Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Верните человека в его природное состояние – сбросьте с него несколько тысяч лет культуры и изобретений, а также то, что в наши дни сходит за цивилизованное поведение. Мы превратимся в племя охотников и собирателей, принципиально не отличающихся от кротов, сурикатов и всё разнюхивающих трубкозубов. Но стоит наступить дождливому воскресному вечеру, и мы пожелаем оказаться дома, сидя за мокрыми окнами с хорошей книгой, черно-белым фильмом, бокалом красного вина и развлечениями. Большинство видов животных способны создавать для себя какие-то убежища, а мы научились строить здания, которые объединяют в себе всё лучшее из окружающих нас миров. Мы можем лежать дома, уютно свернувшись калачиком, но, благодаря гениально встроенным в наш дом стеклянным панелям, одновременно быть не дома. Металлы и пластмассы, как мы видели в предыдущей главе, – скучные материалы, которые мы используем в повседневной жизни тысячей способов. Стекло же необычно и интригующе. Мы его не видим, но оно существует.

Этот удивительный прозрачный материал относится к числу самых старых. Еще 5000 лет назад его использовали в Месопотамии, но для создания блестящих цветных шариков или бисера, которые походили на ювелирные изделия, а не для устройства больших вертикальных поверхностей из ничего[100]. Стеклянные окна впервые появились самое позднее в Древнем Риме[101]. Вы можете решить, что на этом история стекла и заканчивается: что еще можно сказать о том, чего мы не видим? Но люди усовершенствуют стекло по сей день. Что скажете о стеклах, которые моют себя сами, освещают или затемняют жилище при одном щелчке выключателя? А как насчет суперпрочного стекла на экранах смартфонов и планшетов? Не так давно люди боялись взять в руки стеклянную вещь. Сегодня мы об этом даже не задумываемся. Стекло – настоящее чудо. И всё благодаря законам физики.

Сваренный песчаный пляж

Вот простой рецепт получения стекла. Идите на пляж с ведром и совком и насыпьте в ведро немного песка. Разведите большой костер. Бросьте в него песок, доведите до жидкого состояния и быстро охладите. И тут – опаньки! – вы получите стекло. Вам нужно будет добавить еще несколько ингредиентов, чтобы улучшить его качество (например, натрий и карбонат кальция облегчают процесс варки, а металлы, например селен, железо или медь, могут придавать ему различные цвета – от розового до зелено-голубого)[102]. Однако, по сути, всё, что нужно для стекла, – сваренный пляжный песок, который следует подавать охлажденным. Когда Роберт Оппенгеймер и его коллеги построили первую атомную бомбу в пустыне Нью-Мексико, проведенные ими 16 июля 1945 года испытания дали впечатляющие результаты. Их костер, который достиг небес, в момент превратил круг песка диаметром три четверти километра, прямо под вышкой с бомбой, в радиоактивное зеленое стекло[103].

Если вы растопите лед, превратите его в воду и заморозите ее, то получите примерно то же, с чего начали: воду (забудем о потерях тепла на испарения и прочие мелочи). С песком всё иначе. Если вы расплавите его до жидкого состояния, а затем эту жидкость охладите, вы не получите твердого вещества, с которого начали. Под воздействием высокой температуры атомы в твердом веществе расходятся и начинают активно двигаться. Расплавленный песок вы можете разливать, как жидкость, заливать его в формы и создавать из нее различные изделия. Но, даже когда стекло остынет, атомы не займут в нем упорядоченного положения, которое свойственно твердому веществу. Внутри стекла создается случайная структура, нечто среднее между хаосом и упорядоченностью твердого вещества[104]. Такое состояние называется аморфным, или полутвердым, а также состоянием замерзшей жидкости. В книгах часто говорится, что стекло – жидкость (это ошибка, причину я объясню ниже).

В замкнутом пространстве

Чтобы было легче представить себе, что происходит внутри стекла, можно провести аналогию с толпами людей. Вообразите, что несколько сотен одетых в деловые костюмы человек быстро двигаются по платформам вокзала в час пик. Замените людей атомами – и вы получите картину движения атомов газа. А теперь вообразите себе толпу людей, которые двигаются внутри театрального фойе перед началом спектакля. Они значительно ближе друг к другу, протискиваясь к кассам, гардеробу или буфету. Они могут двигаться, но в замедленном темпе. Это аналог жидкости. Выстройте людей в колонны и шеренги, как солдат. Это будет твердое вещество. Атомы в нем все равно могут немного двигаться, но, будучи тесно связанными, они не способны покинуть структуру, и сама она не может существенно измениться.