Самая, быть может, своеобразная наука о камнях — кристаллография. Трудно даже сказать, к чему она больше относится: к геологии или геометрии.
Теория кристаллографии основана на изучении не конкретных природных объектов, а идеальных, выдуманных геометрических фигур. Конечно, фигуры эти придуманы учеными не произвольно, а в результате обобщения тысяч, миллионов измерений конкретных камней.
Потребовалось несколько столетий, прежде чем ученые определили основные формы кристаллов. Но вначале пришлось вырабатывать приемы и методы исследований, создавать азбуку кристаллографии. Вот кое-что из этой азбуки.
Грань — естественная плоская поверхность кристалла. Ребро — пересечение двух граней. Вершина — точка пересечения трех или более граней.
В природных кристаллах грани или ребра бывают искривленными, увеличенными или уменьшенными. Чтобы навести порядок в этом бесконечном разнообразии форм, пришлось воспользоваться идеальными геометрическими фигурами. Они оказались очень удобными моделями. Подобные «игрушечные» кристаллы можно сделать из бумаги, картона, дерева. В данном случае важны не размеры или материал, а форма: количество и расположение граней, ребер, вершин. Например, шестигранник может иметь форму куба, ромба, параллелепипеда.
В природных условиях редко встретишь гармонично развитый кристалл. У него бывают искажены грани. Нередко из куска породы выступает небольшая часть кристалла. Как догадаться о его настоящей, а тем более идеальной форме?
Тут-то и помогает исследователям один из важнейших законов кристаллографии: о постоянстве углов. Звучит он так: в кристаллах данного вещества (минерала) углы между соответствующими гранями всегда одинаковы (рис.).

В кристаллах кварца различны форма, размеры, число граней, но углы между соответствующими гранями остаются постоянными

Проще всего это представить на примере кристаллов поваренной соли — галита. Предположим, в породе можно увидеть только отдельные вершины, подобные пирамидкам. Остается измерить углы между гранями. Если эти углы прямые, значит, перед нами кубики, характерные именно для галита.
Чтобы измерять подобные углы, кристаллографы используют специальный прибор — гониметр («гониос» — по-гречески — угол).
Но как узнать все возможные идеальные формы кристаллов? Ведь даже если измерять подряд все кристаллы и вести точный учет их форм, все равно никогда не будешь уверен, что удалось исследовать все виды кристаллов. К тому же на других планетах могут оказаться иные, отличные от земных формы.
Считается, что в науке на первом месте стоит сбор и классификация фактов; лишь после этого ученые приступают к формулированию законов природы. Однако изучение кристаллов показало, что это не так.
Разнообразие форм в природе бесконечно велико. Теоретики на основе ограниченных сведений придумывают идеальные фигуры. Затем ученые проверяют, насколько верно отражается в этих теориях реальная природа. Обнаруженные несоответствия или недоработки исправляют.
Теоретическая мысль должна опережать события, предвидеть новые открытия и результаты экспериментов. Если она будет плестись в хвосте событий, приноравливаться к практике, пользы от нее не будет.
Одну из первых теорий кристаллов создал английский ученый физик Роберт Гук более 300 лет назад. Это был необычайно одаренный человек: изобретатель, художник, физик, химик. Усовершенствовав микроскоп, он открыл клетки растений (и придумал этот термин «клетка»). Его интересовало строение мироздания — от небесных тел и всемирного тяготения до мельчайших частиц и световых лучей.
В гармонии мироздания кристаллам, безусловно, принадлежит важное место: они воплощают в себе строй, порядок, соразмерность. Гук предположил, что любой кристалл представляет собой упорядоченное скопление — стройные ряды — мельчайших шаровидных частиц (атомов). Чуть позже голландский ученый Христиан Гюйгенс обратил внимание на хрупкость некоторых кристаллов. Например, исландский шпат легко дробится на все более мелкие части, и все они — и крупные и мелкие — сохраняют одну и ту же ромбовидную форму. Гюйгенс объяснил это тем, что мельчайшие части имеют форму сплющенных шариков. Это представление было популярным среди ученых много лет, до того момента, пока французский ученый монах Гаюи в конце XVIII века не сделал новое открытие. Говорят, однажды он внимательно рассматривал кристалл исландского шпата, имеющего форму так называемого «собачьего зуба» (в виде двух остроугольных пирамид» соединенных у основания). Случайно выронив камень, Гаюи с огорчением увидел, что тот раскололся на несколько частей.
Лишившись хорошего кристалла, ученый обрел нечто более важное: новую идею. Ведь обломки не имели форму «собачьего зуба». Появились новые грани. Гаюи начал искать объяснение непонятному явлению и обнаружил на гранях мельчайшие ступеньки. Почему же обломки кристаллов могут принимать разную геометрическую форму, а не только повторяют одну и ту же? Как образуются новые грани?
После ряда наблюдений, измерений, расчетов Гаюи пришел к выводу, что хотя кристалл действительно состоит из мельчайших частиц, они не всегда образуют правильные завершенные ряды. Многие грани остаются «недостроенными»; в результате возникают дополнительные плоскости.
В общем, это похоже на строительство дома. Завершенная форма получится по окончании работ. А до тех пор сооружение может иметь ступенчатые недостроенные стены, зубчатый верх, полкрыши…
В природных условиях у кристалла не все фан и растут одинаково; они могут разрушаться, растворяться. Так и образуются «лишние» грани, ребра хотя и они почти всегда возникают по вполне определенным геометрическим законам.
В 1784 году был опубликован труд Ре не Жюст Гаюи «Опыт теории структуры кристаллов». По словам автора, это была попытка «применить геометрию в области естественной истории». Суть кристалла ученый определил вполне убедительно: «Симметричное скопление молекул, последовательно соединенных друг с другом посредством силы притяжения».
Изучая закономерности строения идеальных кристаллов, геометрических фигур, Гаюи вовсе не отстранялся от живой природы, мира камня, от геологии:
«С какой бы точки зрения не рассматривать Природу, всегда поражает обилие и разнообразие ее творений. Украшая и оживляя поверхность земного шара постоянным чередованием живых существ, она в то же время в своих подземных расселинах тайно подвергает обработке неорганические вещества и, как бы играя, порождает бесконечное разнообразие геометрических форм…
…Будем же стараться рассматривать Природу такой, какая она есть… Для этого необходимо связывать отдельные частности посредством самых общих взглядов, позволяющих нам расширить крайне ограниченное знание тех конечных причин, от которых зависят различные явления Вселенной».