Холодные чары. Лед в истории человечества - Макс Леонард

факторов. Он также рассматривал расположение семян в гранате как возможную модель того, что происходит в меньшем масштабе, – точно так же, как у Хэрриота с пушечными ядрами. Форма снежинки, как предположил Кеплер, является прямым следствием невидимой структуры льда, и его понимание было подтверждено открытием молекул и атомов, а также более глубокими исследованиями кристаллографии.

Но это случилось гораздо позже. После Кеплера в 1635 году Рене Декарт сделал очень точное описание ледяных кристаллов и снежинок, которые он наблюдал во время непогоды в Амстердаме одной февральской ночью. Он снова подчеркнул их совершенную шестигранную форму. «Это были мелкие ледяные пластинки, совершенно плоские, очень гладкие, очень прозрачные, толщиной примерно с лист довольно плотной бумаги… но они имели столь совершенную шестиугольную форму, их шесть сторон были столь прямы, а шесть углов столь точно равны, что ничего подобного по точности не может сделать человек»[91], – писал он [2]. Декарт сделал эти точные наблюдения только невооруженным глазом, но европейское (пере)открытие формы снежинки выиграло от нового технологического достижения: микроскопа. Около 1620 года, когда он был изобретен, впервые стало возможным увидеть целые миры в одной капле воды или льда.

Роберт Гук, знаменитый естествоиспытатель и член Королевского общества, был одним из первых, кто поделился этими мирами. Его прекрасные иллюстрации снежинок в «Микрографии» (1665) и других работах были выполнены с использованием направляющих, вытравленных на бумаге с помощью компаса и бритвы, чтобы добиться строгой циркулярности и шестигранной симметрии. Такое геометрическое совершенство, по его мнению, было доказательством присутствия Божьего промысла в мире; несовершенные же снежинки стали такими из-за падения их через стихии и резкого приземления на землю.

Лед, снег и жидкая вода занимали центральное место в экспериментах XVII века, отчасти потому, что вода является важным и повсеместно распространенным веществом, но также потому, что лед был ключом к разгадке холода. «Феномен замерзания жидкостей считался основным эффектом холода», – пишет один из историков того времени [3]. Но что же такое холод? Является ли это отдельной сущностью, качеством или эффектом, или он действительно существовал где-то в Туле, на воображаемом севере? Люди научились производить тепло за сотни тысяч лет, но холод оставался загадкой. Как менялись горячее и холодное, были ли они относительными или абсолютными, и как их можно было измерить? Со времен Аристотеля было предложено много различных теорий, но в XVII веке новая корпускулярная теория начала набирать популярность: Декарт предложил, что свет состоит из мельчайших частиц, и многие считали, что тепло и холод тоже состоят из субмикроскопических корпускул, которые прикрепляются к предметам.

Роберт Бойль признан одним из основоположников современной химии и наиболее известен своим законом, описывающим связь между объемом и давлением газов. Однако он также был пионером в зарождающейся науке о холоде. Его труд «Новые эксперименты и наблюдения, касающиеся холода» (New Experiments and Observations Touching Cold, 1665) объединил все его размышления и практическую работу по этой теме, которая занимала его на протяжении почти двух десятилетий. Настойчиво изучая различные явления холода, собирая данные и проверяя существующие теории о его природе, Бойль действовал в духе экспериментальной традиции Фрэнсиса Бэкона (к которому мы еще вернемся позже). Он утверждал, что человеческие чувства не могут точно измерить холод, и, вводя термометр в свою экспериментальную аппаратуру, добился объективных показателей температуры веществ, а также температурных изменений, вызванных различными химическими реакциями. Хотя он не всегда приходил к правильным выводам и многие его эксперименты порождали больше вопросов, чем давали ответов, его наблюдательность и научная строгость внесли значительный вклад в развитие наших представлений о природе.

Лед был ключевым материалом и главным объектом исследования в труде Бойля «Новые эксперименты…». В сотнях экспериментов, которые он провел или описал, Бойль измерял прочность льда, скорость его таяния при контакте с различными веществами, исследовал его воздействие на разные материалы и пытался понять, что представляет собой процесс замерзания. Этот процесс, по его мнению, загадочным образом изменял текстуру других веществ. Бойль опирался на свидетельства Геррита де Веера, участника злополучной голландской экспедиции на Новую Землю, а также капитана Томаса Джеймса, валлийца, который в 1630-х годах стал одним из многих моряков, потерпевших крушение среди ледяных опасностей Северо-Западного прохода. Он извлекал из этих рассказов любую полезную информацию о ледяных рубежах мира.

В своих экспериментах Бойль замораживал все: от уксуса до мочи, от масла до вина, отмечая, что водные жидкости замерзают легче, чем «легкие» или «спиртосодержащие» жидкости [4]. Он также опроверг популярное мнение, что замерзание воды указывает на максимальную степень холода. В нескольких местах он упоминает, что смешивание льда с определенными солями понижает его температуру, даже несмотря на то, что часть льда при этом тает. Хотя это уже было известно (Бэкон в 1620-х годах упоминал эксперименты со льдом и солями), этот факт впоследствии оказался чрезвычайно полезным.

Особую загадку представляло то, почему лед расширяется при замерзании, выбивая пробки из бутылок или даже разбивая их вдребезги. Академия опытов во Флоренции (Accademia del Cimento) сумела довести до разрыва толстые латунные шары благодаря замерзанию воды внутри [5]. Это явление ставило под сомнение теорию, согласно которой холод был всего лишь отсутствием частиц, нагревавших вещество. Если лед занимает больший объем, чем вода, разве это не значит, что в него что-то добавляется? Но тогда почему лед, как бы тяжел он не был, всегда плавает на поверхности воды? Бойль исследовал лед под микроскопом, пытаясь выяснить, объясняется ли его расширение и плавучесть наличием воздушных пузырьков: «Кусочек льда, который на глаз казался прозрачным, словно кристалл, под микроскопом также выглядел совершенно лишенным пузырьков; однако тот же самый кусочек, едва вынутый и брошенный в воду, плавал на ее поверхности», – писал он [6]. Хотя Бойль принимал отдельные положения корпускулярной теории, его, пожалуй, самым значительным открытием стало осознание того, что холод – это не самостоятельная сущность, а отсутствие тепла, его лишение. И именно так оно и оказалось.

Мы теперь знаем, что кристаллическая структура льда делает его менее плотным, чем жидкую воду. При замерзании воды отдельные молекулы соединяются в регулярные тетраэдрические решетки благодаря водородным связям. В этом процессе положительно заряженные атомы водорода в одной молекуле воды притягиваются к отрицательно заряженным атомам кислорода в других молекулах воды.

Водородные связи относительно слабы – они значительно уступают по прочности связям между атомом кислорода и двумя атомами водорода внутри самой молекулы H2O. Поэтому при высокой температуре большинство молекул воды легко разрывают эти водородные связи[92]. Но, когда температура падает и система теряет энергию, все больше молекул воды «захватываются» водородными связями, которые в