Вблизи абсолютного нуля

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.