Как построен мир из кристаллов и атомов

Мы видим мир в особом виде, и, как ни проницателен наш взор, он видит предметы лишь определенных величин.

То, что стоит за пределами чувствительности глаза, нам недоступно. Горы, леса, люди, звери, дома, камни, кристаллы, всё, что окружает нас, — всё это мы различаем нашими глазами. Но мы не можем рассмотреть, как построена каждая вещь или предмет, как из мельчайших клеточек построено живое вещество и как из еще более мелких кирпичиков построена вся природа.

Представим себе на минуту невозможное: наши глаза способны увеличивать всё в десятки миллиардов раз, а сами мы, подобно Гулливеру, остаемся такими же, какими мы являемся сейчас. Всё окружающее нас — горы, моря, города, деревья, камни, простор полей — всё исчезает, и мы попадаем в какой-то новый, странный мир.

Не знаю, бывал ли читатель когда-либо в еловом лесу, правильно посаженном грядками: вокруг большие деревья идут стройными рядами, и далеко-далеко уходит глаз между ними. Когда вы стоите в точке с кружком, как это изображено на рисунке, такие ряды тянутся направо и налево, вперед и назад. Когда вы отступаете на шаг назад (в место, обозначенное на рисунке крестиком), новые ряды открываются в других направлениях; весь лес перед вами рисуется в виде странной решетки.

То же испытали бы мы, если бы наши глаза стали увеличивать в миллиарды раз окружающий мир. Мира предметов больше бы не стало: всё нежданно перед нами заменилось бы такими же стройными и бесконечными решетками.

Длинные ряды тянулись бы не только вбок, как в лесу, а вверх и вниз, во все стороны. А сама решетка была бы образована не деревьями, а маленькими шариками, которые висели бы в воздухе на расстоянии нескольких метров или десятков сантиметров друг от друга, в строжайшем порядке.

Так иногда висят электрические лампочки в залах библиотек, аудиторий, клубов. Мы оказались бы в замечательно красивом лесу. В одной части леса, там, где случайно наш глаз упал бы на кусочек или щепотку порошка соли, мы увидели бы ровные и прямые ряды, так, как это показано на рисунке.

Кристаллическая решетка на плоскости.

Кристаллическое строение поваренной соли — хлористого натрия. Черные кружочки — атомы хлора; белые — атомы натрия.

Нас окружил бы еще более сложный и красивый переплет решеток, если бы мы смело вошли внутрь частицы известняка или же куска железа, меди.

Каждое вещество Земли отличалось бы особыми решетками, и в этом таинственном мире висящих в пространстве шариков мы больше ничего, кроме шариков, не различили бы.

Сами предметы и вещи измерялись бы тысячами километров. Толщина пальца превращалась бы в расстояние от Ленинграда до Урала, и даже спичка в наших глазах превращалась бы в дубину толщиной в триста двадцать пять километров — расстояние от Москвы до Бологое.

В новом мире ничего не было бы, кроме бесконечных рядов сеток, решеток, как бы отдельных петель, — всюду ничтожные по размерам шарики в мировом пространстве, загадочные «точки» вещества.

Мы должны пояснить эту картину читателю: эти сетки и решетки из шариков, расположенных по каким-то очень определенным законам геометрии, есть не что иное, как те прекрасные образования, которые мы называем кристаллами.

Почти весь мир кристалличен, и лишь немногие вещества состоят из хаоса этих же точек.

Те красивые кристаллы, которые растут в наших кристаллизаторах, или те, которые мы встречаем в горах, — не что иное, как внешнее проявление законов мельчайших сеточек. Теперь нам удалось изучить построение этих решеток и сеток того мира, о котором мы говорили. Но присмотримся более внимательно, заострим еще больше наш взор и усилим увеличение наших глаз еще в тысячу раз.

Расстояние между отдельными точками будет измеряться не метрами, а целыми километрами, и мы потеряем картину рядов, сеток. Теперь мы увидим шарики уже не в виде маленьких неразличимых точек, а в виде целого сложного мира. Вокруг нас будут вертеться мелкие тела, сложными путями окружающие центральное ядро. И внутри этого нового, необычайного мира мы сможем гулять подобно Гулливеру.

Какие-то силы будут направлять эти тельца, и они, перескакивая с одного пути на другой, будут излучать молнии света; целая система как бы солнц с планетами будет нас окружать. Мы совсем забыли привычный мир наших городов, домов, камней, животных, растений. Мы забыли стройные ряды решеток, сеток: мы оказались в самом атоме вещества и в среде его электронов.

А дальше что?

Можно ли еще увеличить силу наших глаз и, оставив мир атомов, попасть в еще какой-то новый мир? Вероятно, да, но в какой — мы еще не знаем.

Для него наши глаза должны еще усилить свое увеличение в десятки тысяч раз, а сам человек в этом случае оказался бы в мире самых мельчайших телец — нейтронов внутри самих атомных ядер и электронов, двигающихся подобно планетам вокруг солнца.

Весь мир построен из мельчайших атомов различных веществ. Весь мир представляет собою прекрасную гармоническую постройку, в которой шарики-атомы точно расположены в мировом пространстве по законам геометрии.

В мире царят кристалл и его твердые прямолинейные законы. Одни кристаллы большие — это целые сплошные массы, и в них входит такое большое количество и решеток и самих атомов, что нам надо было бы написать единицу по крайней мере с тридцатью пятью нулями, чтобы выразить их число.

Есть другие постройки, в которых обыкновенный глаз не может различить какой-либо правильности; есть вещества, частицы которых состоят из отдельных сотен или тысяч атомов: такова, например, сажа наших дымовых труб или растворы золота в воде.

Всё вокруг состоит из различных атомов, то сложных, то более простых: всего нам известно около ста типов этих атомов.

Но как различно построены какой-либо маленький и простенький атом водорода и, например, самый тяжелый атом — атом металла урана!

Триллионы триллионов этих атомов входят в состав каждого кубического сантиметра вещества, и всё-таки глаз ученого проник и разгадал эту тайну природы. Физик и кристаллограф — вот те победители, которые старую сказку о Гулливере превратили в действительность наших дней.

Глава третья

История камня

Как растут камни

Мы уже много говорили о том, что камни имеют свою собственную историю жизни, — правда, очень отличную от истории живых существ. Жизнь и история камня очень длинная: она измеряется иногда не тысячами, а миллионами и даже сотнями миллионов лет, и потому нам очень трудно подметить те изменения, которые тысячелетиями накапливаются в камне. Нам кажутся постоянными булыжник мостовой и камень среди пашен только потому, что мы не можем заметить, как постепенно под влиянием солнца и дождя, копыт лошадей и незаметных глазу мельчайших организмов и булыжник мостовой и валун на пашне превращаются во что-то новое.

Если бы мы умели изменять скорость времени и если бы мы могли, как в кинематографе, стремительно показать историю Земли на протяжении миллионов лет, то за несколько часов мы увидели бы, как выползают из глубин океанов горы и как они снова превращаются в низины; как образовавшийся из расплавленных масс минерал очень быстро рассыпается и превращается в глину; как в секунду миллиарды животных накопляют громадные толщи известняков, а человек в долю секунды уничтожает целые горы руд, превратив их в листовое железо и рельсы, в медную проволоку и машины. В этой бешеной скачке всё изменялось и превращалось бы с молниеносной быстротой. На наших бы глазах камень рос, уничтожался и заменялся другим, и, как в жизни живого вещества, всем этим управляли бы свои особенные законы, которые и призвана изучать минералогия.

Разрез через земную кору с отдельными зонами Земли.

Мы начнем изучение минеральной жизни Земли с недоступных исследованию глубин — с зоны «магмы», там, где температура немного выше 1500°C и где давление достигает десятка тысяч атмосфер.

Магма — это сложный взаимный раствор-расплав огромного количества веществ. Пока она кипит в недоступных глубинах, пропитанная парами воды и летучими газами, в ней идет своя внутренняя работа, и отдельные химические элементы соединяются в готовые (но еще жидкие) минералы. Но вот температура падает — под влиянием ли общего охлаждения, потому ли, что магма переходит в более холодные и более высокие зоны — и магма начинает застывать и выделять отдельные вещества. Одни соединения раньше переходят в твердое состояние, чем другие, они закристаллизовываются и плавают или падают на дно еще жидкой массы. К возникшим твердым частицам мало-помалу силами кристаллизации притягиваются всё новые и новые; твердое вещество собирается вместе, отделяясь от жидкой магмы.

Магма переходит в смесь кристаллов — в ту минеральную массу, которую мы называем кристаллической горной породой. Светлые граниты и сиениты, темные, тяжелые базальты — это затвердевшие волны и брызги некогда расплавленного океана. Сотни различных названий дает им наука петрография, пытаясь в их строении и химическом составе найти отпечаток их прошлого в неведомых глубинах Земли.

Разрез через массив гранита, с ветвями гранитных жил и выделением разных металлов и газов.

Состав твердой горной породы — это далеко не то, что состав самого расплавленного очага. Огромное количество летучих соединений пропитывает его расплавленную смесь, выделяется могучими струями, пронизывает ее покров; и долго курится и дымится ее очаг, пока смесь совсем не застынет и не превратится в твердую горную породу. Только ничтожная часть этих газов остается внутри затвердевшей массы, другая часть поднимается к земной поверхности в виде газовых струй.

Далеко не все эти летучие соединения успевают достигнуть земной поверхности. Огромная часть их осаждается еще в глубинах, пары воды сгущаются; по трещинам и жилам текут к поверхности Земли горячие источники, медленно охлаждаясь и постепенно выделяя из растворов минерал за минералом. Часть газов насыщает воды и в виде ключей или гейзеров вырывается на поверхность Земли, другая скоро находит себе другие пути и образует твердые соединения.

Пустота в горной породе, образовавшаяся во время остывания некоторых пород.

Горячие источники — ювенильные, молодые воды, по выражению знаменитого венского геолога Зюсса, — это не пути, которые связывают жизнь магм с жизнью земной поверхности. Число горячих источников очень велико. В одних Соединенных Штатах Америки известно не менее десяти тысяч, а в Чехословакии свыше тысячи, среди которых много целебных, например знаменитый горячий ключ в Карловых Варах. Из них образуются настоящие водные источники, которые приносят с собой из глубин чуждые поверхности вещества, и по стенкам трещин, по мельчайшим трещинам пород начинают осаждаться минералы, сернистые соединения тяжелых металлов. Так возникают из летучих соединений глубинных магм рудные месторождения, рождаются те скопления полезных ископаемых, которые так жадно разыскивает человек. На поверхности Земли вся эта масса воды, летучих соединений, паров газов, растворов, которые не были задержаны по дороге из глубин и не осели в форме разных минералов, — вся эта масса вливается в атмосферу и в океан, постепенно, в течение многих геологических периодов, приводя их к современному состоянию.

Так мало-помалу создавались наш воздух и наши океаны с их теперешним составом и свойствами — как результат всей долгой истории Земли.

Мы на поверхности.

Над нами океан атмосферы — сложной смеси паров, газов, земной и космической пыли. Дальше трех километров от земной поверхности почти совершенно не сказывается влияние превращений Земли. Там, за пределами серебристых облаков, начинаются зоны, более богатые водородом, а на самой границе, доступной нашим исследованиям, сверкают в спектрах северных сияний линии газа гелия. В нижних слоях атмосферы носятся частички, выброшенные вулканами, клубится пыль, поднятая ветрами и бурями пустынь, — здесь для нас открывается особый мир химической жизни.

Перед нами пруды и озера, болота и тундры с их постепенным накоплением гниющего органического вещества. В тине и иле, застилающих их дно, совершаются свои процессы: медленно стягивается железо в бобовые руды, происходит сложный распад сернистых органических соединений, образуя стяжения железного колчедана, не хватает кислорода. Беспрерывно теплится микроскопическая жизнь, вызывая и собирая всё новые и новые продукты. В морских бассейнах, на просторе вод океанов эти процессы еще грандиознее…

Но перейдем к твердой земле. Здесь царство могучих деятелей земной поверхности — угольной кислоты, кислорода и воды. Постепенно и неуклонно нагромождаются здесь песчинки кварца, угольная кислота завладевает металлами (кальцием и магнием), кремневые соединения глубин разрушаются и превращаются в глины. Ветер и солнце, вода и мороз помогают этому разрушению, унося ежегодно до пятидесяти тонн вещества с каждого квадратного километра земли.

Под покровом почвы глубоко тянется мир разрушения, и до пятисот метров в глубину идут процессы изменения, всё ослабевая в своей силе и заменяясь ниже новым миром образования камня.

Так рисуется нам неорганическая жизнь земной поверхности. Всюду вокруг нас идет напряженная химическая работа. Всюду старые тела перерабатываются в новые, осадки ложатся на осадки, накопляются минералы; разрушенный и выветрившийся минерал сменяется другим, незаметно на свободную поверхность ложатся новые и новые слои. Дно океана, илистые массы болота или каменистые русла рек, песчаные моря пустыни — всё должно исчезнуть или в потоках текучей воды, или в порывах ветра, или же сделаться достоянием глубины, покрывшись новым слоем камня. Так, постепенно, продукты разрушения Земли, ускользая от власти деятелей поверхности и закрываясь новыми осадками, переходят в чуждые им условия глубин. А в глубинах породы воскресают в совершенно новом виде. Там они соприкасаются с расплавленным океаном магмы, который проникает в них, то растворяя, то вновь выкристаллизовывая минералы.

Так осадки поверхности снова соприкасаются с магмой глубин, и частица каждого вещества совершает много раз свой долгий путь в вечном движении.

Камни живут и изменяются, отживают и снова превращаются в новые камни.

Камни и животные

Сейчас мы знаем, что между камнями и животными существует очень тесная связь. Деятельность организмов на земле протекает в очень тонкой пленке, которую мы называем биосферой. Вряд ли особенно высоко в атмосфере сказывается ее влияние, хотя некоторые ученые обнаружили живых зародышей микробов в воздухе на высоте двух километров. Воздушные течения заносят споры и грибки на высоту десяти километров. И даже кондоры поднимаются на высоту семи тысяч метров! Не глубже двух тысяч метров проникает жизнь и в глубину твердой земной оболочки. Только в морях и океанах от самой поверхности вод до наибольших глубин мы находим органическую жизнь. Но и в самой поверхностной пленке земли распространение жизни гораздо шире, чем принято думать. Данные знаменитого русского биолога Мечникова заставляют предполагать, что некоторые организмы выдерживают перемены и колебания условий гораздо большие, чем те, что переживает поверхность земли.

Мне вспоминаются описания одной экспедиции, которая на снегах и льдах Полярного Урала наблюдала мощные размножающиеся колонии одной бактерии. Эти колонии так разрастались, что давали начало почвенному покрову на сплошной массе полярного льда. По берегам кипящих бассейнов знаменитого Иеллоустонского парка в США разрастаются некоторые виды водорослей, которые при температурах, близких к 70°C, не только живут, но и осаждают кремнистый туф.

Пределы жизни гораздо шире, чем мы думаем: так, для бактерий и плесневых грибков или их спор жизнь сохраняется в пределах от +180 до –253°!

Но в самой зоне биосферы, в той пленочке, что мы называем почвой, — там эта роль органической жизни сказывается особенно полно. В одном грамме почвенного покрова число живых бактерий колеблется между двумя и пятью миллиардами! Огромное количество дождевых червей, кротов или термитов неизменно разрыхляет почву, облегчая проникновение газов воздуха. Действительно, в почвах Средней Азии число крупных живых существ (жуков, муравьев, мух, пауков и пр.) на один гектар превосходит двадцать четыре миллиона! Значение микрожизни в почвенном покрове совершенно неоценимо. Знаменитый французский химик Бертело, говоря о земной поверхности, назвал почву чем-то живым.

Более сложные существа своею жизнью и своею смертью участвуют в химических процессах образования минералов. Мы хорошо знаем о том, как возникают целые острова благодаря жизни полипов. Геология открывает перед нами эпохи, когда на тысячи километров тянулись ряды коралловых рифов, в сложной химической жизни прибрежных областей накапливая углекислый кальций из морских вод.

Кто присматривался к нашим русским известнякам, — пожалуй, самой распространенной породе СССР, — тот легко мог заметить, из каких разнообразных остатков органической жизни они составлены: раковинки, корненожки, полипы, мшанки, морские лилии, ежи, улитки — всё это перемешано между собой в общей массе.

Там, где в океанах встречаются течения, нередко внезапно создаются условия, в которых жизнь рыб и других организмов делается невозможной. Эти подводные кладбища дают начало скоплениям фосфорной кислоты, и залежи минерала фосфорита в различных отложениях пород говорят нам о том, что этот процесс не только идет сейчас, но шел и раньше, в отдаленном геологическом прошлом.

Одни организмы участвуют в образовании минералов своею жизнью, вырабатывая из химических элементов земли новые устойчивые соединения, в форме ли известковых скорлупок фосфатных скелетов животных или кремневых панцырей. Другие организмы участвуют в образовании минералов лишь после своей смерти, когда начинаются процессы распада и гниения органического вещества, В том и другом случаях организмы являются крупнейшими геологическими деталями, и неизбежно весь характер минералов земной поверхности будет зависеть, как он зависит уже и сейчас, от истории развития органического мира.

Всё в этой же зоне биосферы, как могучий преобразователь, выступает и человек, покоряющий силы природы. Преобразуя природу, человек превращает ее вещества в такие, которые никогда раньше не существовали в биосфере. Он сжигает более тысячи миллионов тонн угля ежегодно, растрачивая в своих целях энергию, накопленную в течение долгих геологических эпох. Около двух миллиардов людей живут на земной поверхности, воздвигая грандиозные постройки, соединяя между собою целые океаны, превращая тысячи квадратных километров голых степей и пустынь в цветущие нивы.

Обработка пород и минералов, усиленная заводская и фабричная деятельность, всё новые и новые запросы культурной жизни человечества — всё это уже теперь является могучим фактором превращений камня.

Человек в своей хозяйственной деятельности не только использует богатства земли, но и преобразует ее природу: ежегодно люди выплавляют до ста миллионов тонн чугуна, миллионы тонн других самородных металлов и этим путем получают такие минералы, которые лишь изредка, как музейную редкость, производит сама природа.

Камни с неба

Сто семьдесят лет тому назад население Франции было встревожено замечательным небесным явлением. В один и тот же год (1768) в трех местах упали с неба камни, и пораженные жители уверовали в чудо, вопреки всему, что говорила наука. Под вечер, около 5 часов, раздался страшный взрыв. На чистом небе вдруг появилось зловещее облачко, и что-то упало со свистом на поляну, наполовину врезавшись в мягкую землю. Прибежали крестьяне, хотели поднять камень, но он был так горяч, что нельзя было его коснуться. В страхе они разбежались, но через некоторое время снова пришли, — упавший камень был холодный, черный, очень тяжелый и лежал спокойно на старом месте…

Парижская академия наук заинтересовалась этим «чудом» и направила для проверки особую комиссию; в нее входил знаменитый химик Лавуазье. Но возможность падения на Землю камня с небес казалась настолько невероятной, что комиссия, а за ней и академия отвергли его небесное происхождение.

Между тем «чудеса» продолжались: камни падали, их падение подтверждали очевидцы. Чешский ученый Э. Ф. Хладный одним из первых восстал против косных идей Парижской академии и в своих смелых статьях стал доказывать, что камни действительно падают с неба. Конечно, такие падения нередко окружали фантастическими рассказами, а невежественные люди этот камень считали священным талисманом: иногда его толкли и принимали как лекарство. Упавший в 1918 году около города Кашина камень был оббит крестьянами, и истолченные осколки его служили «целебным» порошком для тяжело больных.

Сейчас мы знаем, что Хладный был совершенно прав, говоря, что каждый год камни падают, иногда поодиночке, иногда целыми дождями, иногда в мельчайшей пыли, иногда в виде тяжелых больших глыб. Изредка они даже убивают людей и вызывают пожары, пробивают крыши домов, врезаются в пашни или тонут в болотах. Такие камни мы называем метеоритами .

На белом снеге полярных областей, куда не залетает пыль городов, дорог, пустынь, нередко можно подметить мельчайшую пыль, «упавшую с неба», состав которой так мало напоминает нам обычные минералы нашей Земли. Некоторые ученые думают, что этой «космической пыли» ежегодно падает на Землю несколько десятков или даже сотен тысяч тонн, или много сотен вагонов. Среди метеоритов встречаются колоссы. В огромном кратере, диаметром в полтора километра, долго искали большой метеорит в Америке, в штате Аризона. Теперь набрели на мелкие осколки той, вероятно, огромной железной массы, в которой должно содержаться чистого железа на полмиллиарда рублей, весом почти в десять миллионов тонн металла; но тщетны пока поиски этих богатств. Где-то в песках пустыни Сахары лежит другой небесный гигант; о нем пока имеются неясные рассказы бедуинов и арабов, привезших кусочки камня. У нас за последнее время вызвал ряд интересных исследований вопрос о громадном метеорите, который 30 июня 1908 года произвел колебание воздуха и почвы во всей Восточной Сибири и упал где-то далеко в болотистой тайге Подкаменной Тунгуски. Точные приборы даже отдаленной Австралии отметили этот удар о нашу планету.

Экспедиция Академии наук в 1927 году, возглавляемая смелым минералогом Л. А. Куликом, достигла этого места и нашла совершенно поваленный и обгоревший лес. Местные жители эвенки рассказывали, что падение метеорита представляло жуткую картину. Грохот оглушил людей, страшный бурелом валил деревья, гибли олени, земля тряслась, — и всё это происходило в ясное, солнечное утро. Где лежит этот гигант, мы пока еще не знаем, но твердо верим, что человеку удастся разгадать эту тайну сибирской тайги.

Внутреннее строение и состав метеоритов весьма любопытны. Одни очень напоминают наши обыкновенные горные породы, хотя и состоят из некоторых минералов, которых мы не знаем на Земле. Другие состоят из почти чистого металлического железа, иногда как бы с капельками прозрачного желтого минерала — оливина.

Ни такого железа, ни таких пород мы на Земле не знаем, и потому несомненно, что они прилетели к нам с каких-то других космических тел. Но откуда? Может быть, это бомбы вулканов Луны, выброшенные ею еще тогда, когда кипела ее расплавленная поверхность? Или это осколки тех маленьких планет, которые вращаются вокруг нашего Солнца между Юпитером и Марсом? Или же это обломки случайно залетевших комет? Не скрою, мы не знаем еще происхождения наших гостей, и только смелые догадки могут пока подсказывать нам их историю в глубинах вселенной.

Придет время, и накопленные сведения раскроют нам и эту тайну природы. Для этого надо быть только хорошим естественником, подробно изучать все явления вокруг нас, точно их описывать, сравнивать их между собой и находить общие признаки в одних и различия в других. Больше ста лет назад известный французский натуралист Бюффон совершенно правильно сказал: «Собирайте факты, — из них родится мысль».

Так и минералог нашего времени тщательно собирает метеориты, изучает их состав и строение, сравнивает их с земными камнями и делает ряд интересных выводов и догадок.

Вот каменный дождь 30 января 1868 года в бывшей Ломжинской губернии, — тысячи камней разных величин в черной оплавленной корочке падают на землю и на только что замерзшую речку, но камни не пробивают даже тонкого слоя льда.

Известны и другие метеориты, которые косо падают на землю (в Алжире в 1867 году), но с такой скоростью и с такой силой, что вырывают на протяжении целого километра длинную и глубокую борозду. При падении метеориты обычно сильно нагреваются, раскаляются иногда до температуры выше 2000°, но нагреваются лишь с поверхности, а внутри камень обычно очень холодный — настолько, что пальцы мерзнут, прикасаясь к нему. Нередко метеориты раскалываются в полете с сильными взрывами от трения о воздух. Иногда они рассыпаются при этом в пыль или превращаются в дождь, который разбрасывает камни на протяжении нескольких километров.

Все эти обломки тщательно собирают и хранят в различных музеях. Самые лучшие собрания метеоритов хранятся в четырех музеях: в нашем Минералогическом музее Академии наук в Москве, в Чикаю, в Лондоне — в Британском Национальном музее и в Вене — в Национальном музее.

Мы знаем много замечательных рассказов о падении камней с неба, но ни один из них не открывал нам тайны их происхождения.

Вот сообщение, появившееся в «Известиях» 27 октября 1937 года.