Живой кристалл

Что нам предстоит моделировать? Реальный кристалл! Что значит «реальный кристалл»? Это значит — огромная совокупность одинаковых атомов или молекул, которые во всех трех измерениях расположены в строгом порядке, образуя кристаллическую решетку. Только в некоторых местах реального кристалла строгий порядок различным образом нарушается, и эти нарушения означают наличие дефектов. И еще одна очень важная характеристика кристалла: образующие его атомы между собой взаимодействуют. О том, как и почему взаимодействуют, — позже, а здесь лишь бесспорное утверждение: взаимодействуют! Потому что, если бы не взаимодействовали, был бы не кристалл, а газ, состоящий из беспорядочно движущихся атомов. А речь идет о кристалле. Наличие в кристалле порядка — прямое следствие взаимодействия между образующими его атомами.

«Мертвая» модель кристалла может быть устроена так: деревянные или глиняные шарики, соединенные друг с другом ровными проволочками. Шарики — атомы, проволочки — символы связей, замороженного взаимодействия между атомами. Замораживание взаимодействия и делает модель мертвой. В такой модели атомы разного сорта — шарики различных размеров и цветов, атомы на различных расстояниях — проволочки различной длины. Это разумная и очень полезная модель, которая, рассказывая о кристалле далеко не всю правду, говорит о нем только правду, не фальшивит. В ней нет никаких видов движения атомов, зато очень четко отражены и порядок, и нарушение порядка в их расположении. Мертвая модель кристалла — великолепный помощник, когда надо зримо представить себе пространственное расположение атомов. Именно такое моделирование — шарики и проволочки — помогло сделать одно из самых крупных открытий XX века — установить структуру молекулы ДНК. Немалая заслуга «мертвого» моделирования, в котором взаимодействие между атомами в истинном смысле слова отсутствует: глиняные шарики безразличны друг к другу! И деревянные тоже!

При изучении многих процессов в реальных кристаллах важно уметь моделировать не только взаимное расположение атомов, но и их взаимодействие. Физики научились это делать, моделируя атом в кристалле не глиняным шариком, а... мыльным пузырьком. Этой очень красивой моделью мы будем часто пользоваться.

При создании осязаемых физических моделей годится все, способное облегчить путь к ясности: и глина хороша, и мыльный пузырек хорош. Годятся и листы бумаги, и металлические шарики, и резиновые трубки...

Модели — и осязаемые, и умозрительные, и словесные — будут сопутствовать нам во всей книге. Именно поэтому о них следовало специально поговорить.

ГЛАВА I

НЕПРЕМЕННЫЕ ПРИЗНАКИ ЖИЗНИ КРИСТАЛЛА

Собственно, вся книга, названная «Живой кристалл», должна быть заполнена описаниями различных признаков жизни кристалла. Жизнь кристаллов многокрасочна, и не всеми красками каждый кристалл обязан отсвечивать. Иные признаки жизни, вообще говоря, могут и не обнаруживаться в кристалле по причине простой и очень уважительной: эти признаки ему не свойственны. Существуют, однако, непременные признаки, которых не быть в кристалле не может. Во-первых, если кристалл находится при некоторой конечной температуре, составляющие его атомы или молекулы обязаны совершать тепловые колебания. Лучше скажем так: обязаны участвовать в коллективном колебательном движении всего ансамбля атомов, образующих кристалл. Интенсивность этого движения растет с температурой. Во-вторых, атомы обязаны принимать участие еще и в иных колебаниях, интенсивность которых от температуры не зависит. Так непросто устроена природа: атомы в кристалле одновременно должны подчиняться двум различным законам, требующим, чтобы атомы колебались в угоду каждому из них. Собственно, участвуют они в одном колебательном движении, но в области высоких и низких температур о нем удобно рассказывать как о подчиняющемся различным законам. В-третьих, атомы в кристалле, подчиняясь законам термодинамики, обязаны блуждать по решетке, иногда меняя временные позиции оседлости. Попросту говоря, они обязаны диффундировать. Есть еще в-четвертых: все электроны, имеющиеся в кристалле, обязаны непрерывно двигаться. Есть и в-пятых, и в-шестых...

Люди разгадали те законы природы, которым подчиняются кристаллы, обнаруживая различные «признаки жизни». Здесь я хотел восхититься мудростью и проницательностью людей, разгадавших эти законы, и, пожалуй, вовремя вспомнил предостерегшую меня мысль выдающегося физика Ричарда Фейнмана. В одной из своих книг он пишет: «...мы не будем говорить о том, как мы умны, что открыли этот закон, но о том, как мудра природа, которая соблюдает его».

Упоминание о различных признаках жизни кристалла сопровождалось словом «непременные». Этим непременным признакам жизни, которые обязаны проявляться в кристалле, и посвящены очерки гл. I.

МОДЕЛЬ: АНСАМБЛЬ ПУЗЫРЬКОВ

Поговорим в начале главы об одной мудрой и красивой модели кристалла. По пути к концу книги она нам понадобится много раз.