The invisible motion of still objects - Ran Tivony

Невидимое движение неподвижных объектов — Рэн Тивони

Переводчик: Nataliia Pysemska Редактор: Yekaterina Jussupova

Many of the inanimate objects around you probably seem perfectly still.

Многие неодушевлённые предметы вокруг нас кажутся совершенно неподвижными.

But look deep into the atomic structure of any of them,

Однако присмотритесь к атомному строению любого из них,

and you'll see a world in constant flux.

и вы увидите целый мир, находящийся в постоянном движении.

Stretching,

Растягивающиеся,

contracting,

сжимающиеся,

springing,

пружинящие,

jittering,

drifting atoms everywhere.

дрожащие,

дрейфующие атомы повсюду.

И хотя это движение кажется хаотичным, оно не случайно.

And though that movement may seem chaotic, it's not random.

Atoms that are bonded together,

Соединённые друг с другом атомы,

and that describes almost all substances,

и это касается практически всех веществ,

move according to a set of principles.

двигаются, согласно набору определённых принципов.

For example, take molecules, atoms held together by covalent bonds.

Например молекулы. Атомы в них удерживаются ковалентными связями.

There are three basic ways molecules can move:

Есть три основных вида движения молекул:

rotation,

вращение,

translation,

смещение,

and vibration.

и колебание.

Rotation and translation move a molecule in space

При вращении и смещении молекулы в пространстве,

while its atoms stay the same distance apart.

её атомы находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.

Vibration, on the other hand, changes those distances,

С другой стороны, колебание изменяет это расстояние,

actually altering the molecule's shape.

при этом изменяя форму молекулы.

For any molecule, you can count up the number of different ways it can move.

Для любой молекулы можно просчитать количество вариантов движения.

That corresponds to its degrees of freedom,

Оно соответствует её степеням свободы,

which in the context of mechanics

что в контексте механики

basically means the number of variables we need to take into account

означает число переменных, которые необходимо принять во внимание,

to understand the full system.

чтобы понять систему в целом.

Three-dimensional space is defined by x, y, and z axes.

Трёхмерное пространство представляется в виде осей x, y и z.

Translation allows the molecule to move in the direction of any of them.

Смещение позволяет молекуле двигаться в любом из этих направлений.

That's three degrees of freedom.

Это и есть три степени свободы.

It can also rotate around any of these three axes.

Также она может вращаться вокруг любой из этих осей.

That's three more,

Это ещё три степени свободы.

unless it's a linear molecule, like carbon dioxide.

Исключением является линейная молекула, вроде углекислого газа.

There, one of the rotations just spins the molecule around its own axis,

В этом случае вращения просто поворачивают молекулу вокруг своей оси

which doesn't count because it doesn't change the position of the atoms.

и не учитываются, так как положение атомов не изменяется.

Vibration is where it gets a bit tricky.

С колебаниями всё немного сложнее.

Let's take a simple molecule, like hydrogen.

Возьмём простую молекулу водорода.

The length of the bond that holds the two atoms together is constantly changing

Длина связи, удерживающая два атома, постоянно меняется,

as if the atoms were connected by a spring.

будто их скрепили пружиной.

That change in distance is tiny, less than a billionth of a meter.

Это изменение ничтожно мало, менее одной миллиардной доли метра.

The more atoms and bonds a molecule has, the more vibrational modes.

Чем больше у молекулы атомов и связей, тем больше типов колебаний.

For example, a water molecule has three atoms:

Например, у молекулы воды 3 атома:

one oxygen and two hydrogens, and two bonds.

один атом кислорода, два атома водорода и две связи.

That gives it three modes of vibration:

Это даёт ей 3 типа колебаний:

symmetric stretching,

симметричное растяжение,

asymmetric stretching,

асимметричное растяжение

and bending.

и искривление.

More complicated molecules have even fancier vibrational modes,

Более сложные молекулы имеют более причудливые типы колебаний:

like rocking,

маятниковое,

wagging,

веерное,

and twisting.

крутильное.

If you know how many atoms a molecule has, you can count its vibrational modes.

Если вы знаете, сколько атомов у молекулы, то можете рассчитать типы её колебаний.

Start with the total degrees of freedom,

Начнём с общих степеней свободы,

которых в три раза больше, чем атомов в молекуле.

which is three times the number of atoms in the molecule.

Дело в том, что каждый атом может двигаться в трёх разных направлениях.

That's because each atom can move in three different directions.

Three of the total correspond to translation

Три из них соответствуют смещению,

when all the atoms are going in the same direction.

когда все атомы двигаются в одном направлении.

And three, or two for linear molecules, correspond to rotations.

А три, или две для линейных молекулы, соответствуют вращению.

All the rest, 3N-6 or 3N-5 for linear molecules,

Все остальные — 3N-6, или 3N-5 для линейных молекул, —

are vibrations.

являются колебаниями.

Что же вызывает все эти движения?

So what's causing all this motion?

Molecules move because they absorb energy from their surroundings,

Молекулы двигаются, потому что они поглощают энергию из окружающей среды,

в основном в виде тепла или электромагнитной радиации.

mainly in the form of heat or electromagnetic radiation.

When this energy gets transferred to the molecules,

Когда эта энергия передаётся молекулам,

they vibrate,

они колеблются,

rotate,

вращаются

or translate faster.

или смещаются быстрее.

Ускоренное движение увеличивает кинетическую энергию молекул и атомов.

Faster motion increases the kinetic energy of the molecules and atoms.

We define this as an increase in temperature and thermal energy.

Мы определяем это как рост температуры и тепловой энергии.

This is the phenomenon your microwave oven uses to heat your food.

Этот феномен используется в микроволновой печи для разогрева еды.

The oven emits microwave radiation, which is absorbed by the molecules,

Печь испускает микроволновое излучение, которое поглощают молекулы,

especially those of water.

особенно молекулы воды.

They move around faster and faster,

Они перемещаются всё быстрее и быстрее,

bumping into each other and increasing the food's temperature and thermal energy.

ударяясь друг о друга и повышая температуру пищи и тепловую энергию.

Другим примером служит парниковый эффект.

The greenhouse effect is another example.

Some of the solar radiation that hits the Earth's surface

Часть солнечной радиации, попадающей на поверхность Земли,

is reflected back to the atmosphere.

отражается обратно в атмосферу.

Greenhouse gases, like water vapor and carbon dioxide absorb this radiation

Парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ, поглощают эту радиацию

and speed up.

и ускоряются.

These hotter, faster-moving molecules emit infrared radiation in all directions,

Эти горячие подвижные молекулы

испускают инфракрасное излучение во всех направлениях,

including back to Earth, warming it.

в том числе обратно к Земле, нагревая её.

Does all this molecular motion ever stop?

Останавливается ли когда-нибудь это движение молекул?

You might think that would happen at absolute zero,

Возможно, вы считаете, что это происходит при абсолютном ноле,

the coldest possible temperature.

самой низкой температуре.

No one's ever managed to cool anything down that much,

Никто ранее не смог охладить ничто до такой степени,

but even if we could,

но даже если бы мы могли,

molecules would still move due to a quantum mechanical principle

молекулы продолжили бы двигаться из-за квантово-механического принципа

called zero-point energy.

под названием энергия нулевой точки.

In other words, everything has been moving since the universe's very first moments,

Другими словами, с момента возникновения Вселенной всё находится в движении

and will keep going long, long after we're gone.

и будет ещё долго продолжать двигаться после нашего исчезновения.