«Жидкости»

Жидкости (fb2) - Жидкости (пер. Наталия Ивановна Лисова) 8574K (книга удалена из библиотеки) скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Марк Медовник

Марк Медовник Жидкости. Прекрасные и опасные субстанции, протекающие по нашей жизни

Светлой памяти моих мамы и папы

Эту книгу хорошо дополняют:

Атомы у нас дома

Крис Вудфорд

Гений

Джеймс Глик

ДНК — не приговор

Стивен Хэйне

Укрощение бесконечности

Иэн Стюарт

Информация от издательства

Научный редактор Вадим Гладырев

Издано с разрешения Andrew Nurnberg Associates International Ltd c/o OOO «Andrew Nurnberg Literary Agency»

На русском языке публикуется впервые

Медовник, Марк

Жидкости. Прекрасные и опасные субстанции, протекающие по нашей жизни / Марк Медовник; пер. Н. Лисовой; [науч. ред. В. Гладырев]. — М.: Манн, Иванов и Фербер, 2019.

ISBN 978-5-00146-286-6

Марк Медовник, профессор материаловедения и известный популяризатор науки, рассказывает о самых известных жидкостях — притягательных и угрожающих, освежающих и опьяняющих, живительных и взрывчатых, вкусных и ядовитых. Мы постоянно имеем дело с различными жидкостями, но даже не подозреваем, какими интересными и неожиданными свойствами обладают эти привычные для нас субстанции.

Книга будет интересна всем, кому нравится химия и кто любит узнавать новое об устройстве нашего мира.

Все права защищены.

Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Original English language edition first published by Penguin Books Ltd, London

Copyright © Mark Miodownik, 2018

The author has asserted his moral rights

All rights reserved

© Перевод на русский язык, издание на русском языке, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2019

Введение

Служба безопасности в аэропорту конфисковала у меня много полезных вещей: арахисовую пасту, мед, соус песто, зубную пасту и, что самое обидное, бутылку односолодового виски. В таких ситуациях я всегда теряюсь. Я говорю банальности вроде «позовите вашего начальника» и «арахисовая паста — не жидкость», хотя прекрасно знаю, что на самом деле неправ. Арахисовая паста течет и принимает форму сосуда — а именно этим отличаются жидкости, — так что вывод ясен. Но все равно меня бесит, что в мире, полном «умной» техники, охранник аэропорта не в состоянии отличить жидкую пасту для намазывания на хлеб от жидкой взрывчатки.

Пронос более чем 100 мл жидкостей через кордон был запрещен еще в 2006 г., но технологии их обнаружения за это время не слишком усовершенствовались. Рентгеновские аппараты способны просветить багаж и обнаружить в нем разные объекты. В первую очередь работники службы безопасности обращают внимание на подозрительные формы: стараются отличить пистолеты от фенов, а ножи от шариковых ручек. Но жидкости не имеют своей формы. Они принимают форму того, в чем находятся. Сканеры в аэропорту умеют определять плотность веществ и целый ряд химических элементов. Но и здесь есть проблемы. Молекулярный состав взрывчатого вещества нитроглицерина, например, похож на состав арахисовой пасты: углерод, водород, азот и кислород. Но одно из этих веществ — жидкая взрывчатка, а другое… ну, просто вкусное. Есть море опасных токсинов, ядов, дезинфектантов и патогенов, которые невероятно трудно отличить от более невинных жидкостей — по крайней мере, быстро и надежно. Именно такие аргументы, которые мне доводилось слышать от многих охранников (и их начальников), обычно вынуждают меня согласиться — хотя и не без сожаления, — что арахисовая паста или одна из тех жидкостей, которые я, кажется, регулярно забываю вынуть из ручной клади, представляют серьезную угрозу.

Жидкости — это, можно сказать, альтер эго надежного твердого тела. Если твердые вещества — верные друзья человечества, принимающие постоянную форму одежды, обуви, телефонов, машин и даже аэропортов, то жидкости текучи: они готовы принять любую форму, но только если их в ней что-то удерживает. Если нет, они в вечном движении: просачиваются, разъедают, капают и всячески уходят из-под нашего контроля. Если поместить куда-то твердое вещество, оно там и останется (разве что вы нарочно изымете его оттуда) — и будет выполнять полезную функцию, например поддерживать дом или снабжать электричеством целый населенный пункт. Жидкости же — настоящие анархисты: они обладают врожденной способностью всё разрушать. В ванной приходится постоянно бороться за то, чтобы вода не просачивалась в трещины и не скапливалась под полом. А то там она вытворяет всякие гадости: заставляет гнить и портиться деревянные перекрытия; гладкий плиточный пол превращает в идеальную поверхность для того, чтобы поскользнуться и получить травму. Собираясь в углах ванной, она может стать пристанищем для черного плесневого грибка (ближайший «родственник» «серой гнили») и бактерий, которые способны проникать в наше тело и вызывать болезни. И все же, несмотря на ее вероломство, мы обожаем ее. Нам в радость купаться в воде и принимать душ, окатывая ею всё тело. И какая ванная может считаться таковой без множества бутылочек с жидким мылом, шампунями и кондиционерами, баночек с кремом и тюбиков с зубной пастой? Мы радуемся всем этим чудесным жидкостям и одновременно тревожимся: не вредны ли они для нас? Не вызывают ли рак? Не вредят ли окружающей среде? Когда речь заходит о жидкостях, радость и подозрение всегда идут рука об руку. Они двуличны по своей природе: не газ и не твердое тело, а нечто промежуточное, непостижимое и загадочное.

Возьмите, например, ртуть, которая радовала и травила человечество не одну тысячу лет. В детстве я часто играл с капелькой жидкой ртути, гонял ее по поверхности стола, околдованный ее необычностью — будто она из другого мира, — пока мне не объяснили, насколько она ядовита. Но во многих древних культурах считалось, что ртуть продлевает жизнь, залечивает переломы и вообще полезна для здоровья. Неясно, почему ее ценили так высоко — возможно, потому, что это единственный чистый металл, который может оставаться жидким при комнатной температуре. Первый император Китая Цинь Шихуанди принимал ртутные пилюли для здоровья, а умер в тридцать девять лет (вероятно, именно поэтому). Но его похоронили в гробнице, по которой жидкая ртуть текла ручьями. Древние греки использовали ее в целебных мазях, а алхимики верили, что сочетание ртути и еще одного элементарного вещества, серы, образует основу всех металлов, а верный баланс между ртутью и серой рождает золото. Именно отсюда идет ошибочное представление о том, что разные металлы можно превратить в золото, если смешать в верных пропорциях. Мы уже знаем, что это лишь легенда, но золото действительно растворяется в ртути. И если нагреть такую жидкость после того, как она впитала в себя этот металл, то она испарится, оставив твердый комок золота. Для большинства древних людей этот процесс был неотличим от волшебства.

Ртуть — не единственная жидкость, способная поглотить другое вещество и хранить его в себе. Добавьте соль в воду, и она вскоре исчезнет — где-то есть, но где же? А если проделать то же с растительным маслом, соль никуда не денется: так и будет лежать на дне. Почему? Жидкая ртуть может вобрать в себя твердое золото, но отвергает воду. Почему так? Вода поглощает газы, включая кислород, иначе наш мир был бы совсем другим: именно кислородом, растворенным в воде, дышат рыбы. В воде его накапливается недостаточно, чтобы в ней мог дышать человек, но другие жидкости на это способны. Есть тип масла — перфторуглеродная жидкость, — который проявляет очень низкую химическую и электрическую активность. Эта жидкость настолько инертна, что мобильный телефон, помещенный в сосуд с нею, продолжает нормально работать. Кроме того, перфторуглеродная жидкость способна поглощать кислород в таких высоких концентрациях, что в ней может дышать человек. Такое дыхание жидкостью вместо воздуха имеет множество возможных применений, важнейшее из которых — уход за недоношенными детьми с синдромом дыхательной недостаточности.

И все же именно жидкая вода обладает высшей способностью дарить жизнь. Она умеет растворять не только кислород, но и многие другие химические вещества, включая молекулы на основе углерода, и потому обеспечивает среду, необходимую для появления жизни — спонтанного возникновения новых организмов. По крайней мере так гласит теория. Вот почему ученые, занятые поисками жизни на других планетах, ищут жидкую воду. Но во Вселенной она редкость. Возможно, она есть на Европе — одной из лун Юпитера, где под ледяной коркой могут скрываться целые океаны. Может, найдется она и на Энцеладе — одной из лун Сатурна. Но Земля — единственное тело в Солнечной системе, где огромное количество воды доступно прямо на поверхности.

Температура и давление на поверхности нашей планеты, допускающие существование на ней жидкой воды, стали результатом интересного сочетания условий. Так, если бы у Земли не было жидкого ядра из расплавленного металла, которое создает вокруг планеты магнитное поле, защищающее нас от солнечного ветра, вся вода, скорее всего, исчезла бы миллиарды лет назад. В общем, на нашей планете одна жидкость породила другую, что привело к возникновению жизни.

Но при этом жидкости разрушительны. Пена на ощупь мягкая, потому что легко сжимается; если прыгнуть на матрац из какого-нибудь пеноматериала, легко почувствовать, как он подается под вами. Жидкости так не делают; они текут — одна молекула перемещается на место, освобожденное другой. Это можно увидеть в реке, или включив кран в ванной, или помешав ложечкой кофе в чашке. Когда вы прыгаете с трамплина и погружаетесь в воду, ей приходится расступаться перед вами, растекаться в стороны. Но этот процесс требует времени, и если скорость вашего столкновения с поверхностью слишком велика, то вода, не успевшая достаточно быстро утечь из-под вас, толкнет вас в ответ. Именно эта сила вызывает жжение на коже, когда вы неудачно — на живот — прыгаете в бассейн, и делает падение в воду с большой высоты подобным приземлению на асфальт. Из-за несжимаемости воды волны могут иногда обретать громадную разрушительную мощь и способны в случае цунами сносить здания и разрушать города, а машины бросать играючи, как щепки. Например, в 2004 г. землетрясение в Индийском океане вызвало серию цунами, ставших причиной гибели двухсот тридцати тысяч человек в четырнадцати странах. Эта природная катастрофа стала восьмой по разрушительности из всех зарегистрированных в истории человечества.

Еще одно опасное свойство жидкостей — способность взрываться. Когда я начинал работу над своей докторской диссертацией в Оксфордском университете, мне приходилось готовить небольшие образцы для электронного микроскопа. Помимо прочего, этот процесс предполагал охлаждение жидкости — раствора для электрохимической полировки — до температуры –20 °C. Это была смесь бутоксиэтанола, уксусной кислоты и хлорной кислоты. Другой аспирант из той же лаборатории, Энди Годфри, показал мне, как это делается, и я считал, что вполне освоил процесс. Но через несколько месяцев Энди заметил, что во время электрохимической полировки я нередко позволяю раствору слегка нагреться. «Я не стал бы так делать», — сказал он, заглянув однажды мне через плечо и удивленно подняв брови. Я спросил почему, и он указал мне на висевшее в лаборатории руководство по химической безопасности.

Хлорная кислота агрессивна и разрушительна для тканей человеческого тела. Она может быть опасна для здоровья при вдыхании, проглатывании, попадании на кожу и в глаза. При нагреве до температуры выше комнатной или использовании в концентрации выше 72 % (при любой температуре) хлорная кислота становится сильным окислителем. Органические вещества особенно подвержены спонтанному возгоранию в смеси или при контакте с хлорной кислотой. Ее пары могут образовывать в трубопроводах системы вентиляции перхлораты, чувствительные к ударным нагрузкам.

Иными словами, она может взорваться.

При осмотре лаборатории я нашел много похожих прозрачных бесцветных жидкостей, большинство из которых невозможно было отличить друг от друга. Так, мы использовали в работе плавиковую кислоту, которая мало того что способна проесть себе дорогу сквозь бетон, металлы и плоть, но и является контактным ядом, подавляющим функцию нервной системы. У этого свойства есть одно коварное следствие: человек не чувствует, как кислота сжигает его. Случайный контакт, который легко не заметить, — и она будет постепенно проедать кожу.

Спирт тоже вполне укладывается в категорию ядов. Может быть, таковым он становится только в больших дозах, но в целом он убил намного больше людей, чем плавиковая кислота. Тем не менее он играет громадную роль в обществе и в самых разных культурах по всему земному шару. В разные эпохи его использовали как антисептик, противокашлевое средство, противоядие, транквилизатор и топливо. Главное привлекательное свойство спирта — то, что он угнетает нервную систему. Это психотропное вещество. Многие жить не могут без ежедневного бокала вина, а большинство общественных событий вращается вокруг мест, где подают алкоголь. Мы, может, не доверяем (и справедливо) этим жидкостям, но все равно любим их.

Мы ощущаем физиологическое действие спирта, когда он всасывается в кровоток. Стук нашего сердца — постоянное напоминание о той роли, которую играет кровь в человеческом организме, и о том, что она должна непрерывно циркулировать в нем: мы живем благодаря мощи насоса, а когда перекачивание крови прекращается, умираем. Из всех жидкостей кровь, безусловно, одна из самых жизненно важных. К счастью, сердце сегодня можно заменить, шунтировать или починить как в теле, так и вне его. Саму кровь можно добавлять и извлекать, хранить, передавать от человека к человеку, замораживать и возвращать к жизни. И правда, если бы у нас не было запасов крови, то каждый год умирали бы миллионы людей, которые подвергаются хирургическим операциям, получают ранения в зонах боевых действий или попадают в автокатастрофы.

Но кровь может быть заражена инфекциями, такими как ВИЧ или гепатит, так что она способна не только исцелить, но и нанести вред. Значит, мы должны всегда учитывать ее двойственный характер (это верно и для всех других жидкостей). Важный вопрос не в том, можем ли мы доверять какой-то конкретной жидкости, хороша она или дурна, полезна или ядовита, вкусна или отвратительна; скорее в том, достаточно ли хорошо мы понимаем ее, чтобы использовать ее в своих интересах.

Нет лучшего способа проиллюстрировать мощь и радость от управления жидкостями, чем рассмотреть подробно те из них, с которыми мы имеем дело во время полета на самолете. Поэтому в книге речь пойдет о трансатлантическом перелете и всех тех странных и чудесных жидкостях, которые были в нем задействованы. Сам я летел потому, что умудрился не взорвать себя во время работы над диссертацией, но продолжил заниматься материаловедением и со временем стал директором Производственного института (Institute of Making) при Университетском колледже в Лондоне. Наши исследования посвящены, в частности, тому, как жидкости могут притворяться твердыми телами. Например, битумная основа, из которой делаются дороги, как и арахисовая паста, жидкость, хотя и твердая на вид. В связи с нашими исследованиями мы получаем немало приглашений на конференции по всему миру, куда приходится путешествовать на самолетах, и эта книга — рассказ об одном таком перелете из Лондона в Сан-Франциско.

Полет наш описан в книге языком молекул, сердечного ритма и океанских волн. Моя цель — раскрыть загадочные свойства жидкостей и показать, как мы научились полагаться на них. Маршрут наш пройдет над вулканами Исландии, замерзшими просторами Гренландии, россыпью озер вокруг Гудзонова залива, а затем повернет на юг вдоль побережья Тихого океана. Это достаточно разнообразный фон, чтобы поговорить о жидкостях в разных масштабах — от океанов до капелек в облаках, — рассмотрев параллельно занятные жидкие кристаллы в бортовой мультимедийной аппаратуре, напитки, предлагаемые стюардами авиалинии, и, конечно, авиационное топливо, которое позволяет удерживать самолет в стратосфере.

В каждой главе я рассматриваю отдельную часть полета и свойства жидкостей, которые сделали его возможным: в частности, их способности воспламеняться, растворяться или бродить и т. п. Я показываю, как капиллярное впитывание (поднятие), каплеобразование, вязкость, растворимость, давление, поверхностное натяжение и многие другие странные свойства жидкостей позволяют нам летать вокруг земного шара. Параллельно я рассказываю, почему жидкости текут вверх по стволу дерева, но вниз по склону холма; почему нефть липкая, как волны умудряются проходить такие расстояния, почему одежда сохнет, как жидкости могут быть кристаллами, как не отравиться при изготовлении самогона… и, возможно, главное: как приготовить чашку идеального чая. Так что приглашаю вас в этот перелет вместе со мной и обещаю необычное и чудесное путешествие.

Глава 1. Взрывчатые

Как только двери самолета закрылись и мы отъехали от зоны посадки аэропорта Хитроу, голос в динамиках объявил о начале предполетного инструктажа по безопасности.

— Добрый день, дамы и господа, мы приветствуем вас на борту нашего лайнера British Airlines, отправляющегося рейсом в Сан-Франциско. Перед отправлением просим вашего внимания. Наш экипаж в салоне расскажет о том, что важно знать о безопасности на борту нашего воздушного судна.

Меня всегда смущает такое начало полета. Я убежден, что это фальшивка и предполетный инструктаж не имеет на самом деле никакого отношения к безопасности. Во-первых, в нем никогда не упоминаются десятки тысяч литров авиационного топлива на борту. Именно громадное количество энергии, заключенное в этой жидкости, позволяет нам летать; именно ее пламенная природа придает реактивным двигателям лайнера мощь и способность (в нашем случае) взять четыреста пассажиров в 250-тонном самолете, стоящем на полосе, и за несколько минут разогнать всё это до крейсерской скорости 900 км/ч и поднять на высоту 12 000 м. Потрясающая мощь этой жидкости питает самые безумные наши мечты. Она позволяет нам взмывать над облаками и достигать любой точки земного шара за несколько часов. Именно это вещество доставило первого космонавта планеты Юрия Гагарина на ракете в космос, и именно на нем работают ракеты последнего поколения компании SpaceX, которые выбрасывают спутники за пределы атмосферы. Это вещество называется керосин.

Керосин — прозрачная бесцветная жидкость, которая выглядит в точности как вода, и это сбивает с толку. Где же в ней вся эта скрытая энергия и мощь? Почему присутствие в этой жидкости громадного количества нерастраченной энергии не делает ее на вид, скажем, более густой и опасной? И почему ее никогда не упоминают во время предполетного инструктажа по безопасности?

Структура углеводородной молекулы керосина

Если включить увеличение и взглянуть на керосин на атомном уровне, то можно увидеть, что по структуре его молекула напоминает спагетти. Основа, «хребет» каждой нити состоит из атомов углерода, соединенных в цепочку, где каждый атом связан со следующим. К каждому атому углерода прикреплены два атома водорода (только на концах молекулы — по три). В таком масштабе отличить керосин от воды нетрудно. Вода не имеет нитевидной структуры, это скорее хаотичное скопление маленьких V-образных молекул (один атом кислорода связан с двумя атомами водорода, H2O). В таком масштабе керосин больше похож на оливковое масло, которое тоже состоит из спутанных нитевидных молекул на основе углерода. Но если в керосине нити больше напоминают спагетти, то в оливковом масле они ветвистые и перекрученные.

Поскольку молекулы оливкового масла имеют более сложную форму, чем молекулы керосина, им сложнее протискиваться друг мимо друга, поэтому и течь этой жидкости труднее — иными словами, оливковое масло отличается большей вязкостью, чем керосин. То и другое — масло, и на атомном уровне они выглядят похоже, но из-за структурных различий оливковое масло густое, а керосин льется совсем как вода. Это различие определяет не только вязкость этих масел, но и степень их воспламеняемости.

Персидский врач и алхимик ар-Рази в IX в. написал об открытии керосина в своей «Книге тайн». Он заинтересовался естественными источниками в своем регионе, из которых текла не вода, а густая черная едкая жидкость. В те времена это похожее на гудрон вещество брали из источников и использовали на дорогах, преимущественно как покрытие. Чтобы проанализировать черное земляное масло, ар-Рази разработал особые химические процедуры, которые мы сегодня называем перегонкой. Он нагревал масло и собирал газы, которые из него выделялись. Затем он вновь охлаждал их, после чего они превращались обратно в жидкость. Первые жидкости, которые он выделил таким образом, были желтыми и маслянистыми, но после многократной перегонки они становились светлым, прозрачным и свободнотекущим веществом. Так ар-Рази открыл керосин.

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.

Растения освоили этот фокус. Они втягивают воду наверх вопреки силе тяготения, из земли в свои тела, при помощи системы крохотных трубочек, которые проходят сквозь их корни, стебли и листья. Когда они становятся микроскопическими, отношение площади внутренней поверхности к объему жидкости увеличивается и описанный эффект усиливается. Потому-то производители продают тряпки для мытья окон из «микрофибры», в которой есть микроканалы, аналогичные микроканалам растений. Они всасывают воду, позволяя тряпке очищать стекло эффективнее. Мы можем вытирать пролитую жидкость с помощью кухонных салфеток благодаря тому же механизму. Всё это примеры капиллярного всасывания (капиллярного поднятия), того самого, что возникает под действием силы поверхностного натяжения и позволяет маслу взбираться вверх по веревке — точнее, по фитилю.

Без капиллярного поднятия свечи не могли бы гореть. Когда вы поджигаете фитилек, жар огня расплавляет вещество вокруг и создает лужицу расплавленного воска. Он поднимается по фитильку через микроканалы к пламени. Так он питает пламя новыми порциями жидкого воска, который и сгорает. Если подобрать для фитиля подходящий материал, пламя будет достаточно горячим, чтобы поддерживать существование лужицы жидкого воска и обеспечивать постоянный приток топлива. Эта обманчиво сложная система саморегулирующаяся и требует так мало внимания и вмешательства, что мы давно уже не воспринимаем свечи как техническое устройство, хотя, строго говоря, именно таковыми они и являются.

Тысячи лет по всему земному шару капиллярное поднятие было главным механизмом внутреннего освещения — и в свечах, и в масляных лампах. Без этих двух устройств мир по ночам погружался в темноту и мрак. Вполне ожидаемо, что лампы были популярны там, где в изобилии имеется какое-либо масло, а свечи — там, где проще было достать воск или животный жир. Однако, несмотря на хитрое устройство, у свечей и масляных ламп были свои недостатки: помимо их пожароопасности, еще и сажа, малая яркость пламени, запах и цена. Поэтому всегда находились люди, которые занимались поиском лучших, более дешевых и безопасных способов внутреннего освещения. Открытие Мухаммадом ар-Рази керосина в IX в. могло бы стать решением проблемы, если бы кто-нибудь до этого додумался.

Предполетный инструктаж по безопасности на борту авиалайнера был в разгаре, и теперь бортпроводники тоже игнорировали значение керосина. До сих пор его ни разу не упомянули, хотя в тот самый момент эту замечательную штуку впрыскивали в реактивные двигатели под крыльями лайнера, чтобы они вывели его на взлетную полосу. А бортпроводники говорили о том, что делать в случае «разгерметизации салона». Я, как англичанин, могу по достоинству оценить, мягко говоря, сдержанность этой фразы. Звучит не особенно впечатляюще, и кажется, что тут нет ничего страшного; на самом же деле, если во время крейсерского полета на большой высоте в обшивке салона внезапно появится дырка или трещина, из него будет быстро высосан воздух вместе со всеми, кто окажется в этот момент не пристегнут к креслу. После этого кислорода в воздухе останется недостаточно для нормального дыхания — отсюда маски, автоматически падающие с потолка. Самолет при этом должен немедленно начать крутой спуск на меньшие высоты, где кислорода в воздухе больше. И тогда каждый, кто доживет до этого момента, бесспорно, будет уже в безопасности.

Недостаток кислорода был серьезной проблемой и для древних масляных ламп. Их конструкция не обеспечивала приток к горящему фитилю количества кислорода, достаточного для полного сгорания топлива, и пламя лампы давало относительно мало света. Это было проблемой до XVIII в., когда швейцарский ученый по имени Ами Арганд изобрел новый тип масляной лампы, где фитиль в форме рукава был защищен прозрачным стеклом. Лампа была устроена так, что воздух мог проходить сквозь середину кольцевого пламени, и поступление кислорода к огню — а значит, эффективность и яркость устройства — радикально улучшились. Такая лампа по светимости была эквивалентна шести или семи свечам. Это изобретение повлекло множество других новшеств, и со временем стало ясно, что оливковое масло, как и другие растительные масла, — не идеальное топливо. Для более яркого света нужны более высокие температуры, для них — более быстрое капиллярное поднятие, а его скорость определяется поверхностным натяжением и вязкостью жидкости. Попытки найти дешевые масла с низкой вязкостью вдохновили ученых на множество экспериментов и, как ни печально, вызвали гибель множества китов.

Добыча кашалота. Джон Уильям Хилл (1835). © Yale University Art Gallery

Китовая ворвань получается при кипячении полос китового жира. Масло, которое вываривается из него, отличается чистым медовым цветом. Оно не слишком хорошо подходит для готовки или собственно в пищу из-за сильного рыбного запаха, но имеет низкую вязкость, а точка возгорания у него равна 230 °C. Поэтому ворвань очень хороша для масляных ламп.

Использование ворвани в лампах Арганда резко подскочило в конце XVIII в., особенно в Европе и Северной Америке. В 1770–1775 гг. китобои Массачусетса, пытаясь удовлетворить растущий спрос, производили по 45 000 бочек китовой ворвани ежегодно. Охота, подпитываемая нуждой во внутреннем освещении, стала настоящей индустрией, и некоторые виды китов оказались почти полностью истреблены ради удовлетворения этой потребности. По разным оценкам, к началу XIX в. ради добычи жира было убито более четверти миллиона китов.

Долго так продолжаться не могло, но потребность во внутреннем освещении по-прежнему росла. Население увеличивалось и богатело, всё большее значение придавалось образованию, культура чтения и развлечений после наступления темноты входила в массы, так что спрос на масла только рос. Одновременно усиливалось и давление на изобретателей и ученых, которые должны были предложить способ удовлетворения этой потребности. Среди них был и Джеймс Янг, шотландский химик, который в 1848 г. нашел способ получения из угля жидкости, прекрасно подходившей для лампы. Он назвал ее парафиновым маслом. Канадский изобретатель Авраам Геснер проделал то же и назвал свою жидкость керосином. Эти открытия могли и не привести к серьезным результатам, однако сделаны они были перед самым началом Гражданской войны в Америке. Китобойные суда стали мишенью для военных кораблей, а налоги на другие виды ламповых масел дали керосиновой промышленности удачную возможность для старта. Однако реальный прорыв произошел только тогда, когда изобретатели начали возиться не с углем, а с сырой нефтью, которую можно было обнаружить возле угольных шахт. Ее приходилось выкачивать из земли, это черная, пахучая, липкая субстанция. Но, прежде чем ее применить, пришлось освоить дистилляцию — старый фокус, впервые использованный еще ар-Рази и оказавшийся чрезвычайно выгодным. Теперь джинна действительно выпустили из бутылки.

Тем временем на борту моего самолета по-прежнему не было сказано ни слова о керосине. Инструктаж по безопасности дошел до пункта об аварийных выходах, и один из проводников встал в проходе и развел руки с растопыренными пальцами, указывая нам их расположение. Мне сказали, что позади меня два таких выхода, и впереди два, и еще два над крыльями. Мне хотелось добавить: «А еще 50 000 литров керосина в баке у нас под ногами и по столько же в каждом из крыльев лайнера». Должно быть, я пробормотал что-то себе под нос, поскольку привлек внимание соседки, которую, как я позже выяснил, звали Сьюзен. Впервые после посадки в самолет она подняла голову от книги. На мгновение она встретилась со мной глазами поверх очков в красной оправе, затем вернулась к чтению. Ее взгляд хотя и длился меньше секунды, но успел сказать мне очень многое. Он говорил: «Расслабьтесь. Самолет — самое безопасное средство перемещения на большие расстояния. Знаете ли вы, что каждый день больше миллиона людей летает в стратосфере и шансы на то, что произойдет что-то плохое, мизерные? Нет, даже меньше. Сядьте поудобнее. Расслабьтесь. Почитайте книгу». Я понимаю, что здесь очень много информации для передачи взглядом, но поверьте мне, ее короткий взгляд сказал мне всё это.

Нефтеперегонный завод; высокие колонны — дистилляционные сосуды. © Kyle Pearce

К счастью или нет, но я не мог думать ни о чем, кроме керосина — и замечательного фокуса, который изобретатели середины XIX в. использовали для переработки сырой нефти: метода перегонки. Ар-Рази для этого применял аппарат, известный как аламбик, — примерно то же, что мы сегодня называем дистилляционными, или ректификационными, сосудами. Это те самые колонны, которые торчат вверх из всех нефтеперегонных заводов.

Сырая нефть — смесь углеводородных молекул различной формы: и длинных, как спагетти, и более компактных, и замкнутых в кольца. Хребет каждой такой молекулы состоит из атомов углерода, связанных последовательно в цепочку. С каждым атомом углерода связаны также два атома водорода, при этом есть множество вариантов молекул, различающихся формой и размерами: атомов углерода в молекуле может быть от пяти до нескольких сотен штук. Молекул с числом атомов углерода меньше пяти очень мало, потому что они склонны существовать в форме газов: это метан, этан и бутан. Чем длиннее молекула, тем выше температура кипения вещества — и вероятность того, что при комнатной температуре оно будет жидкостью. Это верно для углеводородных молекул с числом атомов углерода примерно до сорока. Если молекула еще больше, то она практически не может плавать, и вещество становится смолой.

Смесь углеводородных молекул в составе сырой нефти (показаны только атомы углерода)

При перегонке сырой нефти первыми выделяются самые маленькие молекулы. Молекулы углеводорода с числом атомов углерода от пяти до восьми образуют светлую прозрачную и чрезвычайно горючую жидкость. Точка возгорания для нее равна –45 °C, то есть даже при минусовых температурах она легко вспыхивает. Так легко, что заливать ее в масляную лампу опасно. Поэтому в самом начале развития нефтяной промышленности эту жидкость считали отходом производства и выбрасывали. Позже, когда мы лучше разобрались в ее достоинствах, мы ее оценили — особенно за то, что, если ее смешать с воздухом и поджечь, она дает достаточно горячего газа, чтобы двигать поршень машины. Позже ее назвали бензином и начали использовать как топливо для двигателей внутреннего сгорания.

Более крупные молекулы с числом атомов углерода 9–21 образуют прозрачную светлую жидкость с более высокой температурой кипения. Она испаряется медленно, ее не так просто поджечь. Но поскольку каждая молекула в ней довольно велика, если реакция с кислородом всё же возникает, энергии в ней выделяется много, причем в виде горячего газа. Однако жидкость не загорится, если ее не впрыснуть в воздух; кроме того, ее можно сжать до высокой плотности, прежде чем она самопроизвольно вспыхнет. Именно этот принцип открыл в 1897 г. Рудольф Дизель, имя которого в итоге получила жидкость, ставшая основой его грандиозного изобретения — самого успешного двигателя XX столетия.

Но во времена младенчества нефтяной отрасли, в середине XIX в., дизельный двигатель еще не был изобретен, зато имелась настоятельная потребность в горючей жидкости для масляных ламп. И производители создали жидкость, в которой молекулы содержали по шесть — шестнадцать атомов углерода. Она где-то посередине между бензином и дизельным топливом. Имеет достоинства дизельного топлива — не испаряется настолько быстро, чтобы образовывать взрывоопасные смеси, — но при этом с очень низкой вязкостью, близкой к вязкости воды. Капиллярное поднятие у нее проходит великолепно, что позволяет пламени гореть очень ярко. Жидкость оказалась дешевой и эффективной и не требовала для производства оливковых рощ или китов. Это был керосин — идеальное ламповое масло.

Но безопасен ли он? На какое-то время мое сознание отвлеклось от происходящего — я пытался расслабиться, следуя невысказанному совету Сьюзен, — но теперь внимание вновь переключилось на бортпроводников. Они, продолжая инструктаж по безопасности, перешли к рассказу о спасательных жилетах. На каждом из них уже был такой жилет, и проводники делали вид, что свистят в свисток. Я представил себе, каково это — выжить при аварийной посадке на воду и оказаться в море, возможно ночью, пытаясь свистеть. Я также подумал о том, что происходит с керосином в баках самолета в случае такой посадки. Может ли он взорваться?

Структурная формула молекулы нитроглицерина

Мне известна по крайней мере одна жидкость, которая точно могла бы взорваться в таких обстоятельствах: нитроглицерин. Как и керосин, он бесцветный, прозрачный и маслянистый. Первым его синтезировал итальянский химик Асканио Собреро в 1847 г. Он не убил создателя — чудо, если учесть, что это невероятно опасное и нестабильное химическое вещество, вполне способное неожиданно взорваться. Асканио был так напуган возможными перспективами использования этого химиката, что год не сообщал о своем открытии, да и потом пытался удержать других химиков от изготовления опасного вещества. Но его ученик Альфред Нобель сумел разглядеть потенциал изобретения; Нобель решил, что оно может заменить порох. Со временем ему удалось привести нитроглицерин в относительно безопасную форму. Альфред превратил жидкость в твердое вещество, которое уже не склонно случайно взрываться (хотя и убило его брата Эмиля), и создал динамит. Изобретение Нобеля перевернуло горную промышленность и обогатило создателя. До динамита горнодобывающие компании вынуждены были полагаться на ручной труд: туннели, выработки и шахты копали вручную. Свое состояние — по крайней мере, его часть — Нобель использовал для учреждения самой известной в мире международной премии.

Как и бензин, дизельное топливо и керосин, нитроглицерин состоит из углерода и водорода. Но в нем есть и добавки: атомы кислорода и азота. Их присутствие и положение в молекуле делают нитроглицерин нестабильным. Если молекула оказывается под давлением в результате контакта с чем-то или вибрации, она легко распадается. Тогда атомы азота собираются вместе и образуют газ, а атомы кислорода реагируют с углеродом и образуют диоксид углерода (CO2), или углекислый газ. Они также реагируют с водородом, образуя пар, а из того, что остается, получается дополнительный газ — кислород. Распадаясь, молекула создает в нитроглицерине ударную волну, которая вызывает распад соседних молекул, что создает еще больше газа и поддерживает волну. В итоге все молекулы вещества распадаются в результате цепной реакции, которая идет со скоростью, в тридцать раз превышающей скорость звука, и почти мгновенно превращает жидкость в горячий газ. Объем газа тысячекратно превосходит объем жидкости, поэтому он стремительно расширяется, вызывая сильнейший тепловой взрыв. Очень многие разрушения Второй мировой войны объясняются широким использованием взрывчатых веществ на основе нитроглицерина.

Ограничение в 100 мл на количество жидкости, разрешенное к провозу в авиалайнерах, придумано для того, чтобы не дать злоумышленнику пронести на борт достаточно жидкой взрывчатки, такой как нитроглицерин, чтобы разрушить самолет. Вещество все равно взорвется, конечно, но энергии будет недостаточно, чтобы самолет упал. Однако мысль о том, что в одном литре керосина содержится в десять раз больше энергии, чем в литре нитроглицерина, а в топливных баках самолета этого керосина десятки тысяч литров, действует отрезвляюще.

Но керосин — не взрывчатка, он не умеет спонтанно взрываться. В отличие от нитроглицерина, у него в структуре молекулы нет атомов ни кислорода, ни азота. Это стабильная молекула, которая не распадается так легко. Керосин можно бить, давить, в нем можно даже купаться — он не взорвется. Он мощнее нитроглицерина, но если вы хотите обуздать его, то вам, в отличие от случая с нитроглицерином, придется потрудиться: нужно заставить его реагировать с кислородом. При реакции керосина и кислорода образуется CO2 и водяной пар, но, поскольку скорость реакции ограничена доступом к кислороду, воспламенение можно контролировать.

Мощь керосина и наша способность управляемо сжигать его придают этой жидкости такое важное технологическое значение. Сейчас земная цивилизация сжигает примерно миллиард литров керосина в день, в основном в реактивных двигателях и космических ракетах, но во многих странах он и сегодня используется для освещения и обогрева. В Индии, например, больше 300 млн человек освещают свои дома керосиновыми лампами.

И все же, как бы нас ни грела мысль о том, что мы научились управлять керосином, у него есть темная сторона. Ужасы 11 сентября 2001 г. тому пример. В тот день я был дома перед телевизором и неверяще глядел в экран. По правде говоря, не могу вспомнить, видел ли я, как второй самолет врезался в одну из башен-близнецов, в прямом эфире или в каком-то выпуске новостей, но я был ошеломлен. Я стоял, тупо глядя в телик и пытаясь осмыслить происходящее. Оба здания горели, поступали сообщения и о самолетах, направляемых на цели где-то еще. Думал, хуже уже быть не может. Оказалось, может: первая башня рухнула, сложившись внутрь будто в замедленной съемке, как умеют только гигантские объекты. А потом упала и вторая. Мы уже были готовы к этому, но подействовало все равно оглушающе.

Обрушило башни не что-нибудь, а топливо из самолета. Взрыва не было, ведь керосин стабилен. Согласно докладу ФБР, керосин реагировал с кислородом из ветров, продувавших насквозь поврежденные этажи, в результате чего температура там поднялась до более чем 800 °C. Это не расплавило стальной каркас здания — сталь плавится при температурах выше 1500 °C. Но при 800 °C ее прочность снижается примерно наполовину, и она начала деформироваться. Стоило одному этажу искривиться, и всё здание над ним обрушилось на этаж ниже, заставив его деформироваться, и так далее, как в карточном домике. Всего при падении башен-близнецов погибло более 2700 человек, включая 343 пожарных Нью-Йорка. Эти террористические атаки стали значимым моментом в мировой истории: не только потому, что они повлекли за собой войны и присущие им ужасы, но и потому, что падение башен стало мощным символом хрупкости демократической цивилизации. А активным участником разрушения стал керосин из самолетов.

Так что вы понимаете, почему я говорю, что его вполне могли бы упомянуть во время инструктажа по безопасности. Но он закончился, и никто не сказал ни слова о 150 000 литров керосина на борту, как не упомянул и о его двойственной природе: о том, что, с одной стороны, это обычное прозрачное масло, настолько стабильное, что, если бросить зажженную спичку в топливный бак, оно не загорится; а с другой — в смеси с достаточным количеством кислорода оно становится в десять раз мощнее, чем знаменитая взрывчатка нитроглицерин. Мою соседку Сьюзен всё это, казалось, совсем не беспокоило; она по-прежнему была с головой погружена в свою книгу.

Хотя керосин и не упоминается напрямую во время предполетного инструктажа по безопасности, мне подумалось, что он неявно там фигурирует. Ведь инструктаж, если подумать, — единый всемирный ритуал, который объединяет всех нас независимо от расы, национальности, пола или религиозной принадлежности. Мы все принимаем в нем участие, прежде чем керосин будет подожжен и самолет взлетит. Опасности, о которых предупреждают нас бортпроводники, такие как посадка на воду, встречаются настолько редко, что, даже если вы будете летать каждый день на протяжении всей жизни, вам вряд ли удастся когда-нибудь встретиться с ними. Так что дело на самом деле не в них. Но, как во всех ритуалах, здесь используется шифр и ряд специальных действий, а также особый реквизит. В религиозных ритуалах в качестве такового часто выступают свечи, кадильницы и чаши; в предполетном ритуале, связанном с безопасностью, это кислородные маски, спасательные жилеты и ремни безопасности. На самом же деле он должен сообщить вам следующее: вы собираетесь совершить нечто очень опасное, но инженеры сделали это почти совсем безопасным. Это «почти» подчеркивается тщательно продуманными действиями с упомянутым выше реквизитом. Ритуал проводит четкую границу между нормальной жизнью, где ваша безопасность зависит от вас самих, и нынешней, в которой вы передаете контроль над ней группе лиц с инженерными системами. Эти люди обуздывают и заставляют работать одну из самых мощных жидкостей на планете ради того, чтобы стремительно пронести вас сквозь атмосферу и доставить на место назначения. Иными словами, вы должны доверять этим людям полностью, ваша жизнь в их руках; так что ритуал перед полетом на самом деле представляет собой церемонию передачи доверия.

Когда бортпроводники двинулись по проходам, нарочито тщательно проверяя, правильно ли застегнуты ремни и убраны ли вещи, я понял, что ритуал подходит к концу — это было, так сказать, завершающее благословение. Я серьезно и понимающе кивнул подошедшей бортпроводнице. Лайнер выехал на взлетную полосу и начал взлет — экипаж готовился привлечь знания, накопленные более чем за тысячу лет, и превратить жидкий керосин в полет.

Если вы когда-нибудь надували шарик, а затем отпускали его и смотрели, как он хаотичными зигзагами носится по комнате, вам нетрудно будет понять, как работает реактивный двигатель. Когда сжатый воздух вырывается из шарика с одной стороны, сам он под действием этого потока летит в другую: это третий закон Ньютона, который гласит, что каждое действие вызывает равное по величине и противоположное по знаку противодействие. Но идея запасти достаточно сжатого воздуха, чтобы он мог толкать авиалайнер, была бы совершенно неэффективна; к счастью, британский инженер Фрэнк Уиттл придумал, как решить эту проблему. Он рассудил, что, поскольку в небе и так полно газа, самолету нет нужды везти его с собой; достаточно сжимать тот газ, который уже есть в небе и сквозь который вы летите, и выбрасывать его назад. Необходима только машина для сжатия воздуха. Именно этот компрессор вы видите под крылом, когда садитесь в самолет: он похож на громадный вентилятор и является таковым, но при этом вы не видите, что внутри кожуха есть еще десяток или больше вентиляторов, каждый следующий меньше предыдущего. Их задача — засасывать внутрь воздух и сжимать его. Оттуда он поступает в камеру сгорания, расположенную в середине двигателя, где смешивается с керосином и поджигается, давая при этом струю раскаленного газа, которая выбрасывается из двигателя назад. Гениальность конструкции в том, что по пути наружу воздух отдает часть энергии на вращение комплекта турбин — тех самых, что приводят в действие компрессоры передней части двигателя. Иными словами, двигатель отбирает энергию у горячего газа, а потом, летя по небу, использует ее для сбора и сжатия следующих порций воздуха.

Воздух, мощно выбрасываемый из двигателя сзади, позволил нашему авиалайнеру весом около 250 тонн набрать скорость. Глядя на окружающий мир из окна разгоняющегося самолета, очень трудно почувствовать, как быстро он движется. Крылья подскакивают и начинают неуклюже качаться на каждом ухабе взлетной полосы; в этот момент они даже отдаленно не напоминают тот шедевр инженерной элегантности, которым станут после отрыва от земли. На скорости 130 км/ч внутренности салона начинают дребезжать и как будто даже стонать; звуки и вибрация постепенно усиливаются, вызывая тревогу. Если бы я никогда прежде не летал на самолетах, в этот момент я сильно усомнился бы в том, что мы когда-нибудь оторвемся от земли.

И все же чистая, воплощенная в керосине энергия разгоняет самолет всё сильнее; топливо более мощное, чем нитроглицерин, расходуется со скоростью 4 л/с. К этому моменту наш лайнер разогнался уже до 260 км/ч и быстро приближался к концу трехкилометровой полосы. Наступил, пожалуй, самый опасный момент полета. Полосы совсем немного, и мы, если не взлетим в ближайшее время, съедем с нее и врежемся в стоящие за ней здания, имея в топливных баках многие тысячи литров керосина. И все же волшебным образом мы, подобно гусю, взлетающему с озера, вскарабкались в небо, оставив за несколько секунд внизу на земле и здания, и машины, и людей. Этот момент я больше всего люблю в полетах, особенно когда самолет пронзает низкие лондонские облака и поднимается выше, под яркое солнце, как и было в тот день. В такие моменты ощущаешь себя так, будто выходишь в параллельный мир, и я никогда не устаю от этого.

Самолет — в каком-то смысле волшебная лампа современности. Ее джинн — керосин — готов исполнить ваше желание и доставить вас в любую точку мира. Туда вы, как и полагается, полетите — правда, не на ковре, а просто на самолете. Но это даже лучше, ведь салон защитит вас от сильного холода и ветра, и он достаточно удобен, чтобы вы могли в нем отдохнуть или даже поспать во время путешествия.

Конечно, у нашего джинна, как у всех духов, есть темная сторона. Мы успели уже полюбить мощь керосина, но воздушные перелеты — как и вообще использование продуктов переработки сырой нефти — нарушают климатическое равновесие: на Земле быстро теплеет из-за выбросов диоксида углерода при сжигании всевозможных масел, таких как керосин. Все жители планеты вместе сейчас потребляют 16 млрд л нефти в день. Хватит ли нам ума, чтобы найти способ загнать джинна обратно в бутылку? Это один из важнейших вопросов XXI столетия.

Но, оказавшись над облаками, я, откровенно говоря, не думал об этом. Я восхищенно любовался облачными пейзажами и с нетерпением ждал, когда же бортпроводник, который уже появился в проходе со своей весело дребезжащей тележкой, подойдет ко мне и предложит выпить.

Глава 2. Опьяняющие

Когда мы поднялись на крейсерскую высоту — 12 000 м, — я был уже вполне доволен жизнью и смотрел со своего места у окна вниз на облачный слой. Солнце озаряло облака ярким светом и щедрым потоком вливалось в салон. В какой-то момент я отвернул голову от окна и встретился взглядом с соседкой, которая тоже смотрела в окно.

— Как здорово было бы сейчас выпрыгнуть и нырнуть в эти громадные пушистые теплые облака, — сказал я.

— Они не теплые, — возразила соседка.

— Ну да, не теплые. Вы правы. Простите.

«Боже мой, неужели я действительно это произнес?» — подумалось мне. Наверное, всё дело в вине. Неужели оно уже ударило мне в голову? Я внимательно рассмотрел этикетку на своей миниатюрной пластиковой бутылочке, где заявлялось, что жидкость, которую я пью, — вино из Австралии, изготовленное из винограда сорта «шардоне». В описании значилось, что это вино «обладает полным вкусом» и «оставляет мягкое ванильное послевкусие». Я сделал глоток, чтобы проверить, удастся ли мне ощутить ваниль. Не удалось. Почувствовал кислоту и что-то цветочное. Я еще раз исследовал этикетку. В вине содержалось 13 % спирта.

Химически спирты похожи на керосин: они горят, и вы могли сами в этом убедиться, если заказывали когда-нибудь десерт фламбе. Как правило, для подобных затейливых блюд используется бренди: это напиток с высоким содержанием спирта (обычно 40 %), и именно он горит голубым пламенем поверх вашего десерта.

Чистый спирт тоже легко горит и даже иногда используется как топливо для автомобилей. Основной производитель спирта из сахарного тростника — Бразилия, и он используется там как транспортное топливо. Считается, что эта страна имеет одну из самых устойчивых биотопливных экономик в мире — 94 % бразильских пассажирских транспортных средств работает на спирте, смешанном в разных пропорциях с другими веществами. При производстве этой жидкости из сахарного тростника извлекается сок, который затем ферментируется с участием дрожжей. Именно так выглядит процесс приготовления любого вина или пива: дрожжи съедают сахар и производят спирт. Но при создании биотоплива спирт затем необходимо очистить. В других частях света оно не так популярно, как в Бразилии, отчасти потому, что многие виды ископаемого топлива производить гораздо дешевле; вдобавок для производства спирта в масштабах, достаточных для обеспечения транспортной системы целой страны, нужно очень много земли. Поэтому те культуры, которые обычно перерабатываются на спирт, в большинстве стран мира выращивают в основном для производства выпивки.

Спирт — ключевой компонент многих самых популярных в мире напитков, таких как вино, пиво и крепкий алкоголь, но при этом он токсичен. Именно потому спиртные напитки опьяняют. Отсюда и слово «интоксикация». Содержащиеся в спирте токсины подавляют нервную систему, вызывая снижение когнитивных и моторных функций и утрату контроля над собой. Удивительно, но, несмотря на такие серьезные физиологические эффекты, мягкое опьянение очень и очень приятно. Лично меня оно расслабляет, позволяет меньше тревожиться и больше улыбаться; при дозах побольше я могу даже танцевать (плохо) и не стесняться этого. В самом деле, ничто не бывает так кстати, как пьянящий напиток в конце долгой рабочей недели. «Выпей меня, — говорит бутылка вина, — и на какое-то время мир для тебя не будет прежним».

Спирты — общее название для семейства углеводородных молекул, схожих с молекулами бензина и дизельного топлива, но с прикрепленными к ним дополнительными атомами водорода и кислорода. Эти атомы называются гидроксильной группой. Разные виды спиртов имеют молекулы разных размеров: у того, который мы пьем, в молекуле два атома углерода, и называется он этиловым, или этанолом. Его молекула дипольная; это значит, что электрический заряд в ней разделен. В случае спиртов разделение возникает из-за гидроксильной группы. Молекула воды тоже имеет такую группу и тоже дипольная. Благодаря сходству молекул этиловый спирт легко растворяется в воде. Когда этикетка на бутылке с алкогольным напитком сообщает, каков в нем процент спирта, знайте, что именно столько растворенного этилового спирта вы собираетесь выпить. В случае с тем шардоне, которое я пил в самолете, ответ был 13 %.

Сравнение химической структуры двух спиртов — метанола и этанола. В молекуле метанола один атом углерода, у этанола — два. Обе — дипольные молекулы, содержащие гидроксильную группу OH на конце. Молекула воды также представляет собой диполь, и это сходство позволяет и метанолу, и этанолу хорошо смешиваться с водой

Если одна сторона молекулы спирта делает ее похожей на молекулу воды, то другая — углеводородная основа — напоминает структурой молекулы масел и те жирные молекулы, которые покрывают клетки тела. Это сходство позволяет молекулам этилового спирта легко обходить защиту клеточных мембран и благодаря маленькому размеру проскальзывать сквозь стенку желудка и попадать прямо в кровоток. Приблизительно 20 % этилового спирта, который вы употребляете, когда пьете вино, поступает сразу в кровь. Вот почему действие алкоголя чувствуется почти моментально.

«Наверное, это объясняет мое нелепое замечание в адрес Сьюзен», — подумал я и бросил быстрый взгляд в ее сторону, чтобы посмотреть, не обиделась ли она. Она, казалось, была с головой погружена в роман. Я отметил седые, коротко стриженные волосы, очки в красной оправе и черную футболку. За пятьдесят, так я оценил ее возраст. К футболке Сьюзен прилипло несколько волос гораздо длиннее, чем ее собственные. Может быть, это волосы ее возлюбленного, оставшиеся на футболке при прощальном объятии в аэропорту? Или ее собаки.

Собаки тоже пьянеют, поэтому сейчас появился и активно развивается рынок безалкогольного вина, разработанного специально для того, чтобы домашние питомцы могли пить его по праздникам. Безалкогольное вино для людей тоже существует, хотя, по моему опыту, на вино оно не особо похоже. Зато оно наглядно показывает, насколько в настоящих винах спирт уравновешивает для нас сладость и фруктовый привкус виноградного сока. Именно он придает вину изысканность и власть над людьми. Спирт превращает сок в напиток взрослых людей — яд, конечно, но такой, чарам которого мы охотно поддаемся.

В тот момент я уже чувствовал легкое опьянение, но, поскольку я к тому же довольно давно не ел, оно должно было усилиться. При отсутствии пищи, которая замедляет продвижение спирта по желудку, он добрался уже до тонкого кишечника. Здесь он попал в мой кровоток, а затем и в печень. Работа печени — избавляться от токсина, но она способна перерабатывать этиловый спирт лишь со скоростью, соответствующей примерно бокалу вина в час (в зависимости от ваших габаритов). Если вы пьете быстрее, этиловый спирт будет попадать в кровоток быстрее, чем печень сможет его переработать, — и он проникнет и в другие ваши органы, распространив свою мощь на весь ваш организм. На мозг, например, алкоголь действует у разных людей по-своему. Всё зависит от того, сколько вы пьете, от вашего душевного состояния и других подробностей вашей физиологии. Но в основном всё сводится к тому, что алкоголь угнетает вашу нервную систему, снижает ограничения и изменяет настроение.

Алкоголь действует и на другие органы. Он временно расслабляет сердечные мышцы, заставляя их сокращаться менее энергично, и снижает кровяное давление. Когда кровь идет сквозь легкие, чтобы вобрать в себя кислород из вдыхаемого воздуха, часть спирта проходит сквозь мембраны вместе с углекислым газом, который удаляется из крови. При выдохе пары спирта выпускаются вместе с воздухом — вот почему, если человек пил, это можно почувствовать по запаху. Проверка выдоха на присутствие паров спирта — принцип действия алкотестеров, при помощи которых полиция определяет, правда ли подозрительный водитель нетрезв.

Если запах перегара в дыхании не слишком приятен, то другой конец молекулы этилового спирта — тот, что похож скорее на масло, чем на воду, — дает нам куда более ароматные жидкости: душистые вещества. Эфирные масла, выделенные из растений, таких как бергамот или апельсин, или смолы, например мирра, и вещества животного происхождения, такие как мускус, можно растворить в спирте и превратить в парфюм. Когда вы наносите духи на теплую кожу, спирт испаряется, а масла остаются на коже и медленно улетучиваются в воздух, обволакивая вас облаком выбранного вами аромата. Основу всех парфюмов, грудами лежащих в залах вылета аэропортов, составляет спирт. Если бы вам отчаянно хотелось напиться, вы могли бы употребить и их: туалетная вода опьяняет не хуже водки. Но тут стоит быть осторожными: в некоторых дешевых парфюмах может содержаться метиловый спирт, или метанол.

Метиловый спирт — наименьшая среди спиртов молекула, в ней всего один атом углерода. Этим он отличается от этилового, в котором таких атомов два. Эта небольшая разница кардинально меняет фармакологическое действие вещества и делает метиловый спирт намного более ядовитым, чем этиловый. Одна стопка чистого метанола может вызвать устойчивую слепоту; три стопки убьют вас. Всё потому, что метиловый спирт, попавший в организм, наша пищеварительная система перерабатывает в муравьиную кислоту и формальдегид. Муравьиная кислота действует на нервные клетки, особенно на клетки зрительного нерва. Если выпить такого спирта слишком много, можно ослепнуть из-за разрушения зрительного нерва — отсюда пошло английское выражение blind drunk, «пьян до слепоты». Кроме того, муравьиная кислота действует на почки и печень, вызывая необратимые повреждения, которые могут оказаться смертельными.

Метиловый спирт образуется в процессе ферментации (брожения) алкоголя, особенно при производстве крепких напитков вроде водки или виски, но затем его тщательно удаляют, так что в напитках промышленного производства вы его не встретите[1]. Если же вы сами гоните самогон, как бы он ни назывался в ваших краях (хууч, потин или как угодно еще, речь о любом крепком алкогольном напитке кустарного производства), вы должны быть очень осторожны. Как правило, в этих случаях используется ферментация крахмала таких культур, как кукуруза, пшеница или картофель. В результате получается слабоалкогольная смесь под названием брага, которую затем соединяют с системой труб, известной как самогонный аппарат, нагревают и перегоняют в жидкость с высоким содержанием спирта. В начале процесса из аппарата выходит концентрированный метиловый спирт — его необходимо вылить. Опытные самогонщики это знают, но каждый год где-нибудь гибнут люди, занимавшиеся изготовлением спиртных напитков впервые.

Те, кто ищет дешевый алкоголь, иногда пробуют различные спиртосодержащие жидкости, которые легко купить, такие как антифриз, чистящие средства и парфюмы. Это очень плохая идея не только потому, что эти жидкости отвратительны на вкус, но и потому, что, поскольку они не предназначены для питья, производители не всегда удаляют содержащийся в них метиловый спирт. Это может привести к трагическим последствиям. Так, в декабре 2016 г. в российском Иркутске пятьдесят восемь человек умерли из-за того, что выпили ароматическое средство для ванн. Убили этих людей не ароматизаторы, а метиловый спирт[2].

Здесь же, в самолете, к нам вновь приближалась тележка с напитками, и я был уверен, что метилового спирта в алкогольных напитках на ней очень мало или нет вовсе. Подойдя к нам, бортпроводница спросила, хотим ли мы получить какие-нибудь напитки к обеду. Сьюзен выбрала белое вино, я предпочел красное. «Терпеть не могу ваниль в белом вине, — сказал я ей, — но, может, вам повезет». Сьюзен улыбнулась, налила себе вина и отсалютовала мне бокалом, но ничего не сказала и вернулась к своей книге. Казалось, она была довольна тем, что я немного расслабился. Я тоже был рад этому. Алкоголь — безусловно, прекрасный релаксант и социальная смазка. Да, это наркотик, но он одобрен законом и приносит обществу больше благ, чем проблем; по крайней мере нам нравится так думать. Опьянение помогает расслабиться — а может и пробудить враждебность. В любом случае у человека притупляется способность принимать четкие рациональные решения. Это заставляет задуматься о том, почему опасности опьянения не упоминаются во время предполетного инструктажа по безопасности: пьяный, очевидно, менее надежен в критической ситуации и плохо способен принимать верные решения, что может сказаться и на других пассажирах. Но, с другой стороны, задаваться таким вопросом — значит считать, что инструктаж на самом деле посвящен безопасности, а я, как уже упоминалось, не верю в это.

Хотя употребление вина, вероятно, не повысит вашу безопасность, от него есть и другая польза, в частности та, которую подразумевала бортпроводница: вином традиционно сопровождают трапезы, и оно, будучи само по себе приятным, действует еще и как весьма эффективный нейтрализатор вкуса, что позволяет получать более полное наслаждение от пищи. Один из ключевых вкусовых компонентов вина — его терпкость: ощущение сухой пергаментной шершавости во рту. Терпкими можно также назвать гранаты, соленья или недозрелые фрукты; иногда говорят, что они «вяжут язык». Винам это свойство придают танины. Эти молекулы — их можно найти, скажем, в виноградных шкурках — разлагают смазывающие белки слюны и оставляют вас с пересохшим ртом. Но легкая терпкость в напитках приятна, особенно если вы запиваете ими жирную пищу. Жиры смазывают рот; они способны также сделать блюдо сытным и изысканным, но в избыточных количествах заглушают вкус и вызывают во рту ощущение вязкости и неприятной маслянистости. Терпкость же устраняет его, очищает рот, нейтрализует любое послевкусие от пищи — и заново приводит ваши рецепторы в нейтральное состояние готовности.

Исследования показывают, что нейтрализация вкуса работает лучше всего, если терпкий напиток прихлебывают между кусочками жирной пищи; такое сочетание позволяет избежать формирования во рту как ощущения сухости, связанного с танинами, так и скользкого ощущения жирности. Иными словами, имеет смысл пить красное вино со стейком или жирной рыбой, такой как семга, — что бы кто ни говорил о том, что красные вина с рыбой не сочетаются. Люди думают, что они могут заглушить тонкий вкус рыбы, поэтому рекомендуют к ней белые вина. Но на самом деле вкусовые профили белых вин (фруктовые, ванильные и т. п.) аналогичны профилям красных, так что одно правило на все случаи жизни здесь не годится. При выборе вина к трапезе куда важнее учесть его кислотность и сахаристость. Кислотность — мера кислоты напитка, сахаристость — его сухости во рту. Некоторые люди, например, любят, чтобы вино уравновешивало горьковатый вкус пищи, и берут к трапезе бокал чего-нибудь сухого и кислого. Ароматное белое вино Rioja хорошо идет с глазированным окороком, а красное Pinot Noir отлично сочетается со средиземноморским рыбным рагу.

Во многих культурах к пище подают не вино, а крепкие спиртные напитки, например водку. Это очень эффективные нейтрализаторы вкуса, поскольку они содержат высокий процент этилового спирта (часто 40 %), который и дает терпкость. Кроме того, спирт растворяет масла и жиры во рту и, соответственно, удаляет связанный с ними вкус. Преимущество употребления с трапезой крепких спиртных напитков в том, что они почти не имеют собственного вкуса и аромата и потому не создают диссонанса с пикантными и острыми блюдами, такими как соленая сельдь.

Чистая водка почти не имеет вкуса, потому что практически не пахнет. Основные вкусы — соленый, сладкий, кислый, умами[3] и горький — распознаются вкусовыми сосочками на языке, а сложные вкусовые профили пищи и напитков — тысячами обонятельных рецепторов в носу. Отсюда и значение, которое знатоки придают букету вина. Именно поэтому ценители всегда нюхают его, прежде чем пить; большая часть вкуса, который вы ощущаете, на самом деле заключена в аромате. Кстати, именно поэтому винные бокалы такие большие и округлые. Назначение этого сосуда — удерживать букет вина, чтобы вы могли оценить его и насладиться им.

Когда вы едите, за восприятие пищи отвечают в основном ее запахи, которые высвобождаются во рту. Если у вас простуда, а обонятельные рецепторы забиты слизью, вы не способны ощутить все тонкости вкуса того, что едите. Это также объясняет, почему вино при разной температуре имеет разный вкус: когда его подают охлажденным, только очень летучие вещества в нем успевают испариться во рту, и вы ощущаете вкусовой профиль, в котором они доминируют; но если вино согреть, то аромат будет иным. Дополнительная тепловая энергия позволит испариться большему числу ароматических молекул жидкости. Это изменит аромат вина, а вместе с ним и вкус. Одна из главных причин того, что красное и белое вино воспринимаются нами как совершенно разные на вкус, состоит в том, что они подаются к столу при разных температурах. Охладите оба вида, а затем попробуйте тот и другой вслепую — и вы поймете, что я имею в виду. При более низкой температуре многие из самых насыщенных ароматических молекул остаются в жидкости и не участвуют в формировании букета. Это меняет баланс ароматов — подчеркивает кислотность и сухость, вызывая у многих ощущение свежести и четкости. В сочетании с охлаждающим действием на вкусовые рецепторы такое ощущение может быть очень приятным — это и есть классический вкус белого вина. Подайте к столу это же вино при комнатной температуре — и на вкус оно покажется совершенно другим. Кислотность будет приглушена фруктовой, страстной ноткой, которая несет с собой ощущение не свежести, а скорее теплоты. Нельзя сказать, что какой-то вариант здесь правильный, а какой-то нет. Вопрос в том, что вам больше нравится.

Красное вино, которое я пил в самолете, имело температуру, вероятно, около 22 °C; бутылочка, из которой я его наливал, была маленькая, и ей хватило времени, чтобы нагреться (или охладиться) до температуры салона.

Круговым движением я прокатил вино по стенкам бокала, чтобы проверить содержание в нем алкоголя. Я хотел посмотреть на эффект Марангони[4], когда вино, стекая по стеклу, образует «слезы». Содержащийся в нем этиловый спирт снижает поверхностное натяжение воды при контакте со стеклом таким образом, что вино, прокатываясь по стеклу, оставляет на нем тонкую пленку. Спирт из нее быстро испаряется, оставляя размазанную по площади жидкость с низким содержанием спирта и потому более высоким поверхностным натяжением, чем на соседних участках. Разное поверхностное натяжение растаскивает жидкость в стороны, оставляя «слезу». Чем выше концентрация спирта в вине, тем сильнее выражен этот эффект; так что, посмотрев на эффект Марангони, можно приблизительно понять, насколько крепкое вино вы пьете. Мое красное оставляло на стекле заметные «слезы», и я решил, что это крепленое вино с высоким — ну, скажем, 14 % — содержанием алкоголя.

Красное вино в бокале, на стенке которого заметен эффект Марангони. Фото автора

Я прикрыл глаза и сделал большой глоток. Я специально не стал глядеть на этикетку и читать описание. Что я почувствовал? Я заметил, что вино имеет довольно резкий фруктовый и, ну, типичный вкус красного вина. Он не был ни горьким, ни сладким; скорее сбалансированным. Мне захотелось назвать его гладким, но что бы это значило? Ведь ясно, что вино — жидкость, а всякая жидкость гладкая по определению. Наверное, я имел в виду, что вино не оставляло во рту ощущения сухости и шероховатости — не было терпким. «Мне нравится это вино», — подумал я и изучил этикетку, чтобы понять, каким вкусом оно должно обладать.

«Глубокий фиолетовый цвет, сильные ароматы черной смородины и вишни, тонкие оттенки коры; наполнено молодыми танинами, но сбалансированное, легкое, с фруктовым послевкусием».

«Ага!» — подумал я, бросая быстрый взгляд на Сьюзен, чтобы посмотреть, читает ли она по-прежнему свою книгу. Она читала. Она подняла голову и вопросительно взглянула на меня, и я понял, что говорил вслух. Тут я понял, что потихоньку пьянею, но пока не настолько пьян, чтобы не понимать этого. Уже хорошо.

Вкус вина намного сильнее зависит от его внешнего вида (особенно этикетки) и вызываемых им культурных ассоциаций, чем признают многие эксперты. Исследования показывают, что вкус формируется в мозге. Туда поступают сигналы от сосочков во рту и обонятельных рецепторов в носу, а также в нем уже хранятся представления о том, какой вкус должны иметь эти вещи. Например, если взять клубничное мороженое и окрасить его красителем, не имеющим ни вкуса, ни запаха, скажем в зеленый, желтый или оранжевый, людям, которые будут пробовать его, трудно будет ощутить клубничный вкус. Скорее всего, они припишут ему вкусы, которые обычно ассоциируются в нашем сознании с соответствующим цветом. Если мороженое будет оранжевым, люди назовут его «персиковым»; если желтое — «ванильным»; зеленое часто ощущается как «со вкусом лайма». Но самое необычное, мне кажется, в этой ситуации то, что, когда я пробовал этот фокус на себе, то я, хотя и знал, что оранжевое мороженое на самом деле клубничное, всё равно ощутил, кажется, вкус персика. Ясно, что вкус — мультисенсорное ощущение; когда мозг конструирует вкус пищи или напитка, используя сигналы из разных источников, то зрение, которое, как известно, доминирует над прочими чувствами, часто перевешивает всё остальное.

Есть много теорий о том, почему внешний вид так сильно влияет на вкус. Одна из главных связана с тем, как наш мозг интерпретирует ароматы. Вкус вина строится на основе ароматов, а наша способность чувствовать и определять их работает примерно в десять раз медленнее, чем зрительное восприятие. Мы с большим трудом определяем запахи, связанные с конкретными молекулами. Возможно, дело в том, что отдельные запахи распознаются множественными рецепторами в носу. Даже эксперты, обученные распознавать конкретные молекулярные субстанции по запаху, не в состоянии это сделать, если те смешаны с четырьмя или пятью другими ароматами. А если учесть, что в составе вина могут присутствовать тысячи различных ароматических молекул, поразительная сложность дегустации вина станет еще более очевидной. Тот факт, что наше обоняние не дает мозгу достаточно информации, чтобы надежно различать смешанные ароматы, станет очевидным, если сыграть в простую игру. Завяжите как-нибудь за обедом глаза гостям и попросите их определить жидкости в нескольких бокалах, которые вы будете по очереди им передавать (попробуйте апельсиновый сок, молоко, холодный кофе). Жидкости можно только нюхать, пробовать или смотреть на них нельзя. Некоторые напитки распознать легко, но большинство трудно определить при помощи одного обоняния. Не раскрывайте правильные ответы, а разрешите гостям снять повязки и попытаться определить всё те же жидкости при помощи обоняния и зрения. Теперь, когда вы можете привлечь предыдущий опыт и вспомнить, как видели и нюхали эти напитки прежде, сделать это будет намного проще. Игра наглядно показывает, как сильно мы полагаемся на зрение при определении запаха, а значит, и вкуса.

Значение зрения в оценке вина было очень наглядно продемонстрировано в научном исследовании, проведенном в 2001 г. во Франции. Жюри из пятидесяти четырех дегустаторов попросили оценить букет двух вин. Оба были из Бордо: белое из винограда сортов «семийон» и «совиньон», а красное — из винограда «каберне совиньон» и «мерло». Но участники эксперимента не знали, что в белое вино добавлен красный краситель. Судя по внешнему виду, вниманию дегустаторов было предложено два сорта красного вина. В результате в оценке букета, проведенной экспертами, доминировал цвет. В описании обоих сортов участники эксперимента использовали такие эпитеты, как «пряный», «насыщенный» и даже «черносмородиновый», хотя в одном из бокалов было белое вино, во вкусовом профиле которого ничего подобного нет.

Но, как бы мы ни манипулировали цветом напитков, когда ощущаемый вкус соответствует тому, что мы ожидали почувствовать на основании внешнего вида, мы, как правило, пьем их с большим удовольствием. Так же действуют и другие факторы: бутылка, из которой наливается вино, чистота и общая атмосфера пространства, где всё происходит, привлекательность особы, которая вино подает, и (особенно в случае с вином) сознание изысканности и качественности продукта. Они тоже влияют на восприятие нами процесса пития и самого напитка. Эксперименты показали, что вино нравится нам больше или меньше в зависимости от того, где, согласно этикетке, его произвели; кроме того, мы получим большее удовольствие от него, если, прежде чем пить, услышим о нем что-то хорошее — например, что оно удостоено какого-нибудь приза. Кстати, многие вина получают награды; существует множество конкурсов, на которых большинство вин, заявленных производителями, удостаивается каких-нибудь поощрений.

Если вы, подобно многим другим, уверены, что совершенно не разбираетесь в вине, а винная карта ресторана только путает вас и нагоняет тоску, попробуйте подумать о незнакомых названиях сортов винограда, странах происхождения вина и датах его производства примерно так, как думали бы о спецификациях автомобиля. Может, для вас важно, какой двигатель у машины — бензиновый или дизельный — и какого он объема — 1,4 или 2,0 л, а может, эти подробности вас не интересуют, и вы не хотите в них разбираться. Может, вам просто нужна машина, чтобы надежно добраться из пункта A в пункт Б, а до всего остального дела нет. Большая часть вин средней ценовой категории прекрасно для этого годится, ведь путь из A в Б в случае вин — приятное добавление к трапезе или способ отпраздновать день рождения. Но, возможно, вам нравится, чтобы машина не просто возила вас туда-сюда. Может, вам нравится ощущать стремительность автомобиля на поворотах или, наоборот, мягкость рессор и плавность хода. Некоторые вина обладают более резким вкусом, а другие, например так называемые натуральные, реально расширяют границы вкусов, которые можно ожидать от вина. Они не лучше прочих, просто другие, поскольку всякий вкус субъективен; здесь, как и в случае с автомобилем (и почти всем в жизни), цена не гарантирует результат. Когда вы наслаждаетесь вином — или поездкой в автомобиле, — вы испытываете мультисенсорное ощущение. А если вы покупаете машину дорогой марки, то на самом деле платите за бренд, а не за ощущения. Некоторые обожают дорогие машины и получают наслаждение от того, что их наличие говорит о них как о личности. То же и с винами. Это не означает, что бывают лучшие вина или лучшие автомобили — или хотя бы что их владельцы обладают утонченным вкусом. Поэтому, если самое дорогое вино не «включает» вас и не повышает самооценку, платить по 50 фунтов стерлингов за бутылку будет пустой тратой денег. Большинство вин средней и даже бюджетной ценовой категории обладает не менее сложным вкусовым профилем, чем самые дорогие, — и слепые дегустации это подтверждают.

Тем временем в самолете я успел осушить еще один бокал вина и чувствовал приближение головной боли. Но ведь еще рано, это не могло быть похмелье, правда? Или просто обезвоживание? Один из аспектов физиологического действия алкоголя на человеческий организм состоит в том, что он угнетает выработку гормонов, которые сообщают почкам, что нужно беречь воду. Если не выпить ее для компенсации, наступит обезвоживание. Бортпроводников не было видно, и я выудил из сумки дорогущую бутылку воды, которую купил в зоне вылета. Она, шипя, открылась, и я жадно сделал глоток. Это было очень приятно. Выглянув в окно, я увидел внизу гораздо больше жидкой воды: во всю ширь, до самого горизонта, тянулся великолепный голубой океан.

Глава 3. Глубокие

Вода в моей пластиковой бутылке сильно отличалась от океанской, которую я видел сквозь овальный иллюминатор. Разница была не только в составе — содержании солей и т. п., — но и в поведении. Мировые океаны постоянно в движении: они одновременно рождают ветра и разгоняются под их действием; они порождают облака и формируют погодные системы; и, кроме того, запасают тепло. В океанах есть гигантские глобальные течения, которые оказывают заметное влияние на климат. Таким образом, океаны, покрывающие 70 % поверхности нашей планеты, хотя и состоят приблизительно из тех же молекул, не могут считаться просто гигантскими копиями той же воды, что находится в моей бутылке. Это совершенно другие «звери».

Кстати, «зверь» — самое удачное, вероятно, слово для их описания. Океаны опасны, каким бы умелым и опытным пловцом вы ни были; держаться на поверхности воды больше нескольких часов подряд чрезвычайно трудно. Мой вам совет: если вдруг окажетесь в море далеко от берега, не тратьте силы на борьбу с течениями. Лучше плывите на спине и ожидайте спасения. Хотя, на мой взгляд, это не слишком подходящее слово для описания того, что происходит, когда человек спокойно покачивается на воде. Плывут (точнее, ходят по морю) лодки и корабли. Они великолепны; они движутся по маршруту, погрузив в воду небольшую часть своего корпуса. Когда же я пытаюсь «лежать на воде», большая часть моего тела погружается в нее; если повезет, мне удается при этом высунуть наружу нос, и то приходится всё время отфыркиваться, как киту, втягивая им воздух и одновременно пытаясь (как правило, безуспешно) не втянуть заодно и воду. Чтобы по-настоящему плыть, на мой взгляд, нужно не просто лежать на поверхности воды, а делать это без усилий. А стандартное определение другое, и Архимед две тысячи лет назад, безусловно, имел в виду не это, когда открыл принцип плавания и, как всем известно, вскричал «Эврика!», не вылезая из ванны.

Архимед был греческим математиком и инженером. Он заметил, что, когда человек погружается в ванну, уровень воды в ней повышается. Причина достаточно очевидна: вы сидите там, где прежде находилось некоторое количество воды. Она не сжимается под вами, как сжался бы поролоновый матрац; она, будучи жидкостью, обтекает вас и находит для себя другое место. В ограниченном пространстве ванны единственное место, куда она могла бы направиться, находится выше ее первоначального уровня. Если, когда вы забираетесь в ванну, она уже полна, вода перельется через край и потечет на пол. Вот здесь-то и приходит черед знаменитого эксперимента Архимеда. Собрав пролитую через край воду в другой сосуд, вы сможете узнать с ее помощью кое-что интересное: вес этой воды равен так называемой архимедовой, или выталкивающей, силе, которая на вас действует. Если эта сила меньше вашего веса, вы утонете; иначе поплывете. Это правило применимо к любому объекту. Эврика!

Причина, по которой одни вещи плавают, а другие тонут, сводится к тому, больше или меньше их вес, чем у эквивалентного им объема воды

По сути, Архимед открыл, что можно заранее определить, будет ли объект плавать или тонуть: достаточно вычислить вес воды, которую он вытеснит при погружении. Для сплошного однородного предмета нужно сравнить плотность материала с плотностью воды. Так, древесина, вес которой на единицу объема меньше, чем у воды, имеет меньшую плотность и потому плавает. Сталь плотнее воды и тонет. Но есть один фокус: корабли все-таки можно строить из стали, если делать их пустотелыми. Тогда средняя плотность объекта может оказаться меньше плотности воды, и корабль удержится на воде. Всё очень просто. Переместимся на две тысячи лет вперед от даты Архимедова триумфа и обнаружим, что стоимость стали теперь достаточно низка, чтобы строить корабли из нее. Современный морской торговый флот, перевозящий 90 % мировых товаров, почти полностью состоит из стальных судов.

Человеческое тело состоит из веществ разной плотности: кости, например, плотные, но есть ткани менее плотные, а кое-где имеются и пустоты. В целом наша плотность чуть меньше, чем у воды, поэтому мы можем плыть. Но если уравнять свою плотность с плотностью воды, навесив на себя что-нибудь тяжелое — например, металлический пояс, — можно добиться состояния нулевой плавучести, когда вы не будете ни погружаться, ни всплывать. Идеальный вариант для погружений с аквалангом. Когда вы под водой в состоянии с нулевой плавучестью, на вас не действует никакая суммарная сила; ничто не заставляет всплывать к поверхности, как и опускаться на дно океана. Человек в снаряжении аквалангиста, по сути, невесом в воде и может спокойно исследовать в глубине коралловые рифы и затонувшие корабли. Ощущения так похожи на космическую невесомость, что астронавты даже тренируются в бассейнах.

Без специального снаряжения человеческое тело всплывает. Но его плотность лишь чуть меньше плотности воды, и человеку приходится погружать в нее более 90 % тела, чтобы вытеснить достаточно воды для поддержания своего веса. У полных людей плавучесть выше, чем у худых: соотношение жира и костей делает их менее плотными. Мокрые гидрокостюмы тоже добавляют плавучести, поскольку покрывают тело заметным слоем материала, значительно менее плотного, чем вода. В море плавать немного проще, чем в бассейне, потому что в морской воде растворено немало минералов, таких как соль, она же хлорид натрия. Когда она растворяется в воде, натрий и хлор переходят в жидкость, разделяясь и втискиваясь между молекулами воды. Наличие этих атомов в воде делает ее плотнее, и вам не приходится вытеснять так много, чтобы скомпенсировать свой вес, как в пресном водоеме. А в воде ближневосточного Мертвого моря так много соли (в десять раз больше, чем в Атлантическом океане), что на его поверхности можно лежать и покачиваться, как утка.

Человек, лежащий на воде в Мертвом море

Если вы можете лежать на воде, то способны и плавать: это одно из величайших удовольствий в жизни. В воде вы не только невесомы, но и скользите, как танцор. Прямо под поверхностью лежит целый незнакомый мир. Забудьте о том, каких расходов требует экспедиция на Марс и как интересно заниматься поисками жизни на других планетах. Океаны — тоже во всех смыслах чужие для нас миры. Чтобы их посетить, достаточно надеть очки для плавания и сделать быстрое движение ногами, погружаясь в воду с головой. Постепенное скольжение вниз, в бирюзовые глубины кораллового рифа, — одно из самых чудесных впечатлений, которые вы можете получить в жизни. Рыбы вокруг настороженно смотрят на вас и, махнув хвостом, мастерски уходят с вашего пути. Плывя, вы вытягиваете вперед одну руку, а затем, двигая ее назад, заставляете воду вокруг себя двигаться достаточно быстро, чтобы не давать молекулам свободно расходиться; они натыкаются друг на друга и в результате действуют на вас с некоторой силой. Именно она толкает вас в противоположном направлении — вперед. В этом суть плавания: ваши руки и ноги постоянно отпихивают воду позади вас, тем самым подталкивая вас вперед. Это не просто увлекательно; вы становитесь другим человеком. Если на суше вы, возможно, двигаетесь неуклюже и медленно, то в воде можете вертеться и скользить, как дельфин. Вы свободны.

Я когда-то жил в Дублине в районе под названием Дун-Лэаре неподалеку от места для купания, известного как Форти-Фут, — скалистого мыса в Дублинской бухте, знаменитого тем, что Джеймс Джойс описал его в своем «Улиссе». Там уже несколько столетий действует клуб пловцов. Однажды зимой 1999 г. я остановился, проезжая мимо, и увидел там множество людей всех возрастов, преимущественно пожилых. Все они прыгали в море и совершали заплыв. Температура воздуха составляла, наверное, 12 °C, а море было еще холоднее — около 10 °C. Я надел теплую куртку, и все равно мне было зябко: свежий ветер с Ирландского моря трепал меня, а волны запрыгивали на бетонный мол. Но на берегу собрались пожилые люди, которым в других обстоятельствах врачи, наверное, посоветовали бы укутаться потеплее, и прыгали в ледяную воду. Я поговорил с несколькими участниками действа, когда они, искупавшись, обсушивались на берегу. Они были счастливы, улыбались и радовались. Их зубы стучали от холода, но сами они откровенно ликовали. Они рассказали мне, что плавают ежедневно круглый год, и в холодную погоду, и в теплую — хотя, как я обнаружил в свое время, когда работал там, в Ирландии редко бывает по-настоящему тепло.

Я решил присоединиться к ним и в тот же день купил шапочку для плавания. После этого я плавал возле Форти-Фут каждую неделю круглый год. Теперь я понимаю, что это один из тех аспектов жизни в Дублине, которых мне больше всего не хватает. Но почему мне это так нравилось?

Нырять в воду с температурой 10 °C не сказать чтобы очень приятно. По ощущениям это скорее напоминает пощечину. Дело здесь не в том, что вода запредельно холодная; но вы окружаете свою кожу водой, которая на добрых 25 °C холоднее ее самой. Молекулы воды уносят тепло. Но поскольку жидкости плотнее газов, с вашей кожей взаимодействует намного больше молекул в секунду, чем когда она открыта просто воздуху, и перенос тепла от нее тоже идет намного интенсивнее.

Автор после заплыва возле Форти-Фут в Дублине. Фото автора

Ощущения становятся более неприятными из-за еще одного свойства воды: теплоемкости. Когда ее молекулы подвергаются действию чего-нибудь горячего, они колеблются быстрее. Именно эти вибрации мы называем температурой. Чем быстрее они, тем горячее вода. Водородные связи, удерживающие молекулы вместе, сильно сопротивляются этой вибрации, и для того, чтобы повысить среднюю температуру литра воды хотя бы на один градус, требуется много тепла. Для сравнения скажем, что на нагрев воды уходит в десять раз больше энергии, чем на нагрев такой же массы меди. Именно поэтому на приготовление чашки чая требуется так много тепла. Этим же объясняется тот факт, что электрический чайник, как правило, оказывается самым энергоемким прибором на кухне. Но это лишь один из множества аспектов, в которых теплоемкость воды — самая высокая среди всех жидкостей, за исключением аммиака, — затрагивает нас. Именно она, в частности, позволяет океанам запасать много тепла, в результате чего их температура всегда запаздывает по отношению к температуре воздуха. Поэтому в солнечный день в Дублине воздух может прогреться, скажем, до 22 °C, а температура моря почти не изменится в сравнении со средней в 10 °C. Как ни печально, для ирландцев это означает, что море у них никогда по-настоящему не прогревается под летним солнцем, а вскоре приходит и зима, чтобы вновь его остудить. Но для нас как для биологического вида это серьезное преимущество: высокая теплоемкость океанов позволяет им поглощать значительную часть излишнего тепла, возникающего в результате климатических изменений. Океаны стабилизируют климат, согревая нас зимой и охлаждая летом.

Но всё это не объясняет, почему мне нравится плавать в холодном море. Я не отношу себя к тем закаленным типам, которые проводят время в основном на открытом воздухе и которым нравится мерзнуть и мокнуть. Я ученый и инженер и большую часть времени тружусь в лаборатории или мастерской. Может, дело вот в чем: море всегда такое чудесно дикое и непредсказуемое, что я, возможно, неосознанно хочу погрузиться во что-то принципиально отличное от моей обычной жизни. Когда ныряешь в холодное море, ты должен плыть, чтобы остаться живым и активным; ощущения настолько некомфортны, что легко потерять способность рационально мыслить. Невозможно беспокоиться о неудачных экспериментах, неподтвержденных теориях или даже не сложившихся личных отношениях, когда борешься за каждый вдох — тот самый, который мгновенно вышибает из груди после того, как ты решаешь нырнуть в негостеприимную, неуправляемую воду.

Когда плывешь в холодной воде, где-то на заднем плане сознания всегда маячит опасность гипотермии. Она начинается, когда температура человеческого тела падает ниже 35 °C. Появляется дрожь, а кожа меняет цвет из-за того, что поверхностные сосуды сужаются, направляя кровь к главным внутренним органам. Человек сначала бледнеет, затем его конечности синеют. В очень холодной воде шок иногда вызывает неконтролируемое ускоренное дыхание, одышку и резкое повышение частоты сердечных сокращений. В результате пловец может запаниковать, потерять ориентацию и утонуть. Но даже если вам удастся сохранить спокойствие, пятнадцать минут в воде нулевой температуры будут для вас фатальны: развившаяся гипотермия парализует мышцы.

Мне кажется, что именно холодная рука смерти тянула меня в Форти-Фут в те ледяные, серые январские дни, когда температура воды составляла в среднем 10 °C. Человек, который подобрался так близко к смерти, слегка подразнил ее, а затем выбрался из воды целым и невредимым, чувствует себя куда более живым, чем прежде.

Ну, почти целым и невредимым. Однажды это дело для меня обернулось не лучшим образом. В какую-то из февральских суббот я приехал в Форти-Фут и никого там не обнаружил. Обычного собрания пожилых людей нигде не было видно. Прилив как раз закончился; на высокой воде стояла сильная рябь, а иногда большая волна, накатившая с моря, обрушивалась на причал, где я переодевался в плавки. Я дрожал и покрывался гусиной кожей на холодном ветру. Я готов был уже прыгнуть, но, посмотрев на воду, заколебался. Никогда прежде мне не приходилось плавать там в одиночестве, да и море казалось более бурным, чем раньше. «Может быть, — подумал я, — именно поэтому никто сегодня не плавает?» В сомнениях прошло несколько секунд. Помню, как я мысленно подстегивал себя: «Неужели мне сейчас настолько страшно, что я даже не залезу в воду, хотя уже надел плавки?» Я нырнул.

Я ощутил привычную пощечину холодной воды и почувствовал, что тело мое подвергается атаке, океан жадно вытягивает из меня жизнь. В ответ на эти ощущения я обычно начинал энергично плыть, так что и на этот раз решительно стал грести прочь от берега, борясь с набегающими волнами и стараясь не обращать внимания на сильный холод, постепенно пробирающий до костей. Я уплыл довольно далеко и только после этого остановился, чтобы передохнуть, — и получил волну прямо в лицо. Я глотнул воды, закашлялся, отплевался, затем сделал глубокий вдох — только для того, чтобы вновь получить волну в лицо. На этот раз я захлебнулся. Вода попала мне в дыхательное горло, и я начал лихорадочно дергать руками и ногами, пытаясь приподняться достаточно высоко, чтобы нормально дышать, хотя бы на несколько секунд. Но я не мог этого сделать: вода была слишком бурной, волны упорно сбивали меня вниз. Я запаниковал и начал задыхаться, при этом отчаянно дергая ногами, чтобы хоть как-то удержаться на воде. Затем на меня обрушилась очередная большая волна, и паника сменилась изнеможением. Я не мог победить в этой борьбе; я замерз и смертельно устал.

Тут меня ударило о камень. Пока я, задыхаясь, боролся с волнами — не знаю, как долго, — они и начавшийся отлив сносили меня к валунам, которые укрепляют Форти-Фут и защищают его от зимних штормов. Эти камни, размером с небольшой автомобиль каждый, при помощи крана уложили в воду так, чтобы они образовали волнолом. В обычных обстоятельствах пловцу лучше избегать встречи с ними. Контролировать скорость при ударе о камень практически невозможно — она почти целиком определяется размером, высотой и скоростью несущих вас волн, так что это очень опасно. Но в тот момент я испытал облегчение: при ударе о камень я получил немало царапин и ссадин, но он подарил мне шанс на спасение. Не то чтобы это было просто — отступая, волна, которая бросила меня на камни, потащила меня за собой, прочь от берега. Только с третьей или четвертой попытки мне удалось, отчаянно цепляясь и до крови сдирая ногти, достаточно прочно ухватиться за камень, чтобы вылезти наверх и наконец-то вырваться из моря.

Этот эпизод я много раз потом переживал заново — почти всякий раз, когда смотрел на неоглядную, неумолимую красоту океана. Но здесь, в самолете, на высоте 12 000 м, та же беспомощность ощущалась намного сильнее. Я понимал, что в тот день легко мог утонуть, если бы проглотил еще хотя бы одну волну — или если бы отлив понес меня не на камни волнолома, а в открытое море. Я понимал, что поступил тогда глупо. Способность океана поглотить тебя без следа ощущается особенно остро, когда смотришь на его суровую, кажущуюся бесконечной ширь из стратосферы. Я обернулся к Сьюзен — может быть, она не прочь поболтать со мной об океанах, волнах и опасности случайно утонуть, — но она, завернувшись в одеяло и подтянув колени к груди, смотрела научно-фантастический фильм. На экране перед ней космический корабль выходил на орбиту вокруг какой-то громадной планеты.

Когда речь идет о водоемах, размер имеет значение. Когда ветер дует над поверхностью маленького пруда, возникает трение, которое замедляет ветер и оказывает давление на воду. Оно создает впадину на поверхности воды. Поверхностное натяжение воды сопротивляется изменениям примерно так же, как резиновая лента растяжению. Когда порыв ветра стихает — точно как в случае с резиновой лентой, — снятие напряжения, вкупе с земным тяготением, восстанавливает поверхность до первоначальной формы. Вода на пруду, опускаясь, порождает кольцевую рябь, которая расходится наружу: каждая молекула смещает соседнюю, та следующую и т. д. Каждый гребешок ряби на воде — на самом деле энергетический импульс. Энергия, первоначально принадлежавшая ветру, перешла в поверхность пруда. Она морщит воду и тем самым повышает сопротивление пролетающему над ней ветру. К первому гребешку присоединяются другие, рябь становится всё выше. Чем она выше, тем сильнее восстанавливающая сила, которая тянет гребни вниз, — и тем заметнее волнение на пруду. Однако для высоты ряби на пруду есть предел: в конце концов волна натыкается на берег, и суша поглощает большую часть ее энергии. Но чем дольше волна свободно движется вперед, тем выше она становится. Вот почему на маленьком пруду рябь никогда не бывает очень высокой, а на большом озере она может стать настолько большой, что ветер превратит ее в настоящие волны.

Верхушка волны называется гребнем, а нижняя часть — долиной. Говоря о величине волны, мы имеем в виду расстояние между тем и другим. Если размер волны меньше глубины озера, в котором она распространяется, она движется свободно. Но как только она доходит до мелких прибрежных вод, ее долина начинает взаимодействовать с дном озера, что вызывает дополнительное трение. Оно замедляет подошву волны и обрушивает ее, заставляя набегать на берег.

В океане шириной несколько тысяч километров начальной ряби хватает времени и пространства, чтобы вырасти до высоты в несколько метров. Ветер, дующий над поверхностью океана со скоростью 20 км/ч на протяжении двух часов, может поднять волну высотой 30 см. Ветер со скоростью 50 км/ч, дующий сутки, может поднять волну до 4 м. А штормовой ветер на протяжении трех или четырех суток со скоростью 75 км/ч поднимает в океане восьмиметровые волны. Самая большая волна такого рода, зарегистрированная во время тайфуна у берегов Тайваня в 2007 г., была высотой 32 м.

Волны, возникшие во время шторма, не останавливаются после его окончания. Как гребешки ряби на пруду, они движутся по океану — и тогда значение приобретает длина волны. Под ней мы понимаем расстояние от гребня одной волны до гребня следующей. В штормовом океане трудно определить длину волны, волны там хаотично перемешаны и слабо различимы; бурное море выглядит как движущееся пятно бешеной воды, чем-то напоминающее гигантскую зыбь. Но когда шторм заканчивается, волны получают возможность двигаться своим путем, а поскольку все они имеют разные длины, скорости у них тоже разные. Поэтому они, пройдя по океану несколько сотен километров, распределяются в зависимости от скорости на несколько групп. В пределах каждой волны выравниваются между собой, чтобы бежать параллельно. Со временем каждая группа доходит до берега уже в упорядоченном правильном строю. Таким образом, шум прибоя на пляже — по существу, звук шторма, донесенный до нас из далекого далека. За этот чудесный гипнотический ритм мы можем благодарить премудрости океанской динамики.

Штормовые волны возникают по всему океану, поэтому немного удивительно, что они обычно подходят к земле перпендикулярно береговой линии. Ведь логично вроде бы предположить, что они должны подходить к суше под углом, определяемым прямой линией между точкой наблюдения и тем местом в океане, где они возникли. Но нет, волны для этого слишком хитры. По глубокой воде они движутся с постоянной скоростью, поскольку почти ничто не может их замедлить. Но по мере приближения к суше глубина уменьшается, долины волн начинают взаимодействовать с морским дном, замедляя их движение в этой части. А участки волны, еще не достигшие мелководья, сохраняют прежнюю скорость. В итоге волна разворачивается точно так же, как при торможении одного колеса автомобиль меняет направление. Приближаясь к суше, волны разворачиваются так, чтобы встать параллельно рельефу прибрежного дна, которое, как правило, уходит на глубину перпендикулярно береговой линии; так что волны в большинстве своем подходят к берегу с этого же направления.

Все серферы это знают. Как и о донных эффектах, поскольку именно они делают серфинг таким увлекательным. Представьте, что вы сидите на своей доске и смотрите в море. Вам очень хочется знать, где и когда волны начнут рушиться. Подходя к берегу, они замедляются, попадая на мелководье, но при этом их высота увеличивается. Это и есть донный эффект. Чем мельче вода, тем выше волна — пока ее крутизна не достигнет критического угла и она не потеряет стабильность. Она становится настолько крутой, что по ней можно скользить на доске, как на лыжах по горному склону.

Для серфинга необходимы чувство равновесия, точный расчет времени и знания о том, как ведут себя волны. Если вы хотите скользить вдоль волны, вам нужно, чтобы какая-то ее часть начала рушиться раньше, чем остальные. А значит, рельеф дна должен постепенно меняться вдоль береговой линии, поскольку момент обрушения волны определяется глубиной воды, по которой она движется. Вам также нужно знать местные приливы, которые меняют глубину у берега на протяжении суток в зависимости от гравитационных сил Луны и Солнца.

В общем, чтобы поймать волну, необходим шторм далеко в море, который породит волны достаточно большие, чтобы пересечь океан и дойти до берега с подходящим рельефом дна возле него. Вам нужно, чтобы эти волны подошли к берегу в определенный момент, когда они хорошо согласуются с приливом. Затем, если вы в этот момент находитесь на берегу в полной готовности — в гидрокостюме и с доской в руке, — у вас, может быть, получится поймать удачную волну на подходе к берегу. Тонкость расчета времени слияния всех этих событий делает серфинг особым спортом: он требует, чтобы человек всегда был «на одной волне» со штормами в море, солнцем, луной и водой, которую он хочет оседлать.

Даже если вы — не ценитель и не знаток волн, знать о донных эффектах полезно. Иногда это может спасти вам жизнь. Утром 26 декабря 2004 г. туристы на острове Пхукет в Таиланде, гуляя по пляжу, заметили нечто странное. Море быстро отступало, обнажая скалы, которые обычно под водой, и оставляя лодки в бухте лежащими на дне. Дети смотрели на это и удивлялись, и то же делали их родители, когда вдруг появилась большая волна; им показалось, что ничего подобного они прежде не видели. На самом деле, конечно, видели. Всё это были донные эффекты волны, просто громадной. Это оказалось цунами.

За несколько часов до этого в центре Индийского океана часть земной коры порвалась, вызвав тем самым землетрясение силой 9 баллов. Это очень серьезно по любым меркам. По разным оценкам, в его ходе высвободилось в десять тысяч раз больше энергии, чем при взрыве атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму. Тем не менее оно не вызвало больших немедленных разрушений и жертв, поскольку произошло далеко в открытом море. Но землетрясение не только сдвинуло тектонические плиты коры — оно приподняло дно моря на несколько метров. Это, в свою очередь, потревожило приблизительно 30 кубических км воды. Это очень много: чтобы вместить ее всю, потребовалось бы десять миллионов олимпийских плавательных бассейнов. И так же, как резкое движение в ванне заставляет воду ходить взад и вперед и плескать на стенки, землетрясение привело все эти гигантские объемы воды в движение.

Волны есть волны, они разошлись по океану во всех направлениях. Если бы в момент зарождения цунами вы смотрели на океан сверху, из самолета, зрелище вас, скорее всего, не особенно встревожило бы. Волны разошлись на такое расстояние и на такой глубокой воде, что сверху можно было бы различить лишь небольшой бугорок. Но вас, может быть, все же встревожила бы скорость, с которой они перемещались. Благодаря силе землетрясения и огромному количеству энергии, высвободившемуся за короткий промежуток времени, они двигались со скоростью реактивного самолета, около 450–900 км/ч. При приближении к суше и мелкой воде Андаманского моря волны замедлились, а высота их выросла. Чем ближе к берегу они подходили, тем сильнее становился донный эффект. Поскольку длина этих волн составляла сотни метров, люди на пляже заметили поначалу только то, что вода отступает, как будто отсасывается в море. Если бы они распознали происходящее, у них было бы около минуты, чтобы убежать на более высокое место. Но, как это ни трагично, многие не поняли, что происходит, — в отличие от животных на побережье, которые, кажется, почуяли неладное и убежали. На тех, кто остался, обрушилась первая волна, высота которой у берега достигла 10 м.

В общей сложности это цунами убило 227 898 человек на побережьях пятнадцати стран. Это природное явление опасно не только тем, что оно обрушивает на берег тонны воды, но и силой, с которой она действует на всё, что встречает на своем пути. Один кубометр воды весит тонну, а цунами сдвинуло с места 30 млрд кубометров воды. Она ломала постройки, деревья и машины, разрушая их, превращая в реку обломков и мусора, которая разбивала вдребезги всё, что встречала на своем пути. Она увлекала за собой танкеры и дома и бросала их на мосты и опоры линий электропередач, которые рушились, вызывая смертоносные пожары. Людей, затянутых в волну, весь этот быстро движущийся мусор тащил с собой, оглушал, бил, бросал и давил. Многие теряли сознание или получали травмы, из-за которых не могли сколько-нибудь долго оставаться на плаву. Как и штормовые волны, цунами приходят группами, и когда первая волна отступила (пройдя местами на два километра вглубь суши), чтобы дать место второй, течения развернулись в обратную сторону и затянули людей и мусор, захваченных по пути, в новую мясорубку.

Приход волны цунами. © David Rydevik

К несчастью, те, кому повезло пережить эти опустошительные волны, столкнулись затем со множеством проблем, ставших результатами этой катастрофы. Одной из самых серьезных стало отравление воды. Запасы пресной воды в местах, пострадавших от цунами, оказались отравлены из-за разрушения систем канализации и проникновения соленой влаги. Тела сотен тысяч людей, погибших в волнах, необходимо было похоронить как можно скорее, чтобы не допустить распространения инфекций; а позже из-за инфильтрации соленой воды пахотные земли региона утратили способность давать урожай.

Но, каким бы катастрофичным ни было цунами 2004 г., цунами 2011 г. у берегов Японии получилось еще мощнее. Оно возникло в результате сильнейшего землетрясения — четвертого по мощности в письменной истории — с эпицентром в океане, в 70 км от побережья острова Хонсю, крупнейшего из островов Японского архипелага. Сотрясения почвы ощущались на суше в течение шести минут, но самые серьезные разрушения возникли позже, когда цунами, возникшее в результате землетрясения, обрушилось на берег, опустошая города, и натолкнулось на атомную электростанцию «Фукусима-1».

Станция была построена в 1971 г. и имела в своем составе шесть ядерных реакторов деления. Это стержни из оксида урана, связанные в пучки и размещенные в активной зоне реактора. Реактор излучает радиацию в виде очень высокоэнергетических частиц. Большая часть этой энергии идет на нагрев воды и создание пара, который вращает турбины. Те, в свою очередь, вырабатывают электричество. В ядерном топливе такого типа столько энергии, что набор стержней из оксида урана размером с небольшой автомобиль может дать столько электричества, что его хватит на обеспечение целого города с миллионным населением в течение двух лет. До цунами 2011 г. на станции «Фукусима» было шесть таких реакторов, и все они производили энергию двадцать четыре часа в сутки круглый год и обеспечивали электричеством примерно пять миллионов человек.

В Японии землетрясения не редкость: архипелаг лежит на границе двух крупных тектонических плит. Станция была сконструирована так, чтобы противостоять этим землетрясениям, — и противостояла, как и остальные пятьдесят четыре японских ядерных реактора. Землетрясение 11 марта 2011 г. тоже не смогло повредить станцию. Однако, в соответствии с установленными законом процедурами безопасности, три из ее реакторов (первый, второй и третий) были заглушены (четвертый, пятый и шестой реакторы заглушили еще до землетрясения для плановой перезагрузки топлива). Ядерное топливо в реакторе невозможно «затушить» или «выключить». Когда он заглушен, топливо в нем по-прежнему излучает и выделяет тепло. Чтобы оксид урана не расплавился, реакторы необходимо активно охлаждать. При плановой остановке их охлаждение обеспечивалось вспомогательными дизель-генераторами, которые производят электричество для работы насосов, обеспечивающих циркуляцию охлаждающей воды.

Жертвами землетрясения 2011 г. стали 13 000 человек; но в момент, когда земля прекратила трястись, а реакторы были остановлены, 90 % этих людей были еще живы. Через пятьдесят минут на станцию обрушилась тринадцатиметровая волна цунами, двигавшаяся со средней скоростью 500 км/ч. Вода разрушила морские защитные сооружения станции и затопила здания, где стояли дизель-генераторы, охлаждавшие ядерные топливные стержни. Генераторы отказали, и в дело вступила вторая резервная система, берущая энергию от батареи электрических аккумуляторов. Емкости батарей должно было хватить на работу систем охлаждения в течение двадцати четырех часов. В нормальных условиях этого времени хватило бы, чтобы либо восстановить дизель-генераторы, либо привезти дополнительные аккумуляторы. Но цунами, оказавшееся крупнейшим в современной истории Японии, разрушило всё и вся на своем пути. Грубая сила воды снесла до основания города, разрушила 45 000 домов и четверть миллиона машин, превратила в хаос дороги и мосты региона. Жизнь в пострадавших районах замерла; там невероятно трудно было получить медицинскую помощь, а достать вовремя запасные аккумуляторы для станции, чтобы заменить батареи в системе охлаждения, было и вовсе невозможно. Через двадцать четыре часа после удара цунами аккумуляторы сели, и температура внутри реакторов начала расти.

Расплавленные стержни ядерного топлива очень напоминают вулканическую лаву, но эта жидкость намного горячее. Лава вытекает из вулкана раскаленная докрасна; как правило, ее температура составляет 1000 °C. Жидкое ядерное топливо — оксид урана — намного внушительнее; это раскаленная добела жидкость, температура которой превосходит 3000 °C. Она способна расплавить и растворить почти всё, с чем вступает в контакт. В «Фукусиме» она проплавила себе путь сквозь 25 см стали, которая ее удерживала, а затем продолжила прогрызать путь дальше, сквозь бетонный пол по крайней мере одного из реакторов. Но это было только начало.

Ядерное топливо в реакторе заключено в оболочку из сплава циркония. Он невероятно стоек к коррозии, но не при высоких температурах. При 3000 °C циркониевые сплавы активно реагируют с водой с выделением водорода. По оценкам экспертов, в результате расплавления в каждом из реакторов станции выделилось по тонне газообразного водорода. Он вступил в реакцию с воздухом внутри защитной оболочки реактора, и взрыв, в форме которого протекала реакция, разрушил комплекс (это случилось 12 марта).

Жидкости невероятно сложно удерживать, и в итоге значительная часть радиоактивного загрязнения от расплавления активной зоны реакторов проникла в местные водные системы, а затем и в море. Оттуда оно может попасть — и попадает — куда угодно. Вот почему главная забота всех инженеров, работающих с ядерными отходами, — предотвратить попадание воды в любые хранилища. Но большинство ядерных электростанций построено рядом с крупными водоемами не потому, что так безопаснее, а потому, что дешевле. Вода нужна для охлаждения: наличие поблизости большого водоема делает станцию значительно более рентабельной. Но, как мы видели на примере «Фукусимы», в случае катастрофы наш источник воды может пострадать от огромного количества радиоактивных отходов.

Это, конечно, проблема не только ядерной энергетики. Чуть ли не все крупные города мира построены на побережье, поскольку исторически торговля между странами требовала наличия портов. Но если уровень моря повысится в результате глобального изменения климата, действие цунами, ураганов и штормов сделает эти места — и их многочисленное население — еще более уязвимыми. Единственный способ защитить себя от этой угрозы — перебраться в более высокие места, а может быть, в воздух. Соблазнительная мысль, особенно если смотреть с моей позиции в самолете, где я в этот момент прихлебывал водичку и поглядывал вниз на громадный Атлантический океан. День был спокойный и ясный, и океан казался почти невинным.

Неожиданно раздался глухой удар, и самолет, как нам показалось, какую-то секунду падал, прежде чем выправиться и продолжить полет. Затем удар повторился, причем с такой силой, что вода выплеснулась из горлышка бутылки мне на колени.

«Мы проходим зону турбулентности, — объявил по громкой связи капитан авиалайнера. — Я включаю табло “Пристегните ремни” и прошу всех пассажиров вернуться на свои места. Мы возобновим нормальное обслуживание через несколько минут, когда выйдем в более спокойный воздух». Самолет вновь головокружительно рухнул вниз. Меня начало подташнивать, а за окном я увидел на мгновение, как дико вибрируют кончики самолетных крыльев.

Глава 4. Клейкие

Не важно, сколько раз я сталкивался с турбулентностью во время перелетов, — мне никогда, кажется, не удавалось подавить панику в мозге. Умом я понимал, что крылья не сломаются: мы летели на одном из самых высокотехнологичных пассажирских самолетов, которые производятся в мире; мне доводилось даже бывать на фабрике, где склеивают крылья, и видеть, как их механически испытывают. Однако мои паникующие нейроны упрямо игнорировали рациональную часть мозга. И я знаю, что я такой не один. За много лет я научился не рассказывать другим пассажирам о том, как склеивают самолеты; как правило, моих собеседников такие истории не успокаивают.

Многие жидкости обладают липкостью: если потрогать их пальцем, то они прилипают к нему. Вспомните масло, воду, мыло и мед. К счастью, есть вещи, к которым они прилипают лучше, чем к нам; именно поэтому полотенца выполняют свою функцию. Когда вы принимаете душ, вода ручейками стекает по телу, прилипая к вашей коже, вместо того чтобы отскакивать от нее; это позволяет ей следовать по изгибам вашей груди, живота и пятой точки, а не падать вертикально вниз под действием силы тяжести. Липкость возникает из-за низкого поверхностного натяжения между водой и вашей кожей. Когда же вода вступает в контакт с волокнами полотенца, они действуют как крохотные фитильки. Фитиль свечи всасывает наверх жидкий воск, а микрофитильки полотенца отсасывают воду с вашего тела. Кожа становится сухой, а полотенце мокрым. Липкость жидкостей, следовательно, не есть свойство, присущее им изначально; оно определяется их взаимодействием с различными веществами.

Но сам тот факт, что некое вещество липкое, не означает, что его можно использовать для склеивания самолета. Смочите палец, дотроньтесь им до какой-нибудь пылинки — и она прилипнет к пальцу и будет держаться на нем, пока вода не испарится. Вода теряет липкость, когда испаряется, — именно поэтому она не может быть клеем. Клеи — изначально жидкости, но со временем затвердевают, навсегда скрепляя предметы.

Это обработка материалов — процесс, с которым человечество имеет дело уже очень давно. Наши доисторические предки изготавливали пигменты, например измельченный древесный уголь или цветные минералы вроде охры, и использовали их для рисования картин на стенах пещер. Чтобы пигменты приставали к стенам, люди смешивали их с различными липкими субстанциями, например жиром, воском и яйцом. Так были изобретены краски. По сути это цветные клеи, и самые ранние из них были достаточно устойчивы, чтобы продержаться тысячи лет. Некоторые из древнейших дошедших до нас пещерных рисунков находятся в пещерах Ласко во Франции, возраст их оценивается примерно в 20 000 лет.

Племенные культуры давно используют разноцветные липкие субстанции как краски для лица — немаловажной части как священных ритуалов, так и войны. Сегодня эту традицию продолжает современная косметическая промышленность. Губная помада, например, делается из пигментов, смешанных с маслами и жирами, которые помогают красителю прилипать к губам. Получение клея, способного держаться на губах несколько часов, но при этом легко удаляться с них при необходимости, всегда стояло на повестке дня; то же можно сказать и о подводке для глаз, и о любом другом виде макияжа. Эта задача иллюстрирует одну из главных тем в разработке клея: отсоединение зачастую не менее важно, чем приклеивание. Но подробнее об этом мы поговорим позже — разобраться бы пока с приклеиванием. Если вы хотите соединить то, что должно обладать механической прочностью, например части топора, лодку, тем более самолет, вам нужно нечто понадежнее краски или губной помады.

Древний пещерный рисунок большерогого оленя из Ласко (Франция), сделанный древесным углем и охрой

Летом 1991 г. двое немецких туристов, путешествуя по итальянским Альпам, нашли мумифицированные останки мужчины. Этот человек, костям которого, как выяснилось, около 5000 лет, позже получил от ученых прозвище Эци. Его останки необычайно хорошо сохранились, поскольку с момента его смерти были заключены в лед вместе с его одеждой и вещами: на Эци надеты сплетенная из травы накидка, куртка, пояс, чулки, набедренная повязка и обувь вроде мокасин, всё кожаное. Все его инструменты сделаны весьма изобретательно, но если говорить о клее, то самым интересным оказался топор. Рукоятка сделана из тиса, лезвие — из меди, а соединены они кожаными полосками, залитыми березовым дегтем. Это смолистое вещество получается путем длительного нагревания березовой коры в горшке; в результате выходит черно-коричневая вязкая жижа, которая широко использовалась в качестве связующего вещества в позднем палеолите и мезолите. Она годится для изготовления тяжелых инструментов вроде топора, потому что при затвердевании становится прочной и твердой. Наши предки использовали ее для крепления к стрелам наконечников и перьев, изготовления кремневых ножей, ремонта гончарных изделий и строительства лодок. Сама жидкость в основном состоит из молекул семейства химических веществ, известных как фенолы.

Структурная формула 2-метокси-4-метилфенола, который входит в состав березового клея. Она представляет собой шестиугольник из атомов углерода и водорода, соединенный с гидроксильной группой — OH, отличительным признаком фенола

Их химическое название вам, может быть, незнакомо, но запах, уверен, вы узнали бы без труда: основной фенол березового дегтя — 2-метокси-4-метилфенол, пахнущий дымным креозотом. Фенолальдегид пахнет ванилью. Этилфенол — копченой грудинкой; на самом деле характерный аромат копченой рыбе или мясу придают именно фенолы.

Нагревая березовую кору, вы извлекаете из нее фенолы. Густая смола, которая при этом получается, представляет собой в основном смесь растворителя под названием скипидар и фенолов. Скипидар — основа жидкости, но за несколько недель он испаряется, и остается только фенольная смесь; жидкость превращается в твердый вар, достаточно липкий, чтобы связать дерево с кожей или другими веществами.

Оказывается, деревья — вообще прекрасные поставщики всего липкого. Сосны выделяют капли смолы, из которой тоже выходят хорошие клеи. Популярное уже тысячу лет связующее вещество гуммиарабик получают из аравийской акации. Смола босвеллии, известная как ладан, — клей с особенно приятным запахом. Еще одна ароматическая смола, мирра, происходит из колючего дерева коммифоры. Смолы часто использовали в составе лекарств, а также духов, возможно потому, что их активные химические элементы, подобно фенолам, обладают мощными антибактериальными свойствами. Ладан и мирра так высоко ценились в Античности, что их нередко дарили королевам, королям и императорам — вот почему их присутствие в библейском рассказе о Рождестве так важно.

Липкость древесных смол не случайна. Такими они стали в процессе эволюции, чтобы растения имели возможность ловить насекомых. Так что смолы для деревьев — важный инструмент защиты. Ювелирный янтарь — на самом деле окаменевшая древесная смола, и в ней часто присутствуют идеально сохранившиеся насекомые и кусочки случайного мусора.

Муравей в янтаре — окаменевшей древесной смоле. © Anders L. Damgaard

Без древесных смол нашим древнейшим предкам было бы крайне сложно изготавливать орудия и инструменты, и тогда нашей цивилизации очень трудно было бы взять старт. Но вряд ли стоит склеивать смолой самолет — она наверняка потрескается во время полета. Фенольные молекулы не слишком прочно связываются с другими веществами — они слишком замкнуты, слишком самодостаточны.

Но если вы среди деревьев, то вам не придется слишком долго искать более сильные разновидности клея. Посмотрите на птиц: их крылья не скручены болтами или шурупами. Их мышцы, связки и кожа держатся за счет молекул семейства химических веществ, известного как белки. Наши тела тоже связаны ими. Один из важнейших белков называется коллагеном. Он обычен для всех животных, и получить его относительно несложно. Древние люди использовали рыбью кожу и шкуры диких зверей — отделяли жир, а затем вываривали шкуры в воде. При этом коллаген извлекается из шкур, и получается густая прозрачная жидкость, которая, остывая, превращается в твердое жесткое вещество — желатин.

Коллагеновые белки в желатине — длинные молекулы с «хребтом» из атомов углерода и азота. В телах животных коллагеновые молекулы удерживаются вместе, образуя прочные волоконца, из которых состоят сухожилия, кожа, мышцы и хрящи. Однако, оказавшись в горячей воде в процессе вываривания, молекулы коллагена разделяются. У них появляются свободные химические связи, которые они стремятся заполнить. Иными словами, они хотят прилепиться к чему-нибудь — а значит, превращаются в костный клей.

Изменение структуры коллагенового волоконца при превращении в костный клей

Именно клеи животного происхождения заменили древесные смолы в качестве основы древних человеческих технологий. Египтяне, например, использовали костный клей при изготовлении мебели и декоративных инкрустаций. К тому же они, судя по всему, первыми придумали использовать клей, чтобы обойти одну из главных механических проблем древесины: волокнистость.

Это свойство определяется плотностью и расположением целлюлозных волокон, которые зависят не только от биологии конкретных деревьев, но и от условий их произрастания. Волокнистость различается не только у разных биологических видов, но и у конкретных деревьев. Из-за этого свойства древесина, как правило, прочна поперек волокон, но может легко раскалываться вдоль. Это полезно, если вы колете дрова, но, когда вы строите дом, делаете стул, скрипку, самолет, да что угодно из дерева, возникает серьезная конструкторская проблема. Чем тоньше деревянная деталь, тем сложнее ее изготовить. Как ни странно, решение — разрезать древесину на еще более тонкие куски, называемые шпоном.

Первыми делать шпон научились египтяне. Они укладывали его куски друг на друга, и волокна нового слоя оказывались перпендикулярны волокнам предыдущего. Так создавались куски древесины, у которых не было слабого направления: мы сегодня называем это фанерой. Для ее склеивания египтяне использовали клеи животного происхождения, и получалось в целом неплохо. Но, как вы сами видели, если вам приходилось когда-нибудь готовить с желатином, костный клей растворяется в горячей воде. Мебель, склеенная им, должна содержаться в полной сухости, иначе она развалится. Это очень серьезный недостаток; но в Египте и тогда было сухо, и в наши дни тоже, и жителей этой страны всё устраивало.

Как уже говорилось выше, иногда нужен клей, который не скрепляет детали намертво. Из истории мы знаем, что изготовители классических музыкальных инструментов, такие как Антонио Страдивари, величайший скрипичный мастер всех времен, при сборке своих инструментов использовали костный клей. Это, в принципе, позволяло ему в любой момент разъять любое соединение в корпусе скрипки, которое показалось ему неудачным, и довести изделие почти до совершенства. И сегодня при ремонте деревянных инструментов мастера расклеивают и разнимают нужные соединения при помощи пара. Под его действием связь между клеем и деревом ослабевает, а затем и исчезает — и дерево остается неповрежденным и чистым, что продлевает срок жизни инструмента и увеличивает его ценность. Вообще большинство из тех, кто занимается реставрацией мебели, пользуется клеями животного происхождения именно потому, что скрепленные ими детали можно легко разъединить при помощи тепла.

Но при изготовлении крыльев высокая температура может стать серьезной проблемой — по крайней мере так гласит легенда. Достаточно вспомнить, что случилось с царем Миносом, который правил средиземноморским островом Крит и которому бог моря Посейдон подарил прекрасного снежно-белого быка. Миносу было велено принести животное в жертву Посейдону, но оно так понравилось царю, что тот решил пожертвовать другого быка, не такого красивого. Посейдон, чтобы наказать Миноса, заставил жену царя влюбиться в быка, и плодом этого союза стало необычное существо — получеловек-полубык Минотавр. Он вырос в ужасное чудовище и начал есть людей, и царь Минос поручил мастеру Дедалу построить для него тюрьму в виде громадного замысловатого лабиринта. Чтобы Дедал не мог никому рассказать о тайнах, скрытых в нем, Минос заключил его вместе с юным сыном Икаром в башню. Однако Дедала нелегко было удержать в заточении. Он соорудил крылья, склеив перья воском: пару для себя и пару для Икара. В день побега Дедал предостерег сына и запретил ему подлетать слишком близко к солнцу. Но во время полета Икар пришел в такой восторг, что не удержался и начал подниматься всё выше. Воск расплавился, перья расклеились, Икар упал на землю и разбился насмерть.

Если вы задумались о том, не может ли современный авиалайнер расклеиться, поднимаясь всё выше, то замечу, что миф об Икаре противоречит науке. Поднимаясь выше, он попадал бы в более холодный, а не более теплый воздух. Температура снижается примерно на 6 °C на каждый километр набранной высоты, потому что атмосфера там охлаждается за счет излучения тепла в космос. На высоте 12 000 м, где летел мой самолет, температура за окном составляла примерно –50 °C; тут уж любой воск затвердевает.

Картина падения Икара увековечивает миф о том, что упал он из-за расплавления воска, скреплявшего перья в его крыльях

Тут мне следовало бы сказать, что современный авиалайнер не скрепляется при помощи воска — сегодня у нас есть куда более надежные клеи. Интеллектуальное путешествие, связанное с их изобретением, начинается с каучука. Разумеется, это липкий продукт очередного дерева. Получают его, надрезая кору гевеи бразильской — дерева, произрастающего в Южной и Центральной Америке. Мезоамериканские культуры делали из этого сока множество вещей, включая и упругие мячи, которые использовались в ритуальных играх. Когда в XVI в. на континенте появились европейские исследователи, каучук поразил их до глубины души. Они никогда не видели ничего подобного: каучук обладал гладкостью и мягкостью кожи, но был куда более эластичен и совершенно непромокаем. Но, несмотря на его очевидную ценность, никто в Европе не мог найти ему подходящее применение, пока британский ученый Джозеф Пристли не обнаружил, что каучук хорошо стирает карандашные пометки с бумаги. Так появилась стирательная резинка.

Природный каучук состоит из тысяч маленьких изопреновых молекул, связанных в длинную цепочку. Этот молекулярный фокус — связывание воедино множества единиц одного и того же химического вещества с получением совершенно иного — широко распространен в природе. Молекулы такого типа называются полимерами: «поли» означает «много», а «мер» — «единица». Изопрен — это, можно сказать, мономер природного каучука. Длинные полиизопреновые цепочки в каучуке перепутаны, как спагетти. Связи между цепочками слабы, вот почему вы не встретите особого сопротивления, если будете растягивать каучук: цепочки просто слегка распутаются.

Структура природного каучука, представляющая собой сплетение длинных молекул полиизопрена

Именно способность растягиваться делает каучук таким липким. Он легко меняет форму и способен втиснуться в любое пространство, включая линии на вашей ладони, — вот почему он такой ухватистый. Каучук идеален для изготовления велосипедных ручек и автомобильных покрышек — он позволяет машине цепляться за дорогу достаточно прочно, чтобы возникало трение, необходимое для движения вперед, но не слишком, чтобы машина не прилипла к дороге навсегда; он позволяет ладоням лежать на ручках велосипеда достаточно надежно, чтобы не соскальзывать с них случайно, но при этом вам нет нужды беспокоиться о том, что руки навсегда прилипнут к рулю.

Одно из незаметных, но весьма изобретательных применений каучука — клейкие стикеры. На них нанесен тонкий липкий слой каучука, который остается на них при отрывании стикера от пачки; за счет этого слоя его можно прилепить к стене, столу, компьютерному монитору, книге и т. п., не повредив их и не оставив следа. Микроскопические шарики каучука, из которых состоит клей на стикерах, связывают его достаточно прочно с самим стикером, но при прижимании к поверхности создают лишь очень небольшую силу сцепления. Именно поэтому, когда вы снимаете стикер с поверхности, где он находился, каучук остается на бумаге. Листочек получается многоразовым, его можно прилепить еще куда-нибудь. Гениально? Ну, строго говоря, этот не слишком липкий клей на самом деле был случайным изобретением. На него наткнулся в 1968 г. доктор Спенсер Сильвер, химик из компании 3M, при попытке создать суперсильное связующее средство.

В XX в. появились и многие другие липкие продукты, оказавшие заметное влияние на нашу цивилизацию. Один из важнейших — клейкая лента, изобретенная в 1925 г. еще одним сотрудником компании 3M по имени Ричард Дрю. Лента Дрю состоит из трех основных слоев. Средний сделан из целлофана — пластика, получаемого из древесной целлюлозы и придающего ленте прочность и прозрачность. Нижний слой — клей, а верхний, главный представляет собой нелипнущее вещество вроде тефлона, имеющее высокое поверхностное натяжение по отношению к большинству других веществ и не способное легко смачиваться ими (именно поэтому мы используем его в покрытиях непригорающих сковородок). Использовать его в клейкой ленте было по-настоящему гениальным решением; благодаря ему ленту можно наматывать на саму себя, и она не слипается, поэтому ее можно выпускать в рулонах. Ну какой дом может обойтись без такого рулона? Или десяти, как у меня.

Можно многое сказать о человеке по тому, как он обращается с мотком скотча. Я, например, должен сразу признаться, что всегда отрываю ленту, а не отрезаю аккуратно. Попросите у меня клейкой ленты — и я схвачу моток и с энтузиазмом попытаюсь оторвать для вас кусочек. Вероятно, с первого раза у меня не получится. Скорее всего, сначала я испорчу несколько кусков, оторвав их либо не там, либо под диким углом; еще пара непременно спутается и слипнется в комок. Я не горжусь этим; на самом деле это меня бесит. Я начинаю всё больше злиться на скотч, который, в свою очередь, как будто дразнит меня, укладываясь обратно на рулон так гладко, что концов не найдешь. Тут мне приходится прибегать к особым мерам: я провожу большим пальцем по рулону, пытаясь нащупать кончик ленты, если уж увидеть его не получается. Иногда времени на это уходит так много, что я начинаю орать на скотч, а затем швыряю моток в стену — и в очередной раз с недоумением думаю о том, почему у меня до сих пор нет держателя для ленты.

Тканевая клейкая лента лучше подходит к моему темпераменту. Она специально сделана так, чтобы легко рваться без ножниц. Она усилена тканью, которая идет вдоль мотка, и поперечный разрыв делается без труда. Прочность ленты обеспечивается волокнами ткани, а липкость и гибкость — слоями пластика и клейкого вещества. Я так люблю тканевую клейкую ленту, что, признаюсь, завидую людям, которым по работе требуется всегда носить ее с собой на поясе. Подумав об этом, я украдкой бросил взгляд на Сьюзен, которая по-прежнему смотрела кино; интересно, какую клейкую ленту она предпочитает? Ее книга, «Портрет Дориана Грея» Оскара Уайльда, лежала перед ней на столике. Я заметил, что корешок книги когда-то чинили при помощи чего-то, напоминающего красную изоленту. Концы ее были аккуратно обрезаны ножницами: так, с темпераментом этой женщины всё ясно.

Клейкая лента, предложенная Ричардом Дрю, — конечно, полезное изобретение, но не она стала той технической новинкой, которая привела к созданию современных авиалайнеров. Автором нужного нам изобретения стал другой американский химик по имени Лео Бакеланд, которому удалось изготовить одну из первых пластмасс. Она получалась при соединении двух жидкостей. Основой первой были фенолы, главные компоненты березового дегтя, а второй стал формальдегид — раствор, используемый для бальзамирования. Эти две жидкости реагируют друг с другом с образованием новой молекулы. У нее есть свободная связь, к которой могут присоединяться дополнительные фенолы, что, в свою очередь, формирует новые свободные связи для реакций с новыми фенолами, — и со временем вся жидкость (если смешать ее в верных пропорциях) оказывается химически связана и затвердевает. Иными словами, в результате реакции образуется единственная гигантская молекула, в которой все связи постоянны. Так что любой изготовленный вами объект будет твердым и прочным.

Бакеланд использовал свой новый пластик для создания множества вещей — например, телефонных аппаратов, которые как раз были недавно изобретены. Материал, разумеется, пришелся ко двору и принес Бакеланду состояние. Но кроме непосредственной пользы он оказал и другое влияние. Химики поняли, что фенол и формальдегид можно смешивать и применять в месте соединения двух предметов — и смесь, затвердев, их склеит. Это положило начало семейству новых клеев, которые получили название двухкомпонентных; они оказались прочнее всего, что удавалось придумать прежде.

Как из двух жидкостей, фенола и формальдегида, получается мощный клей

Чем шире использовались двухкомпонентные клеи, тем лучше мы понимали, насколько они полезны. Во-первых, составляющие такого клея — фенол и формальдегид — можно хранить в отдельных емкостях, где они будут оставаться жидкими до тех пор, пока не понадобятся. К тому же химический состав компонентов можно менять при помощи добавок, улучшая или ухудшая такие свойства клея, как способность к смачиванию и адгезия к различным материалам, например металлам или дереву.

Новый тип клея сильно повлиял на инженерный мир. Конструкторы вспомнили о фанере, которую первыми научились делать еще древние египтяне. Если изготовить ее с применением двухкомпонентного состава, разработанного специально для идеальной сцепляемости с деревом, то выйдет материал, не ограниченный малой прочностью костного клея и не чувствительный к воде. Но чтобы такая фанера нашла широкое применение, нужна была еще и серьезная рыночная потребность в ней. И она появилась в авиапромышленности — новом, возникшем практически в то же время типе производства. В начале XX в. большинство самолетов делали из дерева, но из-за его текстуры детали часто трескались. Фанера стала идеальным решением: ее можно было гнуть, придавая корпусу аэродинамическую форму, а благодаря новым двухкомпонентным клеям она была надежна и устойчива.

Самым знаменитым из когда-либо существовавших фанерных самолетов стал бомбардировщик de Havilland Mosquito. Когда во время Второй мировой войны он поступил на вооружение, это был самый быстрый самолет в небе. Его даже не вооружали защитными пулеметами, поскольку он способен был обогнать любой другой самолет. Он и до сего дня остается, возможно, самым красивым изделием из фанеры в истории. Его элегантность объясняется способностью фанеры принимать сложную форму в процессе застывания клея. Именно этому свойству она была обязана своей популярностью у конструкторов, длившейся несколько десятков лет.

Фанерный бомбардировщик de Havilland Mosquito

После войны фанера продолжила триумфальное шествие и произвела революцию еще в одной области — на этот раз в производстве мебели. Два самых изобретательных дизайнера того времени, Чарльз и Рэй Имз, использовали ее, чтобы переосмыслить деревянную мебель. Их конструкции, в первую очередь то, что мы сегодня называем стульями Eames, стали классикой. Их делают и подражают им до сих пор: зайдите в любое кафе или в любой класс, и вы, скорее всего, увидите какую-нибудь вариацию на тему этих стульев. Модные течения в мебели приходят и уходят, но фанера сохраняет свою привлекательность.

Фанерный стул, сконструированный Чарльзом и Рэй Имз. © Steven Depolo

Но если мебель из фанеры прошла проверку временем, то в аэронавтике конструкторской мысли пришлось двинуться дальше. После войны основными материалами в самолетостроении стали различные алюминиевые сплавы — не потому, что при том же весе они обладают большей прочностью или хотя бы большей жесткостью. Нет, алюминий победил потому, что его можно надежнее производить, герметизировать и сертифицировать, особенно с учетом того, что самолеты становились всё крупнее и летали всё выше. Очень трудно добиться того, чтобы фанера не впитывала воду или не высыхала. Фанерный самолет, который проводит значительную часть времени в сухих странах, со временем обязательно придет в негодность; его фанера ссохнется, возникнут дополнительные нагрузки на клееные сочленения. А в случае эксплуатации при повышенной влажности фанера разбухнет (или даже сгниет), что опять же поставит под угрозу безопасность самолета.

Алюминий не имеет таких недостатков; к тому же он невероятно стоек к коррозии и потому стал основой конструкции всех самолетов на следующие полвека. Но и он не идеален — не обладает ни достаточной жесткостью, ни достаточной прочностью для создания по-настоящему легких, эффективных по топливу самолетов. Так что даже в тот момент, когда производство алюминиевых самолетов было на пике, целое поколение инженеров чесало головы в поисках материала, идеального для самолетной обшивки. «Может быть, это какой-нибудь другой металл? — гадали они. — Или что-то совсем другое?» Углеродное волокно выглядело перспективно, поскольку при том же весе оно в десять раз жестче, чем сталь, алюминий или фанера. Но это текстиль, а в то время никто не мог сделать самолетное крыло из ткани.

Ответом стал эпоксидный клей. Такие компаунды — еще один вид двухкомпонентных адгезивных составов, но в их основе всегда лежит единственная молекула из категории так называемых эпоксидов.

В центре молекулы эпоксида есть кольцо, в котором два атома углерода соединены с одним атомом кислорода. Если разрушить эти связи, кольцо раскроется и эпоксид сможет реагировать с другими молекулами, образуя прочное твердое покрытие. Реакция затвердевания не начнется, пока кольцо не будет раскрыто путем разрывания связей «углерод — кислород»; для этого, как правило, в эпоксидную смолу добавляют отвердитель.

Отвердитель раскрывает кольцо молекулы эпоксида, позволяя ей образовать полимерный клей

Одно из главных преимуществ эпоксидных компаундов в том, что скорость реакции затвердевания зависит от температуры; клей можно смешать, и он не начнет схватываться, пока вы этого не захотите. Это принципиально важно при производстве фиброармированных деталей сложной формы, из которых собирается самолетное крыло; они огромны, и на их изготовление уходит не одна неделя. Когда вы наконец готовы превратить клей в прочное твердое вещество, вы помещаете деталь в герметичную печь, нагреваете крыло до нужной температуры — и готово. Такие печи называются автоклавами и могут быть размером с самолет. Перед нагреванием деталей из печи удаляется весь воздух, что позволяет решить еще одну проблему клеев: они часто захватывают воздух в местах соединений, и образуются пузырьки, которые после затвердевания становятся слабыми местами конструкции. Еще одно серьезное преимущество эпоксидов в том, что химически они очень изменчивы. Химики умеют присоединять к эпоксидному кольцу различные компоненты, что позволяет компаунду связываться с разными материалами: металлами, керамикой и… да, углеродным волокном.

Вы, возможно, удивляетесь, почему эпоксидные компаунды из хозяйственных магазинов не нужно нагревать в автоклаве, когда вы хотите починить с их помощью разбитую вазу или приклеить ручку к металлической крышке соковыжималки. В них в качестве отвердителей используются другие химические вещества, нежели в тех, что применяются в производстве самолетов; они будут реагировать с эпоксидной молекулой при комнатной температуре. Такой клей продается в двух емкостях, и перед использованием вам нужно смешать его компоненты: саму смолу и отвердитель — и различные ускорители, которые влияют на время реакции и позволяют клею затвердевать быстрее. Бытовые эпоксидные составы не так прочны, как их аэрокосмические варианты, но это тем не менее тоже очень мощное средство.

Возможно, всё это звучит просто, но на разработку фундаментальных принципов и технологий производства композитных структур до состояния, когда все готовы доверять самолетам из углеродного волокна и летать на них, ушел не один десяток лет. Сначала композитные материалы были испытаны на земле в гоночных машинах, где показали себя очень хорошо. Теперь у гоночных машин углеродные детали есть даже в двигателях — и да, вы правильно догадались, ученые разработали эпоксидные компаунды, которые можно использовать в такой высокотемпературной среде. После гоночных машин углеродные материалы нашли применение в изготовлении протезов — огромный шаг вперед, поскольку они обладают более высокой жесткостью и прочностью по сравнению со многими металлами и к тому же значительно легче их. Те штуки, на которых бегают спортсмены-инвалиды, сделаны из углеродных композитов. Этот же материал используется при изготовлении велосипедов, и до сего дня лучшие велосипеды в мире делаются из углеродных композитов, склеенных при помощи эпоксидных составов. И, конечно, новейшие коммерческие пассажирские самолеты от Boeing и Airbus тоже сделаны из углеродных композитов — включая тот, что нес меня через Атлантику.

Точно так же, как болты и заклепки уступили место клеям и связующим составам в протезировании и аэрокосмической промышленности, вероятно, винты и нитки уступят место клеям и в больницах. Когда я недавно рассек себе голову, играя в американский футбол, я зажал рану платком и отправился в отделение травматологии и неотложной помощи, где просидел с окровавленным платком на голове два часа в приемном покое. В конце концов, когда меня вызвали к врачу, он промыл мне рану, а затем вынул тубу цианоакрилатного клея. Он выдавил состав на обе стороны раны, а затем свел их вместе и удерживал в течение десяти секунд. После этого меня отпустили домой. И это не был какой-то врач-сумасброд, который пытался так сэкономить свое время; такая процедура уже стала в больницах стандартной.

Так молекула воды раскрывает молекулу цианоакрилата с образованием полимерного клея

Цианоакрилатный клей больше известен как «суперклей», и это очень странная жидкость. Она представляет собой масло и ведет себя соответственно. Но при контакте с водой молекулы H2O реагируют с цианоакрилатом. Они вскрывают двойную связь, которая скрепляет молекулу, и дают ей возможность прореагировать с другой молекулой цианоакрилата. При этом возникает двойная молекула с дополнительной химической связью, готовой прореагировать еще с чем-нибудь. Так, собственно, она и делает: реагирует со следующей молекулой цианоакрилата с образованием тройной молекулы с очередной свободной связью, которая реагирует со следующей молекулой и т. д. Эта цепная реакция продолжается с образованием всё более длинной и взаимосвязанной молекулы. Это само по себе достаточно хитроумно, но становится еще хитроумнее, если учесть, что для превращения тонкого слоя цианоакрилатной жидкости в твердое покрытие достаточно водяного пара, который уже есть в воздухе. Если многие клеи не работают во влажной среде, поскольку вода не дает им прилипнуть к поверхности, то суперклей работает где угодно. Как известно всякому, кто имел дело с таким клеем, им до нелепости просто склеить собственные пальцы; именно поэтому химики ищут способ, который позволил бы быстро и удобно избавляться от суперклея.

Если оставить пальцы в стороне, то на клее сегодня держится многое в этом мире, и велика вероятность того, что дальше будет еще больше. Самолет, в котором я находился, наглядно демонстрировал способность противостоять турбулентности на скорости 800 км/ч, а значит, клеи этого достойны. Мы, вероятно, даже в самой малой степени не знаем пока, на что способны клеи, особенно если задуматься о том, сколько мощных липких субстанций используют живые существа. Чуть ли не каждый день какой-нибудь ученый открывает новый клей, которым пользуются растения, моллюски или пауки.

Я размышлял об этом, листая каталог фильмов, которые можно посмотреть в самолете. На очередной странице мне попался «Человек-паук». «Да, клейкость — действительно сверхсила», — подумал я и нажал кнопку воспроизведения.

Глава 5. Фантастические

Я опустил шторку на окне, спасаясь от резкого солнечного света. Это действие всегда кажется таким странным и неестественным; в обычной жизни я почти каждый день мечтаю взлететь над серыми тучами, которые постоянно висят над Лондоном, и купаться там, наверху, в солнечном свете. Но, пробыв недолгое время в небе, я захотел посмотреть кино, и мне понадобилось, чтобы вокруг стало темно и экран было видно как следует. Моя соседка Сьюзен резко вскинула голову, когда я опустил шторку: ей я тоже перекрыл свет. Так что я чуть приподнял шторку снова, впустив несколько ярких лучей, и поднял большие пальцы в вопросительном жесте — надеюсь, вы не против, если я опущу шторку. Она кивнула, щелкнула кнопкой своего светильника, включив его, и вновь погрузилась в книгу. Я почувствовал, что досаждаю ей.

«Вот если бы экраны были больше похожи на картины, — подумал я, — из краски, которая умеет меняться, позволяя действующим лицам на экране двигаться, как полагается в кино; вот тогда мне бы не пришлось опускать шторку». Но как только эта мысль проникла в мою голову, меня осенило: ведь книга, которую читает Сьюзен, как раз об этом! «Портрет Дориана Грея» — именно о такой картине. Мысль эта оказалась немного пугающей и вполне соответствовала мистическому сюжету книги. Оскар Уайльд написал свой роман в 1890 г., когда жидкие кристаллы были только открыты. Он не мог знать, что в будущем на их основе будет создана технология плоского экрана, которую я использовал для просмотра «Человека-паука». Не мог он знать и о том, что именно эта технология когда-нибудь будет способна создать волшебную, но зловещую картину, вокруг которой разворачивалось действие его романа.

Дориан Грей в одноименной книге — миловидный, богатый молодой человек — заказывает художнику свой портрет. При виде готовой картины его поражает мысль о том, что, хотя сам он будет стареть и терять красоту, картина навсегда останется такой же прекрасной. Он жалуется:

Он никогда не станет старше, чем в этот июньский день… Ах, если бы могло быть наоборот! Если бы старел этот портрет, а я навсегда остался молодым! За это… за это я отдал бы всё на свете. Да, ничего не пожалел бы! Душу бы отдал за это![5]

Момент, когда Дориан Грей впервые увидел свой юный портрет

Желание Дориана волшебным образом исполняется. Он ведет жизнь гедониста, обожает свою красоту, молодость и чувственные наслаждения, которые те ему приносят; при этом он без малейших угрызений совести разрушает жизни других. По сути, картина наделяет его сверхсилами — но не такими, как у Человека-паука, который уже летал по моему экрану. Тот обладает сверхспособностью — умеет прилепляться к зданиям — и «паучьим чувством», которое позволяет ему ощущать опасность. Сверхспособность Дориана Грея в том, что он не стареет и не теряет красоты; вместо него стареет портрет. Мои глаза метнулись к Сьюзен, которая теперь сидела в полутьме и читала книгу в свете небольшой лампы. Я подумал, как трудно, наверное, было бы нарисовать движущийся портрет.

Когда вы наносите краску на холст, жидкость прилипает к нему и всем другим уже имеющимся на нем слоям краски. Ведь еще наши далекие предки, рисовавшие на стенах пещер, поняли, что краска — по сути цветной клей. Так что ее задача — превратиться из жидкости в твердое тело, а затем навсегда остаться там, куда ее нанесли. Разные краски добиваются этого разными способами. Акварель высыхает — высвобождает воду в воздух путем испарения, и на бумаге остаются только пигменты. Масляная краска сделана из масла — как правило, макового, орехового или льняного. Она не сохнет. У нее в запасе другой фокус: она реагирует с кислородом воздуха. Обычно реакций такого типа следует избегать, поскольку окисление делает сливочное масло и растительные пищевые масла прогорклыми и затхлыми. Но в случае красок это полезно. Масла состоят из длинных цепочек углеводородных молекул. Кислород выхватывает атом углерода из одной цепочки и присоединяет к другой с помощью реакции, открывая при этом молекулу для дальнейших реакций. Иными словами, кислород работает как отвердитель (точно так же, как вода для суперклея)… и да, это тоже реакция полимеризации.

Она очень полезна: благодаря ей на поверхности холста образуется твердая водонепроницаемая покровная пленка из пластмассы (картину, написанную масляными красками, точнее было бы назвать пластмассовой); она невероятно устойчива и прекрасно сохраняется. Однако полимеризация требует времени, поскольку кислород, прежде чем добраться до глубинных непрореагировавших слоев масла, должен просочиться сквозь верхний, затвердевший слой. Это недостаток масляной краски — приходится долго ждать, чтобы она схватилась. Но великие мастера масляной живописи, такие как Ван Эйк, Вермеер и Тициан, пользовались этим в своих интересах. Они накладывали много тонких слоев масляной краски, которые один за другим химически реагировали с кислородом и затвердевали, формируя множество слоев полупрозрачной пластмассы, один поверх другого; получается сложная упаковка для множества разных цветных пигментов.

Такое постепенное наложение красок позволяет художнику создавать чудесные полутоновые полотна. Ведь когда свет падает на холст, он не просто отражается от верхнего слоя — какая-то его часть проникает к внутренним слоям, взаимодействуя с пигментами глубоко в толще картины и выходя уже в виде цветного света. Или, наоборот, он полностью поглощается разными слоями и дает глубокие оттенки черного. Это хитроумный способ управления цветом, яркостью и текстурой — и именно поэтому художники Возрождения предпочитали масляные краски. При анализе картины Тициана «Воскресение Христа» были обнаружены девять слоев масляной краски, и все они участвуют в создании сложных визуальных эффектов. Именно выразительность масляной краски сделала искусство Возрождения таким чувственным и страстным. Эффект слоистости настолько силен, что он сумел выйти за пределы своих корней в классической живописи и теперь в обязательном порядке включается во все профессиональные инструменты работы с цифровой иллюстрацией. Если вы используете Photoshop, или Illustrator, или любую другую графическую компьютерную программу, то вы создаете образы по слоям.

Как и слоистость, льняное масло, помимо живописи, имеет множество применений; оно используется для обработки древесины, создавая прозрачный защитный пластиковый барьер — точно такой же, как и масляная краска, но бесцветный. Бита для крикета — один из многих деревянных предметов, которые традиционно покрывают льняным маслом. Можно довести это до логического конца и изготовить из льняного масла плотный материал под названием линолеум — опять же с помощью реакции полимеризации. Дизайнеры и декораторы используют его в качестве водонепроницаемого полового покрытия. Художники тоже применяют линолеум. Они вырезают на нем изображения, как на дереве, и делают отпечатки — получается линогравюра. Здесь тоже слои — главный способ наращивания сложности конечного произведения.

Руби Райт «Тайная любовь к лимонаду». Линогравюра. © Ruby Wright

Но, как бы захватывающе ни выглядели линогравюры или живописные полотна, ни то, ни другое не в состоянии дать нам движущееся изображение. Однако если взять молекулу на основе углерода, не слишком отличающуюся от той, что присутствует в льняном масле, — например, 4-циано-4’-пентилбифенил, — то движущееся изображение внезапно станет возможным.

Структурная формула 4-циано-4’-пентилбифенила, часто используемого в жидких кристаллах

Основа молекулы 4-циано-4’-пентилбифенила представляет собой два шестиугольных кольца. Этот «каркас» придает ей жесткость, но скрепляющие электроны распределены неравномерно: молекула представляет собой диполь. В ней есть области, где сосредоточен отрицательный электрический заряд, и другие, где сосредоточен заряд положительный. Положительный заряд одной молекулы притягивает к себе отрицательный заряд другой, усиливая склонность молекул образовывать упорядоченную пространственную структуру — кристалл. Но на хвосте молекулы 4-циано-4’-пентилбифенила имеется группа CH3, при этом хвост гибкий и извивается, противодействуя образованию кристалла. Поэтому 4-циано-4’-пентилбифениловые структуры частично организованные, а частично текучие; это и есть так называемые жидкие кристаллы.

При температуре выше 35 °C влияние хвоста CH3 побеждает, и 4-циано-4’-пентилбифенил ведет себя как обычная прозрачная жидкость. Но стоит охладить ее до комнатной температуры, и она приобретает молочный вид. 4-циано-4’-пентилбифенил не твердый при этой температуре, но что-то странное с ним уже происходит. Молекулы начинают равняться друг на друга примерно так же, как рыбы в косяке. Для жидкостей такая структура очень нетипична. Одно из определяющих свойств жидкости — то, что ее атомы и молекулы слишком энергичны, чтобы оставаться на одном месте сколько-нибудь долго. Они непрерывно вращаются, колеблются и мигрируют. Жидкие кристаллы ведут себя иначе: молекулы в них динамичны и могут плавать, но сохраняют единство ориентации. Название «жидкий кристалл» происходит из аналогии между одинаковой ориентацией молекул в нем и правильным расположением атомов в настоящем кристалле.

Структурные различия между кристаллом, жидким кристаллом и жидкостью

Однако ориентация молекул в жидком кристалле не совсем одинаковая; они в жидком состоянии и постоянно движутся, меняются местами и перераспределяются между отдельными группами. При этом полярность придает жидкому кристаллу еще одно полезное свойство: его молекулы реагируют на внешнее электрическое поле. В ответ на него они все вместе меняют направление. Таким образом, включив электричество, вы можете сделать так, что целая группа молекул повернется в определенную сторону. Оказывается, это и есть ключ к технологическому успеху жидких кристаллов; вот что позволяет им работать в электронных устройствах.

Когда свет идет сквозь жидкий кристалл, в нем происходят тонкие изменения поляризации. Чтобы понять это, вспомните, что свет — волна из колеблющихся электрического и магнитного полей. Но в каком направлении они колеблются? Вверх и вниз, из стороны в сторону или вправо и влево? Солнечный свет колеблется во всех этих направлениях. Но если он отражается от гладкой поверхности, то она как бы поощряет колебания в одних направлениях и подавляет в других, в зависимости от того, как она ориентирована относительно света. В результате в отраженном свете колебания одних направлений присутствуют, а других — нет. Такой свет называется поляризованным.

Такое действие на свет производит не только отражение от поверхностей. Некоторые прозрачные материалы тоже способны менять поляризацию света; вспомним хотя бы поляризационные очки. Их линзы пропускают свет с колебаниями только одного направления. Это снижает интенсивность света, попадающего в глаза, — в результате мир кажется темнее. Особенно полезны такие очки на пляже, и не только потому, что затеняют ваши глаза. Солнечный свет, отраженный от гладкой морской поверхности, тоже поляризованный, и линзы способны блокировать его. Рыбаки пользуются такими очками, чтобы лучше видеть происходящее под водой, и фотографы с их помощью также защищают глаза от слепящего блеска.

Некоторые пауки различают поляризованный свет, и я иногда думаю, не отвечает ли это умение хоть отчасти за способность Человека-паука быстро реагировать на опасность — его «паучье чувство». На экране передо мной он только что с трудом ускользнул от доктора Осьминога при помощи необъяснимого мгновенного решения, которое позволило ему уйти от щупалец злодея. Спецэффекты в фильме поразительны, и я улыбнулся Сьюзен, забыв, что, несмотря на мой откровенный интерес к ее книге, она не отвечала мне взаимностью и не проявляла никакого интереса к моему «Человеку-пауку».

Жидкие кристаллы меняют поляризацию света — и образ Человека-паука волшебным образом появляется передо мной на экране. Когда вы подносите линзу из поляризационных очков к поверхности жидкого кристалла, свет, исходящий от него, кажется ярким, если его поляризация совпадет с поляризацией линзы, а в остальных случаях он выглядит темным. Но здесь-то и кроется фокус: если поменять структуру жидкого кристалла при помощи электрического поля, его поляризация тоже изменится. Так что одним щелчком вы можете включить — или выключить — свет. И внезапно у вас появляется устройство, способное испускать белый свет, а потом не испускать света, а потом вновь переключаться на белый, причем с той же скоростью, с какой вы сможете переключать жидкокристаллическую структуру на электронном устройстве. Вот вам и основа для черно-белого экрана.

Звучит просто, но на реализацию этого принципа ушло не одно десятилетие. Первым необычное поведение жидких кристаллов описал австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер в 1888 г., за два года до того, как Оскар Уайльд создал «Портрет Дориана Грея». В следующие восемьдесят лет жидкие кристаллы исследовали многие ученые, но никто не мог найти для них полезное применение. Только в 1972 г., когда компания Hamilton Watch запустила в производство первые цифровые часы под названием Pulsar Time Computer, для жидких кристаллов началась новая эпоха. Часы выглядели великолепно и не были похожи ни на какие другие; стоили они, надо сказать, побольше среднего автомобиля. Те, кто покупал их, не сомневались, что приобретают продукт будущего. И они оказались правы: наступала эра цифровых технологий, и часы первыми вышли на массовый рынок в области, которой суждено было стать индустрией с оборотом в триллионы долларов.

Часы Pulsar Time Computer были созданы на основе LED (light-emitting diode) — светоизлучающих диодов, которые, в свою очередь, сделаны из полупроводниковых кристаллов, излучающих красный свет в ответ на электрический ток. Цифры выглядели великолепно, особенно на черном фоне, и богатые и знаменитые были от них без ума — такие часы носил даже Джеймс Бонд в фильме «Живи и дай умереть» 1973 года. Недостатком светоизлучающих диодов в то время было их высокое энергопотребление; в первых цифровых часах батарейки садились очень быстро. Чтобы удовлетворить возникший сенсационный спрос на них, необходима была более энергоэффективная технология индикации. Вдруг, после десятилетий пребывания в статусе лабораторной диковинки, жидкие кристаллы нашли применение. Они быстро захватили рынок цифровых часов, поскольку электрическая энергия, нужная для переключения жидкокристаллического пикселя с белого цвета на черный, мизерна. К тому же они дешевы — настолько, что производители начали делать из жидких кристаллов целые экраны. Именно из них состоит серый экранчик электронных часов. Часы направленными электрическими сигналами переключают некоторые области серого экрана, заставляя их блокировать поляризованный цвет и делая черными. Это позволяет выводить разные цифры, и вы можете видеть время, дату, всё, что можно передать на маленьком экранчике в цифровом формате.

Часы-калькулятор Casio

Одно из сильнейших моих детских воспоминаний — черная зависть, которую я почувствовал, когда мой приятель Мерул Пател пришел в школу после каникул с новыми часами-калькулятором Casio. Впечатление от того, как он небрежно нажимал на крохотные кнопочки, а часы радостно пищали в ответ, было до нелепости сильным. Конечно, сегодня я понимаю, что это как-то глупо — кому на самом деле нужен крохотный калькулятор? Но в то время я был им очарован. Так начиналось мое болезненное пристрастие к гаджетам.

Со временем электронные часы потеряли свою волшебную притягательность, но их сменила бесконечная череда других цифровых устройств, не последними из которых стали мобильные телефоны, где по-прежнему используются жидкокристаллические экраны. Как ни странно, та же базовая технология, что использовалась в электронных часах, применяется и в производстве экранов современных смартфонов, способных воспроизводить цветное видео. Это вновь возвращает нас к живописи и к задаче создания подвижной картины, описанной в «Портрете Дориана Грея». Очень может быть, что жидкие кристаллы — именно то, что для этого необходимо. Но как они создают цвет?

Мы все знаем: если взять желтую краску и смешать ее с синей, наши глаза воспримут получившийся цвет как зеленый. А если взять красную и добавить к ней синюю, получится фиолетовый. Теория цвета гласит, что любой оттенок можно получить смешением первичных цветов. В печатной индустрии обычно используются голубой, или циан (cyan, C), пурпурный, или маджента (magenta, M), и желтый (yellow, Y) с добавлением черного (K) для управления контрастом. Так же работают струйные принтеры, и поэтому мы видим аббревиатуру CMYK на коробках с картриджами для принтеров. Именно эти цвета печатает на странице ваш принтер, точку за точкой, а в общий цвет их соединяют ваши глаза и зрительная система. Мы давно знаем, что глаз можно обмануть таким способом. Ньютон писал об этом в XVII в., а пуантилисты в XIX в. использовали такой прием в живописи. Главное преимущество этого метода — то, что капельки пигментов физически не смешиваются и их яркость и блеск легко контролировать для создания желаемого эффекта. Теория цвета предсказывает, что можно получить любой цвет, если смешать краски таким способом, при условии, что точки будут достаточно маленькими и располагаться близко друг к другу. Но вот изменить однажды созданный цвет — совсем другое дело. Вам придется физически скорректировать соотношение пигментов на холсте — а значит, придется одни точки удалить, другие добавить. Если, конечно, вы не найдете способа наносить точки с готовыми комбинациями любых возможных цветов.

Так, по сути, и работают жидкокристаллические цветные экраны — и на вашем телефоне, и на телевизоре, и, в моем случае, на спинке кресла передо мной в самолете. Точки мы называем пикселями. Каждый из них имеет три цветных фильтра, пропускающих соответственно один из трех основных цветов. Для экранов основные цвета красный (red, R), зеленый (green, G) и синий (blue, B), отсюда аббревиатура RGB. Если все три цвета излучаются в равных пропорциях, пиксель выглядит белым, хоть и состоит из трех отдельных цветов. В этом можно убедиться, если уронить на телефон маленькую капельку воды и посмотреть сквозь нее на экран. Она сыграет роль увеличительного стекла, и вы сможете разглядеть отдельные группы из трех точек: красной, зеленой и синей.

Если мастерам живописи приходилось ломать голову над тем, как привнести в картины тьму и тень, смешивая краски и изобретая теорию восприятия цвета, то современные конструкторы жидкокристаллических экранов и ученые раздвигают границы воспроизведения цвета применительно к движущимся изображениям. И если в эпоху Возрождения масляным краскам приходилось конкурировать с другими техниками и материалами для живописи, такими как фреска или яичная темпера, то сегодня жидкокристаллические экраны (liquid crystal display, LCD) конкурируют с экранами на базе органических светоизлучающих диодов (organic light-emitting diode, OLED). В этой баталии, которая разыгрывается в каждом новом поколении телевизоров, планшетов и смартфонов, есть даже свой тайный язык. ЖК-экраны, как вам, может быть, доводилось читать в каком-нибудь специализированном блоге, не могут показывать глубокие черные цвета, поскольку поляризаторы, которые не пропускают свет к экрану во время темных сцен, эффективны не на 100 %; цвета выходят серыми. Из-за способа создания цвета в ЖК-экранах страдает и яркость некоторых оттенков. Отсюда проблема со шторкой на окне в салоне и с попаданием солнечного света на экран, которое сильно затрудняет просмотр.

Однако экраны становятся всё лучше благодаря великолепным инновациям, которые, по сути, не слишком отличаются от техники послойного наложения масляных красок. Так, добавление слоя с активной матрицей позволяет некоторым пикселям включаться независимо от остальных. При этом отдельные части изображения можно сделать более контрастными, чем другие, вместо того чтобы устанавливать единый уровень контрастности для всей картинки. Это полезно для тех сцен в кино, которые снимаются при неполном освещении. Конечно, всё это делается автоматически на транзисторной технологии — именно это подразумевает слово «активная» в применении к матрице. Кроме того, инженеры научились делать так, чтобы при изменении угла зрения изображение ухудшалось не так сильно. Раньше экран под определенными углами было видно плохо, но теперь в него добавлен «рассеивающий слой», который распределяет свет, покидающий экран, по разным направлениям. По сравнению с этим технология OLED — наследница красных светоизлучающих диодов, использовавшихся в первых цифровых часах, — сегодня более энергоэффективна. Кроме того, в ней доступна гораздо более широкая палитра цветов, да и угол зрения почти не играет роли. Но, несмотря на значительно более высокую по сравнению с ЖК-экранами стоимость, экраны OLED до сих пор не достигли того же уровня яркости.

Возможно, жидкие кристаллы не идеальны, но они представляют собой, по сути, тот самый динамический холст, о котором мечтал Оскар Уайльд. Теперь каждый может завести у себя в холле (или на чердаке) собственный портрет на экране, который будет обновляться ежедневно. Когда жидкокристаллические экраны несколько лет назад стали по-настоящему дешевыми, люди начали дарить их друг другу в виде динамических фоторамок. Но популярными они так и не стали. Мало того, многие их просто ненавидели, как Дориан Грей — свой меняющийся портрет. Я убежден, что причина для ненависти заключалась не в качестве изображения — многие с удовольствием разглядывают себя на жидкокристаллическом экранчике собственного смартфона; дело, скорее, в самой природе таких экранов. Это, по сути, самозванцы, нечто текучее, волшебное и призрачное, что пытается притвориться прочной, надежной и настоящей фотографией момента, застывшего во времени.

А вот в плоских телевизорах та же технология стала невероятно популярной. Согласованное переключение цвета пикселей позволяет телеэкранам демонстрировать движущиеся картинки. Именно благодаря этому мы можем видеть, как актеры разговаривают, жестикулируют и меняют выражение лица, а также (в случае кино, которое я смотрел в самолете) прыгают от дома к дому, спасая мир от вселенского зла. Я, конечно, понимал, что увиденное не происходит на самом деле, это всего лишь набор точек основных цветов, согласно мигающих под сопровождающий саундтрек. Но всё это стимулировало меня и интеллектуально, и эмоционально; я был поглощен происходящим на экране. Однако есть момент, который мне по-настоящему трудно понять. Если сравнить впечатление от просмотра этого фильма в самолете с впечатлением от рассматривания какого-нибудь шедевра живописи, вроде «Воскресения Христа» Тициана, в картинной галерее, то я точно знаю, что подействует на меня сильнее. Боюсь, это будет кино. Я не горжусь этим. Я понимаю, что картины Тициана — великое искусство, а кино про супергероя на десятидюймовом экране — нет. Почему я настолько неглубок? Может ли быть, что на высоте 12 000 м я теряю всякий вкус к искусству? Или всё дело в эмоциональном подъеме, связанном с полетом?

Статичные образы, в частности картины и фотографии, позволяют нам заглянуть вглубь себя и оценить, насколько сильно мы изменились со временем. На протяжении жизни мы неоднократно сталкиваемся с шедеврами, например, Тициана, Ван Гога или Фриды Кало, которые физически остаются прежними, но с годами обретают в наших глазах иной смысл, поскольку мы сами становимся другими, наше восприятие меняется. А волшебные жидкие экраны в самолетах действуют наоборот; они динамичны и предлагают нам живое окно в иной мир. Позволяют убежать от себя. Пролетая над облаками на высоте 12 000 м в затемненном салоне, мы попадаем в фантастический мир. Какое-то недолгое время мы можем действовать как боги, глядя вниз на дела людские сквозь наши жидкие порталы. Мы наблюдаем за людьми, смеемся над их глупостями, качаем головами, видя их безумные поступки. При этом наши эмоции обостряются. Некоторые академические исследования позволяют предположить, что причина тому — сильнейший контраст между чувством близости и симпатии по отношению к героям фильма и жесткой реальностью полета сквозь пространство в трубе рядом с чужими людьми на высоте 12 000 м над землей. Мне это кажется безусловной истиной. Я плачу во время просмотра кино только в самолете; даже самый сентиментальный фильм вызывает слезы, и я готов громко хохотать над комедиями, которые на земле не вызвали бы у меня даже улыбки.

К тому времени, когда мой фильм закончился, Человек-паук, конечно, вышел из испытаний победителем, но в жидких кристаллах передо мной не осталось никаких следов просмотренных сцен. Они погасли; они были готовы принять на себя следующую сказку. Я почувствовал себя менее богоподобным. Я посмотрел на Сьюзен, которая спала, завернувшись в одеяло и приняв позу, казавшуюся удобной, хотя, как я знал по собственному опыту, таковой не была. Я почувствовал искушение приоткрыть шторку и вновь порадовать глаза видом солнечного голубого небосвода, но побоялся разбудить ее. Я попробовал понять, хочется ли мне спать хоть чуть-чуть, и решил попробовать подремать. Я снял ботинки, опустил спинку кресла и постарался забыть, насколько трудно мне обычно заснуть в самолете.

Глава 6. Физиологические

Я резко проснулся, когда Сьюзен грубо столкнула меня со своего плеча, где до того момента покоилась моя голова. Неловкость, которую я ощутил, усилилась, когда я заметил тонкую ниточку слюны, свисавшую из моего рта на ее рукав. Я резко махнул рукой, чтобы снять ее; при этом я не мог посмотреть Сьюзен в лицо и извиниться, а вместо этого притворился, что еще сплю. Я уронил голову по другую сторону от своего кресла и попытался втиснуть ее в промежуток между твердой полипропиленовой стенкой салона и акриловой обивкой сиденья. Поза оказалась неудобной, неловкой и даже немного болезненной, но я чувствовал, что заслуживаю такого наказания. Сна у меня теперь не было ни в одном глазу, но веки оставались плотно сжатыми. Как долго мне пришлось бы притворяться, прежде чем мы оба могли бы со спокойной совестью сделать вид, что забыли о происшедшем? Была ли эта ситуация самой неловкой из всех, в какие мне когда-либо доводилось попадать? Нет. Но она, безусловно, занимала место где-то в верхней части списка рядом со случаем, когда я обмочился в школе; когда меня вырвало фонтаном в плотно набитом ресторане при попытке добежать до туалета; когда я увидел, как дедушка чихнул прямо над тарелкой с супом, которую подавали мне. Я заново переживаю эти ужасные сцены из своей жизни достаточно регулярно; их напряженность, кажется, никогда не тускнеет. Почему, ну почему физиологические жидкости всегда эмоционально заряжены? Даже сама фраза «физиологические жидкости» рождает во мне неловкость. Многие наши правила приличия и традиции нацелены исключительно на то, чтобы сдерживать телесные выделения. Но ведь без них у нас возникли бы серьезные проблемы! Они необходимы для нашего физического благополучия даже тогда, когда еще находятся внутри нашего тела. Так почему же, покинув его, они внушают нам такое отвращение?

— Сэр, что вы предпочитаете, карри с курицей или пасту?

Начали подавать обед. Я крутанулся в своем кресле, делая вид, что только проснулся, и нарочито изображая заторможенность.

— А? Что, простите?

— Что вы предпочитаете, карри с курицей или пасту?

— Э-э, карри с курицей. Спасибо, — проговорил я торопливо, поворачивая небольшую ручку, удерживавшую на месте мой откидной столик.

Я старался не встречаться глазами со Сьюзен после неприятного эпизода со слюной, но инстинктивно чувствовал, что трапеза, возможно, подведет под этим эпизодом черту: слюна нам обоим понадобится.

Типичный обед в самолете. Фото автора

Я взял с подноса, который передо мной поставили, рогалик и откусил кусочек. Хлеб оказался мягкий, но суховатый. К счастью, в процессе жевания он размяк. Всё благодаря моим слюнным железам, сразу же включившимся в дело; они выделили жидкость, которая не только покрыла хлеб, не позволив ему прилипнуть к моему нёбу, но и проявила его вкус. Сначала я ощутил сладость, поскольку слюна растворила сахара в хлебе и доставила их к моим рецепторам, отвечающим за сладкий вкус; затем пробились и другие вкусовые качества хлеба — соленые и пикантные оттенки.

Вкусовым сосочкам необходимо, чтобы ароматные молекулы к ним доставляла какая-нибудь жидкая среда; именно для этого слюна и появилась в процессе эволюции. В хлебе нет собственного сока, и без размягчителя не обойтись, если вы хотите его распробовать; мало того, иначе вам его вообще не съесть. Но слюна не только растворяет ароматы и вкусы; она помогает вашей сенсорной системе определять, насколько питательна попадающая вам в рот пища, и поднимает тревогу, если она содержит патогены или яды. В слюне есть ферменты, которые предварительно переваривают, как бы «пробуют» пищу. И в самом деле, ваши вкусовые сосочки и рецепторы носа получают возможность анализировать содержимое рта прежде, чем вы его проглотите. Один из важнейших ферментов слюны — амилаза; она расщепляет крахмал и превращает его в простые сахара. Вот почему чем дольше жуешь хлеб, тем слаще он кажется. Амилаза продолжает расщеплять углеводы еще долго после того, как вы их проглотили, и она же собирает во рту все крохотные фрагменты, которые там остались или застряли между зубами.

Помимо прочего, слюна контролирует кислотность вашего рта, активно стараясь сохранить ее нейтральной. Кислотность или щелочность жидкости оценивается по шкале pH (pondus Hydrogenii, «вес водорода»). Значения на ней меняются от ноля до четырнадцати, причем ноль соответствует максимальной кислотности, а четырнадцать — максимальной щелочности. Чистая вода нейтральна, ее pH равен семи. Жидкости с повышенной кислотностью часто кислые на вкус, например лимонный сок, кислотность которого равна двум. Большинство напитков кислые с химической точки зрения: это и апельсиновый сок, и яблочный, и даже молоко; но не все они такие же на вкус, во многих из них есть и сахара, которые помогают сбалансировать вкусовой профиль (напитки вроде колы, как правило, имеют pH = 2,5, но сахар делает их сладкими).

Многие бактерии, живущие во рту, питаются сахарами и выделяют кислоту, которая разъедает эмаль зубов и провоцирует кариес. Именно поэтому стоматологи обычно советуют есть поменьше сахара. Слюна, однако, непрерывно смывает эти бактерии и возвращает кислотность ротовой полости к нейтральной. Кроме того, в ней есть кальций в виде фосфата и фторида в перенасыщенном состоянии; он откладывается на эмали зубов, восстанавливая ее. Содержатся в слюне и белки, покрывающие эмаль и защищающие ее от кислот; антибактериальные соединения, убивающие бактерии; вещества, способные успокоить зубную боль, и другие компоненты, помогающие очищать и залечивать все маленькие ранки и порезы, которые появляются во рту во время еды. Иными словами, слюна — природное средство гигиены полости рта, а для большинства животных единственное. И она не просто защищает зубы и десны; она борется с галитозом (неприятным запахом изо рта), который вызывают колонии бактерий, растущие на спинке языка.

Жидкость, постоянно поступающая из слюнных желез, непрерывно омывает и прочищает рот. Чтобы узнать, сколько слюны на самом деле выделяют ваши железы, сходите к стоматологу. У него есть специальные машинки для отсасывания слюны, которые они помещают вам в рот во время работы, чтобы она не мешала проводить необходимые операции. Вашим слюнным железам, однако, не нравится такое вмешательство, и они начинают работать на полную мощность и выделяют слюну почти с той же скоростью, с какой машинка ее отсасывает. Средний человек производит по 0,75–1 л этой необыкновенной жидкости в сутки.

Слюнные железы есть у многих биологических видов, и миллионы лет они эволюционировали у животных для множества разных целей. Такие железы есть у змей, но те используют их для выработки яда; у личинок мух — для выработки шелка; у комаров — они пользуются железами, пока сосут у вас кровь, чтобы впрыснуть вам вещества, препятствующие ее свертыванию. Есть птицы, которые используют слюну, чтобы склеивать гнезда; ласточки, такие как черногнездая салангана, строят свои жилища только из затвердевшей слюны. Это главный ингредиент супа «ласточкино гнездо» — изысканного китайского деликатеса.

Мы снова вернулись к теме еды. Очевидно, у человека одна из основных функций слюны — смачивать пищу, чтобы она легко проскальзывала и текла и вы могли ее глотать. Иначе процесс напоминает цирковой фокус: вспомните состязания по поеданию крекеров. Если вы никогда не пробовали, попытайтесь как-нибудь съесть их столько, сколько сможете, за минуту, не запивая водой. У большинства людей сухие крекеры впитывают так много слюны, что после первого второй уже царапает рот и с трудом удается проглотить сухую крошащуюся смесь. Но слюна — не единственный способ бороться с чрезмерной сухостью некоторых видов пищи. Вот почему мы часто запиваем еду. По этой же причине мы намазываем на сухую пищу жиры, например сливочное масло, майонез или маргарин: они тоже работают как смазка.

У большинства из нас достаточно слюны, чтобы есть любую пищу, какую захочется, но некоторые страдают ксеростомией (сухостью рта) — состоянием, при котором нарушается слюноотделение. Сухость рта может быть вызвана заболеванием, но чаще возникает как побочный эффект от некоторых медикаментов. Это состояние иногда очень изнурительно, временами даже лишает людей возможности есть твердую пищу. Но бывает, что рот пересыхает и на время, когда человек испытывает стресс и тревогу. Если вы боитесь выступать, то могли ощущать нечто подобное во время речи. Ваши слюнные железы замедляют работу, горло пересыхает, вам очень сложно глотать и даже говорить. Вы, возможно, обратили внимание, что сглатываете слюну, читая это; это обычная реакция, и она только подчеркивает, насколько прочно слюноотделительная система связана с нервной.

Вспомните, как много лишней слюны стоматологи откачивают из ртов пациентов: я допускаю, что вы думаете, будто ее можно обработать, как кровь, и вводить пациентам, страдающим от сухости во рту. Но люди не хотят иметь дело с чужой слюной. Мы испытываем к этой жидкой слизи сильное естественное отвращение. Многим противно даже пить с кем-то из одной чашки, поскольку при этом можно проглотить крохотную капельку чужой слюны. Оказавшись вне тела, она стремительно разлагается и теряет многие свойства, которые делают ее жизненно необходимой. Так что вместо переливания фармацевтические компании создают искусственную слюну, в которую входят в первую очередь минералы, защищающие зубы от кариеса, буферные вещества, управляющие кислотностью, и смазки, помогающие увлажнять пищу, чтобы ее легче было глотать. Искусственная слюна выпускается в виде гелей, спреев и жидкостей. Если кто-то из ваших близких или вы сами пользовались этими продуктами, то вы наверняка начали по-настоящему ценить свои слюнные железы.

Мне слюны хватило, чтобы съесть слегка подсохший обеденный рогалик, который только подогрел аппетит, и я обратил внимание на крохотную мисочку с салатом все на том же подносе. Лежавшие там ломтики помидоров казались слишком крупными по сравнению с нарезанным кубиками огурцом и мелко покрошенным салатом айсберг. Выглядело всё вместе суховато и неаппетитно. К салату прилагался небольшой пакетик заправки. Я попытался его разорвать, но это мне удалось только после неуместно долгой борьбы. Прованская заправка бежевого цвета, которую мне в итоге удалось выдавить из пакетика, была настолько густой, что не покрыла салат целиком, а осталась в основном комочками на помидорах и листьях зелени, напоминая маленьких слизней. Меня даже слегка затошнило. Вообще-то многие виды пищи бывают отвратительными, если думать о них вне контекста, — а именно этим я в тот момент и занимался.

Отвращение к пище у меня сейчас возникает редко, но в детстве я испытывал его регулярно, и слизни из салатной заправки живо напомнили мне о тех днях. Когда я был маленьким, мама настаивала, чтобы я съедал всё, что мне давали, а когда я отказывался, она цитировала статистику голода в мире и рассказывала о том, что многие люди готовы были бы убить ради еды, от которой я отказываюсь. Такая тактика не помогала. Я испытывал отвращение, а это чувство инстинктивное. Рациональные аргументы не работают против него, как я не уставал напоминать ей (хоть и безуспешно). Оно берет верх над моральными аргументами, и я живо вспоминаю рвотные позывы в глотке, которые возникали, если я пытался — или меня заставляли — есть то, что я ненавидел. Многое из того, что казалось мне отвратительным в детстве, было слизистым, точно как салатная заправка в самолете: вязкое, хлюпающее, скользящее и ползучее. Это свойство называется вязкоупругостью: когда жидкости в короткие промежутки времени ведут себя как твердые вещества, а в более длинные — по-прежнему как жидкости. Именно поэтому, в отличие от обычных жидкостей, слизь можно взять в руку и удержать между пальцами. В ней есть твердость; вы можете почувствовать, как она упруго сопротивляется давлению рук. Большинство жидкостей при этом растекается, а кусок слизи держится вместе. Но через какое-то время она начинает течь и капать с вашей руки; тут как раз проявляется вязкость. Так ведет себя, например, гель для волос: его можно взять в руку, но он может и течь, хотя и очень медленно. Густые шампуни и зубные пасты тоже вязкоупруги. По какой-то загадочной причине в ванной комнате это свойство не кажется нам таким уж отвратительным — возможно, потому что эти жидкости мы не едим.

Слизь кажется нам отвратительной именно потому, что она такая вязкая и хлюпающая. Но почему? Может, потому, что она напоминает нам о наших собственных физиологических жидкостях, а их присутствие вне тела может сигнализировать об угрозе для нашего здоровья. Жидкий помет мерзок, особенно если вы вдруг обнаруживаете, что, сами того не заметив, встали в него голыми ногами и теперь ощущаете, как он хлюпает и просачивается сквозь пальцы. А твердые экскременты, особенно таких животных, как овца или корова, нас почти не трогают. Козюли, склизкие и зеленые, тоже мерзкие, и человек, который их ест, тоже вызывает у нас отторжение. Ребенок с текущими из носа влажными зелеными соплями, каким бы симпатичным он ни был, отвратителен для всех, кроме родителей. Но даже они обычно не любят вытирать текущий нос своего отпрыска. И вот теперь заправка, по виду напоминающая сопли, показалась мне отталкивающей; салат я решил не есть.

Но какой бы гадостью ни была слюна, ее вязкоупругость намекает на внутреннюю сложность структуры. Одно из важнейших семейств молекул в ее составе называется муцинами; это крупные белковые молекулы, и их чаще всего выделяют слизистые оболочки. Слизистое вещество, из которого тело формирует защитный слой в местах, где организм может подвергаться действию внешних посторонних частиц, токсинов и патогенов, — а именно в носу, легких и глазах — называется мукором. Это липкая субстанция, которая струится из носа, когда вы вдыхаете дым, или выступает на глазах, когда в них залетает пыль. Мукор липкий, потому что белки-муцины образуют линейную молекулу со множеством функциональных компонентов, всегда готовых образовывать химические связи с другими веществами. Иными словами, он липкий по той же причине, что и клеи на основе смолы.

Структура муцинов, из которой видно, как их разные функциональные компоненты (показанные квадратиками, кружками и треугольничками) могут создавать вязкоупругую сеть, которая захватывает воду и производит склизкие, липкие гели

Конечно, слизистая система не всегда работает идеально. Достаточно посмотреть, что получается, когда человек простужается или подхватывает какую-нибудь инфекцию; тогда в его горле скапливаются сопли и зеленая мокрота. Молекулы муцина гидрофильны, они связываются с водой. Соединяются они и друг с другом, формируя сеть длинных молекул, которые захватывают и запирают воду. Это гель, но вязкоупругий. Благодаря муциновым связям мокрота обладает твердостью, но поскольку муциновая сеть легко меняет структуру, она течет, как жидкость. При этом большие муцины выстраиваются в направлении потока; вот почему, когда вы пускаете слюни, те образуют длинные нити. Способность слюны слипаться, но при этом всё же течь придает ей важные смазывающие свойства. Улитки и слизни вырабатывают очень похожую субстанцию, которая позволяет им двигаться; богатая муцинами слизь смазывает их путь по миру, и они оставляют позади себя липкие маленькие следы. Многие считают улиток отвратительными, но их слизь очень напоминает по составу человеческую слюну. Мало того, ее теперь собирают и продают как крем для лица. Польза от нанесения на лицо улиточьей слизи пока не доказана, но покупательниц это, кажется, не останавливает.

Вы, возможно, замечали, что вязкоупругость вашей слюны меняется по текстуре на протяжении дня и в зависимости от того, воздерживаетесь вы от еды и питья или нет, а также от состояния вашего здоровья. Иногда плевок получается водянистым и очень текучим, а иногда тягучим и волокнистым. На самом деле у него есть гораздо больше способов изменить свою консистенцию, в зависимости от того, какие железы производят слюну. Вообще слюнными железами человека управляет вегетативная нервная система, отвечающая за регуляцию бессознательных действий. Слюноотделение — одно из них. Есть две части вегетативной нервной системы: симпатическая и парасимпатическая. Вторая заботится о том, чтобы вы правильно питались, и вырабатывает водянистую жидкую слюну во время еды. Потом на сцену выходит симпатическая нервная система, задача которой — обеспечить смазку ротовой полости и бороться с инфекцией и гниением круглосуточно, даже во время сна. Слюна, выделенная под управлением симпатической нервной системы, имеет другой состав и микроструктуру, а в результате получается более густой и волокнистой. Струйку именно такой слюны я нечаянно пустил на Сьюзен. Я бросил на нее быстрый косой взгляд, не поворачивая головы к ней и пытаясь оценить ее настроение. Она ела свои макароны без каких-либо видимых эмоций.

Я решил, что пора и мне обратить внимание на карри с курицей. Я бросил первый кусочек в рот. То ли из-за его размера, то ли из-за большого количества соуса в тарелке часть соуса попала мне на подбородок. Не знаю, почему со мной всегда так происходит, но если я ем что-то с соусом и не вытираю постоянно рот, мое лицо постепенно покрывается им. Окружающие, в том числе близкие, уверяют меня, что это отвратительно. По правде говоря, в других мне это тоже кажется отвратительным, так что не знаю, почему меня так удивляет, когда я вижу, насколько отталкивающе я сам выгляжу со стороны. Кажется, это социальная норма: пища на лице вокруг рта противна; но еще хуже, если она уже частично пережевана. Если пища смешана со слюной или она капает изо рта в процессе еды, это ужасно. К счастью для соседей по самолету, я не только прилежно пользуюсь салфетками во время еды, но и не склонен пускать слюни и терять куски пищи.

Принятие пищи — социальное действие, а поскольку процесс еды идет рука об руку с чувством отвращения, в большинстве культур правила поведения за столом очень важны. Младенцы и малыши едят ужасно неряшливо. Им недостает как координации движений, которая позволяет аккуратно и безошибочно доносить пищу до рта, так и самодисциплины, которая удержит от выплевывания пищи обратно и швыряния ее на стол, на пол, куда угодно, хоть в собственных родителей. Одно из базовых правил нашего общества — упорядоченное принятие пищи; мы не срыгиваем еду, не пускаем слюни, не жуем с открытым ртом. Эти табу имеют такую силу, что даже самые жестокие преступники и последние грязнули в целом придерживаются этой социальной нормы. Такие соглашения нарушают только настоящие безумцы, совсем опустившиеся или больные люди.

Так что я, как мог, старался есть свое карри с курицей аккуратно. Вскоре я заметил, что на лбу у меня выступила легкая испарина. Это часто происходит со мной, когда я ем карри. Перец чили содержит вещество под названием капсаицин, которое сильно связывается с рецепторами во рту, отвечающими за распознавание тепла и связанной с ним опасности. Вот почему острая пища вызывает жжение во рту, даже если температура ее невысокая. Когда же рот перегревается, организм реагирует на это стандартно: старается охладиться при помощи пота, как бывает и со мной. Пот — еще одна физиологическая жидкость, которая вызывает отвращение, хотя это уже зависит от обстоятельств. Когда он начинает проступать сквозь одежду, то, даже если он не пахнет, на вас часто посматривают с отвращением. Если в самолете рядом с вами окажется обильно потеющий человек, вам, скорее всего, тоже будет противно. А вот вспотеть во время полового акта считается приемлемым и в большинстве современных обществ лишь усиливает сексуальность.

Техасский университет не так давно провел исследование, в котором отвращение у множества участников рассматривалось по трехкомпонентной шкале: патогенное, сексуальное и моральное (есть достаточно свидетельств в пользу того, что эти три отдельных типа отвращения действительно существуют). Для оценки уровня патогенного отвращения участникам задавали вопросы о том, какой была бы их реакция, если бы они «увидели плесень на остатках пищи в холодильнике или столкнулись с новым и незнакомым видом пищи». Сексуальное отвращение оценивали по тому, как отнеслись бы участники к различным видам сексуальных экспериментов или, скажем, случайному акту с разными партнерами. Моральное отвращение оценивалось по тому, что участники думают о студентах, списывающих на экзаменах ради высокой оценки, или компаниях, представители которых лгут ради прибыли, или других аналогичных ситуациях.

Исследователи обнаружили, что те, кто готов пробовать новые и неожиданные кулинарные изыски, имеют более высокий порог отвращения и в сексуальных вопросах. Они выяснили, что у людей, вовлеченных в эксперимент, есть статистически значимая корреляция между репродуктивной стратегией и желанием и готовностью есть новые незнакомые виды пищи. Исследователи предполагают, что мужчины снижают свое отвращение к каким-то конкретным блюдам, чтобы произвести впечатление на потенциальную партнершу; это способ доказать, что они по-настоящему здоровы, с сильной иммунной системой и годятся на роль сексуального партнера. Иными словами, поедание отвратительной пищи в принципе могло бы быть частью своеобразного ритуала ухаживания. Похоже на правду. Мы знаем, что люди обычно испытывают отвращение, когда видят слюну, но оно, кажется, стихает, если в дело вмешивается сексуальная привлекательность. Влажный поцелуй в губы от пожилой тетушки, которая настаивает на этом, — и ей приходится класть руки на ваше лицо, чтобы не дать отшатнуться в ужасе, — отвратителен. Зато обмен слюной во время глубокого страстного поцелуя с возлюбленной — всепоглощающее, неодолимое, слепое и влажное переживание. Если бы вы чувствовали отвращение к этой влажности, вы бы столкнулись с серьезной репродуктивной проблемой, поскольку смазка во время секса очень важна. Тот факт, что жидкости, которые позволяют нам заниматься сексом, в других обстоятельствах порой отвратительны для нас, многое говорит о том, насколько перспектива секса снижает нашу неприязнь к физиологическим жидкостям.

При этом я был совершенно уверен, что мое карри с курицей — или то, как я его ел, — никак не могло быть воспринято Сьюзен как ритуал ухаживания. Я стер последние капли соуса с подбородка и из уголков рта, а затем взял с подноса маленькую тубу с десертом. Лимонный мусс — хороший вариант для нейтрализации вкуса, подумал я, но только если он достаточно лимонный. Когда наши вкусовые сосочки ощущают кислоту, они стимулируют слюнные железы, которые выделяют больше жидкости в попытке вернуть рот к нейтральной кислотности. И она должна смывать любые сильные вкусы, оставшиеся во рту, такие как приправы и чеснок из карри, которое я только что съел. Но если лимонный мусс окажется недостаточно лимонным, то я, кушая его, буду по-прежнему ощущать вкус карри. А это, согласитесь, не слишком аппетитно. К счастью, мусс оказался чудесным, легким, с пенистой структурой и сильным лимонным ароматом, что было необычайно приятно.

Пища нам нужна не только для того, чтобы поддерживать силы; это больше чем социальный ритуал или брачный танец. Это эмоциональное переживание. Возможно, дело в гормонах, которые высвобождаются при переваривании сытной еды; возникает ощущение благополучия, а иногда даже блаженства. Оно, кажется, поднимается из моего желудка всякий раз, как я съем что-нибудь хорошее. Иногда даже слезы на глазах выступают.

В отличие от слюны, к слезам мы не испытываем отвращения, хотя они содержат многие из тех же ингредиентов: например, муцины, минералы и масла. Есть три типа слез: базальные, рефлекторные и психические. Базальные — своего рода фундамент слезотечения. Они выполняют основную функцию: берегут глаза от пересыхания, смазывают веки во время моргания и смывают пыль. Кроме того, они борются с бактериальными инфекциями. Рефлекторные слезы смывают раздражающие вещества, попадающие в глаза, например дым и пыль. А психические — слезы эмоциональные, те, что можно проливать после великолепной трапезы, при прослушивании потрясающей музыки или когда любимая объявляет, что вам пора расстаться. Они по химическому составу отличаются от базальных и рефлекторных; они содержат гормоны стресса. Задача этих гормонов неясна, но, скорее всего, она имеет отношение к нашему желанию общаться и получать поддержку. Вид плачущего человека обычно вызывает сочувствие и желание его утешить. Двойные слепые исследования показывают: когда мужчины ощущают запах женских слез, у них снижается уровень тестостерона и им труднее ощутить сексуальное возбуждение.

Нет, не всё в мире крутится вокруг секса. Но когда речь идет о физиологических жидкостях, он всегда неподалеку. Отсюда и отвращение, которое испытала Сьюзен, когда посторонний человек пустил на нее слюни.

— Вы закончили, сэр? — спросил стюард. Он со своей тележкой стоял у нашего ряда и указывал на мой поднос.

Я передал ему поднос через колени Сьюзен, стараясь всеми своими жестами извиниться, но ничего не говоря и не встречаясь с ней взглядом. При этом мне пришлось протянуть поднос стюарду на вытянутых руках, опустив голову между ними.

Глава 7. Освежающие

— Чай или кофе, сэр? — спросил бортпроводник, толкающий свою тележку вдоль прохода. Шторки на большинстве иллюминаторов в салоне были опущены, но сумрак пронизывали столбы света из нескольких незакрытых, в которые было видно незаходящее солнце снаружи. Полет продолжался уже шесть часов из одиннадцати, предусмотренных расписанием; в салоне царило сонное, даже летаргическое настроение. Бортпроводники выглядели усталыми.

Я люблю кофе, просто обожаю. Но я пью черный как стимулирующее, а не в качестве освежающего напитка. В тот момент на высоте 12 000 м мне не хотелось стимулировать себя. Однако чай, заваренный человеком, который не умеет его готовить, хуже, чем невкусный кофе. Почему так? Я размышлял, а бортпроводник стоял рядом и смотрел на меня со смесью скуки и нетерпения.

— Чай или кофе? — спросил он снова.

Я опустил глаза на напиток соседки, уже стоявший на ее раскладном столике. Там был кофе в пластиковой чашке с ручкой настолько маленькой, что пользоваться ей на самом деле почти невозможно. Еще Сьюзен дали пластиковый пакет с пакетиками молока и сахара, маленькой палочкой для размешивания и салфеткой. Смотрелся он несимпатично; я понял, что кофе мне не понравится. К тому же он казался холодноватым и казенным.

— Чай, — сказал я и сразу же добавил: — Он горячий? Я имею в виду, вода в нем действительно горячая?

Но мои вопросы утонули в гуле самолетных двигателей, а может, бортпроводник просто предпочел их не услышать. Он налил чай в точно такую же чашку, как у Сьюзен, и вручил мне его на подносике вместе с моим собственным пакетом-приложением.

Какой вкус должен иметь чай? Делая первый глоток, я ожидаю почувствовать ароматную резкость, которая разожжет все мои вкусовые сосочки: не так, как вычурный капучино-с-пенкой-и-шоколадной-крошкой, но тонкой решительной волной омывающего удовольствия, того, что вызывает у вас невольный едва слышимый возглас удовлетворения. Я хочу сразу же ощутить лиственность чая: не за счет заглатывания частичек настоящих листьев, а за счет вяжущего ощущения во рту, достаточно терпкого, чтобы смыть вкус застоявшегося в салоне воздуха. Я жажду сбалансированного аромата, сражения между сладостью и горечью, в котором не выигрывает ни то, ни другое, со слабой ноткой соленого послевкусия. Если вкус будет чуть кислым из-за кислотности напитка, я хочу, чтобы этот оттенок чувствовался как можно меньше — ровно настолько, чтобы он поднял плодовые, ферментированные ароматы чая к моему носу и взбодрил меня. Цвет тоже важен; черный чай должен быть золотистым и прозрачным, а не темным настолько, чтобы сквозь него не было видно дна чашки. В идеале я хотел бы заметить всё это до того, как чай был мне подан, еще тогда, когда его наливали из чайника. Я хочу слышать клокотание жидкости, наполняющей чашку. Оно напоминает мне о тех моментах моей жизни (так не похожих на нынешний), когда я был дома и пил чай с семьей за кухонным столом.

Предвкушая это всё ярче, я сделал первый глоток.

Он был ужасен.

По вкусу чай напоминал теплую кока-колу без газа, лишенную к тому же сладости. Я попробовал еще раз, чтобы убедиться, что ничего не упустил. На этот раз я уловил еще стойкую нотку неприятного пластикового вкуса чашки. Краем глаза я рассматривал Сьюзен, которая читала книгу и довольно прихлебывала кофе. Очевидно, я сделал неверный выбор.

Но чай считается самым популярным горячим напитком в мире. Хотя получить достоверные факты об этом трудно, в Британии, по оценкам, каждый день выпивается в среднем 165 млн чашек чая. А вот кофе — 70 млн чашек. Во многих других странах мира наблюдается аналогичная картина. Что же есть в чае, чего невозможно найти в кофе? И главное: почему чай часто так плохо готовят?

Моя чашка чая начала свою жизнь в виде нескольких молодых побегов на ничем не примечательном с виду вечнозеленом кустарнике, который хорошо растет только в тропическом или субтропическом климате. Можно пройти мимо этого растения и даже не заподозрить в нем источник массы удовольствий — тысячи лет наши предки так и делали. Этот кустарник любит влажность и дожди, но не любит высоких температур, поэтому в мире не так много мест, которые идеально для него подходят, — таких как высокогорья китайской провинции Юньнань, горы Японии, Гималаи в районе Дарджилинга в Индии и центральные возвышенности Шри-Ланки. Лучший или, по крайней мере, самый дорогой чай в мире — Да Хун Пао с горы Уи-Шань в Китае: он может стоить миллион долларов за килограмм.

Чайная плантация. © HolyWiz

На вкус чайных листьев влияет всё: и географическое положение плантации, и высота, и конкретные условия каждого сезона выращивания. Одна из главных проблем всех производителей — необходимость каждый раз придумывать, как смешать чай из разных регионов так, чтобы обеспечить неизменный вкус своего продукта месяц за месяцем и год за годом.

Хотя разновидностей чая много, все они получаются с одного и того же растения Camellia sinensis. Разница между зеленым и черным чаем (и остальными его вариантами, такими как белый, желтый, улун и т. п.) объясняется тем, что листья обрабатывают по-разному. Каждый сезон все новые побеги с чайного куста собирают вручную. Те сразу начинают вянуть, что запускает работу ферментов, которые нарушают химическую структуру веществ, входящих в состав листьев, и делают зеленый пигмент хлорофилл сначала коричневым, а затем черным. Если вам случалось забыть в холодильнике надолго пучок зелени, то вы видели этот эффект в действии.

Зеленый чай производят, нагревая листья сразу после сбора. Этот процесс нивелирует действие ферментов и тем самым сохраняет хлорофилл — и зеленый цвет — нетронутым. Часто после этого листья скручивают. В результате в них повреждаются клеточные стенки, что позволяет молекулам, отвечающим за аромат, легко извлекаться из листьев. Палитра ароматов зеленого чая строится на основе терпкости, которую дают химические вещества из семейства полифенолов (вы, вероятно, помните их из рассказа о танинах в вине). Горечь придают молекулы кофеина, сладость — молекулы сахаров, шелковистость — пектины, аппетитность и наваристость — аминокислоты и букет душистых масел. Отличный вкус чаю обеспечивает скорее тонкий баланс этих разных элементов, чем максимальное извлечение каждого из них из листа.

Черные чаи получаются из тех же листьев, что и зеленые, только производятся иначе. При приготовлении черного чая увядшие листья скручиваются, и их ферменты помогают разрушить химическую структуру посредством реакции с кислородом воздуха. Этот процесс называется окислением; именно из-за него цвет листьев меняется с зеленого на темно-коричневый, и в результате получаются другие классы соединений, «ответственных» за аромат. Многие полифенолы, как и горькие танины, превращаются в более душистые соединения с фруктовыми оттенками вкуса. Поскольку вещества, определяющие аромат черного чая, представляют собой результат окисления, они не так подвержены разрушению следующими реакциями с кислородом воздуха. И после высушивания он может храниться дольше, чем зеленый, не теряя при этом своего аромата.

Вы, может быть, думаете, что этого достаточно. Остается добавить воды к тому из чаев, который вам больше нравится, и получится освежающий напиток. Но чай испортить проще простого. Другие кофеиносодержащие напитки, такие как кока-кола, остаются почти одинаковыми на вкус, когда и где бы вы их ни пили. Всё потому, что производственный процесс контролируется на фабрике и после этого аромат напитка существенно не меняется при хранении и транспортировке. Так многие возможные ошибки устраняются заранее. Вы можете подавать напиток при неправильной температуре (как вам больше нравится) или в неправильном сосуде (тоже в соответствии со своими предпочтениями). Но нет сомнений, что химический состав кока-колы будет одинаковым всегда. Изобретатели давно пытаются сделать то же для чая; они переводят экстракты в жидкую форму и стараются получить растворимый чай, который затем уже можно превращать в напиток в специальных машинах. До сих пор ни один напиток, изготовленный таким способом, не получил распространения: возможно, потому, что по вкусу они почти совершенно не похожи на освежающий чай. Разницу часто объясняют тем, что многие ключевые химические компоненты, придающие чаю характерный аромат, разлагаются и исчезают вскоре после заваривания.

Образцы жидких растворимых чаев. Фото автора

Писателя Джорджа Оруэлла, прославившегося в основном такими классическими произведениями социальной фантастики, как «1984» и «Скотный двор», так заботила проблема плохого чая, что он даже опубликовал трактат об этом напитке: одиннадцать правил приготовления идеальной чашки чая. Среди них — необходимость заваривать чай в специальном чайнике, важность предварительного прогрева этого сосуда и то, что молоко следует добавлять в чашку уже после того, как чай налит. Наука не имеет определенного мнения по поводу того, что есть идеальная чашка чая, но подтверждает некоторые из озарений Оруэлла. По сути, есть четыре ключевые переменные, способные решительно изменить вкус чая: листья, качество воды, температура заваривания и продолжительность этого процесса.

Чем ароматнее чайные листья, тем более ароматным выйдет и напиток. Но здесь есть ловушка. Если мы согласимся (Джордж Оруэлл поспорил бы), что лучший чай — который лично вам больше всего нравится, то если ваш любимый напиток заваривается из стандартных пакетиков, можно уверенно сказать, что тот, что заварен из чрезвычайно ароматного и чрезвычайно дорогого сорта Да Хун Пао, не покажется вам более освежающим. Представление о том, что лучше, субъективно — как и в случае с вином, да и многим другим. Но если у вас не было возможности попробовать много разновидностей чая (а их около тысячи), всегда можно предположить, что где-то в мире есть тот, что придется вам больше по вкусу. Чай не менее сложен в плане ароматических профилей, чем вино, и высокие цены на некоторые его сорта отчасти это отражают. Но по той же причине чай тоже подвержен некоторым снобистским порокам винной индустрии, где редкость и маркетинг часто используются как заменитель качества продукта. Кроме того, чай настолько разнообразен — от зеленого, улуна и травяного мате Южной Америки до черных сортов Шри-Ланки, — что поиск и определение любимого варианта могут занять много времени. Лично для меня идеальная чашка чая меняется на протяжении дня. Утром, когда я только что проснулся, я люблю выпить крепкого чая с молоком — мне он кажется успокаивающим и бодрящим, но не слишком требовательным. После обеда я жажду черного чая «Эрл Грей» — тонкое сочетание цитруса и бергамота пробивается сквозь мрак и безотрадность серого дождливого дня.

«Интересно, какой сорт чая нравится Сьюзен», — подумал я. Если, конечно, она его любит — а то, может, она его вообще не пьет. Проблема с людьми, которые не пьют чай, такая: я никогда не знаю, что им предложить, когда они бывают у меня в гостях. «Не хотите ли чашечку чая?» — вот лучшая приветственная фраза, которую я знаю. Она часто слетает с моего языка даже раньше, чем гость успевает закрыть дверь. Предложение кажется тривиальным, но его смысл многогранен: оно значит и «Добро пожаловать в мой дом», и «Вы мне небезразличны», и «У меня есть божественные высушенные листья, которые собрали и переработали за тысячи километров отсюда в экзотическом климате; разве я не утонченный человек?» Ну, оно означало всё это, когда чай только набирал популярность в Британии в XVIII в. С тех пор его заваривание стало самой обычной приветственной церемонией в стране, более привычной, чем поцелуй, рукопожатие, объятия или любые другие, хотя и более интимные, ритуалы в других странах. Отсюда требование Джорджа Оруэлла об обязательном использовании заварочного чайника; это не только сосуд для настаивания чая, но и физический символ участия в совместном ритуале в сердце дома. Забота и внимание, щедро расточаемые заварочному чайнику, булькающие звуки его заполнения, его эстетичный внешний вид, время, проведенное в ожидании заварки, и набор чашек на столе — всё это детали одной церемонии.

Вы должны использовать хорошую воду. Кажется очевидным, но, насколько можно судить, эту переменную упустил из виду даже Оруэлл. Поскольку чай — в основном вода, несложно понять, что этот ингредиент заметно влияет на аромат напитка. Вода, в зависимости от источника, имеет разный вкус. Огромная разница между водой из природного источника и водой из крана очевидна, но даже вода из крана в разных местах может быть совсем разной. Минеральный состав, органический состав, присутствие хлора и других примесей — вот главные ингредиенты ее вкуса и аромата. Если вы хотите заварить действительно вкусный чай, то должны использовать воду с небольшим количеством минералов. Дистиллированная, абсолютно чистая вода на вкус скучна и неинтересна. Слишком высокое содержание минералов тоже не годится; аромат воды подавляет ароматы самого чая. То же верно для сильно хлорированной воды. Нормальная водопроводная вода обычно неплоха, но ее pH должен быть нейтральным. Кислотность часто придает металлический привкус из-за коррозии труб, по которым вода идет от источника до крана, а щелочная часто отдает мылом. Затхлость воде, как правило, придают продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Иногда, особенно по утрам, из крана идет вода, долго стоявшая в трубах; если они старые или сделаны из определенных металлов либо если вода имеет кислую реакцию, трубы могут немного корродировать, придавая воде странный привкус. В таком случае вам нужно спустить немного воды, прежде чем наполнять чайник. Если в вашем регионе вода «жесткая» (в ней растворено много кальция, что обычно объясняется общей геологией региона) — ионы кальция в ней соединятся с органическими молекулами чая и образуют плотную пленку, плавающую на поверхности. Такая пленка (накипь) делает чай намного менее привлекательным с виду; мало того, она способна испортить всю приветственную церемонию. Если у вас жесткая вода, вы можете избавиться от пленки, воспользовавшись фильтром или заварочным чайником, которые осаждают ее на своих внутренних стенках.

Добыв воду нужного качества, вы должны ее вскипятить. От температуры настаивания листьев зависит, какие ароматические вещества растворятся в воде, — а значит, и баланс вкуса, аромата и цвета чая. Если она слишком низкая, многие молекулы ароматических веществ не перейдут в раствор и чай выйдет не только слабый и безвкусный, но и почти бесцветный. Но слишком высокая температура может оказать столь же вредное действие; в ней растворится слишком много танинов и полифенолов, которые придают чаю горьковатый вкус и терпкость. В зеленом чае их концентрация особенно высока, поэтому, если вы не хотите получить слишком горький или терпкий, вяжущий напиток, его лучше заваривать при температуре 70–80 °C.

Кофеин — очень горькое химическое вещество, которое не слишком охотно растворяется в воде. Если вы не хотите получить чай с высоким его содержанием, то воду лучше взять погорячее, чтобы в ней растворилось как можно больше кофеина. К счастью, поскольку черный чай при обработке подвергается оксидированию, в нем меньше танинов и полифенолов — поэтому черный чай можно заваривать при более высокой температуре, он при этом не становится слишком горьким; вы можете выпить чашку напитка с высоким содержанием кофеина и не поморщиться. Черный чай, заваренный в течение пяти минут при 100 °C, даст темный и очень ароматный напиток, содержание кофеина в нем обычно составляет 50 мг на чашку (в сравнении со 100 мг в нормальном кофе). Но именно в этом аспекте заваривание чая на борту авиалайнера может стать проблемой. На высоте 12 000 м давление в салоне ниже атмосферного на уровне моря, что снижает температуру кипения воды и таким образом влияет на аромат напитка. Надо учитывать, что для заваривания чая важна не только начальная температура воды. Чтобы вещества, ответственные за вкус и цвет, успешно растворились, а их молекулы перешли в воду, листья должны находиться в контакте с водой конкретное время. Если ее температура за время заваривания заметно упадет, из листьев будет извлечено меньше ароматических молекул. Так происходит, если вы завариваете чай в холодном помещении — или если сосуд до начала настаивания чая был холодным и горячая вода в нем быстро остыла, нагревая стенки. Потому-то Джордж Оруэлл был убежден в том, что чайник предварительно надо согреть. Невысокую температуру заваривания можно компенсировать более продолжительным временем, но то самое соотношение соленого, сладкого, горького, кислого, пряного и еще тысяч оттенков летучих веществ, которые обеспечивают сложный вкус идеально заваренного чая, вы уже не получите.

Самый важный момент относительно чая: поскольку он так сложен и в нем так много переменных, способных повлиять на ароматический профиль (сорт, вода, время заваривания и температура воды), при его приготовлении очень легко упустить что-то из виду и в результате получить вовсе не тот напиток, на который вы рассчитывали. Именно это произошло со мной. Бортпроводники старались как могли, пытаясь скомпенсировать низкую температуру кипения воды в самолете более долгим временем заваривания и использованием заранее прогретого высокого чайника из нержавеющей стали, который поддерживал высокую температуру всё время заваривания. Но пока они добрались до меня со своей тележкой, прошло какое-то время — минут пятнадцать или около того, — и всё это время чай стоял на тележке и остывал, с каждой секундой теряя аромат. Когда они наконец налили его в мою маленькую пластиковую чашку, он уже потерял большую часть фруктовых и лиственных ароматов; пряный вкус остался, но чай был холодным и горьковато-кислым, да и чашка добавляла напитку свой характерный и достаточно резкий аромат. Я не получил того освежающего и утоляющего жажду напитка, на который надеялся; наоборот, он оказался почти отвратительным. Мне ни в коем случае не стоило его заказывать.

Но затем я совершил еще одну ошибку. Я решил, что мне, возможно, удастся спасти чай, превратив его из жалкой и скучной коричневой жидкости в нечто удобоваримое при помощи содержимого маленького пластикового пакетика, который мне вручили. Я открыл цилиндрическую баночку с молоком и вылил его в чашку, а затем размешал напиток предназначенной для этого полистироловой палочкой. Цвет чая стал из темно-коричневого бледным желтовато-коричневым — очень приятным. Я люблю чай с молоком. Коровье молоко сладковатое и содержит приличное количество соли и жира. Жир в молоке имеет форму крохотных капель размером около одной тысячной доли миллиметра, которые придают аромат и сытный вкус. Когда его наливают в чай, жировые капельки расходятся по напитку и становятся определяющим фактором его цвета и вкуса. Они придают солодовый, почти карамельный аромат и добавляют сливочность, которая отчасти приглушает естественную терпкость чая. Кроме того, капельки жира поглощают значительную часть ароматических молекул, ослабляя тем самым фруктовые нотки вкуса и горечь, но добавляя сливочности.

Когда добавлять молоко в чашку — повод для серьезнейших разногласий в Британии. Есть те, кто советует наливать его первым на том основании, что капельки молока будут мягко нагреваться по мере постепенного добавления горячего чая. Это не даст молочным белкам нагреться до температуры, которая изменит их молекулярную структуру и запустит механизм денатурации; молоко при этом не свернется и не приобретет «неправильный» привкус. Некоторые утверждают, что, наливая молоко первым, мы защищаем керамическую чайную чашку от перепада температур и предохраняем ее от растрескивания. Но даже если когда-то это было верно, сегодня в этом нет необходимости: современная керамика значительно прочнее и легко выдерживает такие нагрузки. Для других сама мысль о том, что можно налить молоко в чашку первым, — настоящая анафема. В их представлении, чтобы получить идеальную чашку чая, нужно сначала налить его, а затем уже молоко. Джордж Оруэлл принадлежал именно к этому лагерю и утверждал, что такой порядок позволяет добавить точное количество молока и получить приятный именно для вас уровень сливочности.

Вы, возможно, усомнитесь, что порядок приготовления дает хоть какую-то разницу во вкусе чая — настолько она тонка. Но Рональд Фишер в книге «Разработка экспериментов»[6] исследовал этот вопрос научно, придумав новые статистические методы. В ходе своих рандомизированных дегустационных экспериментов он выяснил, что — да! — люди могут почувствовать на вкус разницу между добавлением молока до или после чая.

Методы, описанные Фишером, произвели настоящую революцию в математической дисциплине — статистике. К несчастью, они не устроили революции в заваривании чая в Британии, так что даже сегодня, если вы закажете в кафе чай, вряд ли кто-нибудь признает, что последовательность, в которой наливают составляющие, имеет для кого-то хоть какое-то значение. Это меня бесит. Часто, например, на железнодорожных вокзалах считают достаточным плюхнуть в чашку с горячей водой чайный пакетик и сразу же плеснуть туда немного молока. После этого чашку вручают вам, как бы говоря: «Я добавил туда всё, что положено, так что это, наверное, чай». «Но вы не спросили у меня, как наливать молоко — до или после чая», — иногда говорю я, когда моя ярость все же выплескивается наружу. Не то чтобы я на самом деле хотел, чтобы молоко наливали первым. Я здесь солидарен с Джорджем Оруэллом; мне нравится, когда молоко добавляют вторым. Но я все же хочу, чтобы меня спрашивали. И я уверен, что Оруэлл согласился бы со мной в этом: нынешние тенденции представляют нижнюю точку чайной традиции в Британии. Чай в Британии по-прежнему национальный напиток, но, если так пойдет и дальше, кофе вполне может его заменить. Дело в том, что, в отличие от чая, качество кофе, подаваемого по всей стране, за последние несколько десятков лет заметно выросло, в основном за счет одного-единственного достижения инженерной мысли — кофемашины-эспрессо.

Кофе, который пила моя соседка Сьюзен, родился в более тропическом климате, чем чай, который подали мне. Кофе обычно растет в лесах в таких странах, как Бразилия или Гватемала, где летом жарко и дождливо. Как и чайное растение, кофейный куст выработал в процессе эволюции химические средства защиты от съедения животными и насекомыми в виде мощных алкалоидов, таких как кофеин, способных нарушить обмен веществ в организме. Горький вкус кофеина — биологический сигнал, который подает нам рот, предупреждение, что мы собираемся выпить то, что может оказаться ядовитым. Однако в случае кофеина мы игнорируем этот сигнал; почему так? Вероятно, потому, что мы полюбили его действие на наше тело — как и действие других природных алкалоидов, включая наркотики. Однако из всех этих психоактивных веществ именно кофеин потребляется чаще всего. Он стимулирует нервную систему, снимает сонливость, делает нас более активными и внимательными. Кроме того, он усиливает выработку мочи. В результате вам после чашки крепкого кофе часто хочется в туалет. В больших дозах кофеин может вызвать бессонницу и тревожность. Он, подобно алкоголю, поступает прямо в кровоток, и его действие заметно сразу; кроме того, он, как и другие алкалоиды, вызывает привыкание. Стоит начать пить кофе регулярно, и остановиться вам, возможно, будет невероятно трудно; синдром отмены может оказаться очень серьезным — у вас начнет постоянно болеть голова, вы станете усталым, раздражительным и вялым.

Кофе, который мы пьем, получают из зерен — семян кофейного куста. Они содержат много углеводов в виде сахаров, обеспечивающих семя энергией, необходимой для выпускания новых ростков. Кроме того, в их состав входят белки, необходимые для работы основных молекулярных механизмов растения и управляющие семенем в процессе размножения — роста нового кофейного растения. Когда кофейные бобы созревают, их собирают и сбраживают, а зерна извлекают из пульпы и высушивают. В этот момент они представляют собой твердые бледно-зеленые бобы. Следующий шаг — обжарка; именно на этом этапе у кофе появляется широчайший спектр ароматов. Вы можете обжарить его для себя и сами; я так делал когда-то. Я покупал сырые зерна у местного торговца, клал их в ситечко из нержавеющей стали и некоторое время обдувал горячим воздухом при помощи строительного фена, постоянно встряхивая ситечко. Я мог обжарить зерна на чашку кофе примерно за пять минут. Если вы любите кофе, вам стоит это попробовать; поверьте мне, вы многое узнаете о любимом напитке.

Обжаривание кофе при помощи строительного фена. Фото автора

Первое, что вы заметите, нагревая зерна, — изменение их цвета. Сначала, когда сахар внутри них начнет карамелизоваться, они станут желтыми. Затем, с повышением температуры, вода внутри зерен закипает и давление пара растет; вы поймете, что это происходит, когда услышите, как они трещат и лопаются. При дальнейшем нагревании молекулы веществ, входящих в состав кофейного зерна, начинают распадаться, но при этом они еще и реагируют друг с другом. Здесь, в сравнении с обработкой чайных листьев, тепло используется совершенно иначе. При переработке чая оно нужно в основном для того, чтобы остановить химические реакции, а при обработке кофе именно обжаривание запускает химические процессы, в результате которых, как правило, и возникает аромат. Одна из важнейших реакций проходит между белками кофейных зерен и их же углеводами. Она называется реакцией Майяра и начинается, когда зерна достигают температуры 160–220 °C. При этом образуется широкий спектр ароматических молекул; и вы сразу же чувствуете запах — именно тогда кофейные зерна приобретают характерный аромат, как и многие другие свои ароматические качества. Именно этой химической реакции мы обязаны и хрустящей корочкой, которая образуется на хлебе во время выпечки, и вкусным поджаристым внешним слоем на стейке, если вы жарите мясо на гриле или сковороде. Эта реакция меняет цвет кофейного зерна с желтого на коричневый; кроме того, при ней выделяется углекислый газ, который позже пойдет на образование кремовой пенки, той, что видим на поверхности кофе. В этот момент вы слышите потрескивание зерен: их внутренняя структура нарушается в результате накапливания газа внутри, и они увеличиваются в размерах.

Если вы продолжите обжаривать зерна, то увидите, как они приобретают всё более темный коричневый цвет, по мере того как кислота и танины разлагаются, смягчая ароматический профиль кофе. Затем вы услышите, как зерно трескается во второй раз, когда его внутренняя структура становится еще более хрупкой и слабой. Вы заметите крохотные масляные капельки, выступающие в этот момент на поверхности и сигнализирующие о полном разрушении клеточной структуры зерна. Эти масла, составляющие примерно 15 % массы зерна, оставляют на его поверхности глянец, характерный для французской обжарки. Если вы и после этого продолжите обжаривать кофе, вы получите зерно более глянцевое, но и менее вкусное; высокие температуры разрушают сложные вещества, превращая их в более простые структуры, которые дают меньший аромат. Вы также потеряете много растворимых углеводов, ответственных за густоту и «сытность» кофе. В целом можно сказать, что чем темнее зерна, тем примитивнее и проще ароматический профиль кофе.

Примерная схема того, как меняется цвет кофейных зерен при обжарке

Когда вы сами обжариваете кофе, вы можете сколько угодно играть с ароматическими профилями, пока не найдете тот, что идеально соответствует вашему вкусу. Самостоятельная обжарка пробудила во мне глубокое уважение к производителям кофе; играя всего двумя переменными, температурой и продолжительностью процесса, вы можете получить из одних и тех же зерен широчайший спектр ароматов.

Обжарив зерна, нужно извлечь из них весь вкус и аромат в свою чашку. Самые ранние сведения о методах размола и варки кофе относятся к XV в. Йеменские арабы измельчали зерна при помощи ступки и пестика, добавляли порошок в воду и затем кипятили эту смесь. Этот метод и сегодня популярен на Ближнем Востоке; такой кофе часто называют турецким. Приготовив его этим способом, вы получаете очень крепкий темный напиток; жидкость содержит не только вкусовые составляющие кофе, но и сам порошок — размолотые зерна. Это делает напиток гуще, «сытнее» и придает ему бархатистую текстуру. Но его гладкость по мере приближения ко дну чашки, где более крупные частицы зерен образуют густой осадок, может смениться ощущением песка на языке. Кроме того, турецкий кофе весьма горек; выдерживание напитка практически при температуре кипения способствует растворению в воде большого количества очень горьких на вкус веществ, таких как кофеин. Обычно в такой кофе кладут много сахара, чтобы уравновесить вкус, и в результате получается густой горько-сладкий напиток с высоким содержанием кофеина. То, что доктор прописал, если вы хотите взлететь на волне аромата, получив двойной импульс от большой дозы сахара и кофеина. Но, как бы приятно это ни было, при заваривании кофе таким способом из него уходит значительная доля фруктовых ароматов, образовавшихся при ферментации зерен, а также ореховые и шоколадные нотки, появляющиеся во время обжарки.

Это одна из самых серьезных проблем кофе: его запах часто лучше, чем вкус. Почему? Потому что многие ароматы, которые, по идее, должны были бы высвободиться у вас во рту, уже улетучились в воздух, пока напиток варился. Остались только горечь и кислота и очень мало ароматических веществ. Чтобы предотвратить такие потери, лучше всего варить кофе при более низких температурах. Это, помимо прочего, уменьшает горечь и обеспечивает более низкое содержание кофеина в готовом напитке.

Хотя бархатистая текстура кофе по-турецки иногда очень приятна, последние глотки с осадком — это не здорово. Поэтому отделение твердых частиц от жидкости стало одной из главных целей тех, кто работал над процессом варки кофе. Так появился фильтр. Приготовление кофе путем фильтрации сквозь мелкую сеточку или специальную бумагу позволяет напитку завариваться, когда горячая вода контактирует с мелко смолотыми зернами, но затем жидкость по каплям просачивается сквозь фильтр и попадает в чашку, а зерна остаются в аппарате. Скорость процесса определяется тем, насколько трудно прогнать воду через порошок. Если осадка слишком много или кофе смолот чересчур мелко, вода просачивается сквозь порошок очень медленно, остывая при этом, и в результате жидкость не может извлечь все те вещества, которые придают аромат и вкус напитку. А если варить кофе со слишком большим количеством воды или грубо смолотыми зернами, напиток выйдет слабым и жидким; в нем будет мало насыщенности, но слишком много кислоты, поскольку вода находилась в контакте с зернами недостаточно долго.

Но если вы всё сделаете правильно, то после фильтрации получите теплый сосуд прозрачного, золотистого кофе без гущи. Правда, кремовой пенки на нем не будет. Для многих идеальный кофе должен иметь на поверхности такую пенку, которая возникает благодаря углекислому газу, образовавшемуся в процессе обжарки и, пока кофе варился, высвободившемуся из молотых зерен. Но он удаляется при фильтрации. Однако это не важно; за последние четыреста лет было придумано много других способов варить кофе с сохранением кремовой пенки, включая гейзерную кофеварку, френч-пресс и, разумеется, автомат эспрессо.

Френч-пресс не только дает кремовую пенку, но и обычно позволяет сварить кофе быстрее, чем с применением фильтра. В нем сначала молотые зерна смешиваются с водой при температуре около 100 °C, а затем, по мере заваривания кофе — как правило, за несколько минут (дальше уже уходят ароматы и вкус становится более горьким), — температура снижается примерно до 70 °C. Поэтому молекулы ароматических веществ поначалу, когда поверхность кофейных крупинок вступает в контакт с горячей водой, извлекаются быстро. Но затем, по мере снижения температуры, уменьшается и скорость их извлечения, и горячей воде становится всё труднее добраться до внутренних слоев. Именно в это время углекислый газ высвобождается из крупинок и поднимается к поверхности кофейника, захватывая по пути жидкость и образуя кремовую пенку. Когда кофе заварился, вам достаточно опустить фильтр френч-пресса, чтобы остановить процесс и изолировать осадок. Если вы сразу после этого нальете кофе, то получите чашку сбалансированного горячего напитка, радующего глаз пресловутой кремовой пенкой. Чтобы приготовить более крепкий кофе, не сделав его при этом более горьким, вы можете либо взять побольше зерен грубого помола, либо поменьше — тонкого. Правда, кофе тонкого помола может частично пройти сквозь погружной фильтр и попасть в чашку, а из кофе грубого помола вам не удастся извлечь такой богатый аромат.

Кофеварка гейзерного типа, использовавшаяся для приготовления кофе. Фото автора

Один из способов обойти эту дилемму — взять кофеварку гейзерного типа. В ней вода находится отдельно от зерен, в закрытой емкости. Когда кофеварка нагревается до температуры кипения, вода образует горячий пар и давление в аппарате увеличивается, достигая через некоторое время примерно полутора атмосфер и проталкивая горячую воду сквозь молотый кофе, а затем в верхнее отделение кофейника. Такой аппарат позволяет извлечь из зерен намного больше аромата, чем френч-пресс или фильтр, и кофе получается крепким. Однако у него есть и недостаток: когда уровень воды в емкости для кипения снижается, невероятно горячий пар смешивается с водой и, проходя сквозь молотый кофе, извлекает из него благодаря своей высокой температуре дополнительную горечь. И у напитка появляется привкус горелого.

Автомат эспрессо доводит принципы гейзерного заваривания до совершенства и позволяет получить самый надежный — а некоторые говорят, что и самый вкусный, — кофе. Этот аппарат, названный так потому, что может приготовить напиток за полминуты, нагревает воду до температуры 88–92 °C, подвергает ее сильному давлению (примерно в девять раз больше атмосферного), а затем продавливает сквозь молотые зерна. Высокое давление извлекает из них максимум аромата, а поскольку пара в системе нет, излишней горечи и терпкости не будет. Быстрота работы системы очень важна: она означает, что у летучих веществ из кофе почти нет времени уйти в воздух. Так что вы получаете насыщенный кофе с чудесно сбалансированными ореховыми, земляными, пряными ароматами, одновременно фруктовыми и кислыми, терпкостью напоминающий вино.

Поскольку все механизмы эспрессо-машины контролируются очень точно, кофе каждый раз выходит великолепный, к тому же невероятно быстро. Именно поэтому такие автоматы используются в большинстве коммерческих кофеен, а число разновидностей напитка, которые можно с его помощью приготовить, кажется бесконечным. Если напиток подают как есть, он называется эспрессо. Если добавить к нему горячей воды, получится американо; равное количество просто молока и молока взбитого — кофе с молоком; только взбитое молоко — капучино и т. д. Как и в случае с чаем, молоко меняет аромат кофе достаточно радикально, смягчая терпкость, но при этом упрощая профиль и придавая более солодовый, сливочный аромат.

В самолетах для обслуживания пассажиров первого класса используются уменьшенные версии эспрессо-машины, но кофе, который подают простым смертным, готовят при помощи фильтра. Из-за более низкого давления воздуха в самолете температура кипения воды составляет примерно 92 °C — что, кстати говоря, идеально для кофе. При этом напиток, который долгое время стоит теплым между приготовлением и употреблением — как легко может случиться в самолете или в офисной кофемашине, — теряет значительную часть своего аромата, оставляя только горечь и терпкость.

И это не единственное, что не даст вам насладиться этим скажем-так-горячим самолетным кофе. Исследования показали, что наша чувствительность к пяти основным вкусам — сладкому, кислому, соленому, горькому и умами — снижается под действием шума самолетных двигателей, так же как и обоняние. Из-за этого невозможно уловить в кофе, который вы пьете, все те нюансы, которые вы можете ощутить на земле. Это подтверждает мой опыт полетов; как правило, кофе в самолете не такой вкусный, каким должен бы быть.

Что же лучше — кофе или чай? Конечно, они подходят для разных настроений и ситуаций. Но бывают моменты — например, в салоне эконом-класса в самолете, — когда необходимо заранее признать, что, даже если чай лучше подходит к вашему теперешнему настроению, шансы получить вкусный напиток настолько малы, что лучше сразу сказать нет. Я говорю это сейчас, чтобы самому как следует запомнить на будущее. Мой чай был ужасен; слишком низкая температура заваривания, из пакетика, к тому же успел остыть, пока чайник добрался до меня через половину салона; чашка со вкусом пластика… А шум в салоне притупил мои чувства, так что даже тот скверный вкус, который у чая был, мне не удалось ощутить в полной мере. Напиток изначально не мог дать мне то ощущение созерцательной бодрости, в котором я так нуждался. Задним числом я понимал, что мне следовало заказать кофе. Его более мощный базовый вкус лучше противостоит полетной какофонии, температура его приготовления более реальна для высоты 12 000 м, да и метод фильтрации, которым пользуются в самолетах, позволяет получить кофе с вполне сбалансированным вкусом, хотя и не самым глубоким ароматом.

Я заметил, что Сьюзен допила кофе и собиралась попросить добавку у бортпроводника, который двигался по проходу с кофейником в руке и вопросительно смотрел на каждого, кто поднимал голову. Если вы сидите у окна, подходящего момента для похода в туалет вам не дождаться никогда, но мне уже очень туда хотелось — возможно, не в последнюю очередь из-за мочегонного действия кофеина. Я решил, что если мне удастся протиснуться мимо Сьюзен прежде, чем она поставит на свой раскладной столик новую чашку кофе, то я, вероятно, смогу оставить фиаско с чаем позади и забыть о нем. Я пантомимой изобразил свое желание выйти, и она поднялась, чтобы я мог просочиться мимо нее и проковылять на негнущихся ногах по темному проходу к скупо освещенным зеленым табло, на которых было написано «ТУАЛЕТ».

Глава 8. Чистящие

Ковыляя к туалету, я почувствовал, что держусь на ногах, мягко говоря, не слишком уверенно. Больное колено похрустывало, и время от времени, когда самолет подрагивал, проносясь сквозь стратосферу, я почти терял равновесие. Дремлющие пассажиры были в основном укрыты пледами; проходя мимо бодрствующих, я мог иногда бросить взгляд на светящийся жидкокристаллический экран и получить представление о киновкусах попутчиков. Вот какая-то женщина поет на сцене; вот судья в парике с суровым видом в зале суда; вот прыжок Человека-паука. Кто-то спал, кто-то стучал на ноутбуке, и тогда его лицо подсвечивалось экраном. Когда я наконец добрался до конца прохода, все кабинки были заняты и мне пришлось какое-то время ждать в коридоре. Бортпроводники были вынуждены протискиваться мимо меня, чтобы обслужить пассажиров бизнес-класса. Я заглянул завистливо через щель в занавеске, разделявшей салоны, и увидел на секунду, как пассажиров, удобно откинувшихся в креслах, обслуживали, будто римских императоров. Затем я услышал звук защелки и увидел яркий свет из открывшейся двери туалета. Из кабинки быстро и бесстрастно вышел мужчина. Мне показалось или я уловил легкую виноватость в выражении его лица? Входя в кабинку, я приготовился к возможному ужасному запаху, но с облегчением обнаружил, что воздух в туалете ничем не пахнет: разве что ощущается легкий намек на запах синтетического лимона.

Я поднял сиденье и с облегчением помочился, а затем нажал кнопку, чтобы запустить механизм вакуумной очистки. Этот процесс всегда кажется мне слегка пугающим. Всасывающие и рычащие звуки продолжаются достаточно долго, как будто говоря: «Ну, на кого это ты смотришь? Я мог бы всосать и тебя в эту маленькую дырку». Я повернулся к раковине, чтобы вымыть руки, и натолкнулся взглядом на две бутылочки с нажимными дозаторами. Я взялся за одну из них, больше похожую на жидкое мыло, и пару раз надавил на дозатор; механизм выдал мне на ладонь лужицу прозрачной желтой жидкости. Откровенно говоря, я никогда не любил жидкое мыло; я против выдавливания. Такие бутылочки всегда напоминают мне мелкое домашнее животное, которое, стоит взять его в руки, готово от ужаса написать тебе на руку.

Когда я был ребенком, жидкое мыло еще не изобрели, у нас оно всегда было в брусках. Настолько вездесущих, что даже раковины для умывания тогда делали с полочками специально для того, чтобы мыло не соскользнуло ни на пол, ни в раковину. Теперь кусковое мыло в меньшинстве и чем дальше, тем менее популярным становится. Это и есть прогресс? Неужели жидкое мыло и правда настолько лучше кускового? Или это всего лишь дань моде, навязанной маркетологами под ложными предлогами, и со временем исчезнет из нашей жизни, как брюки-клеш и лазерные диски?

На этот вопрос трудно ответить, не разобравшись предварительно в преимуществах и недостатках нормального мыла. Это поистине чудесное вещество. Вы можете мыться сколь угодно чистой, прозрачной и горячей водой, но не избавиться ни от какой жирной маслянистой пакости, которая запеклась на коже. На протяжении большей части истории человечества нас это особенно не беспокоило. Люди пахли; они были грязными. Никто не обращал на это внимания. У нас имелись проблемы и посерьезнее, и мы не думали о том, почему мыло важно. Не то чтобы его не существовало вовсе. Самые древние рецепты мыла на глиняных табличках древней Месопотамии датируются ни много ни мало 2200 г. до н. э., но появилось оно наверняка раньше. Описанный на табличках процесс аналогичен тому, с помощью которого мы делаем мыло сегодня: возьми древесную золу из очага, раствори в воде и вскипяти раствор с растопленным салом (животным жиром) — и волшебным образом получишь щелочное мыло. Месопотамцы, возможно, не мылись им сами, но использовали его для очистки шерсти перед тем, как соткать из нее полотно. Мыло удаляет ланолин — что-то вроде сала — с волокон шерсти.

Но почему нужно использовать жир для удаления сала? Секрет кроется в воде с золой, которая по-арабски называется alkali, буквально «из золы». Эта жидкость — щелочь. Щелочи противоположны кислотам, но и те и другие весьма активны и могут преобразовывать другие молекулы. В данном случае щелочь изменяет жиры.

Одна из основных составляющих топленого сала, триглицерид. У его молекулы три хвоста, которые можно отщипнуть при помощи щелочи

Жиры, такие как топленое животное сало, состоят из углеродных молекул с треххвостой химической структурой глицеридов, связанных вместе с одного конца атомами кислорода. Такая структура полностью отлична от структуры воды, молекулы которой намного меньше размерами. Они не только мельче молекул триглицеридов, но и дипольны, а значит, электрические заряды в них распределены неравномерно: у них есть положительная и отрицательная части. Именно полярность делает воду хорошим растворителем: она электрически притягивается к другим заряженным атомам и молекулам и окружает их, поглощая. Так вода растворяет и соль, и сахар, и спирт. Но молекулы животного и растительного жира не поляризованы и поэтому не могут растворяться в воде. Вот почему растительное масло и вода не смешиваются.

Однако щелочь, полученная из древесной золы, расщепляется на положительно и отрицательно заряженные компоненты и растворяется в воде. Получившийся раствор химически реагирует с молекулами жира, отщипывая у триглицеридов пресловутые три хвоста и делая их заряженными. В результате получаются три молекулы мыла (стеараты). Важно, что это гибридные молекулы: у них электрически заряженная голова, которой нравится растворяться в воде, и углеродный хвост, растворяющийся в маслах. Именно гибридная природа делает мыло таким полезным.

Активный ингредиент мыла — стеарат; показаны заряженная «водолюбивая» (липофобная и гидрофильная) голова и «жиролюбивый» (липофильный и гидрофобный) углеродный хвост

Когда молекулы мыла вступают в контакт с капелькой жира, их углеродный хвост, благодаря химическому сходству, сразу же погружается в нее. Но заряженная голова мыльной молекулы хочет убежать от жира как можно дальше, так что в итоге остается торчать из него наружу. По мере того как всё больше молекул мыла делают то же, они образуют структуру, похожую на созревший одуванчик: капелька жира, окруженная облачком мыльных молекул, электрически заряженные головки которых торчат наружу.

Поскольку капля масла или жира теперь получила заряженную поверхность, она становится поляризованной и готова растворяться в воде. Вот так мыло и очищает: разбивает остатки жира и масла на руках и одежде на крохотные сферические капельки, которые способны растворяться в воде и которые можно смыть.

Мыло очищает за счет действия поверхностно-активных веществ (ПАВ), таких как стеараты. Жиролюбивый хвост молекулы погружается в масло, оставляя водолюбивую голову торчать наружу. Облачко голов, окружающих масляную каплю, позволяет ей растворяться в воде и очищает от жира поверхность

Ощущение чистоты и сухости, которое вы испытываете после мытья рук с мылом, объясняется тем, что оно удаляет жир с вашей кожи. А скользкое оно из-за своей природы — по сути, это модифицированный жир. Вот почему мыло так легко выскальзывает из рук. Его можно использовать как смазку, и если вы пытаетесь снять кольцо с распухшего пальца, то мыло вам поможет.

Использование мыла для чистки и стирки порождает особый тип жидкости: это грязная вода. Однако в ней есть не только грязь, но и крохотные шарики жира. По сути, это частички одной жидкости, погруженные в другую, то есть эмульсия. Эмульсии очень полезны, поскольку позволяют вам поместить в воду много разных типов жидкостей. Майонез, например, — очень концентрированная суспензия растительного масла в воде, где соотношение первого ко второй составляет примерно 3:1. Чтобы получить суспензию, две жидкости смешивают и энергично встряхивают до тех пор, пока не образуется однородная масса. Но если вы просто сделали бы это и оставили смесь стоять, жидкости разделились бы, поскольку, как мы знаем, масло и вода не смешиваются. Однако если добавить в смесь мылоподобное вещество, то оно стабилизирует капельки жира. В случае с майонезом связующая молекула берется из яиц. Их желтки содержат вещество под названием лецитин, по структуре очень похожее на мыло (с жиролюбивым хвостом и водолюбивой головкой). Когда вы добавляете их в свою смесь масла с водой, желтки связывают всё это воедино — и получается майонез. Яичным желтком тоже можно помыть руки, как мылом, и есть множество рецептов шампуней, в которых он используется как основной очищающий ингредиент. Еще одно вещество, способное делать эмульсии из масел, — горчица; именно поэтому, если добавить ее к растительному маслу и уксусу, которые в обычных условиях смешиваются плохо, образуется стабильная эмульсия, известная как французская заправка. Все эти активные субстанции работают по одному принципу, и все известны под общим названием: эти вещества, обеспечивающие взаимодействие других, называются поверхностно-активными.

Мыло удаляет не только масла и жиры, но и бактерии, прикрепившиеся к ним. Вымыть руки с мылом — лучший способ защититься от бактериальной инфекции и вирусов. Однако, несмотря на эффективность мыла в качестве чистящего агента и его появление на самой заре человеческой цивилизации, регулярное его использование в качестве средства поддержания чистоты и личной гигиены — современное явление.

Много веков разные культуры занимали очень разные позиции по отношению к мылу. Римляне его почти не использовали, предпочитая соскребать с себя пот и грязь механически, а затем купаться сначала в горячей, потом в холодной воде, чтобы очиститься. Публичные бани были важной частью их культуры, и римляне не жалели средств и изобретательности на строительство сложных инженерных сооружений, обеспечивавших бани холодной и горячей водой. В Европе после падения Римской империи инфраструктура, обеспечивавшая работу публичных бань, пришла в упадок и разрушилась, а посещение бань и вообще мытье вышли из моды. В многолюдных городах и селах без доступа к чистой воде мытье всё чаще считалось опасным для здоровья. В Средние века многие европейцы верили, что болезни распространяются через миазмы и дурной воздух. Они считали, что мытье, особенно горячей водой, раскрывает поры и делает человека более уязвимым перед страшными болезнями, такими как бубонная чума, известная в те времена также как черная смерть. Тогда отношение к мытью, помимо прочего, включало и моральный компонент: ведь святые отшельники и подвижники отрицали комфорт и роскошь. Следовательно, чем сильнее ты пах, тем ближе к Богу становился в глазах окружающих.

Такое странное отношение к чистоте было не везде. Гостям с Востока представители даже королевских семейств Европы показались бы ошеломляюще вонючими и грязными — как и нам, смотрящим на них с современной точки зрения. Но культурные нормы прошлого часто кажутся отвратительными задним числом. Не так давно курение было совершенно нормальным явлением, и запах табака присутствовал почти везде: в офисах, ресторанах, барах и поездах. Я еще помню, когда оно разрешалось даже в самолетах. Теперь мы оглядываемся на те времена со смесью ужаса и недоумения: как мы могли дойти до такого. Если смотреть в таком свете, то эпоха грязных и вонючих европейцев покажется, наверное, не столь удивительной.

Как и в случае с курением, последствия всеобщей немытости были не только эстетическими. В XIX в. врачи не видели ничего страшного в том, чтобы перемещаться от одного больного к другому, не меняя одежды; они не мыли рук ни до, ни после осмотра рожающих женщин. Результат — невероятно высокий уровень женской и младенческой смертности при родах. В 1847 г. венгерский акушер, Игнац Земмельвейс, распорядился, чтобы врачи, прежде чем прикоснуться к пациенткам, протирали руки раствором хлорной извести, — и уровень смертности в его лечебнице упал с 20 до 1 %. Несмотря на столь наглядное свидетельство, врачи по-прежнему не хотели признавать, что они сами, возможно, переносят инфекции на руках и передают их пациентам, вызывая таким образом громадное число смертей. И только в 1850-е, когда британская сиделка Флоренс Найтингейл начала активную кампанию за чистоту, такое отношение стало наконец общепринятым: сначала в военных госпиталях, а потом и в обычных больницах. Главное — она собрала статистику и придумала новые типы математических графиков, при помощи которых демонстрировала свои данные о причинах болезней и смертности врачам и общественности. Постепенно, по мере накопления научных доказательств, микробная теория получала всё более широкое признание среди медсестер и врачей, и гигиеническое умывание с мылом стало в больницах обычной практикой. Разумеется, не все сорта мыла рождаются равными, и новая роль этого средства в поддержании чистоты и здоровья людей появилась в то время, когда индустриализация и маркетинг совместно создавали современную западную потребительскую культуру. Мыло было готово к тому, чтобы из предмета потребления превратиться в коммерческий продукт.

На высоте 12 000 м в крохотном самолетном туалете я тоже надеялся использовать мыло, чтобы совершить превращение: из усталого путешественника в освеженного, чистого и ясноглазого. Я вымыл руки в крохотной раковине и внимательно рассмотрел себя в зеркале. Глаза красные, кожа вокруг них сухая и морщинистая; мое лицо казалось желтым и болезненным. Я взглянул на лампочку, чтобы проверить, не горит ли она голубым флуоресцентным светом. Так и есть. «Возможно, это всё объясняет», — подумал я. Но затем, при дальнейшем осмотре, я с ужасом заметил на воротнике своей рубашки желтое пятнышко соуса карри. Сьюзен ничего мне о нем не сказала, но, с другой стороны, зачем ей было говорить мне? Я инстинктивно попытался стереть его капелькой слюны. Находилось оно прямо у меня под подбородком, поэтому всю операцию приходилось контролировать по отражению в зеркале. Но ферменты слюны не помогли мне справиться с желтым (вероятно, на основе куркумы) пятном; мало того, из-за смачивания воротника пятно только расползлось шире. Через пять минут попыток оттереть воротник, за которые кто-то несколько раз пробовал открыть дверь туалета снаружи, пятно стало только хуже.

Одним из первых промышленных продуктов, основанных на мыле, стал стиральный порошок. Одежду чистить нужно всем, а отношение к социальному статусу и классу в XIX в. формировалось растущим значением гигиены и чистоты в жизни людей. Если ты пришел в грязной одежде на вечеринку, или в церковь, или на любое другое религиозное собрание, то тебя сочтут не только бедным и низкостатусным, но и, более того, аморальным. Вонь и грязь перестали быть признаками добродетели. Теперь нечистоплотность ассоциировалась с микробами и болезнями. Так что в 1885 г., когда достопочтенный религиозный деятель Генри Уорд Бичер объявил, что «чистота сродни благочестию», он выразил широко распространенное представление о том, что моральность и духовность имеют физическое проявление и мыло — непременный спутник этого высокого статуса.

В то же время распространение таких изобретений, как железные дороги и газеты, сближало людей. Появилась возможность распространить любое сообщение на всю страну — и мыльные бренды смогли стать национальными институтами. В США самой могущественной в индустрии стала компания Procter & Gamble. Основанная в Цинциннати в 1837 г. двумя английскими иммигрантами, Уильямом Проктером и Джеймсом Гэмблом, она занималась продажей свечей и мыла, причем оба продукта производились с использованием топленого сала от местной мясной индустрии. Но шел XIX в., производство свечей хирело — сначала из-за популярности китовой ворвани, а затем из-за керосина, — а рынок мыла ширился. Procter & Gamble придумала «Мыло слоновой кости» (Ivory Soap) и вложила много денег в представление и продажу его по всей стране, размещая рекламные объявления в национальных газетах и журналах. Затем, с изобретением в 1920-х радио, Procter & Gamble начала спонсировать сериальные постановки, слушали которые в основном женщины, остававшиеся днем дома в одиночестве и занятые стиркой и уборкой. Эти драмы стали очень популярными и в конце концов получили общее название в честь продукта, за счет которого их спонсировали: «мыльные оперы».

Изобретение стиральной машины освободило людей — в первую очередь женщин — от социального ритуала стирки, требовавшего много времени и усилий. В то же время появился и целый набор новых продуктов для очистки грязного белья. Мыло, которым на протяжении почти пяти тысяч лет в основном стирали одежду, внезапно подверглось химическому усовершенствованию; оно стало моющим средством. Моющие средства — настоящий коктейль из очищающих компонентов; они содержат поверхностно-активные вещества, например мыло, но, помимо них, еще и много других ингредиентов, которые делают их более эффективными и менее вредными для окружающей среды. Заряженная гидрофильная головка молекулы мыла в воде притягивается к кальцию. Если вы живете в местности с жесткой водой, то кальций прицепится к мылу и образует шлаки, как и на поверхности чая. Мыльные шлаки, однако, выглядят иначе: это та беловатая субстанция, хлопья, которые появляются на руках, когда их моют с кусковым мылом. Это не просто неудобство; на такие хлопья тратится мыло, и на очищение его остается меньше. Кроме того, они могут оставить на одежде неприятный серый осадок.

Что же делать с ними? Изготавливать мыло, которое не так сильно притягивается к кальцию. Химики открыли новые вещества с мылоподобными молекулами, обладающими гидрофильной головкой и липофильным (гидрофобным) хвостом. Их особенность в том, что в них можно аккуратно контролировать электрические заряды и, соответственно, делать их менее привлекательными для кальция: это были новые поверхностно-активные вещества.

По мере того как спрос на моющие средства рос, конкуренция между производителями тоже набирала обороты. Компании приглашали лучших химиков, каких могли найти, в надежде создать идеальные моющие средства. Они разрабатывали продукты с мягкими отбеливателями, способными лучше сохранять белые цвета, реагируя с веществами, которые отвечают за коричневые пятна, и разрезая их молекулы химически на куски. Они добавили в стиральный порошок также флуоресцентные вещества, известные как оптические отбеливатели; их молекулы прикрепляются к волокнам белых тканей и остаются на них в том числе и после стирки. Оптические отбеливатели поглощают невидимые ультрафиолетовые лучи и излучают голубой свет, придающий ткани тот самый вид «белее белого», который рекламируют многие производители моющих средств. Вы можете увидеть, как работают эти вещества, если зайдете в ночной клуб: ультрафиолетовые лампы над танцполом активируют флуоресцентные молекулы на белых деталях одежды, заставляя их буквально сиять.

Ряд поверхностно-активных веществ расширился. Были созданы анионные ПАВ (у них гидрофильная головка молекулы отрицательно заряжена, как у мыла), которые не только помогают избежать образования шлаков и удаляют грязь, но и не позволяют ей вновь осесть на одежде во время стирки. Появились и катионные ПАВ (у которых гидрофильная головка молекулы положительно заряжена), выступающие в роли кондиционеров для ткани. А неионные ПАВ (у которых головка молекулы нейтральна) удаляют грязь даже при низких температурах и пенятся не так сильно, как большинство других поверхностно-активных веществ. Избежать излишнего образования пены тоже важно: она не помогает устранять пятна, а стиральной машине неудобно работать, когда она целиком заполнена пеной. Кроме того, от нее трудно избавиться. Моющие средства часто содержат противопенные добавки, подавляющие образование пузырьков.

Биологические ферменты добавляются в большинство моющих средств, чтобы снизить вредное воздействие стирки на окружающую среду. Они помогают химически расщеплять белки и крахмалы, которые присутствуют в пятнах. Они способны удалять пятна при более низких температурах, что делает низкотемпературные стиральные машины намного более эффективными, позволяя сберечь энергию и деньги. Мы называем такие ферменты биологическими, потому что они получаются из природных ферментов, обнаруженных в живых системах, которые проделывают аналогичную работу по разложению и сбору нежелательных веществ в организме. В Великобритании есть два типа стиральных порошков: био- и небио-. Био- содержат ферменты, и хотя отстирывают они заметно лучше, небиопорошки до сих пор можно купить благодаря живучей легенде (ее никто никогда не проверял) о том, что биопорошки вызывают раздражение кожи.

Чистота одежды, очевидно, для нас первостепенна. Но мы также хотим иметь чистые, блестящие волосы со свежим ароматом. И тут на сцене появляются шампуни. Слово «шампунь» родом из Индии, где оно обозначает один из типов массажа головы с использованием масел и лосьонов. Эта практика была завезена в Великобританию в колониальные времена, а слово со временем стало обозначать определенный тип мытья головы. Первый современный шампунь был создан в 1930-е компанией Procter & Gamble; он получил название «Дрен». Он был изготовлен с применением новых, более мягких поверхностно-активных веществ и разливался в стеклянные бутылки с яркой зелено-фиолетовой этикеткой. Примерно в то же время в игру вступила компания Unilever, основной конкурент P&G. С тех пор именно соперничество между этими двумя глобальными компаниями — движущая сила инноваций в мире чистящих средств.

Если взглянуть на список ингредиентов на этикетке современного шампуня, вы, вероятно, заметите там нечто под названием лаурилсульфат натрия или родственный ему лауретсульфат натрия. Это строительные блоки большинства современных шампуней, очень эффективные поверхностно-активные вещества, которые не особо взаимодействуют с кальцием в воде и в жесткой воде не образуют хлопьев. Кроме того, они делают кое-что еще, что мы условились считать существенной частью шампуня: пенятся. Причем очень, очень хорошо.

Когда вы пользуетесь шампунем, то скребете и взбиваете, захватывая воздух; при этом на ваших руках нарастает пена. Воздух пытается выбраться из воды и, достигая поверхности, образует пузырек. Если вы будете скрести волосы без поверхностно-активных веществ, пузырек станет просто тонкой пленкой чистой воды. При контакте с воздухом у нее высокая поверхностная энергия, поэтому пузырек быстро лопнет. Но всё меняется, когда вы добавляете какое-нибудь поверхностно-активное вещество, хотя бы лаурилсульфат натрия. Его молекулы легко собираются в тонкой водяной пленке, окружающей пузырек, понижая тем самым поверхностную энергию жидкости настолько, что пленка становится относительно стабильной. Когда вы втираете шампунь в волосы, формируются более стабильные пузырьки, что приводит к образованию обильной пены. А поскольку поверхностно-активное вещество одновременно с этим вбирает в себя масло и жир, мы связываем чистоту с пеной и судим об эффективности шампуня по ее количеству. Современная реклама это подчеркивает, но на самом деле пена не помогает шампуню очищать более тщательно. Она играет чисто эстетическую роль.

Один из ранних образцов коммерческого шампуня

Лаурилсульфат натрия (SLS) — обратите внимание на гидрофильную головку и липофильный хвост

Лаурилсульфат натрия и его семейство поверхностно-активных веществ работают настолько хорошо и они настолько дешевы, что теперь присутствуют почти в любом чистящем продукте. Они есть не только в шампуне, но и в чистящих жидкостях, средствах для стирки и даже в зубных пастах — вот почему ваш рот наполняется пеной, когда вы чистите зубы. Здесь, опять же, роль пены декоративна — она будто говорит: «Смотрите! Я чищу зубы!» Успех лаурилсульфата натрия привел к тому, что это вещество заменило нам кусковое мыло как главное средство для очистки в душе остального тела, помимо волос; это было наступление «средств для мытья тела». Их продавали в маленьких бутылочках и тюбиках, как шампуни. А поскольку представители связанного с лаурилсульфатом натрия семейства поверхностно-активных веществ прозрачны, они великолепно выглядят в прозрачных бутылочках, особенно если их окрасить и ароматизировать, как часто делают с шампунями.

Но популярность средств для мытья тела объяснялась не только их эстетическими свойствами. Когда вы в душе или ванне, у кускового мыла проявляется один недостаток: в мокром состоянии оно невероятно скользкое. Если вы принимаете ванну в регионе с жесткой водой и пользуетесь кусковым мылом, то вы, когда мыло прореагирует с кальцием воды, не только окажетесь в воде с хлопьями, но и рискуете вообще потерять брусочек в мутной воде, если он выскользнет из руки. А если вы принимаете душ, мыло, выскользнув, обычно улетает далеко и начинает метаться по поддону, как рикошетирующая пуля, и в конце концов оказывается под ногами, где вы можете на него наступить, потерять равновесие, поскользнуться и разбить себе голову. Но такого не будет, если вы пользуетесь гелем для душа.

Гель обладает еще одним преимуществом: он находится в бутылке. Кусок мыла нужно куда-то класть, и обычно он оказывается на открытой поверхности. Его внешний слой размокает и превращается в неприятную склизкую мягкую массу. Брусок становится весьма несимпатичным на вид — в отличие от жидкого мыла, которое всегда выглядит приятно. А кусковое мыло, даже высохнув, уже не возвращает себе в полной мере вид твердого и надежного предмета; оно теряет первоначальный вид и форму после одного-единственного использования.

В 1980-е компания под названием Minnetonka задумалась о том, как расширить использование жидкого мыла и распространить его, помимо ванной, на кухни и туалеты. Сотрудники компании понимали, что для этого оно должно восприниматься иначе: не быть похожим на шампунь или средство для мытья тела и уж точно не выглядеть как жидкость для мытья посуды — хотя на самом-то деле это был бы очень похожий продукт. Чтобы добиться успеха, следовало продавать этот продукт людям как новый и привлекательный. В какой-то момент они наткнулись на идею нажимных дозаторов, и это оказалось поистине гениальным ходом. Каждый, кто хоть раз испытывал неприятные ощущения, беря в руки кусок размокшего мыла, которым до него пользовался предыдущий посетитель туалета, теперь мог наслаждаться девственно чистым переживанием, когда средство наливалось ему понемножку прямо в ладонь. Однако это изобретение не сразу получило ход. Не всем оно понравилось — некоторым всё это показалось чересчур мудреным решением несуществующей проблемы. Другим — как мне, о чем я уже говорил, — не понравилась похожесть этого ощущения на момент, когда тебе на ладонь писает мелкое домашнее животное.

Но если в 1980-е общество разделилось во мнениях по поводу жидкого мыла, то 1990-е принесли с собой нечто такое, что прочно сместило баланс в его пользу: у бактерии Staphylococcus aureus, обычно инфицирующей раны после хирургических операций, появились штаммы, устойчивые к антибиотикам, что сделало лечение связанных с ней инфекций очень трудным. Эти штаммы впервые были открыты в 1960-е, но к 1990-м в больницах началась настоящая эпидемия золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus), устойчивого к антибиотику метициллину. В Великобритании на долю инфекций Staphylococcus aureus, устойчивого к метициллину (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA), приходилось 50 % всех больничных инфекций. В континентальной Европе и США наблюдалась аналогичная картина. Результат — резкий рост больничной смертности. К 2006 г. в Великобритании насчитывалось уже две тысячи смертей из-за MRSA, и больницы не справлялись с распространением этой бактерии. К счастью, благодаря более строгому режиму мытья рук — в частности, медсестер и врачей обязали очищать их после контакта с пациентами — за следующее десятилетие число смертей снова уменьшилось.

В то же время вне больниц началась кампания, в ходе которой населению разъяснялись преимущества чистых рук. Основывалась она на продвижении антибактериальных сортов мыла, которые, помимо лаурилсульфата натрия и родственных ему веществ, содержат такие действующие вещества, как триклозан — антимикробное соединение. При выводе на рынок этих сортов мыла подчеркивалось, что они лучше, чем традиционные, препятствуют распространению микробов. Этот маркетинговый ход оказался успешным: спрос на антибактериальное мыло был огромен, хотя никаких реальных свидетельств того, что оно действует лучше, чем обычное в сочетании с водой, не было. Мало того, директор Центра оценки и исследования лекарственных средств Управления по контролю продовольствия и лекарственных средств США доктор Дженет Вудкок сказала, что некоторые сорта антибактериального мыла, возможно, не приносят на самом деле никакой пользы для здоровья.

«Потребители могут считать антибактериальные моющие средства более эффективными в предотвращении распространения микробов, но у нас нет научных данных о том, что они работают лучше, чем обычное мыло и вода, — сказала она в одном из заявлений. — Мало того, некоторые данные позволяют предположить, что антибактериальные ингредиенты, возможно, приносят больше вреда, чем пользы, в долгосрочной перспективе».

В 2016 г. антибактериальные сорта мыла в США были запрещены. Но к тому моменту жидкое мыло уже успело проникнуть повсюду. Лишившись антибактериальных элементов, жидкие сорта мыла сегодня составляют большую часть всего мыла, покупаемого в Великобритании и США. Они по-прежнему царят в наших больницах, домах и — да, в туалетах самолетов, где я только что выдавил немножко себе на руку.

«Бум, — сказала система внутренней связи. — Говорит капитан воздушного судна. Мы готовимся войти в зону турбулентности, поэтому я включил сигнал “Пристегнуть ремни”. Просьба всем пассажирам вернуться на свои места. Спасибо».

Слышать, как к тебе обращаются, когда ты в туалете, немного странно. До того момента у меня было ощущение полной приватности, но тут мне показалось, что капитан только что заглянул в кабинку. Параноидальная часть моего мозга даже подумала на мгновение, что, возможно, это объявление — заговор с целью выманить меня из туалета, где я провел уже столько времени за изучением состава на флаконе с жидким мылом.

Жидкое мыло, которым я пользовался, действительно имело в своем составе лауретсульфат натрия. Скорее всего, оно сделано из пальмоядрового или кокосового масла. Деревья, из которых получают эти масла, растут в тропическом климате. В последнее время они приобрели невероятное значение для мировой экономики, поскольку их легко выращивать и продукта они дают много. Это стабильный и выгодный источник дохода для любых стран с подходящим климатом. Ежегодно производится 50 млн т пальмового масла, которое затем идет во всевозможные продукты: от пирожных до косметики. В следующий раз, когда будете в супермаркете, взгляните на состав галет, пирожных, шоколада, хлопьев и т. д., и т. п. Очень может быть, что вы обнаружите пальмовое масло во всех этих продуктах.

Структура лауриновой кислоты, которую часто получают из пальмоядрового масла

Для изготовления жидкого мыла особенно полезно пальмоядровое масло, что объясняется его необычным химическим составом. В нем много лауриновой кислоты — молекулы с двенадцатью атомами углерода в цепи с характерной для кислот карбоксильной группой на конце. На первый взгляд она очень похожа на поверхностно-активные вещества, но не имеет заряженного конца. Но это легко исправить, говоря химически. Важен размер молекулы; лауриновая кислота при ее использовании для изготовления поверхностно-активного вещества создает молекулу с углеродной цепью намного меньшего размера, чем те, что можно обнаружить в обычном мыле (в тех, как правило, есть цепочка из восемнадцати атомов углерода).

Лауриновая кислота, будучи сама меньше по размеру, дает поверхностно-активные вещества тоже меньшего размера; поэтому они получаются легче и эффективнее работают в качестве пенообразующего агента. Строго говоря, они даже слишком эффективны в этом качестве. Приятные ощущения, возникающие при мытье рук жидким мылом, обусловили всплеск его производства — и, соответственно, спроса на пальмовое и кокосовое масла. Это, в свою очередь, привело к вырубанию больших площадей дождевых лесов в странах, где эти масла производятся, таких как Малайзия и Индонезия. Всё невероятное биологическое разнообразие таких лесов заменяется монокультурой пальм. Это имеет целый ряд отрицательных последствий, и одно из них — уничтожение мест обитания диких животных (а многие из них и так в опасности) и полное истребление природных сообществ, которые цивилизация теснит уже не первое столетие. Однако спрос на жидкое мыло и другие продукты, в состав которых входит пальмовое масло, настолько велик, что этот процесс продолжается.

И, как будто этого мало, моющие средства с лауретсульфатом для некоторых людей, возможно, работают слишком хорошо — в буквальном смысле. Они удаляют жиры и масла настолько эффективно, что могут вызвать различные раздражения кожи, например экзему и дерматит. Чтобы предотвратить это, производители жидкого мыла добавляют в свой продукт модификаторы и увлажнители, призванные заменить природные масла, которые лауретсульфат натрия вытягивает из вашей кожи. Значит, мы можем едва ли не радоваться тому, что большая часть жидкого мыла, которое мы используем, просто стекает в раковину, даже не соприкоснувшись с нашими руками. Производители пытаются бороться с этим, увеличивая вязкость мыла, а также создавая дозаторы, которые выдают его на руки не в виде жидкости, а в виде пены, что более практично. Дозаторы пены действительно хороши, и не только потому, что выдают вам именно то крохотное количество поверхностно-активного вещества, в котором вы нуждаетесь, вместе с большим количеством воздуха, но и потому, что они наконец придумали реальное полезное использование для пены. Она здесь играет не только эстетическую роль, как в шампунях, средствах для тела или зубных пастах. В дозаторах именно пена оказывается средой, которая доставляет поверхностно-активное вещество к вашим рукам.

В целом жидкое мыло различных сортов стало индустрией с оборотом порядка сотни миллиардов долларов. При помощи моющих средств мы содержим тело в чистоте и придаем ему аромат, поддерживаем чистоту и ароматность одежды, волос, моем посуду и — возможно, это важнее всего в нашем густонаселенном мире — используем их как одно из мощнейших средств поддержания своего здоровья и борьбы с распространением болезней. Но когда мы покупаем их, то платим в основном за маркетинг. Главные ингредиенты моющих средств, собственно удаляющие грязь, дешевы. Поэтому стоит задуматься о том, как производятся эти продукты и какое воздействие эта индустрия оказывает на тропические леса.

Лично я предпочитаю кусковое мыло. Оно сделано по руке, и мытье им дает мне ощущение вещественного контакта, бодрит и успокаивает. Да, мыло в брусках трудно продавать, но для меня это тоже одно из его положительных свойств: вы покупаете кусок мыла потому, что нуждаетесь в нем, а не потому, что вам кажется, будто он сделает вас другим человеком, более успешным, более желанным или сексуальным.

Самолет теперь раскачивался и подпрыгивал в воздухе так, что становилось страшно. В дверь громко постучали, и один из бортпроводников спросил, всё ли у меня в порядке. На мгновение я испугался, что провел в туалете не один час, рассуждая сам с собой об успехе жидкого мыла, но затем до меня дошло, что дело в турбулентности. «Пора вернуться на место», — подумал я. Но прежде чем покинуть кабинку, я поколебался мгновение, протянув руку ко второму флакону рядом с раковиной. Он содержал другую жидкость, увлажнитель. Зачем он здесь? Неужели нам действительно нужно увлажнять руки всякий раз, когда мы их моем? Или это тоже часть нарастающего давления, побуждающего нас потреблять многие вещи независимо от того, нуждаемся ли мы в них на самом деле? Сначала произведем мыло, которое очищает руки слишком хорошо, а затем предложим антидот — увлажняющий крем? Или это паранойя? Так или иначе, я попытался выжать себе на ладонь немного жидкости из этого флакона. Это была симпатичная бутылочка, и пахла она лимонной свежестью, сопротивляться которой, как я обнаружил, трудно до нелепости.

Глава 9. Охлаждающие

Возвращаясь из туалета на свое место, я миновал одну из больших овальных запасных дверей самолета; там был виден маленький иллюминатор и соблазнительно крупная красная ручка. В самолете я всегда испытываю странное желание открыть двери; не знаю даже почему. Если бы я это сделал, воздух в салоне вытянуло бы наружу вместе со мной и всяким, кто оказался бы в этот момент не пристегнутым к креслу. Пристегнутые остались бы на месте, но температура воздуха в салоне упала бы примерно до –50 °C, и давление тоже снизилось бы, так что дышать стало бы очень и очень трудно. В этот момент, как нам известно из предполетного инструктажа по безопасности, из гнезд над головами пассажиров выпали бы кислородные маски.

В низком атмосферном давлении и заключается, разумеется, та причина, по которой мы летаем так высоко. Меньшая плотность воздуха обеспечивает меньшее сопротивление полету, что повышает топливную эффективность самолета и позволяет ему двигаться дальше. Однако полет на такой высоте ставит перед авиаконструкторами двоякую проблему: они должны найти способы сделать так, чтобы пассажиры не задохнулись и не замерзли. Обе задачи решены при помощи кондиционирования воздуха, в истории развития которого фигурируют самые опасные жидкости на планете.

Я вернулся на место и виновато улыбнулся Сьюзен. Одной этой улыбкой я рассчитывал сообщить ей, что мне жаль прерывать ее чтение и заставлять ее отстегивать страховочный ремень; мне неудобно вынуждать ее подниматься, поскольку при этом она невольно стряхивает на пол крошки с коленей, — хотя, разумеется, я не был при этом ни в чем виноват. Всё дело в том, как расположены сиденья в самолете, да и поход в туалет — совершенно естественное дело, даже если не было меня довольно долго.

Сьюзен поднялась с улыбкой, которая, казалось, говорила мне: «Сходить в туалет — это нормально, не беспокойтесь, пожалуйста». Она протиснулась в проход, а я пролез мимо нее обратно на свое место. Мы оба пристегнули ремни, самолет продолжал дергаться и раскачиваться. Турбулентность была вызвана изменениями в плотности воздуха, сквозь который мы пролетали; из-за погодных закономерностей внизу мы шли сквозь смесь воздуха низкой и высокой плотности. Попадая в карманы воздуха высокой плотности, самолет замедлялся из-за возросшего сопротивления. Затем, попадая в карманы низкой плотности, он внезапно рушился на несколько метров вниз, поскольку там снижается подъемная сила крыльев.

Но, несмотря на стремительные изменения давления за бортом, дышалось мне нормально; давление в салоне, хотя и ниже привычного для меня, было вполне стабильно. Поддерживалось оно благодаря кондиционированию воздуха — инженерной области настолько специализированной, что ей интересовался даже Эйнштейн в свое время. Он получил несколько патентов на изобретения в этой сфере, хотя его тогда больше интересовало спасение жизней на земле, чем обеспечение комфортного дыхания во время длительных перелетов.

Эйнштейн пытался решить такую проблему: в 1920-е недавно изобретенные холодильники набирали популярность, а ящики со льдом, которые играли роль домашних ледников и сотни лет использовались для охлаждения продуктов, постепенно исчезали из домов. Но первые холодильники были не особенно безопасными. Эйнштейн был потрясен, когда прочел в газете, что семья с несколькими детьми в Берлине отравилась, потому что потек радиатор холодильника. В то время в этих устройствах использовались три типа жидких хладагентов: метилхлорид, диоксид серы и аммиак. Все они токсичны. Однако были выбраны именно эти вещества, поскольку они имеют низкую температуру кипения.

Холодильники работают за счет перекачивания жидкостей по размещенной внутри них системе труб. Если температура в них выше температуры кипения этих жидкостей, они вскипают. Этот процесс требует притока энергии, необходимой для разрушения связей между молекулами в жидкости (ее называют теплотой фазового перехода), и тепло отнимается из воздуха внутри холодильника, тем самым охлаждая его. Именно этим объясняется необходимость использования жидкостей с низкой температурой кипения: они должны кипеть при температуре, которая обеспечивается внутри холодильника, около 5 °C. Но чтобы жидкость была действительно пригодна для использования в холодильнике, вы должны иметь возможность превращать ее обратно в жидкость, сжимая при помощи насоса.

Чтобы сжать газ в жидкость, необходимо отнять у него всё скрытое тепло (ту же теплоту фазового перехода). По сути, его выжимают из газа. Это происходит на задней стенке холодильника. Вы слышите, когда работает компрессор: это тот самый шум, который время от времени издает ваш аппарат. Именно поэтому сзади он горячий — и именно поэтому вы не сможете охладить дом, открыв его дверцу; охлаждение при этом более чем компенсируется теплом, которое выработает сзади насос. Это будет наглядным проявлением первого закона термодинамики, который гласит: если мы охлаждаем что-то, отнимая у него энергию, то она должна куда-то пойти — она не может просто исчезнуть. В данном случае она уходит наружу с задней стороны холодильника.

Звучит это, возможно, просто: поставить насос в систему труб, содержащих жидкость, а затем добавить туда же клапан, который позволял бы ей превращаться в газ. Но на самом деле это сложная инженерная задача. Газ находится под давлением, его молекулы постоянно движутся, налетая изнутри на стенки труб. Везде, где трубы соединяются с насосом, возникают слабые места. При использовании неправильных материалов там постоянно возникают утечки из-за налетающих молекул расширяющегося и вырывающегося с силой газа. Материал просто не выдерживает нагрузки. Именно так происходило с холодильниками первых моделей. В середине ночи аммиак утекал из них и убивал целые семьи прямо в постелях.

Эйнштейн хотел сделать с этим что-нибудь, а поскольку работал он экспертом в патентном бюро, то неплохо разбирался в технических тонкостях механических и электрических машин. Он начал сотрудничать с физиком по имени Лео Силард, и они стали работать над изобретением холодильника нового типа, который был бы более безопасен для дома. Они хотели вообще избавиться от внешних насосов, а заодно и всех соединительных деталей, с ними связанных, и создать вместо этого систему без подвижных частей, которая будет менее подвержена отказам. С 1926 по 1933 г. Силард и Эйнштейн вместе разрабатывали различные способы превращения жидкостей в газы и обратно и пытались сконструировать работающий холодильник. Конечно, как мы только что обнаружили, жидкость при испарении и превращении в газ охлаждает всё вокруг себя. Обратный процесс всегда осуществлялся при помощи насоса, который вынуждал молекулы газа собираться и сжимал их в жидкость. Но должен был существовать и другой способ. У Силарда и Эйнштейна имелось множество идей. Они построили рабочие прототипы и подали заявки на несколько патентов. В одной из конструкций предполагалось использовать тепло, чтобы прогонять жидкий бутан по системе труб, где он смешивался с аммиаком, становясь при этом газом, и давал охлаждающий эффект. Затем этот газ соединяли с водой, которая поглощала аммиак и позволяла вновь прогнать бутан по трубам, продолжая процесс охлаждения. Во второй конструкции жидкий металл, первоначально ртуть, тек по системе труб, которую изобретатели заставляли вибрировать при помощи электромагнитных сил. Колебания работали как поршень в компрессоре, сжимающем газообразный хладагент в жидкость. По сути, охлаждение происходило за счет воздействия одной жидкости на другую, без всяких подвижных твердых частей. Как и в других конструкциях изобретателей, все рабочие жидкости герметично закупоривались в трубах и предположительно должны были быть безопаснее, чем использовавшиеся в то время модели.

Коммерческий интерес к прототипам Силарда и Эйнштейна имелся — шведская компания Electrolux купила один из их патентов, а немецкая Citogel работала с другим, — но время их партнерства истекало. В Германии уже набирала популярность нацистская партия, и евреям становилось всё труднее жить и работать в этой стране.

Силард переехал в Британию, где он сделал изобретение, которому суждено было изменить ход истории — но не охлаждением ситуации, а наоборот, нагревом. Речь о принципе, стоящем за атомной бомбой: цепной ядерной реакции. Эйнштейн тем временем ездил по Европе, а всё более враждебная нацистская партия набирала власть. И Эйнштейн, и Силард в итоге оказались в Америке, где смогли продолжить сотрудничество, но к тому времени было уже слишком поздно. Ученые в США тоже работали над более безопасными конструкциями для холодильника, но они подошли к проблеме иначе: вместо того чтобы устранять из конструкции насосы, они попытались сделать рабочие жидкости безопаснее. В 1930 г. химик Томас Миджли изобрел жидкий фреон; его начали превозносить как безопасный и дешевый, и изобретения Эйнштейна и Силарда перестали представлять интерес для производителей холодильников. К несчастью, он оказался вовсе не безопасным, но выяснилось это лишь пятьдесят лет спустя, хотя Томас Миджли и раньше был известен созданием опасных жидкостей.

В 1920-е, работая в компании General Motors, Миджли открыл жидкость под названием тетраэтилсвинец. При добавлении в бензин он способствовал более полному сгоранию топлива и повышал эффективность двигателя. Работала добавка хорошо, но содержала высокотоксичный свинец. Экспериментируя с ним, Миджли отравился и сам. «После примерно года работы с органическим свинцом, — писал он в январе 1923 г., — я нахожу, что мои легкие пострадали и необходимо бросить всякую работу и обеспечить себя большим количеством свежего воздуха». Несмотря на очевидную опасность, он продолжал работу. Ему потребовалось много лет, на протяжении которых немало рабочих его предприятия пострадало от отравления свинцом; оно вызывало галлюцинации и приводило к смерти. В конце концов в 1924 г. Миджли устроил пресс-конференцию и продемонстрировал собравшимся безопасность тетраэтилсвинца. Он лил эту жидкость себе на руки и вдыхал ее испарения. У него вновь появились симптомы отравления, но это не остановило его от запуска тетраэтилсвинца в коммерческое производство.

Позже тетраэтилсвинец использовался по всему миру как присадка к бензину, но начиная с 1970-х от него стали отказываться, поскольку накопилось много данных о его токсичности (в Великобритании он был полностью запрещен только с 1 января 2000 г.[7]). В результате содержание свинца в крови детей, например, резко упало, и это повлекло за собой серьезные социальные последствия. Была выявлена статистически значимая корреляция между масштабами использования этилированного топлива и количеством преступлений, связанных с применением насилия. Свинец действует как мощное нейродегенеративное вещество; ученые даже предполагают, что запрет на этилированный бензин привел к заметному росту коэффициента интеллекта городских жителей.

Но это всё происходило после того, как Миджли начал работать над проблемой создания безопасного холодильника. К концу 1920-х он нашел решение. Его команда сосредоточилась на углеводородах с малым молекулярным весом, таких как бутан, имеющих низкую температуру кипения. Недостатком этих веществ оказалось то, что все они были горючими и потенциально взрывоопасными и использовались в качестве топлива для зажигалок и газовых плиток.

Молекулярная структура хлорфторуглеродного соединения фреона

Атомы углерода в молекулах углеводорода заменили фтором и хлором, создав новое семейство химических веществ, получивших название хлорфторуглеродов (CFC). При этом ученые создали вещества, потенциально еще более опасные, чем те легкие углеводороды, с которых они начинали. При разложении эти новые вещества выделяли фторид водорода — чрезвычайно коррозионно-активное и токсичное вещество. Но команда Миджли считала, что процесс такого рода — разложение — очень маловероятен, потому что связь «фтор — углерод» очень сильна и жидкость должна была выйти инертной. Так и оказалось: хлорфторуглероды действительно химически инертны. Они представлялись идеальным химическим решением проблемы холодильного оборудования: случись протечка, они никого не убили бы. В этом смысле Миджли был прав, но CFC оказались небезопасными в другом отношении.

Естественно, с самого начала применения CFC время от времени вытекали из холодильников сзади. Но казалось, что главным следствием этого было просто прекращение работы аппарата: вещества никого не убивали. А поскольку в производстве они были очень дешевы, их внедрение вызвало громадный скачок спроса на холодильники. В 1948 г. всего 2 % жителей Великобритании имели дома холодильник; к 1970-м они были почти у всех. Настоящее чудо. Мы прошли путь от страны, где все хранили продукты в погребах и ящиках со льдом, до места, где у каждого есть аппарат для охлаждения и хранения еды и напитков. В результате распределение свежей пищи кардинально улучшилось, а количество отходов рыбы, молочных продуктов, мяса и овощей столь же резко уменьшилось, и продукты подешевели. Появление доступного холодильного оборудования произвело настоящую революцию — и всё благодаря безобидным на первый взгляд хлорфторуглеродам.

Сидя в душном самолете, я и сам чувствовал необходимость немного охладиться. Я поиграл с соплом вентиляции над своим креслом, пытаясь получить из него хоть немного больше воздуха. Пластмассовая заслонка застряла, и мне пришлось подняться с кресла, чтобы ухватиться за нее покрепче. В конце концов мне удалось ее открыть, и из сопла на меня полился поток прохладного воздуха. Должно быть, вставая, я поднял с кресла некоторое количество пыли, потому что, опустившись обратно, я резко чихнул. Это был один из тех внезапных и неудержимых чихов, с которыми ничего невозможно сделать. Однако это серьезное нарушение самолетного этикета, особенно потому, что мне не удалось прикрыть рот локтем. Сидевшая передо мной женщина обернулась и внимательно посмотрела на меня сквозь щель между спинками сидений, продемонстрировав свое недовольство. Мужчина, стоявший в проходе, бросил на меня взгляд, полный неприкрытой ненависти. Мои попутчики, несомненно, решили, что у меня грипп, а то и похуже что-нибудь, и я сознательно сел в самолет больным, наверняка проигнорировав совет врача никуда пока не ездить. Мне кажется, таким грешит время от времени каждый из нас, и достоверно известно, что вирусы быстро распространяются на самолетах, потому что люди в них плотно набиваются в относительно небольшое пространство. Я чувствовал себя ужасно. И, что еще хуже, чих мой вышел слегка влажным; возможно, сидевшие впереди даже почувствовали капельку-другую. Сьюзен, конечно, имела больше всех причин обижаться на меня, но она ничего не сказала, целиком, кажется, погруженная в свою книгу. Я хотел извиниться, объяснить всем, что чихнул из-за пыли, которая, вероятно, поднялась в воздух, когда я опустился в кресло, — но не знал, как начать. Так что вместо этого я вытащил платок и вытер нос и виниловую обивку сиденья перед собой.

Системы кондиционирования воздуха — по сути холодильники для воздуха. В машине такая система прогоняет воздух из салона над медными трубками, содержащими хладагент, и за счет этого охлаждает. Прохладный воздух не может удержать в себе много молекул воды, вот почему на кондиционерах всегда образуются капельки (по этой же причине, когда воздух поднимается вверх и остывает, образуются облака). Следовательно, в качестве побочного действия система кондиционирования осушает воздух. В жарких и влажных странах кондиционер — часто единственное средство сделать путешествие в автомобиле, автобусе или поезде терпимым. Но на это уходит громадное количество энергии. В Сингапуре, например, на охлаждение тратится около 50 % энергии, поставляемой в жилые дома и офисы. В США на весь транспортный сектор, включая поезда, самолеты, морские и речные суда, грузовые и легковые автомобили, приходится 25 % энергопотребления страны, тогда как на обогрев и охлаждение зданий — почти 40 %.

И точно так же, как холодильник сзади нагревается в результате охлаждения его внутреннего объема, кондиционер в машине или здании выпускает тепло обратно в окружающую среду, поднимая температуру воздуха снаружи. Суммарный эффект этого невелик, но в городах с плотной застройкой может быть заметным. Ученые из Университета штата Аризона доказали, что исключительно из-за кондиционирования воздуха средние ночные температуры в городах выросли более чем на 1 °C. Да, на первый взгляд это немного, но не забывайте, что повышение средних температур в глобальном масштабе даже на 2 °C вполне может привести к серьезным климатическим изменениям.

Таким образом, задача сделать кондиционирование воздуха более энергоэффективным — глобальный вызов. И я говорю с гордостью, что внес в ее решение небольшой вклад. Для повышения эффективности охлаждающих систем тепло должно передаваться через металлические трубки быстро — именно поэтому в кондиционерах они медные. Медь, возможно, дорога, но очень хорошо проводит тепло. Однако в очень жаркий день в душном офисе при температуре снаружи под 40 °C даже таких трубок подчас не хватает, чтобы обеспечить прохладу в помещении. И здесь решающую роль может сыграть то, как именно жидкий хладагент течет по трубкам.

Однородный поток, как вода, вытекающая из трубы, предсказуем, но скорость внутри него неодинакова. Как правило, внешняя часть, текущая ближе всего к стенкам трубы — и называемая также граничным слоем, — перемещается медленнее, чем внутренняя. Термическое взаимодействие между этими двумя слоями слабое, что снижает скорость, с которой тепло передается наружу. Система охлаждения гораздо эффективнее, если вы можете получить в трубах так называемый турбулентный поток. Это хаотичное состояние, жидкость бурлит и образует водовороты, тщательно при этом перемешиваясь. Один из способов получить турбулентный поток — повысить давление (полностью открыть кран, чтобы вода бурлила и вытекала из трубы хаотично), но на это уходит много энергии. Лучше, если мы сможем разрушить граничный слой, а этого можно добиться, нанеся на внутренние стенки медной трубки спиральные борозды, чтобы они постоянно перемешивали жидкость и тем самым разрушали однородный поток. Именно этот способ получения турбулентного потока стал общепринятым. Он позволяет охлаждающей жидкости более эффективно отнимать тепло и резко повышает эффективность кондиционирования воздуха без дополнительных затрат энергии. Гениально, правда?

Эту штуку изобрел не я. Эйнштейн, правда, ее тоже пропустил, так что я особенно не комплексую.

Система создания турбулентного потока была придумана в XX в., в то время, когда я только учился говорить, а Эйнштейн уже умер. Но к моменту, когда я пошел в школу, затем в университет, затем защитил докторскую диссертацию, в области кондиционирования воздуха ничего не изменилось. Энергоэффективность приобретала всё большее значение, и чувствовалась настоятельная необходимость в снижении стоимости изготовления медной трубки со спиральной внутренней нарезкой. Причем она была настолько настоятельная, что, когда я получил степень по сплавам для реактивных двигателей, профессор Брайан Дерби из Оксфордского университета попросил меня помочь ему в решении этой проблемы. Поскольку она не имела ничего общего со сплавами для реактивных двигателей, я, естественно, не знал, с чего начать.

Медные трубки со спиральной нарезкой производятся при помощи процесса, который во многом напоминает выдавливание зубной пасты из тюбика. Просто представьте, что вместо зубной пасты у вас в тюбике пуля диаметром чуть больше, чем у наконечника, и она не вылетает наружу, когда вы сдавливаете емкость. Вместо этого она медленно проталкивается сквозь носик, и трубка вокруг нее плывет, а медная стенка растягивается. Но поскольку на пуле есть спиральные борозды, по мере выдавливания она проворачивается и переносит свои нарезы на внутренние стенки трубки. Волшебство! Единственная проблема — то, что пулю необходимо делать, свинчивая болтами несколько деталей из сверхтвердого материала — карбида вольфрама, а давление внутри машины, выдавливающей медь, часто поднималось настолько, что болты не выдерживали, пуля разваливалась, и всё заканчивалось полным бардаком, разобраться в котором стоило не один миллион фунтов стерлингов.

Поразительно, но нам удалось найти жидкость, которая решила эту проблему. Мы определили, что можно соединить две половинки пули из карбида вольфрама, превратив внутреннюю часть вещества в жидкость, но сохранив оболочку твердой. Своего рода сверхточная сварка. И, как во многих открытиях, если знаешь, в чем фокус, выполнить его несложно. Нам просто нужно было сжать две части вместе и поместить их в высокотемпературную печь. Благодаря этому жидкость образовывалась внутри вещества; она плавала между двумя твердыми деталями и соединяла их. После остывания получался цельный бесшовный объект из карбида вольфрама. Но это не означало, что изготовленные таким образом пули выдержат нагрузки при использовании. Так что я страшно нервничал, когда ехал на громадный завод медных трубок в Сент-Луисе в США, чтобы наблюдать за первым испытанием моего изобретения. Я знал, что, если пуля не выдержит, испытание обойдется компании в десятки тысяч долларов. Тем не менее должен с гордостью сказать: всё сработало, и мы подали документы на европейский патент «Метод соединения в жидкой фазе» (WO1999015294 A1).

Найти способы охлаждать эффективнее — это просто замечательно, но назревали и другие, более серьезные проблемы. На усовершенствование систем охлаждения была потрачена уйма сил, но никто тогда не задумывался о том, что произойдет, когда холодильники и кондиционеры начнут ломаться. Долгое время они после этого отправлялись прямиком на свалку, где ценные металлы из них извлекались для вторичного использования — сталь рамы и корпуса, медные трубки. Никто не собирал хлорфторуглероды; как только медные трубки разрезали, теплоносители быстро испарялись, запуская процесс охлаждения в последний раз по мере того, как жидкость улетучивалась в воздух. Никто не беспокоился о CFC: эти соединения без того использовались в качестве вытесняющего вещества во флаконах с лаком для волос и других одноразовых предметах. Предполагалось, что они инертны, так какой вред они могли принести? Считалось, что, став газом, они быстро и бесследно рассеиваются ветром. Именно так, кстати, и происходило. Но шли десятилетия, и эти газы проникли в стратосферу, где под действием ультрафиолетового излучения Солнца начали разлагаться на составляющие. А вот эти новые вещества уже могли причинить немало вреда.

Солнце излучает свет видимый и невидимый. Ультрафиолетовое излучение относится ко второй категории. Именно оно дает нам загар, а поскольку оно весьма энергично, то способно обжечь нас и делает это: продолжительное пребывание под таким светом может повредить ДНК, а со временем даже вызвать рак. Поэтому так важно пользоваться кремом от загара; задача этой жидкости — поглощать ультрафиолетовый свет прежде, чем он попадет на кожу. Но есть еще один барьер между вами и ультрафиолетовым светом, причем куда более эффективный: озоновый слой. Озон — как крем от загара для нашей планеты, и он почти не виден, когда работает. Строго говоря, наш самолет теперь летел сквозь озоновый слой, но, глядя в окно, вы об этом не узнаете.

Озон — вещество, родственное кислороду. Молекула кислорода, которым мы дышим, состоит из двух связанных атомов (O2); молекула озона — из трех (O3). Это вещество не слишком стабильно и весьма активно, так что после образования оно в чистом виде существует недолго. Кроме того, озон имеет характерный запах, который вы иногда чувствуете во время искрения — часть O2 в воздухе, встречаясь с высокой энергией искры, превращается в O3, и в результате реакции получается вещество с необычным острым запахом. В воздухе, которым мы дышим здесь, на твердой земле, озона немного, а вверху, в стратосфере, его достаточно для образования защитного слоя, который поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца. Но молекулы CFC, попадая в озоновый слой, распадаются после взаимодействия с высокоэнергетическими световыми лучами Солнца. В результате возникают очень активные молекулы, называемые свободными радикалами; они реагируют с озоном и снижают его концентрацию, тем самым истощая его слой.

К 1980-м специалисты по атмосфере начали понимать, что действие CFC на озоновый слой Земли весьма существенно и вызывает громадные последствия. В 1985 г. ученые из Антарктического управления Великобритании сообщили, что в озоновом слое есть дыра, раскинувшаяся на 20 млн км2 над Антарктикой, а вскоре после этого выяснилось, что по всему земному шару толщина озонового слоя уменьшается. Винить в этом следует в общем и целом хлорфторуглероды, поэтому так называемым Монреальским протоколом был введен запрет на их использование, который вступил в действие в 1989 г. Было запрещено использование CFC в рефрижераторном оборудовании, а также в химчистке, где они применялись вместо воды для чистки одежды. Несмотря на быструю реакцию мирового сообщества, CFC до сих пор используются, а в озоновом слое образовались новые дыры. В 2006 г. дыра площадью 2,5 млн км2 была обнаружена над Тибетом, а в 2011 г. наблюдалась рекордная убыль озона над Арктикой; всё это позволяет предположить, что нам не удастся оправиться от последствий их применения по крайней мере до конца XXI в.

Но когда-то, в дни расцвета CFC, химики тратили много времени на исследование свойств веществ на основе углерода и фтора. Они открыли поразительное семейство веществ, получивших название перфторуглеродов, или полностью фторированных углеводородов (PFC). В отличие от CFC, молекулы PFC не содержат хлора — это жидкости из атомов углерода и фтора. Простейшие из них напоминают углеводороды, в которых все атомы углерода заменены атомами фтора.

Структура молекулы перфторуглерода

Фторные связи чрезвычайно сильны и потому очень стабильны, что делает PFC инертными. Вы можете безнаказанно макать в них почти что угодно, даже свой телефон, который продолжит работать, как будто ничего не случилось. Вы могли бы положить свой ноутбук в ведро PFC — иногда так и поступают, потому что эта жидкость охлаждает компьютер во время работы намного эффективнее, чем встроенные вентиляторы, что позволяет ему работать на значительно более высоких скоростях. Но еще чудеснее то, что PFC способны поглощать много кислорода — до 20 % собственного объема, если быть точным, — а это значит, что они могут работать как искусственная кровь.

Заменители крови имеют долгую историю. Потеря крови — одна из главных причин смерти, а единственный способ добавить ее — переливание. Но первая попавшаяся кровь тут не подойдет. Человеческая кровь не одинаковая, она делится на группы; переливание может быть успешным, только если у пациентов они совпадают. Ученый Карл Ландштейнер открыл группы крови в самом начале XX в. и обозначил их A, B, O и AB. В 1930 г. за этот прорыв он был удостоен Нобелевской премии, а еще через десятилетие для лечения раненых Второй мировой войны были созданы первые в мире банки крови для переливания.

Но поскольку подбор крови для каждого конкретного пациента, даже с учетом существования банков, дело непростое, ученые долго занимались поисками надежной синтетической крови, которая избавила бы их от необходимости подбирать кровь по группам и сняла бы часть нагрузки с банков. В 1854 г. врачи пытались с некоторым успехом использовать для этой цели молоко, но идея так и не была принята медицинской системой в целом. Кое-кто пытался также использовать плазму крови животных, но выяснилось, что для человека она токсична. В 1883 г. была разработана субстанция под названием раствор Рингера — раствор солей натрия, калия и кальция, который используется и сегодня, но скорее как средство увеличения объема крови, чем как ее заменитель.

Только с появлением перфторуглеродов появилась настоящая вера в то, что действенную искусственную кровь и правда можно создать. В 1966 г. Леланд Кларк и Фрэнк Голлан — два ученых-медика из США — начали исследовать, что произойдет с грызунами, если они вдохнут жидкий PFC. Они обнаружили, что мыши сохраняют возможность дышать, даже будучи полностью погруженными в жидкий PFC, а затем, когда их вынут оттуда, возвращаются к дыханию воздухом, успешно переходя от рыбоподобного существования, когда они получали кислород из жидкого PFC, к жизни млекопитающих, при которой они берут кислород из воздуха. Это так называемое жидкостное дыхание, судя по всему, работает не только потому, что легкие подопытных животных могут получать кислород, растворенный в PFC, но и потому, что эта жидкость может поглощать весь углекислый газ, выдыхаемый мышами. Дальнейшие исследования показали, что мыши способны жить на жидкостном дыхании часами, и изучение этого процесса продолжилось. Ученые преследовали цель — понять, может ли человек дышать в жидкости. В 1990-е были проведены первые эксперименты на людях. Пациентов с заболеваниями легких переводили на жидкостное дыхание, причем жидкий PFC, который для этого использовали, был «заряжен» медикаментами, предназначенными для их легких. Судя по всему, эта терапия работает, хотя и не без побочных эффектов, по крайней мере пока.

Никто не может точно сказать, куда заведет нас эта странная технология, но если PFC действительно станут нам необходимы, потребуется всерьез заняться вопросом, какой вред они могут нанести окружающей среде. Человечеству удалось избежать катастрофической потери озонового слоя, запретив жидкие CFC и заменив их составами, менее вредоносными для окружающей среды. Сегодня функции теплоносителя в вашем холодильнике, скорее всего, выполняет бутан. Это легковоспламеняющаяся жидкость, и если сзади у вашего холодильника возникнет течь, это может быть опасно. Но бутан все равно безвреднее жидкостей, которые использовали во времена Эйнштейна, и намного лучше для планеты. Защищающий нас от солнечного света озоновый слой слишком драгоценен, чтобы разрушать его хлорфторуглеродами.

Но хотя риск использования бутана в холодильниках, возможно, и невелик, он слишком серьезен с точки зрения авиаконструкторов. Сейчас жидкие хладагенты в системах кондиционирования в самолетах не используются. Воздух буквально засасывается снаружи и после серии циклов сжатия и расширения используется для охлаждения салона — в конце концов, снаружи очень свежо. Недостаток этого метода в том, что, когда самолет стоит на земле, система кондиционирования в нем работает не слишком хорошо, потому что воздух внизу теплее. Вот почему в дополнение ко всем прочим удовольствиям долгого сидения в самолете при задержке рейса, когда лайнер стоит на полосе, ожидая взлета, и вы в нем заперты, в салоне может быть невыносимо жарко и душно.

Но система кондиционирования воздуха в самолете не только регулирует температуру и влажность; она также должна поддерживать давление воздуха в салоне. На высоте 12 000 м в воздухе недостаточно кислорода для того, чтобы человек мог легко дышать — а то и вообще хоть как-то. Поэтому давление воздуха внутри салона должно быть намного выше, чем снаружи. В результате обшивка фюзеляжа оказывается, по сути, в тех же условиях по нагрузке и напряжению, что и воздушный шар; под действием внутреннего давления самолет раздувается. Это может привести к возникновению трещин. Чтобы минимизировать вероятность их появления, система кондиционирования воздуха устанавливает компромисс: давление внутри такое, чтобы люди могли нормально дышать, но недостаточно высокое для того, чтобы обшивка подвергалась ненужному напряжению. Когда же самолет опускается, системы кондиционирования накачивают в салон больше воздуха, уравновешивая давление внутри и снаружи. Вот почему у вас закладывает уши.

Самолеты не имеют на борту жидкого кислорода «на всякий случай». В случае разгерметизации и падения давления в салоне маски, которые выпадут из ящика сверху, снабдят вас кислородом, полученным при помощи химического генератора. Такие устройства производят газообразный кислород путем химической реакции, что позволяет им быть очень компактными и легкими, а это очень важно для любого устройства на борту авиалайнера. Лично мне ни разу не пришлось использовать кислородные маски, и меня всегда поражает, насколько хорошо эти системы спрятаны. Я поднялся и принялся рассматривал шкафчики над головами, в которых находятся маски. Я пытался понять, как эта система работает, когда один из бортпроводников настойчиво наклонился ко мне и передал какую-то карточку. Сначала я очень удивился, но затем понял, что мы, должно быть, подлетаем к Сан-Франциско. Пора заполнять таможенную декларацию. Для этого нужна еще одна жидкость — чернила.

Глава 10. Нестираемые

Я разложил столик и поместил на него миграционную карточку. Так, теперь нужна ручка. Есть ли она у меня? Я не мог вспомнить. Порылся в карманах пиджака. Ничего. Сумка лежала у меня под ногами, но раскладной столик не позволял нагнуться достаточно низко, чтобы искать в ней ручку. Я все же попытался — уткнулся лицом в столик и потянулся рукой вниз. Поза была очень неудобной. Я понимал, что нужно просто сложить столик, но почему-то этого не сделал. При этом я умудрился-таки засунуть обе руки в сумку и теперь шарил в ней, исследуя невидимый мне мир моей ручной клади. На ощупь я опознал телефон, адаптер для ноутбука и какие-то носки. Поскольку лицо мое было повернуто в сторону Сьюзен, я начал строить ей гримасы. Ее глаза пробежали по мне; в них, кажется, появилось раздражение, как будто я был маленьким ребенком и навязчиво искал внимания взрослых. И тут я наконец нашел. На самом дне сумки мои пальцы наткнулись на то, что показалось мне на ощупь цилиндрическим, как ручка. Как искатель жемчуга, спешащий всплыть на поверхность, я поднял голову и вытащил обнаруженный объект из глубин своей сумки. Это и правда была ручка, хотя я не помнил, чтобы клал ее в сумку — или что у меня вообще была когда-нибудь такая ручка либо я покупал такую. Она, видимо, долго лежала там незамеченной среди обломков моей жизни, в куче мелочи и оберток от шоколада, которые скапливаются у меня со временем, хотя я вовсе не считаю, что они мне когда-нибудь потребуются. Это была самая простая шариковая ручка.

Это подлинное воплощение идеи ручки: она не несет на себе отпечатка социального статуса, как перьевая, или специализации, как фломастер или маркер, но пишет почти на любой бумаге и делает то, для чего предназначена. Она редко течет и портит одежду, но может валяться, забытая на дне сумки, месяцами — и все же начнет писать сразу, как только вы попытаетесь ей воспользоваться. Она способна на всё это и стоит так мало, что такие ручки, как правило, раздают не думая. Мало того, большинство людей рассматривает их как общественную собственность: если вы даете кому-то ручку, чтобы он мог подписать бумагу, и этот человек забывает вам ее вернуть, вы не станете клеймить его как вора. Вы, вероятно, даже не вспомните, откуда у вас появилась эта ручка — вполне возможно, вы сами ее у кого-то взяли. Но если вы считаете, что успехом своим шариковые ручки обязаны простоте, то вы ошибаетесь. Это очень далеко от истины.

Очевидно, главное в ручке — чернила. Это жидкость, которая, по задумке создателей, должна сначала вытекать на страницу, а затем застывать и становиться твердой. Вытекание обеспечить несложно; жидкости вообще к этому склонны. Застывать, превращаясь в твердое тело, они тоже обычно умеют. Но делать то и другое в нужном порядке, надежно и довольно быстро, так, чтобы чернила не размазались и текст не стал нечитаемым, намного сложнее, чем кажется.

Историки считают, что первыми ручкой начали пользоваться древние египтяне (около 3000 г. до н. э.). Их пишущие принадлежности обычно делались из бамбука или другого тростникового растения с жесткими пустотелыми побегами. Высушив такой побег и заострив его кончик при помощи режущего инструмента, они получали хорошее вместилище для чернил. Однако побеги, чтобы хорошо работать в качестве ручки, должны были быть четко определенного размера: если диаметр трубочки мал, сила поверхностного натяжения между чернилами и поверхностью тростника может ослабить действие тяготения и удержать небольшое количество чернил в трубочке. Как только тростник соприкасался с папирусом, который египтяне использовали в качестве бумаги, чернила засасывались на волокна благодаря капиллярному эффекту — тому самому, благодаря которому горит топливо в фитильках свечей и масляных ламп. По мере того как сухие волокна поглощают воду, входящую в состав чернил, частички красящих пигментов прилипают к поверхности. Когда вода полностью испарится, чернильные отметки останутся на папирусе навсегда.

Египтяне делали черные чернила, смешивая сажу из масляных ламп и смолу акации, игравшую роль связующего вещества. При помощи смолы акации египтяне приклеивали черный уголь сажи к волокнам папируса, примерно так же, как другой смолой склеивали свою фанеру. А поскольку уголь гидрофобен, не смешивается с водой, смола акации, помимо прочего, помогала совместить его с водой и получить однородные, черные, свободно текущие чернила. Гуммиарабик, как называется это вещество, используется и сегодня; его можно купить в большинстве художественных лавок. Белки, содержащиеся в смоле, позволяют ей связываться со множеством разных пигментов, поэтому ее можно использовать для изготовления разных красителей: акварельных красок, красок для ткани, чернил и многого другого. Но египтяне использовали уголь, и это, как оказалось, был хороший выбор. Такие чернила легко изготавливаются и очень инертны. Именно поэтому мы сегодня можем читать египетские документы возрастом несколько тысяч лет; они сохранились до наших дней благодаря химическому постоянству черных угольных чернил.

Фрагмент папируса из «Книги мертвых» (1500–1480 гг. до н. э.). © Brooklyn Museum

Возможно, вы подумаете, что лучшее решение найдено. Но угольные чернила не идеальны. Например, они не подошли бы для заполнения таможенных документов: имея водную основу, они сохнут не очень быстро, и их легко размазать. Вдобавок сажевый пигмент не слишком прочно держится на поверхности писчей бумаги, и его можно механически стереть. Может, для вас это не имеет значения, но другим это было важно; это положило начало сотням лет опытов, проб и ошибок в надежде сделать что-нибудь получше.

Со временем были открыты галловые (железистые) чернила: именно их христиане использовали при написании Библии, а мусульмане — Корана, именно ими Шекспир писал свои пьесы, а все законодатели — свои парламентские акты. Галловые чернила настолько хороши, что широко использовались до XX в.

Чтобы изготовить их, нужно поместить железный гвоздь в бутыль с каким-нибудь уксусом; в нем железо подвергнется коррозии и образует красно-коричневый раствор, насыщенный заряженными атомами железа. Далее в дело вступают собственно галлы. Галлы, или дубильные (чернильные) орешки, представляют собой наросты, иногда образующиеся на листьях дуба, если осы отложили яйца в его почки. Когда такая почка развивается, осы манипулируют ее молекулярным механизмом, заставляя дерево производить пищу для личинок. Это плохо для дерева, но хорошо для литературы: в результате появляются орешки с высокой концентрацией танинов, на основе которых человек создал новые, поистине революционные чернила.

Танины распространены в растительном мире, это часть химической защитной системы растения. И все же мы каким-то загадочным образом умудрились их распробовать и полюбить — как вы, может быть, помните, именно они придают чаю и красному вину терпкость. Это окрашенные молекулы, которые прекрасно умеют химически привязываться к белкам и придавать цвет белковым объектам. Их традиционно использовали для окрашивания кожи, в составе которой высок процент коллагена. Кроме того, во многом именно благодаря им красное вино и чай могут оставлять на одежде и зубах трудновыводимые пятна. Так что использование танинов в чернилах, наверное, неудивительно, ведь письмо — это, по сути, целенаправленное нанесение пятен. Но создать жидкость с высоким содержанием танинов трудно; здесь на помощь приходит раствор железа в уксусе. Он реагирует с дубильной кислотой чернильных орешков и приводит к образованию вещества, которое называется таннатом железа. Оно хорошо растворяется в воде и очень текуче. Соприкасаясь с бумажными волокнами, таннат железа проникает за счет капиллярного эффекта во все крохотные бороздки и трещинки и равномерно распределяется по ним. Когда же вода испаряется, таннаты откладываются внутри бумаги, оставляя очень устойчивый синий или черный след. Устойчивость — их огромное преимущество перед угольными чернилами: поскольку здесь пигмент ложится не на поверхность бумаги, а проникает внутрь, его невозможно удалить, просто потерев или вымыв ее.

Конечно, неуничтожимость галловых чернил была не только достоинством, но и недостатком в глазах тех, кто ими писал. Шариковая ручка, которой я заполнял таможенную декларацию, не требовала, чтобы я макал кончик пера в чернильницу, и снаружи на ней никаких чернил не было. Мои пальцы были так же чисты, как после недавнего мытья жидким мылом. На протяжении большей части письменной истории это, мягко говоря, было не так. Чернила проникали всюду, особенно на руки пишущего. Поскольку они очень устойчивы, отмыть их с рук было проблематично — и мыло тут точно не помощник. Люди жаловались на это, и, как ни смешно, некоторые жалобы в результате оказались записаны галловыми чернилами. К X в. халифу Магриба (ныне область на северо-западе Африки, охватывающая Алжир, Ливию, Марокко и Тунис) это надоело; он потребовал, чтобы его ученые решили проблему. В 974 г. ему представили то, что стало первым подтвержденным образцом авторучки — так называемого вечного пера. У этой ручки емкость с чернилами была внутри, и, возможно, они не текли, даже когда ручку переворачивали вверх тормашками. Хотя это маловероятно: не потому что инженеры того времени не были изобретательны, а потому что на протяжении следующей тысячи лет авторучку изобретали много раз и надежный механизм для нее появился только после огромного множества итераций, в конце XIX в. Леонардо да Винчи в XVI в. тоже пытался создать авторучку, и есть данные о том, что он сумел сделать ручку с постоянной яркостью письма (при письме ручками из птичьих перьев, которыми обычно пользовались в то время, яркость линии между маканиями в чернильницу постепенно снижалась). Точно известно, что авторучки существовали в XVII в. Их упоминает в своем дневнике английский чиновник морского ведомства Сэмюэл Пипс, довольный тем, что можно было носить с собой ручку и пользоваться ей без необходимости брать и чернильницу. Но они были неидеальны; по возможности Пипс предпочитал писать птичьим пером и, да, галловыми чернилами.

XIX столетие стало свидетелем настоящего бума регистрации патентных заявок на авторучки. Но хотя все они работали со свободно текущими чернилами, никто еще не изобрел способа контролировать их, чтобы чернила не вытекали сразу, образуя на листе громадную кляксу. Нельзя было сделать выходное отверстие очень маленьким: через крохотную дырку чернила не вытекают, а через дырку среднего размера неконтролируемо падают на лист. Причиной такого поведения, которую изобретатели авторучек постепенно начинали понимать, было влияние воздуха и образование вакуума внутри емкости с чернилами.

Когда вы пытаетесь вылить жидкость из какой-нибудь емкости, вы должны заменить ее чем-то, иначе в емкости образуется вакуум, который не позволит выливаться оставшейся жидкости. Вы наверняка замечали это, если пытались когда-нибудь пить из бутылки, закрыв ртом всё горлышко; жидкость вытекает отдельными порциями, бульками, по мере того как воздух с трудом пробирается внутрь бутылки, чтобы заменить выпиваемую вами жидкость. Каждый бульк соответствует пузырьку, которому удается прорваться в бутылку. Но он же не дает жидкости вытекать. Они делают это по очереди — жидкость наружу, воздух внутрь, жидкость наружу, воздух внутрь, бульк, бульк, бульк. Если вы оставите горлышко бутылки частично открытым, то сможете пить непрерывно, без бульков, поскольку воздух будет проходить в бутылку сплошным потоком, а не порциями. Вот почему легче пить из сосудов с широкими горлышками, таких как чашки и стаканы.

Но в первых авторучках не было механизма, который позволял бы воздуху проникать в резервуар с чернилами, и добиться их равномерного вытекания на бумагу было трудно. Очевидным решением проблемы казалось отверстие в верхней части резервуара, но тогда при переворачивании ручки чернила вытекали бы куда попало. Эта проблема ставила всех в тупик до 1884 г., когда американский изобретатель по имени Льюис Уотермен довел до совершенства конструкцию металлического пера, которая позволяла чернилам стекать по бороздке за счет совместного действия силы тяжести и капиллярного эффекта, а входящий воздух просачивался им навстречу в резервуар. Его конструкция привела к началу золотого века перьевых авторучек — мобильных телефонов своего времени, совершивших переворот в человеческом общении. В результате авторучка стала очень востребованным предметом. Обладание ею свидетельствовало о том, что вы человек важный — вам нужно иметь возможность писать где угодно, на чем угодно и когда угодно. Точно так же, как первые мобильные телефоны, или первые ноутбуки, или любые другие гаджеты более позднего времени, авторучки считались признаком крутости.

Но при этом, как обычно и бывает, возникла другая проблема. Галловые чернила часто имеют высокую кислотность, поэтому кончики новых металлических перьев быстро корродировали. Кроме того, в таких чернилах часто содержатся взвешенные твердые частицы, которые видны на бумаге, если они прошли через перо, или скапливаются на кончике пера и забивают его, не пропуская чернила. Люди нередко приходили в ярость, не понимая, почему ручка не пишет, и начинали трясти ее, пытаясь стряхнуть невидимое препятствие; в процессе капли разлетались по помещению или попадали на одежду ничего не подозревающих прохожих. Возможно, авторучка действительно была доведена до совершенства, но не чернила. Настала пора искать им замену.

Это, однако, оказалось сложной задачей. Необходимо было одновременно рассматривать множество факторов: конкретную химию чернил и их способность течь внутри ручки, но не вызывать коррозии, взаимодействие с бумагой, способность оставлять прочные следы, но при этом быстро сохнуть. Используя инженерный жаргон, можно сказать, что это была задача многофакторной оптимизации. Строго говоря, и решений у нее существовало множество. Каждый производитель использовал в конструкции свое решение и обязательно указывал, что чернила тоже нужно использовать специальные, предназначенные для его ручек. Компания Parker Pen, например, в порядке борьбы с кляксами разработала в 1928 г. специальные чернила Quink. В них использовались синтетические красители в сочетании со спиртом, что гарантировало хорошую текучесть чернил внутри ручки и быстрое высыхание при контакте с бумагой. Оказалось, к несчастью, что они агрессивно ведут себя по отношению к некоторым пластмассам, которые уже начали использовать в производстве авторучек, например целлулоиду. Кроме того, они не были водостойкими и при увлажнении бумаги снова начинали растекаться. Часто при этом разделялись красители, использованные в их производстве (черные, например, — на желтый и синий цвета). В итоге написанный текст становился нечитаемым.

Но, несмотря на все проблемы, большинство производителей было убеждено, что будущее за чернильными авторучками и для создания надежного портативного писчего инструмента достаточно оптимизировать состав чернил. Однако венгерский изобретатель Ласло Биро думал совершенно иначе. Он перевернул задачу оптимизации с ног на голову. Сам он, прежде чем стать изобретателем, работал журналистом и еще тогда заметил, что при печати газет используются великолепные чернила: они очень быстро сохнут, почти не размазываются и не образуют клякс. Но они слишком вязкие для перьевой авторучки; они не текут и сразу намертво забили бы перо. Так что изобретатель подумал: почему бы, вместо того чтобы менять чернила, не сконструировать новую ручку?

Газетные статьи Ласло Биро печатались на машине, которая представляет собой набор цилиндрических валиков, накатывающих чернила на непрерывный длинный лист бумаги. Чтобы успеть подготовить миллионы экземпляров газет для ночной доставки по всей стране, их необходимо печатать очень быстро. Страницы проходят через машину со скоростью несколько тысяч в час, так что очень важно было, чтобы чернила сохли практически мгновенно: иначе всё напечатанное размажется, когда отдельные страницы будут собирать в газеты. Для этого и были изобретены чернила, которыми так восхищался Ласло. Когда он придумывал, как усовершенствовать ручку, он размышлял о том, как воспроизвести печатный процесс в гораздо меньшем масштабе. Для этого ему потребовался бы ролик, который мог непрерывно смазывать чернилами кончик ручки; со временем ему в голову пришла идея использовать крохотный шарик. Но как доставить чернила к нему, чтобы он мог раскатать их по бумаге? Изобретатель был уверен, что чернила для печатных машин слишком густы для того, чтобы сила тяжести доставила их из резервуара к шарику. Но ему на помощь пришло необычное физическое явление — неньютоновская жидкость.

Есть взаимосвязь между скоростью потока жидкости и приложенной к ней силой — то, что мы называем вязкостью. Густые жидкости, такие как мед, имеют высокую вязкость и текут медленно, а текучие, например вода, — низкую и текут быстро под действием той же силы. Вязкость большинства жидкостей не изменится, если вы увеличите приложенную к ним силу. Такие жидкости называют ньютоновскими.

Но существуют и другие, странные; они не играют по правилам ньютоновского потока. Например, если смешать кукурузный крахмал с небольшим количеством холодной воды, образуется состав, который будет текучим, если помешивать его медленно. Но если мешать его быстро, то он станет очень вязким — настолько, что будет вести себя как твердое тело. В таком состоянии по его поверхности можно ударить кулаком, и он не расплещется, а будет сопротивляться удару. Это мы и называем неньютоновским поведением: такая жидкость не имеет определенной вязкости, определяющей ее текучесть.

Описанный выше раствор кукурузного крахмала иногда называют ублеком (название взято из книги Доктора Сьюза «Бартоломью и Ублек»). Неньютоновское поведение ублека полностью объясняется его внутренней структурой. На микроскопическом уровне он полон крохотных частиц крахмала, очень плотно подвешенных в воде. При низких скоростях у них достаточно времени, чтобы найти пути обхода друг друга — примерно как пассажиры, выходящие из переполненного поезда. Крахмал при этом течет нормально. Но если приложить усилие и попытаться заставить его двигаться быстро, частицы не будут успевать обходить друг друга и всё остановится. И так же, как пассажиры в потоке не могут двигаться, если те, кто впереди, стоят, так и застревание всего нескольких частиц крахмала останавливает остальные. Вот почему вся жидкость встает колом, становясь всё более вязкой.

Ублек — не единственная неньютоновская жидкость. Если вам доводилось покрывать стену эмульсионной краской, вы, возможно, замечали, что в банке она кажется очень густой, чуть ли не как желе. Но если последовать инструкции и тщательно перемешать ее, то в процессе она станет жидкой, а затем, стоит вам прекратить размешивание, снова превращается в желе. Это тоже неньютоновское поведение, но здесь жидкость, наоборот, становится более жидкой под действием приложенной силы. Причина опять же кроется во внутренней структуре. Эмульсионная краска — просто вода со множеством подвешенных в ней крошечных капелек масла. Когда им позволяют успокоиться, они притягиваются друг к другу и образуют крохотные связи, запирая воду в промежутках и образуя слабую структуру — желе. Когда же вы размешиваете краску, молекулярные связи, соединяющие крохотные капельки масла, разрываются, высвобождая воду и позволяя ей течь. То же происходит, когда вы подвергаете краску давлению, размазывая ее кистью по стене. Но как только она оказывается на стене и давление на нее исчезает, связи между капельками масла снова формируются, краска становится вязкой и образует толстый слой, который не капает и не стекает вниз. По крайней мере, такова теория; очевидно, всё сводится к тому, насколько хорошо химики, составлявшие краску, могут контролировать связи между капельками масла, их размер и количество. Добиться правильного соотношения непросто, вот почему банка хорошей краски стоит так дорого.

Даже если вы не художник и не декоратор, вы наверняка встречались с неньютоновскими жидкостями на кухне. Подобно водоэмульсионной краске, томатный кетчуп под давлением становится более текучим. Он не согласен выливаться на тарелку, пока вы не стукнете по дну бутылочки; ударное давление заставляет его стать жидким и вылететь из горлышка. Вот почему так трудно контролировать скорость, с которой он выливается из бутылки: если сила недостаточно велика, он течет очень медленно, но стоит стукнуть как следует, как вязкость внезапно падает и соус заливает всю тарелку.

Один из самых опасных вариантов неньютоновского поведения наблюдается при смешивании песка с водой; при этом возникает субстанция, которую часто называют зыбучим песком. Пока на него не оказывается давление, он ведет себя как полутвердое вещество, а под давлением становится текучей жидкостью — происходит процесс разжижения. Вот почему, если вы попали в зыбучий песок, борьба и движения с целью выбраться из ловушки разжижают его и вы погружаетесь всё глубже. Вопреки всему, что вы видели в кино, вы вряд ли утонете, погрузившись с головой в зыбучий песок; поскольку плотность этой жидкости выше плотности вашего тела, она, после того как вы погрузитесь по пояс, начнет вас выталкивать вверх. И все же выбраться из зыбучего песка очень трудно: если вы не двигаетесь, то жидкость густеет и твердеет вокруг вашего тела, а если двигаетесь, разжижается и вам трудно найти опору. Иными словами, вы застреваете и вынуждены дожидаться спасения извне — здесь-то вас и поджидает смертельная опасность.

Но есть явление и поопаснее зыбучего песка — разжижение, связанное с землетрясениями. Здесь, еще в одном примере неньютоновской жидкости, давление от колебаний разжижает почву, вызывая, как правило, серьезные разрушения. Вспомните хотя бы землетрясение 2011 г. в Новой Зеландии: оно обрушилось на город Крайстчерч и вызвало сильное разжижение грунтов. В результате были разрушены дома и на город хлынули тысячи тонн песка и пыли.

Как оказалось, неньютоновское разжижение как раз и нужно было Ласло Биро, чтобы заставить газетные чернила работать в авторучке. Он предположил, что чернила с таким свойством будут легко вытекать при письме, а на бумаге снова станут густыми и вязкими и высохнут так быстро, что не размажутся. Ласло начал работу по изобретению идеальной ручки вместе с братом-химиком; преодолев множество препятствий, в том числе эмиграцию в Аргентину в самом начале Второй мировой войны, они в итоге сумели создать работающий инструмент. В их ручке есть резервуар с чернилами, питающий крохотный вращающийся шарик; когда вы пишете, шарик вращается, оказывая на чернила достаточное давление, чтобы изменить их вязкость, и они начинают течь из резервуара на него. В этот момент они вновь становятся густыми и клейкими и остаются такими до тех пор, пока не попадут на бумагу; там они вновь начинают течь. Когда вы поднимаете ручку, освобождая чернила от давления, они густеют, а растворители в них, впервые оказавшиеся под воздействием воздуха, быстро испаряются, оставляя на бумаге красители и создавая таким образом прочную отметку. Гениально!

Как вы, вероятно, догадываетесь, с годами ингредиенты таких прекрасных чернил стали производственным секретом. Но если вы хотите понять, насколько они хороши, напишите что-нибудь на листе бумаги шариковой ручкой, а потом попытайтесь это стереть пальцем или хотя бы размазать. Это трудно. Но это не единственное преимущество неньютоновских чернил в шариковых ручках перед более текучими чернилами авторучек. Поскольку они текут не под действием капиллярных явлений, они не сочатся, впитываясь в бумагу. Чернила химически составлены так, что имеют низкое поверхностное натяжение, вступая в контакт с волокнами целлюлозы, а также керамической пудрой и пластификаторами, которые добавляют в верхний слой бумаги, чтобы сделать его глянцевым (так называемое проклеивание). Чернила для авторучек и другие жидкие чернила обладают высоким поверхностным натяжением по отношению к проклеиванию, остаются на поверхности глянцевой бумаги и разбиваются на крохотные капельки. Если вы когда-нибудь пытались написать что-нибудь на обложке глянцевого журнала авторучкой или, скажем, подписаться ей на обороте кредитки, вы наверняка замечали, что чернила на нее не ложатся. Но чернила из шариковой ручки сохнут, кажется, всюду и остаются там, куда вы их нанесли — даже если вы пишете вниз головой, — потому что они не текут под действием силы тяжести, а накатываются на страницу.

Если вы и правда попытаетесь писать вниз головой, то обнаружите еще одно достоинство шариковой ручки. Как и перьевая авторучка, она не будет работать, если в резервуаре с чернилами образуется вакуум. Но для шариковой ручки есть простой способ это предотвратить: верх резервуара открыт воздуху, а чернила имеют высокую вязкость и не текут, если не испытывают сильного давления, поэтому они не проникают наружу. Здорово, да? Всё это означает, что, к счастью для забывчивых, шариковую ручку можно оставить на дне сумки на несколько месяцев, и она не потечет и не перемажет все ваши пожитки. Даже если вы забудете надеть колпачок и ручка будет лежать у вас в кармане без всякой защиты, велика вероятность, что чернила из нее не выльются.

Эта идея так хороша, а шариковые ручки так надежны при письме, даже если пролежат без колпачка не один месяц, что уже первые производители поняли: на них не обязательно надевать колпачки. Почему бы просто не убрать резервуар и шарик (стержень) назад, в корпус ручки, когда вы ей не пользуетесь? Это достаточно легко сделать. Так появилась ручка с убирающимся стержнем. Щелк — и можно писать; щелк — и шарик в корпусе. О, как счастлив был бы калиф Магриба получить идеально чистую и радостно щелкающую шариковую ручку с убирающимся стержнем!

Братья Биро выпустили первую коммерческую шариковую ручку уже после того, как эмигрировали в Аргентину. Они продали тонны ручек самым разным клиентам, включая, например, Королевские ВВС, где ими пользовались штурманы; в летном деле они пришли на смену чернильным авторучкам, которые всегда текли на больших высотах. Помня это, я взглянул на шариковую ручку в своей руке с новым интересом. Пилоты и другие члены экипажей самолетов одними из первых по достоинству оценили их качества, и сейчас я был счастлив заполнять таможенную декларацию в небе при помощи отдаленного потомка первых ручек Биро. По данным крупнейшего производителя шариковых ручек на сегодняшнем рынке — французской компании Bic, с момента изобретения таких ручек было изготовлено более 100 млрд штук.

Ласло Биро умер в 1985 г., но его наследие живо и сегодня. В Аргентине ежегодно в день его рождения, 29 сентября, отмечается День изобретателя, а в Великобритании и сейчас шариковую ручку называют biro.

Конечно, несмотря на весь успех, многие ненавидят шариковые ручки. Они открыто возмущаются этим изобретением и говорят, что такие ручки оскверняют высокое искусство каллиграфии. Они правы в том, что ценой за создание портативной, немажущей, нетекущей, долго служащей, недорогой, социально инклюзивной ручки стало то, что толщина линии, которую она оставляет, всегда одинакова. Толщина линии определяется размером шарика на кончике стержня, а поскольку чернила из шариковой ручки не текут, попав на бумагу, толщина линии не может меняться при замедлении или ускорении работы, как в случае письма авторучками или другими ручками, использующими ньютоновские чернила. Письмо шариковой ручкой более утилитарно и слабее отражает индивидуальный стиль. Но лично я считаю, что по влиянию на общество шариковая ручка может сравниться, скажем, с велосипедом. Этот шедевр жидкостной инженерии помог решить вековую проблему, создать нечто абсолютно надежное и доступное настолько, что большинство людей считает шариковые ручки общественной собственностью.

Ко времени, когда я закончил заполнять таможенную декларацию, я настолько проникся восхищением перед своей шариковой ручкой, что не мог просто кинуть ее обратно в сумку и снова забыть там на несколько месяцев. Пока я пытался решить, что же теперь с ней делать, я вдруг заметил, что Сьюзен смотрит на меня — совсем другая, не та, рядом с которой я просидел весь полет. Она улыбалась. Перед ней тоже лежала декларация; она показала мне руку со сложенными пальцами — изобразила пантомиму письма — и спросила, не могу ли я одолжить ей свою шариковую ручку.

Глава 11. Туманные

«Бум, — включилась система громкой связи и раздался голос командира экипажа. — Леди и джентльмены, мы начинаем снижение в район Сан-Франциско… Пожалуйста, убедитесь в том, что спинки ваших сидений и столики находятся в полностью поднятом положении, что ремни безопасности надежно застегнуты, а вся ручная кладь размещена под передним сиденьем или в багажных ящиках наверху. Спасибо».

Самолет снижался, и у меня начало закладывать уши. Возникло знакомое чувство предвкушения — что моя жизнь скоро начнется вновь после полетного анабиоза. Это путешествие как будто поставило мою жизнь на паузу, подарив взамен ощущение всемогущества. Здесь, наверху, тучи не могли полить меня дождем; не могли лишить меня солнечного света и ввергнуть в хандру, как дома, в Лондоне. Здесь в окна струился свет, согревая мое лицо мягким теплом никогда не заходящего солнца. Никогда — это, разумеется, ровно до того момента, когда наш самолет, спускаясь, вошел в плотный облачный слой; тогда солнце не просто исчезло, а внезапно сменилось белой непрозрачной завесой, которая мгновенно вышибла из меня ощущение безграничных возможностей и безопасности: белая мгла!

Облако, в которое мы спустились, состояло, как все облака, из жидких капелек почти идеально чистой воды. Это «почти» очень интересно; именно в нем причина того, что дождевая вода не идеально чиста, окна смачиваются дождем, а туман образуется не везде. Воду в облаках нельзя назвать ни чистой, ни невинной — она способна убивать. Ночью и днем где-нибудь на планете бушуют грозы и сверкают молнии — в среднем примерно по пятьдесят в секунду на земной шар, и эта величина достаточно стабильна. По оценкам специалистов, каждый год от молний гибнет более тысячи человек, а пострадавшие исчисляются десятками тысяч. Национальная служба погоды США ведет статистику грозовых смертей и их обстоятельств. В таблице для примера приведены некоторые их записи за 2016 г. Вы видите, что прятаться под деревом — не лучшая идея и опасность может грозить почти где угодно. Но может ли молния достать вас во время полета на самолете? Этот вопрос стоит изучить.

Таблица смертей, вызванных молниями в США. По данным Национальной службы погоды

Облака начинаются как влажное белье на веревке, как лужа на асфальте, как капельки пота на вашей верхней губе, как часть обширного водного океана. Каждую секунду некоторая часть молекул H2O покидает влажное белье, лужи, губы, океаны и другие водоемы и улетает в воздух. Точка кипения воды составляет 100 °C и определяется как температура, при которой чистая жидкость на уровне моря превращается в газ. Но как же жидкая вода так преображается, не достигая этой температуры? Какой смысл определять точки кипения жидкостей, если вода может всех обманывать: высушивать мокрое белье и вспотевшую кожу, испарять лужи и обнажать дно океана сама по себе, при значительно меньших температурах?

Стоит заметить, что определения твердых тел, жидкостей и газов не настолько просты и очевидны, как кажется, и в любимую игру ученых — классификацию всего и вся в мире и аккуратное распределение всевозможных объектов по категориям — то и дело вмешивается, нарушая придуманные правила, невероятная сложность Вселенной. Чтобы понять, как вода умудряется обманывать систему, создавая облака, мы должны подумать о важной концепции, известной как энтропия.

Вода, пропитывающая сохнущее на веревке белье, имеет температуру ниже 100 °C, но находится в контакте с воздухом. Молекулы из него бомбардируют ваше белье, врезаясь в него в хаотичном движении; иногда в этой суете молекула H2O отскакивает от ткани и становится частью воздуха. Это событие требует расхода энергии, поскольку связи, удерживающие молекулы H2O во влажной ткани, необходимо разорвать. Отъем энергии у влажного белья охлаждает ткань. При этом, если молекулы H2O, летающие в воздухе вокруг белья, будут сталкиваться с ним, они получат энергию, прилипая к белью и увлажняя его снова. Можно подумать, что больше воды пристанет вновь к мокрому белью, чем будет унесено ветром. Но здесь-то и вступает в игру энтропия. Поскольку количество воздуха, обдувающего мокрое белье, так велико, а количество молекул воды в белье мало, шансы на то, что улетевшие молекулы воды найдут дорогу обратно, мизерны. Они, скорее всего, будут унесены вверх, в атмосферу. Такая склонность мира молекул смешиваться и расползаться равномерно измеряется энтропией системы. Ее увеличение — естественный закон Вселенной; он противостоит силам конденсации, привязывает воду обратно к мокрому белью. Чем ниже температура вокруг и чем слабее белье обдувается ветром, тем сильнее равновесие смещается в сторону конденсации, и ваше белье остается влажным. И наоборот, вешая его на веревку в теплый день, вы смещаете равновесие в пользу энтропии, и белье сохнет.

Кроме того, энтропия берет на себя лужи на улице, высушивает ванную комнату после того, как вы приняли душ, и удаляет пот с вашего тела в жаркий день. Можно сказать, что она здесь очень кстати и в целом полезна, если вспомнить о том, как мы любим сухую одежду и ванные комнаты, да и прохладу для тела. Но эта же благодетельная сила собирает тучи-убийцы, которые разят нас тысячами каждый год, швыряясь молниями и напоминая, кто на самом деле в атмосфере хозяин.

Процесс образования грозовых облаков начинается с испаренной H2O, летающей в пространстве в виде газа. Теплый воздух, будучи менее плотным, чем холодный, поднимается вверх, и в солнечный день молекулы воды уходят с вашего мокрого белья вверх, в атмосферу. Воздух, хотя и полный воды, прозрачен, и поначалу никаких признаков будущей тучи не заметно. Но по мере того как пар поднимается выше, воздух расширяется и остывает, термодинамическое равновесие смещается; теперь молекулы воды предпочитают сконденсироваться и снова стать частью жидкости. Но единственная молекула не может просто превратиться снова в жидкость прямо в воздухе; для образования крохотной капельки воды требуется некоторая координация — несколько молекул H2O должны собраться вместе. В хаотично движущейся, турбулентной атмосфере это происходит не без труда, но процесс ускоряет присутствие крохотных частиц какого-нибудь вещества, уже имеющегося в атмосфере. Нередко это частицы пыли, сдутые с деревьев и растений, или дым из фабричных труб. Молекулы H2O могут прицепляться к ним, и, по мере того как их становится больше, частица оказывается центром крохотной капельки воды. Вот почему в собранной дождевой воде обычно присутствует осадок, а от капель дождя, высохших на лобовом стекле автомобиля, остается мелкая пыль.

Эти положения физики легли в основу самых необычайных экспериментов XX в., когда ученые взяли на себя смелость управлять погодой. Способ, получивший название засева облаков, был придуман в 1946 г. американским ученым Винсентом Шефером. Он и его группа определили, что если распылить в атмосфере кристаллы иодида серебра, они возьмут на себя роль, которую могли бы сыграть пыль или дым, и станут центрами конденсации — зародышами — облаков, из которых, в свою очередь, выпадет снег или дождь. Эта методика — такое же искусство, как и наука. Но, несмотря на то что на протяжении десятков лет она широко использовалась, многие до сих пор оспаривают ее эффективность.

Тем не менее в СССР облака над Москвой засевали каждый год. Целью было убрать влагу из атмосферы, заставив ее выпасть дождем, и обеспечить солнечную погоду и голубое небо на празднование Первого мая. Военные США пользовались этим методом с иной целью: продлить сезон муссонных дождей над Тропой Хо Ши Мина. Называлось это операцией «Попай», и задачей было «делать грязь, а не войну». Сегодня многие страны по всему миру, такие как Китай, Индия, Австралия и Объединенные Арабские Эмираты, экспериментируют с осаждением облаков как средством борьбы с засухой. Конечно, засеивая воздух кристаллами иодида серебра, можно управлять только одним аспектом погоды: формированием облаков. Так что, если влаги в нем мало, никакое засевание не заставит ее пролиться дождем. Но если воздух полон влаги, то использование этого метода для усиления снегопадов над горнолыжными курортами или снижения риска выпадения града на посевы в сезон гроз может быть продуктивно. После Чернобыльской ядерной катастрофы 1986 г. засев облаков — и, соответственно, их осаждение в виде дождей — использовался для удаления радиоактивных частиц из атмосферы.

Самолетам не нужен иодид серебра, чтобы засевать облака. Если взглянуть на небо в солнечный день, можно часто увидеть инверсионные следы, которые оставляют за собой реактивные самолеты. Эти белые полосы в небе — не дым из плохо отрегулированных двигателей; это облака, засеянные выхлопами. Мелкие частицы, оставшиеся после сгорания топлива, вылетают из самолета вместе с огромным количеством раскаленного газа. Он толкает самолет вперед, и хотя может показаться, что он слишком горяч для формирования воды, на больших высотах температура настолько низкая, что выхлопные газы быстро остывают. Эмиссионные частицы становятся центрами конденсации и формирования капелек жидкости, которые затем замерзают, становясь сначала водой, а потом крохотными кристаллами льда. Инверсионные следы — всего лишь высокие и прозрачные перистые облака.

В зависимости от состояния воздуха инверсионный след может продержаться всего несколько минут или несколько часов, а немалое их число (в мире ежедневно совершается 100 000 полетов, и все они оставляют такие следы) вызывает у многих опасения, что эти искусственные «облака» могут повлиять на климат Земли. Здравый смысл подсказывает, что облака охлаждают Землю; посидев на пляже в пасмурный день, вы сами это почувствуете. Но они не просто отражают солнечный свет обратно в пространство. Они также захватывают тепло, идущее с поверхности Земли в виде инфракрасного излучения, и отправляют его обратно. Этот эффект особенно заметен зимой, когда ясное небо означает более холодную погоду, чем облачный покров: ведь ночью тепло, которое теряет земля, отражается обратно облаками. При этом разные типы облаков (они различаются по цвету, плотности и размеру) на разных высотах дают разные результаты. И сказать точно, оказывают ли суммарно инверсионные следы повышающее или понижающее действие на среднюю температуру Земли, очень трудно; это серьезная научная задача.

Для изучения этого вопроса необходимо иметь возможность исследовать климат Земли при отсутствии инверсионных следов и сравнить средние температуры с ними и без них. Но в наше время где-нибудь в стратосфере обязательно летят авиалайнеры. Когда самолеты садятся на ночь в США, они как раз взлетают на Дальнем Востоке и в Австралии, а когда прекращаются полеты там, взлетают самолеты в Европе. Так продолжается двадцать четыре часа в сутки семь дней в неделю: в любой момент в воздухе находится более миллиона человек. Единственный заметный промежуток времени, когда это было не так в недавней истории, имел место после атаки террористов на башни-близнецы в Нью-Йорке. В США после 11 сентября 2001 г. трое суток не взлетал ни один самолет. Измерения четырех тысяч метеорологических станций по всей территории страны показали, что 11 сентября разница между дневной и ночной температурами была в среднем на 1 °C выше, чем обычно. Конечно, это всего лишь одна экспериментальная точка в одно время года — осенью. Вполне возможно, что зимой, весной и летом, когда облачный покров и местные климатические условия иные, суммарное действие инверсионных следов привело бы к понижению, а не повышению температуры. Работа в этой области идет, но решить задачу будет непросто; наш климат устроен очень сложно. Конечно, трудно представить себе время, когда мы могли бы собрать больше данных по полностью бесполетному сценарию, с учетом той важной роли, которую играет авиация в нашей культуре. Но ученые широко обсуждают возможность управления глобальными температурами путем засева облаков и думают, нельзя ли таким способом нейтрализовать некоторые эффекты климатических изменений. Многие подозревают, что можно было бы справиться с солнечным излучением путем повышения отражающей способности атмосферы; этого можно добиться, сделав облака белее. Очевидный способ проверить эту теорию — намеренное производство множества инверсионных следов. И хотя подобные эксперименты очень неоднозначны, есть люди, которые считают, что втайне они уже проводятся. Адепты теории заговора по производству инверсионных следов утверждают, что некоторые из них сохраняются в небе слишком долго и единственный способ это объяснить — предположить, что созданы они при помощи аэрозолей или каких-то других химических веществ. Некоторые конспирологи идут еще дальше и утверждают, будто инверсионные следы — свидетельство того, что правительства распыляют над своими территориями какие-то жидкости с целью психологического манипулирования населением при помощи химических средств.

В таких конспирологических теориях проявляется вполне естественный страх перед тем, что нами могут манипулировать и травить с помощью воды, которую мы пьем. Эта опасность реальна; из истории известно, что источники питьевой воды не раз служили средством массового отравления целых общин. Подобное случается и в наше время; например, совсем недавно, в 2014 г., целый город Флинт в США из-за некомпетентности правительства был отравлен свинцом в воде. Вспышка холеры в Йемене, начавшаяся в 2016 г. и к лету 2018 г. превысившая отметку в миллион заболевших[8], была вызвана аварией в системе снабжения населения чистой водой. Неудивительно, что страх перед массовым заражением со временем стал популярным сюжетом художественной литературы и кино. Пожалуй, самый известный пример — фильм «Доктор Стрейнджлав», в котором генерал Джек Риппер распознает во фторировании воды в США коммунистический заговор с целью подорвать американский образ жизни: «Я не могу больше сидеть спокойно и позволять международному коммунистическому заговору иссушать и загрязнять все наши драгоценные физиологические жидкости», — говорит генерал Риппер перед тем, как начать ядерную атаку на СССР.

Этот фильм можно, наверное, считать самым масштабным из всех, где исследуются обстоятельства, при которых некая страна может начать ядерную войну, и его создатели правы, считая порчу воды потенциальным мотивом для всемирного конфликта.

Каждому из нас нужна чистая вода для питья — мы не можем жить без нее. И если ее испортят или заразят чем-то, это принесет смерть и болезни в эпических масштабах: пандемии холеры в XIX в. убили десятки миллионов человек, прежде чем стало ясно, что эту болезнь вызывают живущие в воде бактерии.

К тому же воду, как и все жидкости, очень трудно контролировать. Она проникает всюду, перемещаясь из озер в реки и океаны, а затем вверх, в небо. Поэтому страх перед ее заражением сегодня так же велик, как и раньше, но при этом воду, попадающую к нам из облаков — источника большей части всей воды, которую мы пьем, — защитить столь же трудно. Облака не знают границ; эксперименты, катастрофы или действия одной страны могут влиять и действительно влияют на весь остальной мир.

«Доктор Стрейнджлав» — сатира, но подозрение и страх, окружающие потенциальное заражение того, чем мы наполняем наше тело, вполне реальны и, вероятно, никогда не исчезнут полностью.

«Инородные субстанции, вводимые в наши драгоценные физиологические жидкости без ведома индивида и, безусловно, без всякого на то согласия, — вот как работает ваш твердолобый комми», — говорил генерал Джек Риппер. Но замените «коммуниста» на «федеральное правительство», или «капиталистическую корпорацию», или «ученого», или даже «эколога», и вы получите суть большинства аргументов против почти любых политических проектов, будь то вакцинация, хлорирование воды или даже производство электроэнергии. Примерам несть числа — посмотрите хотя бы на кислотные дожди.

Уголь часто содержит включения сульфатов и нитратов, которые при его сжигании превращаются в газообразные диоксид серы и оксид азота. Эти газы поднимаются и становятся частью атмосферы, а затем растворяются в жидких капельках, из которых состоят облака. Их присутствие придает капелькам кислотность, так что по возвращении на землю в виде дождя они придают кислотность рекам, озерам и почве, убивают рыбу и растения, губят леса. Вдобавок кислотный дождь вызывает коррозию зданий, мостов и других объектов инфраструктуры, часто очень далеко от мест, откуда шли выбросы — газы от сжигания угля. Он выпадает в другой стране, не в той, где был сожжен уголь, — и это становится не только экологической, но и политической проблемой. Причина кислотных дождей была определена во времена Промышленной революции в XIX в., но только в 1980-е Запад, основной их «производитель», начал системно бороться с ними.

Ядерная катастрофа в украинском Чернобыле в 1986 г. породила еще одну международную проблему, переносимую облаками. Когда стало ясно, что в результате взрыва на атомной станции радиоактивные элементы попали в атмосферу, все поняли: то, какие именно страны будут затронуты, определят преобладающие ветры. Великобритания стала одной из пострадавших; радиоактивные дожди выпали на земли овцеводов Англии и Уэльса, стали частью почвы и травы. Если бы не были приняты срочные превентивные меры, не позволившие овцам съесть эту траву, те тоже стали бы радиоактивными. Только в 2012 г., через двадцать шесть лет после взрыва в Чернобыле, Агентство по пищевым стандартам Великобритании сняло ограничения по овцам, выращенным в затронутых регионах.

Наш мир взаимосвязан: облаками и дождями, порождаемыми ими, а еще, в несколько ином смысле, маршрутами авиалайнеров. При взгляде за окно в белую мглу мне трудно было поверить в глубине души, что облака по сути жидкие. Конечно, отдельные капельки, из которых они формируются, слишком малы, чтобы их увидеть, но ведь они еще и прозрачные. Почему же облака белые?

Хотя свет от солнца проходит сквозь множество капелек в облаке прямо, рано или поздно он обязательно отразится от какой-нибудь из них, точно так же как и от поверхности озера. В результате свет отправляется в другую сторону, где натыкается на другую капельку и отражается вновь. Процесс продолжается, и луч света мечется в облаке, как пинбольный шарик между препятствиями, пока не покинет облако. Когда он наконец добирается до ваших глаз, вы видите световую точку от последней встреченной лучиком на пути капельки воды. То же происходит и со всеми остальными лучиками света, которые попадают в облако. Ваш глаз видит миллиарды световых точек, исходящих из самых разных частей облака. Некоторые проделали более длинный путь и стали менее яркими, поэтому соответствующая часть облака покажется вам темнее. Человеческий мозг пытается осмыслить булавочные уколы этих крохотных световых лучиков. Он привык интерпретировать оттенки света и тени как трехмерный объект — объект с материальными характеристиками, соответствующими тому, что вы видите. Вот почему облака представляются нам реальными, иногда пушистыми, как будто из шерсти, а иногда более плотными, напоминающими даже плывущие в воздухе горы. Конечно, другая часть мозга всё это отвергает и указывает, что увиденное — вовсе не реальные объекты, а игра света. Но, даже зная это, трудно видеть в облаках всего лишь агломерацию мелких водяных капель.

Небо своей красотой во многом обязано облакам и их содержимому. Небесная вода влияет на свет, который мы видим, множеством разных способов и представляет собой одну из главных причин того, почему разные места в мире различаются так тонко в плане освещения. Но, по мере того как масса крохотных капелек, образующих облако, становится плотнее, свету оказывается всё труднее пробиться сквозь нее сверху донизу, постоянно отражаясь от капелек, и облако видится нам темно-серым. Мы знаем, что это означает, особенно в Британии: будет дождь. Крохотные сферические капельки воды, плавающие в облаке, начинают укрупняться, и земное тяготение действует на них с заметно большей силой. Когда капельки по размеру соответствуют всего лишь крохотным пылевым частицам, архимедова подъемная сила и воздушные конвекционные течения влияют на них гораздо больше, чем сила тяжести, поэтому капельки плавают в воздухе, как пыль. Но стоит им стать крупнее, и земное тяготение начинает доминировать; оно тянет их вниз, к земле, превращая в дождь. Это если нам повезет; они могут образовать и грозовую тучу — из тех, что убивают каждый год сотни людей.

Грозовые тучи формируются при конкретном сочетании условий. Попадая в более прохладный воздух, водяной пар переходит из газообразного состояния в жидкое. Это обратный процесс по отношению к тому, что происходит, когда влажное белье сушится на веревке. При этом вода отдает энергию в форме тепла — мы называем это скрытой теплотой. Она исходит от молекул H2O, когда они еще в облаке, а это значит, что воздух в нем становится теплее. Как нам известно, теплый воздух поднимается вверх, поэтому верхушка облака вспучивается, как гора. Так образуются пушистые кучевые облака. Но если это происходит, когда с земли поднимается много теплого и влажного воздуха — как в летний день, — конвекционные потоки, толкающие капельки вверх, могут оказаться достаточно сильными, чтобы обратить дождь вспять и заставить его тоже идти вверх. Капельки поднимаются на несколько километров в небо, пока несущий их воздух наконец не остынет достаточно, чтобы перестать подниматься. Там, высоко в атмосфере, дождевые капельки замерзают, превращаясь в частицы льда, и снова падают вниз. Правда, в зависимости от погодных условий, они могут вновь встретить поднимающийся поток теплого воздуха, который загонит их еще выше. Облако между тем становится больше и выше и сильно темнеет, превращаясь из кучевого в кучево-дождевое — грозовую тучу. Скорости конвекционных течений, толкающих капельки вверх, растут до 100 км/ч, и в облаке начинается настоящая свистопляска: ледяные частицы падают сквозь восходящий воздушный поток, несущий новые капельки, и всё это яростно сталкивается между собой на протяжении нескольких километров.

Ученое сообщество до сих пор не пришло к единому мнению о том, как условия внутри кучево-дождевого облака приводят к накоплению электрического заряда. Но мы знаем, что в облаке, как и на земле, электричество возникает благодаря движению заряженных частиц, которые возникают из атомов. Все атомы имеют сходную структуру: центральное ядро, содержащее положительно заряженные частицы (протоны), окружено отрицательно заряженными (электронами). Иногда некоторые электроны отрываются от ядра и начинают свободно двигаться; это и есть основа электричества. Если потереть о шерстяной свитер воздушный шарик, на нем образуются заряженные частицы. Затем, если поднести его к голове, волосы поднимутся, поскольку заряды на шарике притягивают заряды противоположного знака на волосах. Отрицательный заряд жаждет воссоединиться с положительным и вытягивает волосы в сторону шарика, в результате они встают дыбом. Если бы количество заряда было больше, то энергии хватило бы на то, чтобы заряженные частицы перепрыгивали через воздушный промежуток, создавая искру.

В облаке вместо воздушного шарика, который вы мягко и осторожно трете о свитер, в процессе участвуют водяные капельки и ледяные частицы; они вертятся в безумном круговороте и сталкиваются друг с другом с огромной энергией. В результате некоторые частицы льда, уносимые к верхушке облака, получают положительный заряд, а некоторые дождевые капли, падающие к нижней его части, — отрицательный. Такое разделение зарядов многими километрами облачной толщи обеспечивается энергией ветров внутри облака. Но сила притяжения между положительным и отрицательным полюсами никуда не девается — они хотят вновь соединиться, а значит, внутри тучи нарастает напряжение. Оно может стать настолько высоким, достигая величин в сотни миллионов вольт, что срывает электроны с молекул в самом воздухе. В таком случае описанный выше процесс мгновенно вызывает высвобождение электрического заряда, который течет между тучей и землей или между верхушкой тучи и ее основанием, в зависимости от условий. Разряд этот настолько велик, что раскаляет атмосферу добела и светится — это молния. А гром — звуковая волна, возникающая из-за стремительного расширения окружающего воздуха при нагреве его до десятков тысяч градусов Цельсия.

Энергия молнии настолько громадна, что способна просто испарить человека — и делает это; отсюда такой высокий показатель смертности. Электричество всегда течет по пути наименьшего сопротивления — в этом смысле оно подобно жидкости. Но если жидкости движутся вниз относительно гравитационных полей, то электричество — относительно полей электрических, а поскольку воздух плохо проводит его, его сопротивление току велико. Человек же состоит по большей части из воды, которая хорошо проводит электричество. Так что если вы молния, идете из грозовой тучи и пытаетесь найти путь наименьшего сопротивления к земле, то лучшим проводником для вас будет человек. Хотя молния, возможно, предпочтет дерево, поскольку оно выше и длиннее и потому больший отрезок проводящего пути может пройти по его насыщенным влагой ветвям. Но если под ним прячется человек, молния может — и часто так делает — перепрыгнуть на него на последнем отрезке своего пути к земле.

На значительной части земного шара самыми высокими структурами часто оказываются строения, а на Западе долгое время самым высоким зданием в любом городе была церковь. Шпили многих древних церквей были сделаны из дерева и легко вспыхивали, когда в них попадала молния. К счастью, в 1749 г. Бенджамин Франклин понял, что если разместить на верхушках зданий металлические проводники и соединить их с землей куском металлической же проволоки, можно обеспечить молнии более простой путь к земле и избежать значительных разрушений, вызываемых ударами молний. Такие устройства (молниеотводы) используются и по сей день и продолжают спасать сотни тысяч высоких зданий от урона. Этот же принцип объясняет, почему в машине молния вам не угрожает: если она ударит в автомобиль, то пройдет по внешним металлическим деталям корпуса, которые предоставят ей путь с меньшим сопротивлением, чем через тела пассажиров.

И так мы возвращаемся к теме самолета и опасностей, связанных с молниями. Когда аэроплан летит сквозь грозовую тучу, турбулентный воздух то и дело заставляет его трястись и раскачиваться, падать или подниматься внезапно, когда давление вокруг меняется. Если посреди всего этого в туче возникнет молния, самолет, скорее всего, станет частью ее проводящего пути. Как мы знаем, фюзеляжи многих старых аэропланов сделаны из алюминиевых сплавов, и металл, как корпус автомобиля, защитит пассажиров от разряда молнии. Но композитные материалы из углеродного волокна, из которых делают корпуса современных пассажирских самолетов, плохо проводят электричество (эпоксидный клей, скрепляющий углеродные волокна, является электрическим изолятором), и, чтобы это компенсировать, в структуру авиационных деталей, помимо углеродных волокон, включают и проводящие металлические, которые гарантируют, что при ударе молнии заряд пройдет по корпусу и не навредит пассажирам. Так что, хотя молнии в самолеты ударяют часто — в среднем раз в год, — за последние пятьдесят лет не было ни одного зарегистрированного случая, чтобы их удар привел к аварии[9]. Иными словами, во время грозы опаснее быть на земле, под деревом, чем в самолете. Во время предполетного инструктажа по безопасности об этом не говорят, хотя это делает полеты намного безопаснее; но, как уже говорилось, на самом деле цель предполетного инструктажа — не безопасность.

Мой самолет уже был довольно близко к земле. Мы продолжали снижение на подходе к Международному аэропорту Сан-Франциско, но низкие облака не позволяли почти ничего увидеть за окнами. Окрестности залива Сан-Франциско вообще известны своими туманами. Они, как и облака, представляют собой жидкую взвесь водяных капель в воздухе: по сути, это облако на уровне земли. Туман кажется безопасным, если смотреть на него из уютного дома, где вы сидите, греясь у камина и прихлебывая из бокала бренди. Он придает городу дух романтизма и рождает ощущение, что в нем, возможно, происходит что-то новое и загадочное. Но если вы бродите по вересковой пустоши, или едете по шоссе, или скользите с горы на лыжах, или спускаетесь вниз в самолете с вертикальной скоростью 10 м/с, туман означает только одно: риск гибели. История морских туманов и судов, выброшенных на скалы только потому, что опасность невозможно было вовремя увидеть, до сих пор остается очень реальной и пугающей частью жизни всех тех, кто связал свою жизнь с морем. Туман закрывает любые аэропорты, не оборудованные современной системой автоматического управления посадкой, и заставляет самолеты отказаться от посадки. Он страшен, он опасен — возможно, именно поэтому праздники в честь мертвых, такие как Хэллоуин, часто устраивают в такое время года, когда преобладают туманы и пасмурная погода.

Туман на уровне земли образуется по той же причине, по какой в небе возникают облака. Влажный, насыщенный водой воздух остывает, H2O в нем переходит в жидкую форму и превращается в крохотные капельки. Точно так же, как на больших высотах, для образования капелек необходимы центры конденсации. Традиционно в городах эту роль играли частицы дыма от очагов, используемых для приготовления пищи или отопления. Но в наше время центрами конденсации обычно становятся дымовые частички из заводских труб и автомобильных выхлопов. Когда в городе наблюдается хронический избыток подобного рода загрязнений, там образуется плотный туман, называемый смогом. Он может стоять в городе по несколько дней подряд; он захватывает загрязняющие частицы и удерживает их над городом. В Лондоне первые упоминания о смоге относятся к 1306 г., когда король Эдуард I, пытаясь справиться с этой проблемой, запретил на какое-то время топить печи углем. Всё было так плохо, что лондонцы во время смога не могли разглядеть перед собой собственные руки. Однако, несмотря на усилия Эдуарда, смог столетиями продолжал парить над городом. Великий смог 1952 г. был настолько ужасен, что за четыре дня убил 4000 человек, подтолкнув правительство к принятию первых в стране законов о чистоте воздуха.

В Сан-Франциско часто бывают плотные туманы. Объясняется это сочетанием местных условий, которые приносят теплый и влажный воздух Тихого океана в город, где он остывает и конденсируется в туман при помощи выхлопных газов многочисленных автомобилей. Теперь мы спускались именно в такой туман, и хотя я прекрасно знаю, что и самолет, и аэропорт привычны к таким условиям и умеют осуществлять в них безопасную посадку, я ощущал растущее беспокойство. Ведь мы продолжали снижаться, а за окном не было видно ничего, кроме белой жути.

«Бум, — сказала система громкой связи. — Бортпроводникам приготовиться к посадке».

Наступил критический момент для безопасности полета: мы шли на посадку. В салоне воцарилась тишина, слышен был только гул двигателей и дыхание системы кондиционирования. Казалось, все настроились на одну и ту же ноту тревоги. Временами туман редел настолько, что я мог разглядеть что-то на земле, дерево или машину. Но затем белизна вновь затягивалась, и самолет начинал падать вниз или дрожать, а в звуке двигателей, как казалось моему напряженному уху, начинали проскакивать перебои.

Мы опускались всё ниже, и мое напряжение усиливалось. Умом я понимаю, что полет на самолете — самый безопасный способ путешествия на дальние расстояния, но всегда боюсь оказаться исключением. Снаружи царил смертельно опасный туман. Мы все были надежно пристегнуты, включая и членов экипажа, которые бесстрастно взирали на нас. Они проделывали это по несколько раз в неделю. «Как же они справляются, — думал я, — с этой завершающей частью полета, когда совершенно ясно, что наши жизни зависят от мастерства пилотов, их способности справиться с чем-то невидимым и неожиданным?» Только сверххладнокровная Сьюзен, казалось, ничего не чувствовала; она отложила книгу и серьезно смотрела в окно, очевидно уверенная, что наша неизбежная встреча с землей пройдет успешно.

Глава 12. Твердые

Раздался удар, и весь фюзеляж содрогнулся с таким звуком, будто захлопнулась одновременно тысяча шкафов. Мы все подались вперед, натянув пристяжные ремни, когда командир выключил реактивные двигатели и самолет, катясь по полосе, замедлился с посадочной скорости 210 км/ч сначала до 110, затем до 65, потом до 25 км/ч. В салоне царило заметное облегчение; несколько человек захлопали в ладоши: мы вновь были на твердой земле.

Хотя «твердый» здесь, пожалуй, не слишком подходящий эпитет. Земля, в сравнении с другими планетами, не особенно тверда. Наша планета начала свое существование в виде шара раскаленной жидкости и за 100 млн лет остыла достаточно, чтобы на ее поверхности образовалась тонкая каменная корка. Произошло это около 4,5 млрд лет назад, и с тех пор Земля постепенно остывает, но внутри она по-прежнему жидкая. Именно движение потоков жидкости внутри Земли позволяет жизни существовать на нашей планете, обеспечивая ей защитное геомагнитное поле. Но эта же текучесть оказывается и разрушительной силой, вызывает землетрясения, извержения вулканов и движение тектонических плит.

Прямо в центре Земли все же есть нечто твердое: металлическое ядро из железа и никеля с температурой приблизительно 5000 °C. Даже при этой температуре, на тысячи градусов превышающей нормальную для плавления этих веществ, ядро остается твердым, потому что в центре Земли сильное гравитационное давление заставляет жидкость образовывать гигантские металлические кристаллы. Ядро окружено слоем расплавленного металла, опять же железа и никеля, приблизительно 2000 км толщиной. Именно течения внутри этого металлического океана и порождают магнитное поле Земли, настолько мощное, что оно простирается наружу не только до поверхности планеты, где заставляет работать компасы и позволяет нам ориентироваться, но и дальше, в пространство. Там, снаружи, магнитное поле Земли действует как щит, защищая нас от солнечного ветра и космических лучей, которые сыплются на нас дождем. Если бы не поле, они сорвали бы с Земли атмосферу и воду и, скорее всего, убили бы всю жизнь на планете. Планетологи уверены, что Марс некоторое время назад потерял свой магнитный щит и именно поэтому он не имеет атмосферы и превратился в холодную мертвую планету.

Океан жидкого металла в недрах Земли окружен слоем камня температурой 500–900 °C — мантией. При этих температурах, соответствующих белому калению, камень ведет себя как твердое тело на таких периодах времени, как секунды, часы и дни, но как жидкость на таких интервалах, как месяцы и годы. Он течет, хотя и не расплавлен; мы называем такое поведение ползучестью. Основные потоки в толще этой каменной мантии — конвекционные: горячий камень вблизи океана расплавленного металла поднимается вверх, а более холодный вблизи коры погружается в глубину. Это потоки того же типа, что можно наблюдать в кастрюле с водой при нагревании; горячая вода на дне расширяется и становится менее плотной, чем более холодная на поверхности, которая погружается вниз ей на замену.

Выше мантии находится кора, которая представляет собой настоящую кожу Земли. Это относительно тонкий слой холодного камня толщиной от 30 до 100 км. Именно на нем располагаются все горы, леса, реки, океаны, материки и острова планеты. И система громкой связи, вновь проснувшись, объявила нам голосом бортпроводника, что мы приземлились:

«Леди и джентльмены, добро пожаловать в аэропорт Сан-Франциско. Местное время 15:42, температура снаружи 3 °C. Для вашей безопасности и комфорта оставайтесь сидеть с пристегнутыми ремнями, пока командир не выключит знак “Пристегните ремни”».

В такие моменты облегчение от того, что ты вновь на твердой земле, может внушить ощущение, будто земная кора, на которой мы живем, стабильна, тверда и надежна, на ней безопасно. К несчастью, это не так; кора, по сути, плавает на текучей мантии, которая лежит ниже, вдобавок состоит из отдельных кусков, называемых тектоническими плитами (сомнительная надежность). Конвекционные силы мантии двигают их по поверхности, заставляя идти морщинами там, где плиты сталкиваются между собой. Имеется семь основных тектонических плит, которые по большей части соответствуют материкам — например, Североамериканская плита включает в себя Северную Америку, Гренландию и океанское дно от них и до Евразийской плиты, которая держит на себе большую часть Европы. Все тектонические плиты движутся, но не в одном направлении, и места, где они встречаются, называются зонами разлома и представляют собой области столкновения. Встречаясь, тектонические плиты идут складками и образуют горы. Где они расходятся, возникает новая кора, когда лава изливается из нижележащей мантии. Именно в зонах разломов, помимо прочего, происходят самые страшные землетрясения.

Я уверен, что мои попутчики осознавали эту опасность — как можно не понимать ее, живя в таком месте, как Сан-Франциско? Этот город стоит в зоне разлома, где Североамериканская тектоническая плита сходится с Тихоокеанской, и имеет давнюю историю сильных землетрясений; безусловно, они здесь неизбежны и в будущем. В 1906 г. землетрясение разрушило 80 % зданий в городе и убило более 3000 человек. Затем были землетрясения в 1911, 1979 и 1980 гг., затем в 1984, 1989, 2001 и 2007 гг. И это только крупные. Более мелких возмущений коры за это время произошло намного больше. Жизнь в таком месте наглядно показывает, как важно разобраться в текучей динамике нашей планеты. Это позволяет не только объяснить, почему серьезные землетрясения происходят в определенных местах снова и снова, но и понять, какие факторы влияют на жизненно важную величину, тоже связанную с движением земной коры: уровень моря.

Кора Земли лежит на текучем камне, и если сверху на нее давят, например, несколько километров льда, она будет постепенно погружаться в мантию. Именно так происходит с Антарктидой и Гренландией, которые покрыты двух-трехкилометровой толщей льда. Чтобы лучше представить себе масштаб этих ледяных пластов, подумайте о том, что в антарктическом ледяном панцире заключено 60 % всей пресной воды на поверхности планеты — примерно 26 млн трлн л воды, которые весят примерно 26 000 трлн т. Если бы весь этот лед растаял в результате глобального потепления, уровень океанов поднялся бы более чем на 50 м, затопив все прибрежные города в мире и оставив без крова сотни миллионов людей. Это кажется очевидным. Менее очевидно то, что исчезновение льда с поверхности Антарктиды снимет напряжение с камня внизу и все эти массы земли разожмутся и вылезут наверх (это называется гляциоизостазией, или послеледниковой отдачей). Гренландия в схожей ситуации: кора под ней нагружена тремя миллионами триллионов литров воды, содержащейся в ледниковом щите, и если всё это растает, то Североамериканская тектоническая плита всплывет. Если в результате подъем материка окажется больше, чем подъем уровня мирового океана, то серьезного затопления, возможно, удастся избежать. Разобраться, что произойдет на самом деле, жизненно важно для нашего будущего и особенно грядущих поколений. Ведь если глобальное потепление усилится, как оно вроде бы собирается сделать, один из этих сценариев точно осуществится.

На данный момент известно следующее. Среднемировой уровень моря с начала XX в. поднялся на 20 см. Отчасти это объясняется термальным расширением воды в океанах в связи с их потеплением: более теплые жидкости занимают больший объем. Отчасти причина в таянии ледяных покровов Гренландии и Антарктиды, и в еще большей степени — в том, что другие ледники тоже тают. Подъем уровня моря глобален; он грозит каждому, у кого есть побережье, от крохотного островка в Тихом океане, который ждет полное затопление, до громадных стран, таких как Бангладеш, где подъем уровня океана на метр приведет к тому, что 20 % территории страны будет затоплено, а 30 млн человек потеряют свои дома. С другой стороны, послеледниковая отдача действует только на те побережья, которые связаны с участками земной коры, придавленными Гренландским и Антарктическим ледяными щитами. Иными словами, при таянии льда на Земле будут выигравшие и проигравшие, и всё зависит от того, что первым растает: Гренландия в Северном полушарии или Антарктида в Южном.

Если первым растает лед в Северном полушарии, то Гренландия — а с ней и Североамериканский континент — поднимется выше среднего уровня моря, так что уровни моря там первоначально даже снизятся. Лишняя вода распределится по всем океанам, а подъем северных тектонических плит будет местным явлением. Если выйдет наоборот и антарктический лед растает раньше гренландского, первыми поднимутся южные тектонические плиты, а всё восточное побережье Северной Америки окажется под водой.

Одно из главных неизвестных в этой ситуации — как быстро исчезнет лед. Ведь ему не обязательно таять, чтобы уйти с материков. Он может еще и ползти: именно так движутся ледники, которые стекают по горным склонам вниз, хотя и представляют собой твердое вещество. Ползет лед примерно так же, как сочится вязкая жидкость. Когда сила тяготения приложена к молекуле в жидкости, некоторые из слабых связей, удерживающих ее, рвутся, что позволяет ей двигаться в направлении, определяемом силой. Но молекуле, чтобы двигаться, нужно свободное пространство, и если его нет, она начинает давить на соседние молекулы, вынуждая уже их смещаться. Структура жидкости по большей части случайна, и свободные места часто открываются, позволяя молекулам двигаться и свободно перемешиваться в ответ на действие сил, а жидкости течь. То же происходит и с твердыми телами, но здесь молекулы и атомы обладают сравнительно меньшей энергией, которую могут потратить на разрыв связей с соседними молекулами, и процесс протекает гораздо медленнее. Кроме того, у твердых тел очень упорядоченная структура, и найти в них пространство, куда могли бы сдвинуться атомы, трудно. Вот почему они текут так медленно, и вот почему мы называем это свойство ползучестью. Процесс сползания твердых тел можно ускорить, поместив их под повышенное давление или повысив их температуру. При более высокой температуре атомы обладают большей колебательной энергией, чтобы разрывать существующие связи и перепрыгивать на свободное место, если таковое вдруг обнаружится. Именно это происходит с ледяным покровом при повышении глобальной температуры: целые горы льда стекают под действием силы тяжести к морю.

В ледниках лед сползает относительно быстро. В 2012 г., например, ледники в Гренландии, согласно измерениям, двигались к морю со скоростью 16 км/ч. Всё происходило так быстро, потому что ледовый покров там достиг температуры от –10 до –50 °C. Может показаться, что это очень холодно, но это всего на 10–50 °C ниже точки таяния, то есть 0 °C. А это означает, что энергия молекул H2O внутри ледяного кристалла не слишком далека от температуры, при которой он превращается в воду. Для скал в горах точка плавления лежит где-то между 1000 и 2000 °C, атомы в камне больших гор находятся на тысячи градусов ниже точки плавления и по поведению, соответственно, куда больше похожи на твердые тела, чем ледник. Так что горы сползают медленнее, чем ледники, но все же сползают; им просто требуются миллионы лет, чтобы переместиться на заметное расстояние. Ниже, в глубинах земной коры, температура намного ближе к точке плавления камня, поэтому тектонические плиты ползут быстрее, чем горы, со скоростью 1–10 см в год.

Может показаться, что это совсем немного, но представьте себе, что навстречу ей движется другая тектоническая плита и силы действуют по всей линии разлома, протянувшейся на сотни километров. Что-то должно уступить. Если нет, напряжение будет годами копиться, пока что-нибудь не лопнет и не соскользнет, вызвав почти мгновенное громадное высвобождение энергии — землетрясение. Количество энергии, высвободившееся в ходе землетрясения 1906 г. в Сан-Франциско, было эквивалентно взрыву примерно тысячи ядерных бомб. Землетрясение, которое вызвало цунами, обрушившееся на Японию в 2011 г., было эквивалентно двадцати пяти тысячам ядерных бомб. Именно этот гигантский выброс энергии делает разрушения от землетрясений такими обширными; даже одна крупная «подземная буря» с эпицентром в нескольких сотнях километров от любого города может стать по-настоящему опустошительной.

Но такое накопление напряжений не всегда заканчивается землетрясением. Иногда массы камня ползут и, подобно двум листам бумаги, которые вы толкаете навстречу друг другу, медленно поднимаются вверх, чтобы снизить напряжение. На это требуются громадные силы, но ведь их и логично ожидать от тектонических плит. Именно такое медленное, но неуклонное сминание каменных плит формирует горы. Все великие горные хребты Земли — Альпы, Скалистые горы, Гималаи и Анды — расположены на стыках тектонических плит и сформировались благодаря явлению ползучести за миллионы лет.

Но не все горы на нашей планете возникли таким образом. Самый впечатляющий, наверное, и точно самый быстрый способ их образования — вулканическое извержение. Если вы никогда не видели, как из глубин Земли вырываются раскаленные реки красного расплавленного камня, вам стоит попытаться хотя бы раз в жизни увидеть такое. Это одно из самых величественных и масштабных зрелищ природы, которое учит нас смирению. Это как вернуться на машине времени в прошлое, в эпоху рождения планеты, когда всюду, куда бы ни упал ваш взор, вы видели бы раскаленный камень и черный шлак, а в атмосфере носились сера, дым и пепел.

В тот единственный раз, когда мне довелось увидеть реальное извержение вулкана, я чуть не погиб. Я тогда недолго жил в Гватемале, изучал испанский язык; это было летом 1992 г., и я с семьей снимал жилье в древнем городе Антигуа, расположенном в области горных джунглей Центральноамериканской вулканической дуги — цепочки вулканов на побережье Тихого океана, созданных тектонической активностью. По оценкам специалистов, за последние 300 000 лет при извержениях этих вулканов было «построено» 70 км3 гор. Один из самых активных вулканов находится в округе Пакайя, расположенном недалеко от Антигуа; последнее крупное извержение там произошло в 2010 г.

Когда я жил в Антигуа, экскурсии к вулкану организовывались неофициально на рыночной площади. Семья гватемальцев, в доме которой мы жили, предостерегала меня от поездки, потому что в 1992 г. страна еще была полна бандитов и разбойников, регулярно грабивших туристов, которые оказывались слишком молодыми и глупыми, чтобы отправиться в горы без оружия. Но поскольку я был молод и глуп, я не обратил внимания на их совет и однажды выехал после обеда в джунгли на грузовике, полном таких же юных и глупых туристов с рюкзаками; проводниками нам вызвались быть двое молодых гватемальцев. Солнце уже опускалось к горизонту, когда мы добрались до базы у подножия Пакайи и начали подъем через лес. Вот только там не было никакого леса, поскольку Пакайя, будучи активным вулканом, время от времени извергается, посылая вверх столбы дыма и пепла и выбрасывая в воздух тонны расплавленного камня. Извержения давно сожгли и разрушили леса, росшие когда-то вокруг конуса вулкана, так что теперь вокруг нас, у подножья, был только крутой склон сплошного пепла, прерываемый примерно каждые десять метров черными обгорелыми останками древесных стволов. В начале подъема мы шли вдоль черной длинной насыпи из рассыпающегося вулканического туфа, и вокруг нас вился неприятно пахнущий дым. Всё это выглядело как сцена из «Апокалипсиса». Мы продолжали подъем; тропа становилась круче, и двигаться вперед через россыпи сгоревшего пепла и туфа становилось труднее. Но мы были рьяны и жаждали приключений, так что к моменту, когда на горы спустилась тьма, мы добрались-таки до вершины.

Вокруг стало абсолютно темно. Наши гиды жестами велели нам оставаться за большим камнем недалеко от края кратера, а сами двинулись вперед, чтобы посмотреть, в каком настроении сегодня Пакайя. Они быстро вернулись и возбужденно сказали нам, что вулкан не спит и в кратере бурлит лава. Так что мы тоже осторожно двинулись вперед. Из кратера, находившегося примерно в 100–200 м ниже нас (точнее сказать было невозможно), шел сильный запах серы. А потом мы увидели лаву. Это был один из тех моментов, которые я никогда не забуду: я будто впервые заглянул внутрь нашей планеты. Мы все замерли и завороженно смотрели в кратер, как будто наблюдали за диким зверем в берлоге. Именно тогда мы услышали какие-то звуки, напоминающие хлопки. Проводники забеспокоились и принялись совещаться между собой. Раздалось еще несколько хлопков и слабых глухих ударов. Казалось, Пакайя действительно не спит и выбрасывает в воздух расплавленную лаву — глухие удары были звуками падения «бомб» из нее. Каждая из них, как я позже выяснил, весила, вероятно, один-два килограмма. Мы не брали с собой каски, жаростойкую одежду, даже прочные ботинки (я был в кроссовках). Проводники сказали нам, что сейчас лучше всего бежать, и нам не потребовалось особых уговоров. Я несся с вулкана, в ужасе представляя, как после следующего хлопка блямба расплавленной лавы приземляется мне точно на голову; я, скользя и падая на склонах из рассыпчатого туфа, летел вниз со всей возможной скоростью, а сзади то и дело раздавалось: хлоп, хлоп, хлоп. В грузовике на обратном пути в Антигуа наши проводники смеялись: очевидно, нам повезло уйти живыми и невредимыми. Я наконец-то понял, почему они не тревожились по поводу бандитов; конечно, разбойники представляли собой реальную опасность, вот только не самую большую.

Но в глобальной тектонической схеме вещей извержения Пакайи — мелочь. Крупнейший вулкан планеты — Мауна-Лоа на гавайском Большом острове, который весь состоит из выброшенной им магмы. Большая часть вулканической активности происходит под водой. Все Гавайские острова образовались в результате вулканической активности, которая продолжается и сегодня. Потому-то они довольно опасны для жизни — крупное извержение может выбрасывать лаву в воздух на высоту до километра и создавать удушающее горячее облако пепла. Катастрофа такого масштаба не стала бы чем-то неслыханным. В 79 г. н. э. в Италии произошло извержение Везувия, засыпавшее древнеримские города Геркуланум, Помпеи и Стабии раскаленным пеплом и почти мгновенно убившее многих жителей.

Гипсовая отливка одной из жертв извержения Везувия

А в 1883 г. Кракатау — вулканический остров в Индонезии — извергся со взрывом, таким громким, что он был слышен на расстоянии нескольких тысяч километров. По оценкам, этот взрыв, эквивалентный взрыву 13 000 атомных бомб, убил более 30 000 человек. После извержения выяснилось, что большая часть острова просто исчезла.

Эти крупные извержения — не только наше прошлое; к несчастью, это и неизбежная часть нашего будущего. У южного побережья Японии недавно было обнаружено массивное скопление лавы из подземного вулкана. Она медленно сочится из-под морского дна и образовала на нем купол высотой 600 м. Предыдущее сверхизвержение в этой вулканической области, произошедшее 7000 лет назад, опустошило Японские острова. Возможно, там назревает новое мощное извержение, которое, скорее всего, тоже окажет катастрофическое воздействие на Японию, а также наполнит атмосферу Земли пеплом. Он будет годами болтаться в воздухе, блокируя солнечный свет и понижая температуру на всей Земле; воцарится глобальная зима.

Но вот что странно. Несмотря на миллиарды лет вулканических извержений и тектонических сдвигов, горы Земли не так уж высоки. Особенно это заметно при взгляде на нее из космоса; оттуда кажется, что мы живем на почти идеально круглом бильярдном шаре, из которого не торчит ничего существенного. Все горы — относительно незначительные складки на гладком шаре, хотя у них были миллиарды лет для роста. Так почему же они не выросли? Есть два процесса, которые непрерывно уменьшают высоту гор. Первый — эрозия: дождь, лед и ветра сдирают с них мелкие частицы, выветривая и перемалывая их. А поскольку вес гор увеличивается в процессе роста, усиливается и давление на нижележащие породы, которые со временем сползают и текут, загоняя возвышенности обратно в кору. Как ледяной щит давит на Антарктиду, так горы давят на тектонические плиты, из которых вырастают, и чем выше они, тем сильнее давят и глубже погружаются.

Разумеется, бортпроводники ничего не сказали нам об этом при посадке; наверное, это лучший способ жить на непредсказуемой планете, которая постоянно в движении. Как бы хорошо мы ни понимали фундаментальные причины землетрясений, никто не может предсказать точно, когда следующее бедствие обрушится на Сан-Франциско. «Может быть, это произойдет сегодня», — подумал я, поглядев искоса на Сьюзен. Она, казалось, ничуть не беспокоилась. «Вероятно, она живет в отрицании, — подумал я, — как и все остальные». Как еще можно счастливо существовать на этой тонкой корочке, образовавшейся на поверхности текучей планеты, которая порождает невообразимо огромные силы — настолько огромные, что за миллионы лет они выстроили на ней горы, а города способны разрушать за несколько минут; силы, под действием которых на поверхности моря возникают новые острова, а старые поглощает пучина и целые материки тонут под давлением льда — того самого, что сейчас тает, вызывая неуклонное повышение уровня моря, угрожающее всем прибрежным городам, включая Сан-Франциско. И эти силы ни за что не исчезнут, ведь в их основе — текучесть и жидкость нашей планеты. Чтобы уцелеть как цивилизация и выжить как биологический вид, нам придется овладеть искусством уживаться с ними.

Сьюзен занималась именно этим; чтобы нанести на губы красную помаду, она воспользовалась в качестве зеркала камерой своего телефона. Ее стиль мне нравился. Я по-прежнему не знал, кто она, что управляет ее действиями или куда она направляется. Я наверняка был уверен только в том, что зовут ее действительно Сьюзен — я прочел имя на таможенной декларации, которую она заполняла моей шариковой ручкой. Той самой, что она унесла с собой, когда ловко протиснулась из кресла в проход, одним плавным движением вытащила сверху свою ручную кладь и направилась к выходу. Тем временем по системе громкой связи прозвучало последнее оптимистичное обращение:

«От лица авиакомпании и всего экипажа я хотел бы поблагодарить вас за то, что воспользовались нашим рейсом. С нетерпением ждем вас снова на борту в ближайшее время. Приятного дня!»

Глава 13. Самоподдерживающиеся

Живя на текучей планете, мы можем быть уверены только в одном — в переменах: уровень моря повышается; мантия Земли течет, сдвигая материки; вулканы извергаются, создавая одни новые земли и уничтожая другие; ураганы, тайфуны и цунами продолжают обрушиваться на наши побережья, превращая целые города в руины. Перед лицом такого будущего кажется разумным строить дома, дороги, системы водоснабжения, электростанции и, вообще говоря, аэропорты — всё, что нам необходимо для достойной и цивилизованной жизни, — так, чтобы они могли противостоять разрушениям. Они должны быть прочными и устойчивыми, чтобы выдерживать землетрясения и наводнения. Но было бы еще лучше, если бы мы могли так проектировать инфраструктуру, чтобы она сама себя ремонтировала; это сделало бы наши города более гибкими и устойчивыми перед лицом климатических перемен. Может показаться, что это слишком отдаленная угроза, но на самом деле именно этим занимались биологические системы на протяжении миллионов лет. Представьте себе дерево: если его повредит ураган, оно может починить себя, отрастив новые ветви. Точно так же и вы: если порежетесь, кожа залечит себя сама. Может быть, наши города могли бы тоже стать самовосстанавливающимися?

В 1927 г. профессор Томас Парнелл из Квинслендского университета затеял эксперимент с целью посмотреть, что произойдет с куском черного битума, если положить его в воронку и там оставить. Выяснилось, что на протяжении часов и суток битум ведет себя как твердое вещество и остается там, куда его положили. Но по прошествии месяцев и лет он начал вести себя как жидкость. Он стек по трубочке воронки и начал образовывать капли. Первая упала в 1938 г., вторая — в 1947 г., третья — в 1954 г. и т. д.; девятая капля упала недавно, в 2014 г. Удивительное поведение для вещества, которое кажется таким твердым, когда вы проезжаете по нему на автомобиле. Ездите вы, конечно, по асфальту, но это и есть битум, только в смеси со щебенкой. В чем же тут дело?

Эксперимент Квинслендского университета по капанию битума (фото сделано в 1990 г., за два года до седьмой и за десять лет до восьмой капли). © The University of Queensland

Битум — гораздо более интересный материал, чем кто-либо первоначально предполагал, включая специалистов-материаловедов. Это вещество, извлекаемое из земли или получаемое в качестве побочного продукта при переработке сырой нефти, на первый взгляд кажется всего лишь скучной черной густой грязью. Но на самом деле это динамическая смесь углеводородов, образовавшихся за миллионы лет при разложении молекулярной структуры биологических организмов. Продукты разложения представляют собой сложные молекулы, которые, хотя и не являются больше частью живых систем, самоорганизуются внутри битума, создавая набор взаимосвязанных структур. При нормальных температурах у более мелких молекул хватает энергии, чтобы передвигаться по его внутренней архитектуре, что и придает материалу текучесть. Так что битум — жидкость, хотя и очень вязкая: его вязкость в два миллиарда раз выше, чем у арахисовой пасты. Именно поэтому битуму профессора Парнелла потребовалось так много времени, чтобы прокапать через воронку.

Как текучесть жидкости внутри асфальтовой дороги позволяет трещинам самостоятельно затягиваться

Характерный для битума жгучий запах исходит от молекул, содержащих серу: химический элемент, часто ассоциируемый с пахучими органическими веществами. Когда вы проходите или проезжаете мимо рабочих, укладывающих новое дорожное покрытие, вы видите, как они разогревают битум, и чувствуете соответствующий запах. Разогрев обеспечивает молекулам в составе битума дополнительную энергию, что повышает их подвижность, а значит, текучесть материала. Но дополнительная энергия также позволяет большему числу молекул улетучиться в воздух, и при разогреве это вещество становится более пахучим — точно так же, как напитки будут ароматнее, если их подогреть.

Пахучая жидкость может показаться идиотским выбором материала для строительства дороги, но инженеры добавляют в нее щебенку, создавая композитный материал: частью жидкость, частью твердое вещество. Похоже, кстати, на структуру арахисовой пасты, которая состоит из большого количества кусочков молотого арахиса, помещенных в масло. Прочность и твердость камней поддерживают вес автомобилей, проезжающих по асфальту, и помогают дороге противостоять природным условиям. Иногда, если силы, действующие на дорогу, слишком велики, в полотне появляются трещинки, но, как правило, между камнями и скрепляющим их битумом. В этом случае на помощь приходит жидкая природа битума: он течет и заново затягивает эти трещинки, позволяя дороге самовосстанавливаться и служить намного дольше, чем любая твердая поверхность.

Конечно, многим пользователям автодорог доводилось замечать, что свойства самовосстановления имеют предел: со временем дороги все же стареют и начинают разрушаться. Отчасти в этом виновата температура. Если она опускается ниже, скажем, 20 °C, жидкий битум становится таким вязким, что уже не может течь и залечивать трещинки по мере их появления. Кроме того, со временем кислород воздуха реагирует с молекулами на поверхности битума и изменяет их свойства, делая битум опять же все более вязким и все менее способным запечатывать трещинки. Через некоторое время дорожное покрытие меняет цвет и постепенно теряет текучесть, точно так же как кожа наша становится с возрастом менее гибкой и более сухой. Именно тогда на дороге появляются мелкие ямки, которые, если о них не позаботиться, постепенно растут и со временем полностью разрушают покрытие.

Хорошая иллюстрация к сказанному — мое путешествие на аэропортовском автобусе до гостиницы. Въехав в город, мы сразу же застряли в пробке, возникшей из-за перекрытия полос для замены дорожного полотна. Автобус еле полз, пока три полосы движения не сошлись в одну — по моей оценке, километр с небольшим мы ехали полчаса. Мои внутренние часы подсказывали, что сейчас два часа пополуночи; я устал и отчаянно хотел в туалет.

На самом деле такая ситуация вовсе не обязательна. По крайней мере мы, материаловеды, надеемся на это. Ученые и инженеры по всему миру активно разрабатывают стратегии увеличения срока службы дорог и снижения, таким образом, транспортных заторов. В Нидерландах группа инженеров изучает эффект от включения в битум микроскопических волокон стали. Это не слишком изменит механические свойства дороги, но сделает ее прочнее. Если этот материал подвергнуть действию переменного магнитного поля, в стальных волокнах возникнут электрические токи, которые их разогреют. Горячая сталь, в свою очередь, разогреет битум, сделав его локально более текучим и позволив затянуть любые трещинки. По сути, это перезарядка самовосстанавливающих свойств битума; кроме того, это поможет ему противостоять зимнему холоду. Сейчас эта технология испытывается на отрезках дороги в Нидерландах; по ней циркулирует специальный автомобиль, генерирующий требуемое магнитное поле. Идея в том, что в будущем все автомобили можно будет оснастить подобным устройством, чтобы всякий, проезжая по дороге, одновременно обновлял ее покрытие.

Еще один способ противодействия естественной потере битумом текучести — вовремя восполнять утраченные составляющие, те самые вещества, которые обеспечивают это его свойство. Простейший вариант — смазывать дорожное полотно специальным кремом, по сути увлажняющим, примерно таким же, какой мы наносим на свою кожу. Более хитроумный вариант этого метода сейчас испытывается группой в Ноттингемском университете под руководством доктора Альваро Гарсия. Ученые добавляют в битум микрокапсулы с подсолнечным маслом. Они остаются в веществе нетронутыми, пока в нем не возникнут микротрещины, которые разрушат оболочку. Высвобожденное масло локально повысит текучесть битума — а вместе с ней и его самовосстанавливающую способность. Результаты исследований показывают, что образцы треснувшего асфальта восстанавливаются до первоначальной прочности через два дня после высвобождения подсолнечного масла. Это кардинальное улучшение. По оценкам специалистов, этот метод потенциально способен увеличить срок жизни дорожного покрытия с двенадцати до шестнадцати лет при очень малом росте стоимости.

Наша исследовательская группа в Производственном институте работает над технологиями, способными помочь в ремонте асфальта, трещинки в котором уже довольно велики: мы придумали печатать битум на трехмерном принтере.

Трехмерная печать — относительно новый способ изготовления и ремонта предметов. Тысячи лет назад в Китае изобрели печать как процесс переноса чернил на лист с помощью деревянного блока. Остальной мир позаимствовал идею и привнес свои новшества, подарив нам мир книг, газет и журналов — информационную революцию. Но всё это двумерная печать. Трехмерная продвигает идею еще на шаг вперед; вместо того чтобы наносить тонкий слой чернил на страницу, можно создавать множество двумерных слоев жидкости, один поверх другого, причем каждый затвердевает прежде, чем накладывается следующий. В итоге получается трехмерный объект.

Процесс трехмерной печати. Головка превращает твердое тело в жидкость (часто путем нагревания) и выдавливает по заранее спланированной схеме на координатную плоскость. После остывания получается один твердый слой. Затем платформа сдвигается чуть ниже, и головка печатает следующий слой уже по новой схеме. Создав таким образом сотни слоев, вы получите объект

Конечно, чтобы напечатать такой объект, не обязательно использовать чернила. Можно взять любой материал, который способен переходить из жидкой формы в твердую. Посмотрите хотя бы на пчел. Именно так они сооружают свои необыкновенные шестиугольные соты. В возрасте от двенадцати до двадцати дней у рабочих пчел развивается особая железа, способная превращать мед в мягкие восковые хлопья. Они жуют воск и накладывают его слой за слоем, строя соты. Осы при строительстве своих гнезд пользуются этим же приемом; они пережевывают волокна древесины и смешивают их со слюной, создавая бумажные дома для своих личинок.

Человеческая технология трехмерной печати догоняет по качеству пчелиные и осиные. Пластмассу, например, можно выдавливать из принтера, слой за слоем, создавая твердые объекты сложнее пчелиных сот. Возможно даже получить трехмерные объекты с движущимися частями: эта техника используется в медицине для изготовления недорогих цельных протезов с действующими суставами. Трехмерная печать также применяется для создания биологических материалов. В 2018 г. китайские ученые провели первые клинические испытания по созданию искусственных ушных раковин для детей с врожденными пороками. Они использовали собственную клеточную ткань детей и трехмерные принтеры для формирования каркаса, по которому клеточная масса могла бы принять нужную форму.

Пчелы пользуются 3D-печатью при постройке своих сот намного дольше человека. © Frank Mikley

Трехмерная печать работает и с металлами. Голландская компания MX3D использует ее для изготовления стальных мостов, добавляя расплавленную сталь капля за каплей и полагаясь на методы, позаимствованные из сварки. Еще одна технология предполагает использование мощного лазера, который плавит металлические порошки и соединяет их. Этот процесс используется для изготовления всего: от золотых украшений до деталей реактивных двигателей. Одно из главных преимуществ метода — возможность создавать полые объекты, снижая их вес и экономя материал. Объекты всё чаще разрабатываются сразу с внутренними каналами, по которым должны течь охладитель, смазка или даже топливо. По сути, такая конструкция имитирует строение тела: мы частично состоим из плотных тканей, частично из жидкости. Циркуляция крови доставляет к тканям питательные вещества при помощи сердечно-сосудистой системы, которая также транспортирует белки и другие молекулярные ингредиенты к поврежденным участкам. Это позволяет организму вырастить замену поврежденным клеткам кожи, мозга, печени, почек, сердца и т. п. Это еще один аспект природы, который мы можем теперь сымитировать благодаря трехмерной печати; потенциально это позволит технике служить дольше и самовосстанавливаться, а потому быть более надежной.

Поскольку человеческий организм зависит от циркуляции жидкостей, возникает побочный эффект: в нем скапливаются отходы жизнедеятельности, которые необходимо удалять. Избавление от кое-какой жидкости — первое, что было у меня на уме, когда я вышел наконец из аэропортовского автобуса перед своей гостиницей в Сан-Франциско. Мне по-прежнему очень нужно было в туалет. Во время регистрации я переминался с ноги на ногу, а затем припустил со всей возможной скоростью в отведенную мне комнату и едва не обмочился перед дверью, которая никак не хотела открываться в ответ на касание карточки. Наконец дверь распахнулась. О, какое облегчение!

Удовольствие иметь в номере собственную ванную комнату простирается намного дальше возможности пописать в любой момент, когда захочется. Это место, куда мы идем, чтобы очиститься, освежиться и поблаженствовать. И все эти возможности полностью зависят от доступности свободно текущей чистой воды. Большинство людей в развитых странах воспринимают удобства как нечто само собой разумеющееся, ведь инфраструктура, обеспечивающая водоснабжение и удаление отходов, почти не видна. Но она всегда рядом, жизнеобеспечивающая сеть наших городов, и ее поддержание и обслуживание удивительно дорого обходятся, даже в таких местах, как Сан-Франциско, где воды в изобилии. Для сбора отходов, их удержания и очистки, после которой воду можно возвращать в реки и моря, не вызывая их серьезного загрязнения, необходимо большое количество фильтрующих машин, осаждающих емкостей и перерабатывающих установок. Всё это стоит немалых денег и требует много энергии. Чем меньше вы хотите, чтобы стоки загрязняли экосистемы, тем дороже это обходится и тем больше воды вам нужно для разбавления того, что выходит из перерабатывающих заводов. Так что разобраться со стоками от посудомоечных и стиральных машин, душевых, ванн и туалетов для города размером с Сан-Франциско очень непросто. Питьевая вода тоже должна откуда-то браться, а там нужно больше фильтрации, насосов и мониторинга. Движение воды по кругу, загрязнение и очищение, требует энергии и воздействует на окружающую среду, поскольку появляются новые отходы.

На производство также тратится огромное количество воды, и при покупке большинства товаров вы увеличиваете свой «водный след». Может, вы принимаете душ всего дважды в неделю и пользуетесь туалетом с уменьшенным смывом, но ваш водный след все равно, скорее всего, значителен. По разным оценкам, водный след среднего американца по вещам, которые он покупает и использует только раз, составляет 2260 л в день благодаря таким водозатратным продуктам, как бумага, мясо и текстиль. Даже обыденное на первый взгляд действие, такое как съесть гамбургер, прочесть газету и купить футболку, существенно увеличивает его. Отсюда и объявление в ванной комнате гостиницы, напоминающее мне, что вода — ценный ресурс, и призывающее не требовать свежих полотенец ежедневно.

Некоторые ученые предполагают: когда население Земли в ближайшие несколько десятилетий увеличится до 10 млрд, доступ к чистой воде во многих регионах мира всё больше будет становиться предметом ожесточенной борьбы. Сейчас миллиард человек не имеет доступа к чистой воде, а треть населения Земли круглый год испытывает ее недостаток. Если ее будет мало, можно ожидать роста бедности, недоедания и распространения болезней. Подчеркну, что эта проблема распространяется не только на сельские сообщества, но и на большие города. Так, бразильский Сан-Паулу в 2015 г., когда сильная засуха опустошила главное городское водохранилище, испытывал серьезный дефицит воды. В худшей точке кризиса, по оценкам специалистов, в городе с населением 21,7 млн человек воды оставалось всего на двадцать суток. Многие другие мегаполисы мира сталкиваются с аналогичными проблемами; связано это с изменениями климата, ростом населения и, по мере увеличения богатства, большим водным следом на каждого человека.

Мы все очевидно зависим от воды. Но есть и другие жидкости, без которых невозможно устойчивое и здоровое общество. Некоторые из них вызывают удивление. Например, жидкое стекло. Значительная часть нашей пищи и напитков хранится и перевозится в стеклянной таре. Это замечательный материал. Будучи химически неактивным, он не реагирует с содержимым бутылки или банки, которую образует, и продукты в нем сохраняются дольше. Но стекло бьется, и тогда его необходимо вновь расплавить до жидкого состояния, чтобы изготовить новый сосуд. Так делали тысячи лет: замкнутая кольцевая система, которая позволяет нам вторично использовать отходы.

Стекло как тара для пищи и напитков имеет свои недостатки: оно обладает высокой плотностью, поэтому перевозка сосудов по миру требует больших энергозатрат. Кроме того, на плавление стекла тоже уходит много энергии, ведь для этого нужна очень высокая температура. Из-за этих двух факторов в мире, где энергия получается в основном за счет ископаемых видов топлива, стеклянные контейнеры обостряют проблемы, вызванные изменением климата.

Потому-то в XX в. от стеклянных сосудов люди перешли к пластмассовой упаковке, более легкой и гибкой; вдобавок на ее переплавку в новую тару требуется намного меньше энергии. По крайней мере теоретически. Реальность, однако, выглядит совершенно иначе. Было разработано множество упаковочных пластиков, каждый из которых обладает поразительной способностью сохранять пищу, жидкости, электронику и тому подобное и защищать их при перевозке. Но никто не подумал заранее о том, что произойдет, если их собрать и расплавить вместе. Из этой смеси получится плохой пластик, не способный выполнять работу исходных материалов, поскольку отдельные молекулы углеводородов, из которых состоит типичный пластик, химически связываются друг с другом вполне определенными способами. Эти связи формируют конкретные структуры, определяющие прочность, эластичность и прозрачность. Если сплавить вместе разные типы пластмасс, выйдет мешанина. Таким образом, пластмассы, чтобы их можно было использовать вновь, необходимо тщательно разлагать на составляющие. Поскольку сейчас широко используется более двухсот типов пластмасс и многие товары на рынке упакованы с применением двух-трех типов, причем самых разных расцветок, разделение пластиков стало дорогостоящей задачей. Мы пока не нашли способа привести их все в жидкое состояние так, чтобы получить устойчивую систему.

Печально, но во всем мире большая часть пластиковой упаковки не перерабатывается и не используется вторично. И это неуклонно ведет нас к экологической катастрофе. Свалки переполнены пластиком, а поскольку упаковка легкая, ветер без труда разносит ее. Пластик плавает, и при попадании в реку он со временем попадает в моря и океаны, загрязняя эти экосистемы. И скорость этих процессов всё растет. При нынешних темпах загрязнения, по оценкам ученых, к 2050 г. в океанах будет больше пластика, чем рыбы.

Проблема пластиковой упаковки не имеет простого решения. Использование стекла, как уже говорилось, очень энергозатратно, а затраты энергии, если она не получена из возобновляемых источников, непозволительны. Другой возможный заменитель — бумага, но на ее производство тратится больше энергии и воды, чем на производство пластика. Привлекательный вариант — использовать меньше упаковки. Но поскольку основная часть сельского хозяйства и производства связана с потреблением больших объемов воды, если меньшее количество упаковки увеличит потери продукции, в целом это, возможно, усилит давление на мировые запасы воды и пищи. Получается, проблема экобезопасной упаковки сделала полный круг, как часто и бывает в вопросах, где важную роль играют жидкости.

Так что я многого ожидал от этой конференции по экобезопасным технологиям, ради участия в которой пролетел 8000 км. Заинтересует ли участников наша работа в области самоподдерживающихся городов и трехмерной печати битума или дискуссия сосредоточится на более дешевых способах опреснения воды либо создании экобезопасной упаковки? Так или иначе, я понимал, что знания о поведении жидкостей будут играть здесь важную роль. Я посмотрел на часы. Скоро должны были начаться доклады. Я ополоснул лицо, чтобы взбодриться после смены часовых поясов, и направился вниз в конференц-зал.

Придя туда, я увидел нечто неожиданное: Сьюзен, которая направлялась к сцене. Мои глаза чуть не выскочили из орбит. Эта женщина, которую я знал так хорошо — проведя рядом с ней, в соседнем кресле, одиннадцать часов, — оказалась инженером. И не просто инженером, а ключевым докладчиком той самой встречи, ради которой я перелетел через полмира. Она блестяще говорила о стоящих перед нами сложных глобальных экологических вызовах, у нее был широкий кругозор. Но мне оказалось трудно сосредоточиться — я страшно злился на себя за то, что не поговорил с ней в самолете.

После презентации Сьюзен я не смог удержаться и не подойти поговорить с ней. Мне пришлось ждать в очереди, пока она терпеливо беседовала с другими участниками, столпившимися вокруг нее. Когда подошла моя очередь, я улыбнулся и, пытаясь сохранить хладнокровие, сказал: «Прекрасное выступление». Она посмотрела на меня, на секунду задумалась, пытаясь, очевидно, вспомнить, где она меня видела, а затем сказала: «Я полагаю, вы хотите получить обратно свою ручку».

Эпилог

Как, надеюсь, показал рассказ о моем путешествии из Лондона в Сан-Франциско, воздушные перелеты стали возможны — и даже приятны — благодаря тому, что мы научились разбираться в мириадах всевозможных жидкостей, от керосина до кофе, от эпоксидов до жидких кристаллов, и управлять ими. Есть много жидкостей, которые я не упомянул в своем рассказе, но я и не пытался объять необъятное. Вместо этого я попытался нарисовать картину наших отношений с жидкостями — ведь уже не одну тысячу лет мы пытаемся понять и принять это состояние вещества, одновременно притягательное и угрожающее, освежающее и склизкое, живительное и взрывчатое, вкусное и ядовитое. До сих пор нам в целом удается обуздывать мощь жидкостей и одновременно защищать себя от связанных с ними опасностей (несмотря на цунами и подъем уровня океана). И будущее, по-моему, будет столь же наполнено жидкостями, как и прошлое, но наши отношения с ними станут углубляться.

Возьмем, например, медицину. Для большинства анализов необходимы кровь или слюна, по состоянию которых врачи диагностируют болезни и следят за здоровьем. Исследования почти всегда проводятся в лаборатории, как правило, занимают много времени и дорого стоят. Кроме того, они требуют визита к врачу или в больницу, что не всегда возможно, особенно в странах, где медицинские ресурсы скудны. Но всё это, вероятно, изменит новая технология, так называемая лаборатория на чипе; она подарит нам будущее, в котором диагностика будет проводиться на дому, почти мгновенно и дешево.

Технология лаборатории на чипе, или микрожидкостная технология, позволяет человеку взять крохотные образцы собственных физиологических жидкостей и поместить их в небольшой аппарат, который проверяет биохимический состав препаратов. Эти микросхемы обрабатывают жидкости примерно так же, как кремниевые микросхемы — цифровую информацию. Кровь или какая-то другая жидкость, которую вы туда поместите, направляется в серию микроскопических внутренних трубочек, которые могут направить крохотные капельки в разных направлениях, к разным анализаторам. Пока эта технология в зачаточном состоянии, но не удивляйтесь, если в ближайшие годы вы будете всё чаще о ней слышать. Потенциально она способна диагностировать всё, от сердечных болезней до бактериальной инфекции и рака на ранней стадии, и будет, скорее всего, находиться на переднем крае медицинской революции, схожей с тем, что мы уже видели в информационных технологиях. Но на этот раз революция будет жидкой.

Чтобы технология лаборатории на чипе работала, она должна иметь механизм, позволяющий устройству передвигать крохотные капельки жидкости и манипулировать ими. Биологические организмы, разумеется, прекрасно это умеют. Выйдите в сад во время летнего ливня, и вы увидите листья, которые отталкивают воду так эффективно, что капли дождя отскакивают от них. Давно известно, например, что листья лотоса обладают такой супергидрофобной способностью; но никто не знал, почему так, пока совсем недавно с помощью электронного микроскопа не удалось заметить на их поверхности нечто странное. Как ученые и предполагали, листья покрыты воскоподобным веществом, которое отталкивает воду; удивительно, однако, что оно расположено на поверхности листа в виде миллиардов микроскопических пупырышков. Когда капля воды лежит на такой восковой поверхности, она пытается минимизировать площадь контакта из-за высокого поверхностного натяжения между ними. Пупырышки на листе лотоса резко увеличивают площадь воска, вынуждая каплю шатко балансировать на верхушках пупырышков. Капля в этом состоянии становится мобильной, быстро соскальзывает с листа, собирая по пути крохотные частицы пыли, всасывая их в себя подобно крохотному пылесосу. Благодаря этому лист лотоса всегда остается блестящим и чистым.

В ближайшие годы обработка поверхностей с целью сделать их супергидрофобными станет, вероятно, крупным бизнесом. Это позволит нам не только проводить капельки через внутренние механизмы лаборатории на чипе, но и делать многое другое. Мы сможем, например, добиться того, чтобы вода не смачивала окна и они всегда оставались чистыми, как лист лотоса. Возможно, мы сумеем разработать водонепроницаемую одежду, которая будет собирать воду, падающую на нее, и транспортировать ее по крохотным трубочкам в специальный карман, чтобы позже ее можно было выпить. Такой дизайн подсказала нам шипастая ящерица молох, которая, чтобы напитаться влагой, собирает каждую дождинку, падающую на ее кожу, и впитывает ее через крохотные канальцы посредством капиллярного эффекта.

Ящерица молох собирает воду через кожу, пользуясь гидрофобными материалами и капиллярным эффектом. © Bäras

Потенциал подобной технологии водосбора для миллиардов людей, не имеющих доступа к постоянным источникам чистой воды, громаден, особенно если удастся также разработать методы дешевой фильтрации. Возможно, этим займется новый материал под названием оксид графена. Это двумерный слой атомов углерода и кислорода. В виде мембраны он действует как барьер для большинства типов химических молекул, но легко пропускает молекулы воды. Так что он очень похож на своего рода сито. Из него мог бы получиться чрезвычайно эффективный и дешевый водяной фильтр, способный даже морскую воду сделать пригодной для питья.

Как мы знаем, вода — живительная субстанция; обычно считается, что именно присутствие жидкой воды позволило жизни на Земле развиться от самых базовых химических структур до сложных клеток, из которых мы состоим. Но это пока лишь гипотеза; мы не знаем наверняка, как это произошло. Ученые всего мира активно экспериментируют, пытаясь воспроизвести химические условия на Земле в те времена, когда на планете зародилась жизнь: 4 млрд лет назад. Сейчас представляется наиболее вероятным, что она появилась на дне наших глубоких океанов. Там у термальных источников возникает сложный химический суп, где присутствуют многие химические элементы, которые мы видим в наших клетках. В XXI в. исследование этих областей и океанского дна в целом станет для нас важным передним краем. Странно, в самом деле, что о происходящем на дне наших океанов мы знаем меньше, чем о процессах на поверхности Луны.

Если наш следующий физический рубеж располагается на дне океана, то два ближайших информационных рубежа уже на горизонте, и достижение их обоих зависит от жидкости. И клетки, и компьютеры обрабатывают информацию, но совершенно по-разному. Клетки действуют и воспроизводятся с использованием информации, заключенной в ДНК при помощи химических реакций. Кремниевые компьютеры, однако, считывают информацию с кристаллов, на которых умещаются миллиарды твердотельных транзисторов, реагирующих на входящие электрические сигналы, возникающие согласно компьютерной программе. Сигналы эти передаются при помощи последовательности единиц и нулей — двоичного языка цифровых компьютеров. Транзисторы применяют к потоку единиц и нулей логику, вычисляют ответы опять же в виде единиц и нулей и передают их в другую часть компьютерной микросхемы. Всё это кажется очень примитивным, но с помощью миллиардов простых вычислений могут быть реализованы другие, сложные — те, что побеждают шахматных гроссмейстеров и рассчитывают траекторию полета ракеты к Луне.

Когда клетки производят вычисления, они пользуются химическими реакциями вместо транзисторов. Вместо единиц и нулей они применяют для расчетов молекулы и общаются тоже при помощи молекул. У них нет ни транзисторов, ни проводов, только химические реакции в жидкой среде внутри клеток. Эти химические реакции происходят невероятно быстро, причем одновременно по всей клетке, что делает систему так называемых параллельных вычислений чрезвычайно эффективной. Все молекулы, задействованные в этих вычислениях, очень малы: секстильон (1 000 000 000 000 000 000 000) таких частиц легко поместится в единственной капле воды. И потенциально это колоссальный источник вычислительной мощности и памяти.

Ученые пытаются воспроизвести этот процесс, используя ДНК для создания жидкого компьютера. Исследования продвигаются стремительно, особенно по мере того, как способы манипуляции ДНК и проведения вычислений в пробирках становятся всё более хитроумными и доступными. В 2013 г. исследователи получили очень важный результат: они сумели записать данные цифровой фотографии в жидкость, а потом считать ее. Это достижение открывает двери для новой парадигмы вычислений — не исключено, что в будущем вы сможете хранить все свои данные в одной-единственной капле жидкости.

Жидкие вычисления — первая из двух невероятных систем, которые разрабатываются в настоящее время. Вторая — квантовые вычисления, они оперируют квантовыми версиями двоичных единиц и нулей; информация хранится в компьютере одновременно как «1» и «0» до тех пор, пока процесс не завершен. Такие вычисления используют преимущества правил квантовой механики, которые позволяют всем возможным исходам события существовать одновременно. При этом все возможные ответы задачи могут быть вычислены за один раз, что сильно ускоряет процесс. Уже есть аппараты, способные это проделывать, но пока технология в самом начале пути. Одно можно сказать наверняка: для работы им нужны очень низкие температуры, которые можно получить только при помощи особой жидкости — жидкого гелия.

Гелий — газ при температуре выше –269 °C; при охлаждении до этой температуры, которая всего на 4,15 °C выше абсолютного нуля, он превращается в жидкость. К счастью, мы уже имеем представление о том, как работать с жидким гелием, благодаря больничной технике. Если вам случалось получить травму головы, бедра, колена или лодыжки или вам ставили диагноз «рак», вас, скорее всего, подвергали МРТ-исследованию. Но без сверххолодного жидкого гелия эти диагностические инструменты, жизненно необходимые каждой современной больнице, перестали бы работать. Именно холод жидкого гелия позволяет МРТ-аппаратам надежно выявлять крохотные изменения в магнитных полях внутри человеческого тела и таким образом получать изображения внутренних органов. К несчастью, однако, хотя гелий и является одним из самых распространенных элементов во Вселенной, на Земле он встречается редко. В наше время его нехватка — обычное дело для любой больницы, и запасы его часто заканчиваются. В ответ геологи постоянно ищут новые источники гелия в земной коре (обычно его находят в виде природного газа), но из-за его растущей значимости цены на это жизненно важное вещество поднялись за последние пятнадцать лет на 500 %.

Жидкий гелий, конечно, чрезвычайно полезен, но при этом очень непослушен. Он успешно охлаждает МРТ-аппараты при –269 °C, но стоит охладить его еще на несколько градусов, до –272 °C, и он входит в состояние, которое мы называем сверхтекучестью. В нем все атомы жидкости занимают одно-единственное квантовое состояние; иначе говоря, миллиарды молекул гелия ведут себя как единая частица. Жидкость при этом обретает странные способности — например, не имеет вообще никакой вязкости и может вытечь спонтанно вверх из емкости. А то и проникать сквозь твердые преграды: она находит путь через атомарные дефекты объекта и не испытывает трения.

К этому моменту, надеюсь, такое ее поведение вас особенно не удивляет. Жидкости обладают дуальностью (двойственностью): это не газы и не твердые тела, а нечто промежуточное. Они необычайно интересны и могучи, с одной стороны, но слабоуправляемы и слегка пугающи — с другой. Такова их природа. Однако наша способность управлять жидкостями дает по большей части положительный для человечества результат, и я готов поставить на то, что в конце XXI в. мы оглянемся на методы медицинской диагностики при помощи лаборатории на чипе и дешевые способы опреснения воды и восславим их как важнейшие прорывные открытия, которые сделали возможными повышение ожидаемой продолжительности жизни, позволили предотвратить массовые миграции и конфликты. Но я надеюсь также, что к тому времени мы успеем покончить со сжиганием ископаемого топлива, особенно керосина. Эта жидкость подарила нам дешевые путешествия по всему миру, солнечные каникулы и интересные приключения, но его роль в глобальном потеплении слишком велика, чтобы не обращать на нее внимания. Какую жидкость мы изобретем ему на замену? Какова бы она ни была, подозреваю, что и тогда будет существовать предполетный ритуал безопасности. Возможно, туда не включат демонстрацию спасательных жилетов, кислородных масок и пристяжных ремней, но мы не сможем обойтись без церемоний, позволяющих отметить опасную и радостную мощь жидкостей.

Литература для дальнейшего чтения

Ванхунакер М. В полете. Мир глазами пилота. М.: Синдбад, 2019.

Мелвилл Г. Моби Дик, или Белый Кит. М.: Азбука-Аттикус, 2017.

Претор-Пинни Г. Занимательное облаковедение. Учебник любителя облаков. М.: Лайвбук, 2016.

Роач М. Путешествие еды, или Увлекательное путешествие, совершенное вслед за кусочком пищи, и поразительные открытия, сделанные по дороге. М.: Эксмо, 2015.

Роджерс А. У барной стойки. Алкогольные напитки как наука и как искусство. М.: Олимп-бизнес, 2017.

Фарадей М. История свечи. Избранные работы по физике и химии. М.: Амфора, 2015.

Ball, Philip. Bright Earth: Art and the Invention of Colour. Vintage Books (2001).

Fisher, Ronald. The Design of Experiments. Oliver and Boyd (1951).

Jha, Alok. The Water Book. Headline (2016).

Mitov, Michel. Sensitive Matter: Foams, Gels, Liquid Crystals, and Other Miracles. Harvard University Press (2012).

Salsburg, David, The Lady Tasting Tea: How Statistics Revolutionized Science in the Twentieth century. Holt McDougal (2012).

Spence, Charles, and Bentina Piqueras-Fiszman. The Perfect Meal: The Multisensory Science of Food and Dining. Wiley — Blackwell (2014).

Standage, Tom. A History of the World in Six Glasses, Walker (2005).

Список иллюстраций

Структура углеводородной молекулы керосина

Копия древней масляной лампы, использовавшейся во времена Ар-Рази

Водомерка на поверхности воды

Добыча кашалота. Джон Уильям Хилл (1835)

Нефтеперегонный завод; высокие колонны — дистилляционные сосуды

Смесь углеводородных молекул в составе сырой нефти (показаны только атомы углерода)

Структурная формула молекулы нитроглицерина

Сравнение химической структуры двух спиртов — метанола и этанола

Красное вино в бокале, на стенке которого заметен эффект Марангони

Причина, по которой одни вещи плавают, а другие тонут

Человек, лежащий на воде в Мертвом море

Автор после заплыва возле Форти-Фут в Дублине

Приход волны цунами

Древний пещерный рисунок большерогого оленя из Ласко (Франция), сделанный древесным углем и охрой

Структура формулы 2-метокси-4-метилфенола

Муравей в янтаре — окаменевшей древесной смоле

Изменение структуры коллагенового волоконца при превращении в костный клей

Картина падения Икара

Структура природного каучука

Как из двух жидкостей, фенола и формальдегида, получается мощный клей

Фанерный бомбардировщик de Havilland Mosquito

Фанерный стул, сконструированный Чарльзом и Рэй Имз

Отвердитель раскрывает кольцо молекулы эпоксида, позволяя ей образовать полимерный клей

Так молекула воды раскрывает молекулу цианоакрилата с образованием полимерного клея

Момент, когда Дориан Грей впервые увидел свой юный портрет

Руби Райт «Тайная любовь к лимонаду». Линогравюра

Структурная формула 4-циано-4’-пентилбифенила, часто используемого в жидких кристаллах

Структурные различия между кристаллом, жидким кристаллом и жидкостью

Часы-калькулятор Casio

Типичный обед в самолете

Структура муцинов

Чайная плантация

Образцы жидких растворимых чаев

Обжаривание кофе при помощи строительного фена

Примерная схема того, как меняется цвет кофейных зерен при обжарке

Кофеварка гейзерного типа, использовавшаяся для приготовления кофе

Одна из основных составляющих топленого сала, триглицерид

Активный ингредиент мыла — стеарат

Мыло очищает за счет действия поверхностно-активных веществ (ПАВ), таких как стеараты

Один из ранних образцов коммерческого шампуня

Лаурилсульфат натрия (SLS)

Структура лауриновой кислоты, которую часто получают из пальмоядрового масла

Молекулярная структура хлорфторуглеродного соединения фреона

Структура молекулы перфторуглерода

Фрагмент папируса из «Книги мертвых» (1500–1480 гг. до н. э.)

Таблица смертей, вызванных молниями в США

Гипсовая отливка одной из жертв извержения Везувия

Эксперимент Квинслендского университета по капанию битума

Как текучесть жидкости внутри асфальтовой дороги позволяет трещинам самостоятельно затягиваться

Процесс трехмерной печати

Пчелы пользовались 3D-печатью при постройке своих сот намного дольше человека

Ящерица молох собирает воду через кожу, пользуясь гидрофобными материалами и капиллярным эффектом

Благодарности

Я благодарен моим редакторам Дэниелу Крюи и Наоми Гиббс за терпение, поддержку и критическую точность, за готовность смириться с моей одержимостью предполетным инструктажем по безопасности.

Я работаю в Производственном институте с командой ученых, художников, мастеров, инженеров, археологов, дизайнеров и антропологов. Все они так или иначе помогали мне в создании этой книги. Я хочу поблагодарить всю команду за дружбу и поддержку: Зои Лафлин, Мартина Конрина, Элли Доуни, Сару Уилкс, Джорджа Уокера, Даррена Эллиса, Ромена Менье, Неколь Шмитц, Элизабет Корбин, Сару Брауэр, Бет Манро и Анну Плошаски.

Производственный институт — часть Лондонского университетского колледжа, где поощряются междисциплинарное обучение и междисциплинарные же исследования. Там у меня много коллег, которые делают это место центром интеллектуальной жизни, и есть те, кого я хотел бы поблагодарить особо: Базз Баум, Андреа Селла, Гийом Шаррас, Яннис Вентикос, Микал Райли, Марк Литгоу, Хелен Черски, Ребекка Шипли, Дэвид Прайс, Ник Тайлер, Мэттью Бомонт, Найджел Титченер-Хукер, Марк-Оливье Коппенс, Паола Леттиери, Энтони Финкельштейн, Полина Бейвел, Кэти Холлоуэй, Ричард Кэтлоу, Ник Лейн, Аарати Прасад, Маниш Тиваре, Ричард Джексон, Марк Рэнсли и Бен Олдфри.

В Великобритании особенно живое и интересное научно-инженерное сообщество, быть частью которого я имел удовольствие много лет. Я особенно благодарен за поддержку таким людям, как Майк Эшби, Атена Дональд, Молли Стивенс, Питер Хейнс, Эдриан Саттон, Крис Лоренц, Джесс Уэйд, Джейсон Риз, Рауль Фуэнтес, Фил Пернелл, Роб Ричардсон, Йен Тодд, Брайан Дерби, Маркус Дю Сотой, Джим Аль-Халили, Алом Шаха, Алок Джа, Оливия Клеменс, Олимпия Браун, Гейл Кэдрю, Сьюз Кунду, Андрес Третьяков, Элис Робертс, Грег Фут, Тимандра Харкнесс, Джина Коллинз, Роджер Хайфилд, Вивьенн Пэрри, Хана Девлин и Рис Морган.

Отдельно благодарю тех, кто комментировал книгу в процессе ее создания: Йена Хэмилтона, Салли Дэй, Джона Комиси, Риса Филипса, Клэр Петтит и Сару Уилкс. Андреа Селла, Филип Болл, Софи и Арон Медовник, Базз Баум и Энрико Коэн прочли черновик книги целиком и дали мне чрезвычайно полезные отзывы.

Спасибо моему литературному агенту Питеру Таллаку, без которого эта книга не состоялась бы, и всей команде Penguin Random House за помощь в процессе подготовки ее к печати.

Я благодарен Лалу Хитчкоку, Джорджу Райту и Дайане Стори за их поддержку и множество дней, проведенных вместе в Дорсете во время написания этой книги.

Благодарю моих детей Ласло и Иду за то, что разделили со мной свой безмерный энтузиазм по отношению к жидкостям и помогли мне с очень занимательной экспериментальной частью книги.

И, наконец, я хотел бы поблагодарить свою любовь Руби Райт за то, что стала моим главным редактором и музой.

МИФ Научпоп

Весь научпоп на одной странице: mif.to/science

Узнавай первым о новых книгах, скидках и подарках из нашей рассылки mif.to/sci-letter

#mifnauka 

#mifnauka

#mifnauka

#mifnauka

Над книгой работали

Руководитель редакции Артем Степанов

Шеф-редактор Ренат Шагабутдинов

Ответственный редактор Светлана Мотылькова

Литературный редактор Ольга Свитова

Арт-директор Алексей Богомолов

Дизайн обложки Алексей Галкин

Верстка Вячеслав Лукьяненко

Корректоры Юлия Кожемякина, Наталья Витько

ООО «Манн, Иванов и Фербер»

mann-ivanov-ferber.ru

Электронная версия книги подготовлена компанией Webkniga.ru, 2019

Примечания

1

Это не совсем так. Остаточные количества есть всегда. При поступлении в организм большого количества этилового спирта он практически полностью вытесняет остаточный метанол из метаболических процессов. Прим. науч. ред.

(обратно)

2

Добавленный в кустарных условиях контрафактными производителями вместо этилового. По состоянию на 26 декабря 2016 г. число жертв достигло семидесяти семи человек. Подробнее об инциденте: -byli-lyudi-otravivshiesya-boyaryshnikom-i-kogo-za-eto-zaderzhali. Прим. ред.

(обратно)

3

Промежуточное вкусовое ощущение, обусловленное присутствием в продуктах глутамата натрия. Прим. науч. ред.

(обратно)

4

Явление впервые обнаружено Джеймсом Томсоном в 1855 г., а в 1865 г. Карло Марангони подробно исследовал его при написании докторской диссертации. Прим. ред.

(обратно)

5

Перевод А. Абкиной.

(обратно)

6

Fisher R. A. The Design of Experiments. 9th ed. Macmillan Pub Co, 1971.

(обратно)

7

В России он официально запрещен с марта 2003 г., а производство этилированного бензина прекращено примерно годом ранее. Прим. ред.

(обратно)

8

Подробнее см.: .

(обратно)

9

5 мая 2019 г. в Москве в аэропорту Шереметьево на борту авиалайнера Sukhoi Superjet 100, совершавшего рейс Москва — Мурманск, возник пожар, в результате которого погиб 41 человек. Предположительно причиной пожара стала как раз молния, попавшая в самолет. Прим. ред.

(обратно)

Оглавление

Эту книгу хорошо дополняют:

Информация от издательства

Введение

Глава 1. Взрывчатые

Глава 2. Опьяняющие

Глава 3. Глубокие

Глава 4. Клейкие

Глава 5. Фантастические

Глава 6. Физиологические

Глава 7. Освежающие

Глава 8. Чистящие

Глава 9. Охлаждающие

Глава 10. Нестираемые

Глава 11. Туманные

Глава 12. Твердые

Глава 13. Самоподдерживающиеся

Эпилог

Литература для дальнейшего чтения

Список иллюстраций

Благодарности

МИФ Научпоп

Над книгой работали Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg