Марк Медовник - Жидкости

Он не мог знать подлинных масштабов всего того, что открытая им жидкость принесет в этот мир, но он знал, что она горюча и дает бездымное пламя. Сегодня это открытие может показаться тривиальным, но во всех древних цивилизациях проблема внутреннего освещения стояла очень остро. Самой сложной технологией того времени были масляные лампы, но до ар-Рази горящее в лампе масло давало едва ли не больше сажи, чем света. Бездымные лампы стали бы поистине революционным новшеством — настолько, что его важность увековечена в истории про Аладдина из «Сказок тысячи и одной ночи». Герой находит волшебный предмет — масляную лампу. Стоит потереть ее, и оттуда появляется могущественный дух. Духи часто встречаются в мифах того времени и описываются как существа, состоящие из бездымного пламени; джинн из сказки обязан исполнять приказы владельца лампы. Это колоссальная сила. Значимость новой открытой жидкости и ее способность давать бездымное пламя не могли ускользнуть от внимания алхимика ар-Рази. Почему же персы не начали пользоваться ею? Ответ отчасти связан с той ролью, которую играли оливковые деревья в их экономике и культуре.

В IX в. персы заливали в лампы оливковое масло. Там прекрасно росли устойчивые к засухе оливковые деревья, плоды которых можно было использовать для производства масла. Примерно из двадцати оливок получалась чайная ложка масла, на которой типичная для того времени масляная лампа могла целый час гореть и давать свет. Так что, если средней семье требовалось пять часов света каждый вечер, она должна была тратить по сто оливок в день — или примерно тридцать шесть тысяч в год на каждую лампу. Чтобы производить достаточно масла для освещения империи, персам нужно было много земли и времени: оливковые деревья, как правило, первые двадцать лет не дают плодов. Кроме того, приходилось защищать свои земли от всякого, кто мог покуситься на этот ценный ресурс, — а значит, нужны организованные города, которые требовали еще больше оливок, чтобы масла хватало всем и для приготовления пищи, и для освещения домов. Чтобы содержать армию, надо было платить налоги, в Персии это зачастую означало передачу правительству определенной части полученного с урожая оливкового масла. Сами видите: оливковое масло играло центральную роль в обществе и культуре Персии, как и других ближневосточных цивилизаций, пока им не удавалось найти альтернативный источник энергии и налоговых поступлений. Эксперименты ар-Рази доказали, что он буквально под ногами, но там ему и суждено было оставаться еще тысячу лет.

Копия древней масляной лампы, использовавшейся во времена ар-Рази

Тем временем масляные лампы развивались. Конструкция IX в. кажется простой, но на самом деле она замечательно хитроумна. Представьте себе чашу с оливковым маслом. Если вы просто попытаетесь поджечь его, то обнаружите, что это сложно. Оливковое масло имеет очень высокую точку возгорания — температуру, при которой оно начинает спонтанно реагировать с кислородом воздуха и вспыхивает. Для оливкового масла она составляет 315 °C. Вот почему готовить на нем так безопасно. Если случайно разлить его на кухне, оно не загорится. Кроме того, чтобы зажарить большинство продуктов, достаточно довести их до температуры около 200 °C, что всё еще на сто градусов ниже точки возгорания оливкового масла. Поэтому, когда на нем готовишь, масло практически не горит.

Но при температуре 315 °C ваш горшок с оливковым маслом ярко вспыхнет, испустив много-много света. Мало того что это невероятно опасно, так и пламя быстро потухнет; оно очень скоро поглотит всё топливо. Возможно, вы подумали: наверняка есть лучший способ жечь оливковое масло для освещения. Вы правы. Если взять кусок веревки и погрузить его в масло, оставив кончик торчать над поверхностью, а затем поджечь, на конце веревки возникнет яркий огонек, а весь горшок нагревать не придется. Горит при этом не веревка, а масло, выступающее на ней. Это весьма изобретательно, но дальше еще лучше. Если оставить веревку гореть, то окажется, что пламя не спускается по ней в масло — наоборот, масло взбирается по ней и вспыхивает только после того, как доберется до самого верха. Такая система способна поддерживать горение часами — ровно до тех пор, пока в чаше есть масло. Всё дело в процессе, который называется капиллярным поднятием и кажется чудесным: масло, оказывается, способно преодолевать тяготение и двигаться независимо. Но на самом деле это базовое свойство жидкостей, возможное потому, что они обладают так называемым поверхностным натяжением.

Способность течь придает жидкостям их структура: это промежуточное состояние между хаосом газов и молекулярной решеткой твердых тел. В газах молекулы обладают достаточной тепловой энергией, чтобы отрываться друг от друга и двигаться независимо. Это придает им динамичность — они расширяются, пока не займут весь свободный объем, — но в них нет почти никакой структуры. В твердых телах сила притяжения между атомами и молекулами намного превышает их тепловую энергию, заставляя их держаться вместе. Поэтому у твердых тел жесткая структура, но малая автономность молекул: когда вы берете со стола чашу, все ее атомы движутся вместе, как единый объект. Жидкости — промежуточное состояние между тем и другим. У атомов в них достаточно тепловой энергии, чтобы разорвать некоторые связи с соседями, но недостаточно, чтобы разорвать их все и стать газом. Они заперты в жидкости, но способны свободно двигаться в ее пределах. Это форма материи, в которой молекулы свободно плавают, образуя и разрывая связи друг с другом.

Среда, в которой существуют молекулы на поверхности жидкости, отличается от той, в которой существуют молекулы внутри ее. Молекулы на поверхности не окружены со всех сторон другими молекулами той же жидкости и поэтому образуют в среднем меньше связей, чем те, что находятся в толще жидкости. Неуравновешенность сил между поверхностью жидкости и ее толщей порождает напряжение — силу поверхностного натяжения. Она очень невелика, но достаточна, чтобы противодействовать силе тяготения для небольших объектов. Вот почему некоторые насекомые способны гулять по поверхности водоемов.

Водомерка на поверхности воды. © Alice Rosen

Посмотрите внимательно, как водомерка «ходит» по воде, и вы заметите, что та отталкивает ножки насекомого. Причина в том, что поверхностное натяжение между водой и ножками насекомого порождает силу отталкивания, которая противодействует тяготению. Некоторые виды взаимодействия жидкости и твердого тела имеют противоположный результат: они порождают силу молекулярного притяжения. Это относится, в частности, к воде и стеклу. Если взять в руку стакан с водой, можно увидеть, что ее край у границы со стеклом слегка приподнимается. Он называется мениском, и это тоже результат действия силы поверхностного натяжения.