Степени приближения. Непридуманные истории (сборник) - Яков Фрейдин

Модель удельной теплоёмкости воды. В нормализованной шкале (от 0 до 1) минимум всегда в точке 0,37

Для читателей, знакомых с физикой, упомяну лишь, что после долгих размышлений я пришёл к выводу, что удельная теплоёмкость воды должна зависеть от так называемой свободной энергии и описываться формулой энтропии:

c=1+k1tolnk2to

где температура to выражена в градусах Цельсия, а k1 and k2 это постоянные величины.

Я построил график по этой формуле, наложил его на данные теплоёмкости воды из справочника и к моему удивлению и радости они совпали совершенно точно. Тут я обратил внимание, что теплоёмкость минимальна в узком промежутке от 36 до 38 градусов Цельсия. Расчёт по формуле даёт точное значение этой температуры минимума: 36,8°Ц или примерно 37°Ц. Тут уж я совершенно оторопел – это ведь и есть идеальная температура нашего тела!

Мало того, я заметил, что на безразмерной шкале эта специальная температура равна 0,37 (принимая точку кипения воды за 1). Я об этом рассказал Бочкову и добавил, что может быть формула энтропии и есть то, что он ищет? Он радостно воскликнул, что про формулу не уверен, но его любимое число 0,37 опять себя проявило причём самым важным для жизни образом!

«А не случайное ли это совпадение?» – спросил я, а Бочков тут же со смехом процитировал Эйнштейна, который говорил, что Бог в кости не играет, то есть Миром правят не случайности. Я же в ответ припомнил комментарий по этому поводу Нильса Бора, который заметил: «Ох уж этот Эйнштейн! Он всегда знает, что хочет Бог». Однако, шутки-шутками, но с этим надо было разобраться – почему именно эта температура 37°Ц идеальна для теплокровных и почему здоровому организму важно поддерживать её с большой точностью и главное – при чём тут теплоёмкость воды?

Первый подход был ясен – теплоёмкость может меняться только если в воде при перемене температуры происходят какие-то молекулярные и зменения. Теплоёмкость это лишь внешнее проявление этих изменений, вроде как дым из трубы. Раз дым идёт, значит там хозяева что-то варят, но по дыму ведь не определить, какой будет обед. Надо было выяснять детали. Стал я про воду читать разные научные, популярные и даже спекулятивные статьи. Публикаций оказалось много, но по настоящему серьёзных почти не было. Ну там про тяжёлую воду, что используется в атомных реакторах, литература была, но вот про самую обычную питьевую воду из крана или речки – почти ничего. Но всё же кое-что новое я узнал. Оказалось, что всем знакомое сочетание молекул водорода и кислорода, то есть Н2О, совсем не такое уж простое. Важным оказалось то, что вода не есть однородная аморфная смесь молекул, как мы обычно думаем, а может имеет некоторую структуру. Когда она замёрзшая, то состоит из твёрдых ледяных кристаллов, но вот когда лёд тает эти кристаллы разваливаются и превращаются в жидкость. Однако разваливаются не все. При нагреве вода сохраняет какое-то, хотя и малое, число ледяных кристаллов, которые, как обломки айсберга, в ней плавают даже тогда, когда вода уже совсем тёплая. Оказывается, что такая талая вода очень полезна для растений в животных. Некоторые считают, что миграции китов и птиц на север для вывода потомства объясняются именем тем, что там есть талая вода, благоприятная для вывода особей. А затем весной стаи с молодняком двигаются обратно на юг, поскольку там больше пищи. Но вот если воду доводить до температуры нашего тела не от замерзания, а наоборот – охлаждая от кипения, кристаллов в ней не будет и такая вода куда менее полезна. При кипении все кристаллы разваливаются. Стало быть вода при 37°Ц может быть разной, в зависимости от того кипятили её перед этим или замораживали. От кипячёной и потом охлаждённой пользы мало.

Следующим шагом надо было понять, что за ледяные кристаллы плавают в воде? Я стал искать статьи, где можно было про это прочитать, но на русском языке ничего не нашёл. В одной публикации была ссылка на работу с интригующим названием о кристаллической структуре воды. Автором этой статьи был Нисияма Ивао. Я написал ему в Токио и через месяц он прислал мне оттиск. Статья была короткая, всего три страницы, но на японском языке. Среди моих знакомых никого, кто мог читать по-японски, найти не удалось. Думал сначала, что поможет мой тесть, в молодости проживший в Токио четыре года, но он сказал, что там говорил только по-английски и по-русски, а потому помочь не мог. Выхода у меня не было. Я купил двухтомный японо-русский словарь и принялся за работу. Решил, что если переведу все слова, смогу понять смысл статьи. Это был каторжный труд – в японском языке нет алфавита и найти какой-то иероглиф в словаре невероятно сложно. Для этого надо считать вертикальные и горизонтальные штрихи и затем по таблицам искать подходящий иероглиф и его перевод. Провозился я месяца два, японского языка не выучил, но смысл статьи всё же понял.

Оказывается, что от замерзания до кипения кристаллики воды, в зависимости от температуры, могут иметь пять разных форм, или по-научному, быть в пяти фазовых состояниях. Третья фаза от 30 до 45°Ц и есть диапазон, где теплокровные животные могут существовать. Итак, с водой я разобрался, но вот почему именно 37°Ц, то есть середина этой фазы? И снова я засел за книги и журналы. Интернета в те годы не было и я проводил массу времени в библиотеках. Из работ Лайнуса Полинга, нобелевского лауреата по химии, я узнал, что молекулы воды обволакивают белки, как шуба, и в середине третье фазы при 37°Ц форма водяных кристаллов идеально подходит к формам белковых молекул, что важно для поверхностного сцепления. Белки используют как кристаллы попавшие в кровь с водой, так и те, что формируют из воды сами.

Другие фазовые зоны воды тоже оказались биологически важными. Так середина первой зоны от 0 до 15°Ц наиболее благоприятна для весеннего пробуждения семян, а середина второй зоны от 15 до 30°Ц стимулирует размножение рыб, почвенных бактерий и насекомых. Теперь картина прояснилась и связь между водой и температурой нашего тела стала понятнее. Я поговорил с Бочковым и мы решили – теперь можно об этом написать статью в один из научных журналов.

Поскольку материала набралось много и выводы были логичны, статью я написал. Бочков в этом процессе участия не принимал – его мало интересовали публикации, да и писание не было его сильной стороной. Но поскольку именно его увлечённость золотым сечением подвели меня к уравнению энтропии, как модели теплоёмкости воды, я решил, что в статье авторами должны быть мы оба. Через пару недель всё было написано, иллюстрации готовы и я нач ал отчаянные попытки опубликовать статью в каком либо подходящем журнале Академии Наук. Однако тут возникла загвоздка. По правилам того времени любая статья в академические журналы должна была быть «представлена» каким ни-будь академиком или членкором. Поэтому я разослал копии рукописи нескольким «светилам» с просьбой дать ей зелёный ход.