Физика мягких сред: от реологии до векового эксперимента с каплей смолы

Ежедневное выдавливание зубной пасты из тюбика наглядно иллюстрирует сложные принципы физики, связанные с реакцией материалов на механические воздействия. В отличие от классического деления на твёрдые тела и жидкости, такие материалы, как зубная паста, кремы и гели, демонстрируют двойственное поведение: они текут под давлением, но сохраняют форму в покое. Эти субстанции, известные в западной физике как «мягкие среды» (soft matter), а в русскоязычной литературе чаще как «мягкая материя» или «мягкое конденсированное вещество», состоят из крупных структурных элементов, взвешенных в жидкой среде. Эти структуры удерживаются слабыми связями, что придаёт материалу одновременно хрупкость и высокую адаптивность к внешним напряжениям.

Реакция материала на внешнее воздействие критически зависит от интенсивности приложенной силы и временного интервала её действия. Резкое сжатие тюбика вызывает быстрое течение пасты за счёт мгновенной перестройки внутренней структуры. Аналогично, встряхивание шампуня заставляет его молекулы выстраиваться вдоль вектора сдвига, что снижает вязкость и облегчает выливание. Изучением такого зависимого от силы и времени поведения занимается реология — раздел физики, исследующий деформацию и течение веществ под нагрузкой. Это явление перекликается с изречением Гераклита «panta rhei» — «всё течёт».

Наиболее известной демонстрацией этих принципов является Эксперимент с каплей смолы (Pitch Drop Experiment), инициированный профессором Томасом Парнеллом в 1927 году в Университете Квинсленда в Брисбене, Австралия. Целью Парнелла было показать студентам, что вещества, кажущиеся твёрдыми, по сути являются жидкостями с чрезвычайно высокой вязкостью. Он залил нагретый пек — побочный продукт перегонки нефти или дегтя, крошащийся при комнатной температуре, — в стеклянную воронку с запаянным стержнем. В 1930 году Парнелл удалил пломбу, дав смоле начать течь. Эксперимент непрерывно продолжается, зафиксировав своё место в Книге рекордов Гиннесса как самая продолжительная лабораторная демонстрация.

С момента начала эксперимента в 1930 году до настоящего времени упало всего девять капель, при этом ни один из кураторов не видел момента падения ни одной из них. Первая капля упала в 1938 году, вторая — в феврале 1947 года. Профессор Парнелл скончался осенью 1948 года, не дожив до следующего падения. Последующие капли падали в 1954, 1962, 1970, 1979 и 1988 годах. Восьмая капля упала в ноябре 2000 года, после чего вязкость пека была оценена примерно в 230 миллиардов раз больше, чем у воды. Девятая капля упала в апреле 2014 года во время интернет-трансляции, однако профессор Эндрю Уайт, третий хранитель эксперимента, случайно нарушил обзор при замене стакана.

Нынешний куратор, профессор Эндрю Уайт, сменил Джона Мэйнстона, который получил Шнобелевскую премию по физике в 2005 году вместе с покойным Парнеллом за этот опыт. Изначально эксперимент проводился без контроля температуры, что влияло на вязкость, но после 1988 года в помещении был установлен кондиционер для стабилизации условий. Уайт ожидает падения десятой капли к концу 2020-х годов, возможно, к 2027 году, когда будет отмечаться столетие начала опыта. Исследования в этой области остаются актуальными, что подтверждается, например, семинаром «Будущее реологии» в январе 2026 года, в котором участвует доктор Индреш Ядав из IIT-Бхубанешвар и MIT.