Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Люди Скотта, вероятно, поняли на собственном опыте, что атомы металла могут спонтанно перегруппировываться из крепкой кристаллической формы в рассыпчатую и наоборот. Обычно для такого изменения структуры требуются экстремальные условия. Так, под океанским дном существуют такие высокие температуры и такое давление, при которых из графита образуются алмазы. Олово меняет структуру уже при 13,33 °C. Даже в прохладный октябрьский вечер в олове может начаться переход в зернистое состояние и нарастание белой ржавчины, при более низких температурах этот процесс ускоряется. При неосторожном обращении или деформации (как в случае с канистрами, которые просто сбрасывали с саней на слежавшийся лед) реакция может ускоряться, в результате чего повреждается даже незаржавевшее олово. Причем такое воздействие не ограничивается местным дефектом, скажем, образованием поверхностной трещины. Такую деформацию иногда называют «оловянной чумой», так как разрушение проникает внутрь металла, подобно заразной болезни. При таком переходе между состояниями может даже выделяться существенное количество энергии, что сопровождается скрежетом. Его образно называют «оловянным криком», хотя звук больше напоминает радиопомехи.

Переход олова из одного состояния в другое был хорошо известен и на протяжении истории служил удобным оправданием всевозможных бед, «химическим козлом отпущения». В некоторых европейских городах, для которых характерны суровые зимы (например, в Санкт-Петербурге), ходят легенды о дорогих оловянных трубах, которые устанавливали в новые церковные органы. Якобы такие трубы могли рассыпаться в пыль, стоило органисту взять первый аккорд. Некоторые набожные граждане даже усматривали в этом козни дьявола. Более серьезные исторические последствия этого явления имели место, например, в начале XIX века, когда Наполеон опрометчиво вел военную кампанию в России холодной зимой 1812 года. По некоторым свидетельствам (оспариваемым многими историками) оловянные застежки на кителях французов просто рассыпались под сильным ветром, из-за чего солдаты фактически оставались в одном нижнем белье. Как и небольшой отряд Скотта, столкнувшийся в Антарктиде с экстремальными погодными условиями, французская армия оказалась в России в незавидном положении. Возможно, коварные свойства пятидесятого элемента, превращающегося из металла в порошок, лишь усугубили ситуацию, но всегда проще увязать неудачу с роковым естественным фактором, а не с тем, что герой оказался непредусмотрителен[148].

Можно не сомневаться, что отряд Скотта обнаружил пустые канистры – в конце концов, это написано в их дневниках, – но тот факт, что это произошло из-за распада оловянного припоя, до сих пор оспаривается. Оловянная чума действительно могла быть причиной катастрофы, но спустя десятилетия после других экспедиций удавалось найти их канистры, оловянное покрытие которых отлично сохранилось. Скотт действительно использовал сравнительно чистое олово, но вряд ли оно оказалось настолько чистым, чтобы чума поразила весь припой до основания. В любом случае, не существует никакого другого убедительного объяснения, кроме специально устроенной диверсии, свидетельства насильственной смерти также отсутствуют.

Так или иначе, группа Скотта погибла во льдах, и гибель смельчаков как минимум отчасти связана с особенностями химических элементов.

Когда вещество замерзает и переходит из одного состояния в другое, с ним могут происходить причудливые метаморфозы. В школе мы изучаем всего три агрегатных состояния материи: твердое, жидкое и газообразное. В старших классах вам могли рассказывать и о четвертом агрегатном состоянии. Это плазма, возникающая в звездах при сверхвысоких температурах. В состоянии плазмы электроны покидают свои атомные оболочки и отправляются в свободное плавание[149]. В университете студенты узнают о сверхпроводимости, а также о сверхтекучести, наблюдаемой в жидком гелии. В аспирантуре профессора иногда озадачивают слушателей такими сложными состояниями, как кварк-глюонная плазма или вырожденное вещество. Между тем, некоторые умники любят спрашивать: почему желе не является самостоятельным агрегатным состоянием вещества? Хотите, отвечу? Дело в том, что коллоиды вроде желе представляют собой смеси двух агрегатных состояний[150]. Смесь воды и желатина может считаться и крайне пластичным твердым телом, и очень вязкой жидкостью.

Но дело в том, что во Вселенной вещества могут существовать в гораздо более разнообразных состояниях – с другими принципами упорядочивания частиц на микроуровне, чем мы можем представить себе в наших привычных категориях «твердое тело-жидкость-газ». И такие состояния не являются гибридными, в отличие от желе. Альберт Эйнштейн открыл одно из таких новых состояний в 1924 году, в ходе тщательного изучения некоторых уравнений квантовой механики. Позже он отверг собственные расчеты и отказался поверить в это теоретическое открытие, поскольку гипотетическое состояние вещества показалось ему слишком странным, чтобы существовать в реальности. Оно так и оставалось невозможным вплоть до 1995 года, пока такое состояние не удалось создать искусственно.

Можно утверждать, что твердое состояние материи является основным. Если быть предельно точным, то следует признать, что практически весь объем каждого атома пребывает пустым в каждый момент времени, но из-за крайне быстрого движения электронов атом приобретает иллюзорную твердость – по крайней мере, мы его воспринимаем твердым. В твердых телах атомы располагаются в виде регулярных трехмерных кристаллических решеток, но даже в самых обычных твердых веществах обычно существуют кристаллы сразу нескольких типов. В настоящее время ученые могут придавать кристаллам льда четырнадцать различных кристаллических форм, обрабатывая его в камерах высокого давления. Некоторые виды льда тонут в воде, а не всплывают, а другие кристаллические формы замерзшей воды выглядят не как шестиугольные снежинки, а напоминают пальмовые листья или кочаны цветной капусты. Существует поразительная форма льда, которая тает только при 2037 °C! Даже такие сложные и многосоставные химические вещества, как шоколад, способны образовывать квазикристаллы, которые могут изменять форму. Вам когда-нибудь доводилось разворачивать плитку шоколада и обнаруживать, что она приобрела неаппетитный желтоватый оттенок? В данном случае мы имеем дело со своеобразной «шоколадной чумой», подобной той, что испортила оловянный припой и обрекла на гибель команду Скотта в Антарктике.