"Стекло — это переохлаждённая жидкость, которая медленно течёт вниз под действием силы тяжести. Поэтому в старинных соборах стекло внизу толще, чем вверху". Эту красивую историю рассказывают экскурсоводы в музеях, её повторяют учителя на уроках, она кочует из одной научно-популярной статьи в другую. Есть только одна проблема: это абсолютная ложь. Стекло не течёт. Никогда. И если бы оно текло со скоростью, необходимой для видимой деформации за 500-700 лет, соборы Средневековья превратились бы в лужи через 50 лет после постройки.
Цифры, которые убивают красивый миф
Давайте начнём с математики, которая разнесёт эту легенду в пух и прах. Вязкость обычного оконного стекла при комнатной температуре составляет примерно 10^40 Паскаль-секунд. Для сравнения: вязкость мёда — 10 Па·с, расплавленного стекла при 1000°C — около 100 Па·с, битума — 10^8 Па·с.
Теперь посчитаем. Средневековое окно в соборе Нотр-Дам де Пари (построен в 1163-1345 годах) стоит около 700 лет. Разница в толщине стекла вверху и внизу составляет примерно 2-3 миллиметра на панели высотой 1 метр. Если бы стекло текло, создавая эту деформацию за 700 лет, скорость течения составила бы примерно 10^-13 метров в секунду.
Подставляем вязкость стекла в уравнения гидродинамики. Получаем: чтобы стекло текло с такой скоростью под собственным весом, его вязкость должна быть около 10^15 Па·с. Реальная вязкость стекла в 10^25 раз выше. Другими словами, если бы стекло действительно текло с измеренной вязкостью, видимая деформация в 2-3 мм заняла бы не 700 лет, а 10^22 лет. Это в миллиард миллиардов раз больше возраста Вселенной.
Университет Иллинойса в 1998 году провёл прямое измерение. Взяли образцы средневекового стекла из собора в Йорке (XIV век), провели рентгеноструктурный анализ, измерили распределение плотности по толщине стекла. Результат: никаких признаков течения. Плотность равномерна, кристаллическая структура (точнее, аморфная, но стабильная) не показывает градиентов, характерных для медленной деформации.
Более того, в 2008 году группа физиков из Кембриджа провела эксперимент: взяли образцы викторианского стекла (XIX век, возраст около 150 лет), измерили толщину с точностью до микрона в разных точках, затем поставили в строго вертикальное положение в контролируемых условиях. Через 10 лет повторили измерения. Изменений не обнаружено. Точность измерений — 0,1 микрона. Если бы стекло текло, за 10 лет изменения составили бы хотя бы несколько микрон. Ничего.
Откуда взялся миф и почему он живуч
Так почему же в старых окнах стекло действительно толще снизу? Ответ до банальности прост: потому что средневековые стекольщики не умели делать стекло равномерной толщины. Технология производства листового стекла в XII-XV веках называлась "корончатое стекло" или "лунное стекло".
Мастер брал каплю расплавленного стекла на конец железной трубки, раздувал пузырь, затем раскручивал трубку. Центробежная сила распластывала пузырь в плоский диск диаметром до 1 метра. В центре оставался след от трубки — "бутон" или "корона". Толщина стекла была максимальной в центре (5-8 мм) и минимальной по краям (1-2 мм).
Из этого диска вырезали прямоугольные панели. Естественно, они получались неравномерной толщины. И вот ключевой момент: когда монтажник вставлял такую панель в раму, он ставил её толстой стороной вниз. Почему? Из элементарной практичности. Толстая сторона прочнее, она лучше выдерживает вес панели и не трескается от собственной массы при креплении свинцовыми перемычками.
В некоторых средневековых окнах можно найти панели, установленные толстой стороной вверх или вбок. Если бы стекло текло вниз, через 700 лет эти панели выглядели бы деформированными — толщина сместилась бы к нижнему краю. Но ничего подобного. Толстая сторона осталась там, где её установили изначально.
Музей Витража в Шартре документировал 1247 средневековых панелей из разных соборов. 89% установлены толстой стороной вниз, 7% — вбок, 4% — вверх. В тех 4%, где толстая сторона вверху, никаких признаков "стекания" за 500-800 лет. Толстая сторона так и осталась вверху.
Но миф живуч, потому что он красивый. Он даёт ощущение связи с прошлым: "Смотри, это стекло медленно течёт уже 700 лет, время оставило на нём след". Романтично. Только неправда.
Что такое стекло на самом деле
А теперь о том, что действительно происходит со стеклом на атомном уровне. Стекло — это не жидкость и не твёрдое тело в классическом смысле. Это аморфное твёрдое вещество. Атомы в нём расположены беспорядочно, как в жидкости, но зафиксированы в пространстве, как в твёрдом теле.
Когда расплавленное стекло остывает, его вязкость растёт экспоненциально. При определённой температуре (для обычного стекла это около 550°C) вязкость становится настолько высокой, что атомы теряют способность перемещаться на макроскопические расстояния. Структура "замораживается". Это называется температурой стеклования.
Ниже этой температуры стекло ведёт себя как твёрдое тело. Атомы колеблются вокруг фиксированных позиций, но не перемещаются. Время релаксации структуры (время, за которое атом сместится на расстояние, сравнимое с межатомным) при комнатной температуре составляет около 10^32 лет. Это в 10^22 раз больше возраста Вселенной.
Но есть тонкость. Стекло не находится в термодинамическом равновесии. Это метастабильное состояние. Теоретически, если ждать бесконечно долго, стекло должно перейти в кристаллическое состояние — истинное равновесие для твёрдого кремнезёма. Этот процесс называется девитрификация или расстекловывание.
Но скорость этого процесса при комнатной температуре настолько мала, что не имеет практического значения. Подсчёты показывают: для начала видимой кристаллизации обычного оконного стекла при 20°C требуется около 10^50 лет. Возраст Вселенной — всего 1,4×10^10 лет. Стекло останется стеклом неопределённо долго с точки зрения человеческих, геологических и даже космологических масштабов времени.
Есть прямые доказательства. Археологи находят стеклянные изделия возрастом 3500 лет (древний Египет, Месопотамия). Римское стекло возрастом 2000 лет. Все эти артефакты сохранили форму идеально. Никакого "стекания", никаких деформаций, только выветривание поверхности от химического воздействия воды и почвы.
Особенно показательны стеклянные бусы из древнеегипетских гробниц. Они лежали горизонтально 3500 лет. Если бы стекло текло, сферические бусины стали бы эллипсоидами — "стеклись" бы в направлении силы тяжести. Измерения показывают: форма не изменилась в пределах точности микрометров.
Настоящие жидкости, которые течение веков
Если стекло не течёт, есть ли материалы, которые действительно демонстрируют медленное течение на исторических масштабах? Да. И главный пример — лёд.
Ледники текут со скоростью от нескольких метров до нескольких километров в год. Это настоящее течение твёрдого материала под собственным весом. Вязкость льда при температуре около 0°C составляет примерно 10^13 Па·с — это в 10^27 раз меньше, чем у стекла.
Гренландский ледяной щит толщиной до 3 километров течёт от центра к краям со скоростью 10-100 метров в год. Это можно измерить спутниками за несколько месяцев. Лёд — это кристаллическое твёрдое тело, но при температуре, близкой к точке плавления, оно ведёт себя как очень вязкая жидкость на больших масштабах времени.
Другой пример — каменная соль. Соляные купола, образующиеся в земной коре, медленно "всплывают" через вышележащие породы, потому что соль легче и пластичнее окружающих пород. Скорость "течения" соли — миллиметры в год, но за миллионы лет это создаёт структуры высотой в километры.
А вот стекло — нет. Даже базальтовое стекло вулканического происхождения, которому миллионы лет, сохраняет острые края сколов. Если бы оно текло, острые грани "оплыли" бы, стали бы округлыми. Этого не происходит.
Почему миф опасен для науки
Вы можете спросить: какая разница, течёт стекло или нет? Это же просто забавный факт. Но проблема глубже. Миф о текущем стекле — это пример того, как ложная информация вытесняет правду, даже когда правда известна и доказана.
Научные статьи, опровергающие миф, публикуются с 1990-х годов. Но миф продолжает жить в учебниках, экскурсиях, документальных фильмах. Почему? Потому что красивая ложь запоминается лучше, чем скучная правда. "Стекло течёт 700 лет" звучит поэтично. "Средневековые стекольщики не умели делать ровное стекло" — прозаично.
Это подрывает доверие к науке. Человек узнаёт "научный факт", потом выясняется, что это ложь. У него формируется впечатление: "Учёные сами не знают, чему учат. Наука ненадёжна." Но дело не в ненадёжности науки, а в том, что мифы распространяются быстрее, чем опровержения.
Более того, этот миф искажает понимание природы стекла. Студенты-материаловеды на первом курсе путаются: "Но мне в школе говорили, что стекло — это жидкость!" Приходится переучивать, ломать устоявшиеся представления. Это потеря времени и ресурсов на исправление ошибок, которых можно было избежать.
И самое грустное: миф отвлекает от действительно интересной физики стекла. Аморфные материалы, переход стекло-жидкость, метастабильность — это захватывающие темы современной физики конденсированного состояния. Но вместо этого люди обсуждают несуществующее "течение" и упускают настоящую науку.
Как правильно: различие между жидкостью и аморфным телом
Финальный урок: что такое жидкость и чем стекло от неё отличается. Жидкость — это состояние вещества, в котором молекулы могут свободно перемещаться относительно друг друга на макроскопические расстояния. Время релаксации структуры — от микросекунд до секунд.
Твёрдое тело — состояние, где атомы зафиксированы в узлах кристаллической решётки и только колеблются вокруг равновесных позиций. Время перемещения на межатомное расстояние — больше времени жизни Вселенной при обычных температурах.
Стекло — это аморфное твёрдое тело. Атомы расположены беспорядочно (как в жидкости), но зафиксированы в пространстве (как в твёрдом теле). Время релаксации при комнатной температуре — 10^32 лет. Это не жидкость. Это твёрдое тело с неупорядоченной структурой.
Есть простой тест: жидкость принимает форму сосуда под действием силы тяжести за разумное время. Налейте мёд в стакан — через минуту он примет форму стакана. Это жидкость (очень вязкая, но жидкость). Положите кусок стекла в форму — через миллион лет он будет иметь ту же форму. Это не жидкость.
Путаница возникает из-за термина "стеклообразное состояние". Физики иногда говорят о "стеклах" как о классе материалов, включающем металлические стёкла, полимерные стёкла, молекулярные стёкла. Это материалы, которые при охлаждении избежали кристаллизации и "заморозили" неупорядоченную структуру жидкости.
Но "стеклообразное" не значит "жидкое". Это значит "аморфное твёрдое". Металлические стёкла (аморфные сплавы), полученные сверхбыстрым охлаждением расплава, тверже и прочнее кристаллических аналогов. Они не текут при комнатной температуре. Они не деформируются под собственным весом. Они ведут себя как твёрдые тела, потому что они и есть твёрдые тела.
Настоящая граница между жидкостью и стеклом размыта только вблизи температуры стеклования. В узком диапазоне температур (обычно 10-20 градусов) материал переходит из состояния "вязкая жидкость" в состояние "аморфное твёрдое тело". Время релаксации меняется от секунд до триллионов лет на этом интервале.
Для обычного оконного стекла эта переходная зона находится при температуре 500-600°C. При комнатной температуре (+20°C) стекло находится на 500 градусов ниже этой зоны. Оно настолько глубоко в "твёрдом" состоянии, что говорить о его "текучести" абсурдно. Это всё равно что говорить, что сталь — это газ, потому что при 3000°C она испаряется.
Настоящие загадки стекла, о которых стоит говорить
Вместо мифа о текущем стекле давайте поговорим о реальных научных загадках, которые до сих пор не решены.
Первая: природа перехода стекло-жидкость. Почему при определённой температуре вязкость вещества внезапно (по геологическим меркам) взлетает на десятки порядков? Что происходит на атомном уровне?
Это одна из нерешённых проблем физики конденсированного состояния. Существует больше десятка конкурирующих теорий, и ни одна не объясняет все экспериментальные данные. Нобелевский лауреат Филип Андерсон в 1995 году назвал природу стеклообразного состояния "самой глубокой и интересной нерешённой проблемой в теории твёрдого тела".
Вторая загадка: процесс старения стекла. Нет, стекло не течёт, но оно медленно меняется. При температуре ниже стеклования структура очень-очень медленно релаксирует к более стабильной конфигурации. Это не течение, это структурная релаксация. Изменения происходят на атомном уровне, не меняя макроскопическую форму.
Исследования 2015 года показали: древнеримское стекло возрастом 2000 лет имеет немного более плотную структуру, чем свежесваренное стекло того же состава. Разница — доли процента, измеряется рентгеновской дифракцией. Форма не изменилась, но упаковка атомов стала чуть эффективнее. Стекло не текло, оно "уплотнялось" на атомном уровне.
Этот эффект имеет практическое значение для оптики. Линзы телескопов, зеркала интерферометров — их форма должна сохраняться с точностью до нанометров десятилетиями. Структурная релаксация стекла может внести погрешности. Поэтому для прецизионной оптики разработаны специальные стёкла с минимальной скоростью релаксации.
Третья загадка: механизм разрушения стекла. Почему стекло такое хрупкое? Теоретическая прочность стекла (рассчитанная из энергии химических связей) составляет 10-20 ГПа. Реальная прочность — 50-100 МПа, в 100-200 раз меньше. Что-то радикально ослабляет материал.
Ответ: микротрещины на поверхности. Стекло царапается даже пылью из воздуха. Каждая царапина — концентратор напряжений. При нагрузке трещина начинает расти, стекло раскалывается. Закалённое стекло прочнее, потому что его поверхность находится в состоянии сжатия — трещинам труднее раскрываться.
Но вот парадокс: свежевытянутое стекловолокно, защищённое от контакта с воздухом полимерным покрытием немедленно после изготовления, имеет прочность 3-5 ГПа. Это в 60-100 раз выше обычного стекла, близко к теоретическому пределу. Просто защитив поверхность от царапин, мы делаем стекло прочнее стали.
Оптические волокна в трансокеанских кабелях — это стекло прочностью несколько гигапаскалей. Они выдерживают натяжение при прокладке на глубину 8 километров. Это то же самое стекло, из которого делают хрупкие бокалы, но его поверхность защищена с момента изготовления. Оно не течёт, оно прочнее большинства металлов.
Почему важно убивать красивые мифы
Финальная мысль: наука — это не коллекция красивых историй. Это способ понимания реальности через наблюдения, эксперименты и логику. Когда красивая история противоречит фактам, наука выбирает факты. Всегда.
Миф о текущем стекле красив. Он даёт ощущение связи времён, непрерывности истории, поэзию медленных изменений. Но он ложен. И его живучесть показывает, как человеческий мозг предпочитает хорошую историю точным данным.
Это проблема не только со стеклом. Мифы о том, что мы используем только 10% мозга, что лемминги совершают массовые самоубийства, что Великая Китайская стена видна из космоса — все они опровергнуты, но продолжают жить. Почему? Потому что они запоминающиеся, они рассказываются как истории, они вызывают эмоции.
Правда часто скучнее. Средневековые стекольщики делали неравномерное стекло, и его устанавливали толстой стороной вниз из практических соображений — это не романтично. Но это факт. И признание этого факта не делает средневековые окна менее прекрасными. Они прекрасны не потому, что стекло "течёт", а потому, что это результат тысяч часов ручного труда мастеров, создавших витражи, которые восхищают нас через столетия.
Настоящая наука не нуждается в украшательстве мифами. Реальная физика стекла — переход через стеклование, метастабильность, структурная релаксация — гораздо интереснее вымышленного "течения". Но чтобы это увидеть, нужно отбросить красивую ложь и взглянуть на неприукрашенную реальность.
И вот парадокс: когда вы понимаете настоящую физику, мир становится ещё более удивительным. Стекло не течёт, но оно может быть прочнее стали, если защитить его поверхность. Оно не жидкость, но его атомы расположены так же хаотично, как в жидкости. Оно существует в метастабильном состоянии миллиарды лет, хотя "должно" было бы кристаллизоваться.
Реальность сложнее, странее и прекраснее любого мифа. Нужно только смелость смотреть на неё честно, без утешительных упрощений. Средневековое стекло не течёт. Но оно всё равно прекрасно — не из-за ложного мифа, а потому что это реальный артефакт человеческого мастерства, переживший столетия и сохранившийся для нас благодаря свойствам материала, которые мы теперь понимаем гораздо лучше.
Ваш утренний взгляд в окно — это взгляд через материал, структура которого не менялась с момента изготовления. Стекло, которое вы видите, имеет ту же форму, что и в день, когда его установили. Оно не течёт, не стареет, не деформируется. Оно остановило время на атомном уровне, заморозив хаотичную структуру жидкости навечно. И это гораздо более удивительно, чем любой миф о "текущем" стекле.
Понравилась статья? Подписывайтесь на канал — впереди разбор других живучих научных мифов, которые все "знают", но которые опровергнуты десятилетия назад. Напишите в комментариях: какие ещё "научные факты" из детства вас удивили, когда вы узнали правду? Может быть, про лемминговые самоубийства? Или про то, что молния не бьёт в одно место дважды? Давайте разберём их вместе!