Физика вина

Андрей Ростовцев
«Троицкий вариант» №2(121), 29 января 2013 года

Андрей Ростовцев, докт. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией физики элементарных частиц ИТЭФ, не только физик, но еще и тонкий ценитель и знаток вин. Он знакомит читателей ТрВ-Наука с научными аспектами казалось бы знакомого всем напитка.

Ричард Фейнман во время одной из своих знаменитых лекций заметил: «Поэт сказал однажды: "Весь мир в бокале вина". Мы, вероятно, никогда не поймем, какой смысл он в это вкладывал, ибо поэты пишут не для того, чтобы быть понятыми. Но бесспорно, что, внимательно взглянув в бокал вина, мы поистине откроем целую вселенную». Эти слова стали пророческими.

Действительно, бокал вина вдохновляет не только поэтов и философов, но и физиков. Во многих лабораториях мира вино закупается в качестве расходного материала для постановки важных физических экспериментов.

Взять хотя бы для начала такое известное явление, как «винные ножки». Если бокал с вином повращать, то на стенках возникают следы вина в виде подтеков. Французы называют их «винные ножки». Англичане — «винные слезки», а немцы — «церковные окна». Утверждение, что чем дольше держатся на стенках бокала ножки, тем вино лучшего качества, является мифом. На деле, на стенках бокала тонкая пленка вина превращается в постоянно работающий химический насос. Обогащенная этанолом жидкость загадочным образом поднимается вверх по стенке бокала, теряя по пути спирт за счет испарения, и тонкими струйками воды спускается вниз. Работа такого насоса продолжается до тех пор, пока в вине содержание спирта не опустится ниже некоего порогового значения.

Начиная с XIX века объяснение этого красивого явления традиционно связывают с разницей поверхностного натяжения воды и спирта или эффектом, названным в честь описавшего его итальянского физика Карло Марангони (Carlo Marangoni). Лишь совсем недавно физики обнаружили, что в динамике «винных ножек» эффект Марангони играет хотя и заметную, но далеко не определяющую роль. Так, профессор Рафаэль Тэдмор (Rafael Tadmor) в Университете Ламар (США) разработал динамическую модель «винных ножек», основанную на смачиваемости поверхности бокала [1]. Над решением этой же проблемы бьются целые научные коллективы в Парижском университете и Массачусетском технологическом институте (США). Несмотря на их героические усилия, в описании явления «винных ножек» еще имеется много белых пятен.

Во Французском университете г. Реймс (Шампань) вот уже несколько лет подряд над разгадкой секретов образования и развития пузырьков газа в бокале шампанского работают профессор Жерар Лиже-Белэр (Gerard Liger-Belair) и его коллеги [2]. Замечено, что игра в бокале шампанского тонкая и спокойная. Мельчайшие пузырьки углекислого газа тонкими ниточками поднимаются один за другим к поверхности. И наоборот, например в бокале «Советского "Шампанского"» игра бурная, крупного размера пузырьки поднимаются хаотично, расталкивая друг друга.

Традиционно в рамках российской научной школы объяснение этому явлению сводилось к тому, что в настоящих шампанских винах, выдержанных долгое время на осадке, углекислый газ по большей части находится в различных химически связанных состояниях, и поэтому рост пузырьков газа в бокале шампанского происходит очень медленно. В игристых винах, изготовленных по ускоренной технологии, такие связанные состояния углекислого газа не успевают образоваться, и пузырьки газа быстро нагуливают большой размер за счет диффузии растворенного в пересыщенном растворе газа. Логично. Но при ближайшем рассмотрении оказалось, что такая модель не работает.

Какие процессы определяют игру в бокале шампанского до сих пор, по большому счету, остается загадкой. Возможно, доминирующую роль в этих явлениях играют мономолекулярные слои, подобные тем, которые образуются на поверхности мыльных пузырей. Исследования с участием дорогих шампанских вин в г. Реймс продолжаются.

Раз уж разговор зашел об игристых винах, то уместно вспомнить опыт, когда-то описанный в журнале «Квант». Хрустальный бокал обладает резонансными частотами в акустическом диапазоне в области нескольких килогерц. Если в бокал налить простое тихое вино, то тон бокала станет немного ниже, но всё равно он будет звонким, музыкальным, вибрирующим длительное время на своих резонансных частотах. Но только стоит этот же бокал наполнить игристым вином, как вся мелодичность в миг исчезает и звук бокала становится глухим и коротким.

Физик Андрей Варламов, работающий в Университете «Тор Вергата» в Риме, предположил, что резонансные звуковые частоты бокала, наполненного игристым вином, эффективно поглощаются самими пузырьками газа. Логично. Но эта модель наталкивается на множество трудностей. Например, в разных игристых винах игра пузырьков газа проходит по-разному, от бурной до почти полного отсутствия пузырьков в идеально чистом бокале. Однако эти различия никак не сказываются на величине наблюдаемого явления, истинная причина которого до сих пор не ясна [3].

В лаборатории гидродинамики Федеральной политехнической школы в г. Лозанна (Швейцария) исследуют гидродинамические модели вращения вина в бокале. Англичане говорят: чтобы овладеть искусством дегустации вин необходимо помнить правило пяти «S»: See, Swirl, Smell, Sip, Savor. На этот раз швейцарские ученые углубились в исследование второго «S». Оказалось, что при вращении вина в бокале образуются волны различных видов. Самая простая из них — одиночная, состоящая из гребня волны, и из, как моряки говорят, подошвы волны (т. е. самой низкой части профиля волны между двумя последовательными гребнями).

Изменяя внешние условия эксперимента, можно добиться появления двойного гребня волны вина в бокале, затем тройного и даже квадрупольного. Выяснилось, что тип, возникающей при вращении бокала с вином волны зависит только от трех безразмерных параметров. Эти исследования гидродинамики волн, возникающих в бокале вина, помогают понять процессы, проходящие в орбитальных биореакторах-шейкерах [4].

Незабываемый Юрий Визбор в 70-е годы пел: «Задраены верхние люки, Штурвала блестит колесо. Ввиду долгосрочной разлуки. Всем выдан "Абрау-Дюрсо"...». В СССР сухой тихий каберне «Абрау» на атомных подводных лодках входил в ежедневный рацион. Радиация активизирует окислительные процессы в организме человека. Частично блокировать вредоносное действие ионов кислорода и азота в клетках тела способны антиоксиданты. Речь идет о природном танине ресвератроле, который в больших количествах присутствует в кожице винных ягод и экстрагируется при изготовлении красных вин. В одной бутылке красного вина содержится до 4 мг ресвератрола. Особенно его много в высокотанинных винах, таких как каберне.

В Питсбургском университете в экспериментах с мышами обнаружили, что при введении лекарственного препарата на основе ресвератрола из расчета не менее 10 мг на килограмм живой массы мыши начинают проявлять стойкость к последствиям облучения. Кстати, начиная с прошлого года, после длительного перерыва, винохозяйство Абрау-Дюрсо возобновило производство тихого сухого каберне.

Но, наиболее комичный и одновременно загадочный случай произошел не так давно в Национальном институте изучения материалов в Японии. Там изучали новые высокотемпературные сверхпроводники на основе железа. Казалось, что такими перспективными соединениями могли бы стать халькогениды, например соединение железа с теллуром FeTe. Но при понижении температуры это вещество превращается в антиферромагнетик и не оставляет ни малейшего шанса на сверхпроводимость. Разрушить внутрикристаллическую магнитную упорядоченность можно внедрением каких-нибудь дефектов, например инородных атомов серы. Но и этого оказалось недостаточно.

Однажды три японских студента зачем-то задержались вечером в лаборатории и забыли опытный образец FeTe/S на столе. На следующее утро этот образец показал себя великолепным сверхпроводником. Отчаявшись найти разумное объяснение этому явлению, японские ученые решили в точности повторить «лабораторные условия» прошедшей ночи. В первую очередь они закупили в ближайшем супермаркете саке, виски, вино и пиво и по очереди стали погружать халькогениды в эти напитки. Оказалось, что образцы приобретали свойства сверхпроводников в считанные часы, но самым эффективным в этом плане жидкостью оказалось недорогое красное вино с французским названием Bon Marche [5].

Любопытно и то, что просто разведенный водой этанол не дал нужного эффекта — для сверхпроводимости требовалось именно вино. С тех пор для исследований в области высокотемпературной сверхпроводимости на деньги выделенного гранта регулярно закупается вино, и уже от опытов с дешевыми напитками сотрудники японской лаборатории перешли к винам дорогим и более качественным.

Прав был Ричард Фейнман: внимательно заглянув в бокал вина, мы поистине откроем целую вселенную. Научные исследования в этом направлении продолжаются. Ждем новых открытий.

1. Rafael Tadmor, Marangoni flow revisited, Journal of Colloid and Interface Science.
2. Richard Ingham, «Champagne physicist reveals the secrets of bubbly».
3. Лекция Андрея Варламова «Физика на кухне» в рамках «Публичных лекций "Полит.ру"».
4. M. Reclari, M. Dreyer, S. Tissot, D. Obreschkow, F. M. Wurm, M. Farhat, Hydrodynamic of wine swirling, arXiv:1110.3369v1.
5. K Deguchi, Y Mizuguchi, Y Kawasaki, T Ozaki, S Tsuda, T Yamaguchi and Y Takano, Alcoholic beverages induce superconductivity in FeTe_1-xS_x.