Нас с вами интересует не космическая жара, а космический холод. Температуры космического пространства недалеки уже от абсолютного нуля, который мы собираемся обследовать. Только пространство это пустое — там почти нет вещества.
А мы хотим узнать, как поведут себя в столь необычных условиях самые обычные, известные всем вещества.
Но прежде чем познакомиться поближе с чудесами сверххолода, прежде чем на страницах книги приступить к охлаждению веществ, нам придется пристально посмотреть на них, выяснить, как они устроены, из чего состоят. Лишь когда мы это все узнаем, нам станет ясно, как подобраться как можно ближе к абсолютному нулю.
В свое время науке понадобилось для этого много десятков лет.
Некоторые загадки абсолютного нуля и сверхнизких температур не решены и до сих пор.
Итак, несколько слов о строении вещества.
О часах, винтиках и пружинках
Наверное, почти все когда-нибудь пытались починить или хотя бы разобрать часы. Сколько там различных винтиков, шестеренок, пружинок! Тьма-тьмущая! Разберешь часы — и вот на столе множество разных мелких частей. И собрать их воедино не так-то легко. У неопытного человека может получиться даже так: часы собраны, как будто идут. А на столе осталось несколько винтиков. Лишние они, что ли? — недоумеваете вы. Но вскоре часы остановятся, и вы поймете, что каждый винтик в часах на своем месте. Все части разные, каждая делает свое дело, каждая необходима.
А вот если так же, «до винтика», разобрать какое-нибудь вещество, то окажется, что все эти «винтики» совершенно одинаковы.
Только их очень много. Взяли мы как будто самую малость — крупинку. А частичек, из которых она состоит, набралось на удивление много. И все они для данного вещества одинаковы. Называются эти частички молекулами.
Именно поведение молекул и диктует веществу, в каком состоянии оно должно находиться — быть ему газом, жидкостью или твердым телом. Но мы ведь говорили, что это зависит от температуры тела? Конечно. Только сейчас надо внести маленькую поправку — температура тела связана только с поведением его молекул тем, как они двигаются.
Весь наш мир, все, что мы видим, чувствуем, состоит из различных молекул. И камень, и вода, и стены дома, и сахар, и воздух, и далекие звезды, и мельчайшие вирусы, и сами мы — все это скопище неисчислимого множества молекул.
Без любой, самой завалящей пружинки часы правильно ходить не будут. А вещество, если даже потерять миллион молекул, все равно останется таким же.
Молекулу глазом не увидишь, в руку не возьмешь, на язык не положишь. И расположены они в телах на изрядных расстояниях друг от друга. Вот, например, карандаш. На вид он твердый, гладкий, как будто никаких отверстий там нет. Но он состоит из множества молекул. И между ними — пустое пространство. В любом теле гораздо больше пустоты, чем молекул.
Почему же мы эту пустоту не замечаем? Да потому, что и молекулы, и расстояния между ними настолько малы, что для нас все это сливается в единое целое. Так ведь и Луна издали кажется плоским блином с нарисованными на нем темными и светлыми пятнами. А между тем это круглая планета, где есть горы, впадины, холмы…
И мы, разглядывая карандаш, не видим в нем ни молекул, ни пустых мест.
У молекул есть свои законы — законы, по которым живут эти мельчайшие частички.
Первый закон: молекулы находятся в беспрерывном движении. Остановиться молекула не может. Даже самый шаловливый мальчик, самый непоседливый все-таки лежит спокойно, когда спит. Молекулы же не спят и не отдыхают. Они вечно двигаются.
Второй закон мира молекул еще интересней: они притягиваются друг к другу, а когда подойдут очень близко — отталкиваются.
Поэтому и получается, что молекулы стремятся к другим молекулам, а подлетев, тотчас же разлетаются в разные стороны.
Третий закон: молекулы данного тела одинаковы. Одинаковы все их свойства. И получается, что, собравшись вместе, молекулы соли образуют соленую соль, сахара — сладкий сахар, железа — твердое железо.
Карик и Валя из известной детской повести совершили увлекательное путешествие. Они превратились в крошечных карликов и наблюдали за жизнью насекомых и растений вблизи. Они боялись муравьев, мух, стрекоз, так как сами были размерами гораздо меньше этих насекомых. Зато сколько интересного и необычайного открылось им, сколько чудес они увидели своими глазами!
Но если бы Карик и Валя уменьшились до размеров молекул, то чудесного в их путешествии было бы гораздо больше.
Ведь в том, что они видели в растительном и животном мире, ничего неожиданного нет. Стрекоза остается стрекозой, хоть и становится страшной для человека размером с муравья. И цветок тоже остается цветком, хотя путешествовать по нему приходится несколько часов.
Но любое знакомое нам тело: кирпич, кусок железа, рубаха, вода — все, что мы видим вокруг себя, молниеносно преобразится, станет таинственным и непонятным, как только мы сможем наблюдать за поведением молекул.
Многие фантасты любят посылать своих героев в далекие миры, заполненные дикими существами, странными растениями. А зачем ездить так далеко? Путешествие внутрь любого из привычных нам веществ не менее захватывающее. А то, что мы там увидим, не сравнится ни с какими фантастическими мирами.
Молекулы, конечно, одни и те же. Но почему же тогда так различны лед и жидкая вода, составленные из тех же самых молекул? Может быть, молекулы ведут себя там по-разному?
Или находятся в различных условиях?
Путешествие внутрь веществ могло бы нам помочь объяснить это. Мы бы воочию убедились в том, как в разных телах расположены молекулы. Но, не имея пока возможности предпринять такое путешествие, хотя бы поговорим о том, что там происходит.
Молекулы в веществе, обладающем тремя состояниями, одни и те же. Разница в том, как они двигаются.
Именно из-за этого тела становятся твердыми, жидкими и газообразными.
В твердых телах молекулы степенно путешествуют в разные стороны около одной точки. Далеко не уходят. В науке такие движения называются колебаниями. Твердое тело сохраняет свою форму. Ведь все молекулы в общем-то находятся на своих местах. А те небольшие движения, которые они совершают, мы и не замечаем. Даже Карик и Валя, ставшие такими маленькими, их бы тоже не заметили.
Но вот перед нами жидкость. Ее можно легко переливать из одного сосуда в другой. Из миски в стакан, из стакана в кружку. И так далее. Как же поживают молекулы в жидкости? Довольно свободно. Внутри жидкости они путешествуют, как хотят. Но как только какая-нибудь свободолюбивая молекула подскочит к поверхности жидкости, захочет вырваться оттуда, так сразу же беглянку вернут на место. Молекулы, которые находятся около поверхности, вцепятся в нее мертвой хваткой.
Ведь молекулы притягиваются друг к другу. И когда все молекулы потянут одну внутрь жидкости, с такими силами ей уже не справиться. Попытка к бегству сразу же ликвидируется.
Вот молекулам газа жить гораздо легче. Их уже ничто не удерживает вместе. Куда бы мы ни выпустили газ, он мгновенно займет весь объем сосуда — все равно банка это, цистерна или комната.
Можно сказать так: молекулы твердого тела привязаны к своим местам, жидкого — полусвободны. А молекулы газа свободны полностью.
Но почему это происходит? Почему бы молекулам твердого тела не разбежаться, а молекулам газа не собраться вместе?
Все дело в температуре. Мы ведь выяснили, что именно с температурой связан переход тела из одного состояния в другое. Из твердого в жидкое, из газа в жидкость.
Остается одно — как-то совместить температуру и движение молекул.
С одной стороны, состояние вещества зависит от его температуры. С другой — каждому такому состоянию соответствует своя особенная «жизнь» молекул.
Существует и четвертое состояние вещества. Та самая плазма, о которой мы с вами уже говорили. Если газ нагревать дальше, то может случиться, что молекулы его, ударяясь друг о друга, сами начнут рассыпаться на составные части. Все равно что винтики разобранных часов разбить на маленькие кусочки. Когда все молекулы газа развалятся на части, газ превратится в плазму.
В плазме можно найти самые разнообразные частицы: свободные электроны, положительные ионы, получившиеся из обыкновенных молекул, после того как те потеряли часть электронов. Немало в плазме и обычных электронейтральных молекул.
Солнце — это громадное сборище плазмы, причем раскаленной. И звезды плазма. Самая обычная молния, которую каждый из вас много раз видел, северные сияния, электрическая дуга — тоже плазма.
Но плазмой мы заниматься не будем, а посмотрим на поведение молекул в привычных для нас всех трех состояниях вещества — твердом, жидком и газообразном.
Что такое температура
В учебниках на сей счет существует два ответа. Температура — мера нагретости тела, утверждают одни учебники. Температура — мера тепловой энергии молекул, добавляют другие.
Действительно, температура показывает, как нагрето тело. Говорим же мы — на улице двадцать градусов. А что это значит, знает каждый. Температура воздуха, степень его нагретости и есть эти самые 20 градусов. И когда на пляжном щите написано «температура воды 23 °C», то все понимают, что вода нагрета до двадцати трех градусов и купаться хорошо. Даже, пожалуй, слишком теплая вода.
С другой стороны, мы упомянули о тепловой энергии. Это тоже правильно.
Чем температура тела выше, тем оно теплее, горячее, тем больше в нем тепловой энергии. Ее мы и называем теплом.
Чтобы тело нагреть, надо ему откуда-то подать эту тепловую энергию. Чиркнули мы спичкой, зажгли газ. И на плиту поставили чайник. Газ горит, выделяется тепловая энергия, чайник нагревается, передает энергию воде. Потом закипит вода. Вот куда пошла энергия сожженного в горелке газа. Счетчик нам эту энергию подсчитывает в точности.
Тепловая энергия тела, разумеется, сейчас же передается его частичкам — молекулам. Если тело твердое, то молекулы, получив причитающуюся им порцию энергии, начинают колебаться быстрее. И колеблются тем чаще, чем больше энергии поступает в их распоряжение. Если измерять температуру, то она все время будет увеличиваться. А потом застопорится, застынет на месте. Это сигнал — тело начало плавиться. И тепло теперь идет не на то, чтобы увеличивать температуру. Надо сорвать молекулы с насиженных мест, оторвать их друг от друга, увеличить внутреннюю энергию. Вот куда расходуется тепловая энергия. Изобретателям термометров это обстоятельство на руку. Пока все тело не расплавится или, наоборот, пока вся жидкость не застынет — температура его не изменится. Значит, можно исп