Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Итак, хотя твердые вещества нам знакомы, у них могут быть свои тайны. А как обстоит дело с остальными стихиями?

Жидкости, представленные в классических стихиях водой, неустойчивы к напряжению сдвига. Вспомним, как фокусник сдвигает карты с колоды: если бы колода была жидкой, она растеклась бы в лужу. В наномасштабе жидкость беспорядочна. Тем не менее жидкости, как и твердые вещества, обладают плотностью. Газы, которые в наборе классических стихий представляет воздух, тоже неустойчивы к напряжению сдвига, но, кроме того, у них в отличие от жидкостей нет постоянной плотности. Плотность газа зависит от массы составляющих его молекул. На этом основан фокус с левитацией, который я однажды видел в исполнении профессора Кари Дальноки-Вересса, называющего область своих исследований «хлюпающей физикой». Дальноки-Вересс сделал бумажный кораблик и поместил его в пустой аквариум. Как по волшебству, кораблик не упал на дно, а стал плавать по аквариуму, как если бы там была вода. На самом деле аквариум был наполнен ксеноном – невидимым газом тяжелее воздуха. Ксенон был настолько плотным, что бумажный кораблик оказался легче ксенона и плавал в соответствии с законом Архимеда. Затем Дальноки-Вересс показал еще один фокус – с превращением: он сделал свой голос неестественно низким. Если вдохнуть ксенон, голос становится ниже; точно так же, если вдохнуть гелий, который легче воздуха, голос становится выше. Чтобы показать этот фокус, профессору пришлось встать на голову, так как иначе тяжелый ксенон осел бы в его легких и задушил бы его.

Плазма, которую представляет огонь, отличается от газа тем, что она «ионизована»: некоторые из ее атомов и молекул стали ионами, то есть приобрели электрический заряд. Хороший повседневный пример плазмы дает огонь: поскольку в нем содержатся свободно движущиеся ионы, он естественным образом проводит электричество. Еще один неплохой повседневный (или по меньшей мере встречающийся несколько раз в год) пример плазмы – это молния. Она, несомненно, тоже электропроводна, хотя проверять это при помощи омметра бурной ветреной ночью может прийти в голову разве что совсем безумному ученому.

Хочется спросить, почему некоторые газы превращаются в плазму. Поскольку плазма менее знакома нам по опыту обычной жизни, нам кажется, что она требует более подробного разъяснения. На самом деле плазма – это самое распространенное состояние конденсированной материи во Вселенной; звезды представляют собой огромные шары плазмы. По сути, плазма возникает при высоких энергиях, когда атомы возбуждаются настолько, что теряют электроны. Вообще говоря, при переходе от низкой энергии к более высокой материя преобразуется в следующей последовательности: земля – вода – воздух – огонь. В качестве аналогии можно представить себе сборище волшебников: при низкой энергии все они сидят и серьезно беседуют о важных материях, как атомы твердого вещества. Но тут среди них начинает ходить слух о только что открытом новом заклинании. Волшебники начинают бродить по залу, что-то бормоча себе под нос, – как атомы жидкости. Слух обрастает подробностями: говорят, что было открыто очень важное заклинание; волшебники начинают возбужденно подпрыгивать и бегать кругами, спрашивая друг друга, о каком именно заклинании идет речь. Их быстрые движения напоминают поведение атомов газа. Наконец слух подтверждается: обнаружено долгожданное заклинание, которое позволяет волшебнику найти потерявшуюся шляпу, – возможно, самое желанное заклинание за всю историю колдовства! Волшебники впадают в неистовство и носятся туда и обратно, как атомы плазмы, подбрасывая в воздух свои шляпы и теряя их.

Какая из классических стихий соответствует металлам? Тот факт, что при нормальных условиях металлы по большей части находятся в твердом состоянии, заставляет подумать о земле. Но они к тому же проводят электричество, что напоминает об огне. Если перевести эти рассуждения из древних терминов в современные, оказывается, что приблизительно так дело и обстоит. Металлы – твердые вещества, но их атомы образуют связи друг с другом, высвобождая по одному или нескольку электронов. При этом они становятся положительно заряженными ионами, неподвижными среди плазмы свободно движущихся отрицательных зарядов. Значит, плазма встречается чаще, чем кажется на первый взгляд, и для ее существования не требуются ни огромные энергии, ни высокие температуры.

Оказывается, четыре классические стихии, взятые вместе, на удивление хорошо соответствуют состояниям материи, которые мы наблюдаем вокруг себя, – коллективному поведению, возникающему из взаимодействия атомов. Но на самом деле состояний гораздо больше, чем четыре, и с некоторыми из них мы хорошо знакомы.

Пятый элемент