1. Почему вода мокрая

Опусти палец в стакан воды из-под крана и вынь. Палец мокрый, и в этом никто не усомнится, хотя в коже нет ни одного датчика мокрого. Там есть датчики холода, тепла и прикосновения, а «мокро» мозг складывает сам, из прохлады и того, как что-то легло на кожу. Физиологи из английского университета Лафборо показали, что холодную сухую поверхность можно принять за влажную. Мокрость оказалась не показанием датчика, а догадкой мозга, и догадывается он о том, чего нет ни у одной частицы воды.

Частицы эти — молекулы: кислород и два водорода, сложенные уголком. В одном стакане их больше, чем стаканов воды во всех океанах Земли, примерно в полторы тысячи раз. В среднем каждая несётся быстрее пистолетной пули, но не успевает пролететь даже собственной длины: тут же врезается в соседку, отскакивает, врезается снова. Ни одна из них не мокрая. Ни у одной нет температуры: у молекулы есть скорость, а температура говорит о том, как энергия разложена по всей толпе, сколько в ней медленных и сколько быстрых. У молекул есть свои части, атомы, и книга ещё спустится к ним. Пока хватит того, что у частей нет главного, что есть у стакана.

Мокрость тоже рождается в толпе. Соседние молекулы воды слабо притягиваются: водородный край одной тянется к кислороду другой. Такая связь всего в несколько раз сильнее тепловой тряски, и тряска всё время её рвёт, а молекулы тут же цепляются за новых соседей. Вода похожа на хоровод, где все держатся за руки, но руки всё время перехватывают. На чистом стекле молекулы тянутся к стеклу сильнее, чем друг к другу, и вода растекается плёнкой. На воске или листе лотоса они держатся за своих, вода собирается в шарики, а утка выходит из пруда почти сухой. Мокрость — отношение воды к поверхности, которое потом ещё раз пересчитывает кожа.

Резкие переключения тоже появляются только там, где молекул много. При нуле градусов одни и те же молекулы либо текут, либо держат форму. В стакане со льдом держится ноль, пока не растает последний кубик: тепло из комнаты уходит не на нагрев, а на то, чтобы разобрать строй. Совсем резкой такая перестройка бывает только в бесконечно большом куске вещества, а у маленького граница плывёт и сдвигается. Кусочек золота из нескольких сотен атомов растаял бы в печи для пиццы, хотя слиток приходится плавить в горне.

Сколько же молекул нужно, чтобы вышел лёд? В 2012 году физики из Гёттингена и Праги прогоняли через прибор пучок крошечных капель воды, охлаждённых до космического холода, и разделяли их по массе. Капли каждого размера они просвечивали инфракрасным светом: лёд и жидкая вода поглощают его по-разному, и по этому почерку видно, встали молекулы в строй или нет. Первые черты кристалла проступили примерно у двухсот семидесяти пяти молекул, в капле, которая в тридцать тысяч раз тоньше волоса. Ещё две сотни молекул, и почерк стал почерком обычного льда. Капля, не дотянувшая до первого порога, ещё не лёд, хотя каждая молекула в ней та же, что в сосульке. Где именно провести черту, зависит от того, что считать льдом, и при другом холоде она могла бы сдвинуться.

Поверхность жидкости тоже может исчезнуть, и это сначала услышали, а уже потом увидели. В 1822 году француз Шарль Каньяр де ла Тур, изобретатель сирены, запаял жидкость в ружейный ствол вместе с шариком и стал нагревать, прислушиваясь к плеску. При какой-то температуре плеск пропал. Выкипеть жидкости было некуда: она перестала быть жидкостью и стала чем-то без поверхности. Потом он повторил опыт в стеклянных трубках и увидел, как граница между жидкостью и паром бледнеет и исчезает.

Через полвека Томас Эндрюс в Белфасте сжимал углекислый газ и нашёл температуру, выше которой никакое давление не превращает его в жидкость. У самой этой точки вещество мутнело и мерцало. Эндрюс назвал её критической. У воды она лежит при трёхстах семидесяти четырёх градусах и давлении, как на глубине двух с лишним километров в океане. Если обойти эту точку стороной, пар можно превратить в воду так, что граница между ними ни разу не появится. Жидкость и пар оказались не двумя веществами, а двумя повадками одной толпы.

Англичанин Эдвард Гуггенхайм ещё через три четверти века положил на один график кривые, по которым жидкость граничит с паром, у восьми разных веществ, от неона до метана, и каждую пересчитал в долях от её собственной критической точки. Кривые легли одна на другую. Позже выяснилось, что у самого края сходство идёт ещё дальше. Разница между жидкостью и паром тает там у воды и углекислого газа по тому же закону и с теми же числами, по которым тает сила магнита, где крошечные стрелки могут смотреть только вверх или вниз. У края толпа забывает, из кого она состоит.

От стакана дерево ветвится натрое, и ветвь выбирают два вопроса: что сильнее, липкость или тряска, и гонит ли вещество кто-то снаружи. Если связи намного сильнее тряски, частицы замирают на местах: так получаются кристаллы и магниты, стекло и металлы. Если жидкость или газ гнать ветром или насосом, они остаются текучими, в них появляются волны и вихри, а уравнениям течения становится всё равно, из каких молекул они сделаны. А если молекулы длинные и двусторонние, как у мыла, где один конец любит воду, а другой её избегает, вода сама сгоняет их в плёнки и пузырьки, пряча боязливые концы внутрь. С этих пузырьков начинается тропа к живому. Тонкая нить уходит и в космос: что где замерзает вокруг молодой звезды, решает, из чего будут сложены её планеты.

Строй, проступивший в гёттингенских каплях, сложен из колец по шесть молекул, сцепленных друг с другом. В жидкой воде такие кольца тоже мелькают, но тряска разрывает их почти сразу, как только они сомкнутся. Во льду каждое кольцо держится за соседние, и узор повторяется так далеко, что в мороз его видно на рукаве пальто: у снежинки шесть лучей.