Казалось бы, что может быть банальнее воды? Мы сталкиваемся с ней каждый день, она покрывает большую часть поверхности Земли, состоит всего из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а её свойства изучают уже несколько столетий. Однако именно вода остаётся одним из самых странных веществ в природе.
Недавно результаты компьютерного моделирования сильно переохлаждённой воды вновь усилили интерес к одной необычной гипотезе. Согласно ей, жидкая вода может существовать не в одном, а сразу в двух различных локальных состояниях, способных переходить друг в друга. Если эта идея окончательно подтвердится, она позволит объяснить целый набор загадочных свойств воды, которые десятилетиями ставят физиков в тупик.
Впрочем, за высказывание о существовании этой гипотезы в моем видео о воде, мне в комментариях наговорили много гадостей. Но вот теперь появилось совсем свежее исследование и оно опубликовано в Nature.
Чтобы понять суть проблемы, стоит вспомнить, что большинство жидкостей ведут себя довольно предсказуемо. Если охладить жидкость, её плотность обычно возрастает: молекулы начинают двигаться медленнее и располагаются ближе друг к другу. Но вода ведёт себя иначе.
При охлаждении до +4 °C её плотность действительно увеличивается. Однако затем происходит нечто неожиданное: дальнейшее охлаждение приводит уже к уменьшению плотности. Именно поэтому лёд плавает на поверхности озёр и рек вместо того, чтобы тонуть.
На первый взгляд это может показаться мелочью, но именно эта особенность сделала возможным существование большинства водных экосистем на Земле. Если бы лёд тонул, водоёмы промерзали бы снизу вверх и жизнь в них выглядела бы совсем иначе.
Но аномалии воды этим не ограничиваются. Учёные давно знают, что при определённых условиях её теплоёмкость, сжимаемость и ряд других характеристик начинают вести себя необычно. Особенно загадочными эти эффекты становятся при сильном переохлаждении — когда вода остаётся жидкой даже при температурах значительно ниже нуля градусов.
Проблема в том, что проводить эксперименты в этой области чрезвычайно трудно. Вода стремится кристаллизоваться и превратиться в лёд раньше, чем исследователи успевают измерить интересующие параметры.
Именно поэтому огромную роль играют современные методы компьютерного моделирования.
Согласно одной из наиболее обсуждаемых гипотез, в переохлаждённой воде существуют два конкурирующих локальных состояния. Первое состояние обладает более плотной упаковкой молекул. Второе — более рыхлой структурой, напоминающей организацию молекул во льду.
При обычных условиях обе структуры сосуществуют одновременно, постоянно возникая и исчезая на микроскопическом уровне. Однако при понижении температуры баланс между ними начинает меняться.
Фактически вода может вести себя как смесь двух различных жидкостей, непрерывно переходящих друг в друга.
Именно такое представление позволяет естественным образом объяснить многие её аномальные свойства. Когда доля одной структуры начинает возрастать, меняются плотность, теплоёмкость и другие макроскопические параметры вещества.
Новые вычислительные исследования показывают дополнительные признаки существования подобного механизма. Пока это ещё не окончательное доказательство, однако результаты становятся всё более согласованными между различными моделями и методами расчёта.
Особенно интересно то, что речь идёт не о какой-то экзотической материи из ускорителей частиц или далёких галактик. Мы говорим о воде — веществе, которое находится буквально в каждом стакане.
Как физик, я считаю эту историю чрезвычайно показательной. В массовом представлении часто существует мнение, что фундаментальная физика уже почти завершена, а учёным остаётся лишь уточнять детали. Но вода напоминает нам, насколько обманчиво такое впечатление.
Мы можем запускать космические телескопы, сталкивать частицы на околосветовых скоростях и рассчитывать эволюцию Вселенной, но при этом до сих пор не имеем окончательного ответа на вопрос о природе всех аномальных свойств самой обычной воды.
На мой взгляд, самое интересное здесь даже не то, подтвердится ли окончательно гипотеза двух жидких состояний. Гораздо важнее сам урок. Реальность нередко оказывается сложнее наших интуитивных представлений. Даже вещество, которое кажется нам максимально знакомым и понятным, способно скрывать фундаментальные механизмы, остававшиеся незамеченными десятилетиями.
Возможно, именно поэтому физика остаётся настолько увлекательной наукой. Чем глубже мы заглядываем в природу вещей, тем чаще обнаруживаем, что привычный мир устроен гораздо загадочнее, чем кажется на первый взгляд.
Свежие новости физики с авторской оценкой и моими комментариями регулярно на этом канале.
⚠️ Поставьте лайк и подпишитесь, чтобы не пропускать обновления! Это поможет каналу развиваться, а вам видеть больше интересного из мира физики в ленте!