Самый странный опыт в истории: зачем ученые почти сто лет ждут падения капли битума

Самый длительный лабораторный эксперимент, отмеченный Книгой рекордов Гиннесса, начался в австралийском Брисбене в 1927 г. Опыт с капающим пеком затеял профессор Квинслендского университета Томас Парнелл. Эксперимент длится почти век. И за это время еще никому не удалось увидеть сам момент падения капель, хотя их насчитали уже девять.

Битум – это жидкость

Опыт с капающим пеком (Pitch Drop Experiment) наглядно доказал: многие вещества, которые кажутся нам твердыми, на самом деле являются жидкостями, обладающими высокой степенью вязкости. К таким аморфным материалам относится, например, хорошо известный всем битум или горная смола – нефтепродукт природного происхождения, который также производится искусственно при переработке каменного угля, торфа или сланцев.

Правда, ученые называют этот материал более широким словом «пек», которое обозначает результат перегонки дегтя или нефтяной смолы. Речь идет о жидких веществах, которые по формальным признакам воспринимаются как твердые.

Редактор отдела зарубежной научной информации журнала «Наука и жизнь» Юрий Фролов описал эксперимент, начатый Томасом Парнеллом в статье «Десять самых странных опытов в истории науки», которая вышла в мае 2010 г. Автор отметил, что австралийский физик поместил кусок твердой смолы (битума) в стеклянную воронку, закрепленную на специальном штативе. Затем ученый слегка нагрел исследуемое вещество.

В 1930 г. экспериментатор удалил заглушку с воронки, что запустило процесс формирования первой капли, которая благополучно упала в лабораторный стакан в конце 1938 г. Очередь следующей наступила в феврале 1947 г. После того как профессор Томас Парнелл скончался, следить за опытом начал его коллега – физик Джон Мэйнстон. Он зафиксировал падение капель в 1954, 1962, 1970, 1979, 1988 и 2000 гг. А в 2005 г. даже получил хоть и полушутливую, но вполне престижную Шнобелевскую премию по физике (своеобразная альтернатива Нобелевской премии).

С 2013 г. почетная должность «хранителя» эксперимента, все еще проходящего в Квинслендском университете, досталась профессору Эндрю Уайту. Уже в его смену упала девятая, последняя на сегодняшний день капля пека. Следующую австралийские физики ожидают к 2027 г., когда они будут отмечать 100-летие эксперимента.

Уникальный материал

Нетрудно заметить, что до 1988 г. капли падали с периодичностью в 8-9 лет. Затем в здании университета установили кондиционеры, температура в помещении слегка понизилась, и это отразилось на результатах опыта. Теперь ожидание каждой новой капли длится 12-14 лет. Так реальность подтверждает научные сведения. В ходе эксперимента ученые доказали, что вязкость битума, как минимум, в 230 миллиардов раз выше, чем аналогичная характеристика воды.

Объяснение таких уникальных свойств битума содержится в книге британского материаловеда, профессора Университетского колледжа Лондона Марка Медовника «Жидкости. Прекрасные и опасные субстанции, протекающие по нашей жизни» (М., 2019 г.). Описав эксперимент Томаса Парнелла, автор отметил, что битум, вообще-то, представляет собой «гораздо более интересный материал, чем кто-либо первоначально предполагал, включая специалистов-материаловедов».

По словам Марка Медовника, всем хорошо известный, широко используемый в дорожном строительстве материал – это далеко не скучная густая черная грязь, извлекаемая из земли, как многие считают. В глазах исследователя битум оказывается динамической смесью углеводородов, которые образовались за миллионы лет в результате разложения биологических организмов. И хотя эти молекулы больше не являются частью растений и животных, они удивительным образом «самоорганизуются внутри битума, создавая набор взаимосвязанных структур».

Как и австралийские коллеги, Марк Медовник уверенно называет битум жидкостью, чья вязкость примерно в 2 миллиарда раз выше, чем у арахисовой пасты. Уникальные свойства молекул этого вещества и его некоторая текучесть позволяют битуму медленно затягивать трещинки, образующиеся в асфальтовом покрытии автодорог.
Правда, возможности битума не безграничны. Со временем, особенно при низких температурах, он теряет свою пластичность, и больше не может «залечивать» дорожное покрытие. И это хорошо известно российским автомобилистам.

Не удалось увидеть

Как ни странно, но сам долгожданный момент падения капель пека в лаборатории Квинслендского университета ни Томасу Парнеллу, ни Джону Мэйнстону увидеть так и не удалось. Как вспоминал «хранитель» эксперимента, в апреле 1979 г. он все выходные провел, неусыпно наблюдая за шестой по счету каплей, которая вот-вот должна была сорваться с носика воронки. Однако, по иронии судьбы, данное событие произошло именно в тот момент, когда усталый физик ненадолго отлучился отдохнуть.
В июле 1988 г. Джону Мэйнстону снова не повезло. Седьмая капля сорвалась с носика воронки и упала в стакан, когда ученый вышел всего на пять минут, чтобы взбодриться чашечкой чая.
В ноябре 2000 г. австралийский физик был твердо намерен не пропустить долгожданное событие, и даже специально установил в своей лаборатории веб-камеру, поскольку накануне ему потребовалось отправиться в Англию. Но, увы! У берегов Брисбена разразился тропический шторм, вызвавший отключение электроэнергии всего на 20 минут. И именно в это время упала восьмая по счету капля пека. И ее падения снова никто не увидел.

Упала не вовремя

В апреле 2014 г. куратором эксперимента являлся уже профессор Эндрю Уайт. Все мировое научное сообщество и простые обыватели, интересующиеся физикой, следили в эти дни за ожидаемым падением девятой капли, ведь Квинслендский университет организовал интернет-трансляцию эксперимента в режиме реального времени. Но снова случился казус.

Дело в том, что небольшой лабораторный стакан, использовавшийся учеными, был заполнен, а девятая капля оказалась довольно крупной. 17 апреля она коснулась своей предшественницы, еще не отделившись от носика воронки с пеком. Тогда Эндрю Уайт решил заменить стакан, дабы освободить место для новых капель. Об этом он рассказал в статье «Pitch Drop Experiment вступает в новую захватывающую эру», которая была опубликована на официальном сайте Квинслендского университета 24 апреля 2014 г.

Именно в этот день австралийский ученый приподнял воронку с пеком, чтобы удалить заполненный стакан, но в этот момент «деревянное основание закачалось, и девятая капля смолы отлетела от воронки». И этого снова никто не увидел, ведь ученый загородил собой каплю от зрителей интернет-трансляции. А сам он в тот момент был слишком занят совершаемыми манипуляциями, которые требовали точности и внимательности.

Теперь ученым и всем заинтересованным лицам остается только ждать, когда полностью сформируется и упадет десятая, юбилейная капля пека. Это событие ориентировочно произойдет в 2025-2027 гг. Ученые, к слову, не планируют прекращать интернет-трансляцию эксперимента, о завершении которого пока и речи не идет. По крайней мере, остающегося в воронке пека хватит, как минимум, еще на 80 лет.

А в Дублине получилось

При этом сотрудники Тринити-колледжа (Дублин, Ирландия) оказались удачливее своих австралийских коллег. В данном учебном заведении аналогичный опыт проходит с 1944 г. Известный научный журналист Артем Космарский описал его в статье «Капля битума упала: успешное завершение 69-летнего эксперимента», которая вышла в журнале «Наука 21 век» 22 июля 2013 года. Автор рассказал, что ирландский физик Шэйн Берджин поставил у воронки с битумом веб-камеру, и ему улыбнулась удача.

«Терпение и энтузиазм Берджина принесли свои плоды: около 5 часов утра в четверг, 11 июля, он увидел, как падает капля битума», – написал А. А. Космарский.
Изучив динамику падения капли, сотрудники Тринити-колледжа подсчитали, что вязкость битума в 2 миллиона раз больше, чем у меда. Ирландские физики тоже планируют продолжать свой эксперимент неопределенно долгое время.