СОВЕРШЕНСТВО С МЕЛКИМИ ИЗЪЯНАМИ

В ходе наших предыдущих рассуждений о плотнейших шаровых упаковках кому-нибудь, наверное, приходила в голову мысль, что такие упаковки способны возникать не только путем тщательной укладки атомов один к одному, но и случайно. Ради опыта можно было бы взять ящик с шарами, потрясти его хорошенько и потом исследовать структуру упаковки. Такой эксперимент и был проведен. Однако при этом никогда не получалась плотнейшая упаковка шаров с заполнением объема в 74%, обычно плотность упаковки составляла около 60%. Очевидно! что кристаллы приобретают свое строение не случайным образом, здесь существует какая-то закономерность. Не даром кулек с горохом или крупой всегда используется лишь на 50-60% своего объема.

Голландский кристаллограф Фриц Лавес исследовал вопрос о том, какова самая рыхлая (наименее плотная) упаковка атомов, вообще возможная в кристаллах. Она ведь должна быть построена таким образом, чтобы некоторые атомы все же соприкасались между собой, иначе не сможет возникнуть твердое тело. Лавес пришел к решетке с заполнением объема в 5,5%. Однако в природе, по-видимому, таких кристаллов не бывает.

После того как ученые разобрались в строении кристаллов, они взялись за определение их теоретической прочности. Это в принципе очень просто. Между атомами действуют силы связи, величина которых с достаточной точностью устанавливается физикой твердого тела. Из таких частных сил, естественно очень малых, слагаются общие суммарные силы. Пожелай кто-то разорвать кристалл металла, и ему придется преодолеть эти суммарные силы связи.

Из подобных соображений следовало, что прочность металлов на разрыв должна составлять около 10 000 Н/мм². Однако в действительности металлы имеют прочность, к сожалению, лишь от 100 до 1000 Н/мм².

Так не значит ли это, что теория сил связи в кристаллах неверна? Несколько поколений исследователей размышляли над этим вопросом. Вычисления и эксперименты подтвердили правильность теории. Однако упаковка кристаллов, увы, не столь безупречна, как в случае с нашими шариками для пинг-понга. И здесь тоже обнаруживается, что, хотя природа в общем и целом построена симметрично, в мелочах она допускает отклонения.

Все наши кристаллы содержат дефекты, или, как говорят кристаллографы, дислокации. Теоретически эти дислокации снижают возможную прочность кристаллов более чем на 90%. В настоящее время мы уже научились выращивать вполне или почти бездефектные кристаллы, прочность которых на порядок выше значений, чем у ранее известных материалов. К сожалению, такие кристаллы очень невелики. Стоит вырастить их более крупными, как вновь появляются дефекты. В технике подобные бездефектные высокопрочные кристаллы металлов или углерода называют нитевидными. Нет сомнения, что в обозримом будущем удастся создать методы изготовления бездефектных материалов больших размеров. Успешные опыты по выращиванию крупных монокристаллов высочайшей частоты проведены в ходе осуществления совместного советско-американского космического проекта «Союз-Аполлон» и позднее на советской орбитальной станции «Салют-5». В этих экспериментах использовались условия невесомости и высокого вакуума, присущие космическому пространству.

Из мелких шариков можно построить решетку, которая, подобно природным кристаллам, содержит дефекты в форме дислокаций. Эти дефекты удивительным образом всегда устраняются сами собой

Тем не менее мы можем констатировать следующее: раз в реальных кристаллах симметрия «вплоть до последнего атома» не выдерживается, нельзя использовать теоретические значения прочности, рассчитанные для идеальных кристаллов. Как только будет решена проблема создания бездефектных материалов в промышленных масштабах, наши мосты, железнодорожные вагоны, краны и самолеты станут гораздо легче.

СПРАВА-ТАМ, ГДЕ БОЛЬШОЙ ПАЛЕЦ

Мы теперь знаем, что «двойники» бывают не только у людей, но и у кристаллов. Специалисты уверяют, и это кажется правдоподобным, что ряды атомов и молекул в двойниковых кристаллах соотносятся между собой так же, как прямое и зеркальное изображения. Мы говорим, следуя традиции: часть кристалла полевого шпата повернута в положение зеркального отражения. Но, конечно, мы могли бы также сказать: часть кристалла полевого шпата повернута от положения зеркального отражения в положение прямого изображения.

Здесь можно возразить, что, прежде чем появится зеркальное изображение, должно существовать прямое. Разумеется, так оно и есть, когда речь идет о зеркале. Но в кристаллах мы имеем дело с зеркальной плоскостью, или плоскостью (зеркального) отражения, то есть с плоскостью симметрии. А плоскость симметрии - это не зеркало из стекла или металла, хотя со словами «зеркало», «зеркальная» в нашем представлении ассоциируется целый ряд явлений, которые мы ожидаем здесь увидеть. В действительности же это чистая условность, вопрос определения или произвольного выбора, какую из частей двойникового кристалла я назову прямым, а какую - зеркальным изображением. Лишь в том случае, когда я сам получаю двойник или когда мне известно, в какой последовательности возникли обе половинки двойника, у меня будет известное право называть исходную (ранее возникшую) его часть прямым изображением. Но если я вижу двойниковый кристалл впервые, то какую его сторону считать зеркальным изображением - дело вкуса.

'Двойники' бывают не только у кристаллов, но и у людей, только в этом случае их называют 'двойняшки'

Мы, европейцы, пишем слева направо и потому в общем случае принимаем левую часть кристалла за исходную. Даже в газетных историях в картинках, где изо рта у персонажей вылетают «речевые пузыри», существует молчаливая договоренность между художником и читателем, что прежде говорит фигура слева, а потом фигура справа. Надо думать, у арабов или других народностей, пишущих справа налево, принят обратный порядок. Теперь представьте себе, что бывают кристаллы, с самого начала растущие «влево», и кристаллы, растущие «вправо». И действительно, уже систематический просмотр 32 классов симметрии дает несколько случаев, когда формы кристаллов как бы отображают их лево- или правосторонний рост. Известный пример такого рода - левый и правый кварц. Нужно очень внимательно присмотреться, чтобы заметить, что обе эти формы кристаллов кварца зеркально подобны одна другой.

Ну и какое же направление роста кристаллов кварца мы назовем правым (то есть приводящим к правым формам)? Конечно, такое определение будет носить сугубо произвольный характер. Обратимся к математике, где все строго подчинено логике. Там различие между координатными системами с правой и левой ориентировкой основывается на «правиле трех пальцев». Математик поднимает большой палец к небу, вытягивает указательный и сгибает средний палец. Если он использует для этого левую руку и направления координатных осей соответствуют положениям пальцев, то вся система координат является правосторонней, если правую или (что то же самое) зеркальное отражение левой, то система координат будет левосторонней. Мы видим, что и здесь левое и правое зависит от определения, которое в свою очередь непосредственно исходит из строения человеческого тела.

Удивительным образом во многих языках понятия «правое как направление» и «правое как истинное» в их словесном выражении совпадают. В немецком rechts - правое направление, а Recht - право, правда. В английском right-right. Француз говорит le droit - право, правда и a droite - направо, справа. В русском языке название известной центральной газеты «Правда» равнозначно понятию «истина», слово «право» соответствует немецкому Recht, а слова «направо», «справа» - немецкому rechts.

Левый и правый кварц соотносятся как прямое и зеркальное изображения