3. Воронка с пеком

В Квинслендском университете в Брисбене под стеклянным колпаком стоит воронка с чёрной смолой. В 1927 году Томас Парнелл, первый здешний профессор физики, разогрел и залил в неё пек, вещество, которое при комнатной температуре раскалывается под молотком, как камень. Три года пек оседал, потом Парнелл срезал у воронки запаянное горлышко. Капли пошли примерно раз в десять лет, и к апрелю 2014 года их упало девять. Ни одну из них в Брисбене никто не видел своими глазами.

Джон Мейнстоун смотрел за воронкой больше полувека. В 1979 году капля упала в выходные. В 1988-м, по его рассказу, он вышел на несколько минут за чаем. В 2000-м отказала веб-камера. Мейнстоун умер в августе 2013 года, за восемь месяцев до девятой капли, а та и не упала по-честному: коснулась восьмой в стакане и оторвалась, когда стакан меняли. Первое падение капли пека записали на видео за месяц до его смерти, но в Дублине. Брисбенская десятая висит до сих пор.

Твёрдый пек или жидкий? Под молотком он камень, за век он мёд. Пек в сотни миллиардов раз гуще воды: если вода вытекает из опрокинутой чашки за секунду, пек вытекал бы из неё тысячи лет. Твёрдость оказывается не свойством вещи, а сравнением двух часов: как долго частицы меняются местами и как долго мы на них смотрим. Для пека человеческая жизнь — слишком короткие часы. И всё же пек ещё не стекло, а жидкость, только очень густая.

Стекло собрано из того же, из чего расплав: в оконном это кремний и кислород с натрием и кальцием. В соли атомы выбрали места и встали в ряды. В стекле они не успели. Пока жидкость остывает до стекла, её густота растёт во многие триллионы раз, а расположение атомов почти не меняется. Снимок стекла похож на снимок жидкости, разница видна только на видео.

Порядок в стекле всё же есть, но короткий. Физик Вильям Захариасен предположил, что в кварцевом стекле сидят те же пирамидки из атома кремния и четырёх атомов кислорода, что и в кристалле кварца, только сцеплены они в сетку без повторяющегося узора. Так из одинаковых колец можно сплести ровную кольчугу, а можно свалять спутанный клубок, где каждое кольцо всё так же продето в соседние, а рядов нет.

Где кончается жидкость, решает договорённость. Стеклом её называют, когда атомам нужно около пары минут, чтобы поменяться местами с соседями; в воде на это уходят триллионные доли секунды. При такой густоте путь, который вода проходит за секунду, занял бы около тридцати миллионов лет. Пек до этого порога далеко не дотягивает. И сам порог плавает: чем быстрее остужаешь, тем раньше жидкость застревает и тем рыхлее выходит стекло. У льда есть точка таяния, у стекла вместо неё история остывания.

Эту историю стекло хранит в себе, и такой памяти нет ни у одного атома. Стеклянные слёзы умели делать стеклодувы в Германии и Нидерландах, а в Англию их привёз принц Руперт Рейнский, кузен короля и кавалерист гражданской войны. Король Карл II в 1661 году отдал их на изучение новорождённому Королевскому обществу. Каплю расплавленного стекла роняют в холодную воду, и она застывает головастиком с тонким хвостом. По головке бьют молотком, и она цела. Надламывают хвостик, и вся капля с хлопком рассыпается в пыль.

Роберт Гук в «Микрографии» угадал, что дело во внутреннем напряжении, а промерили его поляризованным светом только недавно. Наружный слой капли схватывается первым, сердцевина остывает позже, сжимается, тянет его на себя и сама остаётся растянутой. Выходит сжатый панцирь толщиной примерно в десятую долю головки. Трещина от удара в нём не раскрывается: её края прижаты друг к другу. Надлом хвостика пускает трещину прямо в растянутую сердцевину, и запасённое напряжение само раздирает каплю. Так же устроены боковые стёкла машин и дверцы духовок, и при ударе они рассыпаются тупой крупой, а не острыми клиньями. Их прочность — замороженное напряжение.

Стекло и дальше досматривает перестройку, которую ему не дали закончить. В компании Corning полтора года держали при комнатной температуре стекло, из какого делают экраны телефонов, и приборы заметили, как оно усаживается на миллионные доли длины. У магнита память — выбор, у стекла память — история. Течь при этом стекло не течёт. Старые витражи бывают толще внизу, потому что листы выходили неровными ещё у стеклодува и их чаще ставили толстым краем вниз, хотя встречаются и перевёрнутые. Материаловед Эдгар Занотто подсчитал, что заметно стечь при комнатной температуре стекло не успело бы и за возраст Вселенной.

Что такое стекло, отдельное состояние вещества или жидкость, которая просто застряла, спорят до сих пор. Тот же Андерсон, что объяснял кристалл нарушенной симметрией, назвал природу стекла, вероятно, самой глубокой нерешённой задачей теории твёрдого тела. Суть спора видна в старом расчёте химика Уолтера Каузмана: если мысленно остужать жидкость дальше, не давая ей стать кристаллом, она по расчёту оказалась бы упорядоченнее кристалла, чего быть не может. Значит, что-то вмешивается раньше. Одни думают, что за застреванием прячется настоящее резкое превращение, другие — что жидкость просто перестаёт успевать и никакой скрытой точки нет.

Стеклом может стать почти что угодно, если не дать ему времени. В 1960 году в Калтехе группа Пола Дювеза выплеснула расплав золота с кремнием на холодную медь, и металл застыл примерно за тысячную долю секунды, так и не выстроившись в кристаллы. Позже нашлись сплавы, которые застывают стеклом и в толстых отливках; такой металл пружинит лучше стали, и из него делали головки клюшек для гольфа. Жак Дюбоше в восьмидесятых окунал тончайшие плёнки воды в жидкий этан и получал лёд без кристаллов, которые ломали бы белки. На таком льду стоит криоэлектронная микроскопия, которой теперь разглядывают замороженные белки, и за неё Дюбоше разделил Нобелевскую премию по химии.

Природа варит стекло сама. Вулкан даёт обсидиан, молния в песке — оплавленные трубки. Космическое тело, врезавшееся в пустыню или взорвавшееся над ней, оставило в Сахаре желтоватое ливийское стекло, и из него вырезан скарабей в нагрудном украшении Тутанхамона.

Из стекла дорога ведёт в две стороны, и первая уходит в космос. Лёд на межзвёздных пылинках в основном стеклянный, и считается, что это самая частая форма водяного льда во Вселенной. В хондрах, миллиметровых каплях камня, которые расплавились и быстро застыли в молодой Солнечной системе, между кристаллами осталось стекло, а из хондр в основном и состоят самые частые метеориты. Из таких зёрен и пыли слипались камни, из камней — астероиды. Вторая дорога ведёт к линзам: беспорядок в стекле однороден, и в нём нет границ между зёрнами, на которых рассеивался бы свет.

Металлическое стекло Дювеза блестит и проводит ток: внешние электроны в нём общие для всего куска, и для этого строй не нужен. Но проводит оно заметно хуже, чем тот же сплав, успевший выстроиться в кристаллы. Беспорядок электронам мешает, а ровные ряды почти не мешают, хотя атомы в рядах стоят так же тесно.