Глава одиннадцатая. Почему стреляет рогатка

Нельзя назвать имени ученого, который бы установил причину эластичности каучука, точно так же как и год, когда это было сделано.

Прежде всего давайте договоримся: выяснять это вы будете не на уроках, и не дома, и вообще подальше от окон. Для того чтобы выяснить, почему она стреляет, совершенно не обязательно из нее стрелять. Больше того: сама рогатка нам даже не понадобится.

Нам понадобятся другие вещи. Картошка, спички, проволока, игральные кости.

Берите одну картофелину и воткните в нее спичку. На спичку насадите еще одну картошку. Получится своеобразная гантеля. Во вторую картофелину воткните три спички: одну вверх, а две других в бок. На две спички насадите еще одну картошку и еще одну на ту спичку, которая торчит вверх. Теперь в картошку № 3 воткните одну спичку, на нее наденьте одну картошку, затем еще спичку, еще картошку, и еще спичку и еще картошку. Получится поезд из шести картофелин. Теперь надо все повторить: в картошку № 6 вставьте одну спичку вверх, две другие в бок, и т. д. Когда вы повторите несколько раз это сочетание, у вас должно получиться некое странное сооружение.

А теперь, когда вы достаточно перемазались сами и перемазали весь стол, я полагаю, ваши домашние зададут вам вполне резонный вопрос: а что, собственно, это такое? Я умышленно не объяснил ничего заранее, чтобы не испортить торжественности момента. Если бы вы всё знали, вы бы тут же, не дожидаясь, пока вас спросят, бухнули: это то-то и то-то. И смазали бы весь эффект.

Тут главное — не торопиться. Спрашивает вас мама: “А что это такое?” А вы — молча, с достоинством — идете в комнату, молча — всё еще с достоинством — залезаете в портфель, также молча — можно слегка иронически улыбнуться, но не переборщите — открываете пенал и вынимаете из него — совершенно верно, ясно же не карандаш — свою рогатку. (Примечание 1. Если у вас ее по какой-либо уважительной причине временно нет, можете вынуть ластик. Примечание 2. Девочки могут сразу вынимать ластик. Хотя, честно говоря, я не очень понимаю, зачем им читать эту главу.)

Теперь вы можете небрежно подбросить рогатку (или ластик) на ладони и сказать — главное, как можно более равнодушным голосом: “Это модель молекулы каучука”. И, чтобы уж совсем повергнуть в изумление всех окружающих, можете небрежно добавить: “Точнее, даже не молекулы, а ее скелета”.

Теперь не сомневайтесь: как минимум, два разбитых стекла вам прощены.

Ну конечно, через некоторое время, когда ваши родители придут в себя от изумления, они станут задавать всякие неуместные вопросы: а зачем то, а зачем это… Тут надо быть абсолютно непреклонным: “Я занят”, и все. Возвращайтесь на кухню и, делая вид, что вам все давно известно, лениво, как бы между прочим, берите книгу. Я вам сейчас объясню — зачем то и зачем это.

Вы только что своими собственными руками построили скелет молекулы каучука. Точнее, только его небольшую часть. Потому что если бы вы захотели воспроизвести всю длину, то понадобилось бы около тонны картофеля и почти сто коробок спичек.

Вы уже не раз слышали, что молекула натурального каучука представляет собой длинную цепь, построенную многократным повторением молекулы изопрена. Но так как сам изопрен построен всего из двух элементов — углерода и водорода, то ясно, что и молекула каучука, как бы ни была она длинна, построена также всего из двух элементов. Их роли неодинаковы; углерод — главный. Это он обладает способностью образовывать длинные цепи, это у него как бы четыре руки, которыми он поспевает делать два дела сразу: и с себе подобными сцепляться, и еще водороды удерживать. А у водорода всего одна рука; максимум, на что он способен в данном случае — уцепиться за углерод, если у того есть свободная рука.

Я думаю, вы уже слышали, что углерод — важный элемент не только в каучуке, но и во всех органических соединениях, то есть во всех соединениях, из которых построена живая природа.

Деревья — что это такое? В основном целлюлоза. Что составляет ее основу? Углерод. А мы с вами? А мы с вами — это в основном более или менее удачный набор белков и — не знаю, как вы — еще и жиров. А что составляет их основу? В значительной мере углерод. Словом, углерод — главный элемент жизни, на нем держится все живое.

Каучук, конечно, не живое вещество, но он рождается в клетках растений, поэтому его остов и построен из углерода.

Теперь вам ясно, что каждая картофелина изображает атом углерода, а спички — это химические связи, которыми атомы между собой соединяются, это то, что я образно назвал руками.

И теперь вам ясно, почему я говорю о скелете. Водороды мы в счет не брали. С ними возни много. Атом водорода намного меньше атома углерода; подыскать для него на кухне модель не так-то просто. Лучше всего подошел бы зеленый горошек, но его в доме могло бы и не оказаться. И, кроме того, после нанизывания на спички он уже никуда не годился бы. А я совсем не уверен, что это было бы правильно воспринято вашими домашними. Так что углеродный скелет мы оставили без водородного обрамления. Но это ничуть не помешает нашему исследованию. Вы не забыли его тему: почему стреляет рогатка?

Чтобы приблизиться еще на один шаг к интересующему вас ответу, придется поработать еще немного руками и еще как следует головой.

Вам, очевидно, не раз приходилось видеть, как в солнечном луче носится рой пылинок. Если не видели, это нетрудно устроить: подойдите к окну и потрясите свою куртку. Но сколько бы вы ни присматривались к замысловатому танцу пылинок, вам не удастся понять его рисунок. Когда во время праздника вы смотрите, скажем, с балкона на танцующую под вами толпу, вы все же можете догадаться, что там танцуют — вальс или польку, даже если все танцуют невпопад. А пылинки ведут себя так, словно каждая из них исполняет свою собственную партию, соло, и никакого порядка в их движении не существует. Как на большой перемене.

Этот образ — беспорядочное движение частичек — нужен для того, чтобы заглянуть мысленно внутрь вашей рогатки. Если бы вы могли видеть то, что происходит внутри каучука, вы бы сказали, что его молекулы ведут себя почти так же. Они находятся в беспорядочном хаотическом движении, все время изгибаясь, принимая разные очертания, словно исполняя какой-то замысловатый танец, который называется, так же как танец пылинок, тепловым движением и который также невозможно понять.

Правда, если частички пыли совершенно себя ничем не стесняют, то молекулы каучука все же несколько ограничены в своих возможностях. Они скованы теми двумя спичками, которые вы всадили между некоторыми парами картошек.

Попробуйте повращать какую-нибудь картофелину вокруг одной спички, как вокруг оси. Вращается. А ту, которая надета на две? Ничего не получается.

Теперь вам ясна причина гибкости молекулы каучука; она вращается, как на шарнирах, вокруг всех своих одинарных связей, соединяющих атомы углерода. Поскольку эти связи находятся под определенным углом друг к другу, молекула может принимать самые невероятные очертания. Убедитесь вы в этом, если не побоитесь разломать творение своих рук. Попробуйте повращать картофелины вокруг спичек.

Но каждое положение, которое принимает молекула, длится всего триллионные доли секунды. Строго говоря, она вообще ни на мгновение не останавливается. Чтобы заставить ее замереть, надо сильно охладить молекулу. Тогда холод затормозит движение молекулы, скует ее, как сковывает воду мороз. Она замрет, парализованная, но в этот же момент пропадет ее эластичность. Вы уже не сможете растянуть свою рогатку — каучук сломается, как стекло.

И наоборот: если вы будете нагревать каучук, то звенья молекулы будут вращаться сильнее и она сильнее будет изгибаться.

Но значит ли это, что вообще нельзя говорить о ее какой-то конфигурации и что, следовательно, напрасно испорчен пищевой продукт? Нет, не значит Видим же мы фотографии бегунов, хотя они и меняют свое положение ежесекундно. Точно так же можно сделать мгновенную фотографию молекулы каучука. И для этого не надо фотоаппарата, пленки, проявителя. Не надо класть рогатку в холодильник, чтобы остановить вращение молекул. Нужны только угломер и игральная кость. И проволока. Проволоки много — 300 метров. И терпение. Терпения тоже много — еще больше, чем проволоки.

Работа предстоит не ахти какая сложная: тысячу раз бросить игральную кость и тысячу раз согнуть проволоку.

Только и всего? — скажете вы. Только и всего, — скажу я. И добавлю: это вполне серьезный научный эксперимент.

Спросите у своих друзей: много они занимались настоящим научным экспериментированием? Не таким, как сбор бабочек или натирание эбонитовой палочки мехом, а серьезным, которое было бы по плечу крупному ученому. Не очень-то, верно? А вы сейчас приобщитесь к настоящему научному творчеству. Вы повторите — точь-в-точь — тот эксперимент, с помощью которого была получена впервые мгновенная фотография молекулы каучука.

Вообще в науке не так уж много экспериментов, которые можно было бы взять вот так запросто и повторить на кухне. Но и не так уж мало. Особенно в науке XVIII и XIX веков. В то время вообще было модно ставить опыт как можно проще. Правда, иногда эта мода была вынужденная. Сейчас экспериментальная оснастка науки сильно увеличилась. Теперь считается даже плохим тоном ставить опыт без использования какой-нибудь электронно-счетной машины.

Опыт, который вы собираетесь сейчас проделать, был поставлен впервые, если не ошибаюсь, в начале сороковых годов нашего века. Наука тогда уже сильно усложнилась, но каким-то образом удавались иногда все же простые и очень наглядные работы.

Для начала несколько слов об азартных играх, которые имеют непосредственное отношение к тому, чему я собираюсь вас научить. Тут я хочу сразу оговориться: так же как и ваши родители, я противник любых азартных игр — будь то железка, очко или кости. Но, надо признаться, на этот раз они сослужили доброе дело.

Игра, в которую я вам предлагаю сыграть с каучуковой молекулой, преследует самые благородные цели. Хотя со стороны и может показаться, что вы уподобились какому-нибудь пирату Билли Бонсу из “Острова сокровищ”, на самом деле вы будете заняты совершенно невинным делом. Проигравшего в этой игре не будет. А вы наверняка выиграете.

Вы обогатитесь еще одной частичкой знания и еще на один шаг приблизитесь к ответу на вопрос, с которого мы начали эту главу, — почему стреляет рогатка.

Азартные игры — это такие игры, где исход совершенно не зависит от вашего умения и старания, а только лишь от случая. Когда играющие в кости по очереди бросают кубик (чаще они бросают сразу два), то предугадать заранее, сколько очков выпадет, нельзя. Если кубик имеет правильную форму и сделан из однородного материала и, следовательно, центр тяжести находится точно в центре куба, то упасть он может на любую из шести сторон, как получится, то есть исход броска подчиняется только случаю.

Вот с этим случаем вам и предстоит играть.

Точнее, играть будет каучуковая молекула, вы лишь станете бросать за нее кость.

В чем смысл игры?

Возьмите одно звено каучуковой молекулы и повращайте картофелину вокруг спички. Вы убедитесь, что атом углерода вращается вокруг одной из связей, очерчивая при этом другой связью в воздухе дугу. Если посмотреть на картофелину “в лоб”, то торчащая в ней спичка будет описывать круги, как часовая стрелка.

И вот, допустим, вы, решив сделать мгновенную фотографию молекулы, говорите, как доктор Фауст, герой Гете: “Остановись, мгновение”. Где оно остановится? На каком часе воображаемого циферблата замрет спичка?

А кто ее знает. На каком угодно. Это дело случая. Любое положение одинаково вероятно. Как и выпадение любой метки при бросании кости.

Вы уловили связь? Вы примете для себя, что метка 1 соответствует 12 часам, метка 2 — 2 часам, метка 3 — 4 часам, метка в 4 очка — 6 часам, 5 очков — 8 часам и б очков — 10 часам. Круг замыкается.

Теперь можно начинать игру. Бросайте кость. Смотрите, сколько выпало очков, и поворачивайте химическую связь, то есть спичку, в заданное положение.

Таким образом, вы повернете и все следующее звено молекулы, потому что следующая картофелина повернется вместе со спичкой.

Теперь вот что. Играть в эту игру с картошкой слишком неудобно и потом их не хватит на тысячу звеньев. Поэтому возьмите проволоку и считайте, что каждые три сантиметра соответствуют одному звену. И для простоты примем, что двойных связей нет, все одинарные. Бросайте кость, определяйте направление звена в пространстве по отношению к предыдущему звену (не забудьте про угол между ними, он равен 109 градусам) и изгибайте проволоку. Когда вы сделаете последний бросок и в последний раз изогнете проволочное звено, опыт будет считаться законченным. Перед вами мгновенная фотография молекулы каучука (слева), один из миллиардов ее положений в пространстве. Вы не мешали ей изгибаться, ничем не стесняли ее, не задавали ей никаких невозможных или маловероятных положений, — все выбирал господин случай. Вы не вмешивались в игру, вы только следили, чтобы выполнялись ее правила.

Конечно, если вы повторите весь опыт, портрет будет несколько иным, хотя и похожим. Это вполне закономерно, ибо здесь не может быть неправильных положений, любое положение возможно на какую-то долю секунды. Но как бы ни отличались они между собой, у них будет одна общая черта. И это для нас самое важное. Потому что именно она и поможет нам догадаться, почему же, собственно, стреляет рогатка.

Я избавлю вас от необходимости делать несколько фотографий, чтобы обнаружить это сходство. Просто укажу на него: начало и конец молекулы всегда подходят довольно близко друг к другу.

Очевидно, теперь вам уже совершенно ясно, почему каучук может растягиваться. Потому, во-первых, что при растяжении разводятся в разные стороны концы его скрученных молекул. Потому, во-вторых, что при этом еще как бы распутывается весь клубок молекулы, она распрямляется и сильно увеличивается в длину, словно пружина. Потому, в-третьих, что… Впрочем, давайте прежде еще несколько задержимся около во-первых и во-вторых.

До сих пор и вы и я делали вид, будто нас интересует только один на свете вопрос — почему стреляет рогатка. Я думаю, теперь настало время признаться себе: за этим вопросом мы скрывали интерес гораздо более широкий, интерес к тому непонятному явлению, когда резиновые вещи сжимаются и растягиваются и, словно ничего не было, возвращаются в исходное положение.

Вопрос надо ставить шире: почему каучук эластичен, почему, если его растянуть, он вновь сжимается.

Если бы ваша рогатка состояла всего из одной огромной молекулы, то тогда этого вопроса для нас уже не существовало бы. Ибо все было бы ясно как день. Когда вы растягиваете молекулу, вы тем самым с силой распрямляете ее, скрученную. И чем сильнее вы тянете, тем больше она распрямляется. Разумеется, существует предел ее растяжения — это ее длина. Когда вы вытянете всю молекулу в прямую линию, то дальше, сколько бы ни тянули ее, она не растянется, она лопнет, порвется, и вместо одной резинки у вас в руках останутся две.

Отсюда важный вывод: эластичность каучука зависит от длины молекул, — чем она длиннее, тем дальше можно развести их концы.

Но в вашей рогатке миллиарды миллиардов молекул каучука, и когда вы ее растягиваете, вы, естественно, не можете ухватить за концы все молекулы. В крайнем случае, если уж вам очень повезет, речь может идти о какой-нибудь их небольшой части. А как же с остальными? Почему они растягиваются, а не вытягиваются из общей кучи, как нитки из не очень спутанного клубка?

Потому, что отдельные молекулы связаны между собой, они образуют коллектив. Молекула может считать себя свободной от всех “привязанностей”, если она изолирована от соседей. Но стоит им приблизиться вплотную, как между ними возникает некая соседская симпатия, которая, как это ни странно, подталкивает их друг к другу и друг подле друга удерживает.

Поэтому, когда вы пытаетесь растянуть соседние, близкие молекулы, они сопротивляются вашему усилию, словно понимая, что лишь в единении их сила. Стоит им разойтись по отдельности, и они уже никому не нужны: они перестают быть упругим каучуком, они становятся мягкой тягучей массой. Той самой массой, в которую превращались на солнце изделия первых резинопромышленников.

Теперь, понимая причину, каждый из вас легко может предложить лекарство, способное, пользуясь выражением Гудьира, “вылечить” каучук. Гудьир же не знал этих тонкостей, и тем не менее нашел то единственное “лекарство”, которое могло в этом случае помочь. Когда я рассказывал об открытии Гудьира, я не мог объяснить его суть. В то время вы бы ее не оценили. Лишь теперь, когда ваш образовательный ценз вырос на шесть глав, вы можете по достоинству оценить смысл и значение вулканизации.

Сера, которую Гудьир случайно ввел в резиновую смесь, оказалась мостиком, связывающим между собой каучуковые молекулы. Если в невулканизованном каучуке молекулы держались друг подле друга, что называется, на честном слове, только благодаря действию сил притяжения, то после вулканизации они оказывались связанными самой что ни на есть настоящей химической связью. Серные перемычки уже не давали молекулам расползаться. Они превращали клубки несвязанных молекул в сеть. Не в такую, как рыболовная, а в редкую сеть, где между продольными длинными цепями переброшено всего несколько мостиков. Если их сделать больше, резина потеряет эластичность и превратится в эбонит. Эбонит — это та же самая резина, только в нее введено много серы, и она так сильно сшивает молекулы каучука, что им не только распрямиться — пошевелиться трудно.

Таким образом, теперь можно сформулировать третью причину, по которой стреляет рогатка. Итак, в-третьих, она стреляет потому, что в вулканизованном каучуке действует принцип — все за одного. Стоит потянуть одну молекулу, и — бабка за дедку, дедка за репку — приходят в движение все молекулы, раскручиваясь и распрямляясь, но не порывая, однако, связи друг с другом. Поэтому упругие свойства одной молекулы как бы многократно усиливаются, и весь кусок каучука вытягивается в длину. Но это положение очень неустойчиво, как неустойчиво положение штанги, поднятой над головой спортсмена. Стоит ослабить усилие, и она сорвется вниз, в исходное положение. Точно так же, стоит отпустить резину, она вновь сократится, потому что все вытянутые каучуковые цепи свернутся в клубки.

Вот почему стреляет рогатка. Вот почему пружинят подошвы. Вот почему подпрыгивают шины.

Разумеется, вы бы могли задать мне еще не одно “почему”. Ну хотя бы: “А почему автор ничего не сказал о том, какой ученый ответил на первое “почему”?”

Сейчас скажу.

Есть такая поговорка: “У победы всегда много родственников, только поражение — сирота”. Эта фраза была впервые произнесена по военному поводу: когда армия одерживает победу, каждый командир считает, что это произошло благодаря его участию; зато когда случается поражение, никто не скажет: виноват я. Это в шахматах, игре индивидуальной, трудно отрицать свою вину за поражение: мол, ферзь подвел, зазевался или конь пошел не в ту сторону. Однако эта поговорка относится в какой-то мере и к любому коллективному творчеству. Всегда трудно установить, кто сделал больше или кто больше не сделал.

Нередко, когда в летопись науки вписывается новое открытие, под ним стоят подписи, сделанные на разных языках. У научной победы оказывается и впрямь много родственников.

Поэтому ответить одним именем на ваше последнее “почему” нельзя, надо назвать много имен. Здесь и немецкий ученый Штаудингер, и американский химик Карозерс, и англичанин Трелоар, и советский исследователь академик Каргин, и еще многие другие ученые, чьи имена я не назвал, чтобы вы запомнили хотя бы те, что я привел. Ведь известно: чем больше родственников, тем меньше их помнят.

Вот почему в этой главе не было одного-единственного героя. Их много, они живут в разных странах и говорят на разных языках, работают в разных областях науки. И если б даже вы и познакомились с работой каждого из них в отдельности, вам бы сначала показалось, что все это совершенно не связано друг с другом.

И только охватив всю проблему целиком — всю работу, растянутую на тридцать лет во времени и на несколько государств в пространстве, — можно догадаться, что разные проблемы, над которыми работали разные ученые, тесно связаны.