Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

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.