Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
До появления прозрачного стекла зеркалом служила отполированная до блеска металлическая поверхность. Римляне догадались, что слой прозрачного стекла защитит металлическую поверхность от царапин и ржавчины, а заодно позволит уменьшить толщину металлической подложки до малой доли миллиметра. Это существенно удешевило зеркала и увеличило их долговечность, не говоря уже о четкости отражения. Почти все современные зеркала делают по тому же принципу.
Однако зеркала были не единственным римским нововведением. До нашей эры стекло плавили и разливали в специальные формы. Этого было достаточно для изготовления грубых предметов, однако изящество достигалось ценой непомерных усилий. Например, стоило большого труда залить густую вязкую массу в форму с узкой прорезью, чтобы получить тонкостенный бокал для вина. Римляне, однако, подметили, что при нагревании стекло обретает пластичность. Металлическими щипцами горячему стеклу можно было придать любую форму. Римляне даже умели вдувать воздух в раскаленное стекло. Остывая, оно превращалось в идеальный шар. Римские мастера выдували тончайшие, изысканнейшие бокалы, которых мир прежде не видывал.
Раньше сосуды для питья всегда были непрозрачными, их делали из металла, керамики или рога. Вино оценивали исключительно по вкусовым качествам. С изобретением бокала цвет, прозрачность и отсутствие примесей также стали важными характеристиками напитка. Мы привыкли видеть, что мы пьем, но римлянам это было в новинку. Прозрачные бокалы пришлись им по душе.
Вершина технической и культурной мысли своего времени, по сравнению с современными бокалами они, однако, все равно были слишком грубыми и несовершенными. Их главным недостатком были многочисленные мелкие пузырьки, которые не только портили впечатление, но и ослабляли материал. При любом механическом сотрясении – когда вы чокаетесь бокалом, или роняете его случайно на пол, или по другой причине – стекло поглощает силу удара, рассеивая ее между атомами, тем самым уменьшая нагрузку на каждый атом в отдельности. Атом, не выдержавший нагрузки, срывается со своего места, в кристалле возникает дефект. У атомов, оказавшихся вблизи дефекта или трещины, мало соседей, способных удержать их на месте и разделить с ними нагрузку. Такие одинокие атомы особенно рискуют сорваться. В разбивающемся стекле возникает цепная реакция: сила, оказавшаяся чрезмерной для одного атома, срывает его с места, а он тянет за собой соседа. Чем сильнее сотрясение, тем меньшего количества пузырьков и тем менее глубокой трещины достаточно для запуска цепной реакции. Иными словами, крупные пузырьки в стекле бокала означают, что он не выдержит серьезной механической нагрузки.
Чрезмерной хрупкостью стекла, возможно, объясняется долгое небрежение им после римлян, добившихся таких успехов в его изготовлении. Китайцы торговали римским стеклом и знали секрет его производства, но сами не развивали технологию. Это весьма удивляет, если вспомнить, что в искусстве обработки материалов китайцы опережали европейцев еще целое тысячелетие после того, как пала Римская империя. Китайцы были настоящими знатоками бумаги, древесины, керамики и металлов, но почти не интересовались стеклом.
В Западной Европе, напротив, мода на стеклянные бокалы заставляла ценить и почитать стекло, что в конце концов оказало глубокое влияние на культуру. В Европе, особенно в Северной, оконные стекла, пропускавшие свет, но не впускавшие внутрь дождь, ветер и холод, были слишком желанным предметом, чтобы не задуматься о технологии их производства. Однако поначалу умели делать лишь маленькие, довольно чистые и прочные, стеклышки – несколько таких стекол скрепляли свинцом, чтобы закрыть оконный проем целиком. Иногда их окрашивали цветной глазурью. Цветные витражи – признак богатства и утонченного вкуса – совершенно изменили архитектуру европейского собора. Со временем ремесленники – мастера по цветному стеклу – достигли такого же высокого положения в обществе, как и каменотесы. В Европе расцвело новое искусство остекления окон.
На Востоке пренебрежительное отношение к стеклу не менялось вплоть до XIX века. Все это время китайцы и японцы закрывали окна бумагой, которая исправно служила, но развитие архитектуры на Востоке пошло совсем иным путем, чем на Западе. Отсутствие стеклодувной технологии у этих народов означало, что, несмотря на всю их техническую грамотность, они не могли изобрести ни телескоп, ни микроскоп – два главных оптических инструмента, с которыми их познакомили западные миссионеры. Помешало ли это китайцам извлечь максимум пользы из своего технического превосходства и стать во главе научно-технической революции, как это произошло с европейскими странами в XVII веке, сказать невозможно. Но без телескопа точно не увидеть спутников Юпитера, не разглядеть планетоид Плутон, не сделать астрономических вычислений, которые лежат в основе современного понимания Вселенной. Без микроскопа глаз не различит бактерий; невозможно систематически изучать микромир, что крайне важно для развития медицины и инженерного дела.
Так откуда же у стекла это чудесное свойство – прозрачность? Каким образом свет проходит сквозь плотное, без внутренних разрывов, вещество, в то время как большинство других материалов его не пропускает? В конце концов, стекло состоит из тех же атомов, что и песок. Так почему же в песке они непрозрачны, а в стекле идеально прозрачны и способны преломлять свет?
Стекло состоит из атомов кремния и кислорода. В центре каждого атома находится ядро из протонов и нейтронов, окруженное разным количеством электронов. Размеры ядра и отдельных электронов ничтожны по сравнению с размером всего атома. Если бы атом был стадионом, то ядро было бы горошиной в центре поля, а электроны – песчинками на трибунах. Итак, любой атом – и, следовательно, любой материал – состоит в основном из пустоты. А это означает, что у света достаточно пространства, чтобы он мог проходить сквозь атом, не сталкиваясь ни с электронами, ни с ядром. Собственно, так и есть, поэтому в действительности вопрос должен звучать не «Почему стекло прозрачное?», а «Почему не все материалы прозрачны?».
На этом наброске видно, что атом по большей части состоит из пустоты
Если продолжить аналогию со стадионом, то внутри атома электронам позволено находиться лишь в определенных зонах трибун, как если бы почти все сиденья были демонтированы и осталось несколько рядов, предназначенных для электронов. Если какой-нибудь электрон хочет занять ряд получше, ему придется доплатить, и валютой в данном случае послужит энергия. Проходя через атом, свет несет с собой энергию, и если ее достаточно, электрон воспользуется ею для перемещения на другой ряд. При этом он поглотит свет, не пропуская его сквозь вещество.
В этом вся загвоздка. Энергии света должно быть ровно столько, сколько требуется электрону, чтобы переместиться на другой ряд. Если ее слишком мало (в верхнем ряду нет свободных мест, иначе говоря, для перемещения требуется больше энергии), то электрон не сдвинется с места и свет не будет поглощен. Идея того, что электроны не могут перемещаться между рядами (энергетическими уровнями), если количество энергии света не соответствует требуемой величине, лежит в основе теории, управляющей атомным миром, – квантовой механики. Расстояния между рядами соответствуют определенным порциям энергии – квантам, и они в стекле таковы, что для перемещения в свободный, более высокий ряд требуется гораздо большая порция энергии, чем та, которую можно получить, поглощая видимый свет. Следовательно, видимому свету недостает энергии, чтобы сдвинуть с места электрон, и ему не остается ничего иного, как пройти сквозь атом. Вот почему стекло прозрачно. С другой стороны, свет, обладающий высокой энергией, например ультрафиолетовое излучение, способен перемещать электроны на более высокий энергетический уровень, поэтому стекло для него непроницаемо. Поэтому нельзя загореть через стекло, ведь оно задерживает ультрафиолетовое излучение. У таких непрозрачных материалов, как дерево и камень, много «свободных мест» в рядах, поэтому они эффективно поглощают и видимый свет, и ультрафиолетовое излучение.
Свет, хоть и не поглощаемый стеклом, по мере движения через атомы теряет скорость и снова ее набирает, когда выходит с той стороны стекла. Если свет падает под углом, то разные части луча входят в стекло и выходят из него в разное время и с разной скоростью. Этими легкими различиями объясняется преломление света – эффект, используемый в оптических линзах: из-за кривизны стекла свет, попадающий на линзу в разных местах поверхности, преломляется под разными углами. Используя линзы с разной кривизной поверхности, мы можем увеличивать изображение с помощью телескопов и микроскопов, а также корректировать зрение с помощью очков.
