Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер Страница 12

Магнитные свойства всех материалов возникают из магнитных полей отдельных атомов – атомных спинов. Само слово «спин»[17] указывает на происхождение этих полей: при вращении электрически заряженного объекта вокруг него возникает магнитное поле. Тот спин, о которым мы говорим, представляет собой квантово-механическую величину, к которой трудно подобрать аналогии из повседневной жизни. Но в качестве запоминающейся иллюстрации вы можете представить себе, что спин атома возникает в результате того, что отрицательно заряженные электроны движутся по орбитам вокруг атомного ядра так же, как Луна вокруг Земли. Движущийся по круговой траектории электрический заряд порождает магнитное поле (на этом принципе основаны электромагниты, в которых магнитное поле создает электрический ток, текущий по спиральной проволочной обмотке).

Ферромагнетизм уникален среди трех типов магнетизма тем, что это чисто эмерджентное свойство: оно появляется только из-за магнитного взаимодействия многочисленных спинов, приводящего к их ориентации в одном и том же направлении. Напротив, парамагнетизм и диамагнетизм можно понять из модели, в которой спины всех атомов ведут себя независимо друг от друга; их общее поведение представляет собой всего лишь сумму составляющих и не более того. По этой причине кое-кто утверждает, что только ферромагнетики – это истинное состояние материи, а остальные два типа таковыми не являются. Лично я считаю такое разделение слишком строгим. Одна из причин, по которым я так думаю, связана с тесным родством между механизмом превращения ферромагнетиков в парамагнетики и механизмом превращения жидкой воды в газ. Такие преобразования не менее важны, чем сами состояния.

Фазовые переходы

Ближайшим аналогом четырехчастного деления природы по Эмпедоклу в древнекитайской философии была концепция у-син, которая выделяла пять элементов: дерево, огонь, землю, металл и воду. Во времена появления у-син были известны пять планет, и число 5 вошло во многие классификации. Было пять направлений (север, юг, восток, запад, центр), пять основных цветов (черный, красный, яшмовый, белый желтый), по одному типу чая на каждый цвет и пять тонов пентатонической музыкальной гаммы[18]. Название «у-син» точнее переводится как «пять движений», и изначально оно относилось именно к перемещениям планет среди неподвижных звезд. То обстоятельство, что переходам между состояниями придавалось не меньшее значение, чем самим состояниям, очень важно. Изменения состояния материи называются «фазовыми переходами». Фазы вещества – это обозначение чуть более конкретное, чем его состояния. Например, лед может содержать несколько разных структур атомного масштаба. Это и есть разные фазы, но все они относятся к твердому состоянию. В настоящее время известно восемнадцать кристаллических фаз льда и одна аморфная фаза. Как фазы, так и состояния соединяются фазовыми переходами. Рассмотрим эти явления более подробно на примере воды и ее превращения в пар.

Хотя вода хорошо нам знакома, она остается веществом весьма волшебным, многие проявления которого мы пока не можем объяснить. Например, сонолюминесценция – это эффект возникновения света из мельчайших пузырьков воздуха в воде при их схлопывании под воздействием звуковой волны. Установившегося общего мнения о том, как или почему это происходит, до сих пор нет. Или же можно взять эффект Мпембы. В 1960-х годах, когда физик Денис Осборн посетил школу в Танганьике, в которой учился тринадцатилетний Эрасто Мпемба, тот спросил, почему вода, нагретая до 100 °C, замерзает быстрее, чем такой же объем воды при 35 °C, если и ту и другую воду поместить в морозильную камеру. Одноклассники и учителя подняли его на смех, но Осборн проверил это утверждение на опыте, который, как ему показалось, подтвердил его справедливость. В 1969 году Осборн и Мпемба опубликовали статью об этом явлении. Общепринятого объяснения механизма этого явления у нас тоже нет; идут споры о том, в самом ли деле оно существует и не является ли этот эффект следствием недостаточного учета других факторов: например, того обстоятельства, что горячая вода сильнее испаряется, и замораживается меньшее ее количество.

Вода обладает множеством странных свойств. Это единственное химическое вещество, которое может существовать в нормальных условиях в виде твердого вещества, жидкости и газа. Другое необычное свойство состоит в том, что вблизи температуры замерзания жидкая вода плотнее, чем твердая: именно поэтому лед плавает, а не тонет. Благодаря этому странному свойству вода у дна водоемов не замерзает, что позволяет рыбам переживать зиму. Если бы у воды не было этого свойства, мы, возможно, не могли бы удивляться его необычности, просто потому что не существовали бы. В общем, переходы из твердого состояния в жидкое не так просты.

Но непросты и переходы из жидкости в газ. Воздух, как и вода, одновременно знаком и загадочен. (Разумеется, газообразная форма воды – это на самом деле не воздух, а пар, то есть воздух, содержащий высокоэнергетические молекулы воды.) Большинством замечательных свойств воздуха в большей или меньшей степени обладают и другие газы, но, поскольку воздух повсеместно присутствует на Земле, именно этот газ используется в большинстве практических приложений. Главным среди его необычных свойств является его невероятная теплоизоляционная способность: одежда согревает благодаря заключенному в ней воздуху; волосяной покров тела создает теплоизолирующий слой воздуха, который позволяет нам выживать в Арктике или сидеть в сауне; пенистые термоизоляционные материалы, используемые в строительстве, тоже работают, удерживая воздух. Вы и сами могли самостоятельно убедиться в превосходных теплоизоляционных свойствах воздуха, если когда-либо слишком долго держали зажженную спичку: вы не ощущаете жар пламени, пока оно не окажется в каком-нибудь миллиметре от вашего пальца. Доминик заметила одно из проявлений магии воздуха, сидя рядом со мною, когда я писал эту книгу. Она попыталась подогреть на плите кружку с чаем, но обнаружила, что вогнутое дно кружки мешает эффективному нагреванию на плите. Однако потом мы поняли, что кружка сделана такой специально и эта особенность полезна. Все кружки имеют вогнутое снизу дно, под которым остается воздух, изолирующий содержимое кружки от поверхности, на которой она стоит (и обычно не дающий этому содержимому остыть). Именно поэтому след, который остается от кружки на столе, имеет форму кольца, а не диска[19]. Яснее всего эта способность воздуха проявляется в аэрогеле – искусственном твердом веществе, почти полностью состоящем из воздуха. Есть знаменитая фотография, на которой цветок лежит на пластинке из аэрогеля толщиной около миллиметра над синим пламенем: цветок остается невысохшим. Кроме того, аэрогель невероятно легок, прозрачен и способен выдерживать вес, во