Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
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.
Благодаря эффекту преломления свет сам по себе стал объектом эксперимента. За многие века стеклодувы, конечно, замечали, что, когда солнечный свет падает на стекло под определенным углом, на стене появляются маленькие радуги. Никто, однако, не смог бы объяснить причину этого явления – лишь констатировать очевидное: цвета радуги каким-то образом зарождаются в стекле. О том, что эта очевидность обманчива, первым догадался Исаак Ньютон в 1666 году. Тогда же он предложил собственное, правильное объяснение радуги.
Ньютон гениально подметил, что стеклянная призма не только превращает «белый» свет в радугу, но и, наоборот, радугу – в «белый» свет. Из этого он сделал вывод, что все цвета, полученные с помощью стекла, до этого уже содержались в самом свете. Луч солнца – это смешанный свет, который, проходя сквозь стекло, распадается на составляющие цвета. Кстати, с каплей воды на свету происходит то же самое, ведь и она прозрачна. Ньютон, таким образом, объяснил сразу все важнейшие свойства радуги – до него это никому не удавалось.
Эксперимент Ньютона продемонстрировал силу научной мысли и роль стекла как пособника в раскрытии тайн природы. Роль эта не сводилась к одной только оптике. Возможно, больше других научных дисциплин от появления стекла выиграла химия. Достаточно заглянуть в любую химическую лабораторию, чтобы в этом убедиться. Благодаря прозрачности и инертности стекло идеально подходит для смешивания химикатов и наблюдения за реакцией. До изобретения стеклянной пробирки использовались непрозрачные мензурки, поэтому трудно было увидеть ход реакции. С появлением стекла, особенно термостойкой марки «Пайрекс» (PYREX), химия как системная наука получила огромный импульс к развитию.
Пайрекс – это стекло с добавкой оксида бора, который, подобно диоксиду кремния, тяжело образует кристаллы и, что еще важнее, препятствует расширению стекла при нагревании и сжатию при охлаждении. Когда разные участки стекла находятся в разных температурных зонах, расширяясь и сжимаясь с разной скоростью, нарастающее напряжение вызывает трещины, и стекло в конце концов разлетается на куски. Если это происходит с сосудом с кипящей серной кислотой, дело может кончиться увечьем либо гибелью людей. Боросиликатному стеклу пайрекс не угрожают расширение и сжатие под влиянием нагревания и охлаждения, а также связанное с этими процессами напряжение. Химики могут нагревать и охлаждать препараты как угодно, думая только о науке, а не о потенциальной опасности термошока.
Также ученые могут гнуть стеклянные трубки и пробирки непосредственно в лаборатории с помощью одной лишь паяльной лампы, что значительно упрощает конструирование сложного химического оборудования, например дистилляционных и герметичных сосудов. Можно собирать газ, управлять давлением жидкости, отпускать на волю химические реакции. Химия до такой степени зависит от стеклянной посуды, что в штате любой химической лаборатории имеется стеклодув. Сколько лауреатов Нобелевских премий обязаны стеклу своими открытиями и сколько современных изобретений было зачато в стеклянной пробирке?
Является ли связь между стеклодувной технологией и научной революцией XVII века примером простого отношения причины и следствия, вопрос спорный. Вероятнее всего, стекло было необходимым условием, а не причиной этой революции. Но то, что стекла практически не знали на Востоке в течение тысячи лет, в то время как в Европе оно совершенно преобразило одну из самых драгоценных наших традиций, – это факт бесспорный.
Столетиями вино пили из стеклянных бокалов, а вот пиво вплоть до XIX века распивали, как правило, из непрозрачных глиняных, оловянных и деревянных кружек. Поскольку нельзя было увидеть цвет напитка, его вкусовые качества были гораздо важнее, нежели презентабельный внешний вид. Обычно оно представляло собой темно-коричневое мутное варево. Когда в 1840 году в Богемии (ныне Чешская Республика) появилась технология массового производства стекла, оно подешевело настолько, что каждый мог выпить пива из стеклянного стакана. Впервые пиво предстало глазам людей во всей своей красе, и многим не понравилось то, что они увидели: так называемое пиво верхового брожения было не таким, как современное, не только на вкус, но и по цвету и прозрачности. Не прошло и десяти лет, как в Пльзене создали новый сорт пива по методу низового брожения – лагер. Оно было светлее традиционного, чистое, золотистого цвета и пузырилось как шампанское. Это пиво услаждало не только вкус, но и взор, и с тех пор вошло в обычай пить лагер только из стеклянных кружек, как это и было задумано изначально. Увы, по иронии судьбы светлое пиво нередко разливают в металлические банки, так что единственный сорт пива, легко узнаваемый по внешнему виду, – это воплощенная непрозрачность, пиво старой, достеклянной эры, а именно «Гиннесс».
Разлив пива в стеклянную посуду имел еще один неожиданный побочный эффект. По данным британского правительства, ежегодно более пяти тысяч человек подвергаются нападениям преступников, вооруженных стаканами и бутылками, что обходится здравоохранению более чем в два миллиарда фунтов ежегодно. В пивных заведениях попробовали вводить пластик, такой же прозрачный и прочный, как стекло, но посетители его отвергли. Пить пиво из пластикового стаканчика совсем не то же самое, что из стеклянной кружки, и не только потому, что у пластика вкус другой, но и потому, что он хуже проводит тепло и поэтому теплее на ощупь, чем стекло, а это уменьшает удовольствие от распития ледяного пива. Пластик также гораздо мягче стекла, поэтому очень скоро стаканчики блекнут, покрываются царапинами и налетом. Не только пиво в них кажется менее прозрачным, но и сама посуда кажется менее чистой. Ведь прелесть яркого, сияющего стекла еще и в том, что оно всегда выглядит чистым, даже если на самом деле это не так. Мы все поддаемся обману, не желая лишний раз думать о том, что наш стакан побывал у кого-то во рту, возможно, всего лишь час назад. Твердый пластик, стойкий к царапинам, – одна из главных задач материаловедения. В самолетах, поездах и машинах могли бы появиться легкие окна, а в мобильных телефонах – легкие экраны, но сейчас это кажется недостижимым. Пока что найдено другое решение: не отказываться от стекла, но сделать его надежнее.
Такое стекло называется закаленным. Оно было изобретено в автомобильной индустрии, чтобы уменьшить травмы от осколков стекла при авариях. В научном смысле оно ведет свое происхождение от одной любопытной вещицы, придуманной в 1640 году, известной как капли принца Руперта. Это кусочки стекла в форме слезинок, которые выдерживают сильное давление на закругленном конце, но лопаются, стоит слегка повредить их «с хвоста». Сделать такие капли очень просто: нужно всего лишь бросить в воду кусочек расплавленного стекла. Резкое охлаждение приводит к механическому сжатию поверхностных слоев стекла, оставляя мало шанса царапинам, так как сжимающее напряжение все время стягивает их края. Закалка у стекла такая, что капля выдержит удар кувалдой, хоть в это и трудно поверить.
Однако, чтобы сохранить сжимающее напряжение на внешней поверхности стекла, законы физики требуют равного ему по силе обратного, растягивающего, напряжения внутри. Атомы в глубине капли напряжены до предела; их взаимное отталкивание так велико, что они в любой момент готовы взорваться. Если поверхностное сжатие хоть чуточку выйдет из равновесия – допустим, вы поцарапаете «хвост», – пойдет цепная реакция по всему стеклу: находящиеся под напряжением атомы тут же займут естественное положение, и капля рассыплется на мельчайшие осколки, достаточно острые, чтобы о них порезаться, но слишком крохотные, чтобы нанести серьезный вред. Чтобы лобовое стекло так же крошилось при ударе, ученым нужно было придумать способ охлаждения внешней поверхности со скоростью, достаточной для образования сжимающего напряжения, как в каплях принца Руперта. Новый материал спас множество жизней, потому что во время аварии неизменно рассыпался на миллионы осколков.
Со временем стекло стало еще более надежным. Лобовое стекло, в которое я врезался тогда в Испании, было безопасным стеклом последнего поколения, его называют многослойным. Хоть оно и разбилось вдребезги подобно каплям принца Руперта, ни одного осколка не выпало из него за все то время, что мы вместе с ним летели через капот машины и приземлялись на асфальт.
