства есть одно коварное следствие: человек не чувствует, как кислота сжигает его. Случайный контакт, который легко не заметить, – и она будет постепенно проедать кожу.
Спирт тоже вполне укладывается в категорию ядов. Может быть, таковым он становится только в больших дозах, но в целом он убил намного больше людей, чем плавиковая кислота. Тем не менее он играет громадную роль в обществе и в самых разных культурах по всему земному шару. В разные эпохи его использовали как антисептик, противокашлевое средство, противоядие, транквилизатор и топливо.
Мы ощущаем физиологическое действие спирта, когда он всасывается в кровоток. Стук нашего сердца – постоянное напоминание о той роли, которую играет кровь в человеческом организме, и о том, что она должна непрерывно циркулировать в нем: мы живем благодаря мощи насоса, а когда перекачивание крови прекращается, умираем. Из всех жидкостей кровь, безусловно, одна из самых жизненно важных. К счастью, сердце сегодня можно заменить, шунтировать или починить как в теле, так и вне его. Саму кровь можно добавлять и извлекать, хранить, передавать от человека к человеку, замораживать и возвращать к жизни. И правда, если бы у нас не было запасов крови, то каждый год умирали бы миллионы людей, которые подвергаются хирургическим операциям, получают ранения в зонах боевых действий или попадают в автокатастрофы.
Но кровь может быть заражена инфекциями, такими как ВИЧ или гепатит, так что она способна не только исцелить, но и нанести вред. Значит, мы должны всегда учитывать ее двойственный характер (это верно и для всех других жидкостей). Важный вопрос не в том, можем ли мы доверять какой-то конкретной жидкости, хороша она или дурна, полезна или ядовита, вкусна или отвратительна; скорее в том, достаточно ли хорошо мы понимаем ее, чтобы использовать ее в своих интересах.
Нет лучшего способа проиллюстрировать мощь и радость от управления жидкостями, чем рассмотреть подробно те из них, с которыми мы имеем дело во время полета на самолете. Поэтому в книге речь пойдет о трансатлантическом перелете и всех тех странных и чудесных жидкостях, которые были в нем задействованы. Сам я летел потому, что умудрился не взорвать себя во время работы над диссертацией, но продолжил заниматься материаловедением и со временем стал директором Производственного института (Institute of Making) при Университетском колледже в Лондоне. Наши исследования посвящены, в частности, тому, как жидкости могут притворяться твердыми телами. Например, битумная основа, из которой делаются дороги, как и арахисовая паста, жидкость, хотя и твердая на вид. В связи с нашими исследованиями мы получаем немало приглашений на конференции по всему миру, куда приходится путешествовать на самолетах, и эта книга – рассказ об одном таком перелете из Лондона в Сан-Франциско.
Полет наш описан в книге языком молекул, сердечного ритма и океанских волн. Моя цель – раскрыть загадочные свойства жидкостей и показать, как мы научились полагаться на них. Маршрут наш пройдет над вулканами Исландии, замерзшими просторами Гренландии, россыпью озер вокруг Гудзонова залива, а затем повернет на юг вдоль побережья Тихого океана. Это достаточно разнообразный фон, чтобы поговорить о жидкостях в разных масштабах – от океанов до капелек в облаках, – рассмотрев параллельно занятные жидкие кристаллы в бортовой мультимедийной аппаратуре, напитки, предлагаемые стюардами авиалинии, и, конечно, авиационное топливо, которое позволяет удерживать самолет в стратосфере.
В каждой главе я рассматриваю отдельную часть полета и свойства жидкостей, которые сделали его возможным: в частности, их способности воспламеняться, растворяться или бродить и т. п. Я показываю, как капиллярное впитывание (поднятие), каплеобразование, вязкость, растворимость, давление, поверхностное натяжение и многие другие странные свойства жидкостей позволяют нам летать вокруг земного шара. Параллельно я рассказываю, почему жидкости текут вверх по стволу дерева, но вниз по склону холма; почему нефть липкая, как волны умудряются проходить такие расстояния, почему одежда сохнет, как жидкости могут быть кристаллами, как не отравиться при изготовлении самогона… и, возможно, главное: как приготовить чашку идеального чая. Так что приглашаю вас в этот перелет вместе со мной и обещаю необычное и чудесное путешествие.
Глава 1. Взрывчатые
Как только двери самолета закрылись и мы отъехали от зоны посадки аэропорта Хитроу, голос в динамиках объявил о начале предполетного инструктажа по безопасности.
– Добрый день, дамы и господа, мы приветствуем вас на борту нашего лайнера British Airlines, отправляющегося рейсом в Сан-Франциско. Перед отправлением просим вашего внимания. Наш экипаж в салоне расскажет о том,
Меня всегда смущает такое начало полета. Я убежден, что это фальшивка и предполетный инструктаж не имеет на самом деле никакого отношения к безопасности. Во-первых, в нем никогда не упоминаются десятки тысяч литров авиационного топлива на борту. Именно громадное количество энергии, заключенное в этой жидкости, позволяет нам летать; именно ее пламенная природа придает реактивным двигателям лайнера мощь и способность (в нашем случае) взять четыреста пассажиров в 250-тонном самолете, стоящем на полосе, и за несколько минут разогнать всё это до крейсерской скорости 900 км/ч и поднять на высоту 12 000 м. Потрясающая мощь этой жидкости питает самые безумные наши мечты. Она позволяет нам взмывать над облаками и достигать любой точки земного шара за несколько часов. Именно это вещество доставило первого космонавта планеты Юрия Гагарина на ракете в космос, и именно на нем работают ракеты последнего поколения компании SpaceX, которые выбрасывают спутники за пределы атмосферы. Это вещество называется керосин.
Керосин – прозрачная бесцветная жидкость, которая выглядит в точности как вода, и это сбивает с толку. Где же в ней вся эта скрытая энергия и мощь? Почему присутствие в этой жидкости громадного количества нерастраченной энергии не делает ее на вид, скажем, более густой и опасной? И почему ее никогда не упоминают во время предполетного инструктажа по безопасности?
Структура углеводородной молекулы керосина
Если включить увеличение и взглянуть на керосин на атомном уровне, то можно увидеть, что по структуре его молекула напоминает спагетти. Основа, «хребет» каждой нити состоит из атомов углерода, соединенных в цепочку, где каждый атом связан со следующим. К каждому атому углерода прикреплены два атома водорода (только на концах молекулы – по три). В таком масштабе отличить керосин от воды нетрудно. Вода не имеет нитевидной структуры, это скорее хаотичное скопление маленьких V-образных молекул (один атом кислорода связан с двумя атомами водорода, H2O). В таком масштабе керосин больше похож на оливковое масло, которое тоже состоит из спутанных нитевидных молекул на основе углерода. Но если в керосине нити больше напоминают спагетти, то в оливковом масле они ветвистые и перекрученные.
Поскольку молекулы оливкового масла имеют более сложную форму, чем молекулы керосина, им сложнее протискиваться друг мимо друга, поэтому и течь этой жидкости труднее – иными словами, оливковое масло отличается большей вязкостью, чем керосин. То и другое – масло, и на атомном уровне они выглядят похоже, но из-за структурных различий оливковое масло густое, а керосин льется совсем как вода. Это различие определяет не только вязкость этих масел, но и степень их воспламеняемости.
Персидский врач и алхимик ар-Рази в IX в. написал об открытии керосина в своей «Книге тайн». Он заинтересовался естественными источниками в своем регионе, из которых текла не вода, а густая черная едкая жидкость. В те времена это похожее на гудрон вещество брали из источников и использовали на дорогах, преимущественно как покрытие. Чтобы проанализировать черное земляное масло, ар-Рази разработал особые химические процедуры, которые мы сегодня называем перегонкой. Он нагревал масло и собирал газы, которые из него выделялись. Затем он вновь охлаждал их, после чего они превращались обратно в жидкость. Первые жидкости, которые он выделил таким образом, были желтыми и маслянистыми, но после многократной перегонки они становились светлым, прозрачным и свободнотекущим веществом. Так ар-Рази открыл керосин.
Он не мог знать подлинных масштабов всего того, что открытая им жидкость принесет в этот мир, но он знал, что она горюча и дает бездымное пламя. Сегодня это открытие может показаться тривиальным, но во всех древних цивилизациях проблема внутреннего освещения стояла очень остро. Самой сложной технологией того времени были масляные лампы, но до ар-Рази горящее в лампе масло давало едва ли не больше сажи, чем света. Бездымные лампы стали бы поистине революционным новшеством – настолько, что его важность увековечена в истории про Аладдина из «Сказок тысячи и одной ночи». Герой находит волшебный предмет – масляную лампу. Стоит потереть ее, и оттуда появляется могущественный дух. Духи часто встречаются в мифах того времени и описываются как существа, состоящие из бездымного пламени; джинн из сказки обязан исполнять приказы владельца лампы. Это колоссальная сила. Значимость новой открытой жидкости и ее способность давать бездымное пламя не могли ускользнуть от внимания алхимика ар-Рази. Почему же персы не начали пользоваться ею? Ответ отчасти связан с той ролью, которую играли оливковые деревья в их экономике и культуре.