Очевидно, что в процессе сгибания должно было произойти смещение относительных положений частиц металла, и сила, потребовавшаяся для сгибания, указывала на их сопротивление этому движению друг относительно друга; или, другими словами, что между ними было трение, или что-то эквивалентное такому внутреннему трению, и таким образом механическая сила, приложенная при сгибании, была преобразована в тепловую энергию.
Здесь, следовательно, была текучесть, согласно вышеприведенному определению; не идеальная текучесть, а текучесть, сопровождаемая сопротивлением течению, или то, что мы договорились называть вязкостью. Но вода также предлагает такое сопротивление течению, или вязкость, поэтому разница между железной или медной проволокой и жидкой водой в отношении их текучести — это только разница в степени, а не в роде; разграничение между твердыми телами и жидкостями — это не широкая, четко определенная линия, а полоса смешивающегося оттенка, где глубина тона представляет различные степени вязкости.
Можно привести множество примеров, иллюстрирующих вязкость тел, которые мы обычно считаем типами твердости, таких, например, как горные породы, образующие земную кору. В «Черной стране» Южного Стаффордшира, которая подрыта большим десятифутовым угольным пластом, можно увидеть коттеджи, дымовые трубы и другие здания, наклонившиеся самым гротескным образом, дома, расколотые посередине из-за оседания или наклона одной стороны, большие впадины в полях или поперек дорог, которые когда-то были плоскими, и множество других искажений, вызванных постепенным оседанием горных пластов, которые были подрыты горными выработками. В некоторых случаях породы раскалываются, но обычно оседание представляет собой изгиб или стекание пород вниз, чтобы заполнить пустоту, подобно тому как вода заполняет впадину или «находит свой собственный уровень».
Я видел много случаев искривления крыши угольной шахты вниз и слышал, что в некоторых случаях окружающее давление заставляет пол выгибаться вверх, но не видел этого.
Землетрясения дают еще один пример. Так называемая твердая земная кора вздымается и превращается в настоящие валы, которые расходятся волнами во все стороны от центра возмущения. Земные валы великого Лиссабонского землетрясения 1755 года дошли до этой страны, и когда они достигли озера Лох-Ломонд, они все еще были достаточной величины, чтобы поднимать и опускать его берега в перпендикулярном диапазоне на два фута четыре дюйма.
Вполне возможно, или, я могу сказать, вероятно, что существуют приливы земли, так же как и вод, и эта тема занимала много внимания и вызвала некоторые дискуссии среди математиков. Если земля имеет жидкий центр и только сравнительно тонкую кору, как некоторые предполагают, должны существовать такие приливы, вызванные гравитацией луны и солнца.
Лед представляет некоторые интересные результаты этой вязкости. На определенной высоте, варьирующейся в зависимости от широты, аспекта и т. д., мы достигаем «снеговой линии» горных склонов, выше которой зимний снег остается нерастаявшим в течение лета и, в большинстве случаев, продолжает накапливаться. Он вскоре теряет свой хлопьевидный, чешуйчатый характер и становится связным, прозрачным голубым льдом под давлением собственного веса.
Была выдвинута довольно сложная теория для объяснения этого изменения — теория регеляции, т. е. повторного замерзания; теория, которая предполагает, что давление сначала оттаивает пленку льда на поверхности контакта, и что вскоре она снова замерзает, тем самым осуществляя заживление или общее затвердевание. Фарадей обнаружил, что два куска льда с увлажненными поверхностями соединяются, если их прижать друг к другу при температуре около точки замерзания, но не если они намного холоднее. Тиндаль далее проиллюстрировал это, взяв фрагменты льда и сжав их в форме, в результате чего они стали прозрачным, чистым шаром или лепешкой. Школьники делали то же самое задолго до этого, играя в снежки со снегом при температуре около точки таяния. Такой снег, как мы все помним, превращался в каменные комки при сильном сжатии. Мы также помним, что в гораздо более холодную погоду такого сцепления не происходило, но наши снежки оставались порошкообразными, несмотря на все наше сжатие.
Я скептик в отношении этой теории регеляции. Я считаю, что истинное объяснение гораздо проще; что кристаллы снега или фрагменты льда в этих экспериментах просто свариваются, как кузнец соединяет два куска железа, просто прижимая их друг к другу, когда они находятся вблизи своей точки плавления. Другие металлы и другие легкоплавкие вещества могут быть аналогично сварены, при условии, что они размягчаются или становятся достаточно вязкими перед плавлением.
Платина — хороший пример этого. Она неплавка в обычных печах, но становится пастообразной перед плавлением, и поэтому один из методов, принятых в производстве платиновых слитков или прутков из руды, заключается в осаждении своего рода платинового снега (губчатой платины) из ее раствора в кислоте, а затем сжатии этого металлического снега в раскаленных стальных формах с помощью поршней, приводимых в движение с большой силой. Хлопьевидный металл таким образом становится твердой, связной массой, точно так же, как хлопьевидный лед стал связным льдом в эксперименте Тиндаля или при изготовлении твердых снежков.
Воск, пек, смола и все другие твердые тела, которые плавятся постепенно, сцепляются, свариваются или, говоря очень простым языком, «слипаются», когда находятся вблизи своей точки плавления.
Я провел следующий эксперимент, чтобы доказать, что когда происходит эта так называемая регеляция снега или фрагментов льда, лед является вязким или пластичным, как воск или пек. Сильный железный шприц с цилиндрическим отверстием диаметром полдюйма снабжен железным поршнем. Этот поршень приводится в движение винтом, работающим в хомуте на одном конце шприца. В другой конец ввинчивается латунная насадка с отверстием диаметром около одной двадцатой дюйма, постепенно сужающимся или открывающимся внутрь к полудюймовому отверстию.
В это отверстие я помещаю снег или фрагменты льда, затем, крепко удерживая корпус шприца в тисках, я вращаю рычаг винта и таким образом продвигаю поршень вперед и раздавливаю снег или фрагменты льда, которые вскоре становятся связными и образуют полудюймовый твердый цилиндр прозрачного льда. Применяя еще большее давление, этот цилиндр принудительно проталкивается, как жидкость, через маленькое отверстие насадки шприца, и он вылетает или бьет струей в виде тонкой палочки льда, похожей на вермишель или «грифели» вечно острых карандашей, для формовки которых шприц был первоначально сконструирован.
Я обнаружил, что лед при 32° можно таким образом выдавить легче, чем пчелиный воск той же температуры, и, будучи таковым, я не вижу причин воображать какую-либо сложную операцию регеляции в случае со льдом, а просто рассматриваю прилипание двух кусков льда при сжатии их друг к другу как аналогичное слипанию двух кусков сапожного вара, или размягченного сургуча, или пчелиного воска, или сварке железа или стекла при нагревании их до температур сварки, т. е. до определенной степени начальной текучести или вязкости.
Если свинцовую пулю разрезать пополам и сильно прижать две свежесрезанные грани друг к другу, они сцепляются при обычных атмосферных температурах, но у нас нет повода для теории регеляции здесь. Вязкость свинца объясняет все. В Вулвичском арсенале есть монстр-шприц, похожий на мой маленький. Он заряжается свинцом, и с помощью гидравлического давления свинец выдавливается из насадки в виде цилиндрической струи любого требуемого диаметра. Эта струя или палочка свинца является материалом, из которого сейчас изготавливаются удлиненные цилиндрические винтовочные пули.
Но возвращаясь к точке, с которой мы начали, по вопросу о льде, а именно, его альпийскому накоплению выше снеговой линии. Если снегопад там превышает количество, которое оттаивает и испаряется, он должен либо продолжать расти вверх, пока не достигнет самого высокого атмосферного региона, из которого он падает или образуется, либо он должен как-то спускаться.
Если лед можно выдавить через шприц простым ручным давлением, мы вправе ожидать, что он будет выдавлен вниз по склону холма, или через овраг, или через равнину под давлением собственного веса, когда накопление велико. Таков случай, и так образуются ледники.
Они, строго говоря, являются реками или потоками льда; они текут, как жидкая вода, и по тем же каналам, по которым текла бы жидкая поверхностная дренажная вода с холмов, если бы дождь заменил снег. Подобно рекам, они текут с разной скоростью в зависимости от уклона; подобно рекам, их течение быстрее в середине, чем по бокам; подобно рекам, они оказывают свою наибольшую разрывающую силу, когда их сжимают в узких оврагах; и, подобно рекам, они растекаются в озера, когда попадают в открытую чашеобразную долину с узким выходом.
Юстедальсбре в Норвегии — это большое ледяное озеро такого характера, покрывающее площадь около 500 квадратных миль и изливающее свои ледяные потоки со всех сторон, везде, где есть выемка или долина, спускающаяся с плато, которое оно покрывает. Скорость течения таких ниспадающих ледников варьируется от двух или трех дюймов до нескольких футов в день, и они представляют собой великолепные примеры фактической текучести или вязкости кажущейся твердой массы. Эта вязкость оспаривалась, и предпринимались попытки иначе объяснить движение ледников; но хотя возможно, что этому может способствовать различное расширение и сжатие, нисходящий поток, обусловленный вязкостью, в настоящее время признан бесспорно главным фактором движения ледников.
Иногда можно увидеть ледяные каскады. Во время моего первого визита в Норвегию я бродил в одиночестве по очень пустынному горному региону к верховьям Юстедаля и неожиданно наткнулся на мрачное озеро, Стиггеванд, которое лежит у подножия обрывистой границы вышеупомянутого великого ледяного поля. Здесь лед, не имея наклонного долинного желоба, по которому можно было бы спуститься, переливался через край обрыва в виде большого нависающего листа или карниза, который изгибался вниз по мере того, как его толкали вперед, и представлял на выпуклой стороне листа несколько тонких синих трещин, или «кревассов», как их называют. Они постепенно расширялись и углублялись, пока нависающая масса не отломилась и не упала в озеро, на поверхности которого я увидел результат в виде нескольких плавающих айсбергов, которые упали ранее.
Нечто подобное, в малом масштабе, можно увидеть дома на краю крыши дома, на которой скопился снег; но в этом случае это скорее скольжение, чем течение, что создало карниз; но его изгиб вниз является результатом вязкости.
Эти и множество других фактов, которые можно было бы привести, многие из которых придут на ум читателю, достаточно ясно доказывают, что твердое и жидкое состояния материи не являются отчетливо и широко разделимыми, а соединены промежуточным состоянием вязкости.
Теперь мы подходим к вопросу о том, существует ли какая-либо подобная непрерывность между жидкостями и газами. Обычный опыт решительно предполагает отрицательный ответ. Мы не можем указать ни на что в пределах легкой досягаемости, что обладало бы свойствами жидкости и газа наполовину; что стояло бы между газами и жидкостями, как пек и патока стоят между твердыми телами и жидкостями.
Некоторые, возможно, могут предположить, что облачная материя — лондонский туман, например — находится в таком промежуточном состоянии. Однако это не так. Белый сельский туман, обычные облака или так называемый «пар», который виден принимающим облачные формы, когда он выходит из носика чайника или воронки локомотива, состоит из мельчайших частиц воды, взвешенных в воздухе, так же как твердые частицы пыли также взвешены. Его называли «везикулярным паром» в предположении, что он имеет форму мельчайших пузырьков, как мыльные пузыри в очень малом масштабе, но эта гипотеза остается недоказанной. Лондонский туман состоит из подобных частиц, покрытых тонкой пленкой каменноугольной смолы и перемешанных с частицами сажи.
Чтобы ясно понять вышеуказанный вопрос, мы должны определить разницу между жидкостями и газами. Во-первых, они оба являются жидкостями, как уже было согласовано. В чем же тогда существенная разница между жидкой текучестью и газообразной текучестью? Эксперт по молекулярной математике, рассуждая перед своими кинематическими собратьями, дал бы потрясающий ответ на этот вопрос. Он описал бы колебания, вращения, столкновения, средние свободные пробеги и взаимные препятствия атомов и молекул и, с помощью сводящего с ума набора символов, пришел бы к выводу, что газы, если их не сдерживать, расширяются по своей собственной воле, в то время как жидкости сохраняют определенные пределы или размеры.
Экспериментатор-практик демонстрирует то же самое методами, которые легко понятны любому. Поэтому я, как ради себя, так и ради своих читателей, опишу некоторые из последних.
Во-первых, мы все ясно видим, что жидкости имеют поверхность, т. е. четко определенную границу, а также что газы, если они не заключены, ее не имеют. Но поскольку это может быть связано с невидимостью газа, мы должны исследовать это дальше. Воздух, которым мы дышим, можно взять как тип газов, так же как воду — как тип жидкостей. Он имеет вес, что мы можем доказать, взвесив бутылку, полную воздуха, затем выкачав содержимое, взвесив пустую бутылку и отметив разницу.
Имея вес, он давит на землю и сжимается всем, что покоится над ним; таким образом, воздух вокруг нас — это сжатый воздух. Он очень сжимаем и, соответственно, сжат весом всего воздуха над ним.
Поняв это, давайте возьмем бутылку, полную воды, и другую, полную воздуха, и отнесем их обе на вершину Монблана или на аналогичную высоту на воздушном шаре. Мы тогда оставим почти половину атмосферы внизу, и таким образом и жидкость, и газ будут находиться под давлением немногим более половины обычного. Что произойдет, если мы откупорим их обе? Жидкость все еще будет демонстрировать свою определенную поверхность и останется в бутылке, но не газ. Он будет переливаться вверх, вниз или в стороны, независимо от того, как держится бутылка, и если бы мы привязали пустой мочевой пузырь к горлышку перед откупориванием, мы обнаружили бы, что это переливание или расширение газа точно пропорционально снятию давления, при условии, что температура оставалась неизменной. Таким образом, при давлении ровно вдвое меньшем, чем то, под которым была закупорена пинтовая бутылка, воздух измерялся бы ровно в одну кварту, при давлении в одну восьмую — в один галлон и так далее.
Мы не можем подняться достаточно высоко для последнего расширения, но можем легко имитировать эффект дальнейшего подъема с помощью воздушного насоса. Таким образом, мы можем поместить один кубический дюйм воздуха в мочевой пузырь емкостью 100 кубических дюймов, затем поместить его под приемник воздушного насоса и уменьшить давление снаружи мочевого пузыря до 1/100 от его первоначального количества. При таком атмосферном окружении один кубический дюйм воздуха раздует вялый мочевой пузырь и полностью заполнит его. Возможность откачки воздуха из приемника показывает, что он продолжает переливаться из него в поршень насоса по мере того, как его собственное упругое давление на самого себя уменьшается.
Можно провести бесчисленное множество других экспериментов, все из которых доказывают, что все газы состоят из материи, которая не просто несвязна, но энергично самоотталкивающа; настолько, что она может быть удержана в каких-либо границах только с помощью некоторого внешнего давления или ограничения. Насколько нам известно экспериментально, газообразное содержимое одного из воздушных шаров мистера Глейшера растянулось бы достаточно, чтобы занять всю сферу пространства, охватываемую орбитой земли, при условии, что это пространство было бы совершенно вакуумным, а воздушный шар был бы разорван посреди него, при условии поддержания температуры расширяющегося газа.
Здесь, следовательно, в этой самоотталкиваемости, вместо самосцепления, в этом отсутствии самонавязанной границы или размеров, мы имеем очень широкое и хорошо выраженное различие между газами и жидкостями, настолько широкое, что кажется, нет моста, который мог бы его пересечь. Считалось, что это так до недавнего времени. Такой мост, однако, был построен и сделан видимым благодаря экспериментальным исследованиям доктора Эндрюса; но требуется дальнейшее объяснение, чтобы сделать это общепонятным.
До недавнего времени было принято делить газы на два класса — «постоянные газы» и «конденсируемые газы» или «пары». Газообразная вода или пар обычно описывались как типичные для последних; кислород, водород или азот — для первых. Ранее многие другие газы были включены в список постоянных; но Фарадей сделал серьезный прорыв в этой классификации, когда он сжижил хлор путем охлаждения и сжатия. Долгое время после этого газообразные элементы воды и главные составляющие воздуха, кислород, водород и азот, сопротивлялись всем попыткам их конденсировать; но теперь они поддались большому давлению и экстремальному охлаждению.
Таким образом, мы приходим к очень широкому обобщению, а именно, что все газы физически подобны пару (я имею в виду, конечно, «сухой пар», т. е. истинный невидимый пар, а не облачную материю, которой популярно дают название пара), что они все образуются путем нагревания жидкостей выше их точки кипения, точно так же, как пар образуется, когда мы кипятим воду и поддерживаем пар выше точки кипения воды.
Но некоторые жидкости кипят при температурах намного ниже тех, при которых другие замерзают; жидкий хлор кипит при температуре ниже температуры замерзания воды, а жидкая углекислота — даже ниже температуры замерзания ртути, а жидкий водород — еще намного ниже. Это, тем не менее, случаи кипения, хотя это кажется парадоксом согласно идеям, которые мы обычно приписываем этому слову. Но такие идеи основаны на нашем общем опыте свойств наших самых обычных жидкостей, а именно воды.
Когда вода кипит в условиях нашего обычного опыта, переход из жидкого в газообразное состояние — это внезапный скачок, без промежуточного состояния существования, которое мы способны воспринять; и условия, при которых вода превращается в пар — жидкость в газ — в то время как оба находятся на дне нашего атмосферного океана, таковы, что делают промежуточное состояние рационально, а также практически невозможным.