Казалось бы, что необычного в такой привычной жидкости, как вода? Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института прикладной физики РАН Иван Оладышкин на лекции в «Парке науки ННГУ» развеял околонаучные мифы о воде и рассказал о том, что ученые только недавно смогли объяснить, почему лед скользкий. 

Молекулы-футболисты.

Все знают, что у воды есть три состояния – твердое, жидкообразное и газообразное. Физическую структуру любых предметов легко представить с помощью аналогии. Представьте футбольный стадион, где люди олицетворяют молекулы или атомы. В этом случае кристаллическая решетка твердого тела (льда) – это болельщики, которые сидят на своих местах, согласно купленным билетам. Они могут вскакивать, пускать «волну», но при этом они упорядочены, каждый остается на своем месте на протяжении матча. Да, отдельные болельщики могут пересаживаться, садиться кому-то на колени, но это вызывает социальное напряжение, а с физической точки зрения, создает механическое напряжение, называемое дислокация. 

Газообразное состояние воды (пар) – будут олицетворять футболисты. Большая часть из них бегает свободно, столкновения происходят изредка, случается, игрок может пробежать все поле и никого не задеть. 

То, что мы обычно видим и называем паром, на самом деле туман. Настоящий пар невидим человеческим глазом, как все газы. Из чайника при закипании выходит пар, который быстро конденсируется. 

Представить строение жидкости нам помогут болельщики, которые либо покидают стадион, либо туда заходят. Это люди, идущие плотной толпой, которые никак не упорядочены. Каждый совершает хаотическое движение и может одновременно толкаться с несколькими соседями, которые случайным образом будут влиять на движение. Это людской поток, который куда-то несет.

Что мы знаем о строении воды? Во-первых, молекулы жидкости всегда находятся в движении. В газообразном состоянии они летают со скоростью пули, в жидкости не передвигаются по прямой, а колеблются и перескакивают. Почему молекулы на схемах и рисуют связанными. 

Во-вторых, вода, а точнее ее молекулы, реагируют на внешнее электрическое поле. Увидеть это можно в домашних условиях. Для этого нужно включить воду тонкой струйкой, наэлектризовать какой-то предмет, например, пластиковую расческу о волосы. Если поднести наэлектризованный предмет к струйке воды, она будет сильно отклоняться. 

Мифы и недоказанные теории.

Фейк 1. Самое знаменитое лженаучное утверждение об известной жидкости состоит в том, что она обладает памятью. Якобы если воде в стакане сказать добрые слова или сыграть Моцарта, то она приобретет полезные свойства. Если же ругаться, то это зарядит воду нехорошей энергией. Однако наука не находит подтверждения наличия такой памяти. Также является фейком утверждение, что вода, благодаря музыке, красиво структурируется. 

Расстояние между молекулами воды раза в два-три больше их размера. Каждая молекула толкается с несколькими соседями, которые ее притягивают. Движутся молекулы с высокими скоростями. Могут ли в этом случае они находиться в связи друг с другом, сохранять какую-то структуру, способную что-либо запомнить? 

Ответ, который дает физика, – время этих связей из-за очень быстрого теплового движения составляет несколько пикосекунд (или одна триллионная секунды). Это ничтожно мало. Молекулы воды все время находятся в хаотичном движении и построить их в какую-то структуру невозможно. Получается, вода забудет о том, что мы с ней сделали за доли секунды. 

И последний аргумент. За демонстрацию эффекта памяти воды можно получить премию в один миллион долларов (ее установил один из фондов), однако до сих пор данная премия не вручена.

Фейк 2. Магнитные фильтры для воды якобы помогают бороться с накипью, которая оседает на теплонагревательный элемент в чайнике, в стиральной машине. Это результат такого явления как гидратация ионов. Научный ответ такой: нет описанных механизмов, подтверждающих, что магнитные фильтры могут этому противостоять. При тех магнитных полях, которые есть в данных фильтрах, ничего не должно происходить с гидратацией ионов. Да, есть эксперименты, подтверждающие правоту производителей магнитных фильтров и статьи на эту тему, но им нет доверия со стороны серьезной науки. 

Фейк 3. Кружки для омагничивания воды. Это еще один бизнес-ход. Якобы в магнитном поле молекулы воды построятся как-то правильно. Вода запомнит это, человек выпьет такую воду, и она принесет ему пользу. Здесь два непонятных момента – почему польза будет от того, что молекулы выстроятся определенным образом и что заставит их выстроиться? 

Фейк 4. Водородная вода. Это один из относительно новых трендов – вода, насыщенная растворенным водородом. Она активно рекламируется, в том числе знаменитостями. Но формула воды Н2О, что свидетельствует о присутствии водорода в ней изначально. Поэтому утверждается, что в водородной воде много именно растворенного водорода Н2, который является антиоксидантом. Теперь посмотрим на это с точки зрения науки. Во-первых, нет доказательств полезности водорода. Во-вторых, проблема в том, что водород как газ очень слабо растворим в воде. Водород есть в воздухе: за сутки человек вдыхает 5-7 литров этого газа, столько же водорода может быть растворено в 300 (!) литрах воды. Такое количество воды в день никому не выпить. Когда человек дышит, водород через легкие попадает напрямую в кровь, этот путь гораздо эффективнее, чем потребление водорода через желудок. Между тем, приборы для изготовления водородной воды активно продаются. Их стоимость от двух до двухсот тысяч рублей. Электролиз воды такие приборы действительно осуществляют и насыщают воду водородом. В этом обмана нет. А вот эффект от употребления водородной воды весьма сомнителен. 

Что заставляет закрутиться.

Еще одна околонаучная теория. Направление, в котором закручивается вода в раковине или в ванной, определяется тем, в каком вы полушарии находитесь – в северном или южном. Человек в душевой кабине на морском судне по изменению направления вращения воды при сливе якобы может определить пересечение судном экватора. 

Это явление объясняют действием силы инерции – силы Кориолиса. В принципе этот механизм работает, весь вопрос в том, насколько он слабый или сильный. Представьте актера, под которым вращается сцена. Если актер будет пытаться пройти из центра на ее периферию, то он упадет в бок, потому что то место, куда он встанет, движется с другой скоростью нежели то место, из которого он вышел. Это сила инерции, такая сила есть на Земле, но она довольна слаба в масштабах раковины. В реальной жизни направление, в которое закручивается вода в раковине, прежде всего связано с тем, как туда наливали воду, то есть с какой стороны она текла изначально и какую скорость сохранила к концу движения. Зависимость будет прослеживаться от формы раковины, температуры воды и в последнюю очередь от силы Кориолиса. 

Ученые специально воспроизвели этот эффект – сделали ровный симметричный сосуд, дали воде отстояться, аккуратно открыли пробку и убедились в том, что такой эффект действительно есть, но для того, чтобы вода закручивалась в правильную сторону, условия проведения эксперимента должны быть строго соблюдены. 

Сила Кориолиса в масштабе планеты оказывает значительное влияние на то, что происходит в погоде и с климатом. В северном полушарии у рек, как правило, высокий берег правый, а в южном полушарии, наоборот, левый. Так происходит как раз из-за действия силы Криолиса, так как текущая вода всегда заворачивает немного вправо в северном полушарии и подмывает правый берег. Этот же эффект проявляется на железной дороге. Поезд в северном полушарии при движении всегда немного отклоняется вправо, и эта сторона рельсов всегда чуть быстрее снашивается. 

Вопрос дилетанта.

– Почему лед скользкий?

– Не так давно ученые пришли к выводу, что на поверхности льда всегда (при температуре больше, чем -90) существует квазижидкий слой из неупорядоченных молекул, именно он делает лед скользким, что позволяет кататься на коньках. 

– Правда, что вода не до конца изучена? 

– Сегодня нет физических моделей в полной мере объясняющих все макроскопические характеристики воды – вязкость, плотность, сжимаемость, теплопроводность. Движение жидкости, и в частности воды, очень сложно для математического описания. Есть уравнение Навье-Стокса, которым пользуются физики. Однако математики еще не доказали существование и единственность его решения. Это нерешенная проблема – вызов для ученых-математиков. Жидкость при движении склонна к образованию вихрей, к турбулентности. А турбулентность также называют последней нерешенной задачей классической физики.

Александра Махлина. Фото Александра Воложанина.