ПРИГЛАШЕНИЕ К ТАНЦАМ

ПРИГЛАШЕНИЕ К ТАНЦАМ

Поэзия обладает способностью концентрированного выражения, уступая в этом лишь искусству химических и математических формул. В этом еще раз убеждает поэтическое обращение к науке известного американского писателя Джона Апдайка. В девяносто девять строк поэмы «Танцы твердого тела»  он укладывает этапы становления науки о твердом теле, самые общие свойства ее объектов и принципы различия этих свойств. Это сделано мастером, которому уже удалось уместить 5 000 000 000 лет эволюции Вселенной в масштабе трех дней и изложить возникновение Газообразного, Жидкого, Твердого и Живого за двадцать минут урока, описанного на семи страницах романа «Кентавр».

Д. Апдайк окончил Гарвардский университет, школу живописи и никогда не занимался естественными науками. Однако его обращения к науке — вовсе не возрождение традиций поэтизации науки вообще, известных нам еще со времен Лукреция Кара. «Танцы твердого тела» (увидевшие свет в январе 1969 года в столь требовательном журнале, как «Scientific American») — это детальный взгляд на частную научную область. Взгляд поэтический и достоверный, ведь для Апдайка « Реальность — это химически, механически, биологически — сплетение микроскопических достоверностей. Радость писателя — в добывании и передаче этих достоверностей» (из речи, произнесенной в 1963 году при получении Национальной литературной премии).

Д. Апдайк одарен властью заставлять думать и способностью очень тонко пользоваться этой властью. «Граненые кристаллы замерзшего аммиака» — звучит в «Кентавре» как совершенно обыденное. Одного из пишущих эти строки, химика, вдруг поражает мысль, что он никогда не видел кристаллы аммиака и даже не знает его температуры плавления!.. Смотрю справочник: — 77,7°. Кто видел кристаллы аммиака? Звоню коллегам. Не видели. Бегу в лабораторию, замораживаю аммиак в жидком азоте — граненые кристаллы!..

«Хлориду Калия е-минус дарит синий»,— читаем мы в «Танцах твердого тела». Химик наверняка подумает так: ...ион калия, получив электрон, восстановится до бесцветного калия. Но у Апдайка он «синеет»! Спасительная мысль: синеет раствор калия в жидком аммиаке. Но не об этом пишет Апдайк! Удивительно — он обратил внимание на факт, мало известный химикам. Не ион калия, а кристаллический КСl (!) синеет при облучении электронами, которые локализуются в «несовершенствах» кристалла — F-центрах (от немецкого Farbenzentrum — центры окрашивания).

«Танцы твердого тела» заставляют думать. А для науки о твердом теле — современной алхимии — важно не столько узнавание новых свойств, сколько поиски новых путей думанья.

Т.ХЕИФЕЦ, доктор химических наук Р. КОСТЯНОВСКИЙ  

ТАНЦЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

ТАНЦЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ



Все знают: мир из Атомов построен, –

 Но был не прост познанья долгий путь, –

 Сперва алхимики прошли неровным строем,

 Пытаясь вглубь Металлов заглянуть,

 Чтоб в Золото расплавить Соль и Ртуть;

 А непокорный вековым канонам,

 Лавуазье покончил с Флогистоном

 И дал дорогу Газовым Законам,

 Раскрыв реакций истинную суть.



Но в крепость Кристаллической структуры

 Закрыт был вход и не было ключей,

 Покуда не проник сквозь амбразуры

 Туда пучок Рентгеновских Лучей,

 И странный бал открылся для очей:

 Четверки собирая для Кадрили,

 Там Углерод и Кремний рядом плыли,

 Кружа в водовороте ионной пыли,

 Где каждый Ион был общий и ничей.



 А как Металл – всех недр земных владыка –

 Свет отражает и проводит ток?

 Все Атомы – от мала до велика –

 Часть Электронов отдают в оброк,

 И общий образуется поток,

 Который, словно Облако, бесплотно

 Вдоль Поля устремляется охотно

 Сквозь Ионы, упакованные плотно,

 Как шарики пинг-понга в коробок.



 Керамика – Царица Хрупкой Глины –

 Со всей своей родней пришла на бал.

 У них у всех, от Шпата до Рубина,

 Ионной связью Кислород связал

 С такой судьбой смирившийся Металл.

 По этой удивительной причине

 В Керамике, и в Кварце, и в Рубине

 Свободных Электронов нет в помине,

 И им не страшен никакой накал.



 А принц Стекло, Керамикой рожденный,

 Кристально чист, хоть вовсе не Кристалл,

 Его зеркальной гладью отраженный

 Мгновенно бы Нарцисс себя узнал,

 Но Физик его Хаосом назвал.

 Да, Хаос есть и в Связях Ковалентных,

 И в бесконечных Полимерных лентах,

 В их вычурно сплетенных компонентах,

 Построенных в торжественный Хорал.



 Затем мы входим в зону биосферы,

 Мы к Черепу идем от Черепка,

 Нас в царство Жизни вводят Полимеры –

 К проблемам Пластика и синтезу Белка,

 И к сокровенным тайнам ДНК.

 Закончен синтез Полиизопрена,

 Мы близко подошли к разгадке Гена,

 Но может Кость создать из Коллагена

 Одна Природа мудрая пока.



 А как должна вести себя решетка,

 Когда тепло по ней несет волна?

 3NkT звучит, конечно, четко,

 Но формула по сути неверна,

 Энергию не выразит она.

 Лишь с помощью Дебаевских Фононов

 В едином ритме Квантовых Законов,

 Аморфных тел, к прискорбью, не затронув,

 Теория Кристаллов создана.



 Свободный Электрон нам обещает

 Раскрыть секреты свойств Проводника:

 Как в проводник Германий превращает

 Ничтожная добавка Мышьяка,

 Как ток остановить наверняка,

 Как охлажденье току помогает,

 Как “Допинг” Ферми-уровни меняет,

 И как Кристалл на это отвечает,

 Когда Температура в нем низка.



 Нет совершенства полного в Природе,

 Несовершенны Твердые Тела,

 Там Атомы кочуют на свободе:

 Их никакая сила не смогла

 Затиснуть в три Магических Числа.

 Там Электроны с Дырками попарно

 F-центры возбуждают лучезарно,

 Там трещины скрываются коварно

 За гладкой напряженностью Стекла.



 А солнца белый луч отнюдь не белый:

 Как Радуга, раскрашен белый свет,

 И каждый Элемент решает смело,

 Как выбрать лишь ему присущий цвет,

 На все другие наложив запрет.

 Хлориду Калия е-минус дарит синий,

 Малиновым сверкает Хром в Рубине,

 И Сочетанье из Спектральных линий

 Определяет дальний свет Планет.



 Ферромагнитных свойств ясна причина –

 Непарный Электрон в них виноват:

 Все Атомы по направленью Спина,

 Глядящего вперед или назад,

 Построены, как войско на парад.

 Во Внешнем Поле, разрушая Стены,

 Сливаются соседние Домены.

 Так создает Гармонию Вселенной

 Ничтожных Сил суммарный результат



ДЖОН АПДАЙК

 (1932 - 2009)

перевод Нины Воронель



КОММЕНТАРИИ К ТАНЦАМ

КОММЕНТАРИИ К ТАНЦАМ

Неудивительно, что Джон Апдайк был потрясен открывшимся перед ним миром и даже выразил свое восхищение в торжественной — хотя, по-моему, и не очень связной — оде. Строение твердого тела, симметрия кристаллов, электронные свойства металлов и полупроводников, устройство макромолекул полны внешней сложности, даже причудливости. И это — при внутренней простоте положенных в их основу принципов.

Ученый не может позволить себе, подобно художнику, свести этот мир воедино в беглом очерке на одной-цвух страничках. Охватить мир в целом, на одном дыхании, не расчленяя, может только искусство. Наука же склонна лишь схематизировать, анализировать и четко разделять.

Поэтому я попытаюсь только объяснить некоторые, нуждающиеся в комментариях строки оды, не претендуя на стройное изложение основ физики и химии твердого тела или на вскрытне связей между различными их разделами.



\"Все знают: мир из Атомов построен...» Ограничим комментарий цитатой из «Лекций по физике> Р. Фейнмана: «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные знания оказались бы утерянными и к грядущим поколениям перешла бы только одиа фраза, то какое утверждение принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза: все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на расстоянии, но отталкиваются, если одно из ннх плотнее прижать к другому».



«...Лавуазье покончил с Флогистоном...» Напомним, что история величия и падения флогистона (теплорода) изложена в школьном курсе химии.



«...Четверки собирая для Кадрили...» Поэтическое по форме сообщение о том, что углерод и кремний четырехвалентны (например,

       Н

        |

Н —С—Н).

        |

       Н



«...Металл — всех недр земных владыка...» Всех? Вряд ли... Ядро земли, действительно, обладает многими металлическими свойствами, но состоит ли оно из металлов, пока неизвестно. Скорее всего — нет.



«...Словно Облако, бесплотно, вдоль Поля устремляется охотно...» Несмотря на плотную упаковку атомов в кристаллической решетке, электроны не испытывают сопротивления своему движению, пока решетка идеально правильная. Понять это можно, если принять во внимание квантовость электронов, которые обладают также и волновыми свойствами. Волна свободно проходит там, где тело испытывает препятствие своему движению. Так, например, звук свободно проникает сквозь стены...



«...Ионной связью Кислород связал с такой судьбой смирившийся Металл...» На внешней орбите атома кислорода не хватает двух электронов, а у металлов всегда имеются лишние электроны. Поэтому кислород отбирает свободные электроны у металла, и в результате — «Свободных Электронов нет в помине» ни у того, ни у другого. Потому-то соединения типа Аl₂О₃ и не проводят ток.



«...Но Физик его Хаосом назвал...» Стекло представляет собой аморфное тело. т. е. соединения атомов расположены в нем беспорядочно, но вследствие громадной вязкости стекла в течение долгого времени практически остаются неподвижными. Увы, со  временем  стекло кристаллизуется, т. е. упорядочивается, но при этом оно теряет свои ценные. свойства — расстекловывается. На этом примере становится ясно, что стремление к порядку не должно переходить разумных пределов.



«Нас в царство Жизии вводят Полимеры...» ДНК или белок присутствуют иа бале твердых тел лишь постольку, поскольку Эрэин Шредингер (читайте «Что такое жизнь с точки зрения физики?» ИЛ, Москва, 1947) причислил их к апериодическим кристаллам.



«...Кость создать из Коллагена...» Лирическая неточность, внесеннач переводчиком. А где известь?



«3 NkT   звучит,   конечно,   четко» и т. д. Классическая физика дает для энергии кристаллической решетки формулу Е = 3 NkT. которая четко звучит для того, кто знает, что N — число атомов, к — постоянная Больцмана, а Т — температура. Но реальная зависимость энергии решетки от температуры — совершенно иная. Дебай создал удовлетворительную квантовую теорию твердого тела на основе представления о фоно-нах — звуковых волнах в кристалле.



«Свободный Электрон нам обещает раскрыть секреты свойств Проводника...» и т. д. Те электроны з металлах, которые плохо держатся на атомных орбитах, становятся общими, принадлежащими всему кристаллу («свободными» их назвали в насмешку). В решетке германия свободные электрбны появляются при добавлении мышьяка и обеспечивают высокую проводимость.



«...Как «Допинг» Ферми-уровни меняет...» Значения, которые может приобрести энергия электронов в кристалле, называются уровнями Ферми. Эти значения зависят от различных факторов: от облучения, от инжекцин электронов и т. д.  



«Там Атомы кочуют на свободе: их никакая сила не смогла затиснуть в три Магических Числа». Атомы в своих клетках (в решетке) располагаются не в абсолютном порядке, а слегка отклоняясь от точной повторяемости структуры. Поэтому предсказать координаты атома в пространстве (три магических числа х, у и г) можно лишь с небольшой, относительно межатомных расстояний, точностью.



«Там Электроны с Дырками попарно...» и т. д. «Дырка» — официальное обозначение отсутствия электрона там, где он должен быть в кристалле. «Наличие отсутствия» электрона может реально сказаться на проводимости и других свойствах.



«...И каждый Элемент решает смело» и т. д. Законы квантовой механики решительно определяют спектральный состав излучения каждого сорта атомов (т. е. каждого элемента). Элементу остается лишь «смело» с этим примириться.



«...Непарный Электрой в иих виноват». Когда у атома имеется нечетное число электронов на орбите, магнитный момент этих электронов (спин) существенно влияет на магнитный момент всего атома и при определенных условиях может вызвать ферромагнетизм, т. е. коллективное упорядочение атомов по направлению магнитных моментов. Такое коллективное упорядочение по конъюнктурным соображениям (при этом получается выгода в энергии) обычно распределяется не на все тело, а лишь на небольшие его участки — домены. Магнитные моменты доменов направлены противоположно друг другу. Однако стоит только включить внешнее магнитное поле, как все домены «поворачиваются» в одном направлении, при этом границы (стены) между доменами сглаживаются.



«Так создает Гармонию Вселенной ничтожных Сил суммарный результат». Этот финальный вывод был уже сделан Л. Н. Толстым в «Войне и мире», хотя велнкий писатель, как известно, естественных наук не любил: «Движение народов производит не власть, не умственная деятельность, но ...деятельность всех людей, принимающих участие в событии... Придя к бесконечно малому, математика оставит процесс дробления и приступит к новому процессу суммования бесконечно малых».

Как трудно добиться новизны!



Доктор физико-математических наук А. В. ВОРОНЕЛЬ