нику не удастся сдвинуть верхнюю карту, потому что атомы карт в этой копии колоды связаны друг с другом.
Твердые вещества естественным образом подразделяются на две категории – кристаллы и стекла. Различие между ними яснее всего видно на наномасштабе. Атомы кристалла расположены периодически, то есть через регулярные интервалы, подобно гребням волн или клеткам шахматной доски. На фотографии профессора Мадхаван видно, что атомы стронция находятся именно в такой структуре. Напротив, любое твердое вещество с беспорядочным расположением атомов называется стеклом. Стекло, из которого сделаны винные бутылки, – один из примеров такого вещества, но существует и множество других стекол, в том числе обсидиан и некоторые керамические материалы.
Отличие кристаллов от стекол выходит на передний план в вечном споре относительно того, является ли стекло жидкостью. На самом деле ответ на этот вопрос зависит от временного масштаба, о котором идет речь. Одно из часто приводимых доказательств в подтверждение жидкостной природы стекла заключается в том, что окна в старых церквах бывают толще внизу, чем наверху, что позволяет предположить, что они медленно стекают вниз. В действительности это не так: по старинным производственным технологиям стекло раскатывали в нагретом добела (и определенно более похожем на жидкое) состоянии, в результате чего один из краев оконных стекол получался утолщенным. Когда делали окна, стекло обычно устанавливали этим концом вниз, и поэтому утверждать, что форма старых оконных стекол свидетельствует о том, что стекло – жидкость, неверно. Тем не менее стекло действительно течет – только очень, очень медленно. Но текут и некоторые твердые вещества: например, свинцовые трубы заметно прогибаются за несколько лет. Вопрос заключается в том, на каком временном масштабе происходит такое течение? Например, кажется разумным называть свинец твердым веществом, так что течение на масштабе в несколько лет, видимо, можно считать слишком медленным для жидкости. С другой стороны, некоторые сыры растекаются за считаные минуты или даже секунды.
Я поговорил с доктором Камиллой Скаллиет, исследовательницей из Кембриджа, специализирующейся на стекле и стеклоподобных веществах, и спросил ее, где исследовательское сообщество проводит границу между твердыми веществами и жидкостями. Она ответила, что вещество, заметно текущее на масштабе сотни секунд, они считают жидкостью, а в противном случае – стеклом (или даже более твердым веществом). Вот вам и ответ! Это тоже природное волшебство, похожее на разговор о том, образуют ли четыре песчинки кучу. Определение, несомненно, точное, но вполне произвольное.
Процесс получения знаний о стекле очень похож на трехступенчатую последовательность изменения отношения к фокусам. Сначала вы просто наслаждаетесь зрелищем: природа создала твердое вещество, которое течет! Затем, на втором этапе, наступающем чуть позже, вы познаете технику, скрывающуюся за фокусом, и распространяете ее на более широкое мировоззрение. Стекло – жидкость; ничего удивительного, что оно течет. Погодите, вы разве не знали, что стекло – жидкость? Пфф. На этом этапе легко застрять. Но если вам очень повезет, еще чуть позже вы перейдете с него на третий – поймете, что вам не следовало так легко отказываться от веры в волшебство. Стекло – это аморфное твердое вещество или переохлажденная жидкость (то есть жидкость при температуре меньшей температуры замерзания), и существует огромное множество таких не поддающихся классификации материалов. Хотя они на виду, их скрывают от нас наши попытки разложить все по категориям. Мир все-таки волшебен, и теперь вы можете оценить зрелище, опираясь на знания профессионального фокусника.
Итак, хотя твердые вещества нам знакомы, у них могут быть свои тайны. А как обстоит дело с остальными стихиями?
Жидкости, представленные в классических стихиях водой, неустойчивы к напряжению сдвига. Вспомним, как фокусник сдвигает карты с колоды: если бы колода была жидкой, она растеклась бы в лужу. В наномасштабе жидкость беспорядочна. Тем не менее жидкости, как и твердые вещества, обладают плотностью. Газы, которые в наборе классических стихий представляет воздух, тоже неустойчивы к напряжению сдвига, но, кроме того, у них в отличие от жидкостей нет постоянной плотности. Плотность газа зависит от массы составляющих его молекул. На этом основан фокус с левитацией, который я однажды видел в исполнении профессора Кари Дальноки-Вересса, называющего область своих исследований «хлюпающей физикой». Дальноки-Вересс сделал бумажный кораблик и поместил его в пустой аквариум. Как по волшебству, кораблик не упал на дно, а стал плавать по аквариуму, как если бы там была вода. На самом деле аквариум был наполнен ксеноном – невидимым газом тяжелее воздуха. Ксенон был настолько плотным, что бумажный кораблик оказался легче ксенона и плавал в соответствии с законом Архимеда. Затем Дальноки-Вересс показал еще один фокус – с превращением: он сделал свой голос неестественно низким. Если вдохнуть ксенон, голос становится ниже; точно так же, если вдохнуть гелий, который легче воздуха, голос становится выше. Чтобы показать этот фокус, профессору пришлось встать на голову, так как иначе тяжелый ксенон осел бы в его легких и задушил бы его.
Плазма, которую представляет огонь, отличается от газа тем, что она «ионизована»: некоторые из ее атомов и молекул стали ионами, то есть приобрели электрический заряд. Хороший повседневный пример плазмы дает огонь: поскольку в нем содержатся свободно движущиеся ионы, он естественным образом проводит электричество. Еще один неплохой повседневный (или по меньшей мере встречающийся несколько раз в год) пример плазмы – это молния. Она, несомненно, тоже электропроводна, хотя проверять это при помощи омметра бурной ветреной ночью может прийти в голову разве что совсем безумному ученому.
Хочется спросить, почему некоторые газы превращаются в плазму. Поскольку плазма менее знакома нам по опыту обычной жизни, нам кажется, что она требует более подробного разъяснения. На самом деле плазма – это самое распространенное состояние конденсированной материи во Вселенной; звезды представляют собой огромные шары плазмы. По сути, плазма возникает при высоких энергиях, когда атомы возбуждаются настолько, что теряют электроны. Вообще говоря, при переходе от низкой энергии к более высокой материя преобразуется в следующей последовательности: земля – вода – воздух – огонь. В качестве аналогии можно представить себе сборище волшебников: при низкой энергии все они сидят и серьезно беседуют о важных материях, как атомы твердого вещества. Но тут среди них начинает ходить слух о только что открытом новом заклинании. Волшебники начинают бродить по залу, что-то бормоча себе под нос, – как атомы жидкости. Слух обрастает подробностями: говорят, что было открыто очень важное заклинание; волшебники начинают возбужденно подпрыгивать и бегать кругами, спрашивая друг друга, о каком именно заклинании идет речь. Их быстрые движения напоминают поведение атомов газа. Наконец слух подтверждается: обнаружено долгожданное заклинание, которое позволяет волшебнику найти потерявшуюся шляпу, – возможно, самое желанное заклинание за всю историю колдовства! Волшебники впадают в неистовство и носятся туда и обратно, как атомы плазмы, подбрасывая в воздух свои шляпы и теряя их.
Какая из классических стихий соответствует металлам? Тот факт, что при нормальных условиях металлы по большей части находятся в твердом состоянии, заставляет подумать о земле. Но они к тому же проводят электричество, что напоминает об огне. Если перевести эти рассуждения из древних терминов в современные, оказывается, что приблизительно так дело и обстоит. Металлы – твердые вещества, но их атомы образуют связи друг с другом, высвобождая по одному или нескольку электронов. При этом они становятся положительно заряженными ионами, неподвижными среди плазмы свободно движущихся отрицательных зарядов. Значит, плазма встречается чаще, чем кажется на первый взгляд, и для ее существования не требуются ни огромные энергии, ни высокие температуры.
Оказывается, четыре классические стихии, взятые вместе, на удивление хорошо соответствуют состояниям материи, которые мы наблюдаем вокруг себя, – коллективному поведению, возникающему из взаимодействия атомов. Но на самом деле состояний гораздо больше, чем четыре, и с некоторыми из них мы хорошо знакомы.
Идея четырех состояний материи была так хороша, что успешно просуществовала не одно тысячелетие. Однако при этом она несколько ограничила наше мышление, скрыв от нас другие состояния, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Один из примеров таких состояний – жидкие кристаллы, которые используются в лэптопах и телевизионных экранах. Их молекулы выстраиваются в определенном порядке, чего не бывает в жидкостях, но в то же время эти вещества нельзя считать твердыми: их молекулы не образуют упорядоченных решеток, как в кристаллах, и перемещаются быстрее, чем в стеклах. Гели (например, желе) и коллоидные системы (например, молоко) обладают свойствами, отличающимися от свойств любого из четырех классических состояний. Коллоид – это взвесь твердых сгустков в жидкости: молоко представляет собой взвесь сгустков жира в воде.
Однако самым знакомым явлением, не поддающимся классификации в системе четырех элементов, можно, наверное, признать магнетизм.
Магнит ведет себя именно так, как можно ожидать от состояния материи: магнитное поле возникает из коллективного поведения множества взаимодействующих атомов. Существуют магнитные твердые вещества, магнитные жидкости и магнитные газы. Плазма магнитна по самой своей природе: в стандартной конструкции термоядерного реактора – токамака – плазма удерживается магнитным полем. В таком реакторе происходит термоядерный синтез – соединение атомных ядер с высвобождением энергии такое же, как внутри Солнца. При этом не образуются вредные побочные продукты, невозможно возникновение неуправляемой реакции, а в качестве топлива нужен только водород. Водорода существует настолько много, что термоядерный синтез считается возобновляемым источником энергии. Коммерческое внедрение синтеза пока не осуществлено; одна из причин этого связана с техническими трудностями: удержание плазмы магнитным полем иногда сравнивают с удержанием желе в равновесии на натянутой проволоке. В задачу специалистов по физике плазмы – некоторые из них считают, что занимаются физикой конденсированного состояния, а некоторые так не думают, смотря кого спросить, – входит разработка уравнений, которые сделают возможным эту невероятную эквилибристику.