18
Тысячи бликов

На самом деле, то, что не давало Леонарду спать всю ночь, совершенно не важно для сюжета этого эпизода. Главное, что он слишком устал, чтобы везти Шелдона на работу, а это уже трагедия с любой точки зрения. Но все же что же такое эта его дифракция рентгеновских лучей? (Чтобы найти ответ на очевидный вопрос «А что такое лазер на свободных электронах», см. главу 22.)

Можно узнать очень многое о микроскопической структуре материалов, наблюдая за ними, направив луч света. Хоть вы и не можете различить отдельные молекулы и атомы, есть быстрые способы, как получить ответы. Один из распространенных методов – это заставить все атомы материала распределиться по определенной модели. Тогда очень легко наблюдать их поведение в совокупности. Тот же принцип работает при наблюдением за посевами с расстояния. Хоть и невозможно разглядеть отдельные растения, все они в совокупности дают вам информацию о том, смотрите ли вы на кукурузное поле, розовые кусты или тыквенные грядки.

Кристалл – это повторяющаяся решетка идентичных секций в геометрической ориентации. Всем хорошо известны такие кристаллы, как кварц, сахар и иней на оконных стеклах. Изменение структуры может произвести другие кристаллы: алмазы, графит и графен сделаны из одних и тех же атомов углерода, но в другом расположении.

Дискоболы – это, конечно, не атомы, и они не формируются в кристаллы, но они могут проиллюстрировать, как ведут себя атомы в кристалле. Когда луч света направлен на крошечные зеркала дискобола, полкомнаты сразу наполняется тысячей крошечных световых бликов. Рисунки этих бликов напрямую зависят от того, как расположены зеркала и откуда поступает луч света. В принципе, имея чертеж дискобола, можно предсказать рисунок, который может получиться от определенного луча света. Этот принцип работает и в обратном направлении: если вы не видите шар, вы все равно можете догадаться о расположении его зеркал по направлению луча света и рисунку световых бликов.

Но это работает только с одним дискоболом и одним лучом. Добавьте еще пару шаров и получите полный хаос. Попробуйте теперь догадаться, от какого шара и луча исходит определенный блик. Кристалл – это что-то вроде грозди дискоболов, каждый из которых имеет идентичное строение из зеркал, все направлены в одном и том же направлении, и все они освещены одним и тем же лучом, выстроившись под одним углом. Два у вас шара в связке, или десять, или тысяча – каждый из них будет производить одно и то же отражение на стенах.

К сожалению, из-за пробелов между шарами каждый рисунок будет немного смещен по отношению к соседнему. Вы увидите четкое отражение каждого зеркальца, за исключением некоторых пятен света, которые наложатся друг на друга. И это очень много пятнышек. Но что же получится, если нашу связку идентично сконструированных, идентично ориентированных и идентично освещенных шаров перенести в помещение побольше? Представьте, что связка очень далеко от стены – настолько далеко, что человек, находящийся у стены, с трудом может различить отдельные шары. Теперь свет, который отражается от любого зеркальца любого шара, будет путешествовать одновременно с отбликом соответствующих зеркал других шаров, и эти отблики будут практически накладываться друг на друга. Снова появится наш рисунок одного шара, и мы сможем провести наш опыт по определению рисунка расположения зеркал.

Ученые обычно не проводят много времени на дискотеках, как оказалось (возможно, потому, что они проводят все свое время, уставившись на блики на стене), но они используют принцип нескольких дискоболов, когда они изучают кристаллы и кристаллоподобные материалы. Направив рентгеновские лучи на кристалл и понаблюдав рисунки, которые они формируют, можно сделать выводы о строении и ориентации кристаллических элементов. Как и в дискоболах, каждый блик будет состоять из наложенных отражений многих элементов кристалла.

Здесь нужно отметить два важных отличия. Первое отличие в том, что отражение от зеркальца дискобола воспроизводит всплеск отраженного света, а части кристалла настолько малы, что входящие рентгеновские лучи не просто отражаются, они дифрагируют, распространяясь по широкой дуге, как волны, проходящие в дом через открытое окно (см. главу 10).

Второе расхождение в том факте, что радиация в рентгеновском луче, в отличие от луча света, специально коллимируется, чтобы остановить его расхождение. Как и в случае со скоплением дискоболов, компоненты кристалла так плотно упакованы и так точно расположены по отношению друг к другу, что рентгеновские лучи, рассеивающиеся от соседних атомов, путешествуют практически рядом друг с другом и достигают своей цели практически одновременно. Когда это происходит, малейшие разницы в расстоянии, которые они проходят, создают нахлест их высших и низших точек таким образом, что на детекторе возникают то яркие пятна, то тусклые. Это происходит по тому же принципу, что и возникновение светлых и темных линий на интерференционном узоре при эксперименте на двух щелях (только это уже эксперимент с мириадами щелей, где каждый элемент кристалла ведет себя как отдельная щель). Понимание физических принципов теперь позволяет ученым определить невидимую структуру по ее визуальному воплощению.

Техника дифракции рентгеновских лучей не ограничена лишь теми субстанциями, которые мы привыкли ассоциировать со словом «кристалл», такими как леденцы или праздничные бокалы. Оказывается, что многие вещи, созданные природой, можно заставить сформировать кристаллическую конструкцию: белки, ДНК, другие органическе молекулы и даже целые вирусы.

И с кристаллами проще иметь дело, чем с их отдельными элементами. Нельзя схватить отдельную молекулу, скажем, хлорида натрия и развернуть ее, но можно взять целый кристалл соли и повернуть сразу все выстроенные элементы хлорида натрия одновременно. И почему при исследовании кристаллов предпочитают использование рентгеновских лучей? Во-первых, они могут проходить через субстанции, которые непроницаемы для видимых лучей. Но важнее то, что длина волн рентгеновских лучей так же коротка, как и расстояния между соседними атомами в обычном кристалле. Волны видимого света и ультрафиолета гораздо длиннее. Их использование для изучения тонкой структуры кристалла – это все равно, что печать на клавиатуре кулаками.

Камни Сваровски, бриллианты, Билли, Гейл  – в мире полно чудесных кристаллов, но самыми дешевыми из тех, что нас окружают, остаются образования из старой доброй замерзшей H₂O. Кто из нас не наслаждался изумительной изящностью снежинок? Их разнообразные формы возникают благодаря тому, как растут кристаллы льда в зависимости от температуры и влажности окружающей среды. Но мало кто понимает что-нибудь об этой зависимости.

Профессор Кеннет Либрехт (выпускник Калтеха 1980 года) является экспертом в области физики снега: как он образуется и почему он принимает такие формы. Он его изучает не потому, что хочет заработать состояние на зимних видах спорта или ледяных скульптурах, а потому, что образование снежинок дает понимание о том, как материя ведет себя на молекулярном уровне. И здесь, как и во всех творениях природы, величайшая сложность возникает при применении нескольких простых правил.

Снежинка (или, более точно, снежный кристалл) – это пример самособирающейся конструкции. Ее шестисторонняя симметрия – это макроскопическое выражение гексагональных колец, в которые складываются V-образные молекулы воды в процессе кристаллизации (см. главу 5). Причина, по которой все ее «ветви» выглядят практически идентичными, в том, что они все растут одновременно в одинаковом микроклимате, а их остроконечные формы точно отражают хаотичные погодные изменения .

(И в ответ на вопрос, который вы сейчас задаете, скажем, что снежные кристаллы такие сложные конструкции, что на самом деле – за исключением совсем уже простых, крошечных и скучных экземпляров – нет двух похожих друг на друга.)

Либрехт заполнил целые альбомы с великолепными снимками отдельных снежных кристаллов. Некоторые из его картинок появлялись на марках почтовых служб Соединенных Штатов, Австрии и Швеции. Но не думайте, что любая снежинка может стать кандидатом для филателистского бессмертия. В метеорологическом хаосе, которым является зимняя погода, снежинки-уродицы появляются довольно регулярно, а вот идеально сформированные красавицы как раз являются исключением.

Одним из способов, по которому нам может посчастливиться найти местонахождение здания, является регистрация его взаимоположения в соответствии с различными хорошо известными объектами. Из окна своей гостиной Леонард и Шелдон могут наслаждаться великолепным видом очень узнаваемого красного купола мэрии Пасадены, расположенной почти в двух кварталах к западу от Лос Роблес-авеню и к северу от бульвара Колорадо . Та часть, которую они могут лицезреть, является юго-восточным фасадом, что означает, что их квартиру на Северной Лос Роблес можно найти к югу от бульвара Колорадо. (Единственная странность в том, что эта часть Лос Роблес-авеню к югу от бульвара Колорадо называется Южной Лос Роблес-авеню, что ни для кого не сюрприз.)

В какой-то момент Шелдон (в роли Флеша) совершает воображаемый пробег от квартиры до Большого Каньона и обратно . В самом начале он пересекает бульвар Колорадо, направляясь на север по Реймонд-авеню после хорошего крюка вокруг здания мэрии. Возвратившись на Колорадо и замахнувшись на запад, он направляется в центр города вдоль исторического моста Колорадо-стрит перед тем, как устремиться через пустыню в западном направлении – нам это известно, поскольку январское солнце находится слева высоко в южном небе. (Мы обращаем внимание на подобные детали.) Уж слишком окольный путь он выбрал для путешествия в Аризону, которая находится на востоке.

Ну, может, он так решил обойти пробки в час пик.