Книга «Физика повседневности», как следует из названия, посвящена физическим явлениям, которые лежат в основе нашей повседневной жизни. В довольно сентиментальном вступлении трое авторов книги посвящают ее своим внукам, и создается впечатление, что книга — из тех, что рассказывают о сложных вещах простым языком, понятным даже ребенку. Это и так, и не так одновременно — уже через несколько абзацев выясняется, что авторы «Физики повседневности» надеются, что их читатели обладают «некоторой научной подготовкой» и что им «будет достаточно математического багажа бакалавра». Однако, несмотря на обилие формул и кажущуюся сложность изложения, практически все описываемые явления, действительно, регулярно встречаются нам в быту, отчего разбираться в физических выкладках книги становится как минимум интереснее. Иван Козлов выбрал из нее десять любопытных фактов в рамках совместного проекта «Горького» и «Просветителя».

Андрей Варламов, Жак Виллен, Аттилио Ригамонти. Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий. М.: Альпина нон-фикшн, 2020. Перевод с французского Марии Прилуцкой

  1. Когда-то черное ночное небо считалось признаком конца Вселенной.

Ученые очень давно поняли, что в небе колоссальное количество звезд, но после этого долго не могли найти ответ на вопрос — почему в таком случае по ночам оно кажется абсолютно черным, ведь от стольких звезд должно исходить ярчайшее сияние. Актуальное объяснение этого парадокса сводится к тому, что Вселенная имеет конечный возраст. После Большого взрыва она начала расширяться, а длина световых волн, излучаемых далекими галактиками, — смещаться к красному концу спектра. Кроме того, авторы книги отмечают, что «при наблюдении за отдаленными объектами из-за конечности скорости света мы „обгоняем время”: галактики предстают перед нами в том состоянии, в котором они были, когда миллиарды лет назад испускали свет, который до нас доходит сейчас». Всю вселенную в ее актуальном состоянии мы наблюдать не можем, и ночное небо кажется черным именно по этой причине (хотя, строго говоря, оно и не черное вовсе — просто оно наполнено электромагнитным излучением такой длины волны, которую мы не можем воспринять).

Как бы там ни было, до момента установления этой истины черноту неба пытались объяснить, выдвигая самые разные гипотезы: так, упомянутое предположение о черноте как признаке конца Вселенной принадлежало немецкому ученому Иоганну Кеплеру.

  1. Домашний маятник Фуко — плохая идея.

Длина проволоки самого длинного в истории маятника Фуко составляла целых 98 метров. Такой маятник с 1931-го по 1986 год находился в Ленинграде — в Исаакиевском соборе, который в то время был превращен в музей атеизма. Авторы книги объясняют, что его присутствие в антирелигиозном учреждении намекало на осуждение Галилея инквизицией в 1633 году:

«Галилей утверждал, что на самом деле Земля движется вокруг Солнца и поворачивается вокруг своей оси за один день. Кардиналы же уверяли, что, согласно Библии, Иисус некогда остановил вращение Солнца вокруг Земли, но не вращение Земли вокруг своей оси. <...> Галилей должен был отречься от своей теории. Впрочем, провозглашая, что Земля обращается вокруг своей оси, он на самом деле не имел доказательств. Он только обобщил наблюдения Коперника и Кеплера. <...> Проведенный в 1851 году опыт Фуко дал прямое доказательство вращения Земли вокруг своей оси и поставил точку в споре, который начался 24 веками раньше».

Собственно, такая длина маятника Фуко — одна из главных причин того, почему подобный маятник вряд ли получится повесить дома (авторы отдельно оговариваются об этом на случай, если среди читателей обнаружатся желающие): маятник должен быть длинным, чтобы колебания были медленными, а роль трения снизилась. Высоты потолков в обычной квартире для этой цели точно будет недостаточно.

  1. Мировой океан подступает к нам, продвигаясь на 3 миллиметра в год (и это очень много).

Авторы книги не упускают возможности лишний раз констатировать, что факт глобального потепления неоспорим — хотя бы потому, что с 1970 года средняя мировая температура увеличилась на полградуса. И это, пусть не со стопроцентной (точная оценка крайне сложна), но с высочайшей вероятностью, является следствием человеческой деятельности. Причем непосредственное воздействие углекислого газа на эти показатели относительно низко, но к нему добавляется множество усиливающих или компенсирующих косвенных факторов.

Полградуса могут показаться чем-то совсем незначительным, но по множеству расчетов в XXI веке этот показатель сильно возрастет и средняя температура изменится уже на целые градусы: от 1 до 4°C в соответствии с предполагаемыми сценариями.

«Расчеты недостаточно надежны, чтобы точно определить последствия деятельности человека для климата, но крайне маловероятно, что они окажутся несущественными. В частности, потепление приводит к значительному повышению уровня Мирового океана (который уже растет на 3 мм ежегодно, по данным с 1990-го по 2010 год). Это происходит из-за таяния ледников и других более сложных и, вероятно, более серьезных последствий».

  1. Если долго пронзать ножом мешок с рисом, нож застрянет. Таковы свойства сыпучих сред.

Каждый, кто хоть раз в жизни бывал на пляже, наверняка замечал интересный эффект: стоит только ступить на увлажненный песок, как он сразу же становится сухим по периметру подошвы. Дело в том, что морские или речные волны не только увлажнили песок, но и встряхнули его: это привело к тому, что песчинки после встряхивания уложились друг на друга компактно (возможно, не самым оптимальным образом, но тем не менее). Когда подошва надавливает на песок, она заставляет его деформироваться: песчинки сдвигаются и приходят в менее компактное состояние — а это значит, что зазоры между ними становятся больше, чем были. Вода, которая до сих пор задерживалась среди плотно лежавших песчинок, утекает в образовавшиеся зазоры, и вокруг отпечатка стопы появляется сухая область. Хотя с обывательской точки зрения это кажется странным: ведь песок, на который надавили, наоборот, должен бы уплотниться.

Интересно, что это свойство сыпучих сред (и трудность его восприятия) было известно еще индийским факирам, чем они успешно пользовались:

«Один из их фокусов состоял в том, чтобы многократно вонзать тонкий нож в сосуд с узким горлышком, до краев наполненный рисом. Через некоторое время нож застревал в рисе, и тогда, если потянуть нож вверх, можно было вместе с ним приподнять весь сосуд! Хитрый факир, вероятно, встряхивал емкость, заполняя ее рисом, чтобы получить достаточную компактность упаковки. Погружая в него нож, он заставлял рисовые зерна сдвигаться друг на друга, что увеличивало пространство между ними. Давление и трение, которые они испытывали из-за ножа, возрастали, что в конечном итоге препятствовало его извлечению из сосуда. Физик Пьер-Жиль де Жен любил демонстрировать этот простой опыт на своих лекциях: нож заменялся рукояткой метлы, рис — песком, а факир — лауреатом Нобелевской премии по физике».

  1. Застолье с вином и шампанским можно использовать для физических экспериментов.

Если поводить влажным пальцем по краю бокала, можно услышать, как он «поет». Механизм возникновения звука, в принципе, понятен: стекло вибрирует, сжимает окружающий воздух и генерирует звуковые волны. Однако далеко не все бокалы обладают музыкальностью. Как отмечают авторы, для этого нехитрого застольного развлечения лучше всего подходят «очень тонкие бокалы в форме параболоида вращения, на длинной ножке» —  правда, именно такие бокалы бьются чаще всего.

Но есть еще более простой способ извлечь звук из бокалов — чокнуться ими. Другое дело, что звук, порождаемый этим действием, не всегда будет приятным. Ученые, имеющие богатый эмпирический опыт и компетенции в этой сфере, утверждают, что при соприкосновении бокалов с вином раздается мелодичный звук, а вот от бокалов с шампанским звук получается глухой и невыразительный. И у этого, конечно, тоже есть свое научное объяснение:

«Человеческое ухо воспринимает звуки частотой примерно от 20 до 20 000 Гц. „Хрустальный” звон стекла обусловлен присутствием в нем звуковых волн, принадлежащих к верхней части этого диапазона, то есть с частотами в интервале от 10 до 20 кГц. При звоне пустых или наполненных негазированным напитком бокалов после удара стеклянных стенок колебания продолжаются достаточно долго. И наоборот, звук затухает очень быстро, когда в бокалах находится шампанское».

А все из-за пузырьков углекислого газа. Как только бокалы соприкасаются, в напитках распространяются звуковые волны, и зоны сжатия жидкостей чередуются с зонами разрежения. Пузырьки, которые присутствуют в бокале шампанского, рассеивают энергию колебаний. Поэтому звук в нем затухает намного быстрее, чем в вине без пузырьков.

  1. Давление в бутылке игристого вина может достигать опасных отметок.

Как совершенно справедливо отмечают авторы книги, «после того как бутылка [шампанского] куплена, рано или поздно она будет откупорена». И в этот момент читатель столкнется с прекрасно знакомым эффектом, о природе которого он, возможно, до сих пор не особенно задумывался: произойдет более или менее обильный выброс пены. В плотно закрытой бутылке скапливается углекислый газ, выработанный в процессе вторичного брожения, — это факт довольно известный. Однако не все знают, что к моменту завершения процесса брожения давление под пробкой может достигать семи атмосфер. Взрываясь под этим нешуточным давлением, бутылки представляли собой серьезную опасность и могли наносить людям увечья — такое иногда случалось до тех пор, пока в винодельческой промышленности не появились определенные стандарты крепости бутылок. Согласно приводимым в книге подсчетам, обычная бутылка шампанского объемом в 0,75 л содержит около девяти граммов углекислого газа: при нормальном давлении и температуре это соответствует примерно пяти литрам газа.

  1. Водка не была бы водкой, если бы Иван Грозный не узаконил физические расправы в кабаках. Но это не точно.

Не то чтобы значительная часть приводимых в книге фактов посвящена алкоголю, но все же, во-первых, ему отводится целая глава, а во-вторых, факты о нем укоренены в историю в значительно большей степени, чем во многих других случаях. Например, в исторической справке, посвященной водке, авторы книги доходят до времен Ивана Грозного. К периоду его правления они вынуждены апеллировать для того, чтобы объяснить, почему водка исторически содержит 40° спирта:

«Говорят, что, когда в конце XVI века была введена монополия на производство водки и тем самым возложена ответственность за ее качество на государство, кабатчики стали эту водку безбожно разбавлять. <...> Чтобы положить конец злоупотреблениям, царь Иван Грозный специальным указом разрешил недовольным клиентам бить кабатчиков до смерти, если пары́ поданной водки не воспламенялись. Оказалось, что 40%-ное содержание спирта в растворе с водой есть тот нижний предел, при котором его пары́ над поверхностью жидкости еще могут гореть при комнатной температуре. Естественно, на этой нижней границе содержания спирта в водке и остановились кабатчики, найдя таким образом компромисс между погоней за наживой и здоровьем».

Впрочем, в этой же главе авторами приводится информация о том, что над усовершенствованием качеств водки по просьбе Александра III работал лично Дмитрий Менделеев, что, как известно, является мифом, — и эта деталь позволяет усомниться в точности приводимых в книге исторических данных. Поэтому вернемся лучше непосредственно к физике, компетентность авторов в которой несомненна.

  1. Физики готовы затащить на Эверест что угодно.

Один из самых популярных приводимых в книге мысленных экспериментов — наблюдение за теми или иными физическими процессами на вершине горы, где давление существенно меньше, чем у ее подножия. Поскольку в первую очередь высота над уровнем моря сказывается на температуре кипения воды (чем выше, тем она ниже), речь чаще всего заходит о готовке тех или иных продуктов. Так, выясняется, что на вершине Эвереста невозможно нормально приготовить макароны: «Если бы кто-то вдруг решил сварить лапшу на вершине Эвереста, то он бы потерпел неудачу. На высоте 8 848 м атмосферное давление составляет 3,5×104 Па, что соответствует температуре кипения воды 73°C, при которой гелеобразование крахмала происходит очень медленно. Поэтому приготовление лапши в таких условиях невозможно».

Но есть и хорошие новости — на той же самой вершине получается отличный кофе. Дело в том, что при слишком высокой температуре напиток может лишиться значимой части ароматов (поэтому, например, гейзерная кофеварка готовит отличный крепкий кофе, но до качества хорошего эспрессо он не дотягивает). Авторы книги отмечают, что для того, чтобы избежать чрезмерного нагрева воды, «можно пойти на хитрость и готовить кофе высоко в горах, где атмосферное давление ниже» (разумеется, речь идет об Эвересте).

А вот яйцо всмятку авторы почему-то предлагают готовить на Монблане: «Согласно формуле Бархэма, для варки яйца комнатной температуры требуется три с половиной минуты, а для яйца из холодильника — почти четыре минуты. А чтобы приготовить яйцо той же консистенции на вершине Монблана, потребуется добавить почти полминуты!»

  1. В японских яйцах всмятку все наоборот.

Кстати, про яйцо. Ему в книге посвящена целая глава. Яйцо — идеальный объект для опытов: его можно разбивать, отправлять в плавание, вращать вокруг оси, из яичной скорлупы можно сделать самодвижущийся объект на колесиках и так далее. Но авторы оговариваются, что яйцо — это все-таки в первую очередь еда, а не игрушка. И приводят японский рецепт приготовления яйца Онсэн-тамаго. Желток и белок в яйце содержат разный набор протеинов, поэтому денатурируют при разных температурах. Белок затвердевает при более низкой температуре, и этим обусловлен процесс приготовления обычного европейского яйца всмятку: его просто опускают в кипящую воду на несколько минут. Но есть нюансы: «денатурация белка начинается при температуре более низкой, чем температура денатурации желтка, однако этот сложный процесс состоит из серии трансформаций и завершается при температуре более высокой». Желток денатурирует в диапазоне 63–70°C, и если оставить яйцо полчаса вариться в воде температурой около 70°C, то как раз и получится Онсэн-тамаго, полная противоположность яйцу всмятку: желток в таком яйце оказывается тверже белка, который не твердеет и обретает приятную консистенцию. Сейчас в Японии продаются специальные приспособления для готовки такого блюда, а раньше яйцо просто погружали в воду горячих источников (собственно, Tamago означает «яйцо», а Onsen — «горячий источник»).

  1. Кот Шредингера обрел плоть.

Было бы неправильно вовсе не затронуть четвертую часть книги, которая посвящена квантовому миру, хотя сами авторы подходят к этой части осторожно, уподобляя себя коллективному Вергилию, с которым Данте (читателю) предстоит спуститься в ад сложных формул и нетривиальных математических приемов. Впрочем, начинается эта глава с упоминания вещей более-менее общеизвестных, а именно — кота Шредингера. В 2015 году пресловутому коту исполнилось 80 лет, и авторы отмечают, что за долгое время своей жизни кот стал в какой-то степени более жив, чем мертв — в том смысле, что он овеществился. Точнее, материализовался из области абстрактных рассуждений и стал реальностью. Речь идет о крошечном объекте, который называется «котом» только в шутку и по инерции — сегодня под этим названием подразумевают «любой относительно макроскопический объект, приведенный в состояние квантовой суперпозиции». Такой объект сегодня может быть явлен лишь в виде нескольких атомов, поэтому авторы трогательно именуют его «котенком».