Критическая масса. Как одни явления порождают другие

Не вдаваясь глубже в теорию ван дер Ваальса, можно выделить в ней то, что имеет особое значение для темы данной книги. Некая неожиданность и странность заключается в следующем обстоятельстве. При переходе газа в жидкость (или наоборот) с отдельными частицами вещества ничего не происходит, и молекулы остаются все такими же маленькими твердыми шариками, притягивающимися друг к другу вследствие собственных короткодействующих сил. Каждый шарик остается прежним, но коллективное поведение системы шариков изменяется неожиданно и драматично: буквально мгновенно разреженный газ превращается в плотную, вязкую жидкость. В молекулы не •«заложена» никакая информация или инструкция для конденсации или испарения, но тем не менее фазовые переходы происходят мгновенно в больших системах, как если бы все частицы обладали разумом и «сговорились» сделать что-то сообща и сразу. Мы не можем выбрать какую-то частицу и утверждать, что она «склонна превращаться в жидкость». Все частицы одинаковы, и мы можем лишь наблюдать за закономерностями их массового поведения.

Ван дер Ваальс смог определить, что необходимо для такого коллективного поведения. На первый взгляд учет сил взаимного притяжения достаточен для объяснения перехода в жидкое состояние, но в действительности ситуация обстоит значительно сложнее, и следует говорить о сложном равновесии между притяжением и отталкиванием частиц. Ван дер Ваальс полагал, что отталкивание молекул является своеобразным отражением их теплового движения. Но на самом деле понятие отталкивания возникало в его теории сразу после учета размеров молекул, поскольку наличие собственного объема ограничивает возможности их сближения, другими словами, невозможность для частиц проникать друг в друга эквивалентна определенным силам отталкивания. Это представляется почти очевидным, но если мы пренебрежем размерами молекул и заменим их материальными «точками», то ничто не будет препятствовать их сближению до сколь угодно малого расстояния.

Фазовые переходы являются следствием компромисса или баланса различных сил. Равновесие сил отталкивания и притяжения создает устойчивое жидкое состояние. При повышении роли сил, способствующих разрушению порядка в системе, прежде всего за счет нагрева, более стабильным становится газообразное состояние. При этом переход происходит не постепенно, а катастрофически быстро. В качестве наглядного примера читатель может представить себя сход оползня или лавины. Именно такой процесс и можно назвать Великий А-Бумм!

ОБЪЕДИНЯЮЩИЙ ПРИНЦИП

Теория ван дер Ваальса значительно расширила круг интересов статистической механики, включив в него рассмотрение жидкого состояния вещества, а ее автор заслуженно удостоился мировой славы. Максвелл писал, что «ван дер Ваальс, несомненно, станет одним из самых авторитетных ученых в молекулярной физике»⁷. В 1910 году ван дер Ваальсу была присуждена Нобелевская премия. В то же время его теория не внесла окончательной ясности в проблему, так как она объясняла лишь некоторые фазовые переходы и не позволяла, например, описать замерзание и плавление, относящиеся к превращениям жидкости в твердое тело, и наоборот. Однако в дальнейшем эта теория нашла широкое применение в других разделах физики.

Дело в том, что проблема фазовых переходов неожиданно оказалась связанной с множеством других процессов. Например, еще с древности былс известно, что магниты теряют намагниченность при нагревании и восстанавливают ее при охлаждении. Для магнитного железа такое превращение происходит при нагреве до 770 °С, что умели делать даже средневековые кузнецы В том же самом 1873 году, когда ван дер Ваальс защитил свою диссертацию английский физик Уильям Баррет предположил, что размагничивание прѵ нагреве происходит не постепенно, а сразу и при определенной температуре что, естественно, напоминало фазовые переходы.

В 1889 году Джон Хопкинсон из лондонского Кингз-колледжа, оцениі количественно потерю магнитных свойств при нагреве, получил чрезвычайно интересный результат: математическое описание этого процесса соответствовало взаимопревращению жидкость—газ вблизи критической точки. Очені часто это открытие приписывают знаменитому французскому физику Пьер} Кюри (мужу Марии Кюри), который действительно получил такой же результат в 1895 году, и поэтому француз Пьер Вейс, создавший в 1907 году теорик магнитных переходов, даже назвал температуру магнитного фазового переходе точкой Кюри, в память своего друга, погибшего в дорожной аварии[34].

Атомы в твердом теле, например в куске железа, располагаются вовсе не хаотически, как в жидкостях и газах, а вполне упорядоченно и почти неподвижно (подобно яйцам в специальной упаковке, продаваемой в любом магазине). Тем не менее Вейсу удалось применить для таких упорядоченных систем подход ван дер Ваальса, разработанный для флюидов вблизи критической точки. Как же так?!