Читать книгу - "Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер"

и зажигалках, но у него есть и множество других применений: на мировом рынке пьезоэлектрических устройств ежегодно обращаются десятки миллиардов долларов. В одном из еще разрабатывающихся подобных приложений предлагается устанавливать пьезоэлектрические устройства под полом общественных мест – например железнодорожных станций: это позволит преобразовывать часть энергии, которая расходуется при движении людских потоков, в электричество.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только кристаллы, у которых нет «инверсионной симметрии»[37]. Инверсионно-симметричный кристалл сохраняет неизменный вид, когда все его атомы переносят через некоторую точку и на противоположную сторону от нее, подобно тому как выворачивают наизнанку перчатку (отчего левая перчатка становится правой). Пьезоэлектрический эффект возникает оттого, что у молекул кристалла есть положительно и отрицательно заряженные концы. Сжатие кристалла приводит к изменению их ориентаций и распределения, что вызывает дисбаланс электрического заряда. Инверсионная симметрия не допускает этого, потому что на каждую молекулу, поворачивающуюся в одну сторону, приходится другая, совершающая в точности противоположный переворот, что сводит эффект к нулю. Это дает нам ощутимую связь между микроскопическим и макроскопическим масштабами: если мы сжимаем кристалл и видим вылетающую из него искру, мы немедленно понимаем, что на атомном масштабе этот кристалл не обладает инверсионной симметрией.

Тот факт, что при взгляде на любой ящик кристаллической решетки мы видим в точности одну и ту же структуру, определяет еще один вид симметрии – трансляционную симметрию[38]. В математике и физике слово «трансляция» означает перенос объекта без его вращения или каких-либо других преобразований. Таким образом, нечто обладает трансляционной симметрией, если после переноса результат выглядит так же, как до него. Полная классификация симметрии кристаллов учитывает их поведение при отражении, вращении, инверсии и трансляции. Все возможные симметрии кристаллов были впервые подсчитаны в 1892 году, и оказалось, что существует в точности 230 возможных вариантов. Эти варианты называются пространственными группами. Число 230 кажется на удивление несимметричным; пространственные группы образуют исчерпывающий перечень всех возможных симметрий всех возможных периодических структур, какие только могут существовать в нашем трехмерном мире. Казалось бы, их количество должно выражаться каким-нибудь более приятным числом – например тремя, – но это не так.

Хотя способности кристаллов происходят от микромасштабных симметрий, эти симметрии часто проявляются и на макроскопическом масштабе. Хорошо знакомый (или незнакомый – смотря где вы живете) пример дают снежинки. Каждая снежинка – это индивидуальный кристалл льда. Поскольку у снежинок по шесть лучей, можно с первого же взгляда понять, что микромасштабная структура льда обладает шестиугольной симметрией вращения. Здорово, правда? Однако привычность воды и в этом случае скрывает от нас ее хитрости. Например, меня долгое время ставил в тупик следующий вопрос: почему все шесть лучей снежинки выглядят одинаково? Оказывается, тут идет речь о чрезвычайно искусном обмане.

Письма с небес

Магия льда не нуждается в представлении. Мультфильм «Холодное сердце» был настолько популярным, что привел к 37-процентному увеличению потока американских туристов в Норвегию – хотя его действие происходит вовсе не там. В путешествии внутрь мира ледяного кристалла обнаруживается одно из моих любимых проявлений кристаллической магии.

Два нерушимых закона мироздания гласят, что скорость света в вакууме постоянна и ничто не может двигаться быстрее ее. Но, если вы окажетесь внутри кристалла льда, вы обнаружите, что скорость света в нем составляет всего лишь около трех четвертых обычной. Она по-прежнему постоянна, но имеет другое постоянное значение. А знаете, что по-настоящему холодит кровь (оцените игру слов)? То, что в этом ледяном мире другие частицы могут двигаться быстрее света! Никакой закон не запрещает превышать скорость света во льду – только в вакууме. Элементарные частицы, которые называются мюонами, постоянно прилетают в виде космических лучей (каждую секунду сквозь вас проходит около 30 таких частиц, не причиняя вам никакого вреда) и то и дело пролетают сквозь лед быстрее света. Когда при взмахе кнутом его кончик переходит звуковой барьер, раздается резкий щелчок; точно так же мюоны, пролетающие сквозь лед, создают ударную волну синего света, который называют черенковским излучением. Это свойство использует и нейтринная обсерватория IceCube[39], находящаяся глубоко подо льдами Антарктиды. В этом эксперименте ищут нейтрино – призрачные элементарные частицы, известные тем, как трудно их обнаружить. Экспериментальная установка регистрирует вспышки черенковского излучения, возникающие при рождении мюонов в результате взаимодействия нейтрино с молекулами воды, из которых состоит лед. Проект IceCube играет ключевую роль в поисках темной материи, потому что предполагается, что нейтрино являются измеримым продуктом распада некоторых частиц, которые могут составлять темную материю.

Я заинтересовался симметрией снежинок, когда увидел, как они растут, в документальном сериале «Замерзшая планета» (Frozen Planet) производства Би-би-си. Откуда один луч узнает, что происходит с остальными? Я попытался поспрашивать об этом на физическом факультете, но, к моему удивлению, ответа на этот вопрос, по-видимому, никто не знал. Тогда я организовал проект, в котором студент магистратуры должен был написать программу, моделирующую рост снежинки. В начале всякого исследовательского проекта нужно выяснить, что уже было сделано. Мы узнали, что специалистом мирового уровня по снежинкам считается профессор Кеннет Либбрехт, бывший глава факультета астрофизики Калифорнийского технологического института. В титрах «Холодного сердца» он назван «консультантом по снежинкам», а кроме того, он участвовал в создании той серии «Замерзшей планеты», которая и вдохновила меня на эту работу. У самого Либбрехта интерес к снежинкам возник, когда он приезжал в свой родной промерзший город в штате Северная Дакота. Стремясь как можно глубже понять источники их красоты, он установил у себя в гараже камеру, в которой можно было растить и фотографировать снежинки.

Мы со студентом связались с Либбрехтом. Он не только помог нам разработать компьютерную модель, но и дал простой ответ на вопрос о том, почему все шесть лучей снежинки выглядят одинаково. Они растут в облаках, начиная с мельчайших сгустков порядка половины миллиметра в поперечнике. В каждый момент на рост кристалла влияют две вещи: температура и «перенасыщение» в ближайшей окрестности снежинки. Когда воздух перенасыщен водой, в нем содержится больше водяного пара, чем могло бы содержаться в присутствии твердой поверхности. Например, если бы рядом оказалась трава, вода осаждалась бы на ней в виде росы. В облаке единственные твердые объекты – это сами снежинки, и поэтому перенасыщение совершенно необходимо для роста снежинок.

Летая по облаку, снежинка попадает в разные условия, и ее рост то и дело изменяется. Поскольку никакие две снежинки не следуют в точности по одному и тому же маршруту, не может получиться двух одинаковых снежинок. Но все шесть лучей каждой снежинки в каждый момент оказываются приблизительно в одних и тех же условиях и потому выглядят одинаково. Однако Либбрехт рассказал нам, что этим