Текст книги "Возвращение чародея"

Автор книги: Владимир Келлер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 16 страниц)

Газообразное – третье состояние вещества

Не задумывались ли вы когда-нибудь над тем, какое состояние вещества для нас всего важнее? Почти все, кому я задавал такой вопрос, прося ответить не подумав, ответить сразу, ошибались. Потом лишь, в следующий момент спохватывались: «Газ, конечно!»

Да, безусловно, газ. Живем мы на твердом веществе, живем у жидкого (даже то, что едим, на 90 процентов состоит из воды), но всего важнее для нас третье состояние вещества, потому что мы живем в нем.

Если рыб называют морскими существами, кротов – земляными, то было бы вполне естественно применять иногда к человеку определение «существо воздушное». Воздух – наша стихия, без него нам не прожить и десяти минут.

Мы живем на дне чудесного океана, прозрачность которого, бывает, вводит в заблуждение наивных: не сразу соглашаются, что он тяжел. А он весит, как мы говорили, 5000 триллионов тонн. И он фантастически глубок, по последним данным – до 3000 километров.

Мы уже говорили о некоторых отличиях газообразных стихий от твердых тел и от жидкостей. Назовем еще одно: молекулы твердых тел и жидкостей – каждые в своей среде – вплотную прижимаются одна к другой. Совсем иное у газов. Плотность газа, находящегося под нормальным атмосферным давлением, примерно в 100 раз меньше. Это значит, что средние расстояния между молекулами газа очень велики. Чтобы столкнуться с другой молекулой, газовая молекула должна пройти расстояние, во много раз превышающее собственный размер. Частицы газа «живут» куда обособленнее частиц жидкостей и твердых тел.

Примерно 300 лет назад английский физик и химик Роберт Бойль (1627–1691) и независимо от него французский аббат Мариотт (1600–1684) открыли очень важный газовый закон, который с тех пор называется законом Бойля – Мариотта; читается он так:

Объем данной массы газа обратно пропорционален давлению, если температура постоянна.

Или в несколько иной формулировке:

Произведение давления на объем есть величина, постоянная для данной массы газа при неизменной температуре.

Закон этот нашел широчайшее применение у всех, кто так или иначе соприкасается с необходимостью рассчитывать устройства, в которых происходят изменения давлений и объемов газов, например, при проектировании двигателей внутреннего сгорания или в вакуумной технике.

Другой, не менее важный закон в области газов был сформулирован итальянским физиком Амедео Авогадро (1776–1856). Закон этот читается так:

В равных объемах любых двух газов, находящихся при одних и тех же давлении и температуре, содержится одинаковое число молекул.

Выходит, что отношение масс двух газов одинаковых объемов при одинаковых давлениях и температуре равно отношению их молекулярных весов. Законом Авогадро воспользовались, чтобы получить таблицу отношений атомных масс. Отношение масс атомов кислорода и водорода равно 16 : 1,008. И вот ученые договорились считать атомный вес кислорода в точности равным 16. В таком случае молекулярный вес кислорода (молекула кислорода состоит из двух атомов) равен 32, а вес молекулы водорода – 2,016. Они договорились также ввести новую единицу массы для каждого вещества: граммолекулу, или моль.

Граммолекулой, или молем, называется количество вещества, масса которого в граммах равна молекулярному «весу».

Выходит, например, что одна граммолекула водорода равна 2,016 грамма.

Число молекул в одной граммолекуле всегда одно и то же, независимо от вещества. Когда это число подсчитали, оказалось, что оно равно: N= 6,02·10 ²³.

Величину  Nназвали «числом Авогадро».

По закону Авогадро, 1 граммолекула любого газа занимает один и тот же объем при одинаковых давлениях и температуре. При температуре 0 градусов и давлении 1 атмосфера объем граммолекулы получается равным 22,4 литра.

Плазменное – четвертое состояние вещества

Возьмем металлическое тело, скажем пулю, и, положив ее в жароупорный тигелек, поставим тигелек в электропечь. Пройдет немного времени, и пуля расплавится, превратится в жидкость, вещество перейдет во второе состояние.

Но будем повышать нагрев. Если возможности печи позволят, металл в конце концов закипит и испарится. Вещество перейдет в свое третье состояние.

Ну, а если нагревать дальше? Что будет с газом, если его нагревать до 4, 5, 6 тысяч градусов?

Не так еще давно даже самые осведомленные физики на этот вопрос отвечали, что ничего особенного не произойдет. Газ просто нагреется сильнее, вот и все. Его молекулы приобретут высокую кинетическую энергию и станут еще быстрее метаться между стенками сосуда.

В таком ответе не было ничего удивительного. Люди не умели тогда получать особенно высоких температур и не могли знать, что будет с веществом, допустим, при 6000 градусов. В обычных топливных печах максимальная температура достигает только 2000, а в электрических – 3000 градусов.

Теперь положение изменилось. Даже в промышленных условиях добиваются иногда температур порядка 12 000 градусов. А физики по «добыванию» высоких температур превзошли пределы самых невероятных фантазий.

В Институте атомной энергии научным сотрудником М. С. Иоффе были произведены эксперименты, в которых удалось получить температуру для дейтерия 60 миллионов градусов – в три раза более высокую, чем в центре Солнца (по современным представлениям, температура в центре Солнца несколько менее 20 миллионов градусов). Академик Евгений Константинович Завойский добился еще более эффектных результатов: в своих опытах ему вместе с сотрудниками удалось нагреть потоки электронов до температуры свыше 100 миллионов градусов.

Сейчас уже известно точно: выше 6000 градусов газы, даже что ни на есть устойчивые, как бы испаряются.

Что же с ними происходит?

Когда при бешеных скоростях, вызванных сильным нагревом, атомы вещества сталкиваются один с другим, из них выбиваются электроны. Утрачивая часть электронов, атомы превращаются в положительные ионы, то есть в «осколки», заряженные положительным электричеством. Электроны, как известно, заряжены отрицательно. В результате получается смесь из отрицательных электронов, положительных ионов и не успевших «испариться» нейтральных атомов. Так как положительное электричество в такой смеси равно отрицательному электричеству, смесь в целом остается нейтральной. Но электроны сталкиваются между собой и с ионами и заставляют «испаренный газ» светиться (что бывает, впрочем, не всегда, а лишь при достаточном количестве частиц; если разрежение высокое, вещество может стать совсем невидимым).

Облако материи в таком особо возбужденном состоянии и называется плазмой. Открыл ее в 1920 году выдающийся индийский астрофизик Мег Над Сага.

Что плазма уже не газ, а качественно совсем иное, новое состояние вещества, ученые убедились довольно быстро.

Каждое состояние вещества имеет свои особые свойства, не похожие на свойства остальных состояний. Имеет их и плазма.

Свойства плазмы резко отличаются от свойств газа. Газ, например, – электрический изолятор. Плазма, хотя она в целом и нейтральна, как газ, наоборот, прекрасно проводит электрический ток. В отличие от металлов, которые проводят ток тем хуже, чем больше они нагреты, электропроводность плазмы растет с увеличением температуры.

Теория говорит, что при очень высокой температуре плазма практически должна обладать свойством сверхпроводимости, то есть ее электрическое сопротивление должно быть близко к нулю. Кроме того, плазма – идеальный проводник тепла, она – сверхтеплопроводящий материал.

В плазме очень много тепла, но есть и то, чего нет ни в одном теплоносителе, – порядок. Сильное магнитное поле, в котором добывается плазма, вносит в ее движение порядок, причем необыкновенный: винтовой, или иначе – гиротропный.

Острый интерес к плазме в наши дни вызван многими причинами. Первая, конечно, заключается в том, что, как оказалось, плазма гораздо больше распространена в природе, чем это можно было бы предполагать. Почти вся Вселенная состоит из плазмы. Из плазмы состоят Солнце, горячие звезды, туманности, межзвездный газ.

Выяснилось, что с плазмой люди имели дело задолго до ее открытия.

Вода начинает испаряться еще до того, как достигает температуры своего кипения. И плазма образуется не обязательно при температуре 6 и выше тысяч градусов. Она возникает, например, под воздействием сильного облучения газа рентгеновыми или ультрафиолетовыми лучами. Поместив газ в мощное электрическое поле, его также можно привести в состояние ионизации, частично обратить в плазму.

Слабо горит свеча. И все же ее пламя хоть в малой степени, но ионизировано. Это еще не настоящая плазма, но уже намек на нее. А вот ослепительный свет электрической дуга и мягкое свечение неоновой трубки прямо исходят от плазмы. Близко к настоящей плазме пламя сварочной горелки и форсунки дизеля, пламя в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Кратковременное плазменное состояние возникает в стволе орудия при выстреле. Вообще при всяком взрыве большой массы взрывчатого вещества происходит образование плазмы.

Плазма образует канал электрической искры и молнии. Ионизированные слои в атмосфере Земли состоят из плазмы. Полярное сияние есть не что иное, как свечение ионизированного газа, то есть тоже плазмы.

Юрий Гагарин совершил свой подвиг буквально в объятиях плазмы. Когда космический корабль «Восток», взметнувшись с площадки космодрома, с грохотом пробивал плотные слои атмосферы, сопла ракетного двигателя извергали плазму.

Плазма широко распространена повсюду, но, пожалуй, еще сильнее привлекает она внимание ученых своими возможностями для техники будущего.

Плазма – самое перспективное состояние вещества для преобразования тепла непосредственно в электричество. По-видимому, в безмашинных электростанциях будущего в движении будет находиться только плазма. Проходя между полюсами сверхмощных магнитов, потоки плазмы будут превращать энергию своего движения в энергию электрического тока.

Не за горами создание и космических кораблей с плазменными двигателями. С такими двигателями, выбрасывающими реактивную плазменную струю со скоростями в десятки или даже сотни тысяч километров в секунду, можно отправиться на исследование самых далеких планет Солнечной системы.

Весной 1965 года советские ученые провели первые успешные испытания плазменных двигателей в космических условиях – на борту космического корабля «Зонд-2».

Велики перспективы плазмы и в области управляемых термоядерных реакций. Академик Л. Н. Арцимович считает даже, что это важнейшая задача плазмы. Он писал:

«Физика плазмы не относится к магистральным направлениям науки, но тем не менее за последнее десятилетие она разрабатывается весьма интенсивно, так как с ней связаны надежды на решение задач исключительного перспективного значения. Первое место среди них занимает общеизвестная проблема управляемого термоядерного синтеза, решение которой должно полностью устранить угрозу энергетического голода на нашей планете».

Волшебный вкус квинтэссенции

Итак, четыре состояния вещества – твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Совсем, как древнегреческие четыре стихии – земля, вода, воздух, огонь. Как вновь и вновь не вспоминать знаменитые слова Ф. Энгельса о философии античной Греции: «В ней имеются в зародыше все позднейшие типы мировоззрения».

Человек правильно видит природу.Мы могли бы проиллюстрировать эту мысль и еще на одном примере: на учении Аристотеля о квинтэссенции.

Мы называем квинтэссенцией самое отборное, наилучшее; для нас это слово – синоним тончайшего и ценнейшего в предмете. Буквально здесь не так, но по существу совпадает со смыслом, вложенным в это слово его изобретателем.

Понятие «квинтэссенция», буквально «пятая сущность», было придумано в развитие Эмпедоклова учения о четырех стихиях. По Аристотелю, квинтэссенция – сущность, примиряющая противоречивые качества вещей. А ведь такая сущность действительно самое тонкое и важное в предмете: это следующий шаг, это новые поиски и находки. В квинтэссенции затаена идея прогресса: во все времена движение вперед начиналось с попыток примирить противоречия.

Есть своя квинтэссенция и в современных представлениях о различных состояниях вещества. Что же она примиряет?

Вот противоречие номер один: плотность и очень высокая температура. Не только у человека несведущего, но и у знающего физику легко (и обоснованно) может сложиться впечатление, что в общем-то эти свойства тел взаимно отталкиваются друг от друга. В практике людей максимальной плотностью обладают твердые тела. Если последние нагревать, то связи между молекулами (а потом и внутри них) станут ослабевать и вещество будет переходить во все менее плотные состояния.

Теоретические исследования внутреннего строения звезд, однако, показали, что высокие температуры прекрасно уживаются с высокими плотностями материи.

Существуют, например, так называемые белые карлики – слабо светящиеся, медленно угасающие звезды. Они невероятно плотны. 1 кубический сантиметр вещества такого небесного тела может весить тонны и даже около 100 тонн. Это во много раз плотнее вещества Солнца, 1 кубический сантиметр которого (в центре Солнца) весит всего 100 граммов.

Из-за своей огромной массы и сравнительно небольших размеров белый карлик обладает гравитационными полями (полями тяжести) в сотни тысяч и в миллионы раз большими, чем поле Земли. Поэтому поверхность такой звезды представляет собой почти идеальную сферу: горы на ней не могут быть выше нескольких миллиметров, а атмосфера – нескольких метров.

Огромная сила тяжести сжимает умирающую звезду, и та с последними вздохами своей жизни необычайно вдруг разогревается – до миллиардов градусов. Но это только ускоряет ее гибель. «Значительное повышение температуры в ее недрах до нескольких миллиардов градусов, – говорила по этому поводу профессор Алла Генриховна Масевич, – может привести к интенсивному образованию пар нейтрино – антинейтрино (элементарные частицы, свободно пронизывающие даже самые плотные небесные тела. – В. К.), которые, быстро уходя из звезды, уносят с собой большое количество энергии. В результате возможно практически „мгновенное“ охлаждение центрального ядра».

Совокупность высоких плотностей с большими температурами находится и у нас под ногами – в недрах нашей собственной планеты. Вулканический жар (возможно до 3000–4000 градусов) и давления, как полагают, превышающие 3000 тонн на квадратный сантиметр, – такова обстановка, отдаленная от нас примерно на 6370 километров. Это центр Земли. На реактивном самолете мы долетели бы до него за 7 часов, а чудес, с которыми там встретились бы, оказалось, пожалуй, побольше, чем на Луне.

Известный английский ученый профессор Артур Кларк (специалист по космосу и… морю, – бывает же такое сочетание! Сюда надо прибавить и умение писать прекрасные научно-фантастические романы) высказывает предположение, что в центре Земли может находиться что-нибудь такое, что мы захотим не только увидеть, но и потрогать. «Может быть, там есть вещества, столь плотные под влиянием сверхдавления, что обычные скальные породы для них менее плотны, чем для нас воздух», – говорит Кларк.

А ведь гранит только в 2000 раз плотнее воздуха, в то время как разрозненная материя в центре «карликов» в миллионы и даже в 10 миллионов раз плотнее гранита. В одном из своих произведений («Внутренние огни») Кларк писал о гипотетических существах из сверхуплотненной материи, которые могли бы плавать в недрах нашей Земли, как рыба в море. Правда, потом он сказал: «Надеюсь, что никто не воспринял эту идею серьезнее, чем я сам, – однако добавил: – Но эта фантазия может нас подготовить к тому, чтобы принять почти столь же поразительную и значительно более хитроумную действительность».

Итак, большие плотности согласуются с большими температурами и подводят человеческую мысль к массе необычных и неожиданных ситуаций. Но мысль никогда не довольствуется достигнутым пределом. Человек не просто тянется к Неведомому, а тем сильнее, чем оно дальше и недоступнее.

Еще до последних открытий в астрономии было высказано допущение, что в космической целине встречаются условия, при которых вещество сжимается до давлений в миллиарды раз более высоких, чем в белых карликах.

В 30-х годах советский физик Лев Давидович Ландау сделал расчеты, из которых вытекало, что если вещество сжать до очень высоких давлений, то электроны, содержащиеся в нем, могут, ломая и круша структуру, вдавиться в атомные ядра. Соединяясь там с положительно заряженными частицами – протонами, они превратят их в не имеющие электрического заряда нейтроны. В результате обычное вещество перейдет в новое – нейтронное – состояние.

1 кубический сантиметр такого вещества должен весить не менее миллиона тонн!

Но существуют ли реально нейтронные звезды? Ряд косвенных соображений позволяет ответить на вопрос «да». Окончательный ответ, однако, пока не получен и, естественно, не может быть получен быстро, потому что, если нейтронные звезды существуют, их трудно наблюдать: вследствие своих сверхвысоких плотностей они должны быть очень маленькими.

Сопоставление других противоположностей – вещества, состоящего из частиц с зарядами (электрическими и другими) тех знаков, которые они имеют в нашей части мира, и так называемого антивещества, то есть вещества из частиц с зарядами противоположных знаков, – отличительная особенность другого теоретического предположения.

Директор Бюраканской обсерватории в Армении академик Виктор Амазаспович Амбарцумян и один из его помощников, профессор Г. С. Саакян, высказались за возможность существования наряду с нейтронными еще более тяжелых и плотных так называемых гиперонных звезд.

Ученые считают так: если быстрое сжатие сопровождается дополнительным очень сильным разогревом, то в веществе могут образоваться в больших количествах попарно частицы вещества и антивещества (частицы и античастицы). Эта смесь напоминает плазму тем, что содержит равное число частиц с противоположными свойствами, поэтому ее назвали «эпиплазма» (по-гречески «эпи» – «после»): «послеплазма», «сверхплазма».

Известно, что в обычных условиях смесь вещества и антивещества мгновенно взорвалась бы с чудовищно большим выделением энергии. Почему же не взрывается эпиплазма? От взрыва некоторое время ее удерживают очень высокая температура смеси, а также исключительно могучие силы притяжения. Тем не менее и в этих условиях эпиплазма очень неустойчива, и при несимметричном ее расширении, когда в каких-то ее частях вдруг образуется «слабинка» – недостаточно могучие силы притяжения и температуры, – может произойти страшный взрыв.

Существует гипотеза, согласно которой примерно 10 миллиардов лет назад все вещество окружающих нас галактик было сжато до огромной плотности и находилось в нейтронном состоянии. Затем при расширении нейтронное вещество превратилось в современную, менее плотную плазму.

Согласно другой гипотезе, нейтронные звезды – результат огромных катастроф, взрывов донейтронного вещества, известных как вспышки так называемых сверхновых звезд.

Приняв во внимание современные гипотезы о существовании сверхплотных звезд, составим следующую сравнительную таблицу плотности некоторых веществ:

Плотность некоторых веществ

Советский физик профессор Давид Альбертович Франк-Каменецкий полагает, что если существование нейтронного вещества и эпиплазмы подтвердится, то нейтронные звезды надо отнести к образованиям вещества в «пятом состоянии», а эпиплазму именовать «шестым состоянием» вещества.

Он предлагает признать еще и «седьмое состояние» вещества – состояние поля излучения, иначе говоря то, что часто называют «физическим вакуумом».

Не знаю, как к этому отнесутся в будущем. Но если уж именовать особыми состояниями вещества разные его формы, имеющие какие-то резкие отличия друг от друга, то надо бы закрепить один из номеров за «веществом живых организмов». Уж где-где, а здесь отличительных свойств хоть отбавляй.

Здесь примиряются такие крайние противоречия, как стремление любойматерии (в том числе и той, естественно, из которой состоят тела человека и животных) к «энергетическому рассеянию», к беспорядку, с одной стороны, и стремление любого живого существа как-то преобразить, упорядочить для себя природу – с другой.

И в то же время все живые существа состоят из тех же самых химических элементов, из которых состоят звезды. В телах животных не обнаружено ни одного элемента, который не был бы отмечен в спектрах звездных атмосфер. Только почему-то процентное содержание простейших химических веществ в телах животных иное, чем в атмосфере Солнца и подобных ему звезд. Отличается оно и от распределения элементов у Земли в целом (считая, что внутри нее находится, как предполагают, железоникелевое ядро).

Вот как выглядит сравнение процентных содержаний химических элементов в теле человека и млекопитающих, в атмосфере звезд и в Земле в целом:

Распределение элементов в процентах

Учение о состояниях вещества далеко не завершено. Пожалуй, оно только начинает по-настоящему складываться. До сих пор нет еще полной ясности в том, что именно считать особым состоянием (считать ли, например, живое воплощение энного состояния или не считать?). Препятствует созданию учения сегодняшняя недоступность небесных масс, которые могли бы состоять из необычных для нас веществ.

Вторая трудность, впрочем, возможно, будет преодолена раньше. Как бы далеко ни заглядывал человек, но в конце концов находил искомое.