Spis treści

Okładka

Strona tytułowa

Strona redakcyjna

Wstęp

Rakiety i prażona kukurydza

Co podrzucisz, musi spaść

Małe jest piękne

W swoim czasie

Zanurzeni w falach

Dlaczego kaczkom nie marzną stopy?

Sputnik, spirale i łyżeczki

Gdy przeciwieństwa się przyciągają

W szerszej perspektywie

Bibliografia

Podziękowania

Przypisy końcowe

Wszystkie rozdziały dostępne są w pełnej wersji książki

Tytuł oryginału

THE STORM IN A TEACUP

Redakcja: Marta Wójtowicz

Projekt okładki: Pola & Daniel Rusiłowicz JCR Solutions

Korekta i opracowanie indeksu: Ewa Jastrun

Redaktor prowadzący: Anna Brzezińska

Copyright © 2016 by Helen Czerski

All rights reserved.

Copyright © for the Polish edition by Wydawnictwo Czarna Owca, 2017

Copyright © for the Polish translation by Jeremi K. Ochab, 2017

Wydanie I

Wszelkie prawa zastrzeżone. Niniejszy plik jest objęty ochroną prawa autorskiego i zabezpieczony znakiem wodnym (watermark).

Uzyskany dostęp upoważnia wyłącznie do prywatnego użytku.

Rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci bez zgody właściciela praw jest zabronione.

ISBN 978-83-8015-767-5

Wydawnictwo Czarna Owca Sp. z o.o.
ul. Alzacka 15a, 03-972 Warszawa
www.czarnaowca.pl
Redakcja: tel. 22 616 29 20; e-mail: redakcja@czarnaowca.pl
Dział handlowy: tel. 22 616 29 36; e-mail: handel@czarnaowca.pl
Księgarnia i sklep internetowy: tel. 22 616 12 72; e-mail: sklep@czarnaowca.pl

Konwersję do wersji elektronicznej wykonano w systemie Zecer.

Moim rodzicom,
Janowi i Susan

Kiedy byłam na studiach, spędziłam trochę czasu na powtórce z fizyki w domu mojej babci. Bunia, pochodząca z północy pragmatyczka, była pod wielkim wrażeniem, kiedy powiedziałam jej, że uczę się o budowie atomu.

– Aha – zaczęła – a co dzięki tej wiedzy można zrobić?

To bardzo dobre pytanie.

Wstęp

Żyjemy na krawędzi – stoimy w rozkroku pomiędzy planetą Ziemią a resztą wszechświata. W pogodną noc każdy może podziwiać nieprzebrane zastępy jasnych gwiazd, tych swojskich i stałych punktów orientacyjnych, które w żadnym innym zakątku kosmosu tak nie wyglądają. Wszystkie ludzkie cywilizacje spoglądały na gwiazdy, ale żadna ich nie dotknęła. Nasz dom, Ziemia, jest ich przeciwieństwem: nieuporządkowany, zmienny, pełen nowych atrakcji i rzeczy, których codziennie dotykamy i które ulepszamy. Jeśli chce się wiedzieć, jak działa wszechświat, tu należy szukać odpowiedzi. Świat fizyczny pełen jest zdumiewającej różnorodności biorącej się z jednakowych zasad i jednakowych atomów, które jednak, składane na różne sposoby, dają bogactwo rezultatów. Ta różnorodność nie jest jednak losowa – nasz świat pełen jest wzorów.

Kiedy wlejesz mleko do herbaty i energicznie zamieszasz, zobaczysz wir, spiralę dwóch płynów okrążających się, prawie że się nie dotykających. Istnieje ledwie kilka sekund, zanim oba płyny całkowicie się zmieszają. To jednak wystarczająco długo, żeby ją zobaczyć; jest krótkim przypomnieniem, że mieszanie się płynów nie polega na ich natychmiastowym połączeniu się – jest to poprzedzone powstaniem pięknych, wirujących kształtów. Ten sam kształt można dojrzeć i w innych miejscach – z tego samego powodu. Gdy spojrzy się na Ziemię z kosmosu, często można zobaczyć bardzo podobne wiry z chmur, tworzące się tam, gdzie ciepłe i zimne powietrze tańczy wokół siebie, zamiast od razu się wymieszać. W Wielkiej Brytanii takie wiry regularnie przetaczają się z zachodu przez Atlantyk, powodując naszą sławetną, zmienną pogodę. Tworzą się na granicy między zimnym powietrzem polarnym z północy a ciepłym powietrzem tropikalnym z południa. Te masy powietrza ścigają się po okręgach, które wyraźnie widać na zdjęciach satelitarnych. Wiry takie są znane jako depresje tropikalne lub cyklony – gdy ramiona ich spiral nas mijają, doświadczamy nagłych zmian między wietrzną, deszczową i słoneczną pogodą.

Może się wydawać, że wirująca burza niewiele ma wspólnego z mieszaniem herbaty, lecz podobieństwo ich form jest więcej niż przypadkowe. To wskazówka, że mamy do czynienia z czymś bardziej podstawowym. Za obydwoma zjawiskami kryje się metodyczna podwalina powstawania wszystkich takich form – odkryta, zbadana i ściśle sprawdzona w eksperymentach przeprowadzanych przez pokolenia. Tym procesem odkrywania jest nauka: to ciągłe udoskonalanie, sprawdzanie naszego pojmowania, a przy tym dogrzebywanie się do kolejnych rzeczy, które trzeba pojąć.

Niekiedy ten sam wzorzec łatwo dostrzec w nowych miejscach. Czasem jednak jest on ukryty nieco głębiej, ale kiedy w końcu się wyłania, satysfakcja jest większa. Na przykład niekoniecznie spodziewasz się, że rowerzyści mogą mieć coś wspólnego ze skorpionami. Jedni i drudzy jednak, aby przeżyć, używają, choć odwrotnie, tej samej naukowej sztuczki.

Bezksiężycowa noc na północnoamerykańskiej pustyni jest zimna i cicha. Znalezienie tam czegokolwiek graniczy z niemożliwością, gdyż na ziemię pada jedynie słabe światło gwiazd. Aby znaleźć tam pewien szczególny skarb, trzeba zaopatrzyć się w specjalną latarkę i wyruszyć w ciemność. Latarka ta musi dawać światło niewidzialne dla naszego gatunku, tak zwane czarne – światło ultrafioletowe. Nie da się stwierdzić, gdzie konkretnie jest skierowany wędrujący po ziemi strumień tego światła, ponieważ nie możemy go zobaczyć. Aż tu nagle widać błysk i ciemność pustyni przebija zaskoczona, czmychająca plama w jasnym, upiornym, zielononiebieskim kolorze. To skorpion.

W taki właśnie sposób szukają skorpionów ich miłośnicy. Szkielet zewnętrzny tych czarnych pajęczaków zawiera pigmenty, które pochłaniają niewidzialny dla nas ultrafiolet, a oddają światło widzialne. To niezwykle pomysłowy mechanizm, choć jeśli ktoś boi się skorpionów, może być ciut powściągliwy w jej docenieniu. Ta sztuczka świetlna nosi nazwę fluorescencji. Zielononiebieską poświatę skorpionów uznaje się za adaptację pomagającą im znaleźć o zmierzchu najlepszą kryjówkę. Światło ultrafioletowe jest obecne cały czas, ale tuż po tym, gdy słońce schowało się za horyzont, większość światła widzialnego znika i zostaje tylko ultrafiolet. Jeśli więc skorpion jest na otwartym terenie, świeci i jest łatwy do zauważenia, bo niewiele jest wtedy wokół niebieskiego bądź zielonego światła. Jeśli jest on choćby nieznacznie odsłonięty, potrafi wykryć swój blask i stąd wie, że musi się skryć jeszcze lepiej. To zgrabny i skuteczny system sygnalizacyjny – a przynajmniej taki był, dopóki nie pojawili się ludzie z ultrafioletowymi lampami.

Na szczęście dla arachnofobów nie trzeba chodzić nocą po zamieszkanych przez skorpiony pustyniach, aby zobaczyć, na czym polega fluorescencja – często wystarczy do tego nudny miejski poranek. Wróćmy do dbających o bezpieczeństwo rowerzystów: ich kamizelki odblaskowe robią wrażenie dziwnie jasnych na tle otoczenia. Wygląda to tak, jakby się jarzyli, a to dlatego, że… tak właśnie jest. W pochmurne dni światło widzialne jest zatrzymywane, ale ciągle przedostaje się sporo ultrafioletu. Barwniki w kamizelkach odblaskowych pochłaniają go, a odsyłają światło widzialne. To dokładnie ta sama sztuczka, którą robią skorpiony, ale jej cel jest przeciwny. Rowerzyści chcą świecić; kiedy emitują dodatkowe światło, łatwiej ich zobaczyć, a przez to są bezpieczniejsi. Ten rodzaj fluorescencji ludzie dostają gratis – skoro nie dostrzegamy światła ultrafioletowego, nic nie tracimy, gdy zamienia się ono w coś, co możemy wykorzystać.

Fascynujące jest to, że w ogóle tak się dzieje, ale prawdziwą radość sprawia mi, że taki okruch fizyki nie jest wyłącznie ciekawostką – to narzędzie, które można ze sobą nosić. Może się przydać wszędzie. W tym wypadku ten sam okruch fizyki pomaga przeżyć zarówno skorpionom, jak i rowerzystom. To również on sprawia, że tonik świeci w świetle ultrafioletowym, ponieważ zawarta w nim chinina jest fluorescencyjna. Na tym samym polegają czary-mary rozjaśniaczy w proszkach do prania i markerów. Następnym razem, gdy zobaczysz zakreślony akapit, pamiętaj, że tusz markera także działa jak wykrywacz ultrafioletu; mimo że nie możesz zobaczyć tego światła bezpośrednio, blask wskazuje, że ono tam jest.

Studiowałam fizykę, ponieważ wyjaśniała rzeczy, które mnie interesowały. Pozwalała mi rozglądać się i dostrzegać mechanizmy, dzięki którym działa nasz codzienny świat. Ale najlepsze jest to, że umożliwiła mi rozpracowanie niektórych z nich samodzielnie. Chociaż teraz jestem już fizykiem z zawodu, rozgryzienie wielu tych rzeczy nie wymagało laboratoriów, skomplikowanych programów komputerowych ani kosztownych eksperymentów. Najwięcej satysfakcji dawały odkrycia związane z przypadkowymi rzeczami, którymi się bawiłam, gdy wcale nie miałam zajmować się pracą naukową. Znajomość pewnych podstawowych zagadnień fizyki zamienia świat w pudełko zabawek.

Niejednokrotnie ludzie patrzą z góry na wiedzę naukową, z którą mają do czynienia w kuchni, w ogrodzie czy na ulicach miast. Uznają ją za zajęcie dla dzieci, błahą rozrywkę potrzebną młodzieży, ale bezużyteczną dla dorosłych. Bo przecież można kupić książkę o tym, jak działa wszechświat, i to właśnie uważa się za temat godny dorosłego. Takie podejście rozmija się jednak z bardzo istotnym faktem: ta sama fizyka ma zastosowanie wszędzie. Z działania zwykłego tostera można się dowiedzieć o pewnych najbardziej fundamentalnych prawach fizyki, a jego zaletą jest to, że pewnie masz go w domu i sam możesz sprawdzić, jak działa. Fizyka jest nadzwyczajna właśnie dlatego, że jej reguły są uniwersalne – istnieją zarówno w kuchni, jak i w najdalszych zakątkach wszechświata. Zaletą przyglądania się najpierw tosterowi jest to, że nawet jeśli nigdy nie będzie cię nękać pytanie o temperaturę wszechświata, to przynajmniej będziesz wiedzieć, dlaczego tost jest gorący. A kiedy już zaznajomisz się z taką regułą, to rozpoznasz ją w wielu innych miejscach – niektóre z nich okażą się największymi osiągnięciami ludzkości. Rozumienie nauki dotyczącej spraw codziennych jest prostą drogą do zdobycia ogólnej wiedzy o świecie, której każdy członek społeczeństwa potrzebuje, aby w tymże społeczeństwie w pełni uczestniczyć.

Czy kiedykolwiek musiałeś odróżnić surowe jajko od ugotowanego bez rozbijania skorupek? Jest na to prosty sposób. Należy położyć jajko na twardej, gładkiej powierzchni i zakręcić nim. Po kilku sekundach trzeba krótko dotknąć palcem skorupki – tak, by jajko przestało się obracać. Może ono po prostu leżeć tak w bezruchu. Ale po sekundzie czy dwóch może też powoli zacząć się znów obracać. Surowe i gotowane jajka z zewnątrz wyglądają tak samo, ale różnią się w środku i to je zdradza. Jeśli dotknąłeś jajka na twardo, zatrzymałeś cały, sztywny przedmiot; ale dotykając jajka surowego, zatrzymałeś jedynie skorupkę. Płyn w jej środku wcale nie przestał wirować, przez co po około sekundzie zaczęła się znów obracać, ciągnięta przez swoje wnętrze. Jeśli mi nie wierzysz, pójdź po jajko i sam spróbuj. Jedna z zasad fizyki mówi, że obiekty utrzymują ten sam rodzaj ruchu, póki się ich nie pchnie lub nie pociągnie. W tym wypadku całkowita wartość obrotu białka jaja zostaje taka sama, bo nie miała powodu się zmienić. Nazywa się to zachowaniem momentu pędu – i działa nie tylko w jajkach.

Teleskop Kosmiczny Hubble’a, oko śmigające po orbicie wokół naszej planety od 1990 roku, zrobił wiele tysięcy spektakularnych zdjęć kosmosu. Przysłał fotografie Marsa, pierścieni Uranu, najstarszych gwiazd w Drodze Mlecznej, noszącej cudowną nazwę Galaktyki Sombrero i gigantycznej Mgławicy Kraba. Lecz unosząc się swobodnie w przestrzeni, w jaki sposób utrzymać pozycję, spoglądając na tak maleńkie punkciki światła? Skąd wiadomo, w którą dokładnie stronę jest się zwróconym? Teleskop Hubble’a ma sześć żyroskopów – kół, z których każde wykonuje 19 200 obrotów na sekundę. Zachowanie momentu pędu oznacza, że koła te będą utrzymywać takie tempo obrotu, ponieważ nic ich nie spowalnia. Oś obrotu zaś pozostanie zorientowana w dokładnie tę samą stronę, ponieważ nie ma powodu się ruszać. Żyroskopy dają teleskopowi kierunek odniesienia, by jego elementy optyczne były wycelowane w odległy obiekt tak długo, jak to potrzebne. Zasadę fizyczną zastosowaną, by nakierować jeden z najbardziej zaawansowanych cudów techniki, jakie stworzyła nasza cywilizacja, można zademonstrować w kuchni za pomocą jajka.

Właśnie dlatego uwielbiam fizykę. Wszystko, czego się nauczysz, przyda się gdzieś indziej, ale to jedna wielka przygoda, bo nigdy nie wiadomo, gdzie dane odkrycie zaprowadzi cię następnym razem. Z naszej wiedzy wynika, że prawa fizyki, które obserwujemy tu, na Ziemi, działają wszędzie we wszechświecie. Wiele z tych prawideł jest dostępnych każdemu. Można je sprawdzić samodzielnie. Z tego, czego można dowiedzieć się dzięki jajku, wykluwa się zasada, która działa wszędzie. Gdy wychodzisz z domu uzbrojony w takie pisklę, świat wygląda inaczej.

W przeszłości informacja była większym skarbem niż obecnie. Na każdy jej samorodek trzeba było ciężko zapracować, był cenny. Dziś żyjemy na brzegu oceanu wiedzy, na którym powstają fale tsunami zagrażające zdrowym zmysłom. Skoro do tej pory jakoś żyłeś, to po co szukać więcej wiedzy, a zatem i większych komplikacji? Teleskop Kosmiczny Hubble’a jest niczego sobie, ale jeśli raz na jakiś czas nie zerknie w dół, żeby pomóc nam znaleźć klucze, kiedy akurat śpieszymy się na spotkanie, to co za różnica?

Jako ludzie jesteśmy ciekawi świata i zaspokajanie tej ciekawości sprawia nam dużą przyjemność. Ten proces daje jeszcze więcej satysfakcji, jeśli dochodzimy do czegoś samemu lub jeżeli odkryć dokonujemy razem z innymi. Zasady fizyki, które poznajemy przez zabawę, stosują się również w nowych technikach medycznych, w meteorologii, telefonach komórkowych, samoczyszczących się ubraniach i reaktorach termojądrowych. Współczesne życie wymaga ciągłego podejmowania złożonych decyzji: czy warto płacić więcej za świetlówkę kompaktową? Czy bezpiecznie jest spać z telefonem przy łóżku? Czy mam ufać prognozom pogody? Czy to ważne, czy moje okulary przeciwsłoneczne mają filtry polaryzacyjne? Same podstawowe zasady często nie dadzą konkretnych odpowiedzi, ale zapewnią kontekst potrzebny, by zadać dobre pytania. A jeśli będziemy przyzwyczajeni do samodzielnego poszukiwania rozwiązań, nie będziemy się czuć bezradni, gdy za pierwszym podejściem nie otrzymamy oczywistej odpowiedzi. Będziemy wiedzieć, że poświęcając jeszcze chwilę na zastanowienie, jesteśmy w stanie coś wyjaśnić. Krytyczne myślenie jest nieodzowne w próbie zrozumienia świata, zwłaszcza przy wszystkich reklamodawcach i politykach głośno mówiących nam, że to oni wiedzą najlepiej. Musimy umieć przyglądać się faktom i wypracowywać swoje zdanie na ich temat. Stawką jest coś więcej niż nasze codzienne życie. Jesteśmy odpowiedzialni za naszą cywilizację. Głosujemy, wybieramy, co kupować i jak żyć, i wraz z resztą ludzkości idziemy wspólną drogą. Nikt nie jest w stanie zrozumieć każdego szczegółu tak złożonego świata, ale podstawowe zasady są niezwykle cennym narzędziem, które warto mieć pod ręką.

Biorąc to wszystko pod uwagę, myślę, że zabawa fizyką otaczającego nas świata to nie „czysta rozrywka”, mimo że jestem wielką fanką bawienia się dla samej zabawy. Nauka to nie tylko gromadzenie faktów; to logiczny proces dochodzenia do rozwiązań. Zadaniem nauki jest, by każdy mógł spojrzeć na dane i dojść do racjonalnego wniosku. Na początku wnioski te mogą się różnić, lecz potem zbiera się więcej danych pomagających rozstrzygnąć pomiędzy jednym opisem świata a innym, aż w końcu wnioski stają się zbieżne. To odgradza nauki ścisłe od innych dziedzin – hipoteza naukowa musi dawać konkretne, sprawdzalne przewidywania. To znaczy, że jeśli masz pomysł, jak coś może działać, następnym krokiem jest obmyślenie, jakie są następstwa tego pomysłu. W szczególności należy usilnie szukać następstw, które da się sprawdzić, a zwłaszcza takich, co do których można stwierdzić, że są błędne. Jeśli twoja hipoteza przejdzie każdy test, na jaki można wpaść, ostrożnie zgadzamy się, że prawdopodobnie jest to dobry model tego, jak działa świat. Nauka ciągle stara się pokazać, że się myli, bo to najszybsza ścieżka, żeby zobaczyć, o co rzeczywiście chodzi.

Nie trzeba być wykształconym naukowcem, żeby eksperymentować ze światem. Kiedy zna się podstawowe zasady fizyki, już jest się na dobrej drodze, żeby samodzielnie dojść do wielu rzeczy. Czasami nawet nie musi to być proces uporządkowany – elementy układanki niemal same znajdują swoje miejsce.

Jedna z moich ulubionych wypraw w nieznane zaczęła się od rozczarowania: robiłam dżem z borówek amerykańskich, a on wyszedł różowy. Wściekle różowy jak fuksja. Stało się to kilka lat temu, kiedy mieszkałam na Rhode Island i właśnie dogrywałam ostatnie sprawy przed przeprowadzką z powrotem do Wielkiej Brytanii. Większość rzeczy już zrobiłam, ale było jeszcze jedno przedsięwzięcie, które stanowczo musiałam zdążyć zrobić przed wyjazdem. Zawsze uwielbiałam borówki – były nieco egzotyczne, pyszne, a przy tym pięknie i przedziwnie niebieskie. W większości miejsc, w których mieszkałam, występują w irytująco niewielkich ilościach, ale na Rhode Island jest ich w bród. Zamierzałam zmienić część letniego borówkowego łupu w niebieski dżem, który mogłabym zabrać do Wielkiej Brytanii. I tak oto spędziłam jeden z ostatnich tamtejszych poranków na zrywaniu i przebieraniu borówek.

Z pewnością najważniejsze i najbardziej ekscytujące w dżemie borówkowym jest to, że jest niebieski. Tak w każdym razie myślałam. Ale natura miała inny plan. O rondlu bulgoczącego dżemu można było powiedzieć wiele rzeczy, ale na pewno nie to, że jego zawartość była niebieska. Napełniłam nią słoiki i naprawdę smakowała cudownie. Ale rozczarowanie i niezrozumienie ciągnęło się za mną i moim różowym dżemem przez ocean aż do domu.

Sześć miesięcy później znajomy poprosił mnie, żebym pomogła mu w rozwiązaniu historycznej zagadki. Przygotowywał akurat program telewizyjny o wiedźmach – jak mówił, istniały zapiski o zielarkach gotujących w wodzie płatki werbeny i nakładających wywar ludziom na skórę, aby rozpoznać, czy rzucono na nich urok. Zastanawiał się, czy mierzyły jakieś systematyczne zjawisko, nawet jeśli nie to, które zamierzały. Trochę poszperałam i odkryłam, że tak właśnie mogło być.

Fioletowe kwiaty werbeny, a obok nich czerwona kapusta, pomarańcza malinowa i wiele innych czerwonych i fioletowych roślin zawiera związki chemiczne zwane antocyjanami – barwniki, które nadają im te jaskrawe kolory. Występują w kilku odmianach, przez co kolor nieco się różni, ale wszystkie mają podobną budowę cząsteczkową. Na tym jednak nie koniec. Ich kolor zależy również od kwasowości płynu, w którym taka cząsteczka się znajduje – czyli od tak zwanego pH. Kiedy zmieni się środowisko na ciut kwaśniejsze lub ciut bardziej zasadowe, kształt molekuł nieznacznie się zmienia, a wraz z nim ich kolor. Są to wskaźniki, czyli wyprodukowane przez naturę papierki lakmusowe.

Można się nimi świetnie bawić w kuchni. Żeby wyciągnąć z rośliny pigment, trzeba ją ugotować; ugotuj więc trochę czerwonej kapusty i zachowaj wodę (która teraz będzie fioletowa). Jeśli dodasz trochę octu, stanie się czerwona. Od roztworu proszku do prania (który jest silną zasadą) stanie się żółta lub zielona. Można wytworzyć tak całą tęczę tylko z tego, co mamy w kuchni. Wiem, bo sama to zrobiłam. Uwielbiam to odkrycie, ponieważ antocyjany są wszędzie, dostępne dla każdego. Nie trzeba żadnego zestawu małego chemika!

Więc może tamte zielarki używały kwiatów werbeny do sprawdzania pH, a nie, czy został na kogoś rzucony urok. Odczyn pH skóry ulega naturalnym zmianom, a nałożenie na nią mikstury z werbeny mogło skutkować różnymi kolorami u różnych ludzi. Kiedy cała byłam spocona od długiego biegu, byłam w stanie zmienić kolor kapuścianej wody z fioletowego na niebieski, ale kiedy nie wykonywałam żadnych ćwiczeń, kolor się nie zmieniał. Zielarki prawdopodobnie zauważały, że ludzie w różny sposób zmieniali kolor barwników werbeny, i dorobiły do tego własną interpretację. Nigdy już się nie dowiemy, jak było naprawdę, ale wydaje mi się to rozsądną hipotezą.

Dość o historii. Wtedy właśnie przypomniałam sobie o borówkach i dżemie. Borówki są niebieskie, ponieważ zawierają antocyjany. Dżem ma tylko cztery składniki: owoce, cukier, wodę i sok z cytryny. Sok ten pomaga zawartej w owocach naturalnej pektynie w zestalaniu dżemu. A dzieje się tak, gdyż… jest to kwas. Mój dżem stał się różowy, ponieważ rondel gotowanych borówek działał jak jeden wielki papierek lakmusowy. Musiał być różowy, żeby dobrze stężeć. Ekscytacja związana z rozwiązaniem tej zagadki niemal zrekompensowała rozczarowanie spowodowane tym, że nie udało mi się zrobić niebieskiego dżemu. Niemal. Ale odkrycie, że z jednego owocu można otrzymać całą tęczę kolorów, jest warte tej ofiary.

W tej książce chodzi o powiązanie tych małych rzeczy, które widzimy każdego dnia, z wielkim światem, w którym żyjemy. Chodzi o igraszki ze światem fizycznym, które pokazują, jak zabawa prażoną kukurydzą, plamami kawy czy magnesami na lodówkę może rzucić światło na ekspedycje Scotta, na testy medyczne i rozwiązania dotyczące zapotrzebowania energetycznego w przyszłości. Nauka to nie „oni” – nauka to my i każdy z nas może przeżyć tę przygodę na swój sposób. Każdy rozdział zaczyna się od rzeczy małej, ze świata codziennego, od czegoś, co zapewne często widujemy, ale nad czym być może nigdy się nie zastanawialiśmy. W kolejnych rozdziałach zobaczymy, jak te same struktury tłumaczą niektóre z najważniejszych osiągnięć nauki i techniki naszych czasów. Każde takie miniposzukiwanie jest cenne samo w sobie, ale prawdziwą nagrodę przynosi dopiero poskładanie kawałków układanki w całość.

Z wiedzy o tym, jak działa świat, wynika też inna korzyść, ale akurat o niej naukowcy nie mówią wystarczająco często. Zobaczenie, co wprawia świat w ruch, zmienia perspektywę. Świat jest mozaiką fizycznych układów i kiedy już zna się podstawy, zaczyna się dostrzegać, jak one się ze sobą łączą. Mam nadzieję, że w miarę czytania tej książki nauka, wykluwająca się w drodze przez kolejne rozdziały, przerodzi się w inny sposób widzenia świata. W ostatnim rozdziale analizuję to, jak różne wzorce zazębiają się, tworząc trzy układy podtrzymujące życie: ludzkie ciało, naszą planetę i cywilizację. Ale nie musisz się ze mną zgadzać. Istotą nauki jest samodzielne eksperymentowanie z regułami, rozważanie wszystkich dostępnych dowodów i w końcu dochodzenie do własnych wniosków.

Szklanka to dopiero początek.

1

Rakiety i prażona kukurydza

Prawa gazów

Wybuchy w kuchni są na ogół źle widziane. Ale raz na jakiś czas mały wybuszek może zrobić coś pysznego. Wysuszone ziarno kukurydzy zawiera wiele przyjemnych, składników odżywczych – węglowodany, białka, żelazo i potas – ale są bardzo gęsto upakowane, a dostępu do nich broni twarda łupina. Ich potencjał jest nęcący, ale żeby stały się jadalne, trzeba je radykalnie przebudować. Wybuch to po prostu bilet wstępu, a tak się dobrze składa, że ziarno niesie w sobie nasienie samozniszczenia. Ostatniego wieczora potrzebowałam się wystrzelać w kuchni i zrobiłam popcorn. Zawsze napawa to otuchą, kiedy okazuje się, że za twardą, nieprzyjazną skorupą może kryć się delikatniejsze wnętrze – tylko dlaczego w tym wypadku, zamiast rozerwać się na kawałki, z wnętrza tworzy się gąbczasty obłoczek?

Kiedy już rozgrzałam olej na patelni, dorzuciłam łyżkę ziaren, przykryłam pokrywką i zostawiłam, żeby wstawić wodę na herbatę. Na zewnątrz szalała potężna burza, w szyby waliły ciężkie krople deszczu. Kukurydza leżała w oleju i delikatnie syczała. Z mojej perspektywy wydawało się, że nic się nie dzieje, ale na patelni spektakl już się zaczął. Każde ziarno kukurydzy zawiera zarodek, z którego wyrasta nowa roślina, oraz bielmo, które służy jej za pokarm. Bielmo składa się ze skrobi upakowanej w granulki i zawiera około 14% wody. Gdy ziarna prażyły się w gorącym oleju, woda zaczęła zamieniać się w parę. Gorące cząsteczki poruszają się szybciej, więc w miarę podgrzewania się ziaren śmigało po nich coraz więcej cząsteczek pary wodnej. Ewolucyjnym zadaniem łuski ziarna kukurydzy jest wytrzymać atak z zewnątrz, ale teraz musiała ona stłumić wewnętrzny bunt – działała przez to jak miniszybkowar. Molekuły wody w postaci pary były uwięzione, a brak możliwości ucieczki sprawiał, że ich ciśnienie wzrastało. Cząsteczki gazu bezustannie wpadały na siebie nawzajem i na otaczające je ściany, a gdy ich liczba i prędkość rosła, coraz mocniej od wewnątrz uderzały w łupinę.

Szybkowary działają dzięki temu, że gorąca para bardzo skutecznie wszystko gotuje, i nie inaczej dzieje się wewnątrz prażącej się kukurydzy. Kiedy rozglądałam się za torebkami herbaty, skrobiowe granulki gotowały się na ściśniętą galaretowatą mamałygę, podczas gdy ciśnienie ciągle rosło. Łuska kukurydzy potrafi wytrzymać duży nacisk, ale tylko do czasu. Gdy temperatura w środku zbliża się do 180°C, a ciśnienie wzrasta do niemal dziesięciokrotności zwykłego ciśnienia otaczającego nas powietrza, mamałyga jest o krok od zwycięstwa.

Kiedy lekko potrząsnęłam patelnią, usłyszałam w niej pierwsze głuche puknięcie. Po kilku sekundach brzmiało to już tak, jakby w środku strzelał miniaturowy karabin maszynowy – widziałam, jak uderzana od spodu pokrywka podskakuje. Z każdym kolejnym puknięciem spod jej krawędzi wydostawał się całkiem okazały kłąb pary. Zostawiłam to tak na chwilę, żeby zalać sobie herbatę, i w ciągu tych zaledwie paru sekund grad wystrzałów przesunął pokrywkę i uwolnił uciekający kukurydziany obłoczek.

W chwili katastrofy zasady się zmieniają. Do tej pory stała ilość pary wodnej była zamknięta, przez co ciśnienie, jakie wywierała ona na wnętrze łupiny, wzrastało wraz z temperaturą. Lecz gdy twarda łuska w końcu ustąpiła, wnętrze zostało wystawione na panujące w pozostałej części patelni ciśnienie atmosferyczne i nic nie ograniczało już jego objętości. Skrobiowa mamałyga wciąż pełna jest gorących, zderzających się cząsteczek, ale od zewnątrz nic już nie wywiera nacisku. Rozszerza się więc ona wybuchowo, aż ciśnienie w środku zrówna się z tym na zewnątrz. Zwarta biała paćka rozpręża się w puszystą, białą gąbkę i wywraca na lewą stronę całe ziarno; temperatura spada, co powoduje również stwardnienie. Przemiana została zakończona.

Wysypawszy prażoną kukurydzę z patelni, odkryłam jeszcze kilku niedobitków – ciemne, opalone ziarna, które nie wybuchły, smutno grzechotały na dnie patelni. Jeśli łuska jest uszkodzona, para wodna ucieka w czasie podgrzewania, więc ciśnienie nie rośnie. Powodem, dla którego kukurydza strzela, a inne zboża nie, jest to, że u innych rodzajów łupina jest porowata. Jeśli ziarno jest zbyt suche – być może dlatego, że zostało zebrane nie wtedy, kiedy trzeba – nie ma w nim dość wody i ciśnienie nie wzrasta na tyle, aby rozsadzić łuskę. Bez gwałtowności wybuchu niejadalne ziarno takim już pozostaje.

Podeszłam do okna z miską idealnie przygotowanego popcornu i herbatą i stałam wpatrzona w nawałnicę. Zniszczenie nie zawsze musi być czymś złym.

* * *

Piękno tkwi w prostocie. Ale jeszcze przyjemniej widzieć, jak piękno krystalizuje się ze złożoności. Prawa mówiące o zachowaniach gazów są dla mnie jak te iluzje optyczne, w których wydaje ci się, że widzisz jakąś rzecz, ale gdy mrugniesz, już widzisz coś zupełnie innego.

Żyjemy w świecie zbudowanym z atomów. Każda z tych maleńkich kropek materii ubrana jest w charakterystyczny wzór ujemnie naładowanych elektronów, opiekunów ciężkich, naładowanych dodatnio jąder w środku. Chemia opowiada o tym, jak ci opiekunowie dzielą obowiązki pomiędzy wiele atomów, jak zmieniają szyki, zawsze jednak podporządkowując się ścisłym regułom kwantowego świata, utrzymując uwięzione w ten sposób jądra w większych układach zwanych cząsteczkami. W powietrzu, którym oddycham, pisząc te słowa, są pary atomów tlenu (każda taka para to jedna cząsteczka tlenu), poruszające się z prędkością 1450 kilometrów na godzinę, uderzające w pary atomów azotu latających z prędkością 320 kilometrów na godzinę i może też w końcu odbijające się od cząsteczek wody pędzących 1600 kilometrów na godzinę. Jest to przerażająco skomplikowany nieporządek – różne atomy, różne cząsteczki, różne prędkości – w każdym centymetrze sześciennym powietrza jest około 30 000 000 000 000 000 000 (3 × 10^19) pojedynczych molekuł, z których każda zderza się z czymś miliard razy na sekundę. Myślisz pewnie, że rozsądnym wyjściem byłoby rzucić to wszystko, póki się da, i zamiast tego zająć się neurochirurgią, ekonometrią albo hakowaniem superkomputerów. W każdym razie czymś prostszym. Mogło więc tak być, że badacze, którzy dokonali pionierskich odkryć w dziedzinie zachowania gazów, nie mieli o tych strasznościach bladego pojęcia. Niewiedza bywa jednak pożyteczna. Pojęcie atomów nie było właściwie częścią wiedzy naukowej aż do początków XIX wieku, a niezbity dowód na ich istnienie pojawił się dopiero około 1905 roku. W roku 1662 jedyne, czym dysponowali Robert Boyle i jego asystent Robert Hooke, to szklane naczynia laboratoryjne, rtęć, odrobina zamkniętego powietrza i właśnie tyle niewiedzy, ile było trzeba. Odkryli oni, że kiedy ciśnienie wywierane na powietrze rosło, jego objętość malała. Jest to prawo Boyle’a–Mariotte’a, mówiące, że ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do jego objętości. Sto lat później Jacques Charles stwierdził, że objętość gazu jest wprost proporcjonalna do jego temperatury. Kiedy dwukrotnie zwiększy się temperaturę, dwukrotnie zwiększa się objętość. To niemal niewiarygodne. Jakim sposobem takie atomowe kotłowisko może tak konsekwentnie prowadzić do czegoś tak prostego?

* * *

Ostatni wdech, jedno nieśpieszne machnięcie pękatym ogonem i olbrzym zostawia atmosferę w tyle. Wszystko, co temu kaszalotowi będzie potrzebne do życia przez najbliższe 45 minut, zmagazynowane jest w jego ciele – czas wyruszyć na łowy. Zdobyczą ma być kałamarnica olbrzymia, gumowaty potwór uzbrojony w macki, groźne przyssawki i przerażający dziób. Żeby znaleźć ofiarę, wieloryb musi odważyć się zejść głęboko w prawdziwą ciemność oceanu, do miejsc nietkniętych promieniami słońca. Z reguły nurkuje do 500–1000 metrów, ale odnotowany rekord to mniej więcej dwa kilometry. Zwierzę sonduje czerń oceanu sonarem precyzyjnie określającym kierunek dochodzących dźwięków, wyczekując nikłego echa, które wskaże, że w pobliżu może być obiad. Tymczasem kałamarnica przemierza wodę, nic nie przeczuwając, nieświadoma zagrożenia, gdyż jest głucha.

Najcenniejszym skarbem niesionym przez kaszalota w mroczną głębię jest tlen – niezbędny do podtrzymania reakcji chemicznych odpowiedzialnych za zasilanie mięśni, dzięki którym pływa, i jego procesy życiowe. Na głębokości tlen w płucach dostarczany przez atmosferę w postaci gazu staje się jednak brzemieniem – w zasadzie dzieje się tak od razu, gdy tylko wieloryb zejdzie pod powierzchnię. Każdy kolejny metr przepłynięty w dół to kolejny metr wody ściskający swoim ciężarem wieloryba. Cząsteczki azotu i tlenu odbijają się od siebie i od ścian płuc, każdym zderzeniem leciuteńko na nie napierając. Na powierzchni ciśnienia wywierane na zwierzę do wewnątrz i na zewnątrz równoważą się. W miarę schodzenia pod wodę olbrzym jest zgniatany przez dodatkowy ciężar wody ponad nim i siła z zewnątrz przeważa nad siłą z wewnątrz. Ściany płuc schodzą się więc do środka, aż naciski ponownie się zrównoważą. Stan równowagi zostaje osiągnięty, ponieważ gdy płuca są zgniatane, cząsteczki mają mniej miejsca i częściej zachodzą pomiędzy nimi zderzenia. Oznacza to, że na każde miejsce płuc przypada więcej uderzających w nie molekuł, wzrasta więc ciśnienie wewnątrz, aż cząsteczki są znów w stanie mierzyć się z zewnętrznymi naciskami. Głębokość dziesięciu metrów wody wystarcza, by wywrzeć dodatkowe ciśnienie odpowiadające ciśnieniu atmosfery. Więc nawet gdyby wieloryb był tak blisko powierzchni, że ciągle mógłby ją zobaczyć (gdyby tam patrzył), jego płuca skurczyłyby się do połowy początkowej objętości. Oznacza to, że następuje w nich dwa razy więcej zderzeń cząsteczek ze ścianami, co równoważy podwojone ciśnienie zewnętrzne. Ale kałamarnica może być kilometr pod powierzchnią, a tak głęboko ogromne ciśnienie wody oznacza, że płuca powinny zapaść się do zaledwie 1% objętości, którą miały u góry.

Koniec końców kaszalot słyszy odbicie jednego ze swoich głośnych kliknięć. Teraz, ze ściśniętymi płucami i kierując się wyłącznie sonarem, musi się przygotować na bitwę w ogarniających go ciemnościach. Kałamarnica olbrzymia jest uzbrojona i nawet jeśli ostatecznie ulegnie, wieloryb być może odpłynie potwornie poraniony. Ale skąd w ogóle, bez tlenu z płuc, bierze on energię do walki?

Kłopot ze ściśniętymi płucami polega na tym, że przy jednej setnej objętości, którą miały na powierzchni, ciśnienie znajdującego się w nich gazu jest sto razy większe niż ciśnienie atmosferyczne. W pęcherzykach płucnych, tych delikatnych częściach, w których tlen wymienia się z dwutlenkiem węgla z krwi, takie ciśnienie wtłoczyłoby do niej i rozpuściło w niej zarówno dodatkowy azot, jak i tlen. Byłaby to skrajna wersja tego, co nurkowie nazywali niegdyś „krzywikiem”, czyli choroby dekompresyjnej – we krwi powracającego na powierzchnię wieloryba dodatkowy azot zabulgotałby, powodując przeróżne uszkodzenia. Ewolucyjnym rozwiązaniem jest całkowite zamknięcie pęcherzyków w chwili, gdy zwierzę zaczyna schodzić pod wodę. Nie ma innej możliwości. Kaszalot ma jednak dostęp do zapasów energii, ponieważ potrafi składować we krwi i w mięśniach nadzwyczajną ilość tlenu. Ma dwa razy więcej hemoglobiny niż człowiek i około dziesięciu razy więcej mioglobiny (białka używanego do magazynowania w mięśniach energii); te potężne zasoby uzupełnia na powierzchni. Kaszaloty podczas tych głębokich nurkowań nigdy nie oddychają płucami. To zbyt niebezpieczne. Pod wodą nie korzystają również wyłącznie z ostatniego oddechu. Siłę do życia – i walki – czerpią z nadwyżki zgromadzonej w mięśniach, z tych tajnych rezerw odnawianych, gdy przebywają na powierzchni.

Nikt nigdy nie był świadkiem walki pomiędzy kaszalotem a kałamarnicą olbrzymią. Jednakże żołądki martwych wielorybów tego gatunku zawierają dzioby kałamarnic – jedyną część ich ciała, której nie da się strawić. Kaszaloty noszą więc w sobie ewidencję wygranych bitew. Gdy zwycięskie na powrót wypływają ku blaskowi słońca, ich płuca stopniowo ponownie rozdymają się i łączą z obiegiem krwi. W miarę zmniejszania się ciśnienia objętość znów wrasta, aż w końcu wraca do punktu wyjścia.

To zastanawiające, że połączenie złożonego zachowania cząsteczek ze statystyką (niekojarzoną zwykle z prostotą) daje w rzeczywistości stosunkowo nieskomplikowany wynik. Faktycznie, istnieje pełno cząsteczek, mnóstwo zderzeń i multum różnych prędkości, ale jedyne dwa istotne czynniki to: zakres prędkości poruszania się molekuł i średnia liczba ich zderzeń ze ścianami pojemnika. Liczba zderzeń oraz ich siła (wynikająca z prędkości i masy cząsteczek) określają ciśnienie. Ten sumaryczny nacisk przeciwstawiony naciskowi z zewnątrz określa objętość. Temperatura zaś wywołuje ciut inny efekt.

* * *

„Komu przyszłoby teraz do głowy się niepokoić?”. Nasz nauczyciel, Adam, ubrany jest w biały fartuch naciągnięty na radośnie baryłkowaty brzuszek, właśnie taki, jakiego agencje castingowe wymagają do roli pogodnego piekarza. Silny londyński, gwarowy akcent tylko dodaje mu uroku. Wbija palec w smutny kawał ciasta rzucony przed sobą na stół, a ciasto lgnie do niego, jakby było żywe – takie zresztą oczywiście jest. „To, czego trzeba dobremu chlebowi – oznajmia – to powietrze”. Stoję w szkole piekarniczej i uczę się robić focaccię, tradycyjny włoski chleb. Jestem pewna, że ostatni raz założyłam fartuch, kiedy miałam dziesięć lat. I mimo że wiele chlebów się już napiekłam, to nie widziałam jeszcze tak pulchnego kawału ciasta, więc widzę, że już uczę się czegoś nowego.

Zgodnie z poleceniami Adama posłusznie zaczynamy robić własne ciasto od zera. Każdy z nas miesza świeże drożdże z wodą, potem z mąką i solą i wyrabia wszystko energicznie jak masażysta, żeby porozwijać gluten – białko, które nadaje pieczywu sprężystość. Cały czas, gdy rozciągamy i rozrywamy fizyczną strukturę ciasta, obecne w niej żywe drożdże zajęte są fermentacją cukrów i wytwarzaniem dwutlenku węgla. To ciasto, tak jak wszystkie, które kiedykolwiek wyrabiałam, nie ma w sobie ani krzty powietrza – ma tylko mnóstwo bąbelków dwutlenku węgla. Produkty życia toczącego się w tym lepkim, rozciągliwym bioreaktorze są uwięzione, przez co on sam rośnie. Gdy pierwszy etap jest za nami, po przyjemnej kąpieli w oliwie ciasto dalej zwiększa objętość, podczas gdy my czyścimy z niego dłonie, stół i otoczenie w zaskakująco szerokich granicach. W każdej reakcji fermentacji drożdże produkują dwie cząsteczki dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla, czyli CO_2 – dwa atomy tlenu przyczepione do atomu węgla – jest małą i nielubiącą zachodzić w reakcje molekułą, która w temperaturze pokojowej ma dość energii, by unosić się swobodnie jako gaz. Kiedy dotrze już do bąbelka z wieloma innymi cząsteczkami CO_2, przez godziny będzie się z nimi zderzać, jak samochodziki w wesołym miasteczku. Za każdym razem, gdy wpadnie na inną cząsteczkę, prawdopodobnie dojdzie do wymiany energii, zupełnie jak przy uderzeniu białą bilą innej bili. Czasem pierwsza prawie zupełnie zwalnia, a druga przejmuje całą tę energię i zostaje wybita z dużą szybkością; czasem energia rozdziela się pomiędzy nie. Za każdym razem, gdy cząsteczka wlatuje w pełną glutenu ścianę pęcherzyka, odbijając się, naciska na nią. Na tym etapie właśnie przez to bąbelki rosną – gdy dostają do środka więcej cząsteczek, ich nacisk na zewnątrz staje się coraz silniejszy. Rozdymają się więc, aż nacisk z drugiej strony, od atmosfery, zrówna się z parciem wywieranym przez cząsteczki dwutlenku węgla. Czasem molekuły po zderzeniu ze ściankami poruszają się szybko, a czasem wolno. Piekarzom, jak i fizykom, wszystko jedno, które cząsteczki uderzają w które ściany i z jaką szybkością, ponieważ jest to czysta statystyka. W temperaturze pokojowej przy ciśnieniu atmosferycznym 29% z nich porusza się w zakresie 350–500 metrów na sekundę – i nie jest ważne, które konkretnie.

Adam klaszcze w dłonie, by zwrócić naszą uwagę i w teatralnym geście iluzjonisty odsłania rosnące ciasto. A następnie robi coś dla mnie nowego. Rozciąga pokryte oliwą ciasto i składa je wpół, po jednym razie z każdej strony. Robi to, by złapać powietrze w zagięcia. W pierwszej chwili cisnęło mi się na usta: „Przecież to oszustwo!”, bo zawsze zakładałam, że całe „powietrze” w chlebie to dwutlenek węgla od drożdży. Widziałam kiedyś w Japonii mistrza origami z entuzjazmem tłumaczącego uczniom, jak poprawnie powinno się używać taśmy klejącej do zrobienia z papieru konia, i poczułam to samo niedorzeczne oburzenie jak w piekarni. Ale skoro chcemy powietrza, to czemu go nie użyć? Po upieczeniu nikt się nie zorientuje. Ulegam fachowej wiedzy i potulnie zagniatam własne ciasto. Kilka godzin później – po ponownym odstawieniu do wyrośnięcia, zagniataniu i wchłanianiu niewyobrażalnej dla mnie ilości oliwy – moja rodząca się, napowietrzona bąbelkami focaccia nadaje się do pieca. Teraz oba rodzaje „powietrza” miały swoje pięć minut.

Wewnątrz pieca energia cieplna wpływała do chleba. Ciśnienie w piecu było takie samo jak na zewnątrz, ale temperatura chleba nagle podniosła się z 20°C do 250°C. W skali bezwzględnej to wzrost z 293 do 523 kelwinów (K), czyli niemal podwojenie się temperatury^1. Dla gazów oznacza to przyspieszenie ruchów cząsteczek. Nieintuicyjne dla nas jest to, że pojedyncze molekuły nie mają własnej temperatury. Gaz – rój cząsteczek – może mieć temperaturę, ale pojedyncze należące do niego cząsteczki już nie. Temperatura gazu to tylko sposób przedstawienia, jak dużo energii ruchu mają średnio owe cząsteczki, ale każda z nich ciągle przyspiesza, zwalnia i wymienia energię w zderzeniach z innymi. Każda po prostu bawi się jak samochodzik z lunaparku mający akurat taką, a nie inną energię. Im szybciej jeżdżą, tym mocniej wpadają na ściany pęcherzyków, a więc tym większe wytwarzają ciśnienie. Gdy chleb został włożony do pieca, cząsteczki gazu nagle otrzymały o wiele więcej energii cieplnej i przyspieszyły. Średnia szybkość przesunęła się z 480 do 660 metrów na sekundę. Ściany bąbelków były więc rozpychane znacznie mocniej, ale nacisk z zewnątrz się nie zmienił. Każdy z pęcherzyków rozrósł się proporcjonalnie do temperatury, a napierając na ciasto od środka, wymuszał jego puchnięcie. I teraz najlepsze… Pęcherzyki powietrza (głównie azotu i tlenu) rozszerzały się dokładnie tak samo jak pęcherzyki dwutlenku węgla. To ostatni element układanki. Okazuje się, że nie jest ważny rodzaj cząsteczek. Gdy dwukrotnie zwiększy się temperaturę, objętość też zwiększy się dwukrotnie (przy zachowaniu stałego ciśnienia). Albo gdy utrzyma się stałą objętość, a dwukrotnie zwiększy temperaturę, to dwukrotnie wzrośnie też ciśnienie. Dodatkowa kwestia obecności różnych atomów jest nieistotna, bo dla dowolnej mieszanki statystyka zadziała tak samo. Patrząc na upieczony chleb, nikt nie będzie w stanie powiedzieć, które bąbelki były wypełnione CO_2, a które powietrzem. Otaczający je białkowo-węglowodanowy szkielet został upieczony i zastygł. Wielkość bąbelków się ustaliła. Biała, puszysta focaccia została zabezpieczona.

Zachowanie gazów opisane jest przez tak zwane prawo gazu doskonałego, a ta doskonałość jest uzasadniona tym, że zasada działa. I to działa zdumiewająco dobrze. Prawo to mówi, że przy stałej masie gazu jego ciśnienie jest odwrotnie proporcjonalne do objętości (podwojenie ciśnienia zmniejsza objętość o połowę), temperatura jest wprost proporcjonalna do ciśnienia (podwojenie temperatury dwukrotnie zwiększa ciśnienie) oraz objętość, przy stałym ciśnieniu, jest wprost proporcjonalna do temperatury. Nieważne, co to za gaz, tylko ile jest jego cząsteczek. To prawo gazu doskonałego napędza silniki spalinowe, balony na ogrzane powietrze – i sprawia, że powstaje popcorn. Ma ono zastosowanie nie tylko wtedy, gdy coś się ogrzewa, ale także wtedy, gdy się schładza.

* * *

Dotarcie na biegun południowy było ogromnym dokonaniem w historii ludzkości. Wielcy odkrywcy polarni – Amundsen, Scott, Shackleton i inni – są postaciami legendarnymi, a książki o ich osiągnięciach i porażkach są zarazem jednymi z najwspanialszych opowieści przygodowych wszech czasów. I jakby nie wystarczyło to, że mierzyli się z niewyobrażalnym zimnem, brakiem pożywienia, szalejącymi oceanami i niedostosowanymi do warunków ubraniami, potężne prawo gazu doskonałego było całkiem dosłownie przeciwko nim.

Środek Antarktydy to wysoki, suchy płaskowyż. Pokryty jest grubą warstwą lodu, ale rzadko kiedy pada tam śnieg. Jasna, biała powierzchnia odbija z powrotem w kosmos niemal wszystkie, słabe promienie słońca, a temperatura potrafi spaść poniżej −80°C. Jest tam cicho. Na poziomie atomowym atmosfera jest tu ospała, ponieważ cząsteczki powietrza mają niewielką energię (z powodu zimna) i poruszają się stosunkowo powoli. Lód odbiera ciepło powietrzu opadającemu na płaskowyż. Zimne powietrze staje się jeszcze zimniejsze. Przy stałym ciśnieniu zmniejsza swoją objętość i gęstnieje. Cząsteczki znajdują się bliżej siebie i poruszają się wolniej – nie dają rady wystarczająco silnie rozpychać się na zewnątrz, by móc rywalizować z powietrzem dookoła, które naciska do wewnątrz. Tak jak ląd opada z centrum kontynentu ku oceanowi, tak to zimne, gęste powietrze ześlizguje się ze środka po powierzchni, niepowstrzymane, jak wolny, powietrzny wodospad. Spływa w leje rozległych dolin i nabiera w nich prędkości, w miarę jak schodzą na zewnątrz, zawsze w stronę oceanu. Jest to wiatr katabatyczny Antarktydy – jeśli wyruszysz na biegun południowy, będzie wiał ci w twarz przez całą drogę. Trudno wyobrazić sobie, żeby natura mogła spłatać polarnikom gorszego figla.

„Katabatyczny” to tylko określenie tego rodzaju wiatrów, które występują w wielu, nie zawsze mroźnych, miejscach. Ich nieruchawe cząsteczki, spływając w dół, lekko się jednak ogrzewają. A następstwa tego ocieplenia bywają dramatyczne.

W 2007 roku mieszkałam w San Diego i pracowałam w Instytucie Oceanografii Scrippsa. Ponieważ pochodzę z północy, nieco podejrzliwie traktowałam nieustanną słoneczną pogodę, ale że każdego ranka pływałam sobie w 50-metrowym basenie na otwartym powietrzu, właściwie nie mogłam narzekać. Do tego zachody słońca były niesamowite. San Diego leży na wybrzeżu, z widokiem na zachód na Pacyfik, więc wieczorny horyzont był nieodwołalnie olśniewający.

Bardzo brakowało mi jednak zmienności pór roku. Zdawało się, że czas stanął w miejscu, prawie jak we śnie. I wtedy przyszedł wiatr Santa Ana, na początku ciepły, słoneczny i radosny, lecz z czasem gniewnie gorący i suchy. Santa Ana pojawia się każdej jesieni, gdy powietrze wylewa się z wysoko położonych pustyń i spływa przez brzegi Kalifornii ku oceanowi. To także jest wiatr katabatyczny, taki sam jak na Antarktydzie. Ale zanim dotrze nad brzeg oceanu, niesione przez niego powietrze staje się znacznie gorętsze niż to na płaskowyżu. Pewnego pamiętnego dnia jechałam na północ autostradą I-5, w stronę jednej z dużych dolin, którymi gorące powietrze kieruje się do oceanu. Na dnie doliny rozpościerała się rzeka niskich chmur. Samochód prowadził mój ówczesny chłopak. „Czujesz ten dym?” – zapytałam go. Odpowiedział: „E, coś wymyślasz”. Ale następnego ranka obudziłam się w dziwnym świecie. Na północ od San Diego szalały pożary lasów, ogarniały kolejne doliny, a w powietrzu czuło się popiół. W gorących i suchych warunkach ognisko wymknęło się spod kontroli, a wiatr pchał ogień w stronę wybrzeża. Ta rzeka chmur to był dym. Ludzie, którzy poszli do pracy, albo zostali odesłani do domów, albo tłoczyli się wokół radia, zastanawiając się, czy ich domy są bezpieczne. Czekaliśmy. Horyzont zaćmiony był obłokami popiołu widocznymi aż z kosmosu, ale zachody słońca były niesamowite. Po trzech dniach dym zaczął się podnosić. Moi znajomi stracili domy w płomieniach. Na wszystkim zalegała warstwa pyłu, a władze zalecały przez tydzień powstrzymać się od aktywności fizycznej na powietrzu.

W górze, na płaskowyżu, gorące pustynne powietrze schłodziło się, zagęściło i ześlizgnęło po pochyłości, zupełnie jak wiatr, któremu na Antarktydzie stawiał czoło Scott. Ale pożary wybuchły nie tylko dlatego, że powietrze było suche, lecz także dlatego, że było gorące. Dlaczego miałoby się ono rozgrzać od zjeżdżania z górki? Skąd bierze się ta energia? Nadal działa tutaj prawo gazu doskonałego – powietrze miało określoną masę i poruszało się tak szybko, że nie miało czasu wymienić energii z otoczeniem. Gdy strumień gęstego powietrza spływał w dół, atmosfera, która czekała u podnóża góry, naciskała na nie, bo tam na dole ciśnienie było większe. Naciskanie na coś to sposób na przekazanie temu czemuś energii. Wyobraź sobie pojedyncze cząsteczki powietrza uderzające w powłokę balonu, który leci w ich stronę. Odskoczą z większą energią, niż miały na początku, ponieważ odbijają się od ruchomej powierzchni. Zatem objętość powietrza z wiatru Santa Ana zmalała, gdyż zostało ono ściśnięte przez otaczającą atmosferę. To ściskanie dało poruszającym się cząsteczkom dodatkową energię, przez co temperatura wiatru wzrosła. Nazywa się to ogrzewaniem adiabatycznym. Co roku, gdy przychodzi Santa Ana, każdy Kalifornijczyk jest wyjątkowo uważny, gdy ma do czynienia z otwartym ogniem. Po kilku dniach takiego wiatru, kiedy gorące, suche powietrze wykrada wilgoć z krajobrazu, pojedyncze iskry łatwo mogą zamienić się w pożar lasu. Żar wcale nie pochodzi wyłącznie od kalifornijskiego słońca, ale też z tej dodatkowej energii przekazanej cząsteczkom gazu ściskanego przez gęstsze powietrze bliżej oceanu. Wszystko, co zmienia średnią prędkość cząsteczek powietrza, zmienia także temperaturę.

To samo, choć na odwrót, dzieje się w trakcie tryskania bitą śmietaną w sprayu. Wychodząc z puszki, zawarte w niej powietrze nagle się rozszerza, rozpychając wszystko dookoła, a tym samym oddając energię, i schładza się. Wylot pojemnika jest z tego powodu zimny w dotyku – przechodzący przezeń gaz traci energię, gdy dociera do nieściśniętej atmosfery. W puszce pozostaje mniej energii, więc staje się chłodna.

Ciśnienie powietrza to tylko miara tego, jak mocno te wszystkie drobne molekuły łomoczą o powierzchnię. Zwykle raczej tego nie zauważamy, ponieważ uderzenia są takie same z każdej strony – gdy trzymam w powietrzu kartkę papieru, nie porusza się, bo nacisk na nią jest taki sam z obu stron. Wszyscy jesteśmy cały czas popychani przez powietrze i w ogóle tego nie czujemy. Dlatego tyle czasu zajęło ludziom, zanim doszli do tego, jak silny jest to nacisk – a gdy już poznali odpowiedź, okazała się ona dość szokująca. Rozmiar odkrycia łatwo było docenić ze względu na jego nadzwyczaj pamiętną demonstrację. Rzadko zdarza się, żeby ważne doświadczenie naukowe zaplanowano jako widowisko teatralne, a temu akurat niczego nie brakowało: koni, suspensu, zdumiewającego zakończenia oraz oglądającego go świętego cesarza rzymskiego.

Trudnością w dojściu do tego, jak duży nacisk na coś wywiera powietrze, było to, że z drugiej strony tej rzeczy trzeba było wyciągnąć tak naprawdę całe powietrze, zostawiając próżnię. W IV wieku p.n.e. Arystoteles zawyrokował, że „natura nie znosi próżni”, i był to pogląd aktualny jeszcze niemal tysiąc lat później. Stworzenie próżni wydawało się wykluczone. Ale około 1650 roku Otto von Guericke wynalazł pierwszą pompę próżniową. Zamiast napisać o tym raport techniczny, który uległby zapomnieniu, postanowił pokazać odkrycie podczas widowiska^2. Prawdopodobnie pomógł tutaj fakt, że był znanym politykiem i dyplomatą w dobrej komitywie z władcami tamtych czasów.

Ósmego maja 1654 roku Ferdynand III, święty cesarz rzymski i władca dużej części Europy, dołączył do swych dworzan pod Reichstagiem w Bawarii. Otto przyniósł pustą kulę o pięćdziesięciocentymetrowej średnicy wykonaną z grubej miedzi. Podzielona była na dwie połowy stykające się płaską, gładką powierzchnią. Obie połowy miały od zewnątrz pierścienie, do których można było przywiązać liny ciągnące je w przeciwne strony. Von Guericke nasmarował płaskie powierzchnie tłuszczem, ścisnął je ze sobą i użył swojej nowej pompy próżniowej, aby usunąć ze środka kuli powietrze. Nic nie trzymało połów razem, ale po wyssaniu powietrza zachowywały się, jakby zostały ze sobą sklejone. Otto zorientował się, że dzięki pompie próżniowej może zobaczyć, jak silny nacisk wywiera atmosfera. Miliardy maleńkich cząsteczek powietrza uderzało w kulę od zewnątrz, przyciskając połówki do siebie. Ale nie było już nic, co napierałoby od wewnątrz^3. Żeby oderwać od siebie dwie półkule, trzeba by ciągnąć je mocniej, niż pchało powietrze.

I tu przyszedł czas na konie. Do każdej z półkul uwiązano zaprzęg – zwierzęta ciągnęły w przeciwnych kierunkach, jakby to było wielkie przeciąganie liny. Podczas gdy cesarz wraz ze świtą się im przypatrywali, konie zmagały się niewidzialnym powietrzem. Jedyne, co trzymało tę kulę w jednym kawałku, to siła cząsteczek powietrza uderzających w coś wielkości sporej piłki plażowej. Jednak nie dość było siły trzydziestu koni, aby ją rozdzielić. Gdy przeciąganie liny zostało zakończone, Otto otworzył zawór, żeby wpuścić do kuli powietrze, a jej połówki zwyczajnie same od siebie odpadły. Było jasne, kto wygrał. Ciśnienie powietrza było o wiele silniejsze, niż ktokolwiek przypuszczał. Gdyby wyciągnąć z tej rozmiarów kuli całe powietrze i powiesić ją pionowo, nacisk gazu ku górze teoretycznie podtrzymałby 2000 kilogramów, czyli tyle, ile waży pokaźny, dojrzały nosorożec. Oznacza to, że jeśli narysujesz na podłodze koło o średnicy 50 centymetrów, nacisk powietrza na ten kawałek podłogi także równa się wadze dwutonowego nosorożca. Te drobne, niewidzialne molekuły zderzają się z nami naprawdę bardzo mocno. Otto przeprowadzał ten pokaz wielokrotnie, przed różnymi publicznościami, a same półkule zaczęto nazywać – od jego rodzinnej miejscowości – półkulami magdeburskimi.

Doświadczenia Ottona stały się słynne częściowo dzięki temu, że pisali o nich inni. Jego pomysły po raz pierwszy trafiły do głównego nurtu nauki przez wydaną w roku 1657 książkę Gaspara Schotta. Dopiero przeczytanie o pompie próżniowej von Guerickego pobudziło Roberta Boyle’a i Roberta Hooke’a do przeprowadzenia eksperymentu dotyczącego ciśnienia gazów.

Możesz spróbować wykonać podobne doświadczenie samodzielnie, bez potrzeby angażowania koni czy cesarzy. Znajdź kwadratowy kawałek grubego, płaskiego kartonu, wystarczająco duży, żeby zakryć otwór szklanki. Najlepiej zrobić ten eksperyment nad zlewem, tak na wszelki wypadek. Napełnij szklankę wodą aż po sam brzeg i na wierzch połóż kartonik. Przyciśnij go do krawędzi tak, by pomiędzy nim a powierzchnią wody nie zostało powietrze. Potem obróć szklankę do góry nogami – i odsuń dłoń. Kartonik, podtrzymujący cały ciężar wody, zostanie na miejscu. Trzyma się tam, ponieważ cząsteczki powietrza uderzają weń od dołu i pchają go ku górze. Ten nacisk spokojnie wystarcza, żeby utrzymać wodę.

Bombardowanie cząsteczkami powietrza przydaje się nie tylko do utrzymywania rzeczy w miejscu. Można go też użyć, żeby coś poruszyć – i ludzie wcale nie byli pierwszymi, którzy to wykorzystali. Poznajmy słonia, jednego z najbardziej imponujących na Ziemi specjalistów od manipulowania rzeczami za pomocą powietrza.

Słoń afrykański to majestatyczny olbrzym zazwyczaj spokojnie przechadzający się w pyłach suchej sawanny. Życie rodzinne tego gatunku opiera się na grupach samic. Każdej grupie, gdy wędrują w poszukiwaniu wody i pożywienia, przewodzi sędziwa monarchini, nestorka, która podejmuje decyzje, zdając się na swoją pamięć krajobrazu. Te potężne zwierzęta, żeby przeżyć, nie polegają jednak tylko na swojej masie. Słonie mają może ciężkie, nieruchawe cielska, ale w zamian posiadają też jedno z najdelikatniejszych i najczulszych narzędzi w królestwie zwierząt – trąbę. Gdy członkowie stada są w ruchu, ciągle badają świat tymi osobliwymi wyrostkami: dając sobie znaki, węsząc, jedząc czy prychając.

Trąba słonia jest fascynująca z wielu powodów. To sieć splecionych ze sobą mięśni zdolnych do zginania się, podnoszenia i chwytania przedmiotów z niesłychaną zręcznością. Samo to byłoby wystarczająco użyteczne, ale trąba jest jeszcze lepsza dzięki dwóm nozdrzom ciągnącym się przez całą jej długość. Są to giętkie rury łączące posapujący koniuszek z płucami słonia – i dopiero tu zaczyna się prawdziwa zabawa.

Gdy nasza najstarsza słonica zbliża się z rodzinnym stadem do wodopoju, cząsteczki „nieruchomego” powietrza wokół nich zderzają się i rozpychają tak, jak gdziekolwiek indziej, bombardując ich szarą, pomarszczoną skórę, ziemię i powierzchnię wody. Nestorka jest nieco przed pozostałymi, kołysze trąbą, z wolna wchodząc do sadzawki i tworząc na wodzie zmarszczki przebiegające po jej odbiciu. Zanurza koniuszek trąby, zamyka pysk, a ogromne mięśnie unoszą i rozszerzają jej klatkę piersiową. Gdy płuca się rozdymają, cząsteczki powietrza wewnątrz rozbiegają się, żeby zająć nową przestrzeń. Ale to znaczy, że tam, het, u wylotu trąby, w nozdrzach w chłodną wodę uderza mniej cząsteczek powietrza. Te, które tam się znajdują, są tak samo szybkie, ale mniej jest samych zderzeń. W wyniku tego ciśnienie w płucach słonicy spada. Teraz to atmosfera wygrywa w przepychance molekuł uderzających wodę w sadzawce z tymi, które są w ciele nestorki. Nacisk od środka nie daje już rady przeciwstawić się naciskowi z zewnątrz. Woda to tylko coś, co znalazło się w środku tej rywalizacji. Atmosfera wpycha więc wodę w trąbę słonicy, bo powietrze wewnątrz nie ma dość siły, by ją wypchnąć. Kiedy już woda zajmie trochę tej dodatkowej przestrzeni, cząsteczki powietrza w środku są tak ściśnięte, jak były na początku, więc woda nie posuwa się dalej.

Słonie nie mogą pić przez swoje trąby – gdyby spróbowały, zakrztusiłyby się, zupełnie tak jak ty, gdybyś spróbował pić przez nos. Gdy więc nestorka ma już w trąbie może z osiem litrów wody, przestaje rozszerzać klatkę piersiową. Zawija koniuszek trąby pod siebie do góry, po czym kieruje go do pyska. Używa wtedy mięśni, żeby ściągnąć żebra i zmniejszyć objętość płuc. Kiedy tylko cząsteczki powietrza w środku są mocniej ściśnięte, powierzchnia wody w połowie długości jej trąby jest uderzana częściej. Front walki powietrza z zewnątrz i z wewnątrz zaczyna przesuwać się w drugą stronę i woda zostaje w końcu wypchnięta z trąby do pyska słonicy. Nestorka kontroluje objętość płuc, żeby zapanować nad tym, jak mocno powietrze w jej wnętrzu naciska na zewnątrz. Jeśli zamknie pysk, jedyne miejsce, w które coś się może przemieścić, to jej trąba, a cokolwiek znajduje się u jej końca, zostanie wepchnięte albo wypchnięte. Trąba i płuca słonia razem tworzą jedno narzędzie do sterowania powietrzem w taki sposób, żeby to ono, a nie sam słoń, dokonywało pchania.

To samo robimy my, wsysając przez słomkę napoje^4. Gdy rozdymamy płuca, powietrze wewnątrz nich staje się rzadsze. W słomce znajduje się mniej cząsteczek powietrza naciskających na powierzchnię płynu. Atmosfera napierająca na resztę napoju wciska go do słomki. Nazywamy to ssaniem, ale wcale nie ciągniemy płynu. To atmosfera wpycha go w słomkę i wykonuje robotę za nas. Nawet coś tak ciężkiego jak woda można przesuwać, jeśli bombardowanie cząsteczek powietrza z jednej strony jest silniejsze niż z drugiej.

Jednakże zasysanie powietrza trąbą lub słomką ma granice. Im większa różnica ciśnień pomiędzy ich końcami, tym mocniejszy będzie nacisk. Ale największa różnica, jaką da się osiągnąć w ssaniu, to ta między ciśnieniem atmosferycznym a zerem. Nawet z doskonałą pompą próżniową w miejscu płuc nie dałoby się napić przez pionową słomkę dłuższą niż 10,2 metra, ponieważ nasza atmosfera nie jest w stanie wypchnąć wody wyżej. Zatem żeby w pełni wykorzystać zdolność cząsteczek gazu do pchania rzeczy, cząsteczki muszą pracować pod większym ciśnieniem. Atmosfera naciska całkiem mocno, ale jeśli zmusi się inny gaz do tego, żeby był gorętszy i podda się go większemu ciśnieniu, to będzie mógł pchać mocniej. Spraw, żeby wystarczająco dużo molekuł gazu uderzało coś wystarczająco często i z wystarczającą prędkością, a pchniesz naprzód cywilizację.

Parowóz to żelazny smok, syczący, dyszący, mocarny potwór. Niecałe sto lat temu smoki te były wszędzie, przenosiły wytwory przemysłu i potrzeby społeczeństw przez całe kraje i poszerzały horyzonty swoich pasażerów. Były nieciekawe, hałaśliwe i wytwarzały zanieczyszczenia, ale były pięknymi dziełami inżynierii. Gdy stały się przestarzałe, smokom nie pozwolono umrzeć – ludzie nie mogli się z nimi rozstać. Podtrzymują je przy życiu ochotnicy, miłośnicy i ich bezdenne pokłady tkliwości. Sama dorastałam na północy Anglii, więc moje dziecięce lata przesiąknięte były historią rewolucji przemysłowej: przetwórniami, kanałami, fabrykami i – bardziej niż czymkolwiek innym – parą. Teraz jednak mieszkam w Londynie, więc łatwo mi o tym zapomnieć. Ale wycieczka z moją siostrą wzdłuż trasy kolei parowej Bluebell przywróciła wspomnienia.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

1. Dojdziemy do znaczenia temperatury bezwzględnej w rozdziale 6. ↩

2. To drugie nie jest dziś zalecanym sposobem uprawiania nauki. ↩

3. Nie wiemy, ile powietrza usunęła pompa próżniowa Ottona. Nie mogło to być całe powietrze, ale na pewno była to znaczna jego część. ↩

4. A także gdy oddychamy. Każdy twój wdech trafia do płuc dlatego, że wpycha go tam atmosfera. ↩