Построение теории воды методом Ньютона. 1

             Построение теории жидкой воды методом Ньютона.

Часть 1.


Главным наследием Исаака Ньютона является не его, ставшая классической, механика, не его фундаментальный вклад в развитие математики, не созданный им телескоп-рефлектор, — всё это очень важно, но рано или поздно могло быть создано его гениальными современниками или потомками. Главным же результатом его многолетнего труда является эмпирический метод познания, который теоретиками сегодня не понят и не принят. Они наивно полагают, что кроме эмпирического существует другой, более эффективный, «теоретический» метод познания, основанный на умозрительных идеях учёного. Слово теоретический специально взято в кавычки, чтобы подчеркнуть, что такого, отдельно взятого метода не существует. Опыт и теория составляют единое целое. Опыт определяет направления теоретических исследований. А умозрительная идея, которой по мнению теоретиков должна следовать Природа, направляет экспериментальные исследования по ложному следу: искать чёрную кошку в тёмной комнате.

Вот как Ньютон концентрировано сформулировал эмпирический метод познания в виде «золотого правила науки»:

«Лучшим и наиболее безопасным методом философствования, как мне кажется, должно быть сначала прилежное исследование свойств вещей и установление этих свойств с помощью экспериментов, а затем постепенное продвижение к гипотезам, объясняющим эти свойства. Гипотезы могут быть полезны лишь при объяснении свойств вещей, но нет необходимости взваливать на них обязанности определять эти свойства вне пределов, выявленных экспериментом… ведь можно изобрести множество гипотез, объясняющих любые новые трудности».

Обратите внимание на последнюю фразу: «…ведь можно изобрести множество гипотез, объясняющих любые новые трудности». Это то, чем сегодня занимаются теоретики, забывшие или незнающие главного наследия Ньютона.
 
Суть золотого правила науки Ньютона сводится к тому, что любая гипотеза, любая теория, как совокупность гипотез, должна выводиться «методом наведения» (методом индукции) из опыта, и ни в коем случае не наоборот. Из его метода следует, что любая умозрительная гипотеза не может быть истинной по определению. Язык Природы богаче языка человека, её проявления бесконечны, поэтому они не могут быть адекватно описаны средствами, содержащими конечный понятийный аппарат.

Многие умозрительные гипотезы подтверждаются опытом. И в этом нет ничего удивительного, поскольку они обязаны объяснять «новые трудности», возникающие из-за несогласия Природы с теорией. Но это, тем не менее, не делает их истинными. В качестве примера можно привести картину мира Птолемея, которая почти полторы тысячи лет использовалась мореходами для определения местонахождения судов в море, а купцами – местоположения караванов в пустыне; применялась астрологами для составления календарей. И, что удивительно, она точно предсказывала расположение светил на небосклоне, и позволяло путешественникам добираться к цели, а составителям календарей предсказывать астрономические явления. Но, как известно, картина мира Птолемея была ложной теорией.

В этой связи, метод познания Ньютона обладает непреходящей ценностью. Он предостерегает исследователя от искушения искать истину там, где её быть не может. Только метод Ньютона даёт исследователю возможность двигаться в правильном направление. Он, безусловно, сложнее умозрительного метода, где достаточно мысленно представить модель и описать её с помощью математических уравнений. Эмпирический метод предполагает не умозрительное построение модели, а её логическое выведение из экспериментов, подобно доказательству теоремы в аксиоматической теории. Логика вывода основана на исключении противоречий теории. Достижение непротиворечивости теории связано с выстраиванием сложных логических пазлов в виде множества несвязанных друг с другом результатов опытов. Такая теория категорически не допускает существования рядом с собой парадоксов. Парадокс – это не природное явление, а явление, связанное с ограниченностью человеческого знания о Природе. 

Автор сознательно выбрал для демонстрации возможностей метода Ньютона молекулярно-кинетическую теорию (МКТ) жидкой воды, хотя профессионально он не был связан с этой областью знания. МКТ — это общепризнанная теория, визитной карточкой которой является обилие аномалий, эдакий шарм внутренних тайн воды. Существуют и другие, менее признанные теории, всего их не менее сотни, но всех их объединяет «умозрительность», неспособность авторов выводить структуру жидкой воды из опыта. В этой связи жидкая вода является отличным полигоном для демонстрации возможностей метода Ньютона. Ну а поскольку автор не профессионал в этой области, то просит специалистов не судить слишком строго за использование бытового, а не специализированного языка химиков-физиков.

Эмпирическая теория жидкой воды будет строиться исключительно из известных опытных данных, и, в первую очередь, связанных с её аномалиями. План построения теории следующий. Рассматриваются аномалии, не вписывающиеся в МКТ жидкой воды, и путём комплексного рассмотрения известных, но недооцененных свойств льда, жидкой воды и пара, и из условий энергетической достаточности выводится структура жидкой воды. Напомним, что существование силы гравитации Ньютоном было доказано из рассмотрения «аномалии» движения планет вокруг Солнца. При движении по круговой орбите на планету должна действовать центробежная сила, выбрасывающая её вне орбиты. И только центростремительная сила, компенсирующая центробежную силу в соответствие с третьим законом Ньютона, может уравновесить положение планеты на орбите. Другого рационального решения этой аномалии нет. Эта центростремительная сила была названа силой притяжения, или силой гравитации. Ньютон определил величину этой силы, создал по меткому выражению Гюйгенса «вычислительное правило», но категорически отказался от фантазий на тему механизма этой силы. Его ответ был короток и в русле золотого правила: «Гипотез не измышляю».


1. Противоречие между высокой текучестью жидкой воды и низким значением величины скрытой теплоты плавления льда.


Жидкая вода обладает выдающейся текучестью. По этому параметру она входит в верхние строчки списка жидкостей, опережая по этому показателю хорошо известный продукт, как этиловый спирт, и незначительно уступая летучим растворителям, таким как ацетон и бензин. Вот как это свойство воды объясняет современная наука: «Свойство текучести воды обусловлено молекулярной структурой и взаимодействием между молекулами. Молекулы воды связаны между собой водородными связями, которые достаточно сильны, чтобы удерживать вещество вместе, но недостаточно жестки, чтобы образовать кристаллическую решётку, как во льду или металле».

Итак, современная наука видит причину текучести воды в межмолекулярном механизме. Интересно, а кто-нибудь пытался проверить эту гипотезу на истинность? Ведь она лежит в основе МКТ жидкой воды. Похоже, Ньютон тут не проходил.

Ну что же, проверим её обоснованность.


Как известно молекула воды (рис. поз.1) имеет 4 межмолекулярные связи. Структура льда представлена регулярными структурами в виде шестиугольников – сот (рис. поз.2), образующих плоскости, которые сшиты поперечными связями (рис. поз 3). Внутри шестиугольника у каждой молекулы воды задействованы 2 связи, ещё одна идёт на связь с соседями по плоскости, и ещё одна - с соседями из параллельной плоскости». Обратим внимание, что сота наиболее устойчивая фигура в структуре льда, но не в качестве самостоятельного строительного элемента, кластера, а в качестве регулярного узора кристалла льда. В одиночной соте используются только 2 из 4 связей. А, как известно, в состоянии равновесия система стремится к минимизации свободной энергии. Поэтому отдельная сота не является кластером, а всего лишь элементом узора при образовании структуры с полностью использованными связями. Такой структурой оказываются плоские кристаллы из сот, прошитые поперечными связями со своими соседями сверху и снизу, образующие трёхмерный кристалл.

При плавлении льда из твердого состояния, состояния, когда вода сопротивляется сдвигу, в жидкое состояние, состояние, когда вода теряет эту способность, затрачивается тепловая энергия, называемая скрытой теплотой плавления, которая равна 6,01 кДж/моль. Сама по себе эта цифра нам не о чём не говорит. А чтобы она заговорила сравним её с теплотой, которая затрачивается на испарение воды из состояния льда, то есть на плавление, нагрев до температуры кипения и собственно испарение. Эта тепловая энергия составляет 54,3 кДж/моль. Как говорится, почувствуйте разницу: теплота плавления составляет всего 11% от теплоты, необходимой на разрушение всех молекулярных связей в воде. Чего можно добиться таким малым количеством тепловой энергии? Посмотрим!


При тепловом или механическом воздействии на объёмный кристалл льда, как нетрудно заметить, проще разрушить поперечные связи, чем внутренний узор, что и происходит при разрушении глыб льда ручным инструментом и поверхности ледяного поля ледоколом.

Для того, чтобы разрушить только поперечные связи кристалла льда, необходимо разрушить одну из четырёх, то есть 25% всех связей молекул воды. А при плавлении льда затрачивается всего 11%, и то, при условии, что все эти проценты тепловой энергии пошли бы на разрушение межмолекулярных связей. То есть скрытой теплоты плавления льда категорически недостаточно даже для разрушения поперечных связей между плоскими кристаллами, что ставит крест на межмолекулярном механизме течения воды. Это означает, что плоские сотообразные кристаллы, похожие на соты пчёл, были и остаются основными промежуточными элементами структуры воды в фазах льда и жидкости. Почему промежуточными? Потому, что такие кристаллы, хотя и будут обладать высокой подвижностью относительно друг друга, но они не обладают круговой симметрией, необходимой для обеспечения одинаковых условий течения воды во всех направлениях.


Что из себя могут представлять субструктуры жидкой воды? Попытаемся ответить на этот вопрос, что называется, в лоб. Зададимся поиском такой регулярной структурой воды, которая бы имела 11% разрушенных связей, и при этом обеспечивала одинаковую способность воды к течению в любых направлениях.

Такой минимальной структурой может быть только сферический объект – глобула, внутри которой у молекул задействованы все четыре связи, а на её поверхности находятся молекулы с тремя задействованными и одной свободной связью. То есть имеем математическую задачу, заключающейся в определении размеров сферы, состоящей из молекул воды, каждая из которых имеет 4 связи. Причём внутри сферы задействованы все 4 связи, а на её поверхности только три. Отношение числа свободных связей к общему его числу должно быть равно 0,11. Решение этой задачи даёт результат порядка 1000 молекул. Для примера, если число разрушенных связей уменьшить, скажем, до 1%, то размер глобул увеличивается до полутора миллионов молекул. Любители математики это могут проверить.
Таким образом, в воде по условию энергетической достаточности не могут существовать ассоциации молекул, состоящие из менее, чем 1000 молекул. Это совсем не значит, что ассоциаций с большим количеством молекул тоже не существует. Существует! Мы просто из условия того, что вся тепловая энергия плавления пошла на разрушение связей (уже неважно каких), нашли такой минимальный, регулярный элемент структуры. В действительности теплота плавления идёт на множество других коллективных процессов. Но каковы бы эти процессы не были, разрушенных связей более 11% не может быть в принципе.  Тогда минимальный размер глобул, структурных единиц воды, должен быть не менее 4 нанометров. Этот ответ вытекает из размера молекулы, равного 0,28нм.

Для дальнейшего восстановления истинной структуры жидкой воды обратим внимание на её фазовую диаграмму. При температуре выше температуры в критической точке, вода перестаёт быть «текущей» водой. Она представляет собой сверхкритический флюид. Нечто среднее между жидкостью и газом, в котором не может существовать поверхность раздела фаз: жидкость-газ. Параметр, который отвечает за этот переход – силы поверхностного натяжения. В критической точке они равны нулю. Таким образом обнаруживаем, что поверхностное натяжение – это условие существования жидкости. И, следовательно, глобулы, обладающие гигантской суммарной поверхностью, становятся теми объектами, которые определяют факт превращения льда или пара в жидкую воду. Но силы поверхностного натяжения существуют только на границе раздела фаз жидкость-газ. Следовательно глобулы несамостоятельны, они могут существовать только в газовой подушке. Тогда жидкая вода – это двухфазная смесь глобул в газовой подушке.

Сделаем отступление, и обратим внимание на то, что текучестью, малой теплотой плавления и критической точкой обладают все вещества. А из этого следует обобщающий вывод: все жидкости состоят из глобул, погруженных в газовую подушку. И вода в этом списке не является исключением. Просто многие её свойства особенно ярко подчёркивают факт существования такой структуры.

Но возвращаемся к воде.

Теперь мы знаем, что, во-первых, основными элементами структуры жидкой воды являются плоские, равноудалённые структуры из молекул воды, имеющие регулярный сотовый рисунок, соединённые слабыми поперечными связями. Во-вторых, поскольку плотность воды выше плотности льда на 9 %, а равновеликие глобулы не могут быть упакованы плотнее, чем 74% от выделенного объема (рис. поз.5), то расстояния между сотообразными структурами должно быть на 35% меньше, чем в кристаллах льда. То есть глобула должна представлять собой плотноупакованную совокупность вложенных сфер со слабыми поперечными связями. А поскольку температурные колебания никто не отменял, то глобула представляет собой совокупность вложенных, колеблющихся сфер со слабыми поперечными связями.  А из физики известно, что у осцилляторов со слабыми связями возникает эффект фазовой синхронизации. То есть такая глобула превращается в сферический радиальный осциллятор, а по сути, в динамический кристалл, в котором молекулярный хаос сменяется гармонией синфазных колебаний. В динамическом кристалле соседние слои так незначительно смещаются друг относительно друга, что слабой поперечной связи становится достаточно для удержания этой конструкции в динамическом равновесии. Правда, внешний слой такой оболочки будет испытывать большие силы инерции при смене направления колебания, и будет сбрасываться.
 Чтобы такого не случилось верхний молекулярный слой в силу геометрии плоского кристалла, становится равновесным, то есть задействуются все три его связи в полную силу. Это может происходить при наличии двух условий. Первое – это наличие раздела фаз, которое обеспечивается газовой подушкой и внешним расположением слоя. Второе условие – это создание необходимой геометрии (диаметра сферы) для раскрытия всех трёх связей, подобно тому, как это происходит во льду. Ещё это условия можно сравнить с раскрытием зонта. Пока зонт не раскрыт полностью, его конструкция не является равновесной, его внешняя поверхность свободно перемещается относительно ручки. Но как только созданы условия для срабатывания замка в верхней точке, зонт становится равновесной конструкцией в виде купола, способной воспринимать внешние нагрузки.



Естественно, возникает вопрос, а о какой газовой подушке идёт речь? Первоначально автор считал, что это водяной пар. Это убеждение длилось до тех пор, пока в дело не пошли расчёты. Минимальный объем паровой подушки составляет 26% от всего объема воды. Это следует из условий максимальной плотности упаковки сфер одного диаметра, составляющей 74% (рис. поз.4). Эта задача была решена Карлом Гауссом.  Так вот согласно закону распределения молекул воды по скоростям, закону Максвелла, выясняется, что при температуре 0 градусов Цельсия в жидкой воде содержится доля молекул с энергией достаточной для превращения в газовую фазы, которая на два порядка меньше, чем необходимо для заполнения объема между глобул.
 Тогда родился следующий ответ – этим газом является воздух. Но и он оказался малоубедительным, поскольку растворимость воздуха в воде в десять раз меньше, чем это надо для заполнения газовой подушки.
 
И тут наступило понимание, что газовая подушка воды может быть образована любым газом из имеющихся в наличии в атмосфере, а показатель растворимости воздуха в воде не имеет к этому отношения, от слова совсем. То есть газовая подушка – это не то, что может быть извлечено из воды Газовая подушка – это неотъемлемая, неизвлекаемая часть воды. А тот воздух, что растворяется и извлекается, это сверх того. И что из этого следует? То, что с точки зрения современной физики не имеет научного подтверждения. Это – ПАМЯТЬ ВОДЫ. То есть пока мы не довели объем внутреннего пара воды до необходимого объема, что случается при её нагреве свыше 80 градусов Цельсия, вода «помнит» свои прошлые состояния. И эти состояния из воды можно удалить только кипячением, то есть разрушив структуру жидкости и отпустив на волю её пленниц.

Поэтому рассуждения о мертвой и живой воде переходят из разряда сказок в разряд физического явления.

(Продолжение следует)