Ближайшим аналогом четырехчастного деления природы по Эмпедоклу в древнекитайской философии была концепция у-син, которая выделяла пять элементов: дерево, огонь, землю, металл и воду. Во времена появления у-син были известны пять планет, и число 5 вошло во многие классификации. Было пять направлений (север, юг, восток, запад, центр), пять основных цветов (черный, красный, яшмовый, белый желтый), по одному типу чая на каждый цвет и пять тонов пентатонической музыкальной гаммы[18]. Название «у-син» точнее переводится как «пять движений», и изначально оно относилось именно к перемещениям планет среди неподвижных звезд. То обстоятельство, что переходам между состояниями придавалось не меньшее значение, чем самим состояниям, очень важно. Изменения состояния материи называются «фазовыми переходами». Фазы вещества – это обозначение чуть более конкретное, чем его состояния. Например, лед может содержать несколько разных структур атомного масштаба. Это и есть разные фазы, но все они относятся к твердому состоянию. В настоящее время известно восемнадцать кристаллических фаз льда и одна аморфная фаза. Как фазы, так и состояния соединяются фазовыми переходами. Рассмотрим эти явления более подробно на примере воды и ее превращения в пар.
Хотя вода хорошо нам знакома, она остается веществом весьма волшебным, многие проявления которого мы пока не можем объяснить. Например, сонолюминесценция – это эффект возникновения света из мельчайших пузырьков воздуха в воде при их схлопывании под воздействием звуковой волны. Установившегося общего мнения о том, как или почему это происходит, до сих пор нет. Или же можно взять эффект Мпембы. В 1960-х годах, когда физик Денис Осборн посетил школу в Танганьике, в которой учился тринадцатилетний Эрасто Мпемба, тот спросил, почему вода, нагретая до 100 °C, замерзает быстрее, чем такой же объем воды при 35 °C, если и ту и другую воду поместить в морозильную камеру. Одноклассники и учителя подняли его на смех, но Осборн проверил это утверждение на опыте, который, как ему показалось, подтвердил его справедливость. В 1969 году Осборн и Мпемба опубликовали статью об этом явлении. Общепринятого объяснения механизма этого явления у нас тоже нет; идут споры о том, в самом ли деле оно существует и не является ли этот эффект следствием недостаточного учета других факторов: например, того обстоятельства, что горячая вода сильнее испаряется, и замораживается меньшее ее количество.
Вода обладает множеством странных свойств. Это единственное химическое вещество, которое может существовать в нормальных условиях в виде твердого вещества, жидкости и газа. Другое необычное свойство состоит в том, что вблизи температуры замерзания жидкая вода плотнее, чем твердая: именно поэтому лед плавает, а не тонет. Благодаря этому странному свойству вода у дна водоемов не замерзает, что позволяет рыбам переживать зиму. Если бы у воды не было этого свойства, мы, возможно, не могли бы удивляться его необычности, просто потому что не существовали бы. В общем, переходы из твердого состояния в жидкое не так просты.
Но непросты и переходы из жидкости в газ. Воздух, как и вода, одновременно знаком и загадочен. (Разумеется, газообразная форма воды – это на самом деле не воздух, а пар, то есть воздух, содержащий высокоэнергетические молекулы воды.) Большинством замечательных свойств воздуха в большей или меньшей степени обладают и другие газы, но, поскольку воздух повсеместно присутствует на Земле, именно этот газ используется в большинстве практических приложений. Главным среди его необычных свойств является его невероятная теплоизоляционная способность: одежда согревает благодаря заключенному в ней воздуху; волосяной покров тела создает теплоизолирующий слой воздуха, который позволяет нам выживать в Арктике или сидеть в сауне; пенистые термоизоляционные материалы, используемые в строительстве, тоже работают, удерживая воздух. Вы и сами могли самостоятельно убедиться в превосходных теплоизоляционных свойствах воздуха, если когда-либо слишком долго держали зажженную спичку: вы не ощущаете жар пламени, пока оно не окажется в каком-нибудь миллиметре от вашего пальца. Доминик заметила одно из проявлений магии воздуха, сидя рядом со мною, когда я писал эту книгу. Она попыталась подогреть на плите кружку с чаем, но обнаружила, что вогнутое дно кружки мешает эффективному нагреванию на плите. Однако потом мы поняли, что кружка сделана такой специально и эта особенность полезна. Все кружки имеют вогнутое снизу дно, под которым остается воздух, изолирующий содержимое кружки от поверхности, на которой она стоит (и обычно не дающий этому содержимому остыть). Именно поэтому след, который остается от кружки на столе, имеет форму кольца, а не диска[19]. Яснее всего эта способность воздуха проявляется в аэрогеле – искусственном твердом веществе, почти полностью состоящем из воздуха. Есть знаменитая фотография, на которой цветок лежит на пластинке из аэрогеля толщиной около миллиметра над синим пламенем: цветок остается невысохшим. Кроме того, аэрогель невероятно легок, прозрачен и способен выдерживать вес, во много раз превышающий его собственный (двухграммовый брикет из аэрогеля легко выдерживает вес, в тысячу раз больший). Его применение для теплоизоляции зданий позволяет сэкономить массу места и энергии. К 2011 году поразительные способности аэрогеля были отмечены 15 рекордами в Книге рекордов Гиннесса; многие из них – это попросту практические применения свойств воздуха. А свойства воздуха, как и свойства других газов, порождаются его низкой плотностью.
Газообразная форма любого вещества бывает гораздо менее плотной, чем жидкая. С точки зрения волшебников, это означает, что плотность является примером «параметра порядка» – некоего свойства, существенно изменяющегося при фазовом переходе. Существуют два типа фазовых переходов, и разобраться в них можно, рассмотрев поведение параметров порядка.
Первый тип – это так называемые фазовые переходы первого рода. Они отличаются резким изменением параметра порядка. Предположим, вы кипятите воду. После нагревания жидкой воды до температуры кипения – 100 °C – для ее превращения в газ требуется дополнительная энергия, которую называют скрытой теплотой. Интересно отметить, что для превращения воды, нагретой до 100 °C, нужно приблизительно вдесятеро больше энергии, чем для ее нагревания от комнатной температуры до 100 °C. Если вы готовите напиток, не требующий кипящей воды, – например кофе или зеленый чай, – вы можете сэкономить немало энергии (и следовательно, денег), если выключите чайник по достижении нужной температуры, вместо того чтобы доводить воду до кипения и давать ей остыть. Чтобы увидеть, на что расходуется эта энергия, достаточно заметить, что в течение большей части процесса нагревания чайник остается практически неподвижным, а за несколько секунд до закипания начинает сильно дрожать. Это дрожание, требующее большого количества энергии, – следствие внезапного образования крупных пузырей при превращении жидкости в газ и резком уменьшении плотности.
Фазовые переходы первого рода находят практическое применение в так называемых материалах с фазовым переходом. Я помню, как заворожила меня грелка для рук, которую мне подарили в детстве на Рождество. Она представляла собой пакет с гелем, в котором был маленький металлический диск. Когда я сжимал диск, гель моментально затвердевал и нагревался. Как такое возможно? Неужели производители этой штуки не слыхали о законе сохранения энергии? Откуда берется это тепло? Впоследствии я узнал, как работает это устройство. В него заранее подается энергия, превращающая материал из твердого в жидкий: если поместить пакет в микроволновку[20], его потом можно использовать повторно. Твердое состояние характеризуется меньшей энергией, но для замерзания жидкости необходимо преодолеть энергетический барьер. Сжимание металла позволяет произойти фазовому переходу, при котором выделяется скрытая теплота: он образует поверхность, на которой может начаться рост твердого кристалла. Сейчас материалы с фазовым переходом используются в энергетических системах с возобновляемыми источниками – например солнечными батареями, – в которых в одни дни может случаться избыток энергии, а в другие – нехватка. Избыточную энергию можно сохранить в виде скрытой теплоты, а затем, когда она понадобится, высвободить в виде тепла.
Переходы второго типа называют непрерывными или фазовыми переходами второго рода. Хороший пример такого превращения – образование ферромагнетика. При высоких температурах железо обладает парамагнитными свойствами: спины отдельных его атомов направлены случайным образом. Хотя атомы ощущают магнитные поля друг друга, при высокой температуре их энергия так велика, что не допускает их ориентации в одном направлении и коллективного поведения. Однако при охлаждении железа до температуры ниже 768 °C происходит фазовый переход, и железо становится ферромагнитным. На наномасштабе происходит ориентация спинов, а на макромасштабе – намагничивание железа[21]. Намагниченность играет роль параметра порядка, так же как плотность при закипании воды. Разница в том, что при намагничивании нет никакой скрытой теплоты. Намагничивание происходит по мере уменьшения температуры не резким скачком, а непрерывно. От такого непрерывного изменения параметра порядка и происходит название этого типа фазового перехода. В качестве понятной аналогии можно представить себе, что два типа фазовых переходов соответствуют двум элементам ландшафта: оба описывают изменение высоты, но непрерывный переход подобен пологому склону, а переход первого рода – отвесной скале. При уменьшении давления на воду температура ее кипения снижается. Этот факт был хорошо известен путешественникам и исследователям XIX века, которые оценивали по температуре закипания воды высоту над уровнем моря. Он так же хорошо известен и всем тем волшебникам, которые пытались заваривать чай на горных перевалах. Для получения полноценного вкуса черн