Нил Тайсон - Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности
В таких же поразительных условиях выживают даже сложные организмы. Крошечные беспозвоночные под названием тихоходки способны при соответствующей провокации временно приостанавливать обмен веществ. В этом состоянии они переносят температуры в 424 К (150 °C) в течение нескольких минут, а 73 К (–200 °C) – в течение нескольких дней кряду, так что им вполне хватило бы жизнестойкости, чтобы высадиться на Нептуне. Когда вам в следующий раз понадобятся космические путешественники с «соответствующей закалкой», стоит набрать экипаж из дрожжей и тихоходок, а всевозможные космонавты, астронавты и тайконавты[4] пусть отдохнут дома.
* * *Температуру часто путают с теплом. Это распространенное заблуждение. Тепло – это общая энергия всех движений всех молекул в выбранном вами веществе. Так сложилось, что внутри смеси диапазон энергий очень широк: одни молекулы движутся быстро, другие медленно. Температура всего лишь отражает их среднюю энергию. Например, температура чашки горячего кофе выше, чем температура бассейна с подогревом, однако вся вода в бассейне содержит куда больше тепла, чем одинокая чашечка кофе. Если вы по невоспитанности выльете свой кофе при температуре 93 °C в бассейн с температурой 37 °C, бассейн вовсе не нагреется до «средней» температуры в 64 °C. И хотя два человека в одной постели испускают вдвое больше тепла, чем один человек в постели, средняя температура двух их тел – 36,6 °C и 36,6 °C – не создает под одеялом духовку с температурой в 73,2 °C.
Ученые XVII и XVIII веков считали, что жар тесно связан с горением. А горение в их понимании происходило, когда из предмета истекал флогистон, гипотетическая субстанция, в основном характеризующаяся именно горючестью. Если сжечь полено в камине, воздух унесет весь флогистон, а лишенное флогистона полено окажется всего-навсего грудой золы.
К концу XVIII века французский химик Антуан-Лоран Лавуазье предложил вместо теории флогистона теорию теплорода. Лавуазье считал, что тепло – это «флюид», простое вещество, невидимое, невесомое, без вкуса и запаха, которое передается от одного предмета к другому посредством горения или трения. Представление о тепле было в корне неверным до середины XIX века – пока не набрала обороты промышленная революция, когда в рамках новой отрасли физики под названием «термодинамика» оформилась более широкая концепция энергии.
* * *Научное представление о природе тепла поставило в тупик множество самых гениальных умов, однако идею температуры вот уже много тысяч лет интуитивно понимают и ученые, и неученые. Если предмет горячий, значит, температура у него высокая. Если холодный – низкая. Эту связь подтверждают и термометры.
Изобретение термометра часто приписывают Галилею, однако первые такие приборы, возможно, создал изобретатель Герон Александрийский, живший в I веке до н. э. В книге Герона «Пневматика» есть описание «термоскопа» – устройства, которое показывает изменение объема газа при нагревании и остывании. В эпоху Возрождения «Пневматика», как и многие другие древнегреческие тексты, была переведена на латынь. В 1594 году Галилей прочел ее и, как впоследствии в случае с недавно изобретенным телескопом, сразу же создал усовершенствованный термоскоп. То же самое сделали и несколько его современников.
Главное в термометре – шкала. Есть любопытная традиция, которая идет еще с начала XVIII века: калибровать единицы температуры так, чтобы распространенным явлениям соответствовали числа, которые удобно делить – те, у которых много делителей. Исаак Ньютон предложил шкалу от нуля (таяние льда) до 12 (температура тела человека); ясно, что 12 делится нацело на 2, 3, 4 и 6. Датский астроном Оле Рёмер предложил шкалу от нуля до 60 (поскольку 60 делится на 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20 и 30). По шкале Рёмера нулем обозначалась самая низкая температура, какой ему удалось достичь при помощи смеси из воды, льда и соли, а 60 градусов приходились на точку кипения воды.
В 1724 году немецкий мастер Даниэль Габриэль Фаренгейт – тот самый, который в 1714 году изобрел ртутный термометр – придумал более точную шкалу, разделив каждый градус Рёмера на четыре равные части. По новой шкале вода вскипала при 240 градусах, замерзала при 30, а температура человеческого тела составляла 90 градусов. После дальнейших уточнений диапазон от нуля до температуры тела составил 96 градусов, поскольку число 96 – это еще один чемпион по делимости (оно делится на 2, 3, 4, 6, 8, 12, 16, 24, 32 и 48). Точка замерзания воды стала отметкой в 32 градуса.
Шведский астроном Андерс Цельсий пошел по другому пути и в 1742 году предложил стоградусную шкалу температуры, лучше подходящую для десятеричной системы исчисления. При этом точка замерзания помещалась на отметке 100 градусов, а точка кипения – на нуле. Надо сказать, что это был не первый и не последний раз, когда астроном размечал шкалу в обратную сторону. Но какой-то неведомый благодетель, – весьма вероятно, ремесленник, которому заказали шкалы для термометров Цельсия – оказал человечеству неоценимую услугу и перевернул разметку, благодаря чему мы и получили всем известную шкалу Цельсия. Такое чувство, что число нуль само по себе парализует у иных людей мыслительные способности. Как-то раз лет двадцать назад, в бытность аспирантом, я приехал к родителям на зимние каникулы. Они тогда жили к северу от Нью-Йорка. Я включил радио, чтобы послушать классическую музыку. На северо-восток надвигалась волна холодного воздуха из Канады, и между частями «Музыки на воде» Георга Фридриха Генделя диктор объявлял о снижении температуры воздуха: «Пять градусов по Фаренгейту… четыре… три градуса»… И наконец огорченно воскликнул: «Если так и дальше пойдет, скоро никакой температуры не останется!»
Отчасти ради того, чтобы избежать подобных неловких признаний в невежестве, международное научное сообщество предпочитает пользоваться шкалой температуры Кельвина, где нуль стоит на подобающем месте – в абсолютном низу. Любое другое положение нуля произвольно и не слишком приспособлено для арифметических комментариев в прямом эфире.
Несколько предшественников Кельвина измеряли сокращение объема газа при охлаждении и установили, что −273,15 градусов по Цельсию или −459,67 градусов по Фаренгейту – это температура, при которой молекулы любого вещества обладают минимально возможной энергией. Другие эксперименты показали, что −273,15 °C – это температура, при которой газ при постоянном давлении сожмется до нулевого объема. Поскольку нулевого объема у газа не бывает, отметка −273,15 °C стала незыблемой нижней границей шкалы Кельвина. Разве можно найти для такой отметки название удачнее, чем «абсолютный нуль»?
* * *Можно сказать, что Вселенная в целом ведет себя немного как газ. Если заставить газ расширяться, он охлаждается. В прошлом, когда Вселенная насчитывала всего-то полмиллиона лет от роду, температура в ней была около 3000 К. Сегодня она меньше 3 К. Неумолимое расширение навстречу холодной гибели привело к тому, что нынешняя Вселенная в тысячу раз больше и в тысячу раз холоднее, чем во младенчестве.
На Земле температуру обычно меряют, сунув градусник в какое-нибудь естественное отверстие в живом организме или прикоснувшись термометром к предмету каким-то другим, менее инвазивным способом. Подобная форма прямого контакта позволяет движущимся молекулам внутри термометра достичь такой же средней энергии, что и молекулы предмета, температуру которого мы измеряем.
Если термометр просто лежит себе на воздухе, а не занимается трудами праведными в куске запеченного мяса, ему говорит, какую показывать температуру, средняя скорость сталкивающихся молекул воздуха. Кстати, о воздухе: в определенное время и в определенном месте на Земле температура воздуха на солнцепеке примерно такая же, что и температура воздуха под ближайшим деревом. Тень всего-навсего прикрывает термометр от энергии солнечного света, которая практически вся проходит через атмосферу, не поглощаясь, и попадает вам на кожу, и от этого-то у вас и возникает ощущение, что вы горячее окружающего воздуха. Однако в пустоте никакого воздуха нет и нет движущихся молекул, которые заставят термометр что-то показать. Поэтому вопрос «Какая температура в космосе?» очевидного смысла не имеет. Если к термометру ничего не прикасается, он может регистрировать лишь энергию излучения всех источников, которое на него попадает.
На дневной стороне нашей Луны, лишенной атмосферы, термометр покажет 400 К (127 °C). Отойдите на несколько шагов в тень валуна или перейдите на ночную сторону Луны – и термометр тут же упадет до 40 К (–233 °C). Чтобы пережить лунный день без скафандра с контролем температуры, вам пришлось бы закладывать пируэты, чтобы попеременно разогревать и охлаждать разные части тела и как-то сохранять приемлемую температуру.
