Как правильно открыть бутылку шампанского, чтобы пробка с пеной не улетели в потолок? Почему нобелевские лауреаты соревнуются в умении выстрелить пробкой от шампанского, как можно дальше? Что общего у пузырьков игристого напитка и кессонной болезни у аквалангистов?
Этим и другим темам был посвящен праздничный новогодний выпуск программы «Время науки» на Радио “Комсомольская правда” (97,2 FM). Его провели:
- радиожурналист Мария Баченина,
- академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ),
- и их гость – Андрей Наумов, член-корреспондент РАН, профессор РАН, руководитель Троицкого филиала Физического института им. П.Н. Лебедева, заведующий кафедрой Московского педагогического государственного университета.
КАКАЯ НАУКА СТОИТ ЗА ПУЗЫРЬКАМИ ШАМПАНСКОГО?
Александр Сергеев:
- Давайте поговорим об атрибутах новогоднего праздника. Но не с культурно-развлекательной точки зрения, а с физико-химической. Новый год начинается, когда мы с боем курантов открываем шампанское. Откуда там берутся пузырьки?
Андрей Наумов:
- Это замечательная история. Углекислый газ образуется в процессе брожения, химическую природу которого установил в 1810 году французский ученый Гей-Люссак. Каждая молекула глюкозы из винограда в результате химической реакции превращается в две молекулы этанола C H OH и две молекулы углекислого газа CO2.
В физике этого процесса масса очень интересных вещей. Потому что после того, как произошло первичное брожение, и игристое вино закупорили в бутылку, там начинаются вторичные процессы брожения. То есть углекислый газ продолжает выделяться. И дальше нужно добиться некого баланса давлений…
Мария Баченина:
- Объясните простым людям, что такое баланс давления. Чтобы не разорвало бутылку?
Андрей Наумов:
- Да. Почему вылетает пробка? Потому что в небольшом объеме, который находится между жидкостью (самим шампанским) и пробкой возникает достаточно большое давление газа. Оно четко связано с концентрацией углекислого газа внутри самого шампанского.
Александр Сергеев:
- Андрей Витальевич, сколько приблизительно атмосфер под пробкой в этой бутылке?
Мария Баченина:
- Можно ли этим убить кого-то, если попадет?
Андрей Наумов:
- Смотря кому и куда попадет. Точно не скажу, но думаю, что пара-тройка атмосфер есть. Когда мы открываем пробку, то при определенных температурах и условиях возможны разные эффекты. Говорят, иногда давление может достигать порядка 4 атмосфер, или даже порядка 7-8.
Александр Сергеев:
- Когда мы говорим о балансе, то слой газа под пробкой балансирует давление, прежде всего, растворенного газа? Чем больше газа, по-видимому, тем больше давление под пробкой.
Андрей Наумов:
- Да, Концентрация газа, растворенного в шампанском, тем больше, чем больше давление газа в небольшом свободном объеме бутылки под пробкой (это тоже физический закон Генри-Дальтона). Когда бутылку открываем, давление резко падает, углекислый газ высвобождается и образует пузырьки. Поиском этого баланса занимались два известных ученых – Генри и Дальтон, и они установили однозначную взаимосвязь. Есть формула, которая связывает давление газа над поверхностью жидкости с концентрацией газа, растворенного в шампанском. Эта физика касается не только шампанского, но и многих серьезных вещей в нашей жизни. Например, известная кессонная болезнь - тоже проявление этого баланса. Почему аквалангиста нельзя очень быстро поднимать наверх? Или, наоборот, нельзя человека очень быстро спускать с высокой горы вниз? Потому что давление в окружающем пространстве связано с концентрацией газов, которые у нас растворены в крови. И если мы очень быстро начинаем менять окружающее давление, организм не успевает подстроиться, и это чревато тяжелыми последствиями, вплоть до летального исхода.
Александр Сергеев:
- Кровь вспенивается?
Андрей Наумов:
- Да. Между прочим, в медицине это явление тоже активно используется. Например, барокамеры для лечения больших поверхностных ран или ожогов. Чтобы обеспечить высокую концентрацию кислорода в организме, мы человека помещаем в окружающую среду с необходимым давлением. Это обеспечит быстрое заживление ран.
ОТКРЫВАЕМ ИГРИСТОЕ ПО ЗАКОНУ БОЙЛЯ-МАРИОТТА
Мария Баченина:
- Андрей Витальевич, зачем шампанское охлаждают?
Андрей Наумов:
- Для того, чтобы обеспечить нужное давление и количество тех самых пузырьков. Дело в том, что когда мы начинаем открывать бутылку, то давление газа, который находится между поверхностью шампанского и пробкой, будет определяться в том числе окружающей температурой. Если мы вспомним знаменитые школьные законы – Бойля- Мариотта, Гей-Люссака и закон Шарля, и посмотрим, что происходит с соотношением температуры, давления и объема, то увидим, что чем меньше температура, тем меньше давление. Поэтому, когда мы бутылку охлаждаем, меньше вероятность, что в момент открытия пробка выстрелит, а шампанское прольется на скатерть…
Александр Сергеев:
- Мне кажется, что охлаждают еще и для того, чтобы приятнее было пить.
Андрей Наумов:
- Да, конечно. Кстати, до сих пор выходят научные статьи в высокорейтинговых международных журналах, посвященные исследованию феномена игристых вин. Ученые даже подсчитали: когда напиток разливают, десятки миллионов маленьких капелек шампанского во взвешенном состоянии поднимаются над поверхностью бокала и создают тот самый волшебный аромат и вкус.
Александр Сергеев:
- А что такое брызги шампанского?
Андрей Наумов:
- Когда мы меняем баланс давления и достаем пробку, у нас начинается образование пузырьков того углекислого газа, который растворен в жидкости. Места, где образуются пузырьки, называются ядра нуклеации – это микроцарапины на стекле, пылинки, оставшиеся микрочастицы винограда.
Александр Сергеев:
- Это искусство виноделов – добавить что-нибудь эдакое…
Андрей Наумов:
- Да. Пузырьки, которые всплывают вверх при открытии бутылки, вследствие закона Архимеда (снова вспоминаем школу) немного увеличиваются в размерах, потому что вверху давление меньше. Кроме того, они ускоряются. И когда они достигают поверхности, происходит разрыв этих пузырьков, и разлетаются капельки напитка. Это и есть брызги шампанского.
КАК РОЖДАЕТСЯ ТОТ САМЫЙ ЗВУК?
Мария Баченина:
- Скажите, а откуда возникает шипящий звук, когда мы разливаем шампанское по бутылкам?
Андрей Наумов:
- Всплывая, пузырьки лопаются, выпуская газ из пузырька, это и приводит к генерации шипящего звука. Кстати, про звук, который возникает, когда вылетает пробка, там тоже удивительная история. Вы спрашивали, почему нужно охлаждать? Ученые исследовали и этот процесс. Оказывается, что есть два механизма, когда образуется пар и газ под пробкой. Я, кстати, рекомендую слушателям и читателям в новогоднюю ночь понаблюдать. Когда у вас шампанское как следует охладилось в холодильнике (до 40C), то в момент открытия вокруг горлышка бутылки возникает облако синего пара. На самом деле это углекислый газ, вырвавшись наружу, сильно охладил воздух и образовались микрокристаллы CO2. А если шампанское теплое, то вы увидите не синенький пар вокруг горлышка, а серый. Потом что там уже не микрокристаллы, а водяной пар, сконденсировавшийся в мельчайшие капельки воды.
Мария Баченина:
- А почему, если шампанское растрясли или оно недостаточно охлаждено, то вылетает не только газ, но и напиток? Газ внутри жидкости, выталкивает ее на поверхность?
Андрей Наумов:
- Если вы растрясли бутылку, то у вас появилось гораздо больше ядер нуклеации - тех самых мест, где могут появиться пузырьки. У вас возрастает давление, и в момент, когда вы открываете пробку, по всему объему жидкости начинается интенсивное образование новых пузырьков. Их гораздо больше, нежели, когда у вас бутылка стоит в спокойном состоянии. Соответственно, раз много пузырьков, у вас начинается интенсивное перемешивание, турбулентность, и появляется та самая замечательная пена, которая иногда вытекает, если бутылку открыть неаккуратно.
ЗАЧЕМ НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ СТРЕЛЯЮТ ПРОБКАМИ ОТ ШАМПАНСКОГО?
Александр Сергеев:
- Андрей Витальевич, допустим, мы устраиваем соревнование насколько далеко улетит пробка или насколько высоко она взлетит. Одинаковые условия – температура, сорт шампанского, форма бутылки, пробка и тд. Что посоветуете, чтобы победить? Надо потрясти?
Андрей Наумов:
- Если есть время, то можно посильнее потереть бутылку, от трения немножко повысится температура, особенно в районе горлышка. Разумеется, растрясти как следует. Кроме того, в момент выстрела нужно найти такое состояние пробки (вы же пробку раскачиваете рукой), чтобы трение между пробкой и горлышком бутылки в момент выстрела было минимальным.
Александр Сергеев:
- Говорят, что мастера могут выстрелить на несколько метров в высоту.
Андрей Наумов:
- В этом году в наукограде Троицке восстановили работу Совета молодых ученых нашего наукограда. И пару недель назад на заключительном заседание там устроили, то, что сейчас принято называть словом “квест”. Так совпало, что один из вопросов был о мировом достижении, зафиксированном в Книге рекордов Гиннесса - на какое максимальное расстояние вылетала пробка от шампанского. Я, к своему стыду, неправильно ответил, выбрал вариант 20 метров. Так вот, рекорд, оказывается, 54 с лишним метра. А несколько лет назад я принимал участие в специальном семинаре, посвященном Нобелевскому лауреату 2014 года по химии Уильяму Мёрнеру. Оказывается, в Стэнфордском университете (а в нем за всю историю работало несколько десятков нобелевских лауреатов) сложилась любопытная традиция. У них есть длинный коридор, где нобелевские лауреаты соревнуются, кто дальше выстрелит пробкой от шампанского. И в коридоре оформляется соответствующая метка, что этого результата добился нобелевский лауреат такой-то, а вот сюда пробку запустил другой гений. Так что хороший ученый должен знать физику шампанского, если хочет, чтобы его имя осталось в истории.
ЕЛОЧНЫЕ ИГРУШКИ ПОЯВИЛИСЬ ИЗ-ЗА НЕУРОЖАЯ ЯБЛОК
Александр Сергеев:
- А количество пузырьков, интенсивность образования пены зависят от формы бокала?
Андрей Наумов:
- Я думаю, да. Потому что, если бокал широкий, то площадь поверхности гораздо больше. Кроме того, есть очень интересные закономерности. Если есть неоднородности в бокале, то вы можете наблюдать, что пузырьки всплывают не по прямой линии, а создают турбулентность и завихрения. Возникают пузырьковые ниточки. Некоторые производители делают насечку в центре бокала, чтобы создать красивый перляж (игру пузырьков). Подчеркнуть красоту напитка можно и игрой света в бокале, для чего используется специально приготовленное стекло с различными добавками, например, хрусталь.
Мария Баченина:
- Надо купить себе кривой бокал.
Андрей Наумов:
- Кстати говоря, это тоже отдельная наука. Потому что ученые активно изучают всевозможные турбулентные движения в различных средах. Это очень важное направление науки для самых разных приложений. Например, когда мы изучаем движение кораблей, в процессе движения винта тоже могут образовываться пузыри с воздухом. Схлопывание этих пузырьков, их динамика, могут приводить к увеличению сопротивления, и вы будете тратить гораздо больше горючего. Поэтому, когда ученые-кораблестроители рассчитывают форму винтов, они изучают все те явления, о которых мы говорим.
Мария Баченина:
- Давайте поговорим о стекле. Я недавно разбила свою старинную любимую елочную игрушку. Но я сейчас не про женские слезы коллекционера. Я заметила, что у нынешних игрушек гораздо прочнее стекло. Если современная игрушка упадет, она чаще всего остается целой, а если взять старинную - она разобьется. Почему?
Андрей Наумов:
- Я где-то читал, что история происхождения стеклянных игрушек была связана с неурожаем яблок в Германии. Потому что до этого рождественские елки украшали горящими свечами (это опасно, не рекомендуем никому из слушателей и читателей так делать), и обычными яблоками. Ну, и наверху рождественская звезда. А в неурожайный год стеклодувы одного немецкого городка вышли из положения - сделали стеклянные яблоки. С тех пор елочные игрушки стали изготавливать из стекла.
Варка стекла – это, конечно, целое искусство и большая наука. Мы можем добиться нужных характеристик прочности, упругости, хрупкости. Основа – это обычный песок. Там как раз кристаллы диоксида кремния, а не стекло. Но если мы начинаем эти кристаллы разогревать до очень высокой температуры, у нас появляется расплав, в него добавляются присадки - различные вещества, которые обеспечивают свойства будущего стекла, его цвет, его упругие свойства. Вы спрашиваете, почему стекло может быть прочным или более хрупким? Потому что на этапе варки мы в этот кипящий раствор диоксида кремния добавляем специальные присадки и охлаждаем по заданному алгоритму. А вообще-то, физика стекла – большое отдельное научное направление с большим количеством нерешенных задач.
Мария Баченина:
- Давайте перейдет к еще одному атрибуту Нового года - к новогодней музыке. Вообще, есть какая-то связь – физика и новогодняя рождественская музыка?
БОКАЛ ВИНА - ЭТО ЦЕЛАЯ ВСЕЛЕННАЯ!
Андрей Наумов:
- Я считаю, что есть. Был такой замечательный ученый нобелевский лауреат Альфред Кастлер, его можно назвать прародителем лазерной физики. Он в своих мемуарах писал, что настоящий физик обязан профессионально играть хотя бы на одном музыкальном инструменте. Сам он был профессиональным виолончелистом. А мой научный руководитель, лауреат Государственной премии СССР Роман Иванович Персонов, был профессиональным балалаечником, он играл приму-балалайку в Московском оркестре народных инструментов. Собственно, поэтому музыка с физикой для меня связана просто напрямую.
Великий физик-оптик Гельмгольц пытался вывести физико-математическую формулу музыки. Когда вы слушаете музыку, какая-то вам нравится, другая вызывает эйфорию, третья навевает грусть (вспомним «Реквием» Моцарта). Каждая музыка, запускает внутри вас какие-то процессы. Там вот, Гельмгольц пытался найти связь между физическими характеристиками звука и теми процессами, которые запускаются в нашей нервной системе, в нашем головном мозге. Тут тоже очень много и физики, и химии, и биологии. Взять хотя бы историю, связанную с тем, как мы с вами слышим. Оказывается, у каждого из нас не два уха, а несколько ушей: внешнее, среднее и внутреннее. Удивительный инструмент находится в среднем ухе, это так называемая улитка, внутри которой звук, состоящий из большого набора разных частот, попадает на специальную мембрану, которая является аналогом Фурье-преобразователя. То есть каждый кусочек этой мембраны реагирует на определенные частоты.
Мария Баченина:
- Это же музыкальная шкатулка.
Андрей Наумов:
- Да. И дальше эта мембрана передает информацию на соответствующие участки головного мозга. Аналогичный процесс используется в оптике – это целое научное направление. Между прочим, в Институте спектроскопии РАН, с которым уже многие годы связана моя научная жизнь, отдельная лаборатория занимается оптической Фурье-спектроскопией. А природа так распорядилась, что Фурье-преобразователь у нас расположен внутри уха. Ну, а дальше внутри головного мозга происходят еще более любопытные процессы.
Мария Баченина:
- Какие?
Андрей Наумов:
- Ученые проводили эксперимент с человеком в коме, у которого отсутствует связь с окружающим пространством. Начинаем мониторить активность нейронов головного мозга и видим, что значительная часть головного мозга практически не работает, то есть серое вещество не откликается. Дальше мы к постели этого больного подводим близкого человека – детей, супругу, маму, папу. Он начинает с пациентом разговаривать. И мы видим, как в некоторых участках головного мозг вдруг появляются импульсы и сигналы, которые распространяется по нейронам. А затем мы спрашиваем родственников, какую музыку любил человек? И когда ее включаем, то мы видим, что чудесным образом огромные участки до этого неживого мозга вдруг начинают работать. Просто целыми участками запускается активность нейронов!
Влияние музыки на головной мозг нам еще только предстоит изучить, но мы видим, что рождественская, новогодняя музыка, это то, что люди обожают по всему миру.
Ну и подводя итоги, делу - время, а под Новый год самое время создавать себе и окружающим праздничное настроение. Кстати говоря, про связь шампанского и атрибутов с физикой: недавно увидел высказывание Ричарда Фейнмана (Нобелевский лауреат в области квантовой физики). Он говорил, что если внимательно посмотреть на бокал вина, то мы увидим целую Вселенную!
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Шампанское рвется из бутылки быстрее скорости звука: самые необычные факты об игристом напитке
Россияне рассказали о своих новогодних обещаниях
Комсомолка на MAXималках - читайте наши новости раньше других в канале @truekpru