Мы воспринимаем мир через очевидные свойства: камень твердый, вода жидкая, стекло хрупкое. Но реальность часто сложнее. Некоторые материалы скрывают парадоксальную природу, ставя под сомнение наши базовые представления о твердости и текучести. Землетрясение 1994 года в Лос-Анджелесе, унесшее жизни 57 человек и причинившее ущерб в 20 миллиардов долларов, заставляет задуматься: насколько тверда земля под нашими ногами? И что вообще означает понятие "твердость"?
Ответ не так прост, как кажется. Возьмем каменноугольный пек. На вид это твердое, хрупкое вещество, похожее на асфальт. Но это обманчиво. Пек – это на самом деле очень вязкая жидкость. Вязкость – мера сопротивления жидкости растеканию. Представьте: вода течет легко, оливковое масло примерно в 100 раз вязче воды, мед – в 100 раз вязче масла. Вязкость каменноугольного пека превышает вязкость воды в 230 миллиардов раз! Это означает, что он течет, но невообразимо медленно.
Доказательством служит самый продолжительный лабораторный эксперимент в мире, начатый в 1927 году в Кливлендском университете. Пек поместили в стеклянную воронку и стали ждать, когда он упадет каплями. За почти столетие наблюдений упало всего 9 капель. Примечательно, что ни один ученый так и не увидел момент падения капли собственными глазами. Хранитель эксперимента Джон Мейнстон в 1988 году был очень близок к этому: он вышел из лаборатории буквально на минуту, чтобы налить чаю, и пропустил долгожданное событие. Последняя капля упала в 2014 году. Наблюдать за текущим экспериментом можно онлайн, но следующей капли придется ждать еще много лет.
Другой знакомый всем материал, скрывающий свою истинную природу – стекло. Мы считаем его твердым и хрупким. Но стекло – это аморфное тело. В отличие от кристаллов, где атомы выстроены в строгом порядке, молекулы диоксида кремния в стекле расположены хаотично. Это происходит потому, что расплавленное стекло охлаждают так быстро, что у молекул просто нет времени образовать упорядоченную кристаллическую решетку. Визуально оно твердое благодаря сильным химическим связям между атомами, которые препятствуют их свободному скольжению.
Однако отсутствие кристаллической структуры означает, что стекло, по сути, остается переохлажденной жидкостью с огромной вязкостью. И оно тоже течет, пусть и чрезвычайно медленно. Доказательство можно найти в старых зданиях. Обратите внимание на оконные стекла, простоявшие десятки или сотни лет: часто можно заметить, что стекло вверху рамы тоньше, чем внизу. Это результат того, что за долгие годы молекулы стекла под действием гравитации постепенно "стекали" вниз, утолщая нижнюю часть стекла. Иногда этот эффект настолько выражен, что вверху рамы даже образуется заметная щель, а сами стекла начинают дребезжать, так как их верхний край уже не заполняет предназначенный для него паз.
А что же находится под нашими ногами? Глубже земной коры лежит мантия – слой, ответственный за движение тектонических плит и вызываемые этим землетрясения. Лава, извергаемая вулканами – это расплавленный камень, поднявшийся на поверхность из глубин. Значит ли это, что мантия – это гигантский океан жидкой лавы? Нет. На самом деле, мантия Земли – это твердое тело. Ключевое доказательство – поведение сейсмических волн. Волны, возникающие при землетрясениях, могут распространяться через мантию, но поперечные сейсмические волны не способны проходить через жидкости. Их регистрация на другой стороне планеты доказывает твердое состояние мантии.
Как же твердый камень может "течь", двигая целые континенты? Ответ кроется в неидеальности кристаллических решеток минералов мантии и колоссальных давлениях и температурах. В кристаллах могут отсутствовать некоторые атомы (дефекты кристаллической решетки), или сами кристаллы могут медленно перестраиваться под давлением. Вязкость мантии чудовищно высока – она на много порядков превышает вязкость стекла. Поэтому мантия ведет себя как твердое тело в масштабах человеческой жизни и даже тысячелетий. Но на геологических временных интервалах в миллионы лет она демонстрирует пластичность и медленное течение, подобно невероятно густой жидкости. Пек – это жидкость, которая течет так медленно, что кажется твердой. Мантия Земли – это твердое тело, которое ведет себя как жидкость, если наблюдать достаточно долго.
Таким образом, понятия "твердость" и "жидкость" не абсолютны. Они относительны и зависят от масштаба времени и приложенных сил. Любое вещество обладает определенной степенью текучести и упругости. Когда силы и временные промежутки становятся достаточно велики (как в случае гравитации, действующей десятилетиями на стекло, или тектонических напряжений, действующих миллионы лет на мантию), разница между твердым и жидким состоянием стирается. Наши попытки жестко классифицировать мир на твердое и жидкое иногда ведут к упрощениям и заблуждениям. Реальность сложнее и удивительнее наших определений.