Какого цвета вода?
Сегодня мы познакомим вас с книгой профессора Роберта Эль Вольке «Что рассказывал Эйнштейн своему парикмахеру?». Года полтора года назад в одной из передач «Читального зала» мы представили другую книгу этого американского учёного и популяризатора науки, которая называлась так же причудливо: «Откуда мыло знает, что такое грязь?» И в той, и в другой идёт речь о физических и химических явлениях, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Роберт Эль Вольке пользуется фантастической популярностью и в Соединённых Штатах, и в Германии года. Он очень понятно, доходчиво, в форме, доступной для любого человека, даже совершенно не разбирающегося в физических законах и химических формулах, остроумно объясняет природу этих явлений. Профессор Вольке отвечает на вопросы, которые мы обычно называем «детскими»: почему небо синее? почему вода мокрая? Или, например на такой:
В сводках погоды постоянно слышишь: температура – такая–то, влажность воздуха – 63 процента. А если влажность воздуха будет сто процентов, я что, утону?
Нет, конечно. И вот почему. Во-первых, надо подчеркнуть, что влажность воздуха – относительная величина. То есть когда называется конкретное число (скажем, 63 процента), надо знать, ОТ ЧЕГО 63 процента. Влажность воздуха – это отношение массы водяного пара, содержащегося в воздухе, к максимально возможной (насыщающей) его массе. То есть к той величине, при которой водяной пар начинает конденсироваться в виде капель: например, на листьях деревьев в субтропиках. Поэтому даже если влажность воздуха при обычной комнатной температуре (влажность меняется с температурой) достигнет ста процентов, то на каждую молекулу водяного пара всё равно будет приходиться сорок или даже пятьдесят молекул воздуха. Хватит для дыхания. И даже в парилке ещё никто не утонул от того, что вдыхал водяной пар. Обжечься – можно. Утонуть – нет.
Воде автор книги «Что рассказывал Эйнштейн своему парикмахеру?» вообще уделяет очень большое внимание. Понятно, почему: вода – источник жизни. Она составляет более половины массы человеческого тела. Около семидесяти процентов территории нашей планеты покрыто водой. Это, в общей сложности, миллиард миллиардов тонн. Словари и энциклопедии, написанные на самых разных языках, дают примерно одно и то же определение воды: это – бесцветная жидкость без запаха и вкуса.
Ну а почему же тогда вода в морях и океанах (причём, не только на географических картах и глобусах) – синего или голубоватого цвета? Не потому же, что в ней отражается небо?
Нет, не потому. У воды действительно голубоватый цвет. Причём для того, чтобы в этом убедиться, не обязательно смотреть на океаны из космоса. Стакана воды, правда, для этого маловато, но полной ванны или плавательного бассейна уже достаточно. Почему же вода – вовсе не бесцветная, а голубоватая или даже тёмно–синяя, как в океанах? Профессор Вольке так объясняет это. Когда дневной свет, который представляет собою сумму всех видимых цветов спектра, падает на поверхность воды и проникает в глубину её, молекулы воды поглощают определённые цвета. Это, прежде всего, оранжевый и красный. И в отражённом потоке света их уже нет или гораздо меньше. Поэтому вода в ванне кажется нам голубоватой.
Но океаны – эти не просто гигантские резервуары H2O, отличающиеся от наполненных ванн только количеством воды. Всё гораздо сложнее. В океанской воде, кроме соли и различных минеральных веществ, есть планктон (то есть бактерии, мельчайшие водоросли, простейшие микроорганизмы). Планктон, «взвешенный» в океанской толще, поглощает и отражает свет таким образом, что вода в океане принимает более глубокий, более тёмный оттенок синего цвета, чем вода в ванне.
Почему же тогда снег – белый? Ведь это – замёрзшая вода. Значит, снег должен был бы быть прозрачным или голубоватым...
Снег – белый, потому что нет такого цвета солнечного спектра, который бы он поглощал существенно интенсивнее, чем другие. Снег, в отличие от воды, отражает все цвета солнечного спектра. А вот чёрная поверхность, напротив, потому и чёрная, что она весь световой поток поглощает и практически ничего не отражает. С этой точки зрения чёрный, строго говоря, нельзя назвать цветом в физическом смысле. И именно чёрную, а не белую или прозрачную ткань надо было бы называть бесцветной.
Вот тут говорили о наблюдениях из космоса. И у меня такой вопрос. А наша планета сойдёт с орбиты, изменит траекторию своего движения, если все китайцы одновременно поднимутся на верхние ступеньки двухметровой лестницы и разом, по команде, спрыгнут на Землю?
Нет, ничего не изменится, разве что ноги у китайцев будут болеть. Собственно говоря, это не один вопрос, а два. Первый касается силы одновременного удара двух с половиной миллиардов ног. А второй: возможно ли вообще изменить движение Земли подобным толчком, если он будет достаточно сильным? На первый вопрос легко ответить. Если посчитать, что среднестатистический китаец весит 65-68 килограммов, и приравнять прыжок к свободному падению, то энергия этого коллективного удара будет составлять примерно полтора триллиона джоулей. Что соответствует энергии средненького землетрясения: силой около пяти баллов по шкале Рихтера. Такие землетрясения происходят на нашей планете уже миллионы лет и что-то не похоже, чтобы Земля скакала по орбитам.
Но дело даже не в этом. Какими бы сильными ни были землетрясения или коллективные синхронные прыжки с лестниц, изменить траекторию движения Земли они не могут. Наша планета упрямо вращается вокруг Солнца, потому что обладает определённым импульсом, то есть количеством движения, которое зависит от массы Земли и её скорости. Земля несёт на себе и нас, людей, независимо от того, стоим мы на лестницах или на тротуаре. Мы все вместе - составляющие одной массы, величина которой не меняется от того, взбираемся ли мы по ступенькам или прыгаем вниз. Скорость тоже, разумеется, не меняется, потому что все мы (в том числе и китайцы) летим в космосе вместе с нашей планетой с одной и той же скоростью. Ведь не меняется же скорость вашего автомобиля, если вы давите изнутри на ветровое стекло!
Кстати, об автомобилях. Если я буду нестись на моей машине со скоростью, превышающей скорость звука, я смогу в машине радио слушать?
Ну, если не принимать внимание, что при такой скорости водителю лучше не отвлекаться даже на любимые шлягеры (чтобы не попасть в аварию), то ответ будет очень простым: да, и при скорости, превышающей скорость звука, в машине можно слушать радио. Ведь и пассажиры сверхзвукового «Конкорда», летящего из Парижа в Нью–Йорк, тоже разговаривают между собой во время полёта. Было бы странно, если бы за такие бешеные деньги, какие заплачены за билет, людям пришлось бы ещё и молчать. Как же объясняется такой феномен? Очень просто. Хотя каждый из пассажиров «Конкорда», как и сам самолёт, летит со скоростью, превышающей скорость звука, но по отношению друг к другу они неподвижны. Вот если бы гипотетический сверхзвуковой автомобиль был открытым кабриолетом, в котором динамики были бы расположены сзади, то тогда вы бы ничего не услышали. Мелодия любимого шлягера по–прежнему плыла бы по направлению к вам всё с той же скоростью звука, но вот воздух – передающая среда акустических волн – летел бы в противоположном направлении быстрее. То есть мелодия шлягера никогда бы не достигла ваших ушей. Представьте себе гребущего против течения пловца, скорость которого меньше скорости течения, и вам всё сразу станет ясно.
А, скажем, корова, стоящая на обочине дороги, услышит такую «сверхзвуковую» машину?
Не сразу. Так как машина опережает собственный звук (будь то шум мотора, шуршание колёс или включённое в салоне радио), то даже в тот момент, когда автомобиль будет проноситься мимо, корова не услышит ничего. Лишь чуть позже. Сначала раздастся хлопок, означающий преодоление звукового барьера, а потом и всё остальное: шум мотора и так далее. Машины к тому времени и след простынет.
Интересная деталь. Существует распространённое заблуждение, что упомянутый хлопок раздаётся один–единственный раз: в тот момент, когда сверхзвуковой самолёт «пробивает» звуковой барьер. На самом деле речь идёт об аэродинамическом и акустическом феномене, который обычно определяют как «скачки уплотнения». Своеобразную ударную волну, вызванную резким уплотнением воздушной среды перед фюзеляжем и крыльями, самолёт несёт с собой, точнее – перед собой, как бульдозер – массу земли перед ковшом. То есть и хлопок самолёт, преодолевающий звуковой барьер, тоже несёт с собой. Этот хлопок движется по земле, как акустическая «тень» сверхзвукового лайнера, и люди, стоящие внизу вдоль трассы его полёта, услышат хлопок, когда самолёт будет пролетать над ними.
Между прочим, скорость звука – величина на самом деле не постоянная. Чем плотнее среда, в данном случае – воздух, тем быстрее распространяется звук. На уровне моря при температуре 27 градусов выше нуля скорость звука составляет больше 1500 километров в час, а при температуре ноль градусов – всего 1200 километров.
Давайте вернёмся из заоблачных высот на землю. Я сейчас, летом, часто хожу дома босиком. У меня в коридоре – ковровая дорожка. И когда я с неё вхожу в ванную, где на полу кафель, то ноги сразу начинают мёрзнуть. Я думала сначала: ну, понятно, кафель – холоднее, а в книге Вольке читаю, что ничего подобного. Как же так? Почему же тогда ноги мёрзнут?
Поверим профессору Питтсбургского университета и автору книги «Что рассказывал Эйнштейн своему парикмахеру?»: в данном случае кафельный пол в ванной комнате – той же температуры, что и пол во всей остальной квартире. Он только кажется более холодным. Так кажутся более холодными мраморная столешница или стальное лезвие ножа. В действительности же все предметы, которые находятся в вашей квартире достаточно долгое время, – одной температуры. Просто кафель на полу, мрамор и сталь намного лучше проводят тепло, чем ковровая дорожка. Теплообмен – это процесс переноса энергии к объекту, предмету, поверхности с более низкой температурой. И чем быстрее он происходит, тем сильнее вы его ощущаете. В комнате – градусов двадцать, ваша температура – 36,6, поэтому вы теряете тепло и тогда, когда ходите босиком по кафелю в ванной, и тогда, когда стоите на ковре или, скажем, на паркете.
Надо сказать, что тепло – в высшей степени относительное понятие. И кусок льда содержит определённое количество теплоты. С физической точки зрения речь идёт о хаотическом движении атомов, молекул... Но с чисто практической точки зрения понятия «тепло» и «холод» очень часто определяются в зависимости от конкретной ситуации, то есть являются субъективными понятиями. Поставьте на стол чашку горячего чая и стакан пива из холодильника. Через несколько часов их температура будет одинаковой – такой же, как и температура во всей квартире. И всё равно любой скажет: чай – холодный, а пиво – тёплое.