2. Соль без молекул

В 1912 году в Мюнхене двое экспериментаторов по идее Макса фон Лауэ пропустили рентгеновские лучи сквозь кристалл медного купороса, и на фотопластинке за ним вышел правильный узор из точек. Атомы в кристалле стояли так часто и так ровно, что рассеянные ими лучи складывались только в немногих направлениях, и каждое направление оставило своё пятно. Молодой Лоренс Брэгг в Кембридже понял, что пятно — отражение от слоя атомов, лежащего под своим углом, и научился читать узор обратно, от пятен к местам атомов. На следующий год он расшифровал поваренную соль, и молекул в ней не оказалось.

Каждый натрий в соли окружён шестью хлорами на равных расстояниях, каждый хлор — шестью натриями, и ни один сосед не принадлежит другому больше остальных. Крупинка соли — одно целое, трёхмерная шахматная доска без пар. Вдоль ребра сантиметрового кубика стоят около тридцати пяти миллионов частиц, натрий через хлор. Если бы каждая была песчинкой в треть миллиметра, ребро вытянулось бы почти на двенадцать километров, и ни одна песчинка не выбилась бы из ряда.

Химикам, привыкшим рисовать молекулу соли, это не понравилось. Ещё четырнадцать лет спустя Генри Армстронг, химик старой школы, писал в Nature, что такая картина хуже, чем просто противна здравому смыслу: она абсурдна. Брэгг к тому времени давно получил Нобелевскую премию вместе с отцом, в двадцать пять лет, и моложе лауреата по физике с тех пор не появилось.

Строй собран из той же толпы частиц, что и жидкость, только связи здесь намного сильнее тряски. В жидкости любая молекула может оказаться где угодно, и законы физики тоже не выделяют ни верха, ни низа, ни одного направления. При остывании частицы делают то, чего законы не делают: выбирают. Атомы занимают определённые места и выстраиваются по определённым линиям. Филип Андерсон, тот самый, что написал «Больше — значит иначе», называл это нарушенной симметрией: законы одинаковы во всех направлениях, а кристалл выбрал свои.

Из этого выбора появляется жёсткость. Толкни кристалл за край, и сдвинется весь кусок, потому что каждый атом держит соседей на их местах. Войди в толпу на площади, и она расступится вокруг тебя, а строй солдат, сцепившихся локтями, подастся целиком. У отдельного солдата жёсткости нет, как нет её у отдельного атома.

Жёсткость можно прощупать даже у целой планеты. Твёрдое передаёт волну сдвига, в которой каждый слой тянет вбок соседний, а в жидкости слои просто скользят друг по другу. Поэтому сдвиговые волны от землетрясений не проходят сквозь внешнее ядро Земли, и по тому, где они пропадают, сейсмологи узнали, что оно жидкое.

Одни и те же атомы могут выбрать разный строй. Графит в карандаше и алмаз — один и тот же углерод, выстроенный двумя способами, и при обычных условиях устойчивее графит: алмазу выгоднее осыпаться мягкими чёрными слоями. Он не осыпается, потому что для перестройки атомам пришлось бы рвать прочные связи с соседями, а тряски комнатной температуры на это не хватает. Алмаз держится на выборе, который когда-то был выгоден, а теперь просто застрял.

Выбирать можно не только места, но и направления. Каждый атом железа — крошечный магнит, как стрелка компаса. Выше 770 градусов стрелки смотрят куда попало, ниже они сами договариваются и целыми участками поворачиваются в одну сторону. Гвоздь, раскалённый до тёмно-вишнёвого свечения, отваливается от магнита, а остыв, прилипает снова, хотя всё это время остаётся твёрдым: порядок стрелок исчезает раньше, чем порядок атомов. Так же записан бит на магнитном диске: крошечный участок, где стрелки смотрят в одну сторону, а не в другую. У твёрдого появилась память.

Отсюда лестница расходится. Одна ветвь уходит к электронам: в решётке атомов внешние электроны могут стать общими для всего куска, и из этого общего имущества вырастут металлы, полупроводники и сверхпроводники. Другая ветвь уходит к орудиям: камень держит форму и передаёт усилие целиком, скол кремня или обсидиана, природного вулканического стекла, даёт острый край, а за камнем придут металлы и машины. Третья уходит в космос, где твёрдое начинается с крошечных кристаллов в выбросах звёзд. Кристаллики оливина, обычного земного минерала, нашлись даже в кометной пыли, которую зонд доставил на Землю. Из таких зёрен слипаются астероиды и планеты.

На выбор атомам нужно время, пока вещество остывает. Алмаз застрял после выбора, а застрять можно и до него. Оконное стекло твёрдое, но строя в нём нет: его атомы стоят вразброс, как в расплаве, из которого его сварили.