На первый взгляд, говорить о твердой жидкости так же разумно, как о красной синьке или маленьком великане. Однако не следует спешить с выводами. Вспомним, как медленно превращается в твердое тело жидкий клей при застывании. С виду капля клея может вовсе не измениться, только вязкость его будет возрастать. Из-за постепенного затвердения трудно сказать, в какой момент жидкость следует считать твердым телом.
Кто-то возразит: в конце концов клей окаменеет или вода замерзнет, вот и все; твердую каплю клея или кусок льда не продавишь, не прольешь; в воду нырнуть можно, а попробуй-ка нырнуть в лед!
Обычный человек легко отличает твердое тело от жидкости на ощупь. Для ученого же эта задача усложняется. Наука требует убедительных доказательств и точных расчетов. Надо избавиться от своеволия, от личного мнения того или другого человека. Надо прийти к общему мнению на основе так называемых объективных показателей. Например, температуру, давление, время, расстояние и многое другое измерять с помощью приборов. Они действуют независимо от желания, чувств, мыслей человека. В таких случаях один и тот же опыт или измерение может быть повторен много раз разными людьми и приведет к одинаковому результату.
С позиций же научной объективности и точности показать отличие твердого тела от жидкого мудрено.
Можно условиться объект, имеющий вязкость больше определенной величины, считать твердым, а меньше этой величины — жидким. Но в таком случае многое зависит от интервала времени, за который проводится испытание. Например, струя воды, если резко ударить по ней палкой, разламывается, словно сосулька (это видно при скоростной киносъемке или на фотографии). А в длительные интервалы времени многие тела, кажущиеся твердыми, ведут себя как жидкости: лед, находясь под давлением, за сотни и тысячи лет плавно меняет форму, демонстрирует текучесть. Что ж это за твердое тело, если оно течет?
Чтобы разобраться в подобных вопросах, надо понять: чем же по сути своей различается капля жидкости от твердого кристалла? Найти ответ помогла теория атомного строения вещества.
Оказывается, дело не только в силе связи, существующей между молекулами и атомами. Чем больше эта сила, тем выше вязкость и прочнее, тверже вещество. Главное — строй, который образуют атомы и молекулы.
Кристалл — это сплоченные, расположенные в определенном порядке атомы. Когда связи между ними очень слабые, получается жидкий кристалл.
Атомы обычной жидкости находятся в полнейшем беспорядке. Они могут постоянно перемещаться, а могут и застыть в неподвижности. В последнем случае образуется твердая жидкость, или, как еще говорят, аморфное, то есть бесформенное, тело.
У кристаллов, как у искусственных построек людей или животных (пчел, например), есть своя архитектура. Она не видна невооруженным глазом, но различима в увеличительное стекло или в обычный микроскоп.
Если расплавлять кристалл, а затем охлаждать расплав, то переход из твердого состояния в жидкое будет ступенчатым. Достигнув определенной температуры, кристаллическое вещество резко меняет свои свойства. Когда начинается кристаллизация, атомы или молекулы дружно выстраиваются в ряды, образуют порядок. На такие построения затрачивается определенная энергия, то есть кристаллизация идет с поглощением тепла.
У твердой жидкости (аморфного вещества) ничего подобного не происходит. И охлаждение до полного затвердения и расплавление идут постепенно. Как был беспорядок, так и остался; только атомы замерли на своих местах.
Свойства кристалла более или менее изменяются в зависимости от направления. Например, у кристалла дистена твердость вдоль главной оси кристалла равна 4,5, а поперек — 6. От того и название минерала; «ди» — двойное, «стенос» — сопротивление, прочность.
Тепло, свет и электричество кристаллы проводят неравномерно. Вот как проходит один из опытов: грань кристалла покрывают слоем воска и подносят горячую иглу или проволоку. Вокруг нагретой точки воск тает обычно в виде эллипса. Значит, тепло распространяется в одном направлении лучше, чем в другом. В противном случае воск растает в виде круга.
Особенности распространения света в кристаллах помогают различать минералы под микроскопом, дело это непростое. Сначала требуется изготовить тончайший срез камня — шлиф. В шлифе почти все минералы становятся прозрачными. Шлиф укладывают на вращающийся столик микроскопа. Если порода состоит из разных минералов, то в поле зрения возникают замечательные по красоте цветные картины. Поворачивая столик, видишь, как меняются цвета и тени. Это происходит из-за того, что свойства кристаллов изменчивы в разных направлениях.
Интересно, что студенистое «живое вещество», протоплазма, из которой состоят клетки человеческого организма, несмотря на то, что содержит очень много воды, обладает кристаллическими свойствами. Протоплазма является жидким кристаллом.
Итак, пространство кристалла особым образом организовано, упорядочено. Но что это за порядок? В чем его особенности? И каковы закономерности? Подобные вопросы — компетенция геометрической кристаллографии. А одно из опорных ее понятий — симметрия.
Слово симметрия означает соразмерность. Если какие-то части фигуры одинаковы и повторяются в определенной последовательности, значит, фигура обладает симметрией.
Наглядное представление о симметрии можно получить с помощью зеркала. Находящийся перед ним предмет отражается симметрично, соразмерно. Поверхность зеркала образует плоскость симметрии.
Правда, по одну сторону в этом случае находятся реальные настоящие вещи, а по другую — отраженные. Это не настоящая симметрия.
Более точное представление о плоскости симметрии дает «кляк-сография». Правда, в последние годы школьники с кляксографией раззнакомились. А раньше, когда писали пером и чернилами, кляксы на бумаге, на партах и ладошках учеников развивали воображение. Причудливая форма клякс вызывала в памяти образы людей, животных, фантастических существ.
Даже бесформенной, уродливой кляксе можно было придать симпатичный вид. Для этого надо, пока она не засохла, перегнуть листок бумаги пополам. Получится отпечаток кляксы. Распрямив листок, видишь двойную кляксу, для которой плоскостью симметрии является линия сгиба. По этой линии как бы проходит воображаемое зеркало, отражающее фигуру, которая находится на противоположной стороне.
Конечно, «кляксография» никакая не наука, а просто игра с кляксами (когда они цветные, получаются особенно красивые узоры). А вот в психологии с помощью клякс определяют способности или психические отклонения человека. В геометрической кристаллографии кляксы помогают понять суть симметрии.
Почему уродливая клякса, обыкновенная замарашка, удвоенная по закону симметрии, выглядит симпатичной? Не по той ли самой причине нас так завораживают четко ограненные кристаллы?
Рождение порядка из хаоса, открытие закономерностей в окружающем мире доставляет мыслящему существу удовольствие. Возможно, мы с младенчества привыкаем к симметрии. Лицо матери, либо любого другого человека, да и все тело имеет плоскость симметрии. Правда, есть и нарушения, но это — особая тема.
А сколько плоскостей симметрии может быть в «кляксографии»? Не знаю, как решите вы, но нам представляется, что имея одну кляксу на листе бумаги, можно получить фигуру из двух клякс с одной плоскостью симметрии или четыре кляксы с двумя взаимно перпендикулярными плоскостями симметрии.
А сколько может быть плоскостей симметрии в кристаллографии? Оказывается, не очень-то много. Самое большее — девять. Столько их, например, в кубе. А вот восьми, как ни странно, не бывает. Существуют кристаллы, вовсе не имеющие плоскости симметрии.
У кристаллов бывает и центр симметрии: в виде точки. (В «кляксографии» таким центром является пересечение двух плоскостей симметрии). Конечно, ни центр, ни плоскость симметрии увидеть нельзя; можно только вообразить. То же относится к оси симметрии. Она подобна стержню, проходящему сквозь кристалл.
Если повернуть, например, кубический кристалл вокруг этой оси на 360°, то он четыре раза займет одно и то же положение. Получится так называемая ось симметрии четвертого порядка. То есть один и тот же порядок частей фигуры при полном обороте вокруг оси повторяется четыре раза.
У пятилучевых морских звезд ось симметрии, проходящая через центр, — пятого порядка. А три ноги, изображенные на гербе острова Мэн, образуют фигуру с осью третьего порядка.
Понятно, что шестигранник имеет ось симметрии шестого порядка. Но вот что удивительно: в многоликом царстве кристаллов отсутствуют оси симметрии выше шестой, а также нет оси пятого порядка.
Почему так получается? Почему нет пятигранных или семигранных кристаллов? Загадка! Кстати, в живой природе встречаются растения и животные с самыми разнообразными «порядками» осей симметрии, даже с бесконечной — для круглых организмов.
Тем, кто хотел бы поупражняться в поисках элементов соразмерности, можно предложить кубический кристалл. Подскажу: у него есть центр симметрии, 6 осей второго порядка, 4 оси третьего порядка, 3 оси четвертого порядка и 9 плоскостей симметрии.
Еще в XIX веке ученые доказали, что в кристаллах возможно лишь 32 сочетания разных видов симметрии. Русский кристаллограф Е.В. Федоров и немецкий — А. Шёнфлис одновременно доказали, что существуют всего 230 групп симметрии (их называют федоровскими группами). Тем самым было завершено создание геометрической кристаллотрафии.
Однако жизнь реальных кристаллов, как выяснилось, нельзя описать на языке геометрии или вообще математики.