Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

В 2002 году я работала в Новой Зеландии в одном из центров верхового туризма, расположенном вблизи Крайстчерча. Однажды вечером раздался телефонный звонок, и, к моему удивлению, он адресовался мне. Поскольку звонок был принят на беспроводной телефонный аппарат, я сняла трубку, вышла с ней из дома и уселась на склоне холма. Звонила Нана. Ей захотелось поговорить со мной (к тому моменту прошло уже около шести месяцев, как я уехала из Великобритании и за все это время ни разу не общалась со своей семьей), она набрала нужный номер – и вот я уже разговариваю с ней. Когда она со своим характерным ланкаширским акцентом начала расспрашивать меня о еде, лошадях и работе, я внезапно осознала всю необычность – и даже фантастичность – ситуации. Я нахожусь на другом конце гигантской планеты, так далеко от своей семьи, насколько это вообще возможно, если, конечно, не выходить в открытый космос (расстояние по прямой между нами составляло 12 742 километра, а с учетом кривизны земной поверхности – все 20 000 километров), и тем не менее слышу голос Наны так, словно она стоит на расстоянии вытянутой руки. Не могу передать ту гамму чувств, которую испытывала в течение всех десяти минут разговора. В наши дни все земляне ощущают свою принадлежность к единой человеческой цивилизации благодаря невидимым волнам, позволяющим людям, проживающим в самых отдаленных уголках планеты, общаться. Колоссальное и почти невероятное достижение человеческой мысли! Работа изобретателей-энтузиастов, таких как Маркони и Попов, и даже гибель «Титаника» указали путь к сегодняшнему миру, в котором возможность общения между людьми, находящимися на огромных расстояниях друг от друга, воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Я благодарна судьбе за то, что родилась достаточно рано, чтобы испытывать неподдельное восхищение, которого заслуживает это достижение. Наши глаза не в состоянии обнаружить волны, а оценить невидимое всегда нелегко. Но когда в следующий раз будете звонить по мобильному телефону, задумайтесь над этим. Вообще говоря, волна – очень простое физическое явление. И если вы поймете принципы и механизмы ее использования в повседневной жизни, то мир, в котором вы живете, станет еще ближе и понятнее.

Большинство людей считают соль ничем не примечательным продуктом, который обычно хранят в шкафчике на кухне. По крайней мере она почти никогда не оказывается в центре внимания. Но, присмотревшись к горсти соли внимательнее, особенно при ярком освещении, нетрудно заметить, как она искрится. Если поднести горсть соли ближе к глазам, сверкание ее кристаллов станет еще отчетливее. Посмотрите на горсть соли сквозь увеличительное стекло, вы увидите, что форма ее кристаллов вовсе не произвольна, а их грани выглядят так, словно их тщательно отполировали. Каждый кристаллик имеет форму правильного куба, причем размер его грани примерно полмиллиметра. Сверкание кристаллов соли объясняется тем, что свет отражается от их плоских граней, которые ведут себя как крошечные зеркала. Если горсть соли осторожно помешивать ложечкой, то грани многочисленных кристалликов будут искриться, отражая свет под разными углами. Материал, добываемый путем бурения в соляной шахте, имеет вид крошечных «скульптур» одинаковой формы. Это единообразие вовсе не результат каких-то особенных способов добычи соли: просто так она формируется. И это указывает на то, из чего изготовлен данный материал.

Поваренная соль представляет собой хлорид натрия и состоит из равных количеств ионов натрия и хлора [56]. Вы можете думать о них как о шариках разных размеров: диаметр иона хлорида почти в два раза больше диаметра иона натрия. Когда образуется соль, каждому из ее компонентов отведено определенное место в весьма специфической структуре. Как яйца во множестве гигантских лотков, уложенных друг на друга, ионы хлорида выстраиваются в длинные ряды и столбцы, формируя пространственную кристаллическую решетку. Получается нечто вроде множества крошечных кубических структур, каждая из которых образована восемью ионами хлорида с ионом натрия посредине. Кристалл поваренной соли представляет собой гигантскую пространственную сетку кубической формы, причем каждая сторона такого огромного куба состоит примерно из миллиона атомов хлора. Когда кристаллы соли растут, они, как правило, наращивают очередной новый слой поперек всей плоской грани – и так слой за слоем. Таким образом, в процессе роста кристалла соли его грани сохраняют плоскую форму, поскольку каждый очередной слой идеально укладывается на предназначенное для него место. Плоские грани каждого куба могут отражать свет, подобно зеркалу.

Мы не можем видеть отдельные атомы, зато можем видеть образованную ими структуру, так как кристалл соли представляет собой один и тот же многократно повторяющийся шаблон. У него очень простое строение, а больший кристалл соли – лишь увеличенная копия меньшего кристалла. Плоская форма каждой его грани, благодаря которой соль сверкает под лучами солнца, обусловлена тем, что в жесткой кристаллической решетке соли за каждым отдельным атомом закреплено строго определенное место.

Сахар также сверкает под воздействием солнечного света, но если к его кристаллам (особенно к крупным, которые характерны для гранулированного сахара) присмотреться внимательнее, можно заметить кое-что даже более прекрасное. Эти кристаллы представляют собой шестигранные столбики с заостренными концами. Каждая молекула сахара состоит из сорока пяти разных атомов, соединенных между собой строго определенным образом, одним и тем же в каждой отдельной молекуле. Одна молекула сахара – строительный элемент кристаллической скульптуры довольно сложной формы. Как и гораздо более простые кристаллы соли, молекулы сахара также укладываются друг поверх друга, образуя правильную кристаллическую решетку, причем всем им присуща одна и та же структура. Опять же, мы не можем видеть атомы, но можем видеть структуру, поскольку кристалл в целом представляет собой гигантский штабель – «небоскреб», составленный из молекул. Поскольку грани шестигранного столбика плоские, они могут играть роль зеркала, в результате чего сахар сверкает, так же как соль.

А вот мука, рис и зерновые культуры не сверкают на солнце, потому что их структура намного сложнее: они состоят из крошечных «живых фабрик», которые мы называем клетками. Единственная причина, почему у кристаллов поваренной соли и сахара идеально плоские грани, кроется в их простой структуре: это всего лишь ряды и столбцы атомов, занимающих строго фиксированные положения. И эта идеально повторяющаяся структура возможна потому, что в ее основе лежат миллиарды крошечных идентичных строительных блоков – атомов. Сверкание напоминает об их существовании каждый раз, когда вы кладете в чай ложечку сахара.