Не слепок, не бездушный лик.

В ней есть душа, в ней есть свобода.

В ней есть любовь, в ней есть язык.

Ф. И. Тютчев

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

О НАЗВАНИИ КНИГИ

 

 

Я великолепно отдаю себе отчет в том, что словосочетание «живой кристалл», вынесенное в заглавие книги, ни свежестью, ни неожиданностью не отличается. Не бог весть какая удача автора, придумавшего такое название. И все же оно, видимо, правильно передает замысел книги.

Люди, посвящающие свою жизнь кристаллу, часто воспринимают его живым. Во всяком случае говорят о нем, как о живом существе. Вспомните поэтическую прозу поэта камня академика А. Е. Ферсмана, разговаривающего с обломком минерала, как с живым существом, которое умеет прятаться от зоркого глаза искателя, а в ответ на обиду или несправедливость менять окраску — розовую на черную.

Послушайте разговор двух металловедов. Они говорят об усталости металлического кристалла, о его старении, способности отдыхать, издавать звуки, видимо, выражая недовольство тяжестью приложенной нагрузки. Или еще: послушайте разговор геологов. Они говорят о памяти минерала, о его способности разумно приспосабливаться к внешним условиям. Или разговор тех, кто в лаборатории или цехе искусственно создает кристаллы. Их кристаллы растут, захватывают примеси, нечто передают по наследству.

Сочетание слов «живой кристалл» многим покажется сродни той юношеской романтике, которую следует числить по департаменту молодых восторженных поэтов. Наука требует холодной рассудительности, бесстрастной строгости, независимости от эмоций, которые исподволь могут увести от правды, и никакой «голос кристалла» не направит заблудшего ученого на путь истинный. Они, эти «многие», конечно же, правы: для поисков правды необходим критически настроенный ум, способный трезво анализировать факты. И все же привкус романтики в научном исследовании иным оказывается необходимым, как атмосфера радостной приподнятости, сопутствующей поиску. Они, разумеется, не заблуждаются по поводу умения кристалла толково рассказывать свою биографию или обнаруживать эмоции, но атмосфера личного общения с природой придает поиску необходимую для них романтическую окраску. Для ученых такого склада потеря ощущения непосредственного общения с природой часто попросту означает потерю интереса и вкуса, а с ними и способности к исследовательской деятельности.

Реальный кристалл заселен множеством различных дефектов. Хорошо ли это, плохо ли — об этом разговор впереди. А здесь уместно сказать о том, что дефекты как бы оживляют кристалл. Благодаря наличию дефектов кристалл обнаруживает «память» о событиях, участником которых он когда-то был, дефекты помогают кристаллу «приспосабливаться» к окружающей его среде, определяют его «чувствительность» по отношению к внешним воздействиям...

В этой книге я хочу рассказать о живом кристалле, каким он видится физику, вложить физическое содержание в многочисленные антропоморфические образы, соседствующие со словом «кристалл».

Главным образом книга посвящена физике реального кристалла. Рассказывая о ней, я не буду стремиться занять какую-то избранную точку зрения — экспериментатора, теоретика, технолога или историка. Как и всякая иная, научная проблема «живой кристалл» многопланова и не терпит узкого взгляда. А если читатель обнаружит, что какой-то из аспектов проблемы в книге представлен хуже иных, он, надеюсь, правильно это истолкует особенностями личного опыта автора.

Работая над очерками этой книги, я старался не упустить удобный случай обратить внимание читателя на конфликтные ситуации, которые в развивающейся науке непременно возникают между теорией и экспериментом. Речь идет не о противоречиях между заведомо ошибочным экспериментом и теорией или о несоответствиях между очевидно нелепой теорией и экспериментом. Такие ситуации скорее следует относить к разряду скандальных историй, а не к тем истинным, плодотворным противоречиям, которые непременно и сопутствуют, и способствуют развитию настоящей науки.

Взаимодействие между экспериментатором и теоретиком часто несет на себе отпечаток конфликта. Одну из форм взаимоотношений между экспериментатором и теоретиком великолепно изобразил художник С. Тюнин. На его рисунке и по моей инициативе для пущей ясности написаны два слова: эксперимент и теория.

 

Итак, конфликт.

Не антагонистический, но конфликт. Теоретик предсказал, — экспериментатор убедился в том, что теоретик прав лишь частично, что теория нуждается в уточнении, что те упрощения реальной картины, которые предположил теоретик, строя теорию, заметно искажают явление. Или так: теоретик расчетом показал, что экспериментатор ищет явление не в тех условиях, где оно отчетливо может наблюдаться.

История исследований «живого кристалла» полна примеров таких противоречий между теоретиком и экспериментатором. О них я не забуду упомянуть.

 

 

СЛОВО О МОДЕЛИРОВАНИИ

 

 

Внутренне непротиворечивые построения строгой формальной логики в союзе с опытом обладают исключительным правом быть доказательствами. И все же на трудном пути к знанию почти все испытывают потребность в образе, в зримой картинке, в упрощенной модели. Быть может, я немного преувеличиваю, но мне кажется, что один из основных компонентов таланта и учащегося, и педагога, и ученого состоит в умении, применительно к случаю, придумывать модели, образы и аналогии, способные разъяснить явление, углубить его понимание.

Творчество физика-теоретика, как правило, начинается с сотворения умозрительной модели изучаемого явления. Ведомый предметным мировосприятием, интуицией, запасом накопленных образов и аналогий, знанием фундаментальных законов природы, теоретик, по мысли Я. И. Френкеля, одного из крупнейших советских теоретиков, подходит к явлению так же, как карикатурист к натуре, которую он должен изобразить. Если они, теоретик и карикатурист, талантливы, их творческие приемы оказываются подобными: надо отбросить неосновные признаки явления или натуры и безошибочно подчеркнуть те признаки, без которых и явление, и натура немыслимы. Не помню, где мне довелось прочесть (а быть может, услышать) фразу, фонетически напоминающую известную ходовую мудрость, в формулировке которой вместо слова «простить» употреблено «упростить»: понять — значит упростить! В ходе наших рассуждений уместно вспомнить эту фразу.

Подлинное понимание, как правило, приходит тогда, когда рушатся строительные леса, возведенные из сложных формул и многоступенчатых логических построений, и оголенная истина предстает в своей простоте. У Бориса Пастернака есть мудрое четверостишие:

В родстве со всем, что есть, уверясь  

И знаясь с будущим в быту,

Нельзя не впасть к концу, как в ересь,

В неслыханную простоту.

Поэт явно имеет в виду не ту простоту — примитивность, которая предшествует горе́ сложных формул, трудных, прецизионных экспериментов, ошибочных заключений, случайных озарений, а простоту, находящуюся по ту сторону горы, освобожденную от нагромождений и второ-степенностей. Она дается в награду за преодоление горы.

Иной раз модель возникает по аналогии: в новом явлении обнаруживаются черты известного, и наступает ясность, или, точнее, делается шаг на пути к ней. Этот шаг может заключаться в удачно найденном «модельном» слове, роднящем неизвестное с давно известным, привычным, воспринимаемым предметно и образно: лес дислокаций, поле напряжений, упругая волна.

Пожалуй, речь современного ученого-физика не менее богата образами, чем речь поэта. Иной раз кажется, что, если бы из речи физика изъять профессиональные термины, она обернулась бы стихами... Впрочем, удивляться нечему, так как мышление и физика, и поэта питает один и тот же источник — природа.

Кроме умозрительных моделей, в науке место и осязаемым упрощенным аналогам реально существующих объектов. Вот примеры: модель кристалла в виде полоски бумаги, которая при растяжении рвется подобно тому, как рвется реальный кристалл..., или в виде резинового жгута, который упруг подобно тому, как упруг реальный кристалл.

Слишком разные субстанции — бумага, резиновый жгут и кристалл? Разные! Очень! И все же могут быть усмотрены роднящие их свойства — основания для создания модели.

Какой обязана быть модель? Что у нее можно просить и что от нее нужно требовать? Просить можно о помощи. Требовать нужно наличия хотя бы доли правды о явлении. В жизни к полуправде мы относимся презрительно, а по отношению к модели «полуправда» — высокая похвала.

Говоря о модели, мы воспользовались словом «обязана». Так вот она обязана быть наглядной, не оставляющей сомнений, понятной без утомительных комментариев, и лучше всего, если вообще комментарии излишни, если наглядность настолько очевидна, что почти обретает доказательную силу. Модель должна уметь помочь логике, стремящейся к тому истинному пониманию, которое достойно стать подлинным знанием. Физике известно много выразительных и красивых моделей, физике кристаллов — в частности.

Что нам предстоит моделировать? Реальный кристалл! Что значит «реальный кристалл»? Это значит — огромная совокупность одинаковых атомов или молекул, которые во всех трех измерениях расположены в строгом порядке, образуя кристаллическую решетку. Только в некоторых местах реального кристалла строгий порядок различным образом нарушается, и эти нарушения означают наличие дефектов. И еще одна очень важная характеристика кристалла: образующие его атомы между собой взаимодействуют. О том, как и почему взаимодействуют, — позже, а здесь лишь бесспорное утверждение: взаимодействуют! Потому что, если бы не взаимодействовали, был бы не кристалл, а газ, состоящий из беспорядочно движущихся атомов. А речь идет о кристалле. Наличие в кристалле порядка — прямое следствие взаимодействия между образующими его атомами.

«Мертвая» модель кристалла может быть устроена так: деревянные или глиняные шарики, соединенные друг с другом ровными проволочками. Шарики — атомы, проволочки — символы связей, замороженного взаимодействия между атомами. Замораживание взаимодействия и делает модель мертвой. В такой модели атомы разного сорта — шарики различных размеров и цветов, атомы на различных расстояниях — проволочки различной длины. Это разумная и очень полезная модель, которая, рассказывая о кристалле далеко не всю правду, говорит о нем только правду, не фальшивит. В ней нет никаких видов движения атомов, зато очень четко отражены и порядок, и нарушение порядка в их расположении. Мертвая модель кристалла — великолепный помощник, когда надо зримо представить себе пространственное расположение атомов. Именно такое моделирование — шарики и проволочки — помогло сделать одно из самых крупных открытий XX века — установить структуру молекулы ДНК. Немалая заслуга «мертвого» моделирования, в котором взаимодействие между атомами в истинном смысле слова отсутствует: глиняные шарики безразличны друг к другу! И деревянные тоже!

При изучении многих процессов в реальных кристаллах важно уметь моделировать не только взаимное расположение атомов, но и их взаимодействие. Физики научились это делать, моделируя атом в кристалле не глиняным шариком, а... мыльным пузырьком. Этой очень красивой моделью мы будем часто пользоваться.

При создании осязаемых физических моделей годится все, способное облегчить путь к ясности: и глина хороша, и мыльный пузырек хорош. Годятся и листы бумаги, и металлические шарики, и резиновые трубки...

Модели — и осязаемые, и умозрительные, и словесные — будут сопутствовать нам во всей книге. Именно поэтому о них следовало специально поговорить.

 

ГЛАВА I